CN104279986A - 一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明包括水银柱金属壳、水银、水银柱支撑架、外壳、光纤引出孔、导出光纤、传压活塞、传力杆、光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、悬臂梁支撑柱、底座；根据粘贴在等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅的中心波长差值与传感器倾角的关系式计算出传感器被测对象的倾角变化。本发明可以提高传感器的测斜灵敏度和测量范围；具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力适用于对边坡的长期监测；结构简单，便于操作。
Description
技术领域
本发明涉及一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。
背景技术
我国是一个多山的国家，山地约占全国总面积的2/3，是世界上滑坡频繁的国家之一。滑坡活动与滑坡体的组成物质、力学性能、形态、层状、软弱面、结构面等因素有关，机制较为复杂。
边坡内部位移监测一直是岩土工程界关注的重要课题。传统的移动式、固定式倾角传感器已经广泛应用于边坡内部位移的监测中，但传统倾角传感器存在较大的不足，如数据采集仪器会出现漂移误差，测斜仪导轮磨损、偏移等会带来误差。活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器具有抗电磁干扰、动态范围宽、灵敏度高、便于组网、远距离和长期性要求，可实现分布式测量等优点，为解决上述关键问题提供了良好的技术手段。
通过采用活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器对边坡倾角进行实时在线监测时，需要考虑活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器的构成，及如何安装来实现测量时对光纤的保护问题。
发明内容
本发明提供了一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器及其使用方法，以用于解决对边坡倾斜实时在线检测及解决对边坡倾斜实时在线检测时光纤Bragg光栅倾角传感器的结构、安装的问题。
本发明的技术方案是：一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器，包括水银柱金属壳1、水银2、水银柱支撑架3、外壳4、光纤引出孔5、导出光纤6、传压活塞7、传力杆8、光纤Bragg光栅9、等强度悬臂梁10、悬臂梁支撑柱11、底座12；其中水银2填充满水银柱金属壳1内，水银2通过传压活塞7密闭于水银柱金属壳1，水银柱金属壳1由水银柱支撑架3固定在外壳4内，外壳4焊接在底座12上方，传压活塞7下端连接传力杆8的上端，传力杆8的下端连接等强度悬臂梁10的自由端，光纤Bragg光栅9粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁，等强度悬臂梁10右端固定于悬臂梁支撑柱11上，导出光纤6通过光纤引出孔5引出并与外接光缆相连接，光纤引出孔5用环氧树脂封闭，悬臂梁支撑柱11焊接在外壳4内的底部。
所述粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成。
一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、当倾角传感器所测对象的倾角发生变化时，水银2在水银柱金属壳1内的有效长度将发生改变，水银2对传压活塞7的压力将相应改变，传压活塞7通过传力杆8把水银的压力传递给等强度悬臂梁10自由端，带动粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9拉伸和压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9的中心波长差值 ；
Step2、根据粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9的中心波长差值与传感器倾角的关系式计算出传感器被测对象的倾角变化；式中：为水银的密度，g为重力系数，L为水银2在水银柱金属壳1内的长度，S为传压活塞7和水银2接触面的面积，l为等强度悬臂梁10的工作长度，为光纤Bragg光栅9的应变敏感系数，为光纤Bragg光栅9的初始中心波长，B为等强度悬臂梁10固定端的宽度，h为等强度悬臂梁10的厚度，E为等强度悬臂梁10的弹性模量。
所述水银2在水银柱金属壳1内的长度变化范围为10厘米到50厘米。
本发明的工作原理是：
当倾角传感器所测对象的倾角发生变化时，水银2在水银柱金属壳1内的有效长度（有效长度=L·cos）将发生改变，水银2对传压活塞7的压力将相应改变，传压活塞7通过传力杆8把水银的压力传递给等强度悬臂梁10自由端，带动粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9拉伸和压缩（上壁的光纤Bragg光栅拉伸，下壁的光纤Bragg光栅压缩）将被测对象倾角的检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，光纤Bragg光栅9的差动式粘贴有助于抵消环境温度的影响，光纤Bragg光栅9的导出光纤6通过光纤引出孔5引出并与外接光缆相连接，构成活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器。
本发明的数学模型分析如下：
水银2对传压活塞7所施加的压强P是：
（1）
式中，为水银的密度，g为重力系数，L为水银柱的长度，为传感器的倾斜角。
传压活塞7通过传力杆8传递给等强度悬臂梁10自由端的压力F是：
F=P·S （2）
式中，S为传压活塞7和水银2接触面的面积。
等强度悬臂梁10各点的应变为：
（3）
式中，l为等强度悬臂梁8的工作长度，h为等强度悬臂梁10的厚度，B为等强度悬臂梁10固定端的宽度，E为等强度悬臂梁10的弹性模量。
把（1）（2）式带入（3）式得：
（4）
当等强度悬臂梁10受压力F的作用弯曲时，上表面受到的是拉伸应变，而下表面受到的是压缩应变—，若两只光栅处于同样的温度场中，应变信号可表示为：
（5）
式中，为上表面受到拉伸应变后光纤Bragg光栅的反射波长，为下表面受到的是压缩应变后光纤Bragg光栅的反射波长，为光纤Bragg光栅的应变敏感系数，为光纤Bragg光栅初始中心波长。
该方案属于机械补偿并不要求额外的温度检测，其中的关键是两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成。
粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9中心波长差值为：
（6）
把（5）、（6）式带入（4）式得：
（7）
式（7）表明了被测对象的倾斜角与光纤Bragg光栅波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅波长移位就可以计算出被测对象的倾斜角。
本发明的有益效果是：
1、传压活塞把水银柱的压强转化为对等强度悬臂梁移动端的压力，将被测对象倾角的检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制；通过增加水银柱的高度可以提高传感器的测斜灵敏度和测量范围，同时可以减小传感器的横截面积，以适用于边坡测斜孔洞的测斜需求。
2、通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力适用于对边坡的长期监测。
3、结构简单，便于操作。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的水银柱的结构示意图；
图3为本发明中等强度悬臂梁的局部俯视示意图；
图4为本发明中等强度悬臂梁的局部侧视示意图；
图中各标号：1-水银柱金属壳、2-水银、3-水银柱支撑架、4-外壳、5-光纤引出孔、6-导出光纤、7-传压活塞、8-传力杆、9-光纤Bragg光栅、10-等强度悬臂梁、11-悬臂梁支撑柱、12-底座。
具体实施方式
实施例1：如图1-4所示，一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器，包括水银柱金属壳1、水银2、水银柱支撑架3、外壳4、光纤引出孔5、导出光纤6、传压活塞7、传力杆8、光纤Bragg光栅9、等强度悬臂梁10、悬臂梁支撑柱11、底座12；其中水银2填充满水银柱金属壳1内，水银2通过传压活塞7密闭于水银柱金属壳1，水银柱金属壳1由水银柱支撑架3固定在外壳4内，外壳4焊接在底座12上方，传压活塞7下端连接传力杆8的上端，传力杆8的下端连接等强度悬臂梁10的自由端，光纤Bragg光栅9粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁，等强度悬臂梁10右端固定于悬臂梁支撑柱11上，导出光纤6通过光纤引出孔5引出并与外接光缆相连接，光纤引出孔5用环氧树脂封闭，悬臂梁支撑柱11焊接在外壳4内的底部。
所述粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成。
一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、当倾角传感器所测对象的倾角发生变化时，水银2在水银柱金属壳1内的有效长度将发生改变，水银2对传压活塞7的压力将相应改变，传压活塞7通过传力杆8把水银的压力传递给等强度悬臂梁10自由端，带动粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9拉伸和压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9的中心波长差值；
Step2、根据粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9的中心波长差值与传感器倾角的关系式计算出传感器被测对象的倾角变化；式中：为水银的密度，g为重力系数，L为水银2在水银柱金属壳1内的长度，S为传压活塞7和水银2接触面的面积，l为等强度悬臂梁10的工作长度，为光纤Bragg光栅9的应变敏感系数，为光纤Bragg光栅9的初始中心波长，B为等强度悬臂梁10固定端的宽度，h为等强度悬臂梁10的厚度，E为等强度悬臂梁10的弹性模量。
所述水银2在水银柱金属壳1内的长度变化范围为10厘米到50厘米。
实施例2：如图1-4所示，一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器，包括水银柱金属壳1、水银2、水银柱支撑架3、外壳4、光纤引出孔5、导出光纤6、传压活塞7、传力杆8、光纤Bragg光栅9、等强度悬臂梁10、悬臂梁支撑柱11、底座12；其中水银2填充满水银柱金属壳1内，水银2通过传压活塞7密闭于水银柱金属壳1，水银柱金属壳1由水银柱支撑架3固定在外壳4内，外壳4焊接在底座12上方，传压活塞7下端连接传力杆8的上端，传力杆8的下端连接等强度悬臂梁10的自由端，光纤Bragg光栅9粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁，等强度悬臂梁10右端固定于悬臂梁支撑柱11上，导出光纤6通过光纤引出孔5引出并与外接光缆相连接，光纤引出孔5用环氧树脂封闭，悬臂梁支撑柱11焊接在外壳4内的底部。
所述粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成。
一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、当倾角传感器所测对象的倾角发生变化时，水银2在水银柱金属壳1内的有效长度将发生改变，水银2对传压活塞7的压力将相应改变，传压活塞7通过传力杆8把水银的压力传递给等强度悬臂梁10自由端，带动粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9拉伸和压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9的中心波长差值；
Step2、根据粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9的中心波长差值与传感器倾角的关系式计算出传感器被测对象的倾角变化；式中：为水银的密度，g为重力系数，L为水银2在水银柱金属壳1内的长度，S为传压活塞7和水银2接触面的面积，l为等强度悬臂梁10的工作长度，为光纤Bragg光栅9的应变敏感系数，为光纤Bragg光栅9的初始中心波长，B为等强度悬臂梁10固定端的宽度，h为等强度悬臂梁10的厚度，E为等强度悬臂梁10的弹性模量。
其具体参数为：
1、等强度悬臂梁的尺寸参数为：工作长度l为60mm，固定点宽度B为17mm，45#钢Young’s模量为E= 200GPa，悬臂梁厚度h为1mm；
2、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长=1550 nm，；
3、传压活塞的尺寸参数为：长为10mm、宽为10 mm、面积S为10*10 mm2；
4、水银柱的参数为：水银在水银柱金属壳内的长度L=10cm，水银密度，重力系数g=9.8；
5、按附图1配置实验；
6、用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；
7、根据公式（7），通过粘贴在等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅的中心波长差值可计算出传感器被测对象的倾角；
8、根据公式（7），以倾斜角度为0度时为参考量，此时等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅的中心波长差值为，倾斜角度为其它角度时，等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅的中心波长差值为，任意倾斜角度相对于参考量的波长变化量为：
将各已知量代入上式，理论计算表明，水银柱长度L=10cm时，倾斜角度从0到10度，波长变化量为5.1840pm；倾斜角度从0到20度，波长变化量为20.5786pm；倾斜角度从0到30度，波长变化量为45.7159pm；倾斜角度从0到40度，波长变化量为79.8322pm。
实施例3：如图1-4所示，一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器，包括水银柱金属壳1、水银2、水银柱支撑架3、外壳4、光纤引出孔5、导出光纤6、传压活塞7、传力杆8、光纤Bragg光栅9、等强度悬臂梁10、悬臂梁支撑柱11、底座12；其中水银2填充满水银柱金属壳1内，水银2通过传压活塞7密闭于水银柱金属壳1，水银柱金属壳1由水银柱支撑架3固定在外壳4内，外壳4焊接在底座12上方，传压活塞7下端连接传力杆8的上端，传力杆8的下端连接等强度悬臂梁10的自由端，光纤Bragg光栅9粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁，等强度悬臂梁10右端固定于悬臂梁支撑柱11上，导出光纤6通过光纤引出孔5引出并与外接光缆相连接，光纤引出孔5用环氧树脂封闭，悬臂梁支撑柱11焊接在外壳4内的底部。
所述粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成。
一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、当倾角传感器所测对象的倾角发生变化时，水银2在水银柱金属壳1内的有效长度将发生改变，水银2对传压活塞7的压力将相应改变，传压活塞7通过传力杆8把水银的压力传递给等强度悬臂梁10自由端，带动粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9拉伸和压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9的中心波长差值；
Step2、根据粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9的中心波长差值与传感器倾角的关系式计算出传感器被测对象的倾角变化；式中：为水银的密度，g为重力系数，L为水银2在水银柱金属壳1内的长度，S为传压活塞7和水银2接触面的面积，l为等强度悬臂梁10的工作长度，为光纤Bragg光栅9的应变敏感系数，为光纤Bragg光栅9的初始中心波长，B为等强度悬臂梁10固定端的宽度，h为等强度悬臂梁10的厚度，E为等强度悬臂梁10的弹性模量。
其具体参数为：
1、等强度悬臂梁的尺寸参数为：工作长度l为60mm，固定点宽度B为17mm，45#钢Young’s模量为E= 200GPa，悬臂梁厚度h为1mm；
2、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长=1550 nm，；
3、传压活塞的尺寸参数为：长为10mm、宽为10mm、面积S为10*10mm2；
4、水银柱的参数为：水银在水银柱金属壳内的长度L=30cm，水银密度，重力系数g=9.8；
5、按附图1配置实验；
6、用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；
7、根据公式（7），通过粘贴在等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅的中心波长差值可计算出传感器被测对象的倾角；
8、根据公式（7），以倾斜角度为0度时为参考量，此时等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅的中心波长差值为，倾斜角度为其它角度时，等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅的中心波长差值为，任意倾斜角度相对于参考量的波长变化量为：
将各已知量代入上式，理论计算表明，水银柱长度L=30cm时，倾斜角度从0到10度，波长变化量为15.5521pm；倾斜角度从0到20度，波长变化量为61.7357pm；倾斜角度从0到30度，波长变化量为137.1477pm；倾斜角度从0到40度，波长变化量为239.4967pm。
实施例4：如图1-4所示，一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器，包括水银柱金属壳1、水银2、水银柱支撑架3、外壳4、光纤引出孔5、导出光纤6、传压活塞7、传力杆8、光纤Bragg光栅9、等强度悬臂梁10、悬臂梁支撑柱11、底座12；其中水银2填充满水银柱金属壳1内，水银2通过传压活塞7密闭于水银柱金属壳1，水银柱金属壳1由水银柱支撑架3固定在外壳4内，外壳4焊接在底座12上方，传压活塞7下端连接传力杆8的上端，传力杆8的下端连接等强度悬臂梁10的自由端，光纤Bragg光栅9粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁，等强度悬臂梁10右端固定于悬臂梁支撑柱11上，导出光纤6通过光纤引出孔5引出并与外接光缆相连接，光纤引出孔5用环氧树脂封闭，悬臂梁支撑柱11焊接在外壳4内的底部。
所述粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成。
一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：
Step1、当倾角传感器所测对象的倾角发生变化时，水银2在水银柱金属壳1内的有效长度将发生改变，水银2对传压活塞7的压力将相应改变，传压活塞7通过传力杆8把水银的压力传递给等强度悬臂梁10自由端，带动粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9拉伸和压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9的中心波长差值；
Step2、根据粘贴在等强度悬臂梁10上下两壁的光纤Bragg光栅9的中心波长差值与传感器倾角的关系式计算出传感器被测对象的倾角变化；式中：为水银的密度，g为重力系数，L为水银2在水银柱金属壳1内的长度，S为传压活塞7和水银2接触面的面积，l为等强度悬臂梁10的工作长度，为光纤Bragg光栅9的应变敏感系数，为光纤Bragg光栅9的初始中心波长，B为等强度悬臂梁10固定端的宽度，h为等强度悬臂梁10的厚度，E为等强度悬臂梁10的弹性模量。
其具体参数为：
1、等强度悬臂梁的尺寸参数为：工作长度l为60mm，固定点宽度B为17mm，45#钢Young’s模量为E= 200GPa，悬臂梁厚度h为1mm；
2、光纤Bragg光栅的技术参数为：中心波长=1550 nm，；
3、传压活塞的尺寸参数为：长为10mm、宽为10 mm、面积S为10*10mm2；
4、水银柱的参数为：水银在水银柱金属壳内的长度L=50cm，水银密度，重力系数g=9.8；
5、按附图1配置实验；
6、用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长；
7、根据公式（7），通过粘贴在等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅的中心波长差值可计算出传感器被测对象的倾角；
8、根据公式（7），以倾斜角度为0度时为参考量，此时等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅的中心波长差值为，倾斜角度为其它角度时，等强度悬臂梁上下两壁的光纤Bragg光栅的中心波长差值为，任意倾斜角度相对于参考量的波长变化量为：
将各已知量代入上式，理论计算表明，水银柱长度L=50cm时，倾斜角度从0到10度，波长变化量为25.9201pm；倾斜角度从0到20度，波长变化量为102.8929pm；倾斜角度从0到30度，波长变化量为228.5795pm；倾斜角度从0到40度，波长变化量为399.1611pm。
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (4)
1.一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于：包括水银柱金属壳（1）、水银（2）、水银柱支撑架（3）、外壳（4）、光纤引出孔（5）、导出光纤（6）、传压活塞（7）、传力杆（8）、光纤Bragg光栅（9）、等强度悬臂梁（10）、悬臂梁支撑柱（11）、底座（12）；其中水银（2）填充满水银柱金属壳（1）内，水银（2）通过传压活塞（7）密闭于水银柱金属壳（1），水银柱金属壳（1）由水银柱支撑架（3）固定在外壳（4）内，外壳（4）焊接在底座（12）上方，传压活塞（7）下端连接传力杆（8）的上端，传力杆（8）的下端连接等强度悬臂梁（10）的自由端，光纤Bragg光栅（9）粘贴在等强度悬臂梁（10）上下两壁，等强度悬臂梁（10）右端固定于悬臂梁支撑柱（11）上，导出光纤（6）通过光纤引出孔（5）引出并与外接光缆相连接，光纤引出孔（5）用环氧树脂封闭，悬臂梁支撑柱（11）焊接在外壳（4）内的底部。
2.根据权利要求1所述的活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器，其特征在于：所述粘贴在等强度悬臂梁（10）上下两壁的两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成。
3.一种活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器的使用方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：
Step1、当倾角传感器所测对象的倾角发生变化时，水银（2）在水银柱金属壳（1）内的有效长度将发生改变，水银（2）对传压活塞（7）的压力将相应改变，传压活塞（7）通过传力杆（8）把水银的压力传递给等强度悬臂梁（10）自由端，带动粘贴在等强度悬臂梁（10）上下两壁的光纤Bragg光栅（9）拉伸和压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在等强度悬臂梁（10）上下两壁的光纤Bragg光栅（9）的中心波长差值 ；
Step2、根据粘贴在等强度悬臂梁（10）上下两壁的光纤Bragg光栅（9）的中心波长差值与传感器倾角的关系式计算出传感器被测对象的倾角变化；式中：为水银的密度，g为重力系数，L为水银（2）在水银柱金属壳（1）内的长度，S为传压活塞（7）和水银（2）接触面的面积，l为等强度悬臂梁（10）的工作长度，为光纤Bragg光栅（9）的应变敏感系数，为光纤Bragg光栅（9）的初始中心波长，B为等强度悬臂梁（10）固定端的宽度，h为等强度悬臂梁（10）的厚度，E为等强度悬臂梁（10）的弹性模量。
4.根据权利要求3所述的活塞式水银光纤Bragg光栅倾角传感器的使用方法，其特征在于：所述水银（2）在水银柱金属壳（1）内的长度变化范围为10厘米到50厘米。
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