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文檔簡介

第3章力傳感器

3.1彈性敏感元器件

3.2電阻應變片傳感器

3.3壓電傳感器

3.4電容式傳感器

3.5電感式傳感器

3.6加速度傳感器

3.7力傳感器應用實例

3.8實訓3.1彈性敏感元器件

力是物理基本量之一,因此各種動態(tài)、靜態(tài)力的大小的測量十分重要。

力的測量需要通過力傳感器間接完成,力傳感器是將各種力學量轉(zhuǎn)換為電信號的器件。力敏感元件轉(zhuǎn)換元件顯示設備F圖3-1力傳感器的測量示意圖彈性敏感元件把力或壓力轉(zhuǎn)換成了應變或位移,然后再由傳感器將應變或位移轉(zhuǎn)換成電信號。彈性敏感元件是一個非常重要的傳感器部件,應具有:良好的彈性、足夠的精度,長期使用和溫度變化時的穩(wěn)定性。3.1.1彈性敏感元件的特性1.剛度剛度是彈性元件在外力作用下變形大小的量度。

2.靈敏度靈敏度是指彈性敏感元件在單位力作用下產(chǎn)生變形的大小。它是剛度的倒數(shù)。

3.彈性滯后實際的彈性元件在加載/卸載的正反行程中變形曲線是不重合的,這種現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象,它會給測量帶來誤差。4.彈性后效

當載荷從某一數(shù)值變化到另一數(shù)值時,彈性元件變形不是立即完成相應的變形,而是經(jīng)一定的時間間隔逐漸完成變形,這種現(xiàn)象稱為彈性后效。5.固有振蕩頻率彈性敏感元件都有自己的固有振蕩頻率f0,它將影響傳感器的動態(tài)特性。傳感器的工作頻率應避開彈性敏感元件的固有振蕩頻率。往往希望f0較高。3.1.2彈性敏感元件的分類彈性敏感元件在形式上可分為兩大類:變換力的彈性敏感元件。變換壓力的彈性敏感元件。1.變換力的彈性敏感元件如圖3-2所示。有:(1)等截面圓柱式(2)圓環(huán)式(3)等截面薄板式(4)懸臂梁式(5)扭轉(zhuǎn)軸圖3-2一些變換力的彈性敏感元件形狀2.變換壓力的彈性敏感元件(1)彈簧管圖3-3彈簧管的結構(2)波紋管波紋管是有許多同心環(huán)狀皺紋的薄壁圓管。圖3-4波紋管的外形(3)波紋膜片和膜盒平膜片在壓力或力作用下位移量小,因而常把平膜片加工制成具有環(huán)狀同心波紋的圓形薄膜。

圖3-5波紋膜片波紋的形狀

(4)薄壁圓筒圓筒的壁厚一般小于圓筒直徑的二十分之一。薄壁圓筒彈性敏感元件的靈敏度取決于圓筒的半徑和壁厚,與圓筒長度無關。圖3-6薄壁圓筒彈性敏感元件的結構3.2電阻應變片傳感器電阻應變片(簡稱應變片)的作用是把導體的機械應變轉(zhuǎn)換成電阻應變,以便進一步電測。電阻應變片的典型結構如圖3-7所示。圖3-7金屬電阻應變片結構3.2.1電阻應變片工作原理電阻應變片式傳感器是利用了金屬和半導體材料的“應變效應”。

金屬和半導體材料的電阻值隨它承受的機械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱為“應變效應”。圖3-8金屬電阻絲應變效應

設電阻絲長度為L,截面積為S,電阻率為ρ,則電阻值為

當電阻絲受到拉力F時,一是受力后材料幾何尺寸L、S變化;二是受力后材料的電阻率ρ也發(fā)生了變化,則其阻值發(fā)生變化。3.2.2電阻應變片的分類

電阻應變片主要分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩類。

金屬電阻應變片分體型和薄膜型。屬于體型的有電阻絲柵應變片、箔式應變片、應變花等。

半導體應變片是用鍺或硅等半導體材料作為敏感柵。a—絲繞式(u型);b—短接式(H型);c—箔式;d—半導體應變式圖3-9應變片的類型

在平面力場中,為測量某一點上主應力的大小和方向,常需測量該點上兩個或三個方向的應變。

為此需要把兩個或三個應變片逐個粘結成應變花,或直接通過光刻技術制成。

應變花分互成45°的直角形應變花和互成60°的等角形應變花兩種基本形式。a—絲式應變花;b—箔式應變花圖3-10應變花的基本形式

3.2.3電阻應變片的測量電路

彈性元件表面的應變傳遞給電阻應變片敏感絲柵,使其電阻變化。測量出電阻變化,便可知應變(被測量)大小。

圖3-11(a)、(b)為半橋測量電路

圖(a)中,無應變時,R1=R2=R3=R4=R,則橋路輸出電壓為a-半橋式(單臂工作);b-半橋式(雙臂工作);c-全橋式(雙臂工作);d-全橋式(四臂工作)

圖3-11基本測量電路

有應變時,代入

由可得

在圖(b)中,R1、R2均為相同應變測量片,又互為補償片。

有應變時,一片受拉,另

一片受壓,此時阻值為R1+ΔR1和R2-ΔR2,按上述同樣的方法,可以計算輸出電壓為

在圖(c)中,R1、R3為相同應變測量片,有應變時,兩片同時受拉或同時受壓。R2、R4為補償片??梢杂嬎爿敵鲭妷簽?/p>

圖(d)是四個橋臂均為測量片的電路,且互為補償,有應變時,必須使相鄰兩個橋臂上的應變片一個受拉,另一個受壓。可以計算輸出電壓為

3.3壓電傳感器某些晶體,受一定方向外力作用而發(fā)生機械變形時,相應地在一定的晶體表面產(chǎn)生符號相反的電荷,外力去掉后,電荷消失;

力的方向改變時,電荷的符號也隨之改變。

這種現(xiàn)象稱為壓電效應或正壓電效應。

當晶體帶電或處于電場中時,晶體的體積將產(chǎn)生伸長或縮短的變化。

這種現(xiàn)象稱為電致伸縮效應或逆壓電效應。

3.3.1石英晶體的壓電效應

石英晶體成正六邊形棱柱體。a—石英晶體結構;b、c、d、e—壓電效應示意圖

圖3-12石英晶體結構及壓電效應

晶體沿軸線切下的薄片稱“晶體切片”。

圖3-13所示是垂直于電軸X切割的石英片,在與X軸垂直的兩面覆以金屬。

沿X方向施加作用力Fx時,在與電軸垂直的表面上產(chǎn)生電荷Qxx為

在覆以金屬極面間產(chǎn)生的電壓為

圖3-13垂直于電軸X切割的石英晶體切片

如果在同一切片上,沿機械軸Y方向施加作用力Fy時,則在與X軸垂直的平面上產(chǎn)生電荷為

d12為石英晶體的橫向壓電系數(shù)。由石英晶體的軸對稱條件得d12=-d11,所以

產(chǎn)生電壓為

3.3.2壓電陶瓷的壓電效應

壓電陶瓷具有鐵磁材料磁疇結構類似的電疇結構。

當壓電陶瓷極化處理后,陶瓷材料內(nèi)部存有很強的剩余場極化。

當陶瓷材料受到外力作用時,電疇的界限發(fā)生移動,引起極化強度變化,產(chǎn)生了壓電效應。

具有非常高的壓電系數(shù),約為石英晶體的幾百倍,但機械強度較石英晶體差。a—Z向施力;b—X向施力

圖3-14壓電陶瓷的壓電效應

當壓電陶瓷在極化面上受到沿極化方向(Z向)的作用力Fz時(作用力垂直于極化面)。則在兩個鍍銀(或金)的極化面上分別出現(xiàn)正負電荷,電荷量Qzz與力Fz成比例,即:

dzz為壓電陶瓷的縱向壓電系數(shù)。輸出電壓為

當沿X軸方向施加作用力Fx時,在鍍銀極化面上產(chǎn)生電荷Qzx為

同理

dz1、dz2是壓電陶瓷在橫向力作用時的壓電系數(shù),且均為負值;電荷除以壓電陶瓷片電容Cz可得電壓輸出。

3.3.3壓電元器件的串聯(lián)和并聯(lián)

(a)并聯(lián)(b)串聯(lián)圖3-15壓電元器件的串聯(lián)與并聯(lián)

3.3.4壓電測力傳感器結構

通常為荷重墊圈式。圖3-16所示為YDS-781型壓電式單向傳感器結構,它由

底座、傳力上蓋、片式電極、石英晶片、絕緣件及電極引出插座等組成。

當外力作用時,

上蓋將力傳遞到石英晶片,石英晶片實現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。

電信號由電極傳送到插座后輸出。1-傳力上蓋;2-壓電片;3-片式電極;4-電極引出插頭;5-絕緣材料;6-底座圖3-16YDS-781型壓電式單向力傳感器結構3.3.5單片集成硅壓力傳感器

采用單晶硅晶體制成,英文縮寫為ISP(integratedsiliconpressure)。

其內(nèi)部除傳感器單元外,還有信號放大、溫度補償和壓力修正電路。

美國Motorola公司生產(chǎn)的單片集成硅壓力傳感器,有MPX2100、MPX4100A、MPX5100和MPX5700等型號。圖3-17MPX4100A封裝形式MPX4100A測量壓力范圍為15~115kPa,溫度補償范圍為-40~+125℃。MPX4100A有多種封裝形式。6個引腳從左到右依次為輸出端(UO)、公共地(GND)、電源(US),其余為空腳。

內(nèi)部電路由3個部分組成,如圖3-18所示。圖3-18MPX4100A電路組成單晶硅壓電傳感器單元如圖3-19所示。

當它受到垂直方向上的壓力p時,該壓力進入熱塑殼體,作用于單晶硅壓電傳感器管芯,與密封真空室的參考壓力相比較,使輸出電壓大小與壓力p成正比,為UO=US(0.01059p-0.01518±αpγ)

經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后,可由微處理器計算出被測壓力值。圖3-19MPX4100A型集成硅壓力傳感器結構

3.4電容式傳感器

當S、d或ε改變,則電容量c也隨之改變。

若保持其中兩個參數(shù)不變,通過被測量的變化改變其中一個參數(shù),就可以把被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化。

電容式傳感器結構簡單,可用于力、壓力、壓差、振動、位移、加速度、液位、粒位、成分含量等測量。平行板電容器如圖3-20所示,電容量為

圖3-20平行板電容器圖

3.4.1變極距式電容傳感器

平行板電容器的ε和S不變,只改變電容器兩極板間距離d,為變極距型電容傳感器,常用于壓力的測量。圖3-21變極距式傳感元件原理圖

初始狀極距為d0時,電容器容量C0為:

電容器受外力作用,極距減小Δd,則電容器容量改變?yōu)?/p>

電容值相對變化量為此時C1與Δd的關系呈線性關系。

實際應用中大都采用差動式結構。

如圖3-22所示,中間電極若受力向上位移Δd,則C1容量增加,C2容量減小,兩電容差值為

電容傳感器做成差動式之后,靈敏度提高一倍。得到:圖3-22差動式電容傳感元件

為消除極板的邊緣效應的影響,可采用保護環(huán)。保護環(huán)與極板具有同一電位,把電極板間的邊緣效應移到了保護環(huán)與極板2的邊緣,極板1與極板2之間的場強分布變得均勻了。

圖3-23加保護環(huán)消除極板邊沿電場的不均勻性

3.4.2變面積式電容傳感器

如圖3-24所示。

圖(a)所示平板形位移x后,電容量由初始值變?yōu)殡娙萘孔兓?/p>

靈敏度為

a—平板形電容;b—旋轉(zhuǎn)形電容;c—圓柱形電容圖3-24變面積式電容結構原理圖

圖(b)所示為角位移傳感器,設兩片極板全重合(θ=0)時的電容量為C0,動片轉(zhuǎn)動角度θ后,電容量變?yōu)殡娙萘孔兓?/p>

靈敏度為

圖(c)為圓柱形電容式位移傳感器,設內(nèi)外電極長度為L,起始電容量為C0,動極向上位移y后,電容量變?yōu)?/p>

電容量變化:

靈敏度為

a—平板形差動電容;b—旋轉(zhuǎn)形差動電容;c—圓柱形差動電容圖3-25變面積差動電容結構原理圖

圖3-25所示是變面積式差動電容結構,傳感器輸出和靈敏度均提高一倍。3.4.3變介電常數(shù)式電容傳感器

如圖3-26所示。介質(zhì)沒進入電容器時(x=0),電容量為

介質(zhì)進入電容x后,電容量為

整理可得:

圖3-26變介質(zhì)位移式傳感電容結構原理圖

3.5電感式傳感器電感傳感器利用電磁感應將被測非電量(如壓力、位移等)轉(zhuǎn)換成電感量的變化輸出。

常用的有自感式和互感式兩類。

電感式壓力傳感器大都采用變隙式電感做為檢測元件,它和彈性敏感元件組合在一起構成電感式壓力傳感器。3.5.1自感式傳感器

圖3-27所示為閉磁路式自感傳感器。1-線圈;2-鐵芯(定鐵芯);3-銜鐵(動鐵芯)圖3-27閉磁路式自感傳感器原理結構圖

電感量L為:

當銜鐵受外力作用使氣隙厚度減小,則線圈電感變化為:

電感的相對變化為:氣隙變化量Δδ越小,非線性失真越小;氣隙δo越小,靈敏度越高。常用差動變隙式。1-線圈;2-鐵芯;3-銜鐵;4-導桿圖3-28差動變隙式電感傳感器圖3-29所示為交流電橋測量電路

把傳感器的兩個線圈作為電橋的兩個橋臂Z1和Z2,另外二個相鄰的橋臂用純電阻代替。

對于高Q值(Q=ωL/R)的差動式電感傳感器,其輸出電壓;

圖3-29交流電橋測量電路

3.5.2互感式傳感器

互感傳感器有初級線圈和次級線圈。初級接入激勵電源后,次級將因互感而產(chǎn)生電壓輸出。

當線圈間互感隨被測量變化時,輸出電壓將產(chǎn)生相應的變化。次級線圈一般有兩個,接線方式又是差動的,故又稱為差動變壓器。

差動變壓器結構形式較多,有變隙式、變面積式和螺線管式等。1.工作原理

非電量測量中,應用最多的是螺線管式差動變壓器。

如圖3-30所示,由初級線圈、兩個次級線圈和插入線圈中央的圓柱形鐵芯等組成。

可以測量1~100mm范圍內(nèi)的機械位移,具有:

測量精度高,靈敏度高,結構簡單,性能可靠等優(yōu)點。1-活動銜鐵;2-導磁外殼;3-骨架;4-匝數(shù)為n1的初級繞組;5-匝數(shù)為n2a的次級繞組;6-匝數(shù)為n2b的次級繞組圖3-30螺線管式差動變壓器結構

螺線管式差動變壓器按線圈繞組排列方式的不同,可分為一節(jié)、二節(jié)、三節(jié)、四節(jié)和五節(jié)式等類型。(a)一節(jié)式;(b)二節(jié)式;(c)三節(jié)式;(d)四節(jié)式;(e)五節(jié)式圖3-31線圈排列方式

差動變壓器即傳感器中兩個次級線圈反向串聯(lián)。圖3-32差動變壓器等效電路2.差動變壓器輸出電壓

二次側(cè)開路時有:

二次連通后分三種情況:①活動銜鐵處于中間位置時,M1=M2=M,故:=0②活動銜鐵向上移動,M1=M+ΔMM2=M-ΔM

,故:,

與同極性③活動銜鐵向下移動,M1=M-ΔMM2=M+ΔM故:,

與同極性。3.6加速度傳感器3.6.1加速度傳感器組成

加速度傳感器可應用于環(huán)境監(jiān)視、工程測振、地質(zhì)勘探等儀器儀表中,也可以用于物體移動和傾倒的報警和保護。

加速度傳感器有多種型式,用電容傳感器做成的加速度傳感器結構如圖3-33所示。圖3-33加速度傳感器物理結構組成a)結構組成b)等效電路

加速度傳感器有兩個測力單元(也叫重力傳感器)。

測力單元為差動式結構的變極距電容傳感器。

上下兩塊極板a、b為固定極板,與加速度傳感器殼體固定成一體。中間極板c是活動的,與活動框連成一體,經(jīng)彈簧錨定在殼體上。

加速度傳感器殼體可以水平方向固定在被測設備上,測被測設備的水平方向加速度;

也可以豎直方向固定在被測設備上,測被測設備的豎直方向加速度(重力加速度以外)或靜止時受到地球引力(重力)。

圖3-33(b)為加速度傳感器殼體豎直方向固定在被測設備上時,一個測力單元的等效電路。

被測設備豎直方向加速度(重力加速度以外)或靜止時受到地球引力(重力),會使活動框連帶中間極板上下移動。

向下移動時,C2電容量增大,C1減??;向上移動時,C1電容量增大,C2減小。C1、C2與外接電阻R1、R2組成電橋測量電路,如圖3-34所示,可測出加速度(重力加速度以外)或靜止時地球引力。圖3-34差動式電容傳感器電橋電路

加速度傳感器有單軸和雙軸兩種。

單軸加速度傳感器的兩個測力單元是同方向的,兩個測力單元電容變化相疊加,可增加輸出信號強度。

雙軸加速度傳感器的兩個測力單元分別為X和Y方向,兩個測力單元電容變化量相減,不僅可以測出加速度或靜止時地球引力的大小,還可以測出方向。3.6.2ADXL320雙軸加速度傳感器

為美國ANALOGDEVICES公司生產(chǎn),超小型±5g雙軸加速度傳感器,體積為4mm×4mm×1.45mm。

它可以檢測到X、Y軸兩個方向的加速度或靜止時的地球引力(重力)。

引腳功能如表3-1所示。1NC空腳9NC空腳2STSelf-test10YOUTY軸電壓輸出3COM接地11N.C.空腳4NC空腳12XOUTX軸電壓輸出5COM接地13NC空腳6COM接地14VS電源7COM接地15VS電源8NC空腳16NC空腳表3-1雙軸加速度傳感器ADXL320引腳功能ADXL320集成電路平面處水平方向時,XOUT=1.500V,YOUT=1.500V。

集成電路平面處垂直方向作360°內(nèi)旋轉(zhuǎn)時,受地球引力(重力)作用,XOUT和YOUT輸出電壓

在1.326V~1.674V之間變化。

電壓值如圖3-35所示。圖3-35ADXL320受地球引力作用端口輸出電壓3.6.3物體移動和傾倒報警電路圖3-36用ADXL320設計的物體移動報警電路ADXL320按圖中所示方向放置時,XOUT=1.500V,YOUT=1.674V,分別接電壓比較器A1、A2。Va、Vb電壓可設為1.550V和1.650V。

物體移動和傾倒時,XOUT和YOUT端口輸出電壓變化。

一旦高于Va或低于Vb時,A1、A2就會輸出高電平,經(jīng)VD1、VD2隔離,A3放大后,輸出高電平啟動報警器報警。3.6.4MMA1220D單軸加速度傳感器

為Motorola公司生產(chǎn)的單軸加速度傳感器,由一個測力單元(重力傳感器)和放大器、濾波器組成,16腳SOIC(減小空間的表面貼片)封裝。

加速度靈敏度為250mV/g,響應時間2ms,最大工作加速度為11g,最高工作頻率為200Hz。

電路連接如圖3-37所示。

圖3-37MMA1220D加速度傳感器電路連接MMA1220D在靜止狀態(tài)下,向左或向右放置,重力加速度都為0g,輸出為2.5V;

向上放置,受到1g重力加速度,輸出為2.75V;

向下放置,受到-1g重力加速度,輸出為2.25V。

如圖3-38所示。圖3-38MMA1220D靜止狀態(tài)放置輸出電壓3.6.5手機跌落關機保護MMA1220D加速度傳感器可以用于手機跌落關機保護。

在手機發(fā)生跌落時,加速度傳感器處于自由落體狀態(tài)(失重),上下左右4個方向都沒有重力作用,輸出電壓為2.5V。

該輸出電壓送入比較器,與2.5V電壓相減,為0時,產(chǎn)生觸發(fā)信號送入微處理器,進入關機程序,及時關機,以保護手機軟硬件不受損壞。3.7力傳感器應用實例3.7.1煤氣灶電子點火器如圖3-39所示,讓高壓跳火來點燃氣。

當使用者將開關往里壓時,把氣閥打開;

將開關旋轉(zhuǎn),則使彈簧往左壓,此時,彈簧有一個很大的力撞擊壓電晶體。

產(chǎn)生高壓放電,導致燃燒盤點火。圖3-39煤氣灶電子點火裝置

3.7.2壓電式玻璃破碎報警器

BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器的外形及內(nèi)部電路如圖3-40所示。

傳感器把振動波轉(zhuǎn)換成電壓輸出,輸出電壓經(jīng)放大、濾波、比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。

傳感器的最小輸出電壓為100mV,內(nèi)阻抗為15~20KΩ。

報警器的電路框圖如圖3-41所示。圖3-40BS-D2壓電式玻璃破碎傳感器

(a)外形;(b)內(nèi)部電路圖3-41壓電式玻璃破碎報警器電路框圖3.7.3帶溫度補償?shù)膲毫﹄娮娱_關

用壓力傳感器MPX2100P和NTC熱敏電阻構成的帶溫度補償?shù)膲毫﹄娮娱_關如圖3-42所示。

壓力傳感器MPX2100P將壓力轉(zhuǎn)換成電信號,經(jīng)A1、A2兩級放大,輸出信號送比較器A3反相輸入端。

由NTC熱敏電阻降壓后的參考電壓加到比較器A3同相輸入端。圖3-42帶溫度補償?shù)膲毫﹄娮娱_關

當壓力傳感電壓大于參考電壓時,A3輸出低電平,觸發(fā)執(zhí)行器電路工作。

當溫度降低時,壓力傳感電壓減小。

由于溫度降低NTC熱敏電阻值增大,降壓增大,參考電壓降低,保持A3輸出低電平,起了溫度補償?shù)淖饔谩?.7.4電阻應變片稱重傳感器

如圖3-43所示,主要由彈性元件、電阻應變片、測量電路和傳輸電纜部分組成。

電阻應變片貼在彈性元件上,彈性元件受力變形時,電阻應變片隨之變形,并導致電阻值改變。

測量電路測出電阻值的變化并轉(zhuǎn)換為電信號輸出。圖3-43電阻應變片稱重傳感器結構

校準電阻器用來調(diào)整輸出電信號的大小。

電信號經(jīng)處理后以數(shù)字形式顯示出被測物體的重量。

電阻應變片稱重傳感器有柱形、箱形、懸臂梁形、剪切梁形、圓環(huán)形和輪幅形等多種類型。3.7.5指套式電子血壓計

指套式電子血壓計是利用放在指套上的壓力傳感器,把手指的血壓變?yōu)殡娦盘?,由電子檢測電路處理后,直接顯示出血壓值的一種微型測量血壓裝置。

圖3-44是指套式血壓計的外形圖,它由指套、電子電路及壓力源三部分組成。圖3-44指套式電子血壓計外形圖

指套的外圈為硬性指環(huán),中間為柔性氣囊。它直接和壓力源相連。

旋動調(diào)節(jié)閥門時,柔性氣囊便會被充入氣體,使產(chǎn)生的壓力作用到手指的動脈上。

電子血壓計電路框圖如圖3-45所示。

手臂式電子血壓計原理與指套式類似。圖3-45指套式電子血壓計電路框圖

時鐘放大器壓電傳感器門控觸發(fā)移位寄存器幅值比較器移位寄存器幅值比較器A/D轉(zhuǎn)換器譯碼驅(qū)動顯示器顯示器譯碼驅(qū)動S3.7.6CL-YZ-320型力敏傳感器

以金屬棒為彈性梁的測力傳感器。

在彈性梁的圓柱面上沿軸向均勻粘貼4只半導體應變片,兩個對臂分別組成半橋,兩個半橋分別用于每個軸向的分力測量。

當外力作用于彈性梁的承載部位時,彈性梁將產(chǎn)生一個應變值,通過半導體應變片將此應變值轉(zhuǎn)換成相應的電阻變化量,傳感器隨之輸出相應的電信號。圖3-46力敏傳感器外形圖3-47力敏傳感器結構

3.7.7手機和平板電腦的橫豎顯示轉(zhuǎn)換ADXL320雙軸加速度傳感器可用于手機和平板電腦的屏幕橫豎顯示方向自動轉(zhuǎn)換。

稱為手機或平板電腦的G-Se

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