《传感器技术与应用》实验讲义.pdf
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传感器技术与应用实验传感器技术与应用实验王旗东北大学理学院2008年8月传感器技术与应用实验-I-序传感器技术与应用是一门理论性和实践性都很强的学科,实验占有很重要的地位,许多理论问题需要通过实验来验证并加深理解。
传感器的使用、检测方法及测试装置也只有通过实验才能真正掌握。
通过实验环节,不仅可以巩固所学的理论知识,加深对基本概念的理解,而且还可以培养分析问题和解决问题的能力。
本课共设置了10个实验,涉及到了差动变压器、电容式传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、超声波传感器、光电传感器等多种传感器,涵盖了本门课程中的主要内容。
编者于2008年8月传感器技术与应用实验-II-目录序.I1传感器实验概述.11.1传感器常用技术指标.11.2传感器实验仪简介.32传感器的位移特性实验.52.1差动变压器的位移特性.52.2电容式传感器的位移特性.72.3电涡流传感器的位移特性.92.4光纤传感器的位移特性.112.5超声波传感器测量距离.133现代传感器实验.143.1压电式传感器测量振动.143.2光电转速传感器的转速测量实验.153.3气敏传感器.163.4红外光热释电传感器.173.5光敏电阻.21传感器技术与应用实验-1-1传感器实验概述1.1传感器常用技术指标如何根据测试目的和实际条件,正确合理地选用传感器,是需要认真考虑的问题。
选择传感器主要考虑其静态特性、动态响应特性和测量方式等三个方面的问题,而静态特性又包括灵敏度、线性度、精度等指标,动态响应特性包括稳定性、快速性等指标。
一、灵敏度一般来说,传感器灵敏度越高越好,因为灵敏度越高,就意味着传感器所能感知的变化量小,即只要被测量有一微小变化,传感器就有较大的输出。
但是,在确定灵敏度时,要考虑以下几个问题。
(1)当传感器的灵敏度很高时,那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到,并通过传感器输出,从而干扰被测信号。
因此,为了既能使传感器检测到有用的微小信号,又能使噪声干扰小?
要求传感器的信噪比愈大愈好。
也就是说,要求传感器本身的噪声小,而且不易从外界引进干扰噪声。
(2)与灵敏度紧密相关的是量程范围。
当传感器的线性工作范围一定时,传感器的灵敏度越高,干扰噪声越大,则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。
不言而喻,过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。
(3)如果被测量是一个向量,并且是一个单向量,就要求传感器单向灵敏度愈高愈好,而横向灵敏度愈低愈好;如果被测量是二维或三维的向量,那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。
二、线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。
在线性范围内输出与输入成比例关系,线性范围愈宽,则表明传感器的工作量程愈大。
传感器工作在线性区域内,是保证测量精度的基本条件。
例如,机械式传感器中的测力弹性元件,其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素,当超出测力元件允许的弹性范围时,将产生非线性误差。
然而,对任何传感器,保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。
在某些情况下,在许可限度内,也可以取其近似线性区域。
例如:
变间隙型的电容、电感式传感器,其工作区均选在初始间隙附近,而且必须考虑被测量变化范围,令其非线性误差在允许限度以内。
三、稳定性稳定性是表示传感器经过长期使用以后,其输出特性不发生变化的性能。
影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
传感器技术与应用实验2为了保证稳定性,在选择传感器时,一般应注意两个问题。
其一,根据环境条件选择传感器。
例如,选择电阻应变式传感器时,应考虑到湿度会影响其绝缘性,温度会产生零漂,长期使用会产生蠕动现象等。
又如,对变极距型电容式传感器,因环境湿度的影响或油剂侵人间隙时,会改变电容器的介质。
光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时,会改变感光性质。
其二,要创造或保持良好的环境,在要求传感器长期工作而不需经常地更换或校准的情况下,应对传感器的稳定性有严格的要求。
四、快速性传感器在其所测频率范围内,为保证不失真的测量条件,其输出响应总不可避免地有一定延迟,但总希望延迟的时间越短越好。
一般物性型传感器(如利用光电效应、压电效应等的传感器),响应时问短,可工作频率宽,而结构型传感器,如电感、电容、磁电等传感器,因为受到结构特性的影响,往往由于机械系统惯性质量的限制,其固有频率低,影响到传感器的工作频率范围。
五、精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的一致程度。
如前所述,传感器处于测试系统的输入端,因此,传感器能否真实地反映被测量,对整个测试系统具有直接的影响。
然而,在实际中也并非要求传感器的精确度愈高愈好,这还需要考虑到测量目的,同时还要考虑到经济性。
因为传感器的精度越高,其价格就越昂贵,所以应从实际出发来选择传感器。
六、测量方式传感器在实际条件下的工作方式,也是选择传感器时应考虑的重要因素。
例如,接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等,条件不同,对测量方式的要求亦不同。
传感器技术与应用实验-3-1.2传感器实验仪简介CSY2000系列传感器与检测技术实验台,主要用于各大专院校开设的“自动检测技术”“传感器原理与技术”“工业自动化控制”“非电量电测技术”等课程的教学实验。
CSY2000系列传感器与检测技术实验台上是采用最新推出的模块化结构的产品。
希望通过实验能让学生加强对书本知识的理解,并在实验进行的过程中,通过信号的拾取、转换、分析掌握作为一个科技工作者应具备的基本的操作技能与动手能力。
一实验台的组成CSY2000系列传感器与检测技术实验台由主控台、三源板(温度源、转动源、振动源)、传感器(基本型18个、增强型23个)、相应的实验模板、数据采集卡及处理软件、实验台桌等六部分组成。
(1)主控台部分,提供高稳定的15V、5V、2V4V6V8V10V、及2V24V可调四种直流稳压电源;主控台面板上还装有电压、气压、频率、转速的3位半数显表及计时表。
音频信号源(音频振荡器)1KHZ10KHZ(可调);低频信号源(低频振荡器)1HZ30HZ(可调);气压源020kpa可调;高精度温度转速两用仪表;RS232计算机串行接口;流量计;漏电保护器;其中电源、音频、低频均具有断路保护功能。
2V10V电源与其他电源、信号Fin、Vin部分,不共地。
如果与其他电源同时使用时应将其共地。
因断路无输出重新开机即可回复正常。
调节仪置内为温度调节、置外为转速调节。
(2)三源板:
装有振动台1HZ30HZ(可调);旋转源02400转/分(可调);加热源常温150(可调)。
(3)传感器:
基本型传感器包括:
电阻应变式传感器、扩散硅压力传感器、差动变压器、电容式传感器、霍尔式传感器、霍尔式转速传感器、磁电式传感器、压电式传感器、电涡流传感器、光纤传感器、光电转速传感器、集成温度传感器、K型热电偶、E型热电偶、Pt100铂电阻、Cu铜电阻、湿敏传感器、气敏传感器共十八个。
(4)实验模块部分:
普通型有应变式、压力、差动变压器、电容式、霍尔式、压电式、电涡流、光纤位移、温度、移相/相敏检波/滤波十个模块。
二使用方法
(1)开机前将转速调节旋钮调到中间位置,显示选择旋钮打到2V档,电压选择旋钮打到2V档,其余旋钮均打到中间位置,计时复位按钮在松开状态。
(2)将220V的电源线插头插入市电插座,接通开关,电源指示灯亮,计时器指示为4个零,数字表显示0.000或0.000,电压指示灯亮,表示实验台电源工作正常。
传感器技术与应用实验4(3)每个实验前先阅读实验指导书,每个实验均应在断开电源的状态下按实验线路接好连接线,检查无误后方可接通主电源。
(4)打开调节仪电源开关,调节仪表头PV显示测量值,SV显示设置值。
三注意事项
(1)在更换接线时,应断开电源,只有在确保接线无误后方可接通电源。
(2)严禁将电源、信号源输出插座和地短接,时间长易造成电路元件损坏。
(3)严禁将主控箱上15V电源引入模块时接错。
(4)本实验台电源2V10V与电源15V不共地,所以在同时使用时应将共地。
(5)差动变压器的原边不能接直流电压。
(6)三源板上的电机电源不能超过12V。
(7)做振动实验时振动面板不要碰到传感器。
(8)本实验台应采用Pt100做温度标准值与主控箱面板相连(见色标)。
(9)打开调节仪电源开关后等其完成自启动后再做按键操作。
(10)实验完毕后,请将传感器以及电路模块放回原位。
(11)本实验台的各个部分是相配套使用的,请勿调换。
(12)在做实验前务必详细阅读实验指导书。
传感器技术与应用实验-5-2传感器的位移特性实验2.1差动变压器的位移特性一、实验目的:
了解差动变压器的工作原理和特性。
二、基本原理:
差动变压器由一只初级线圈和二只次线圈及一个铁芯组成,根据内外层排列不同,有二段式和三段式,本实验采用三段式结构。
当传感器随着被测体移动时,由于初级线圈和次级线圈之间的互感发生变化促使次级线圈感应电势产生变化,一只次级感应电势增加,另一只感应电势则减少,将两只次级反向串接(同名端连接),就引出差动输出。
其输出电势反映出被测体的移动量。
三、需用器件与单元:
差动变压器实验模板、测微头、双踪示波器、差动变压器、音频信号源、直流电源(音频振荡器)、万用表。
四、实验步骤:
1、根据图11,将差动变压器装在差动变压器实验模板上。
图11差动变压器电容传感器安装示意图传感器技术与应用实验62、在模块上按图12接线,音频振荡器信号必须从主控箱中的Lv端子输出,调节音频振荡器的频率,输出频率为45KHz(可用主控箱的频率表输入Fin来监测)。
调节输出幅度为峰峰值Vp-p2V(可用示波器监测:
X轴为0.2ms/div)。
图中1、2、3、4、5、6为连接线插座的编号。
接线时,航空插头上的号码与之对应。
当然不看插孔号码,也可以判别初次级线圈及次级同名端。
判别初次线图及次级线圈同中端方法如下:
设任一线圈为初级线圈,并设另外两个线圈的任一端为同名端,按图32接线。
当铁芯左、右移动时,观察示波器中显示的初级线圈波形,次级线圈波形,当次级波形输出幅度值变化很大,基本上能过零点,而且相应与初级线圈波形(Lv音频信号Vp-p2波形)比较能同相或反相变化,说明已连接的初、次级线圈及同名端是正确的,否则继续改变连接再判别直到正确为止。
图中
(1)、
(2)、(3)、(4)为实验模块中的插孔编号。
3、旋动测微头,使示波器第二通道显示的波形峰峰值Vp-p为最小,这时可以左右位移,假设其中一个方向为正位移,另一个方向位称为负,从Vp-p最小开始旋动测微头,每隔0.2mm从示波器上读出输出电压Vp-p值,填入下表11,再人Vp-p最小处反向位移做实验,在实验过程中,注意左、右位移时,初、次级波形的相位关系。
图12双踪示波器与差动变压器连结示意图传感器技术与应用实验-7-4、实验过程中注意差动变压器输出的最小值即为差动变压器的零点残余电压大小。
根据表11画出Vop-pX曲线,作出量程为1mm、3mm灵敏度和非线性误差。
表11差动变压器位移X值与输出电压数据表V(mv)X(mm)五、思考题:
1、用差动变压器测量较高频率的振幅,例如1KHZ的振动幅值,可以吗?
差动变压器测量频率的上限受什么影响?
2、试分析差动变压器与一般电源变压器的异同?
2.2电容式传感器的位移特性一、实验目的:
了解电容式传感器结构及其特点。
二、基本原理:
利用平板电容CAd和其它结构的关系式通过相应的结构和测量电路可以选择、A、d中三个参数中,保持二个参数不变,而只改变其中一个参数,则可以有测谷物干燥度(变)测微小位移(变d)和测量液位(变A)等多种电容传感器。
三、需用器件与单元:
电容传感器、电容传感器实验模板、测微头、相敏检波、滤波模板、数显单元、直流稳压源。
四、实验步骤:
1、按图11安装示意图将电容传感器装于电容传感器实验模板上,判别CX1和传感器技术与应用实验8CX2时,注意动极板接地,接法正确则动极板左右移动时,有正、负输出。
不然得调换接头。
一般接线:
二个静片分别是1号和2号引线,动极板为3号引线。
2、将电容传感器电容C1和C2的静片接线分别插入电容传感器实验模板Cx1、Cx2插孔上,动极板连接地插孔(见图13)。
图13电容传感器位移实验接线图3、将电容传感器实验模板的输出端Vo1与数显表单元Vi相接(插入主控箱Vi孔),Rw调节到中间位置。
4、接入15V电源,旋动测微头推进电容器传感器动极板位置,每间隔0.2mm记下位移X与输出电压值,填入表12。
表12电容传感器位移与输出电压值X(mm)V(mv)5、根据表12数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差f。
传感器技术与应用实验-9-五、思考题:
试设计利用的变化测谷物湿度的传感器原理及结构?
能否叙述一下在设计中应考虑哪些因素?
2.3电涡流传感器的位移特性一、实验目的:
了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。
二、基本原理:
通过高频电流的线圈产生磁场,当有导电体接近时,因导电体涡流效应产生涡流损耗,而涡流损耗与导电体离线圈的距离有关,因此可以进行位移测量。
三、需用器件与单元:
电涡流传感器实验模板、电涡流传感器、直流电源、数显单元、测微头、铁圆片。
四、实验步骤:
1、根据图1-4安装电涡流传感器。
图1-4电涡流传感器安装示意图传感器技术与应用实验10图1-5电涡流传感器位移实验接线图2、观察传感器结构,这是一个平绕线圈。
3、将电涡流传感器输出线接入实验模板上标有L的两端插孔中,作为振荡器的一个元件。
4、在测微头端部装上铁质金属圆片,作为电涡流传感器的被测体。
5、将实验模板输出端Vo与数显单元输入端Vi相接。
数显表量程切换开关选择电压20V档。
6、用连结导线从主控台接入15V直流电源接到模板上标有15V的插孔中。
7、使测微头与传感器线圈端部接触,开启主控箱电源开关,记下数显表读数,然后每隔0.2mm读一个数,直到输出几乎不变为止。
将结果列入表1-3。
表1-3电涡流传感器位移X与输出电压数据X(mm)V(v)8、根据表1-3数据,画出VX曲线,根据曲线找出线性区域及进行正、负位移测量时的最佳工作点,试计算量程为1mm、3mm及5mm时的灵敏度和线性度(可以用端基法或其它拟合直线)。
传感器技术与应用实验-11-五、思考题:
1、电涡流传感器的量程与哪些因素有关,如果需要测量5mm的量程应如何设计传感器?
2、用电涡流传感器进行非接触位移测量时,如何根据量程使用选用传感器。
3、被测体材质对电涡流传感器特性有无影响?
4、被测体面积大小对电涡流传感器特性有无影响?
2.4光纤传感器的位移特性一、实验目的:
了解光纤位移传感器的工作原理和性能。
二、基本原理:
本实验采用的是传光型光纤,它由两束光纤混合后,组成Y型光纤,半园分布即双D型一束光纤端部与光源相接发射光束,另一束端部与光电转换器相接接收光束。
两光束混合后的端部是工作端亦称探头,它与被测体相距X,由光源发出的光纤传到端部出射后再经被测体反射回来,另一束光纤接收光信号由光电转换器转换成电量,而光电转换器转换的电量大小与间距X有关,因此可用于测量位移。
三、需用器件与单元:
光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。
四、实验步骤:
1、根据图1-6安装光纤位移传感器,二束光纤插入实验板上的座孔上。
其内部已和发光管D及光电转换管T相接。
传感器技术与应用实验12图1-6光纤传感器安装示意图2、将光纤实验模板输出端VO1与数显单元相连,见图1-7。
图1-7光纤传感器位移实验接线图3、调节测微头,使探头与反射面圆平板接触。
4、实验模板接入15V电源,合上主控箱电源开关,调RW、使数显表显示为零。
5、旋转测微头,被测体离开探头,每隔0.1mm读出数显表值,将其填入表1-4。
表1-4光纤位移传感器输出电压与位移数据X(mm)V(v)6、根据表91数据,作光纤位移传感器的位移特性,计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。
传感器技术与应用实验-13-五、思考题:
光纤位移传感器测位移时对被测体的表面有些什么要求?
2.5超声波传感器测量距离一、实验目的:
了解超声波在介质中的传播特性;了解超声波传感器测量距离的原理和结构。
二、基本原理:
超声波传感器由发射探头、接收探头三、需用器件与单元:
光纤传感器、光纤传感器实验模板、数显单元、测微头、直流源、反射面。
四、实验步骤:
1、15V电源,合上主控箱电源开关,调RW、使数显表显示为零。
2、旋转测微头,被测体离开探头,每隔1cm读出数显表值,将其填入表1-5。
表1-5超声波传感器输出电压与位移数据X(cm)V(v)3、根据表1-5数据,作光纤位移传感器的位移特性,计算在量程20cm时灵敏度和非线性误差。
五、思考题:
如何使用超声波传感器制作汽车尾部防撞装置?
传感器技术与应用实验143现代传感器实验3.1压电式传感器测量振动一、实验目的:
了解压电传感器的测量振动的原理和方法。
二、基本原理:
压电式传感器由惯性质量块和受压的压电片等组成。
(观察实验用压电加速度计结构)工作时传感器感受与试件相同频率的振动,质量块便有正比于加速度的交变力作用在晶片上,由于压电效应,压电晶片上产生正比于运动加速度的表面电荷。
三、需用器件与单元:
振动台、压电传感器、检波、移相、低通滤波器模板、压电式传感器实验模板。
双踪示波器。
四、实验步骤:
1、压电传感器已装在振动台面上。
2、将低频振荡器信号接入到台面三源板振动源的激励源插孔。
图31压电式传感器性能实验接线图3、将压电传感器输出两端插入到压电传感器实验模板两输入端,见图31,与传传感器技术与应用实验-15-感器外壳相连的接线端接地,另一端接R1。
将压电传感器实验模板电路输出端Vo1,接R6。
将压电传感器实验模板电路输出端V02,接入低通滤波器输入端Vi,低通滤波器输出V0与示波器相连。
4、合上主控箱电源开关,调节低频振荡器的频率和幅度旋钮使振动台振动,观察示波器波形。
5、改变低频振荡器的频率,观察输出波形变化。
6、用示波器的两个通道同时观察低通滤波器输入端和输出端波形。
3.2光电转速传感器的转速测量实验一、实验目的:
了解光电转速传感器测量转速的原理及方法。
二、基本原理:
光电式转速传感器有反射型和透射型二种,本实验装置是透射型的,传感器端部有发光管和光电池,发光管发出的光源在转盘上反射后由光电池接受转换成电信号,由于转盘上有相间的16个间隔,转动时将获得与转速及黑白间隔数有关的脉冲,将电脉计数处理即可得到转速值。
三、需用器件与单元:
光电转速传感器、直流电源5V、转动源及224V直流源、数显单元。
四、实验步骤:
1、光电转速传感器已安装在三源板上,把三源板上的5V、接地V0与主控箱上的5V、地、数显表的Vin相连。
数显表转换开关打到转速档。
2、将转速源224V输出旋到最小,接到转动源24V插孔上。
3、合上主控箱电源开关,使电机转动并从数显表上观察电机转速。
思考题:
传感器技术与应用实验16已进行的实验中用了多种传感器测量转速,试分析比较一下哪种方法最简单、方便。
3.3气敏传感器一、实验目的实验目的:
了解气敏传感器原理及应用。
二、基本原理基本原理:
本实验所采用的SnO2(氧化锡)本导体气敏传感器属电阻型气敏元件;它是利用气体在半导体表面的氯化和还原反应导致敏感元件阻值变化:
若气浓度发生,其阻值又将变化,根据这一特性,可以从阻值的变化得知,吸附气体的种类和浓度。
三、需用器件与单元需用器件与单元:
气敏传感器、直流稳压电源、酒精、棉球、数显单元、差动变压器实验模板。
四、实验步骤实验步骤:
1、将气敏传感器夹持在差动变压器实验模板上传感器固定支架上。
2、根据图3-4接线,将气敏传感器,色线(加热线)接4V电压,红色线A端接10V电压、黑线接地,色线(B端)接入差动变压板R1的插孔内,RW1下端接地。
传感器技术与应用实验-17-图3-4MQ系列气敏元件结构和工作原理3、将R1插孔与实验模板上的R2的输入孔相接。
输出U0与数显单元Vi相接,电压拨2V档。
4、接上15V电源使运放工作,预热5分钟。
5、用浸透酒精的小棉球,靠近传感器,并吹2次气,使酒精挥发进入传感器金属网内,观察电压表读数变化。
五、思考题思考题:
酒精检测报警,常用于交通片警检查有否酒后开车,若要这样一种传感器还需考虑哪些环节与因素?
3.4红外光热释电传感器一一实验目的:
实验目的:
了解热释电红外传感器基本原理和在实际中的应用二二基本原理:
基本原理:
当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时候,薄片温度升高,极化强度sp下降,表面电荷减少,相当于”释放”一部分电荷,故名热释电。
释放的电荷通过一系列的放大,转化成输出电压。
如果继续照射,晶体薄片的温度升高到Tc(居里温度)值时,自发极化突然消失。
不再释放电荷,输出信号为零,见图3-5。
传感器技术与应用实验18因此,热释电探测器只能探测交流的斩波式的辐射(红外光辐射要有变化量)。
当面积为A的热释电晶体受到调制加热,而使其温度T发生微小变化时,就有热释电电流。
dtdTAPi=,A为面积,P为热电体材料热释电系数,dtdT是温度的变化率。
图3-5热释电效应传感器技术与应用实验-19-图3-6热释电实验接线图传感器技术与应用实验20图3-7成品实验接线图三三需用器件与单元:
需用器件与单元:
光电器件实验
(二)模板、主机箱、红外热释电探头、红外热释电探测器。
四四实验内容:
实验内容:
光电器件实验
(二)模板分两部分,分为器件原理实验图(左),传感器实验图(右)1原理实验
(1)按图3-6接线:
将红外热释电探头的三个插孔相应地连到实验模板热释电红外探头的输入端口上(红色插孔接D;蓝色接S;黑色接E),再将实验模板上的VCC+5V和“”相应的连接到主控箱的电源上,再将实验模板的右边部分的探测器信号输入短接。
(2)打开主机箱电源,手在红外热释电探头端面晃动时,探头有微弱的电压变化信号输出,经两级电压放大后,可以检测出较大的电压变化,再经电压比较器构成的开关电路,使指示灯点亮。
观察这个现象过程。
2传感器实验
(1)红外热释电探测器有四个接线,按图3-7接线:
将探头的1、3号线相应的连接到实验模板的+12V与“”上,再将红外热释电探测器2、4号线分别接到实验模板的探测器信号输入端口上,再将实验模板的+12V和“”接到主机箱+12V电源和“”上。
传感器技术与应用实验-21-
(2)打开主机箱电源,需延时几分钟模板才能正常工作。
当人体或动物移动后,蜂鸣器报警。
逐点移远人与传感器的距离,估计观察能检测到的红外物体的探测距离。
3.5光敏电阻五、实验目的:
了解光敏电阻的光谱响应特征、光照特性和伏安特性等基本特性。
六、基本原理:
在光线的作用下,电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态。
引起电导率的变化,这种现象称为光电导效应。
光电导效应是半导体材料的一种体效应。
光照愈强,器件自身的电阻愈小。
基于这种效应的光电器件称光敏电阻。
光敏电阻无极性,其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。
七、需用器件与单元:
CSY2000G主机箱、光源、滤色片、光电器件实验
(一)模板、光敏电阻、光照度探头。
八、实验步骤:
(1)图3-2是光敏电阻实验原理图
(2)按图3-2的光学系统装置图,安装好普通光源和光照度计探头及遮光筒,将主机箱的012V的可调电源与普通光源的两个插孔相连,将可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢调到底。
将照度计探头的两个插孔与主机箱照度计输入端“+”、“”相应连接。
打开主机箱电源,顺时针方
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