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物聯網系統中模擬溫度傳感器如何測溫_熱敏電阻篇

jf_94171069 ? 來源:jf_94171069 ? 作者:jf_94171069 ? 2024-09-27 17:14 ? 次閱讀

物聯網系統中為什么要使用熱敏電阻

物聯網系統中使用熱敏電阻的原因主要可以歸納為以下幾點:

一、溫度感知與監測

1.溫度敏感性:熱敏電阻的阻值會隨著溫度的變化而顯著變化,這使得它成為理想的溫度傳感器。無論是正溫度系數熱敏電阻(PTC)還是負溫度系數熱敏電阻(NTC),都能精確地反映環境溫度的變化。

2.實時監測:在物聯網系統中,許多設備需要實時監測其工作環境或內部元件的溫度,以確保設備的正常運行和延長使用壽命。熱敏電阻能夠實時感知并反饋溫度信息,為系統提供及時的溫度數據。

二、溫度控制與保護

1.溫度控制:當設備內部或外部溫度超過預設的安全閾值時,熱敏電阻的阻值變化可以觸發溫控系統啟動,通過調整散熱風扇速度、降低功率輸出或切斷部分非必要功能等方式,有效控制設備溫度,防止設備過熱損壞。

2.過載保護:在電流過大的情況下,熱敏電阻的阻值會迅速增加,從而限制電流通過,起到過載保護的作用。這有助于防止設備因電流過大而損壞或引發火災等安全事故。

例如在手機充電器的應用場景中:

手機充電器接通電源后,220V交流電經過全橋整流后,輸出給手機電路,但電容在通電瞬間等效電阻很小,電路中的電流過大,容易產生浪涌電流。浪涌電流的產生給電子設備帶來很大的影響,輕則導致電子設備工作性能下降,使用時間縮短,重則電子設備容易發生故障受損。

為了抑制電子電路中在開機瞬間產生的浪涌電流,減小浪涌電流對電子設備的危害,通常在電源電路中串接NTC熱敏電阻。

三、智能調節與能效優化

1.智能調節:在無線通信基站等應用場景中,熱敏電阻能夠精確反饋環境溫度和負載情況給基站管理系統,系統根據這些信息自動調整發射功率和接收靈敏度,既保證了通信質量又減少了不必要的能耗。這種智能化的溫度管理策略有助于推動綠色通信、降低運營成本。如:家用電器:如空調、冰箱、洗衣機等家用電器中,熱敏電阻用于溫度監測和控制,實現自動調節溫度的功能,提高能效和用戶體驗。

2.能效優化:通過實時監測設備溫度并調整其工作狀態以維持最佳運行溫度范圍,熱敏電阻有助于提高設備的能效比和運行效率。

四、故障診斷與維護

1.故障診斷:在物聯網系統中,通過監測特定位置的熱敏電阻阻值變化可以快速定位設備內部的熱點區域或判斷是否存在過熱風險。這有助于技術人員及時發現并處理潛在的故障問題避免故障擴大化。

2.非侵入式監測:熱敏電阻的監測方式屬于非侵入式監測不會對設備造成額外的損傷或影響設備的正常運行。這種監測方式既提高了故障診斷的準確性和效率又減少了因拆卸檢查可能帶來的二次損傷風險。

五、其他具體應用

1.溫度測量與控制

工業領域:在冶金、化工、食品加工等行業中,熱敏電阻被廣泛用于溫度控制系統,確保設備和過程在合適的溫度范圍內運行。例如,它可以用于油爐、烘箱等設備的溫度控制,確保生產過程的安全和效率。

醫療設備:熱敏電阻在醫療設備中也有重要應用,如體溫計、血壓計等。通過測量體溫、血壓等指標,熱敏電阻可以幫助醫護人員對患者進行及時準確的監測和診斷。

汽車電子:在汽車工業中,熱敏電阻被用于測量發動機溫度、傳感器溫度等關鍵參數,以確保汽車引擎的正常運行和安全性。此外,它還可以用于座椅加熱、空調系統控制等方面,提升駕乘體驗。

2.環境監測

熱敏電阻可以用于室內外溫度、濕度、空氣質量等參數的監測,為環境監測系統提供準確的數據。這些數據對于建筑物自動化管理、氣象預測、能源管理等方面都非常重要。

在農業領域,熱敏電阻可用于溫室控制、養殖控制等,幫助農民更好地管理農作物和畜禽的生長環境。

3.溫度補償與校準

在精密儀器儀表、自動化控制系統中,由于環境溫度的變化會對測量結果產生影響,因此需要通過溫度補償來消除這種影響。熱敏電阻作為一種常用的溫度補償元件,可以有效地提高電子設備的測量精度和穩定性。

安全監控:在安防監控、自動化門禁系統等方面,熱敏電阻可以用于檢測人體的溫度和移動情況,從而實現安全監控和智能化控制。

液位和風速測量:在熱水壺、咖啡壺等家用電器中,通過熱敏電阻的液位測量技術可以實現缺水報警功能。在測量風速方面,熱敏電阻可以作為風速傳感器的敏感元件,實現風速的精確測量和控制。

綜上所述,物聯網系統中使用熱敏電阻的原因主要包括溫度感知與監測、溫度控制與保護、智能調節與能效優化以及故障診斷與維護等方面。這些功能使得熱敏電阻在物聯網系統中發揮著不可替代的作用。

本文會再為大家詳解溫度傳感器家族中的一員——熱敏電阻

熱敏電阻的定義

熱敏電阻(Thermistor)是一種傳感器電阻,其電阻值隨著溫度的變化而變化。具體來說,熱敏電阻的電阻值通常是負溫度系數(NTC, Negative Temperature Coefficient)的,即隨著溫度的升高,其電阻值會減小;也有少數熱敏電阻是正溫度系數(PTC, Positive Temperature Coefficient)的,即隨著溫度的升高,電阻值增大,但通常我們所說的熱敏電阻多指NTC型。

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熱敏電阻的原理

1.溫度系數與電阻變化

負溫度系數(NTC)熱敏電阻:當溫度升高時,NTC熱敏電阻的電阻值會減小。這是因為隨著溫度的升高,半導體材料中的載流子(如電子)數量增加,載流子遷移率也增大,從而使得電阻率降低,電阻值減小。

正溫度系數(PTC)熱敏電阻:雖然較少見,但PTC熱敏電阻在溫度升高時電阻值會增大。這通常是由于材料內部特定的物理效應(如相變、晶體結構變化等)導致的。

2.電阻-溫度特性曲線

熱敏電阻的電阻值與溫度之間存在特定的關系,這種關系可以通過電阻-溫度特性曲線來表示。對于NTC熱敏電阻,該曲線通常表現為一條向下傾斜的直線或曲線,表明電阻值隨溫度的升高而減小。而對于PTC熱敏電阻,則表現為電阻值隨溫度的升高而增大的曲線。

3.應用原理

溫度測量:由于熱敏電阻的電阻值隨溫度變化而變化,因此可以通過測量其電阻值來推算出溫度。這是熱敏電阻在溫度測量領域的基本應用原理。

溫度補償與控制:利用熱敏電阻的溫度特性,還可以實現電路的溫度補償和溫度控制。例如,在電子設備中,通過熱敏電阻感知環境溫度的變化,并調整電路的工作狀態以補償溫度變化對電路性能的影響。

4.工作原理的擴展

電導與溫度的關系:半導體的電導(σ)是電子和空穴濃度(n、p)以及遷移率(μn、μp)的函數,而這些參數都是溫度T的函數。因此,半導體的電導是溫度的函數,可以通過測量電導來推算溫度。

電流-電壓與時間特性:當熱敏電阻通入電流時,會產生焦耳熱并導致元件本身溫度升高。這種溫度變化會影響電阻值,并進一步影響電流和電壓。此外,熱敏電阻從某一電阻值改變到另一電阻值所需的時間也與其工作環境和自身特性有關。這些特性使得熱敏電阻在電流-電壓控制和時間延時電路等方面也有廣泛的應用。

5.計算方法:

NTC 熱敏電阻溫度計算公式:Rt = R EXP(B(1/T1-1/T2))其中,T1和T2指的是K度,即開爾文溫度。

Rt 是熱敏電阻在T1溫度下的阻值。

R是熱敏電阻在T2常溫下的標稱阻值。100K的熱敏電阻25℃的值為100K(即R=100K)。T2=(273.15+25)

EXP是e的n次方

B值是熱敏電阻的重要參數

B值:材料常數,是用來表示NTC在工作溫度范圍內阻值隨溫度變化幅度的參數,與材料的成分和燒結工藝有關。另外NTC的B值會受溫度變化的影響,因此通常我們會選取曲線上兩個溫度點來計算。

表示B值時要把選取的溫度點標明,如B25/85。

B值越大表明阻值隨溫度的升高降低得越快,B值越小則相反。如下圖:

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除非特別指出,B值是由T1=25℃(298.15K)和T2=50℃(323.15K)的零功率電阻值計算而得到的。根據公式,若已知B值的情況下,可以得出目標溫度對應的阻值。

通過轉換可以得到溫度T1與電阻Rt的關系T1=1/(ln(Rt/R)/B+1/T2)

對應的攝氏溫度t=T1-273.15,同時+0.5的誤差矯正。

熱敏電阻的分類

1.按溫度系數分類

1.1、負溫度系數熱敏電阻(NTC, Negative Temperature Coefficient)

特點:當環境溫度升高時,其電阻值迅速減小。

應用:廣泛應用于高精度溫度檢測過程,如可充電電池及功率三極管的過熱保護、數字體溫計等。

1.2、正溫度系數熱敏電阻(PTC, Positive Temperature Coefficient)

特點:在某一溫度下電阻急劇增加,具有正溫度系數。

應用:常被用作恒定溫度傳感器,也用于延時啟動、恒溫加熱、過流保護等電路單元中。

1.3、臨界溫度熱敏電阻(CTR, CritiCal Temperature Resistor)

特點:具有負電阻突變特性,在某一溫度下,電阻值隨溫度的增加急劇減小,具有很大的負溫度系數。

應用:在特定溫度控制領域有重要應用。

2.按制作材料分類

2.1、陶瓷熱敏電阻

特點:溫度系數大、靈敏度高、穩定性好、可靠性高。

分類:普通陶瓷熱敏電阻、高精度陶瓷熱敏電阻、快速響應陶瓷熱敏電阻。

應用:廣泛應用于家用電器、汽車、工業設備等領域的溫度監測和控制。

2.2、碳膜熱敏電阻

特點:溫度系數適中、成本較低、體積小、易于集成。

分類:普通碳膜熱敏電阻、高精度碳膜熱敏電阻、快速響應碳膜熱敏電阻。

應用:廣泛應用于家用電器、電子設備等領域的溫度監測和控制。

2.3、聚合物熱敏電阻

特點:溫度系數正、靈敏度高、穩定性好、可靠性高。

分類:普通聚合物熱敏電阻、高精度聚合物熱敏電阻、快速響應聚合物熱敏電阻。

應用:同樣廣泛應用于家用電器、汽車、工業設備等領域的溫度監測和控制。

2.4、金屬氧化物熱敏電阻

特點:溫度系數正、靈敏度高、穩定性好、可靠性高。

分類:普通金屬氧化物熱敏電阻、高精度金屬氧化物熱敏電阻、快速響應金屬氧化物熱敏電阻。

應用:與聚合物熱敏電阻類似,也廣泛應用于各種溫度監測和控制領域。

2.5、其他材料熱敏電阻

包括玻璃態熱敏電阻、塑料熱敏電阻、金剛石熱敏電阻、半導體單晶熱敏電阻等,它們各自具有獨特的特性和應用場景。

3.按結構及形狀分類

熱敏電阻還可以根據其結構和形狀進行分類,如圓片狀熱敏電阻、圓柱狀熱敏電阻、圓圈形熱敏電阻等。這些分類方式主要依據熱敏電阻的外觀形態進行劃分,便于在實際應用中根據需要進行選擇和安裝。

4.按靈敏度及響應速度分類

4.1、高靈敏度型熱敏電阻

特點:對溫度變化敏感,電阻值隨溫度變化的幅度大。

應用:適用于需要精確測量溫度變化的場合。

4.2、低靈敏度型熱敏電阻

特點:對溫度變化相對不敏感,電阻值隨溫度變化的幅度小。

應用:適用于溫度變化范圍不大或對測量精度要求不高的場合。

4.3、快速響應熱敏電阻

特點:響應速度快,能夠迅速反映溫度的變化。

應用:適用于需要快速響應溫度變化的場合,如快速加熱、冷卻系統等。

5.按受熱方式分類

直熱式熱敏電阻器、旁熱式熱敏電阻器。

熱敏電阻與熱電偶,熱電阻區別

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熱敏電阻的優缺點

優點:

靈敏度高。其靈敏度比熱電阻要大1—2個數量級。由于靈敏度高,可大大降低后面調理電路的要求。

熱敏電阻器的標稱電阻在幾歐到十幾兆歐之間,且型號和規格多樣,因而不僅能很好地與各種電路匹配,而且遠距離測量時幾乎無須考慮連線電阻的影響。

體積小(最小珠狀熱敏電阻直徑僅0.1~0.2mm),可用來測量“點溫”。

熱慣性小,響應速度快,適用于快速變化的測量場合。

結構簡單、堅固,能承受較大的沖擊、振動。采用玻璃、陶瓷等材料密封包裝后,可應用于有腐蝕性氣體等的惡劣環境。

制作熱敏電阻的原料資源豐富,制作簡單,可方便地制成各種形狀(圖2-4),易于大批量生產,成本和價格十分低廉。

缺點:

阻值與溫度的關系非線性嚴重;而且元件的一致性差,互換性差;

一旦出現損壞是難以找到可互換的產品

熱敏電阻的元件易老化,穩定性也是比較差的。

除特殊高溫熱敏電阻外,絕大多數熱敏電阻僅適合0~150℃范圍。

熱敏電阻的使用注意事項

1、環境及溫度條件

1.1、工作溫度范圍:

確保熱敏電阻在其規定的工作溫度范圍內使用。不同規格的熱敏電阻有不同的工作溫度范圍,如φ5、φ7、φ9、φ11系列的工作溫度通常為-40℃至+150℃,而φ13、φ15、φ20系列的工作溫度則可達-40℃至+200℃。

避免在高溫高濕環境下直接暴露使用,如需使用,應采用護套型熱敏電阻,并確保保護套開口部分不會直接接觸到水及蒸汽。

1.2、溫度變化速度:

盡管熱敏電阻可以承受一定溫度的熱沖擊,但為了減少熱敏半導體的老化,應盡可能避免急速的溫度變化。

2、電氣條件

2.1、電壓與電流:

加在熱敏電阻上的電壓不可太高,避免產生過大的電流,從而導致自熱效應和測量誤差。一般應使用微弱電流驅動,且流過的電流要足夠小,以免產生自熱影響檢測精度。

不可將熱敏電阻器與另外一些組件串連來獲得更高的電壓或功率,因為自熱現象會使兩端電壓過高,導致熱敏電阻器擊穿。

2.2、額定功率:

使用時不得超過熱敏電阻的額定功率。各規格的最大額定功率不同,如φ5為0.7W,φ7為1.2W等。

3、安裝與保護

3.1、安裝位置:

遠離發熱電子元器件,避免功率型NTC熱敏電阻周圍安裝易發熱的電子元器件。建議使用彎腳上部引線較高的產品,使NTC熱敏電阻在線路板上高出其它元件,以免發熱影響其它元件正常工作。

插入保護管中使用時,為防止熱泄漏溫度誤差,在用金屬保護管時要插入管徑的25倍以上深度,在用非金屬保護管時要插入15倍以上深度。

3.2、導線保護:

不要過度拉伸及彎曲導線,避免施加過度的振動、沖擊及壓力。

3.3、防潮與絕緣:

直插熱敏電阻引線間、絕緣體表面上如果附有結露而產生的水滴、灰塵或離子化合物時,會使視在阻值下降或不穩定而產生測量誤差。因此,要進行防潮、絕緣處理從而保持其干燥。

4、使用與測試

4.1、測試條件:

使用萬用表測量熱敏電阻的阻值時,應在環境溫度接近25℃時進行,以保證測試的可信度。

注意不要使熱源與熱敏電阻靠得過近或直接接觸,以防止將其燙壞。

4.2、自熱效應:

考慮到流過熱敏電阻的電流會引起組件自身發熱而產生溫差,在選用前要考慮到這一因素。

4.3、接線方式:

因使用電路的絕緣不良和靜電感應、錯誤接線會使流過熱敏半導體的電流過大而損壞熱敏電阻,必須注意接線方式不要有過電流流過熱敏電阻。

5、選型與應用

5.1、選型:

根據應用電路的需要來選擇合適的類型及型號,且注意NTC熱敏電阻器的溫度控制范圍是否符合應用電路的要求。

用于要求精度高或不希望熱敏半導體的阻值有老化的系統時,要用經過高溫試驗等鑒定過的高可靠性的熱敏半導體。

5.2、應用:

熱敏電阻可用于溫度檢測、溫度補償、溫度控制、微波功率測量及穩壓控制等多個領域。在使用時,應確保其應用符合設計要求,并避免在有害氣體、液體環境中使用。

6、硬件連接

單片機是3.3V供電,熱敏電阻與100K電阻連接。

熱敏電阻參數為100K,B值為3950

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熱敏電阻的選型參數

1、阻值參數

標稱阻值Rc:一般指環境溫度為25℃時熱敏電阻器的實際電阻值。這是熱敏電阻的關鍵參數之一,常見阻值范圍從1KΩ至幾百KΩ。

實際阻值RT:在一定溫度條件下所測得的電阻值。這個值會隨著環境溫度的變化而變化。

2、溫度特性參數

材料常數(B值或β值):描述熱敏電阻材料物理特性的參數,也是熱靈敏度指標。B值越大,表示熱敏電阻器的靈敏度越高。但應注意,在實際工作時,B值并非一個常數,而是隨溫度的升高略有增加。

電阻溫度系數αT:表示溫度變化1℃時的阻值變化率,單位為%/℃。這是熱敏電阻設計運行的重要參數,直接影響到其溫度測量的準確性和穩定性。

3、性能參數

時間常數τ:描述熱敏電阻器熱慣性的參數。在無功耗的狀態下,當環境溫度由一個特定溫度向另一個特定溫度突然改變時,熱敏電阻體的溫度變化了兩個特定溫度之差的63.2%所需的時間。τ越小,表明熱敏電阻器的熱慣性越小,即響應時間越快,性能越好。

額定功率PM:在規定的技術條件下,熱敏電阻器長期連續負載所允許的耗散功率。在實際使用時不得超過額定功率。若熱敏電阻器工作的環境溫度超過25℃,則必須相應降低其負載。

4、其他重要參數

額定工作電流IM:熱敏電阻器在工作狀態下規定的名義電流值。

測量功率Pc:在規定的環境溫度下,熱敏電阻體受測試電流加熱而引起的阻值變化不超過0.1%時所消耗的電功率。

最大電壓:對于NTC熱敏電阻器,是指在規定的環境溫度下,不使熱敏電阻器引起熱失控所允許連續施加的最大直流電壓;對于PTC熱敏電阻器,則是指在規定的環境溫度和靜止空氣中,允許連續施加到熱敏電阻器上并保證其正常工作在PTC特性部分的最大直流電壓。

最高工作溫度Tmax:在規定的技術條件下,熱敏電阻器長期連續工作所允許的最高溫度。

開關溫度tb(針對PTC熱敏電阻器):電阻值開始發生躍增時的溫度。

選型建議

1、確定需求:首先明確熱敏電阻在電路中的具體作用,如溫度測量、溫度補償、過流保護等,以及所需的測量范圍、精度和響應時間等。

2、選擇類型:根據需求選擇合適的熱敏電阻類型,如NTC或PTC。

3、參考參數:根據以上選型參數,結合具體的應用場景和環境條件,選擇符合要求的熱敏電阻。

4、考慮成本:在保證性能滿足要求的前提下,考慮成本因素,選擇性價比較高的產品。

熱敏電阻的廠商

國際知名廠商

TE Connectivity(泰科電子)

全球領先的連接器和傳感器制造商,也生產熱敏電阻等電子元器件。

TDK Corporation(東京電氣化學工業株式會社)

綜合性電子材料制造商,產品涵蓋熱敏電阻等電子元件。

Vishay(威世科技)

全球最大的分立半導體和無源電子元件制造商之一,提供包括熱敏電阻在內的多種電子元器件。

Amphenol Corporation(安費諾)

全球領先的電子和光纖連接器制造商,也涉足熱敏電阻等傳感器領域。

Mitsubishi Materials Corporation(三菱材料)

綜合性材料制造商,其電子材料部門生產包括熱敏電阻在內的多種電子元器件。

Murata(村田制作所)

日本知名的電子元器件制造商,產品涵蓋熱敏電阻等。

Panasonic(松下電器)

松下集團旗下的電子元器件部門,提供包括熱敏電阻在內的多種電子產品

Littelfuse

專注于電路保護產品的制造商,也生產熱敏電阻等傳感器產品。

Honeywell(霍尼韋爾)

多元化技術和制造業巨頭,其傳感器與控制部門生產熱敏電阻等傳感器產品。

Sensata Technologies

專注于傳感器和控制器技術的公司,產品包括熱敏電阻等溫度傳感器。

國內知名廠商

風華高科(FH)

廣東風華高新科技股份有限公司,國內領先的新型電子元器件制造商,產品包括熱敏電阻等。

國巨電子(YAGEO)

全球知名的被動組件服務供貨商,產品涵蓋熱敏電阻等電子元器件。

厚聲電子(UNI-ROYAL)

昆山厚聲電子工業有限公司,全球晶片電阻與插件電阻行業的佼佼者,也生產熱敏電阻等產品。

華新科技(PSA)

華新科技股份有限公司,全球被動元件知名品牌,產品線包括熱敏電阻等。

大毅科技

全球較大的SMD厚膜芯片電阻制造供應商,也生產熱敏電阻等電子元器件。

上海康睿

國內知名的熱敏電阻生產商,產品廣泛應用于各種溫度測量和控制領域。

北京漢諾科技

專注于熱敏電阻等傳感器產品的研發和生產,產品性能穩定可靠。

深圳金溢儀器

深圳地區知名的電子元器件制造商,產品包括熱敏電阻等

供應商A:廣東鴻志電子

http://www.hongzhi.net/index.aspx

1、產品能力

(1)選型手冊

(2)主推型號1:5D-9

對應的產品詳情介紹

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基本參數

型號:5D-9

R25 (Ω):5Ω(表示在25℃時的標稱電阻值)

最大穩態電流 (A):根據產品規格,通常為幾安培,但具體值可能因產品批次或型號略有不同。

殘余電阻 (Ω):約0.21Ω(參考值)

耗散系數 (mv/°C):約11mV/°C(參考值)

熱時間常數 (s):約35秒(參考值)

最大允許使用容量值:可能包含不同的電壓和電容值組合,如220V/820μF或150V/560μF,具體取決于產品規格。

B值 (K):表示熱敏電阻的溫度系數,對于5D-9系列,該值通常在2700K左右。

工作溫度范圍:通常為-40℃至+175℃(根據鴻志電子的產品規格)。

產品特點

高精度:具有高精度的溫度檢測和測量能力,能夠提供準確的溫度數據。

高可靠性:采用高品質的材料和先進的制造工藝,保證產品的高可靠性和穩定性。

高靈敏度:能夠快速響應溫度變化,適用于需要快速溫度反饋的應用場景。

小巧輕便:產品結構緊湊、重量輕,便于安裝和使用。

應用領域

5D-9熱敏電阻廣泛應用于各種需要溫度測量和控制的領域,包括但不限于:

家用電器:如電冰箱、洗衣機、空調等,用于溫度監測和控制。

工業自動化:在機床、自動化生產線、工業烘干機等設備中,用于溫度調節和保護。

電子領域:在計算機、通訊設備、數碼產品等電子設備中,用于溫度補償和穩定電路性能。

注意事項

在使用鴻志電子5D-9熱敏電阻時,請確保產品質量符合標準,避免購買偽劣產品。

在安裝前應認真檢查產品是否完好,并按照產品說明書進行正確的安裝。

安裝過程中應注意阻值變化的影響,并根據需要進行校準。

核心料(哪些項目在用)

奇跡物聯4G 共享支付遙控開關項目

2、支撐

(1)技術產品

技術資料

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