薛靚 羅玲
摘 要:為準(zhǔn)確測(cè)量千克副基準(zhǔn)的各項(xiàng)參數(shù),提出采用自動(dòng)化測(cè)量并建立數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的方法。該文對(duì)系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行設(shè)計(jì),分析砝碼質(zhì)量、砝碼磁化率、砝碼磁化強(qiáng)度、空氣密度、砝碼密度和體積的檢測(cè)原理、算法流程及軟件實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。該方法可完善和提升國(guó)家千克副基準(zhǔn)的測(cè)量系統(tǒng),提高工作效率及測(cè)量的準(zhǔn)確度,保證量值傳遞的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞:千克副基準(zhǔn);質(zhì)量;磁化率;磁化強(qiáng)度;數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-5124(2017)12-0104-05
Abstract: In order to accurately measure all parameters of the kilogram national secondary standard, presents the automatical measuring method and establishs database management system. The systems overall scheme are designed, analyzes the detection principle, algorithm and software implementation of mass, magnetic susceptibility, magnetization, air density, weight density and volume, designs the database management system. The method of measurement system presented in this paper can improve and enhance the measurement system of kilogram national secondary standard, to improve work efficiency and measuring accuracy, to ensure the accuracy and stability of transferring value.
Keywords: kilogram national secondary standard; mass; magnetic susceptibility; magnetization;database management system
0 引 言
砝碼作為質(zhì)量計(jì)量的基準(zhǔn),保證其量值的精確傳遞十分重要[1]。在7個(gè)國(guó)際基本量中,目前唯有質(zhì)量采用實(shí)物基準(zhǔn)作為最高基準(zhǔn),質(zhì)量的最高基準(zhǔn)由國(guó)際計(jì)量局(BIPM)保存。而作為國(guó)家千克基準(zhǔn)的原器必須定期送回國(guó)際計(jì)量局進(jìn)行校準(zhǔn),為避免國(guó)家千克基準(zhǔn)在校準(zhǔn)中的磨損,設(shè)有國(guó)家千克副基準(zhǔn)。
新的OIML-R111國(guó)際建議,對(duì)千克副基準(zhǔn)砝碼的密度、體積、磁化率、磁化強(qiáng)度等技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量提出了更高的要求[2]。目前測(cè)量方法為人工手動(dòng)測(cè)量,測(cè)量效率低且精度不高,需要改善和提升國(guó)家千克副基準(zhǔn)的測(cè)量系統(tǒng)。本文提出的千克副基準(zhǔn)自動(dòng)測(cè)量與數(shù)據(jù)管理軟件,在空氣中將傳統(tǒng)的手動(dòng)測(cè)量改為自動(dòng)測(cè)量,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)副基準(zhǔn)砝碼各參數(shù)的全面自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)管理。
1 千克副基準(zhǔn)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
本軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要目的是完成上位機(jī)對(duì)下位機(jī)數(shù)據(jù)的采集,包括對(duì)千克副基準(zhǔn)的質(zhì)量、磁化率和磁化強(qiáng)度、密度和體積數(shù)據(jù)的接收和處理,建立數(shù)據(jù)的管理系統(tǒng),包含的主要功能有:
1)基于軟件編程工具Visual C++6.0,利用PC控制實(shí)現(xiàn)密度和體積測(cè)量裝置的自動(dòng)動(dòng)作和定位,實(shí)現(xiàn)密度和體積的自動(dòng)測(cè)量及分析軟件的設(shè)計(jì)[3]。
2)通過(guò)串口通信,實(shí)現(xiàn)質(zhì)量、磁化率、磁化強(qiáng)度、溫濕度、大氣壓等的自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)分析及處理的軟件設(shè)計(jì)。
3)通過(guò)SQL Server 2000建立數(shù)據(jù)管理平臺(tái),進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[4]。
4)人機(jī)界面及用戶管理系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。通過(guò)PC機(jī)向RS485串口發(fā)送指令,儀器設(shè)備收到指令后返回相應(yīng)的指令,通過(guò)對(duì)指令解碼得到儀器的返回值,通過(guò)公式計(jì)算得到質(zhì)量、磁化率、磁化強(qiáng)度、密度和體積的值。在應(yīng)用中采用了4個(gè)串口,分別對(duì)質(zhì)量比較儀,磁性測(cè)量裝置,溫濕度、大氣壓測(cè)量裝置和密度體積測(cè)量裝置進(jìn)行指令的發(fā)送和數(shù)據(jù)的采集。在編寫(xiě)的程序界面中選擇要采集數(shù)據(jù)的模塊,進(jìn)行相應(yīng)裝置的數(shù)據(jù)采集[5]。
測(cè)量系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中,采用Visual C++6.0開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)數(shù)據(jù)采集的程序界面[6],采用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)表實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分析和處理以及管理。檢測(cè)軟件主程序界面如圖2所示。
2 千克副基準(zhǔn)參數(shù)測(cè)量的詳細(xì)設(shè)計(jì)
千克副基準(zhǔn)參數(shù)的測(cè)量,通過(guò)串口發(fā)送指令進(jìn)行,然后建立千克副基準(zhǔn)數(shù)據(jù)管理的軟件系統(tǒng)。本文將千克副基準(zhǔn)參數(shù)的測(cè)量分為3個(gè)模塊,質(zhì)量的測(cè)量、密度和體積的測(cè)量、磁化率和磁化強(qiáng)度的測(cè)量。
2.1 質(zhì)量的自動(dòng)測(cè)量
砝碼質(zhì)量的測(cè)量采用比較法。將被測(cè)砝碼與標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行比較,通過(guò)計(jì)算和處理得到所需的值。上位機(jī)通過(guò)串口向質(zhì)量比較儀發(fā)送數(shù)據(jù)獲取測(cè)量的示值。測(cè)量裝置開(kāi)機(jī)后,上位機(jī)向質(zhì)量比較儀發(fā)送數(shù)據(jù),質(zhì)量比較儀返回測(cè)得的數(shù)據(jù),將采集的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存和處理。在VC++6.0下通過(guò)串口采集數(shù)據(jù)的效率高,能夠滿足測(cè)量的精度要求。SQL Server是一種安全性高、可編程、可伸縮、可靠、可管理的客戶-服務(wù)模式的數(shù)據(jù)庫(kù),能夠滿足本文中對(duì)數(shù)據(jù)管理的要求。串口的通信協(xié)議采用賽多利斯公司的XBPI協(xié)議進(jìn)行[7]。
砝碼質(zhì)量的檢測(cè)采用ABBA的方式進(jìn)行,多次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)砝碼與被測(cè)砝碼,通過(guò)比較求出差值的標(biāo)準(zhǔn)偏差,對(duì)被測(cè)砝碼進(jìn)行修正得到最終的砝碼值[8]。
程序中對(duì)串口開(kāi)啟了線程,點(diǎn)擊開(kāi)始檢測(cè)按鈕后向串口發(fā)送數(shù)據(jù),控制轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)和傳感器的升降,使得標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被檢測(cè)砝碼在轉(zhuǎn)盤(pán)上自動(dòng)對(duì)正,使轉(zhuǎn)盤(pán)在轉(zhuǎn)臺(tái)上循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng),采集數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)下位機(jī)返回的指令進(jìn)行解碼得到標(biāo)準(zhǔn)砝碼和被測(cè)砝碼的質(zhì)量。表1為檢測(cè)質(zhì)量串口發(fā)送的各指令對(duì)應(yīng)的功能。
在主界面中點(diǎn)擊質(zhì)量檢測(cè)按鈕后,進(jìn)入質(zhì)量檢測(cè)的界面,初始化檢測(cè)的程序界面,打開(kāi)串口。待砝碼放置于工作承載器上后,點(diǎn)擊界面中的開(kāi)始檢測(cè)按鈕,上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令控制轉(zhuǎn)臺(tái)、傳感器和承載器的運(yùn)動(dòng),使得砝碼位于合適的位置上,通過(guò)向下位機(jī)發(fā)送指令進(jìn)行稱(chēng)重,通過(guò)計(jì)算得到砝碼的質(zhì)量[9]。程序中編寫(xiě)了保存檢測(cè)數(shù)據(jù)并將檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示于界面上的程序代碼,生成了包含檢測(cè)時(shí)間、砝碼信息、檢測(cè)人員信息和被檢測(cè)砝碼質(zhì)量的檢測(cè)報(bào)告,程序中使用SQL語(yǔ)句將質(zhì)量值保存于數(shù)據(jù)庫(kù)中。
質(zhì)量檢測(cè)的軟件界面如圖3所示。
2.2 密度和體積自動(dòng)測(cè)量
密度和體積的測(cè)量中,所需的硬件設(shè)備有天平、液體容器、控制板卡、旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)、步進(jìn)電機(jī)等。采用阿基米德原理對(duì)砝碼的密度和體積進(jìn)行測(cè)量。兩次在不同的條件下測(cè)量被測(cè)砝碼的質(zhì)量,通過(guò)計(jì)算得到被測(cè)砝碼的密度值和體積值。
測(cè)量方法為液體靜力比較法,主要測(cè)量?jī)蓚€(gè)參數(shù)m1和m2。一是將砝碼放置于空氣中的工作臺(tái)上測(cè)量得到質(zhì)量m1,二是將砝碼放置于水中的工作臺(tái)上測(cè)量得到質(zhì)量m2。砝碼在空氣中進(jìn)行測(cè)量后需要迅速將其放入水中再次進(jìn)行測(cè)量[10]。
上位機(jī)通過(guò)串口向天平發(fā)送數(shù)據(jù)獲取測(cè)量的示值。測(cè)量裝置開(kāi)機(jī)后,上位機(jī)不斷向天平發(fā)送數(shù)據(jù),天平不斷返回測(cè)得的數(shù)據(jù),將采集的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行保存和處理。串口的通信協(xié)議采用賽多利斯公司的XBPI協(xié)議進(jìn)行。砝碼密度和體積測(cè)量的步驟如下:
1)測(cè)量環(huán)境中的溫濕度和大氣壓的值,帶入公式得到空氣密度ρa(bǔ)[11]。
2)確定測(cè)量時(shí)的液體密度ρl。
3)得到被測(cè)砝碼在空氣中的質(zhì)量m1。
4)將被測(cè)砝碼放置于機(jī)械加載機(jī)構(gòu)上,控制步進(jìn)電機(jī)和碼盤(pán),將砝碼送到水中的工作臺(tái)上。
5)待砝碼在水中穩(wěn)定后,多次測(cè)量得到砝碼在液體中的質(zhì)量m2。
6)根據(jù)公式計(jì)算得到砝碼的密度和體積。
第1)步中需要先測(cè)量空氣的密度。空氣密度的測(cè)量需要使用溫濕度大氣壓測(cè)量?jī)x器,得到空氣的溫度、濕度和大氣壓,通過(guò)計(jì)算得到空氣的密度值。
第4)步中測(cè)量砝碼在水中的質(zhì)量時(shí),需要將砝碼送到水中指定的位置進(jìn)行。對(duì)砝碼在水中的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)了一個(gè)控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)由控制板卡、旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)、步進(jìn)電機(jī)、PC機(jī)、串口組成。砝碼運(yùn)動(dòng)的控制流程如圖4所示。
PC機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的控制在Visual C++6.0環(huán)境下,通過(guò)使用控制板卡自帶的函數(shù)編寫(xiě)程序控制板卡的輸出信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)的控制,控制承載件的旋轉(zhuǎn)角度和運(yùn)動(dòng)量,將砝碼送到指定的位置進(jìn)行測(cè)量。碼盤(pán)是用于測(cè)量角位移的數(shù)字編碼器,具有分辨能力強(qiáng)、測(cè)量精度高和工作可靠的優(yōu)點(diǎn),常用于軸轉(zhuǎn)角位置測(cè)量中。
砝碼在空氣中的質(zhì)量m1,由質(zhì)量檢測(cè)裝置檢測(cè)得到。將砝碼放置于水中檢測(cè)得到質(zhì)量m2,通過(guò)公式計(jì)算得到。其中水的密度已知,空氣密度通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)大氣壓溫濕度計(jì)算而得到。
可在界面中選擇被檢測(cè)砝碼的型號(hào),設(shè)置檢測(cè)的參數(shù),選擇砝碼的類(lèi)型,設(shè)定檢測(cè)環(huán)境中的溫濕度和大氣壓,輸入操作者的信息。選擇好砝碼的型號(hào)和設(shè)置好參數(shù)后,將被檢測(cè)的砝碼放置于砝碼承載件上。點(diǎn)擊界面中的將砝碼送至水中按鈕,上位機(jī)通過(guò)串口向控制板卡發(fā)送數(shù)據(jù),板卡控制步進(jìn)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)碼盤(pán)運(yùn)動(dòng),將砝碼送到水中的測(cè)量位置。程序中設(shè)置了延時(shí)程序,一定時(shí)間后砝碼于水中穩(wěn)定,待判斷出砝碼于水中穩(wěn)定后,點(diǎn)擊開(kāi)始檢測(cè)按鈕上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行砝碼在水中的質(zhì)量檢測(cè),通過(guò)對(duì)返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行解碼得到砝碼在水中的質(zhì)量。在程序中通過(guò)砝碼的密度和體積公式計(jì)算得到砝碼的密度和體積值,并將得到的結(jié)果顯示于程序界面上。密度和體積檢測(cè)軟件界面如圖5所示。
在編寫(xiě)的程序代碼中,設(shè)置了初始化函數(shù)OnInitDialog()、步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)函數(shù)StepMotor()、緩沖區(qū)的大小buffer[i]、延時(shí)函數(shù)Sleep(10 000)、處理接收下位機(jī)返回指令的handle()函數(shù),通過(guò)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理得到最終的砝碼密度和體積值,設(shè)置了將結(jié)果顯示于界面的指針和API函數(shù),設(shè)置了生成報(bào)告的CBuildReport類(lèi),調(diào)用了將結(jié)果保存于數(shù)據(jù)庫(kù)的SQL語(yǔ)句。
程序中對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了消除,每次采集20個(gè)數(shù)據(jù),通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理減小系統(tǒng)誤差、粗大誤差和隨機(jī)誤差,對(duì)處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)計(jì)算得到最終的密度和體積值。數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)的密度和體積數(shù)據(jù)存儲(chǔ)如表2所示。
2.3 磁化率和磁化強(qiáng)度的自動(dòng)測(cè)量
采用上位機(jī)編程通過(guò)串口向磁性測(cè)量裝置實(shí)時(shí)地發(fā)送指令采集數(shù)據(jù)。所需的硬件設(shè)備為一個(gè)裝有磁鐵的磁性測(cè)量裝置。測(cè)量中將被測(cè)砝碼放置于測(cè)量的工作臺(tái)面上,砝碼的位置保持不變。檢測(cè)中調(diào)整磁鐵N級(jí)和S級(jí)的朝向,可得到砝碼與磁鐵之間的吸引力和砝碼重力之間的合力,分別得到F1和F2。砝碼的高度h,半徑Rw,頂部到磁鐵中心的距離Z1,底部到磁鐵中心的距離Z0已知的條件下,可得到砝碼磁化率和磁化強(qiáng)度的值,其中磁鐵在工作臺(tái)上表面產(chǎn)生的最大磁場(chǎng)為H。采用VC++6.0編程環(huán)境進(jìn)行程序界面的編寫(xiě),最后將采集的數(shù)據(jù)保存于SQL Server數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中,并對(duì)其進(jìn)行處理。串口的通信協(xié)議采用賽多利斯公司自帶的XBPI協(xié)議進(jìn)行。
千克副基準(zhǔn)磁化率和磁化強(qiáng)度檢測(cè)時(shí),當(dāng)磁鐵的S極朝上時(shí),重力、砝碼與磁鐵之間作用力的合力為F1;調(diào)整磁鐵的N極朝上,重力、砝碼與磁鐵之間作用力的合力為F2,F(xiàn)1和F2用于后續(xù)磁化率和磁化強(qiáng)度的計(jì)算。由于砝碼與磁鐵之間距離太小可能會(huì)導(dǎo)致磁鐵將砝碼磁化,在測(cè)量的過(guò)程中需要由大到小調(diào)整砝碼與磁鐵之間的距離值(即由大到小調(diào)整Z0的值)[12]。
BEZ是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)大氣中磁場(chǎng)強(qiáng)度的垂直分量,通常將其視為地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的垂直分量。在不同的海拔下,BEZ的范圍為-48~60 μT。BEZ的梯度值在地球的赤道上為零,在極點(diǎn)處最大。BEZ在北半球中符號(hào)為正號(hào),在南半球中符號(hào)為負(fù)號(hào)??諝獯呕士梢院雎圆挥?jì)。規(guī)程中推薦的公式應(yīng)用于正圓柱體砝碼相關(guān)參數(shù)的計(jì)算[13]。若被測(cè)的砝碼不是理想的正圓柱體砝碼,則需要對(duì)其做進(jìn)一步的修正計(jì)算,否則將產(chǎn)生較大的不確定度[14]。
在對(duì)砝碼磁化率和磁化強(qiáng)度的檢測(cè)中,由于被檢測(cè)的砝碼型號(hào)豐富,砝碼的半徑、高度也存在差異,在編寫(xiě)的檢測(cè)程序中需要設(shè)定不同型號(hào)砝碼對(duì)應(yīng)的不同參數(shù),在程序界面中選擇不同砝碼型號(hào)后得到不同的數(shù)據(jù)。需要預(yù)先得到砝碼的最大磁場(chǎng)和地球磁場(chǎng)強(qiáng)度的垂直分量,從而得到砝碼的磁距。檢測(cè)過(guò)程中調(diào)整適當(dāng)?shù)腪0值,翻轉(zhuǎn)磁鐵極性對(duì)砝碼進(jìn)行多次測(cè)量。檢測(cè)中需要保持砝碼干凈,保持檢測(cè)環(huán)境恒溫和恒濕,溫度保持在(20 ±1)℃。保證測(cè)量的重復(fù)性,通過(guò)反復(fù)不斷地測(cè)量得到最終的值[15]。
磁化率和磁化強(qiáng)度的快速檢測(cè)中,輸入砝碼的幾何尺寸參數(shù),砝碼的幾何尺寸可通過(guò)界面中的下拉列表框進(jìn)行選擇,在程序界面左邊的la和lb列表框中顯示對(duì)應(yīng)砝碼型號(hào)的幾何尺寸。在界面中可設(shè)定砝碼的類(lèi)型、溫度、操作者以及設(shè)定輸入方式和選擇測(cè)量的速度。通過(guò)點(diǎn)擊下一步圖標(biāo)進(jìn)入到下一個(gè)界面。在檢測(cè)中正確放置砝碼的位置朝上,界面中默認(rèn)檢測(cè)砝碼的N級(jí)朝上。砝碼放置于檢測(cè)儀器上后,可以調(diào)整儀器中磁鐵的位置,改變砝碼到磁鐵的距離。如界面中的Z1~Z5為砝碼到磁鐵的不同距離值。為避免砝碼被磁鐵磁化,檢測(cè)中應(yīng)從大到小調(diào)整砝碼到磁鐵的距離[16]。若砝碼到磁鐵的距離過(guò)大,則檢測(cè)不到砝碼的磁化率和磁化強(qiáng)度信號(hào),因此需要調(diào)整磁鐵到合適的位置。
磁化率和磁化強(qiáng)度檢測(cè)的初始化界面如圖6所示,界面中設(shè)定了砝碼的型號(hào)規(guī)格等,在界面中選擇和輸入了砝碼的幾何尺寸參數(shù)后,進(jìn)行砝碼參數(shù)檢測(cè)。在檢測(cè)中,設(shè)置了去皮,清零,自動(dòng)內(nèi)校、復(fù)皮、回零幾個(gè)指令,各指令對(duì)應(yīng)的發(fā)送數(shù)據(jù)如表3所示。
調(diào)整磁鐵的位置,將使得磁鐵與砝碼之間的距離位于Z5,磁鐵的N極朝上。在云界面中點(diǎn)擊下一步按鈕后開(kāi)始對(duì)砝碼進(jìn)行檢測(cè),得到F1。旋轉(zhuǎn)磁鐵,使得磁鐵的S極朝上,去皮,加載檢測(cè)砝碼,得到質(zhì)量F2的值。
改變磁鐵與砝碼之間的距離,可得到多組F1和F2的值,將其值代入砝碼磁化率和磁化強(qiáng)度的計(jì)算公式中,通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到最終的磁化率和磁化強(qiáng)度的值[17]。得到F2的值后,通過(guò)點(diǎn)擊下一步按鈕可進(jìn)入檢測(cè)的結(jié)果程序界面。在最后的界面中點(diǎn)擊結(jié)果按鈕,可得到本次檢測(cè)的結(jié)果報(bào)告,可打印該報(bào)告,程序界面如圖7所示。
進(jìn)入檢測(cè)的每一步,均向串口發(fā)送數(shù)據(jù),并且對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。對(duì)不同型號(hào)的砝碼,調(diào)整不同的檢測(cè)距離,可以得到不同的試驗(yàn)結(jié)果[18],可打印。
在數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)檢測(cè)的信息,方便追溯和查詢,數(shù)據(jù)如表4所示。
3 結(jié)束語(yǔ)
本文對(duì)國(guó)家千克副基準(zhǔn)的參數(shù)測(cè)量進(jìn)行了研究,其中包括了對(duì)千克副基準(zhǔn)的質(zhì)量、密度和體積,磁化率和磁化強(qiáng)度、空氣密度的測(cè)量,并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)檢測(cè)的軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì),同時(shí)利用硬件設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本方法可完善和提升國(guó)家千克副基準(zhǔn)的測(cè)量系統(tǒng),提高工作效率及測(cè)量的準(zhǔn)確度,保證量值傳遞的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn)
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(編輯:李剛)