CN116736770A - 一种单通道旋变驱动机构测试台 - Google Patents

一种单通道旋变驱动机构测试台 Download PDF

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CN116736770A CN202310722261.3A CN202310722261A CN116736770A CN 116736770 A CN116736770 A CN 116736770A CN 202310722261 A CN202310722261 A CN 202310722261A CN 116736770 A CN116736770 A CN 116736770A
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霍蜀梅
何梁
陈上科
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Abstract

本发明公开了一种单通道旋变驱动机构测试台,它涉及一种测试设备。它包括管理单元、控制单元和供电电源,管理单元完成人机操作界面、参数设置以及数据的显示、存储、回放及导出功能,控制单元完成对步进电机控制、电机电流、电压信号采集、旋变信号采集及数据通信功能,管理单元与控制单元采用以太网进行数据交换,控制单元接收管理单元的指令,进行步进电机控制、电机电流、电压采集及旋变信号采集,管理单元通过以太网接收控制单元上传的数据进行显示、存储、回放及数据导出。本发明用于驱动机构产品单机步进电机控制及角度测量,功能全面,对步进电机各参数实现精确测量采集及显示,根据具体旋变参数及接口,实现旋变的供电及角度采集。

Description

一种单通道旋变驱动机构测试台
技术领域
本发明涉及的是一种测试设备,具体涉及一种单通道旋变驱动机构测试台。
背景技术
随着科学技术的发展,电机驱动控制的要求越来越高,从而能够满足智能精密控制要求的场合,例如精密仪器、工业控制和系统等领域,还广泛应用于喷涂设备、医疗仪器及设备等;电机在运行过程中易出现超载丢步、功耗较大、发热量大以及不易实现高低速控制等问题。另外,旋变作为常用的一种位置传感器,可精确检测转子的位置,方向、速度,用来对驱动电机或发电机进行方向、转速的控制。现有市面上的测试设备可模拟旋变驱动机构的工作状态,保证机构转动功能的测试,但功能单一,无法覆盖电机类型,适应不了驱动机构驱动控制需求,无法对步进电机各参数实现精确测量采集。基于此,设计一种单通道旋变驱动机构测试台尤为必要。
发明内容
针对现有技术上存在的不足,本发明目的是在于提供一种单通道旋变驱动机构测试台,结构设计合理,可用于驱动机构产品单机步进电机控制及角度测量,功能全面,可同时控制两台步进电机平稳运行,并对步进电机各参数实现精确测量采集及显示,同时根据具体旋变参数及接口,实现旋变的供电及角度采集,实用可靠,易于推广使用。
为了实现上述目的,本发明是通过如下的技术方案来实现:一种单通道旋变驱动机构测试台,包括管理单元、控制单元和为测试台及步进电机进行供电的供电电源,管理单元完成人机操作界面、参数设置以及数据的显示、存储、回放及导出功能,控制单元完成对步进电机控制、电机电流、电压信号采集、旋变信号采集及数据通信功能,管理单元与控制单元采用以太网进行数据交换,控制单元通过以太网通信接收管理单元的指令,进行步进电机控制、电机电流、电压采集及旋变信号采集,管理单元通过以太网接收控制单元上传的数据进行显示、存储、回放及数据导出。
所述的管理单元采用X86架构嵌入式工业计算机,以嵌入式工业计算机为核心单元,配有硬盘、键盘、鼠标、光驱、USB接口、显示屏、硬件面板;所述的控制单元包括有测控单元、人机交互控制单元、电机驱动单元、旋变解码单元、电机相电流及相电压采集单元,测控单元分别通过两路电机驱动单元、两路旋变解码单元、两路电机相电流及相电压采集单元与指向机构连接,该指向机构包括有两组驱动组件,每组驱动组件包括有电机和旋变,测控单元内置的下位机测控软件与人机交互控制单元内置的上位机管理软件连接,测控单元接入硬件面板,所述的人机交互控制单元分别与硬盘、键盘、鼠标、光驱、USB接口、显示屏连接。
所述的供电电源包括有两路宽电压输入范围AC-DC电源模块,具体为隔离AC-DC本控电源、隔离AC-DC电机电源,测试台采用AC220V供电,接入市电分别给隔离AC-DC本控电源、隔离AC-DC电机电源供电,隔离AC-DC本控电源转DC直流电,一路给管理单元供电,另一路给隔离DC-DC电源供电,隔离DC-DC电源给控制单元中的测控单元、人机交互控制单元、旋变解码单元、电机相电流及相电压采集单元供电,隔离AC-DC电机电源给电机驱动单元供电,该控制单元地为悬浮地,控制单元地为与管理单元地隔离。
作为优选,所述的控制单元通过以太网芯片与管理单元进行点对点通信,保证通信实时性,控制单元按设定周期上传数据至管理单元,接收管理单元各项控制指令、参数配置,控制单元用以控制步进电机动作、采集旋变信号、采集电机电流及电压信号。控制单元采用DSP+FPGA控制架构,采集电机电压、电流等模拟信号,保证系统的实时及稳定性,控制单元利用事件管理器生成电机驱动所需的方波信号;测控单元的CPU处理器采用带浮点运算的数字信号处理器TMS320F28335,工作主频为150MHz,测控单元通过SPI接口对电机驱动单元的电机驱动芯片进行配置,电机驱动芯片采用电机驱动芯片TMC262,采用斩波恒流控制,内部集成DAC,通过外部的模拟信号实现任意的细分控制,最大可实现256的微步细分功能,实现在低速时候平滑控制,集成过流、短路、过温等保护与诊断功能。
作为优选,所述的测控单元利用并口外扩旋变解码单元的旋变信号处理芯片,负责数据的处理、缓冲、与管理单元的通信以及其它信号的输出控制;所述的旋变信号处理芯片采用信号处理芯片AD2S1210,测量角位置和角速度,旋变解码通过两片旋变信号处理芯片完成,集成可编程正弦波振荡器,为旋转变压器提供激励,旋变信号处理芯片工作在16位并行模式,用软件方式可对解码数据进行误差补偿和数据组合。
作为优选,所述的测控单元通过电机相电流及相电压采集单元的电流信号采集处理芯片外扩模拟量采集功能,实现电机绕组电流信号、电机电压信号等遥测信号采集;所述的电流信号采集处理芯片采用数据采集芯片AD7606。
作为优选,所述的管理单元与控制单元集成安装于机壳中,机壳采用铝合金外壳的一体机设计,机壳的前面板上安装有能监测28V电源供电状态的电压电流双显表,其中电压表用于监测28V电源电压、电流表用于监测28V电源的电流,前面板上设置有监测设备电源状态的限流指示灯、电压调节指示灯、限流调节指示灯,电机电源电压、限流可调,当电流过大时限流指示灯会亮;前面板上还设置有用于指示本控电源是否加电的本控电源指示灯、用于显示测试台工作状态的工作状态指示灯,前面板上还安装有A正向点动按钮、A反向点动按钮、B正向点动按钮、B反向点动按钮及紧急停止按钮。所述的机壳的后面板上安装有保险座、220V开关、电机供电插座、旋变采集插座以及用于设备接大地的接地桩,保险座安装220V、5A保险丝;所述的机壳的左侧板上安装有便于搬运设备的左把手、用于系统内部散热的左风扇,右侧板上安装有便于搬运设备的右把手、用于系统内部散热的右风扇、导入或导出数据的光驱、外接USB设备的两路USB接口。
本发明的有益效果:本装置用于驱动机构产品步进电机控制及角度测量,可同时控制两台步进电机平稳运行,并对步进电机各参数实现精确测量采集及显示,同时根据具体旋变参数及接口,实现旋变的供电及角度采集,能够实现上电自检功能、电机驱动功能、旋变信号采集、电机电流电压采集功能等,功能全面,适应驱动机构驱动控制需求,运行平稳可靠,应用前景广阔。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明;
图1为本发明的系统框图;
图2为本发明供电电源的结构框图;
图3为本发明控制单元的原理框图;
图4为本发明电机驱动单元的原理框图;
图5为本发明测试台机壳的外部结构示意图;
图6为图5的后视图;
图7为图5的左视图;
图8为图5的右视图;
图9为图5的俯视图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。
参照图1-9,本具体实施方式采用以下技术方案:一种单通道旋变驱动机构测试台,包括管理单元、控制单元和为测试台及步进电机进行供电的供电电源,管理单元完成人机操作界面、参数设置以及数据的显示、存储、回放及导出功能,控制单元完成对步进电机控制、电机电流、电压信号采集、旋变信号采集及数据通信功能,管理单元与控制单元采用以太网进行数据交换,控制单元通过以太网通信接收管理单元的指令,进行步进电机控制、电机电流、电压采集及旋变信号采集,管理单元通过以太网接收控制单元上传的数据进行显示、存储、回放及数据导出。
管理单元采用X86架构嵌入式工业计算机,以嵌入式工业计算机为核心单元,管理单元通过以太网与控制单元通信,控制两路步进电机、显示两路旋变信号、显示四路电机电流信号、显示电机电流值和电机转向以及电机的运行时间,能够对控制单元数据采集周期进行设置(1-1000ms),对采集数据进行记录,对用户操作起始、停止时间进行记录。该管理单元配有硬盘1、键盘2、鼠标3、光驱4、USB接口5、显示屏6、硬件面板7;所述的控制单元包括有测控单元8、人机交互控制单元9、电机驱动单元10、旋变解码单元11、电机相电流及相电压采集单元12,测控单元8分别通过两路电机驱动单元10、两路旋变解码单元11、两路电机相电流及相电压采集单元12与指向机构连接,该指向机构包括有两组驱动组件,每组驱动组件包括有电机和旋变,测控单元8内置的下位机测控软件13与人机交互控制单元9内置的上位机管理软件14连接,测控单元8接入硬件面板7,所述的人机交互控制单元9分别与硬盘1、键盘2、鼠标3、光驱4、USB接口5、显示屏6连接。
所述的上位机管理软件14与下位机测控软件13通过以太网进行数据交换。其中,上位机管理软件14采用图形界面,在显示界面中能够动态显示各个信号曲线,设置各类参数,软件界面中参数设置窗口和试验操作窗口独立,便于操作人员操作和记录,试验数据可通过软件导出保存为TXT文件,便于试验人员记录和分析试验状态。上位机管理软件14分为测试主界面、参数设置、数据回放处理等部分,测试主界面分为电机控制、数据分析两部分,电机控制界面功能包括跟踪模式、往复摆动模式、位置预置模式、电机调试模式的工作模式选择;机构控制选择;电机启动与停止按钮。通过上位机管理软件14可以设置电机参数:电机参数设置界面可以设置电机参数及旋转变压器参数;电机参数中可设置“步距角”、“驱动电流”、“细分数”、“默认加速度”、“默认转速”、“转角”、“减速器减速比”等参数;旋转变压器参数设置中可设置旋变极对数、旋变频率、旋变粗机精度、旋变精机精度、粗机开路输入阻抗、精机开路输入阻抗、机构零位旋变初始值。下位机测控软件13采用前后台架构,采用开环或闭环方式控制步进电机运动,采集旋变角度、位置信号,采集电机相电压、相电流信号,通过以太网和人机交互控制单元9进行数据交换,执行参数设置、指令运动等指令,并上传机构实时电机电参数及旋变位置等参数。
供电电源包括有两路宽电压输入范围AC-DC电源模块,具体为隔离AC-DC本控电源15、隔离AC-DC电机电源16,测试台采用AC220V供电,接入市电分别给隔离AC-DC本控电源15、隔离AC-DC电机电源16供电,隔离AC-DC本控电源15转DC直流电,一路给管理单元供电,另一路给隔离DC-DC电源17供电,隔离DC-DC电源17给控制单元中的测控单元8、人机交互控制单元9、旋变解码单元11、电机相电流及相电压采集单元12供电,隔离AC-DC电机电源16给电机驱动单元10供电,该控制单元地为悬浮地,控制单元地为与管理单元地隔离。
值得注意的是,所述的控制单元通过以太网芯片47与管理单元进行点对点通信,保证通信实时性,控制单元按设定周期上传数据至管理单元,接收管理单元各项控制指令、参数配置,控制单元用以控制步进电机动作、采集旋变信号、采集电机电流及电压信号。控制单元采用DSP+FPGA控制架构,采集电机电压、电流等模拟信号,保证系统的实时及稳定性,控制单元利用事件管理器生成电机驱动所需的方波信号;测控单元8的CPU处理器19采用带浮点运算的数字信号处理器TMS320F28335,工作主频为150MHz,测控单元8通过SPI接口对电机驱动单元10的电机驱动芯片18进行配置,电机驱动芯片18采用电机驱动芯片TMC262,采用斩波恒流控制,内部集成DAC,通过外部的模拟信号实现任意的细分控制,最大可实现256的微步细分功能,实现在低速时候平滑控制,集成过流、短路、过温等保护与诊断功能。
测控单元8利用并口外扩旋变解码单元11的旋变信号处理芯片20,负责数据的处理、缓冲、与管理单元的通信以及其它信号的输出控制;所述的旋变信号处理芯片20采用信号处理芯片AD2S1210,测量角位置和角速度,旋变解码通过两片旋变信号处理芯片20完成,集成可编程正弦波振荡器,为旋转变压器提供激励,旋变信号处理芯片20工作在16位并行模式,用软件方式可对解码数据进行误差补偿和数据组合。
测控单元8通过电机相电流及相电压采集单元12的电流信号采集处理芯片21外扩模拟量采集功能,实现电机绕组电流信号、电机电压信号等遥测信号采集;所述的电流信号采集处理芯片21采用数据采集芯片AD7606。
此外,所述的管理单元与控制单元集成安装于机壳22中,机壳22采用铝合金外壳的一体机设计,机壳22的前面板23上安装有能监测28V电源供电状态的电压电流双显表24,其中电压表用于监测28V电源电压、电流表用于监测28V电源的电流,前面板23上设置有监测设备电源状态的限流指示灯25、电压调节指示灯26、限流调节指示灯27,电机电源电压、限流可调,当电流过大时限流指示灯25会亮;前面板23上还设置有用于指示本控电源是否加电的本控电源指示灯28、用于显示测试台工作状态的工作状态指示灯29,前面板23上还安装有A正向点动按钮30、A反向点动按钮31、B正向点动按钮32、B反向点动按钮33及紧急停止按钮34。所述的机壳22的后面板35上安装有保险座36、220V开关37、电机供电插座38、旋变采集插座39以及用于设备接大地的接地桩40,保险座36安装220V、5A保险丝;所述的机壳22的左侧板41上安装有便于搬运设备的左把手42、用于系统内部散热的左风扇43,右侧板44上安装有便于搬运设备的右把手45、用于系统内部散热的右风扇46、导入或导出数据的光驱4、外接USB设备的两路USB接口5。
本具体实施方式能对步进电机进行平稳驱动控制,实现转动、摆动、定角度运动、点动及归零等功能,对旋变实现安全供电;能对步进电机转速、绕组电流、供电电压等数据实现精确测量采集,对旋变反馈角度实现精确采集,并能对机构旋变相对角度进行修正处理;同时,设备具备参数存储功能,实现定产品定参数,同产品各设置参数可直接调用,无需重复更改;测试台可对采集到的数据进行处理并实时显示,对测试台采集到的各项数据实现记录存储,对存储数据实现实时回放,并能描绘数据曲线;可对存储数据实现txt或Excel格式导出,对于超出Excel文件行数的数据可导出为多个文件;对输出阈值、监测数据进行判断,发现不合理操作逻辑、输出值、监测值应及时报警并做出相应处理。
本具体实施方式用于驱动机构产品步进电机控制及角度测量,可同时控制两台步进电机平稳运行,并对步进电机各参数实现精确测量采集及显示,驱动脉冲频率覆盖电机转速0-1000r/min范围,实现平稳运行,能覆盖电机类型;另外,测试台根据具体旋变参数及接口,能实现两台旋变同时供电及角度采集,适用于单通道旋变。具体地,其功能如下:
(1)上电自检功能:接通电源后,系统对电机驱动、旋变采集等各个模块进行自检;
(2)电机驱动功能:独立且能同时两台具有主备绕组步进电机;主备绕组通过继电器切换实现;具有变频启动和停止功能,变频时间软件可设置;为电机提供电压28V、电流不小于2A的电源,电机电流软件可设置;电机步距角软件可设置;具备整个脉冲周期0-1024驱动细分能力,细分值软件可设置;驱动方向、驱动脉冲频率可设置、显示,显示范围0-3666.67Hz,显示分辨率0.01Hz。
驱动功能包括基本参数设置、电机绕组选择、驱动方向控制、驱动电压/电流检测、运转方式选择、驱动频率设置、细分设置、变频起止、定步驱动、点动驱动等多个基本模块。
①基本参数设置:可对驱动机构基本驱动参数进行设置。
②电机绕组选择:驱动机构步进电机均采用双绕组互为主备份形式。
③驱动电压/电流检测:驱动电源驱动电压在0-40V内可调,驱动电流在0-3A内可调;电流波形将方波运行变成标准正弦波包络形式运行,电流每个脉冲细分数可选。
④运转方式选择:转动模式、摆动模式。
⑤细分设置:具有细分驱动能力,细分波形为标准正弦波;细分数具体要求如下:转速不大于10°/s时,要求细分数从16-256细分可调,典型细分档包括16、32、64、128、256、512、1024;转速大于10°/s时,要求细分数从16-64细分可调,典型细分档包括16、32、64、128。
⑥变频起止:电机以捕获速度运行,启动和止动均采用变频启动和止动。
⑦定步驱动:采用定步方式控制步进电机运行,步数控制范围可覆盖1-9999步范围,步数控制精度为1步。
⑧点动驱动:具备点动功能,用于调零等操作,点动模式为点动1次,驱动模块发出1个脉冲。
(3)旋变信号采集:测试台能同时实现两台旋变精确供电并反馈供电电压、实现旋变角度精确采集并显示为绝对角度。旋变基本参数及供电要求可在参数设置项中进行设置,测试台对旋变供电及采集可实现主备份切换,其主备份切换应与电机主备份切换同时对应进行,其主备切换按钮可与电机主备绕组切换按钮合并。测试台采集两路含主备份模式的单通道旋变角度信号;励磁电压4±0.4Vrms,励磁频率10K±10%Hz;极对数1:1,角度采集结果的角度裸值显示为绝对角度,角度范围为0.000-359.999。
(4)电机电流、电压采集功能:采集两路电机共4路相电流;采集1路电机电压;采样分辨率16位,采样频率1KHz。
综上,本设备对步进电机各参数实现精确测量采集及显示,同时根据具体旋变参数及接口,实现旋变的供电及角度采集,能够实现上电自检功能、电机驱动功能、旋变信号采集、电机电流电压采集功能等,功能全面,适应驱动机构驱动控制需求,运行平稳可靠,具有广阔的市场应用前景。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解,本发明不受上述实施例的限制,上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理,在不脱离本发明精神和范围的前提下,本发明还会有各种变化和改进,这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种单通道旋变驱动机构测试台,其特征在于,包括管理单元、控制单元和为测试台及步进电机进行供电的供电电源,管理单元完成人机操作界面、参数设置以及数据的显示、存储、回放及导出功能,控制单元完成对步进电机控制、电机电流、电压信号采集、旋变信号采集及数据通信功能,管理单元与控制单元采用以太网进行数据交换,控制单元通过以太网通信接收管理单元的指令,进行步进电机控制、电机电流、电压采集及旋变信号采集,管理单元通过以太网接收控制单元上传的数据进行显示、存储、回放及数据导出;
所述的管理单元采用X86架构嵌入式工业计算机,包括有硬盘(1)、键盘(2)、鼠标(3)、光驱(4)、USB接口(5)、显示屏(6)、硬件面板(7);所述的控制单元包括有测控单元(8)、人机交互控制单元(9)、电机驱动单元(10)、旋变解码单元(11)、电机相电流及相电压采集单元(12),测控单元(8)分别通过两路电机驱动单元(10)、两路旋变解码单元(11)、两路电机相电流及相电压采集单元(12)与指向机构连接,该指向机构包括有两组驱动组件,每组驱动组件包括有电机和旋变,测控单元(8)内置的下位机测控软件(13)与人机交互控制单元(9)内置的上位机管理软件(14)连接,测控单元(8)接入硬件面板(7),所述的人机交互控制单元(9)分别与硬盘(1)、键盘(2)、鼠标(3)、光驱(4)、USB接口(5)、显示屏(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种单通道旋变驱动机构测试台,其特征在于,所述的供电电源包括有两路宽电压输入范围AC-DC电源模块,具体为隔离AC-DC本控电源(15)、隔离AC-DC电机电源(16),测试台采用AC220V供电,接入市电分别给隔离AC-DC本控电源(15)、隔离AC-DC电机电源(16)供电,隔离AC-DC本控电源(15)转DC直流电,一路给管理单元供电,另一路给隔离DC-DC电源(17)供电,隔离DC-DC电源(17)给控制单元中的测控单元(8)、人机交互控制单元(9)、旋变解码单元(11)、电机相电流及相电压采集单元(12)供电,隔离AC-DC电机电源(16)给电机驱动单元(10)供电,该控制单元地为悬浮地,控制单元地与管理单元地隔离。
3.根据权利要求1所述的一种单通道旋变驱动机构测试台,其特征在于,所述的控制单元通过以太网芯片(47)与管理单元进行通信,按设定周期上传数据至管理单元,接收管理单元各项控制指令、参数配置,控制单元采用DSP+FPGA控制架构,采集电机电压、电流模拟信号,利用事件管理器生成电机驱动所需的方波信号;测控单元(8)的CPU处理器(19)采用带浮点运算的数字信号处理器TMS320F28335,工作主频为150MHz,测控单元(8)通过SPI接口对电机驱动单元(10)的电机驱动芯片(18)进行配置,电机驱动芯片(18)采用电机驱动芯片TMC262,采用斩波恒流控制,内部集成DAC,通过外部的模拟信号实现任意的细分控制,实现在低速时候平滑控制,集成过流、短路、过温保护与诊断功能。
4.根据权利要求3所述的一种单通道旋变驱动机构测试台,其特征在于,所述的测控单元(8)利用并口外扩旋变解码单元(11)的旋变信号处理芯片(20),负责数据的处理、缓冲、与管理单元的通信以及其它信号的输出控制;所述的旋变信号处理芯片(20)采用信号处理芯片AD2S1210,测量角位置和角速度,旋变解码通过两片旋变信号处理芯片(20)完成,集成可编程正弦波振荡器,为旋转变压器提供激励。
5.根据权利要求3所述的一种单通道旋变驱动机构测试台,其特征在于,所述的测控单元(8)通过电机相电流及相电压采集单元(12)的电流信号采集处理芯片(21)外扩模拟量采集功能,实现电机绕组电流信号、电机电压信号遥测信号采集;所述的电流信号采集处理芯片(21)采用数据采集芯片AD7606。
6.根据权利要求1所述的一种单通道旋变驱动机构测试台,其特征在于,所述的管理单元与控制单元集成安装于机壳(22)中,机壳(22)的前面板(23)上安装有电压电流双显表(24),前面板(23)上设置有限流指示灯(25)、电压调节指示灯(26)、限流调节指示灯(27),前面板(23)上还设置有用于指示本控电源是否加电的本控电源指示灯(28)、用于显示测试台工作状态的工作状态指示灯(29),前面板(23)上还安装有A正向点动按钮(30)、A反向点动按钮(31)、B正向点动按钮(32)、B反向点动按钮(33)及紧急停止按钮(34)。
7.根据权利要求6所述的一种单通道旋变驱动机构测试台,其特征在于,所述的机壳(22)的后面板(35)上安装有保险座(36)、220V开关(37)、电机供电插座(38)、旋变采集插座(39)以及用于设备接大地的接地桩(40),所述的机壳(22)的左侧板(41)上安装有便于搬运设备的左把手(42)、用于系统内部散热的左风扇(43),右侧板(44)上安装有便于搬运设备的右把手(45)、用于系统内部散热的右风扇(46)、导入或导出数据的光驱(4)、外接USB设备的USB接口(5)。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117170348A (zh) * 2023-11-02 2023-12-05 沈阳顺义科技有限公司 一种光电仪器控制盒检测装置

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