CN1882848B - 用于测描物体空间的装置 - Google Patents
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Abstract
具有一个光电子测距仪的按照信号-渡越时间法用来测描物体空间的装置，它具有一个发射机构(S)用来发射光学的、尤其是激光信号，还有一个接收机构(E)用来接收光学信号、尤其是激光，激光被位于目标腔里的物体反射。此外还设有一个扫描机构，用于使发射和接收机构(S或者E)的光轴在优选为两个正交的方向上偏转。发射和接收机构(S或者E)的光轴基本平行地延伸。此外还有一个分析处理机构，它从发射的光学信号的渡越时间或者相位中求出距离值，其中由距离值和扫描机构的射束偏转得出单个数据单元的空间坐标。所述装置具有一个旋转测头(8)和一个相对于测头(8)刚性设置的反射镜机构(41，42)，所述测头借助于一个空心轴(33，34)支承在一个轴承座(21，22，24)上，通过反射镜机构可以使轴向相对于中空轴(33，34)射入的光束偏转到径向方向上，反之亦然。位置固定地布置的发射机构(S)的光束可以相对于中空轴(33，34)来说在轴向方向上引入，并通过反射镜机构(41，42)可以在径向方向上发射出。相反，由位于物体空间里的目标所反射的光束则通过反射镜机构(41，42)可以偏转到中空轴(8，33，34)的轴线方向上，并可以输送给同样也是位置固定地设置的接收机构(E)。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有光电子测距仪的按照信号-渡越时间法来测描物体空间的装置，该装置具有一个发射机构用于发射光学的、尤其是激光信号；还具有一个接收机构用于接收光学的、尤其是激光，该激光被位于目标空间里的物体反射。为了检测和记录空间结构，使这样的测距仪与一个用于使发射和接收机构的光轴偏转的扫描机构组合起来，其中基本为平行延伸的光轴优选被偏转到两个正交方向上。所述装置还包括一个分析处理机构，它由光学信号的渡越时间或者相位求出距离值，并由这些距离值和同时检测到的扫描机构的角度值形成各个数据单元的空间坐标。本发明尤其也涉及一种测描目标物体空间的方法。
背景技术
已知的这种类型的装置用于测量建筑物、地形构造、机器和设备等等。这种系统通常具有一个测头，在该测头中使测量光速高速成扇状地偏转一个受限制的角度，例如90°。测量光线的偏转利用振动反射镜、旋转的镜轮或类似物来进行。测头通常装在一个转台上，该转台实施一种比较来说缓慢的来回往复运动。摆动角则根据使用情况，通常为90°至180°。
若要记录一个基本完全的空间角度的话，那么这些系统都可以使用，但有限制。这样的一些使用情况例如象测量建筑物的内部空间、测量地下空洞、岩洞，在隧道和采矿时的爆破作业时等等。在钢铁工业中都应用在完全特别困难的条件下，此时空洞和运输容器的测量都用于生铁或钢的熔液。
由于操作和能量方面的原因，熔化成流体的金属多从制造地点运输至加工地点。在钢铁工业中利用了相应的容器、所谓鱼雷铁液罐，用于将流体的生铁从高炉运至转炉并必要时从该转炉运送至铸造厂、尤其是至连续浇铸设备，在这里铸出钢锭作为用于轧制过程的初始产品。能装几百吨铁或者钢熔液的鱼雷铁液罐具有一个炉衬，它是一种隔热层并同时防止容器的钢外罩受到熔液的作用。类似于如在钢转炉时那样，这样的鱼雷铁液罐的炉衬也受到磨损，尤其可能引起炉衬的各个耐火砖的碎开。因为这样的损坏可能对于安全和环境有严重影响，因此这种运输车的炉衬必须定期地进行检查、修理或更新，这当然引起高的成本。对于这样的检查必须使鱼雷铁液罐(或者也可以是各种另外的用于钢或者铁的容器)冷却，并接着又慢慢升到工作温度(～1300℃)。因此使生产显著地中断了，这相应地引起了高的成本。
发明内容
通过本发明建议了一种装置，用该装置可以精确地测量这样一个容器的内部空间。通过第一次投入运行时的参照测描(其中将数据存入在一个存储器里)、并通过与各自当前的测描形成的差值就可以精确地确定出炉衬的变化，如耐火砖的磨损、破裂。炉衬的检修因此只是在事实上需要的情况下才进行。
按照本发明，本发明具有一个旋转的测头，它借助于一个中空轴支承在一个轴承座上。此外设有一个相对于测头刚性布置的反射镜机构，通过该机构可以使轴向相对于中空轴射入的光束在径向方向上偏转以及反之，其中一个位置固定地布置的发射机构的光束可以相对于中空轴来说在轴向方向上引入并通过反射镜机构可以在径向方向上发射出，而且该由位于物体空间里的目标所反射的光则通过反射镜机构可以偏转到中空轴的轴线方向上并可以输送给同样也是位置固定地设置的接收机构。
虽然反射镜机构可以以不同的方式设计，例如由一个或多个反射镜和/或完全或部分地镜面反射的棱镜组成。例如在同轴布置时在一个共同的光学系统上对于发射-和接收通道来说可以例如通过一个半透明的反射镜来实现这些通道的分配，其中一个唯一的反射镜或者一个相应的棱镜本身就够了。在本发明的一种有利的改进方案中反射镜机构具有一个旋转的，通过一个马达驱动的测头，它布置在一个轴承座的两个支腿之间并支承在一个空心轴上，其中轴向相对于空心轴在测头里固定了两个反射镜，而且一个第一反射镜使轴向通过空心轴射入的发射机构的或者说必要时中间接入的光导体的光束转向相对于空心轴轴线的径向方向上，并且在优选规定的射束成形之后就射出，而第二反射镜则将基本平行于发射光束所射入的，由物体空间里的目标所反射的光束优选在射束成形之后在轴向方向上相对于空心轴转向到接收机构上，必要时中间接入光导体。
轴承座有利地以本身已知的方式装在一个转盘上，该转盘可以围绕一个轴摆动，该轴垂直于测头的旋转轴线并通过一个马达可以驱动。
为了能够使测量系统经过窄的通道，例如经过容器的装料支管进入中空腔里，按照本发明的一种有利的改进方案将转盘固定在一个优选为圆柱形的支承管上，其中转盘的摆动轴平行于支承管的轴线定向，最好与其相一致。
在检查用于金属熔液的鱼雷铁液罐或其它的容器时，尤其是在生铁水或钢水的这种容器时，重要的是基本上在工作温度时能够进行相应的测量，而且不需要特别地将容器冷却。为此轴承座和/或支承管或者测头优选具有一种冷却机构，尤其是液体冷却机构，或者说设置有隔热机构，其中轴承座和/或支承管用的冷却液通过软管输入和排出，这种软管在支承管的内部穿过。
通过这种冷却和/或隔热也就首次可以节省用于冷却容器的费用或者说相应停机时间的费用。因而这(些)措施也可以与反射镜机构的设计结构和布局以及测头的旋转无关地看作为独立的发明。更何况专业同行以前一直力求使测头布置在所要测量的容器之外，这另一方面又要求容器的定向措施。
测头可以附带地或者替代地有利地借助于一种气体(也可以是一种可蒸发的冷却介质的气体，如氟里昂)，尤其通过压缩空气来冷却，其中气体可以通过中空轴的一侧引入测头里并可以通过另一侧从测头里引出并使气体通过软管在支承管内部引入，而气体则可以通过支承管输出。
为了保护该可旋转设置的测头，但首先是测距系统的进、出窗口，防止在测量机构通过狭窄的通道引入时产生污染和损伤，该处于静止位置的测头的外轮廓适配于轴承座的轮廓，在该轮廓里测量光束的进、出窗口指向转盘，其中这些轮廓一起例如就构成一个半球形或类似的形状。
测量系统的一种附加的保护可如下来实现：轴承座和位于静止位置的测头向着支承管成台阶状在直径上变小，其中在支承管上纵向可以移动地设有一个第二管子并且在轴承座和处于静止位置的测头的直径变小的部位上可以移动，并在轴承座的向前移动的状态下使转盘和测头基本上密闭住。
支承管连同轴承座和测头优选置于一个小车上，该小车可以被带到一个至测量物体的规定的和可重现的位置上。
按照本发明的装置有利地用于测量和检验侵蚀性液体，尤其是金属熔液用的容器和罐车。
如果测量光束基本上径向从测头里射出的话，那么通过轴承座或者转盘就造成一个围绕着支承管或类似物的部位的阴影。因为测量系统通常经过容器的装料支管而进入容器里，因此这就意味着：正好在围绕着装料支管的部位里测量系统是“盲”的，在上述部位里在加载和/或卸载时熔液以高的流动速度流动并因而在那里可能出现最大的摩损现象。为了能避免所述的阴影并且也能测量该临界部位，按照本发明建议了：在测量光束的进、出窗口前各设有一个反射镜，它使光束相对于测头转向至一个基本为相切的方向上。
本发明也涉及一种方法，其中规定了以下工序：
(a)设有一个纵长的具有一个纵轴的测量机构；
(b)将纵长的测量机构移入一个金属熔液用容器的、由内壁所限制住的空腔里；
(c)使测量机构的测头围绕纵向轴旋转；
(d)在测量机构围绕纵轴旋转时对于测量机构至内壁的距离进行测量；
(e)必要时将所测的距离数据存储起来。
数据最好这样来收集，使得通过工序(c)和(d)所获得的数据在工序(e)之前组合成容器中空腔的一个三维图形。
附带地或替代地，有利的是：相对于测量数据的比较数据优选作为三维图形存储起来，并在实施工序(d)之后与所测数据进行对比。
附图说明
本发明的其它特征见以下对一些实施例所作的说明并参照附图。
图1表示一个用于测量所谓鱼雷铁液罐的装置的简图；
图2表示了按照本发明的测头包括轴承座和转盘的轴向剖视图；
图3同样也表示了一个测头横截面的细部简图；
图4a最后表示了按照本发明的测量机构的局部剖视图；
图4b是附属的侧面图。
具体实施方式
图1表示了一个鱼雷铁液罐的横截面简图并用1标记。鱼雷铁液罐通常具有一个圆柱形中心部分，它有装料或倒空支管2。在该中心部分上两侧都连接有锥形部件，这些部件各在一个轴端部分处终止，所述罐可旋转地装在轴端部分上。两个轴承各支承在一个转向架上，这些转向架可以在一个轨道设备上移动。一种这样的转向架的轴3和轨道4示意地表示出。鱼雷铁液罐1有一个钢外罩5。内腔具有一个衬壁6，它通常由两层组成：一个里面的密封层6a和一个外面的安全衬壁6b。罐的一个锥形部位用7标示。为对鱼雷铁液罐1装料，使该罐从图1所示位置出发顺时针方向摆动90°，那么装料支管2向上指向，为将其倒空，使罐旋转180°。图1所示的中间位置是在倒空之后用来检查衬壁时的情况。
为了检查鱼雷铁液罐1，将一个测头8经过装料支管2推入到空罐里。测头8布置在一个液体冷却的管子9上，其延长部分10可以移动地设置在一个小车11里。在管子10的自由端上设有一个壳体，该壳体包含有激光测距器的电子机构和测头8的扫描机构的控制器。在管子9，10的内部穿过了通向测头8的数据电缆、控制电缆和供电电缆。激光发射机或者发射器S、用于激光回波脉冲的光电子接收器E和与之连接的整个分析处理机构都布置在壳体12里，并与测头8通过玻璃纤维电缆64(图4a)连接。与之对应地，附图标记12可以认为是分析处理机构自身。
同样在管子9，10内部也布置有冷却介质用的管路和/或用于冷却真正的测头8的压缩空气管路。整个设备通过一根数据和控制电缆13来控制，该电缆与一个计算机C相连，该计算机在线或脱机地由通过分析处理机构12求出的测量值以本身就已知的方式计算容器1内部的一种三维模型，并且适宜地存储在一个附属的存储器里。用14表示供电电缆，15表示压缩空气管路，16则表示冷却介质的输入输出管路。为使仪器更容易地装入到鱼雷铁液罐的装料支管2里，设有一个辐射护罩17，它固定在管子10上。在管子10上还固定一个板18，它有一个固定销19，该固定销插入在装料支管2的覆盖面20里的对应孔里，并因此使鱼雷铁液罐1对准测头8。
可能适宜的是：将由测头8、管子9，10、壳体12和板18以及护罩17组成的测量设备固定在一个起重机上，其中吊挂在所述设备的重心上。用一种这样的变型方案也可以使测量设备快速和最佳地对准鱼雷铁液罐1，如果其测量位置只是被粗略地调定的话。
测量系统在罐1上的精确定向特别重要，只有当一个当前的测描可以与一个较早的测描进行比较或者形成差。替代一种机械的定向，也可以通过对参照点的测量使系统相应地对准鱼雷铁液罐。
测量时测头8在轴承座的两个支腿21和22之间在箭头23的方向上旋转。由图1可见，围绕管子9的锥形区域25被遮住光，因为测量光束射到测量机构的底部24(图2)上(在底部上设有支腿21和22；见图2，4a)，并且不能到达围绕装料支管2的衬壁。通过测头8在箭头方向26上的旋转，除了区域25之外，使鱼雷铁液罐1的整个内腔记录下来。结合每个单独的数据单元，由距离值和同时检测到的扫描机构光偏转角度值得出空间坐标。由所有这些数据单元的全体可以建立罐1内腔的一个3D模型。若同一个鱼雷铁液罐1存在一个较早的测描，那么就可以通过求出差值来计算衬壁表面的变化。这种较早的测描应存储在一个存储器里、例如计算机C的存储器里，并且可以或者直接地与测头8的输入的测量数据、或者在中间存储于计算机C的存储器里之后进行比较。
图2表示了测量机构结构的轴向剖视图。测头8具有一个对于轴线27来说为圆柱形的壳体28。在该圆柱外罩里设有一个基本为矩形的窗口29用于所述发射和接收的测量光束。在壳体28里，在窗口29后面有两个用于测量光束的透镜30，31(用于发射光束的准直透镜以及用于反射的回波信号的聚焦透镜)。这些玻璃器件29至31的重量由一个布置在壳体28里的配重32来补偿。壳体28可以围绕轴线27旋转。测头8支承在空心轴的轴端33，34上。两个轴端33，34支承在简化表示的轴承35，36里并导向运转。测头8由一个马达M驱动，马达的小齿轮37与内齿圈38啮合，该内齿圈与空心轴同轴地固定在壳体28的壁上。替代地可以考虑：通过一个向外导出的传动箱、必要时也可以用手来驱动测头8。
测量时测头8以相对高的转速在箭头46方向上回转。通过光缆39将发射光束输送给测头。光束经过一个反射镜40和空心轴轴向地转入测头并在那里通过一个成镜面的棱镜面41输送给准直透镜30。由目标物体所反射的光束通过窗口29射入到测头8上并通过聚焦透镜31在成镜面的棱镜面42和在反射镜43上二次转向后集中到光缆44上，该光缆将反射信号继续传输至测距仪的接收机构。
轴承座21，22，24连同其两个支腿21和22布置在一个转盘45上。转盘45实现一种在箭头47方向上的来回往复运动。当扫描一个完整的空间角度时该角度至少为180°，优选为360°。对此转盘在其内部通过一个虚线所示齿辊tr由一个马达M1驱动。齿辊tr与一个点划线所示的内齿ig啮合。
轴承座21，22，24的两个支腿21和22以及转盘45被一种简化表示的液体冷却器48和/或一个隔热层49包围，隔热层又被一个薄板外壳50包围。作为冷却介质可以使用水或者也可以用油。在受到极端温度时测头8可以附带设有气体冷却器(例如也可以是一种可蒸发的气体，如氟里昂)或者压缩空气冷却器，但它也可以单独应用在承受低温时。为此目的在本实施例时使一个未示出的压缩空气管路通入轴承座21，22，24的一个支腿22里，该压缩空气管路连接于中空轴轴端33上(未示出)。压缩空气(或一种另外的气体)以高速流过测头8，并通过中空轴端34从测头8里流出，并通过轴承座21，22的支腿21排出。为了通过空气或者气体达到最佳冷却效果，可以在测头内部设置导向板。
如果如在上面实施例中所示那样测量光束径向从测头里射出、或者射入到该测头中，那就形成一个相对大的被遮住光线的空间角度2，也就是说测量光线没有到达那里，因为它们通过轴承座21，22，24的基底24或者说转盘45而被遮蔽住。
图3中概略表示一种解决方案，通过该方案可以减小了阴影作用或者在测头的对应设计中就可以完全避免。按照本发明设有一个棱镜52代替窗口29，其表面53作成镜面。在测头8的这种变型方案中，测量光束并不是径向地、而是基本切向地射出或者射入。如果这样设计棱镜52，使得测量光束56的内边界55的距离54至少相当于轴承座21，22，24或转盘45的基底24的半径，那么就不出现阴影效果。如果转盘45使轴承座21，22，24连同测头8摆动180°的话，那么棱镜52和测量光束56就占据虚线所示位置(52′或者56′)。用一种按此方式修改的测量机构也可以检查围绕装料或者出料孔2周围的极高要求区。
按照本发明的测量机构应用在钢厂里时、尤其是在测量鱼雷铁液罐的衬壁时，从多方面看受到极端加载。首先大约1300℃的高工作温度要求有特殊的措施。在将测量系统引入罐里去时可能引起与装料支管2内壁的碰撞，由于这种碰撞可能使钢的、炉渣的或衬壁的颗粒脱离开壁，并使窗口29或者棱镜52弄脏，和/或使整个测量机构受损伤。在图4a和4b中简化和部分地表示了测量机构的剖视图，通过这种测量机构在进入鱼雷铁液罐1内部的临界阶段时相对于所提到的风险来说使该机构很大程度上受到了保护。支腿21和22各由曲折形成型的小铜管57的冷却罩围住。冷却罩被一个隔热层49包围，该隔热层则被一个薄板外壳50围住。轴承座21，22，24装在转盘45上，它类似地通过小铜管57来冷却并被一个隔热层49包围。转盘45固定在管子10的一个凸缘58上，该管子同样也设有一种液体冷却机构和一个隔热层。经冷却和隔热的管子连同转盘45被一个薄壁的薄板管9包封住。
在管子9和轴承座21，22，24之上可移动地设有一个管子59。在测量系统的静止位置上该管子59占据图4a所示的位置，在工作位置上该管子59至少一直退回至转盘45(见图4b)。通过对测头8的控制使该测头在系统断开时移动到图4a和4b所示的位置上。管子59和测头8的驱动机构相互电气闭锁，因此测头驱动机构只有在管子59退回时才能接通。如果测头驱动机构虽由操纵者接通，但管子并未退回，那么可以替代地有一个信号从一个与管子59共同工作的位置传感器处输出。在一种这样的情况下将传感器的信号或者输给一个显示器一该显示器使使用者想起拉回管子59，或者借助于一个自动地通过传感器的信号而控制的伺服电机来调整管子，直至所述管子到达退回的位置上。
尤其是由图4b可见，轴承座21，22，24的两个支腿21和22在平面60里有利地成台阶状缩下。支腿21和22的自由端以及测头8的壳体的上半部61设计成半球状。为了使测量系统进入鱼雷铁液罐1里，测头8位于图4a和4b所示的位置上，管子59按照图4a向前移动，使敏感的测头8很大程度上得到保护。由于测量机构的自由端为球形结构即使在孔相对较小时也使进入容器里要容易得多。该机构的自由端也可以设计成一种椭圆体型式。
所有通向测头、通向转盘45和通向冷却器的管路都布置在受冷却的管子9里。用于轴承座21，22，24和转盘45的冷却介质的输入和返回管路都用62表示，通向测头8和转盘45的控制-、供电-和数据线路用63表示，通向测头和从测头引出的光缆用64表示。位置65表示通向管子9或者10的冷却机构的冷却介质用的输入管路。
Claims (15)
1.具有一个光电子测距仪的按照信号-渡越时间法用来测描物体空间的装置，它具有一个发射机构(S)用于发射光学信号；还有一个接收机构(E)用来接收光学信号，该光学信号被位于目标腔里的物体反射；此外还设有一个扫描机构用于使发射和接收机构(S或者E)的光轴偏转，其中发射和接收机构(S或者E)的光轴平行延伸；此外还有一个分析处理机构，它从发射的光学信号的渡越时间或者相位中求出距离值，其中由距离值和扫描机构的射束偏转得出各个数据单元的空间坐标，其特征在于，一种旋转的测头(8)和一个相对于测头(8)刚性布置的反射镜机构(41，42)，所述测头借助于轴承座(21，22，24)的一个空心轴(33，34)支承住，通过所述反射镜机构能使轴向相对于中空轴(33，34)射入的光束偏转到径向方向上，其中位置固定地布置的发射机构(S)的光束能在轴向方向上相对于中空轴(33，34)来说引入，并通过反射镜机构(41，42)能在径向方向上发射，而由物体空间里的目标所反射的光束则通过反射镜机构(41，42)能转向到中空轴(33，34)的轴线方向上，并能输送给同样也是位置固定地设置的接收机构(44)。
2.按权利要求1所述的用来测描物体空间的装置，其特征在于，所述扫描机构用于使发射和接收机构(S或者E)的光轴在两个正交的方向上偏转。
3.按权利要求1所述的用来测描物体空间的装置，其特征在于，所述旋转的测头(8)通过一个马达(M)驱动，该测头布置在轴承座(21，22，24)的两个支腿(21或者22)之间，并支承在一个中空轴(33，34)上，其中轴向相对于中空轴(33，34)在测头(8)里固定了两个反射镜(41，42)，而且一个第一反射镜(41)使发射机构(S)的轴向通过中空轴(33，34)射入的光束相对于中空轴(33，34)轴线来说转向到径向方向上，在一种规定的射束形成之后发射出去，而第二反射镜(42)使平行于发射光束射入的、被物体腔里的目标所反射的光束在轴向方向上相对于中空轴(33，34)转向到接收机构(E)。
4.按权利要求3所述的用来测描物体空间的装置，其特征在于，光导体(39)被接入在所述第一反射镜(41)和所述发射机构(S)之间。
5.按权利要求1或3所述用于测描物体空间的装置，其特征在于，轴承座(21，22，24)装在一个转盘(45)上，该转盘能围绕一个轴摆动，该轴垂直于测头(8)的旋转轴线(27)延伸，并能通过一个马达驱动。
6.按权利要求5所述用于测描物体空间的装置，其特征在于，将转盘(45)固定在一个支承管(10)上，其中转盘(45)的摆动轴平行于支承管(10)的轴线定向。
7.按权利要求6所述用于测描物体空间的装置，其特征在于，位于静止位置的测头(8)的外轮廓(61)适配于轴承座(21，22，24)的轮廓，在该外轮廓(61)里测量光束用的进、出窗口(29，52)对准转盘(45)。
8.按权利要求6所述用于测描物体空间的装置，其特征在于，轴承座(21，22，24)和处于静止位置的测头(8)向着支承管(10)成台阶形地在直径上变小，其中在支承管(9或者10)上设有一个第二纵向能移动的管子(59)，并且在轴承座(21，22，24)的和处于静止位置的测头(8)的直径变小部位上能移动，并在轴承座(21，22)向前移动的状态下使转盘(45)和测头(8)上密闭住。
9.按权利要求6所述用于测描物体空间的装置，其特征在于，支承管(10)连同轴承座(21，22，24)和测头(8)布置在一个小车(11)上，该小车能被带到至测量物体(1)的一个规定的和可重现的位置上。
10.按权利要求1所述的用于测描物体空间的装置，其特征在于，轴承座(21，22，24)和/或支承管(10)具有一种冷却机构，并且/或者具有一种隔热层(49)。
11.按权利要求10所述的用于测描物体空间的装置，其特征在于，所述冷却机构为液体冷却机构，其中，至少对于轴承座(21，22，24)的冷却液体的输入和输出通过软管(62)实现，该软管在支承管(10)的内部引导。
12.按权利要求1所述的用于测描物体空间的装置，其特征在于，测头(8)能通过压缩空气实现冷却，其中能通过中空轴(33，34)的一侧(”)将压缩空气引入测头(8)里，并能通过另一侧(34)从测头里流出，其中通过在支承管(10)内部中的软管将压缩空气输入，而冷却空气则能直接通过支承管(10)排出。
13.按权利要求1所述的用于测描物体空间的装置，其特征在于，该装置用于测量和检查用于侵蚀性液体的容器和罐车(1)。
14.按权利要求13所述的用于测描物体空间的装置，其特征在于，该装置用于测量和检查用于来自金属熔液的侵蚀性液体的容器和罐车(1)。
15.按权利要求1所述的用于测描物体空间的装置，其特征在于，在测量光束的进、出窗口前各设有一个反射镜(53)，它使测量光束相对于测头(8)转向到一个为切向的方向上。
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