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基于單片機的肥箱料位檢測裝置設計與試驗研究

添加時間:2021/11/09 來源:未知 作者:樂楓
本文以肥箱料位高度為 研究基礎,開發設計一款性能可靠的基于單片機的肥箱料位檢測裝置,替代人工對肥箱中 肥料余量情況進行實時獲取、分析,減少了人力、物力投入,使施肥機信息化水平得以提 升。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  施肥作業的有效完成是保證作物豐產、足產的重要條件之一,作物的產量與化肥的合 理施用息息相關,一旦出現化肥漏施、少施的現象勢必會造成作物的減產,因此在施肥作 業過程中實現對肥箱料位的在線檢測和化肥的及時補充至關重要。本文以肥箱料位高度為 研究基礎,開發設計一款性能可靠的基于單片機的肥箱料位檢測裝置,替代人工對肥箱中 肥料余量情況進行實時獲取、分析,減少了人力、物力投入,使施肥機信息化水平得以提 升。本論文主要研究內容如下:

  首先通過閱讀料位檢測裝置結構設計相關資料,再結合我國目前施肥作業過程中常見 的顆;侍攸c,確定了一種平行相鄰雙極板直插式的機械結構;該檢測裝置采用電容法 檢測原理,難點是由于檢測裝置電容極板采集到的電容信號很小、很微弱,為 pF 級別, 故對于微小電容的檢測本裝置采用電容/頻率轉換集成電路,將外界不可視的電容模擬量轉 換成可視的頻率數字信號,且精度很高。

  通過分析肥箱料位檢測裝置所需硬件系統完成硬件電路模型搭建,主要包括電容測量 采集模塊、C/F 轉換模塊、顯示模塊以及串口通信模塊,并利用 Altium Designer 軟件繪制 硬件電路原理圖,再通過計算機語言編程完成系統軟件程序設計,主要包括電容數據處理 程序、數碼管顯示程序、串口通信程序以及主程序,然后利用 Keil uVision4 軟件進行編譯, 并結合 Proteus ISIS 進行軟硬件的聯合仿真調試,最后通過 CAN 總線通信協議與上位機相 連。利用搭建的室內臺架測試平臺驗證自制的檢測裝置能夠對肥箱料位進行實時在線檢測 與測量值的顯示,并將采集到的試驗數據運用最小二乘法進行線性擬合得到檢測裝置的靈 敏度為 0.1931pF/mm,線性度為±3.09%;通過尖山農場田間作業試驗證明基于單片機的肥 箱料位檢測裝置能夠適應田間復雜環境,對肥箱料位進行在線測量;開展溫度因素對檢測 裝置的影響試驗,增加溫度傳感器的使用,對田間作業溫度進行補償校正。 基于單片機的肥箱料位檢測裝置性能良好,能夠滿足一般農業生產過程中施肥作業對 于料位檢測的要求,為研制施肥機智能化控制系統奠定了基礎。

  關鍵詞:顆;;料位檢測;電容測量;單片機;施肥作業

Abstract

  Effective completion of fertilization operations is one of the important conditions to ensure the crops yield well and adequately .The yield of crops is greatly related to the reasonable use of chemical fertilizer, Once the condition of fertilizer-leakage and less-application happen, it will be bound to lead to crop reduction, So in the fertilization process, it is hard important to realize the on-line detection of the level of fertilizer box and the supplement of fertilizer in season. In this paper, we develop and design a rational detection device of the material level in the fertilizer box by MCU based on the research of the height of the material level in the fertilizer box, which instead of manual, real-time acquisition and analysis of the fertilizer surplus in the fertilizer box, and reduce the injection of human and material resources, and improve the informatization level of fertilizer applicator meanwhile. As follows are the main research contents of this paper:

  In the first place, we read some information related to the structural design of the detection device, and then combined with the characteristics of granular fertilizer in the fertilization process in China recently, we determined a kind of mechanical structure of parallel and adjacent bipolar plates; The device adopts the principle of capacitance detection method, the capacitance signal collected by the capacitance plate of the detection device is so small and weak that is at the PF level is one of the difficulties. Therefore, the device uses the capacitance / frequency conversion integrated circuit for the detection of small capacitance, which converts the external invisible capacitance analog quantity into the visible frequency digital signal, and the accuracy is very high.

  The hardware circuit design is completed by analyzing the hardware system needed for the level-detection device of the fertilizer tank, which mainly consists of capacitance measurement and acquisition module, C/F conversion module, display module and serial communication module, and use Altium Designer software to draw the hardware circuit schematic diagram, and then the system software programming is completed by computer language programming, which mainly includes capacitance data processing program, nixie tube display program, serial port communication program and main program, then compile it with keil uvisin4 software, and conducted joint simulation debugging of software and hardware in combination with Proteus ISIS, and the last, CAN-bus communication protocol is used to connect with upper-computer .

  Using the indoor-constructing test platform to verify that the self-made detection device can carry out real-time online detection and display the measured value of the fertilizer tank material level, and use the least square method to carry out linear fitting of the collected experimental data to calculate the sensitivity of the device is 0.1931pF/mm, and the linearity is ± 3.09%; We can prove that the equipment based on MCU can adapt to the complex field environment by the field experiment of JianShan-farm. And do an on-line measurement of the material level of the fertilizer box; At last, we tested the influence of temperature factors on the detection device, and increased the use of temperature sensor, compensated and corrected the field operation temperature.

  The equipment for detecting fertilizer bin material level based on MCU has good performance, and it can meet the requirements for material level detection in the process of general agricultural production, which lays a foundation for the development of intelligent control system of fertilizer applicator.

  Key words:Granular-shaped fertilizer; Material level detection; Capacitance measurement; Microcontroller; Fertilization operation

  目 錄

  1 緒論

  1.1 研究背景

  中國作為人口眾多的國家,糧食生產一直是有關民生的重要問題。中國必須用世界約 7%的耕地養活世界近 30%的人口[1].解決糧食安全問題的基本策略是利用有限的土地增加 糧食產量以確保自給自足。肥料是科學技術發展的產物,已成為現代社會中非常重要的農 業物資。無論在發達國家還是發展中國家,都普遍使用化肥來增加糧食產量并滿足迅速增 長的社會需求,以應對人口快速增長的問題。相關試驗數據證明,每合理地使用 1 公斤肥 料,可使谷物產量增加 5 到 10 公斤[2-3].在中國,由于對土地的過度開發以及農民對糧食 生產和經濟收入的盲目追求,過度使用肥料的問題變得非常嚴重。我國耕地基礎薄弱,主 要靠肥料提供作物生長所需營養,同時一些高產作物和反季節作物的生產更需要施用大量 肥料,以及部分農民不能合理科學的有效施肥,盲目地施用大量肥料以求產量增加,這些 都是導致我國化肥施用量較高的主要原因。統計數據表明,從 1978 年至 2017 年,我國農 用化肥施用量從 884 萬噸增長到 5859 萬噸,平均氮肥施用量 200-300Kg/hm2,其中玉米氮 肥、磷肥和鉀肥的當季利用率分別為 30%-35%,10%-25%,35%-50%低于國外氮肥、磷肥 和鉀肥的利用率 50%-60%,10%-30%,20%-60%[4-5].由此可見,在確保農作物質量和產 量的前提下,政府和科學家面臨的主要問題是如何提高肥料的使用率,減少肥料的使用量 以及減少肥料對環境的破壞。

  為了實現現代農業可持續發展目標,提高肥料利用率,降低農業生產過程投入成本, 減少環境污染現象,發展精準農業已成為主要趨勢[6-7].精準變量施肥作為精準農業中最重 要的技術環節,不僅是高產的基礎,也有效避免了化肥過度使用或使用不足的情況發生, 并且通過更好地平衡土壤的養分含量,達到植物生長的目的。發展精準農業不僅能更好地 保護資源,增加肥料利用率,減少相關成本投入,更重要的是它極大地促進了農業的可持 續性發展,對農業進步具有重要意義[8-10].因此,中國高度重視精準農業的發展,且將其 提升為國家發展戰略,在 863 計劃中科技部以"精準農業技術和智能裝備"重大專項予以 支持,并在 2006-2020 年制定"國家中長期科學和技術發展規劃綱要"時,把精準農業的 建設與發展作為發展農業的重要目標[11]. 在我國目前施肥作業過程中,一般以顆;瘦^為常見,因此實現對肥箱料位的實時 在線檢測不僅對于指導安全生產,提高農業生產效率具有十分重要的現實意義,還為研制 施肥機智能化控制系統奠定了基礎。

  1.2 研究目的和意義

  1.2.1 研究目的

  玉米因其高產量和穩定的市場營業額而成為中國的主要農作物之一[12].施肥作業是玉 米生長過程中不可或缺的一部分[13].施肥的目的是當土壤中沒有作物生長所需的足夠養分 時,人為地增加土壤中作物生長所需的養分含量,確保玉米高產穩產[14-15]. 通過九三管理局尖山農場實地調研發現,當玉米施肥機械在田間進行作業時,需要人 工對肥箱內肥料余量情況進行監測(如圖 1-1 所示)。

  因田間作業環境的惡劣性,且施肥 過程中無任何對監測人員的保護措施,導致此種檢測方式不僅存在人員雇傭費較高問題, 還存在較大的潛在安全隱患。為了保障隨機作業人員人身安全,減少農業成本投入,并且 能在保證作物產量的前提下,同時提高農業機械信息化程度,就需要研究一款電子檢測裝 置替代人工對肥箱料位進行在線測量。

  本文研究基于單片機的肥箱料位檢測裝置的目的: (1)該裝置能夠實時在線的對玉米施肥作業過程中的肥箱料位進行檢測,降低傳統施 肥作業過程中操作人員受肉眼主觀因素的影響,保證肥料的均勻撒播。 (2)為了更好的指導安全生產和更加精準的檢測肥箱中肥料余量情況,提高肥料利用 率,穩定作物產量。 (3)化肥排空情況發生時,產生報警提示,提醒駕駛員及時進行肥料的添加,避免造 成農作物減產和農機具設備空轉等其他不必要的經濟損失[16]. (4)減少人員雇傭費及其他施肥作業成本,減輕施肥作業勞動強度,提高施肥機信息 化水平。

  1.2.2 研究意義

  為了加速我國完成農業機械現代化,需要不斷改進和發展農業機械,從而得以有效地 確保國家糧食安全,大大提高農業供應系統的質量和效率,并進一步提高農業生產國際競 爭力[17].隨著我國不斷推動農業現代化與信息化的同步發展,農機裝備的進一步完善不僅 有利于開創我國農業機械新型工業化,對于提高我國農業機械自動化水平也具有重要指導 意義[18-19]. 農場現有的肥箱料位檢測方法大多采用人工對肥箱料位進行檢測,該種檢測方法存在 受田間作業環境影響大和操作者主觀意識影響的問題,導致檢測結果不精準,且具有一定 安全隱患。

  但目前能夠實現肥箱料位在線測量的檢測裝置,國內外均不多見,在現有的料 位檢測裝置中,國內制造的誤差較大,不足以達到作業要求精度,或者只能測量少量的肥 料容量而不能滿足農業生產要求;國外的料位檢測裝置因其生產成本投入大,所以價格高 昂,國內若想大批量引進必然耗費財力。因此,為了更好的指導安全生產和更加精準的檢 測肥箱中肥料余量情況,提高肥料利用率,就對肥箱料位實時在線檢測裝置的研究非常必 要。

 。1)基于單片機的電子檢測技術已在農業領域得到廣泛運用,將電子檢測技術與農業 機械緊密結合,有利于及時發現和處理農業機械使用中的潛在問題,提高農業機械信息化 水平,減少能源消耗,節省人力、物力等資源的投入[20-21

 。2)施肥作業的有效完成是保證作物穩產的必要保障,若發生肥料漏施、少施的情況, 則勢必會對作物的生長有所影響,肥箱中肥料的有效撒播直接決定著施肥作業的效果與效 率,因此實現對肥箱料位的實時在線檢測以及對化肥的及時補充至關重要。

 。3)施肥作業過程中,除駕駛人員之外,還配有一名人員在肥箱處,用于對肥箱內化 肥料位的檢測,但人工檢測存在安全風險較大,研制該肥箱料位檢測裝置可以替代肥箱處 作業人員,將其從沒有安全保護措施的田間勞動生產中解放出來,杜絕潛在的安全隱患。

 。4)拖拉機后掛施肥機上站立一名人員,對肥箱中肥料余量情況以及施肥作業效果進 行肉眼測量,這是最常用的一種方法,但易受人體主觀因素及過往經驗影響,檢測結果不 精準。(5)單片機技術的加入,能大大改善檢測裝置因長時間使用而產生的測量線性誤差 [22],從而顯著提高檢測裝置精度與穩定性,使其得以更加精準高效地進行肥箱料位實時在 線測量的工作。

  1.3 國內外研究現

  通過資料搜集和實地考察可知,目前國外集檢測、傳輸、記錄為一體的電子裝置相關 研究和使用推廣情況較為普遍,各領域基本實現普及;而國內盡管相對于國外實時監控技 術的研究起步較晚,但在農業機械領域,隨著我國的大力發展以及購買農業機械的補貼增 加和農業種植作物的多樣性增加,采用實時在線測量技術的農用檢測裝置也在迅速發展, 但針對玉米施肥作業過程中的肥箱料位檢測技術仍處于空白狀態。

  1.3.1 國外研究現狀

  因國外作業情況與我國作業情況存在巨大差異,用于施肥的農業機械有所不同,且基 于電容法的檢測原理經常用于國外的工業、農業、醫學等其他檢測中:如物料的檢測,利 用被測物料介電常數不同于空氣的特性;如加速度的檢測,根據振蕩器產生信號不同。 2005 年韓國慶北國立大學機械工程研究生院 J.H. Lee、S.H. Yang 等人使用電容傳感器 測量小型機床中的幾何誤差,對于小型機床而言,難以安裝所需誤差檢測裝置,例如光學 器件,且由于系統尺寸限制了測量范圍,所以提出一種使用電容傳感器同時測量多個幾何 誤差的新系統,并從數學上推導測量算法,有效地以低成本評估了小型化機床的精度[23].

  2007 年德國羅斯托克大學 Merkel T 等人設計了一款能夠對流動電場進行實時監測的 平行板電容傳感器。在工作過程中,隨著電場不斷流動,傳感器上會產生一定的壓力,壓 力引起振蕩作用,從而在平行板之間進行電容/頻率信號轉換,實現在線監測電場流動功能 [24].2015 年德國烏爾姆大學 Min S.K、Yun B.J 等人設計一款多極板電容傳感器,與單極板 電容傳感器相比,這種類型的傳感器具有更穩定的絕緣性能,適用于在線監測螺旋輸送機 構中的固體流動,檢測性能良好,測量結果更加精準[25]. 2017 年美國北卡羅來納大學 W.Helbach 設計一款適用于航天飛行器的精密電容檢測裝 置,裝置利用差值法抵消本底電容的影響,在線測量飛行器內油箱油量,測量精度較高[26]. 2019 年美國某匿名學者研制一款新型的電容式壓力傳感器,改變傳統電容傳感器缺乏 對微控制技術的機載調控,實現將傳感器直接放置在發動機上,承受極端溫度和振動,使 傳感器具有承受高溫能力的同時體積實現最小化[27]. 國外對于電容法在線檢測技術檢測過程的簡化,以及檢測結果精度的高標準要求,使 其基于電容法檢測技術的概念十分火熱,在這一領域中,隨著傳統電容檢測手段不能達到 行業標準所需檢測精度,國外不斷結合現代化技術手段和最新科技開發新型電容檢測手段。

  1.3.2 國內研究現狀

  我國作為一個農業大國,盡管有關農業信息化技術的研究相對國外起步較晚,但我國 仍視農業新技術的研發為重點。在"十三五"期間,國家下發了多項有關農業產業改革政 策,并開展了相應科研項目,以加強現代化農業的發展和壯大。所以近年來,在國家的大 力支持下,國內多家研發企業有關在線檢測裝置也相繼研發成功,特別是在故障提示、聲 光報警等方面。但與國外先進水平相比,我國在線檢測技術的研發仍有待進一步提升。 2005 年哈爾濱工業大學孫立寧采用一種改良后的電容式檢測方法對物料高度進行在 線測量,但由于電容微位移過程中產生的微小誤差,導致試驗結果存在非線性關系,通過 改良電容運算放大器電路,提高測量精度[28].

  2007 年西北農林科技大學楊修波設計一種應用于精密播種機上的監控系統,在 CAN 總線技術的基礎上,通過對漏播現象的聲光報警提示和自動補償播種,提高播種機播種實 時性、可靠性和抗干擾能力[29]. 2010 年南華大學朱衛華,劉國穩等人設計一種基于微處理器的寬量程全自動電容測量 儀。通過測量電容器相應諧振電路產生的信號頻率或周期實現電容值的高精度檢測,該儀 器能夠自動測量 1pF-1000uF 范圍的電容參數。但是該技術存在明顯缺點:如果在測量過程 中切換量程,則切換處的分辨率會很差,導致較大誤差[30]. 2011 年北京大學苑嚴偉通過利用基于稱質量法和電容法的檢測技術,結合伺服電機與 霍爾傳感器設計了玉米免耕播種施肥機作業監測系統。通過傳感器采集行走速度,電機帶 動排肥軸、排種軸轉動,實現變量播種和變量施肥,最后通過串口將采集到的數據傳輸至 上位機控制軟件,記錄信息[31].

  2012 年中國農業大學周利明利用電容傳感器捕獲種子運動信息,并通過設計電容檢測 電路實現對種子流量的峰值脈沖間隔進行實時獲取,判斷漏播、重播,提高播種機作業時 對于播種量、漏播量和重播量的在線檢測精度[32]. 2013 年天津大學郝剛等人研究了一種基于單片機的液滴電容信號處理方法,在單片機 上編程完成電容信號的濾波、歸一化等軟件處理過程,并設計零相位巴特沃斯濾波器對電 容信號進行數字濾波,結合鄰域比較法與閾值檢測法完成信號的周期劃分,最后得到的電 容信號圖用于構建液滴指紋圖[33]. 2014 年南京理工大學機械工程學院鄭江濤等人研發了基于單片機的在線油質監測系 統。當潤滑油被污染或自身逐漸劣變時,其介電常數會發生相應變化,并通過電容型傳感 器的電容值變化進行反映[34].

  2016 年河北科技大學李蕊研究設計了一款適應多種介質改變,能夠達到液位精確檢測 的自適應復合多層掃描式電容傳感器。在保證傳統電容式液位傳感器各項性能基礎上,有 效去除雜散電容,并利用差分算法對液位值進行計算[35]. 2017 年哈爾濱理工大學柴大林對煤油泄露采取電容法檢測,通過電容值的變化反映電 容傳感器極板間待測介質的介電常數,按照設定的判據就可判定是否發生煤油泄露[36]. 基于目前國內技術,我國對電容檢測法的認知還不夠深刻,盡管它的優點十分顯著, 但目前我國還沒有研發出精度高,分辨率強,穩定性好的電容法檢測裝置。針對電容量程 變化量較小的物料測量,更是沒有一套成熟的系統可以實現。

  1.3.2 國內研究現狀

  1.4 主要研究內容和方法

  1.4.1 研究內容

  1.4.2 研究方法

  1.5 技術路線

  2 檢測裝置電容極板分析

  2.1 電場仿真

  2.2 極板材料選擇

  2.3 極板模型建立

  2.3.1 極板尺寸計算

  2.3.2 極板形狀分析

  2.3.3 試驗與數據分析

  2.4 極板安裝結構驗證

  2.5 本章小結

  3 檢測裝置硬件系統

  3.1 設計方案

  3.2 STC12C5A60S2 單片機

  3.3 硬件測量電路模型搭建

  3.3.1 晶振與復位電路

  3.3.2 C/F 轉換電路

  3.3.3 LED 顯示驅動電路

  3.3.4 檢測電路原理圖

  3.4 本章小結

  4 檢測裝置軟件系統

  4.1 系統功能結構

  4.2 系統程序

  4.2.1 電容數據處理程序

  4.2.2 串口通信程序

  4.2.3 數碼管顯示程序

  4.2.4 主程序

  4.3 軟硬件聯合仿真調試

  4.3.1 在線動態調試

  4.3.2 CAN 總線通信調試

  4.4 本章小結

  5 檢測裝置的性能測試試驗

  5.1 室內臺架試驗

  5.1.1 試驗平臺搭建

  5.1.2 試驗測試條件

  5.1.3 試驗數據采集

  5.1.4 靈敏度測試

  5.1.5 線性度測試

  5.2 溫度影響試驗

  5.2.1 試驗目的

  5.2.2 試驗時間、地點及材料

  5.2.3 試驗數據采集

  5.2.4 試驗數據分析

  5.3 田間作業試驗

  9 5.3.1 試驗時間、地點及材料

  5.3.2 試驗數據采集

  5.3.3 試驗數據分析

  9 5.4 本章小結

  6 結論與展望

  6.1 結論

  本文在綜合分析國內外相關電容檢測法,與控制系統的研究現狀基礎上,針對我國目 前對于電容量程變化量較小的物料料位檢測技術還沒有研發出一套成熟、精度高、穩定性 好的系統這一問題,通過對田間施肥作業要求以及肥箱中肥料料位高度在線測量的總體方 案可行性分析,構建硬件模擬電路和肥箱料位檢測程序,借助軟硬件聯合仿真調試,設計 一款基于單片機的肥箱料位檢測裝置,替代傳統施肥作業過程中人工檢測肥箱料位高度。

 。1)本裝置將肥箱料位變化轉變為電容變化,將電容變化轉變為脈沖頻率變化,由于 肥箱料位檢測裝置電容極板采集到的電容信號很小、很微弱,為 pF 級別,對于微小電容 的檢測本裝置采用電容/頻率轉換集成電路,將微不可見的電容信號變化轉變為直觀性強的 頻率數字信號變化。

 。2)通過對溫度影響試驗的數據及曲線分析,得出顯示值變化原因,并具體分析檢測 裝置內部所含電阻溫度系數與極板電容值隨溫度的變化趨勢,增加使用溫度傳感器,對溫 度進行校正補償,提高裝置檢測精度。

 。3)不同肥料的配比導致形成介電常數不同,影響裝置檢測數據。在田間作業試驗中, 試驗材料為復合肥(磷酸二銨、尿素、硫酸鉀),與室內臺架試驗所用單一尿素不同,故 需在田間作業前,重新校準裝置參數 K 值與參數 B 值,并將驗證后的新參數,在觸控屏上 進行手動標定。

  試驗結果表明:研究設計的裝置滿足臺架試驗中以尿素為試驗材料的性能測試,并通 過搭建的室內試驗平臺對肥箱料位檢測裝置的靈敏度、線性度進行了測試,得到檢測裝置 的靈敏度約為 0.1931pF/mm,線性度約為±3.09%;田間作業時,利用復合肥進行性能測試, 通過對裝置參數值的重新標定、校準,得到參數 K 值為 45,參數 B 值為 1730,經試驗驗 證,得到肥箱料位檢測裝置絕對誤差值約為 0.47kHz,相對誤差值約為 2.19%,初步達到預 期檢測標準。

  6.2 創新點

  目前農場采用人工對肥箱料位進行監測,未發現有關肥箱料位檢測裝置的研究,類似 的項目還沒有人做過,研究基于單片機的肥箱料位檢測裝置,實時性高,節省人力,填補 了國內在這方面研究的空白。 探究了不同溫度條件對肥箱料位檢測值的影響,具體研究檢測裝置內部所含電阻的溫 度系數和極板電容值隨溫度的變化趨勢,并增加溫度傳感器,對田間作業溫度進行校正補 償,保證檢測數據有效可靠。

  6.3 展望

  在做電容式料位檢測裝置時,應考慮以下兩個方面:

 。1)在電路板上進行電容測量采 集線路布線時,為了將寄生電容對測試結果的影響降至最低,就要減少線路的交叉或者直 角交叉;

 。2)在電容測量采集電路的輸入端,連接有兩根導線,這兩根導線應盡量選用細 導線并減小其長度、增大它們之間的距離,這些措施能夠顯著減小兩根導線間的電容,從 而減小零漂。 當然,檢測裝置也存在一些待改進之處,可以從以下幾個方面進行研究:

  1.為驗證檢測裝置是否具有較強通用性,可利用不同尺寸和材質的化肥箱進行對比試 驗,今后可考慮設計與該肥箱料位檢測裝置相匹配的最佳尺寸和材質的化肥箱。

  2.深度開展溫度因素對肥箱料位檢測裝置的影響試驗,探究電阻的溫度系數導致電阻 隨溫度的變化趨勢,并與極板電容值受溫度影響的變化趨勢進行對比分析。   3.由于田間作業時路況顛簸,裝置產生較大震動,考慮分析田間震動對電容器極板采 集信號的影響,以期進一步提高檢測裝置精度與穩定性。

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