CN202083600U - 三维冲击加载实验装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开了一种三维冲击加载实验装置，属于冲击动力学实验装置技术领域，其技术要点包括依序设置的加载装置、入射杆、试件和透射杆，在入射杆和透射杆上分别设有应变片，应变片连接有数据采集处理单元，其中所述的试件为正方体，所述的入射杆和透射杆的数量分别为三根；各入射杆的其中一端与加载装置相对应，另一端分别垂直于试件上相互垂直的三个侧面上；透射杆分别垂直设置在试件的剩余三个侧面上；入射杆与透射杆一一对应；本实用新型旨在提供一种可真正实现三维动态加载的三维冲击加载实验装置；用于研究工程材料在三维动态加载下的动态力学性能。

Description

三维冲击加载实验装置
技术领域
本实用新型涉及一种冲击加载实验装置，更具体地说，尤其涉及一种三维冲击加载实验装置。
背景技术
分离式Hopkinson压杆（Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB）装置是研究各类工程材料动态力学性能的基本实验手段之一，其研究的应变率范围在                                                ~之间。该装置最初由B. Hopkinson提出，后来经过R.M．Davis对它进行了改进。1949年，H．Kolsky在这些基础上建立了进行材料单轴动态压缩性能试验的试验方法，测试了高应变率下金属材料的力学性能。其结构如图1所示，其原理是将试样夹持于两个细长弹性杆(入射杆与透射杆)之间，由圆柱形子弹以一定的速度撞击入射弹性杆的另一端，产生压应力脉冲并沿着入射弹性杆向试样方向传播。当应力波传到入射杆与试样的界面时，一部分反射回入射杆，另一部分对试样加载并传向透射杆，通过贴在入射杆与透射杆上的应变片可记录入射脉冲，反射脉冲及透射脉冲，由一维应力波理论可以确定试样上的应力、应变率、应变随时间的变化，以及应力、应变曲线。实验装置如图1所示。常用的SHPB装置主要用于材料的单轴动态抗压性能的测试。然而，在大多数情况下，岩石以及其他工程材料往往处于多向受力状态。因此，在SHPB装置上研究材料的三维动力学特性是非常有必要的。
常规的SHPB装置不能直接用于三维冲击实验，研究者在实验装置的研究设计等方面也作了大量改进工作。1972年，R. J. Christenson等首次对岩石进行了维亚下的动力实验。后来，川北稔等[10]利用北海道大学的岩石三维SHPB试验系统进行了一些研究。欧盟联合研究中心设计了用于岩石和混凝土的三维加载冲击试验机。2000年，S.Nemat-Nasser等设计了一种改进的三维SHPB 装置，并对混凝土砂浆进行了冲击试验研究。国内从20世纪80年代开始，北京科技大学、重庆大学相继研制了加围压的SHPB 装置，并进行了一些相关的岩石动态试验研究。最近，李夕兵等研制了新型的动静组合加载SHPB装置，实现了适用于岩石类材料的三维动静组合加载，并进行了一系列相关研究。
目前，三维SHPB冲击试验机从装置构造特征和实现的功能上可以分为两大类：常规三维SHPB试验机和动静组合加载三维SHPB试验机。
1.1 常规三维SHPB试验机
常规的三维SHPB试验机是参照静态试验机的工作原理设计的，即在普通SHPB 试验机的基础上，设计一个加围压的装置，施加围压后进行冲击试验。该类试验机以犹他州立大学、北海道大学、加州大学圣地亚哥分校和北京科技大学的冲击试验机为代表。该类试验机由于入射杆、透射杆及试样均为圆柱形，所以施加的围压在径向二维方向上相同。不过，对该类试验机，按照施加围压装置的不同，还可细分为油压驱动和固体套筒加压的两类试验机， 前一类以犹他州立大学、北海道大学和北京科技大学的试验机为代表，后一类以加州大学圣地亚哥分校的试验机为代表。下面分别选取两类典型试验机进行详细介绍。
北京科技大学的试验系统如图2所示，在普通SHPB试验机上增加了使试样处于静水压力的油压缸。入射杆和透射杆的直径为30mm，长度分别为700和500mm。油压缸耐压为100MPa，将套有橡胶套的岩石试样装入油压缸进行密封，利用轴向油压系统将试样两段夹紧，再用侧向压力系统使试样周围施加一定围压，冲击系统沿着入射杆-试样-透射杆轴向发射一定质量和速度的加载杆撞击入射杆，加载杆速度可达40m/s。为使应力波持续时间为100
Figure 566124DEST_PATH_IMAGE003
，加载杆长度选择为266mm。
美国加州大学圣地亚哥分校冲击试验机试验系统如图3至图5所示，包括气炮、冲头、第一入射杆、第二入射杆、入射管、透射杆、透射管、塑料套筒和铝质套筒等。和普通的SHPB 系统相比较，主要是增加了一个第二入射杆、入射管、透射管及施加围压的套筒装置。第一入射杆直径为27mm，第二入射杆直径为19mm。试样直径和第二入射杆及透射杆的直径相同，安装在塑料套筒内。铝质套筒材料参数如下：弹性模量70GPa，泊松比0.3，可以承受500MPa的压力，保证试验过程中施加足够的围压。进行试验时，首先由冲头冲击入射杆，杆上的应变片记录下入射应力波型；应力波由入射杆冲击入射杆和入射管，并由入射杆传递到试样上，再由试样传递给透射杆，透射杆上的应变片记录下透射波型，并按照一维应力波理论对试验数据进行处理
对比上述两类试验机，从装置本身结构上可以看出有以下特点：前一类试验机利用油压驱动实现围压加载，这一点和静载假三维试验类似。其优点是可以随意调节施加围压的范围，操作起来也很方便，但是目前还不能和静载三维试验机一样实现伺服控制，大多数靠手动加压。加州大学圣地亚哥分校的冲击试验机由于利用铝制套筒包裹一个塑料套筒进行加压，对围压的测量和读数相对于油压驱动试验机要复杂一些。
1.2 动静组合加载三维SHPB试验机
常规的三维SHPB试验机只能实现单纯加围压的冲击试验。实际上，在自然界和工程实践中，很多岩石材料在承受动载荷之前已经处于一定的静应力或地应力状态。即岩石处于一维或三维受力状态下， 再在某一维方向上受到冲击作用，受到动静组合加载作用。特别是深部岩体开采问题，其岩体受一定的高地应力和开采扰动甚至地震等动载荷作用，属于典型的岩石动静组合加载问题。因此，有必要对这一类问题进行室内试验研究。研究该问题的试验机称为动静组合加载试验机。该类试验机分为两类，以欧盟联合研究中心的冲击试验机和中南大学动静组合加载试验机为代表。
欧盟联合研究中心的冲击试验系统在原来的一维冲击试验机上改造而成，可以在三维方向上预先施加轴向压力，并在一维方向上进行冲击加载。如图6所示，试验装置主要包括1个冲击系统（包括预应力杆和脆性联合器），1个入射杆和5个出射杆。5个出射杆可以按照要求施加轴向方向的静预应力。入射杆和透射杆长度为2m，杆的截面是长度为10cm的正方形。该系统可以实现幅值为3MN和持续时间为800
Figure 283544DEST_PATH_IMAGE003
的矩形波加载。整个系统长度为8m。
中南大学的岩石动静组合加载试验系统，如图5所示，在入射杆和透射杆端部处安设薄挡板和轴压加载装置，利用金属框架连接起来，即可以加载与冲击载荷方向一致的静载荷；在试样安装处架设围压加载装置，即可以加载与冲击载荷方向垂直的围压。同时加载轴向静压和围压，从而可以进行三维预应力下的冲击试验。所用SHPB试验系统杆件采用40Cr合金钢，密度为7.810g/cm3，弹性波速为5410m/s，杆直径为50mm，入射杆和透射杆长度分别为2.00m和1.50m，子弹采用双端锥形结构（异型冲头），可以消除P-C振荡，实现稳定的半正弦波（加载波上升段稳定在100左右）加载，其材质和弹体最大直径分别与对应的入射、透射杆相同。该系统目前可实现岩石轴向静压0～200MPa、围压0～200MPa、冲击动载0～500MPa的同时加载，试样应变率在
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE004
~
Figure 493125DEST_PATH_IMAGE002
段。
综上所述，对于常规的三维SHPB装置来说，虽然在其他方向上设计了围压以及在轴向实现了轴向静压，但也只能在某一维方向上受到冲击波作用，为了使得在二维或三维方向上能够同时受到冲击波作用，本实用新型专利提出了新的三维SHPB实验装置。该装置由单一加载杆加载，且能够实现三维方向上同时加载冲击波作用。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种可真正实现三维动态加载的三维冲击加载实验装置。
本实用新型的技术方案是这样实现的：一种三维冲击加载实验装置，包括依序设置的加载装置、入射杆、试件和透射杆，在入射杆和透射杆上分别设有应变片，应变片连接有数据采集处理单元，其中所述的试件为正方体，所述的入射杆和透射杆的数量分别为三根；各入射杆的其中一端与加载装置相对应，另一端分别垂直于试件上相互垂直的三个侧面上；透射杆分别垂直设置在试件的剩余三个侧面上；入射杆与透射杆一一对应。
上述的三维冲击加载实验装置中，所述的各入射杆均为曲线形状；所述的加载装置由高压气室和一根加载杆组成，加载杆一端与高压气室的动力输出孔相对应，加载杆另一端与三根入射杆的其中一端相对应。
上述的三维冲击加载实验装置中，所述加载杆的横截面形状与三根入射杆横截面组成的形状相适应。
上述的三维冲击加载实验装置中，所述的入射杆上各转角处均为曲线转角，单根入射杆上均有两处曲线转角。
上述的三维冲击加载实验装置中，所述的入射杆从入射方向向后，两个转角处曲线的曲率半径分别为532cm和61cm。
上述的三维冲击加载实验装置中，所述入射杆从入射方向向后，两个转角处的角度依次为15.26°和70°。
上述的三维冲击加载实验装置中，所述的入射杆和透射杆的横截面均为圆形，入射杆和透射杆沿加载方向的周向均匀分布，入射杆和透射杆的中心与所在试件侧面的中心相对应。
上述的三维冲击加载实验装置中，所述的透射杆直径均为5cm，长度均为150cm；所述入射杆的水平长度为150～200cm。
本实用新型采用上述结构后，通过采用曲线形的三根入射杆分别垂直作用于试件上相互垂直的三个侧面上，同时在对应的三个侧面上设置透射杆，从真正意义上实现了材料的三维动态加载，并且采用单一加载杆进行加载，保证了加载的同步性，提高了实验的准确性；同时，为了降低曲线形入射杆对冲击波波形的影响，将曲线形入射杆的各转角设计成圆弧形的曲线，并且通过实验选择了最优的曲率半径及转角角度，使得本实用新型在实现真正意义上的三维动态加载的同时，不会影响实验数据的准确性。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但并不构成对本实用新型的任何限制。
图1是现有技术中典型分离式Hopkinson压杆装置的结构示意图；
图中：发射枪11、加载杆12、入射杆13、第一应变片14、试件15、透射杆16、应变片17、吸收杆18。
图2是现有技术中北京科技大学实验装置示意图；
图中：透射杆21、试件22、油压缸23、入射杆24、加载杆25、空气炮26、电阻片27、激光测速仪28、操纵台29、超动态应变仪210、示波器211、波形存储器212、计算机213、光电转换放大器214、频率计215。
图3 是现有技术中美国加州大学圣地亚哥分校实验装置示意图；
图4是图3中A-A处的剖视图；
图5是图3中B处的局部放大示意图；
    图中：冲头31、第一入射杆32、第二入射杆33、入射管34、透射杆35、透射管36、试件37、塑料套筒38、铝制套筒39、应变片310。
图6是现有技术中欧盟联合研究中心实验装置示意图；
图中：出射杆41、入射杆42。
图7是现有技术中中南大学动静组合加载实验系统结构示意图；
图中：高压气罐51、高压气室52、异型冲头53、轴压装置前段54、入射杆55、应变片56、试件57、透射杆58、轴压加载框架59、围压装置510、轴压加载部件511、数据采集处理单元512。
    图8是本实用新型的结构示意图；
图9是本实用新型实验例中转角类型对波的影响示意图；
图10是本实用新型实验例中转角90度时不同曲率半径下的冲击波信号示意图；
图11是本实用新型实验例中转角90度时不同曲率半径下的冲击波幅值失真情况示意图；
图12是本实用新型实验例中曲率半径80cm时不同转角下的冲击波信号示意图；
图13是本实用新型实验例中曲率半径80cm时不同转角下的冲击波信号失真情况示意图；
图14是本实用新型实验例中三轴SHPB实验装置示意图；
图15是本实用新型实验例中三维SHPB实验装置线型图；
图16是本实用新型实验例中优化参数下的入射杆线型示意图。
图中：加载装置1、入射杆2、试件3、透射杆4、应变片5、数据采集处理单元6、高压气室7、加载杆8。
具体实施方式
参阅图1至图所示，本实用新型的一种三维冲击加载实验装置，包括依序设置的加载装置1、入射杆2、试件3和透射杆4，在入射杆2和透射杆4上分别设有应变片5，应变片5连接有数据采集处理单元6，数据采集处理单元6用于采集及处理应变片5受到冲击后的各种数据；本实施例中的试件3为正方体，入射杆2和透射杆4的数量分别为三根，且入射杆2和透射杆4的横截面均为圆形，入射杆2和透射杆4沿冲击加载方向的周向均匀分布；通过实验分析可得出下列的数据：各入射杆2均为曲线形状且入射杆2上两个转角处均为曲线转角，曲线的曲率半径越大，信号失真越小；曲线转角处的角度越小，信号失真越小；入射杆2的水平长度为150～200cm，本实施例中选择入射杆2的长度为200cm，同时入射杆2从入射方向向后，两个转角处曲线的曲率半径分别为532cm和61cm，两个转角处的角度依次为15.26°和70°；加载装置1由高压气室7和一根加载杆8组成，加载杆8一端与高压气室7的动力输出孔相对应，加载杆8另一端与三根入射杆2的其中一端相对应，各入射杆2的另一端分别垂直于试件3上相互垂直的三个侧面上；透射杆4分别垂直设置在试件3的剩余三个侧面上，透射杆4直径均为5cm，长度均为150cm；入射杆2与透射杆4一一对应，且入射杆2和透射杆4的中心与所在试件3侧面的中心相对应；加载杆8的横截面形状为三根入射杆2横截面组成的形状。
具体使用时，将加载杆8水平固定在高压气室7的动力输出孔内，然后分别固定入射杆2、试件3和透射杆4，使各入射杆2的其中一端均水平与加载杆8对应，各入射杆2的另一端分别垂直于试件3上相互垂直的三个侧面上；透射杆4分别垂直设置在试件3的剩余三个侧面上，入射杆2和透射杆4上设有应变片5，应变片5连接有数据采集处理单元6，启动高压气室7，高压气室7产生的高压驱动加载杆8冲击入射杆2并产生压应力脉冲沿着入射杆2向试件3方向传播。当应力波传到入射杆2与试件3的界面时，一部分反射回入射杆2，另一部分对试件3加载并传向透射杆4，通过贴在入射杆2与透射杆4上的应变片5可记录入射脉冲，反射脉冲及透射脉冲，即可以确定试件3上的应力、应变率、应变随时间的变化，以及应力、应变曲线。
实验例
入射杆对波形的影响
（1）单一加载杆保证同步性
如果将三个一维SHPB压杆分别从三个方向上作用在试件上，势必有三个加载杆，而加载杆需要发射枪中的气体来推动，三个加载杆即需要三个电磁阀，电磁阀开启时间最小也在微秒量级上，而冲击波在杆中的传播速度是5000多米每秒，也就是说两个阀门开启时间至少相差
Figure 253271DEST_PATH_IMAGE005
，即在杆中传播5mm之多，对于一根直径为50mm的SHPB压杆来说，一般的试件厚度才一、二十毫米，那么三个波形在加载到试件的时间上来看相差会很大，这对于三轴同时加载来说显然误差较大。因此，必须使用单一加载杆来对三个杆同时加载，保证输入波形的同步性。
（2）转角类型对波的影响
由于只能使用单一加载杆，因此对三轴SHPB装置来说，必然存在转角，直线杆中波形的传播失真非常的小，可以忽略。但由于需要转角，因此，下面分析直线转角、曲线转角对冲击波的影响。选择入射杆的转角为30°，其中曲线部分倒角半径为60cm。通过分析得到两者的信号如图9所示。直线转角信号失真比较严重，曲线转角信号失真较小。因此，入射杆的转角需要曲线来实现。
（3）不同曲率半径对冲击波波的影响
选择转角在90度时，分别取曲率半径为10cm~80cm之间的8个值，间隔为10cm。此8个不同曲率半径对波的影响如图10所示。最上方的为输入信号，曲线从上到下依次表示曲率半径逐渐减小。可以看出，转角对冲击波波形具有一定的影响，冲击波平台段呈现下坠趋势，有明显的失真，其中尾部失真最严重。其冲击波幅值失真幅度如图11所示，曲率半径为10cm的信号失真约为63%，曲率半径为80cm的信号失真约为18%。因此，对于相同的转角，曲率半径越大，则是真越小。
（4）不同转角对波的影响
选择曲率半径为80cm时，分别取转角为10°-80°之间的8个角度值，不同转角对冲击波的影响如图12所示，最上方的是输入信号，曲线从上到下依次表示角度逐渐增大。从图中可以看出，冲击波平台段呈现下坠趋势，有明显的失真，其中尾部失真最严重。转角越大则失真越大。不同转角下其冲击波幅值失真幅度如图13所示，角度为80°的失真约为15%，角度为10°的失真在1%以内。对于相同的曲率半径，转角越小，则失真越小。
入射杆线型设计实验
试件为立方体，其边长为a，将其对角线竖直方向放置，如图14、15所示。根据本专利设计，由单一加载杆对三根入射杆进行加载，则三个入射杆的加载端方向一致。则杆从图中竖直方向最终到达立方体某一个面的几何中心，即图中A点位置，其入射杆在A点垂直于A点所在的面。由于三根入射杆是对称的，因此，只要研究一个面上的加载情况即可。
入射杆的一端沿竖向方向，最后到达A点，并且垂直与线OA。从竖直方向到达垂直于OA的曲线需要两个圆弧才能完成。其曲线形式如图9所示。将立方体的端点作为坐标原点点，水平方向为x方向，竖直方向为y方向，具体参考坐标系如图9所示。
假设立方体的边长为
Figure 520304DEST_PATH_IMAGE007
，入射杆在y方向上的长度为
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE008
，OA长度为
Figure 155423DEST_PATH_IMAGE009
，AB长度为
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE010
，下方圆弧的圆心为
Figure 824301DEST_PATH_IMAGE011
，圆的半径为
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE012
，弧长所对应的圆心角度为
Figure 755348DEST_PATH_IMAGE013
，CD长度为
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE014
，上方圆弧的圆心为
Figure 447361DEST_PATH_IMAGE015
，圆的半径为，弧长所对应的圆心角度为
Figure 184373DEST_PATH_IMAGE017
，EF的长度为
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE018
。
则
Figure 645441DEST_PATH_IMAGE019
，
A点的坐标为：
Figure 75285DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE022
根据角度关系有：
Figure 747270DEST_PATH_IMAGE023
B点的坐标为：
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE024
Figure DEST_PATH_IMAGE025
BC的直线长度为：
C点的坐标为：
Figure 960076DEST_PATH_IMAGE027
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE028
D点的坐标为：
Figure 541230DEST_PATH_IMAGE029
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE030
E点的坐标为：
Figure 876397DEST_PATH_IMAGE031
，
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE032
F点的坐标为：
Figure 543001DEST_PATH_IMAGE033
，
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE034
则
Figure 621816DEST_PATH_IMAGE035
根据角度关系有：
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE036
在满足上面方程的同时，根据前面的数值模拟分析结论，曲率半径越大则信号失真越小，转角越小则信号失真也越小，但对于一给定的入射杆长度，其曲率半径并不能无限的放大，本专利中的入射杆有两个弯曲部分，因此，建立优化目标函数
Figure 556012DEST_PATH_IMAGE037
为了使得信号失真最小，这里需要
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE038
取最小值。
在给定基本参数（这里以，
Figure 2011201764724100002DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure 215980DEST_PATH_IMAGE041
为例）的情况下，则根据优化目标函数对其他参数进行优化设计，通过计算得到各个参数值，具体如下表：
表1 三轴SHPB实验装置参数值
变量 变量值 变量 变量值 变量 变量值
(cm) 6.0
Figure 450969DEST_PATH_IMAGE008
(cm)		 200.0
Figure DEST_PATH_IMAGE042
（度）		 35.26
Figure 331201DEST_PATH_IMAGE043
(cm)		 2.5
Figure 769135DEST_PATH_IMAGE009
(cm)		 4.24
Figure DEST_PATH_IMAGE044
（度）		 54.74
Figure 127435DEST_PATH_IMAGE012
(cm)		 61.0
Figure 600005DEST_PATH_IMAGE010
(cm)		 0.00
Figure 149673DEST_PATH_IMAGE013
（度）		 70.00
Figure 74904DEST_PATH_IMAGE016
(cm)		 532.0
Figure 299212DEST_PATH_IMAGE014
(cm)		 0.00
Figure 360708DEST_PATH_IMAGE017
（度）		 15.26
   
Figure 582742DEST_PATH_IMAGE018
(cm)		 0.00    
在该参数下入射杆的线型如图16所示。
该实验装置实现了三维动态加载，且加载由单一加载杆完成，保证了加载的同步性；该实验装置真正实现了材料的三维动态加载实验；通过对入射杆线型的优化设计最大限度降低了加载波形的失真。

Claims (8)

1.一种三维冲击加载实验装置，包括依序设置的加载装置（1）、入射杆（2）、试件（3）和透射杆（4），在入射杆（2）和透射杆（4）上分别设有应变片（5），应变片（5）连接有数据采集处理单元（6），其特征在于，所述的试件（3）为正方体，所述的入射杆（2）和透射杆（4）的数量分别为三根；各入射杆（2）的其中一端与加载装置（1）相对应，另一端分别垂直于试件（3）上相互垂直的三个侧面上；透射杆（4）分别垂直设置在试件（3）的剩余三个侧面上；入射杆（2）与透射杆（4）一一对应。
2.根据权利要求1所述的三维冲击加载实验装置，其特征在于，所述的各入射杆（2）均为曲线形状；所述的加载装置（1）由高压气室（7）和一根加载杆（8）组成，加载杆（8）一端与高压气室（7）的动力输出孔相对应，加载杆（8）另一端与三根入射杆（2）的其中一端相对应。
3.根据权利要求2所述的三维冲击加载实验装置，其特征在于，所述加载杆（8）的横截面形状与三根入射杆（2）横截面组成的形状相适应。
4.根据权利要求1至3任一所述的三维冲击加载实验装置，其特征在于，所述的入射杆（2）上各转角处均为曲线转角，单根入射杆（2）上均有两处曲线转角。
5.根据权利要求4所述的三维冲击加载实验装置，其特征在于，所述的入射杆（2）从入射方向向后，两个转角处曲线的曲率半径分别为532cm和61cm。
6.根据权利要求4所述的三维冲击加载实验装置，其特征在于，所述入射杆（2）从入射方向向后，两个转角处的角度依次为15.26°和70°。
7.根据权利要求4所述的三维冲击加载实验装置，其特征在于，所述的入射杆（2）和透射杆（4）的横截面均为圆形，入射杆（2）和透射杆（4）沿加载方向的周向均匀分布，入射杆（2）和透射杆（4）的中心与所在试件（3）侧面的中心相对应。
8.根据权利要求7所述的三维冲击加载实验装置，其特征在于，所述的透射杆（4）直径均为5cm，长度均为150cm；所述入射杆（2）的水平长度为150～200cm。
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