电涡流传感器.docx
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电涡流传感器
电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器。
电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量,如位移、振动、厚度、转速、应力、硬度等参数。
这种传感器也可用于无损探伤。
电涡流式传感结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量范围大、抗干忧能力强,特别是有非接触测量的优点,因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用。
一、结构原理与特性
当通过金属体的磁通过变化时,就会在导体中产生感生电流,这种电流在导体中是自行闭合的,这就是所谓电涡流。
电涡流的产生必然要消耗一部分能量,从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化,这一物理现象称为涡流效应。
电涡流式传感器是利用涡流效应,将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的。
如图4.3.1所示,一个扁平线圈置于金属导体附近,当线圈中通有交变电流I1时,线圈周围就产生一个交变磁场H1。
置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2,电涡流也将产生一个新磁场H2,H2与H1方向相反,因而抵消部分原磁场,使通电线圈的有效阻抗发生变化。
一般讲,线圈的阻抗变化与导体的电导率、磁导率、几何形状,线圈的几何参数,激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关。
如果控制上述参数中的一个参数改变,而其余参恒定不变,则阻抗就成为这个变化参数的单值函数。
如其他参数不变,阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化。
图4.3.1电涡流传感器原理图图4.3.2电涡流传感器等效电路图
我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环,这样就可得到如图4.3.2的等效电路。
图中R1、L1为传感器线圈的电阻和电感。
短路环可以认为是一匝短路线圈,其电阻为R2、电感为L2。
线圈与导体间存在一个互感M,它随线圈与导体间距的减小而增大。
根据等效电路可列出电路方程组:
通过解方程组,可得I1、I2。
因此传感器线圈的复阴抗为:
线圈的等效电感为:
由式(4-3-1)和(4-3-2)可以看出,线圈与金属导体系统的阻抗、电感都是该系统互感平方的函数。
而互感是随线圈与金属导体间距离的变化而改变的。
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电涡流传感器
电涡流传感器能静态和动态地非接触、高线性度、高分辨力地测量被测金属导体距探头表面的距离。
它是一种非接触的线性化计量工具。
电涡流传感器能准确测量被测体(必须是金属导体)与探头端面之间静态和动态的相对位移变化。
在高速旋转机械和往复式运动机械的状态分析,振动研究、分析测量中,对非接触的高精度振动、位移信号,能连续准确地采集到转子振动状态的多种参数。
如轴的径向振动、振幅以及轴向位置。
从转子动力学、轴承学的理论上分析,大型旋转机械的运动状态,主要取决于其核心—转轴,而电涡流传感器,能直接非接触测量转轴的状态,对诸如转子的不平衡、不对中、轴承磨损、轴裂纹及发生摩擦等机械问题的早期判定,可提供关键的信息。
电涡流传感器以其长期工作可靠性好、测量范围宽、灵敏度高、分辨率高、响应速度快、抗干扰力强、不受油污等介质的影响、结构简单等优点,在大型旋转机械状态的在线监测与故障诊断中得到广泛应用。
一、电涡流传感器的基本原理
根据法拉第电磁感应原理,块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内将产生呈涡旋状的感应电流,此电流叫电涡流,以上现象称为电涡流效应。
而根据电涡流效应制成的传感器称为电涡流式传感器。
前置器中高频振荡电流通过延伸电缆流入探头线圈,在探头头部的线圈中产生交变的磁场。
当被测金属体靠近这一磁场,则在此金属表面产生感应电流,与此同时该电涡流场也产生一个方向与头部线圈方向相反的交变磁场,由于其反作用,使头部线圈高频电流的幅度和相位得到改变(线圈的有效阻抗),这一变化与金属体磁导率、电导率、线圈的几何形状、几何尺寸、电流频率以及头部线圈到金属导体表面的距离等参数有关。
通常假定金属导体材质均匀且性能是线性和各项同性,则线圈和金属导体系统的物理性质可由金属导体的电导率б、磁导率ξ、尺寸因子τ、头部体线圈与金属导体表面的距离D、电流强度I和频率ω参数来描述。
则线圈特征阻抗可用Z=F(τ,ξ,б,D,I,ω)函数来表示。
通常我们能做到控制τ,ξ,б,I,ω这几个参数在一定范围内不变,则线圈的特征阻抗Z就成为距离D的单值函数,虽然它整个函数是一非线性的,其函数特征为“S”型曲线,但可以选取它近似为线性的一段。
于此,通过前置器电子线路的处理,将线圈阻抗Z的变化,即头部体线圈与金属导体的距离D的变化转化成电压或电流的变化。
输出信号的大小随探头到被测体表面之间的间距而变化,电涡流传感器就是根据这一原理实现对金属物体的位移、振动等参数的测量。
其工作过程是:
当被测金属与探头之间的距离发生变化时,探头中线圈的Q值也发生变化,Q值的变化引起振荡电压幅度的变化,而这个随距离变化的振荡电压经过检波、滤波、线性补偿、放大归一处理转化成电压(电流)变化,最终完成机械位移(间隙)转换成电压(电流)。
由上所述,电涡流传感器工作系统中被测体可看作传感器系统的一半,即一个电涡流位移传感器的性能与被测体有关。
按照电涡流在导体内的贯穿情况,此传感器可分为高频反射式和低频透射式两类,但从基本工作原理上来说仍是相似的。
电涡流式传感器最大的特点是能对位移、厚度、表面温度、速度、应力、材料损伤等进行非接触式连续测量,另外还具有体积小,灵敏度高,频率响应宽等特点,应用极其广泛。
二、电涡流传感器的典型应用
电涡流传感器系统广泛应用于电力、石油、化工、冶金等行业和一些科研单位。
对汽轮机、水轮机、鼓风机、压缩机、空分机、齿轮箱、大型冷却泵等大型旋转机械轴的径向振动、轴向位移、键相器、轴转速、胀差、偏心、以及转子动力学研究和零件尺寸检验等进行在线测量和保护。
胀差测量
斜坡式胀差测量
补偿式胀差测量
双斜面胀差测量
振动测量
轴位移测量
轴心轨迹测量
差动测量
动力膨胀
转子动平径向运动分析
转速和相位差测试
转速测量
表面不平整度测量
裂痕测量
非导电材料厚度测量
金属元件合格检测
轴承测量
换向片测量
1、相对振动测量
测量径向振动,可以由它分析轴承的工作状态,还可以看到分析转子的不平衡,不对中等机械故障。
电涡流传感器系统可以提供对于下列关键或是基础机械状态监测所需要的信息:
●工业透平,蒸汽/燃气●压缩机,径向/轴向
●膨胀机●动力发电透平,蒸汽/燃气/水利
●发动马达●发动机
●励磁机●齿轮箱
●泵●风箱
●鼓风机●往复式机械
(1)相对振动测量(小型机械)
振动测量同样可以用于对一般性的小型机械进行连续监测。
电涡流传感器系统可为如下各种机械故障的早期判别提供重要信息:
●轴的同步振动●油膜失稳
●转子摩擦●部件松动
●轴承套筒松动●压缩机踹振
●滚动部件轴承失效●径向预载,内部/外部包括不对中
●轴承巴氏合金磨损●轴承间隙过大,径向/轴向
●平衡(阻气)活塞●联轴器“锁死”磨损/失效
●轴裂纹●轴弯曲
●齿轮咬合问题●电动马达空气间隙不匀
●叶轮通过现象●透平叶片通道共振
(2)偏心测量
偏心是在低转速的情况下,电涡流传感器系统可对轴弯曲的程度进行测量,这些弯曲可由下列情况引起:
●原有的机械弯曲●临时温升导致的弯曲
●重力弯曲●外力造成的弯曲
偏心的测量,对于评价旋转机械全面的机械状态,是非常重要的。
特别是对于装有透平监测仪表系统(TSI)的汽轮机,在启动或停机过程中,偏心测量已成为不可少的测量项目。
它使你能看到由于受热或重力所引起的轴弯曲的幅度。
转子的偏心位置,也叫轴的径向位置,它经常用来指示轴承的磨损,以及加载荷的大小。
如由不对中导致的那种情况,它同时也用来决定轴的方位角,方位角可以说明转子是否稳定。
(3)胀差测量
对于汽轮发电机组来说,在其启动和停机时,由于金属材料的不同,热膨胀系数的不同,以及散热的不同,轴的热膨胀可能超过壳体膨胀;有可能导致透平机的旋转部件和静止部件(如机壳、喷嘴、台座等)的相互接触,导致机器的破坏。
因此胀差的测量是非常重要的。
2、转速测量
对于所有旋转机械而言,都需要监测旋转机械轴的转速,转速是衡量机器正常运转的一个重要指标。
旋转测量通常有以下几种传感器可选:
电涡流转速传感器、无源磁电转速传感器、有源磁电转速传感器等。
具有需要选择那类传感器,则要根据转速测量的要求转速等,转速发生装置有以下几种:
用标准的渐开的线齿数(M1~M5)作转速发生信号,在转轴上开一键槽、在转轴在转轴上开孔眼、在轴转上凸键等转速发生信号装置。
无源磁电式传感器是针对测齿轮而设计的发电型传感器(无源),不适合测零转速和较低转速,因低频时,幅值信号小,抗干扰能力差,它不需要供电。
有源磁电式传感器采用了电源供电,输出波形为矩形波,具有负载驱动能力,适合测量0.03HZ以上转速信号。
而电涡流传感器测量转速的优越性是其它任何传感器测量没法比的,它既能响应零转速,也能响应高转速。
对于被测体转轴的转速发生装置要求也很低,被测体齿轮数可以很小,被测体也可以是一个很小的孔眼,一个凸键,一个小的凹键。
电涡流传感器测转速,通常选用φ3mm、φ4mm、φ5mm、φ8mm、φ10mm的探头。
转速测量频响为0~10KHZ。
电涡流传感器测转速,传感器输出的信号幅值较高(在低速和高速整个范围内)抗干扰能力强。
作转速测量的电涡流传感器有一体化和分体两种。
一体化电涡流转速传感器取消前置器放大器、安装方便、适用于工作温度在–20℃~100℃的环境下,带前置器放大器的电涡流传感器适合在–50℃~250℃的工作环境中。
3、滚动轴承、电机换向器整流片动态监控
对使用滚动轴承的机器预测性维修很重要。
探头安装在轴承外壳中,以便观察轴承外环。
由于滚动元件在轴承旋转时,滚动元件与轴承有缺陷的地方相碰撞时,外环会产生微小变形。
监测系统可以监测到这种变形信号,当信号变形时意味着发生了故障,如滚动元件的裂纹缺陷或者轴承环的缺陷等,还可以测量轴承内环运行状态,经过运算可以测量轴承打滑度。
电涡流传感器及其监测系统在汽轮机上的典型应用:
三、电涡流传感器测量时的安装要求
1、轴的径向振动测量
当需要测量轴的径向振动时,要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。
每个测点应同时安装两个传感器探头,两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面上相隔90o±5o。
由于轴承盖一般是水平分割的,因此通常将两个探头分别安装在垂直中心线每一侧45o,从原动机端看,分别定义为X探头(水平方向)和Y探头(垂直方向),X方向在垂直中心线的右侧,Y方向在垂直中心线的左侧。
轴的径向振动测量时探头的安装位置应该尽量靠近轴承,如图所示,否则由于轴的挠度,得到的值会有偏差。
轴的径向振动探头安装位置与轴承的最大距离。
轴的径向振动测量时探头的安装:
测量轴承直径最大距离
0~76mm25mm
76~510mm76mm
大于520mm160mm
探头中心线应与轴心线正交,探头监测的表面(正对探头中心线的两边1.5倍探头直径宽度的轴的整个圆周面,如图)应无裂痕或其它任何不连续的表面现象(如键槽、凸凹不平、油孔等),且在这个范围内不能有喷镀金属或电镀,其表面的粗糟度应在0.4um至0.8um之间。
2、轴的轴向位移测量
测量轴的轴向位移时,测量面应该与轴是一个整体,这个测量面是以探头的中心线为中心,宽度为1.5倍的探头圆环。
探头安装距离距止推法兰盘不应超过305mm,否则测量结果不仅包含轴向位移的变化,而且包含胀差在内的变化,这样测量的不是轴的真实位移值。
3、键相测量
键相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键,称键相标记。
当这个凹槽或凸键转到探头位置时,相当于探头与被测面间距突变,传感器会产生一个脉冲信号,轴每转一圈,就会产生一个脉冲信号,产生的时刻表明了轴在每转周期中的位置。
因此通过对脉冲计数,可以测量轴的转速;通过将脉冲与轴的振动信号比较,可以确定振动的相位角,用于轴的动平衡分析以及设备的故障分析与诊断等方面。
凹槽或凸键要足够大,以使产生的脉冲信号峰峰值不小于5V。
一般若采用φ5、φ8探头,则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm、深度或高度应大于1.5mm(推荐采用2.5mm以上)、长度应大于0.2mm。
凹槽或凸键应平行于轴中心线,其长度尽量长,以防当轴产生轴向窜动时,探头还能对着凹槽或凸键。
为了避免由于轴相位移引起的探头与被测面之间的间隙变化过大,应将键相探头安装在轴的径向,而不是轴向的位置。
应尽可能地将键相探头安装在机组的驱动部分上,这样即使机组的驱动部分与载荷脱离,传感器仍会有键相信号输出。
当机组具有不同的转速时通常需要有多套键相传感器探头对其进行监测,从而可以为机组的各部分提供有效的键相信号。
键相标记可以是凹槽,也可以是凸键,如图所示,标准要求用凹槽的形式。
当标记是凹槽时,安装探头要对着轴的完整部分调整初始安装间隙(安装在传感器的线性中点为宜),而不是对着凹槽来调整初始安装间隙。
而当标记是凸键时探头一定要对着凸起的顶部表面调整初始安装间隙(安装在传感器的线性中点为宜),不是对着轴的其它完整表面进行调整。
否则当轴转动时,可能会造成凸键与探头碰撞,剪断探头。
四、被测体对电涡流传感器特性的影响
1、被测体材料对传感器的影响
传感器特性与被测体的电导率б、磁导率ξ有关,当被测体为导磁材料(如普通钢、结构钢等)时,由于涡流效应和磁效应同时存在,磁效应反作用于涡流效应,使得涡流效应减弱,即传感器的灵敏度降低。
而当被测体为弱导磁材料(如铜,铝,合金钢等)时,由于磁效应弱,相对来说涡流效应要强,因此传感器感应灵敏度要高。
2、被测体表面平整度对传感器的影响
不规则的被测体表面,会给实际的测量带来附加误差,因此对被测体表面应该平整光滑,不应存在凸起、洞眼、刻痕、凹槽等缺陷。
一般要求,对于振动测量的被测表面粗糙度要求在0.4um~0.8um之间;对于位移测量被测表面粗糙度要求在0.4um~1.6um之间。
3、被测体表面磁效应对传感器的影响
电涡流效应主要集中在被测体表面,如果由于加工过程中形成残磁效应,以及淬火不均匀、硬度不均匀、金相组织不均匀、结晶结构不均匀等都会影响传感器特性。
在进行振动测量时,如果被测体表面残磁效应过大,会出现测量波形发生畸变。
4、被测体表面镀层对传感器的影响
被测体表面的镀层对传感器的影响相当于改变了被测体材料,视其镀层的材质、厚薄,传感器的灵敏度会略有变化。
5、被测体表面尺寸对传感器的影响
由于探头线圈产生的磁场范围是一定的,而被测体表面形成的涡流场也是一定的。
这样就对被测体表面大小有一定要求。
通常,当被测体表面为平面时,以正对探头中心线的点为中心,被测面直径应大于探头头部直径的1.5倍以上;当被测体为圆轴且探头中心线与轴心线正交时,一般要求被测轴直径为探头头部直径的3倍以上,否则传感器的灵敏度会下降,被测体表面越小,灵敏度下降越多。
实验测试,当被测体表面大小与探头头部直径相同,其灵敏度会下降到72%左右。
被测体的厚度也会影响测量结果。
被测体中电涡流场作用的深度由频率、材料导电率、导磁率决定。
因此如果被测体太薄,将会造成电涡流作用不够,使传感器灵敏度下降,一般要求厚度大于0.1mm以上的钢等导磁材料及厚度大于0.05mm以上的铜、铝等弱导磁材料,则灵敏度不会受其厚度的影响。
电涡流传感器的典型应用
电涡流传感器的典型应用图例
补偿式胀差测量双斜面胀差测量
轴承测量示意图换向片测量示意
第三章
电涡流传感器测量时的安装要求
轴的径向振动测量
图3—1轴的径向振动测量
当需要测量轴的径向振动时,要求轴的直径大于探头直径的三倍以上。
每个
测点应同时安装两个传感器探头,两个探头应分别安装在轴承两边的同一平面
上相隔90º±5º。
由于轴承盖一般是水平分割的,因此通常将两个探头分别安装
在垂直中心线每一侧45º,从原动机端看,分别定义为X探头(水平方向)和Y
探头(垂直方向),X方向在垂直中心线的右侧,Y方向在垂直中心线的左侧。
图3—2轴的径向振动测量时探头的安装
探头的安装位置应该尽量靠近
轴承,如图所示,否则由于轴的挠度,得到的值会有偏差。
轴的径向振动探头安装位置与轴承的最大距离。
探头中心线应与轴心线正交,探头监测的表面(正对探头中心线的两边1.5
倍探头直径宽度的轴的整个圆周面,如图)应无裂痕或其它任何不连续的表面
现象(如键槽、凸凹不平、油孔等),且在这个范围内不能有喷镀金属或电镀,
其表面的粗糟度应在0.4um至0.8um之间。
轴向位移测量
测量轴的轴向位移时,测量面应该与轴是一个整体,这个测量面是以探头的
中心线为中心,宽度为1.5倍的探头圆环。
探头安装距离距止推法兰盘不应超过
305mm(API670标准推荐值)。
测量轴承直径最大距离
0~76mm25mm
76~510mm76mm
大于520mm160mm
键相测量
图3—3键相器测量
键相测量就是通过在被测轴上设置一个凹槽或凸键,称键相标记。
凹槽或凸键要足够大,以使产生的脉冲信号峰峰值不小于5V(AP1670标准
要求不小于7V)。
一般若采用φ5、φ8探头,则这一凹槽或凸键宽度应大于7.6mm、
深度或高度应大于1.5mm(推荐采用2.5mm以上)、长度应大于0.2mm。
凹槽或
凸键应平行于轴中心线,其长度尽量长,以防当轴产生轴向窜动时,探头还能对
着凹槽或凸键。
第四章
电涡流传感器的输出特性
电涡流传感器的输出特性可用位移-电压曲线表示,如图示。
图示的横坐标
表示位移的变化,纵坐标代表前置器输出电压的变化。
理想位移-电压曲线是斜
率恒定直线,直线的a-c段为线性区,即有效测量段。
b点为传感器线性中点。
图4—1位移-电压曲线
图4—2典型位移电压特性曲线φ11mm探头(负特性输出)间隙(mm)
电涡流传感器的基本配置
探头+延伸电缆+前置器
图6—1
探头
探头头部采用耐高低温、抗腐蚀、高强度和高韧性的进口工程塑料PPS,探
头电缆接头选用进口黄金自锁插头和插座,它接触电阻小,可靠性大大增强。
壳体尾部的出线孔采用圆弧过度,保证电缆线不在此扭伤。
延伸电缆
图6—2延伸电缆
前置器
固定的DM6000XL前置器
图6—3DM6000系列前置器外观尺寸
第七章
电涡流传感器选型
第一节
探头选型
ABCDE
DM-----60□□□□-□□□-□□□-□□□-□□
(注意:
探头壳体螺纹规格,需从探头代号表中选择)
A:
60□□□□螺纹壳体探头代号选择
B:
□□□无螺纹长选择
公制螺纹探头
最小无螺纹长2mm02最大无螺纹长250mm250
加长递增量1mm01
英制螺纹探头
最小无螺纹长0.1inches01最大无螺纹长9.9inches99
加长递增量0.1inches01
C:
□□□壳体长度选择
公制壳体长度
最小壳体长度20mm02最大壳体长度500mm50
加长递增量10mm01
英制壳体长度
最小壳体长度0.8inches08最大壳体长度20inches200
加长递增量0.4inches04
D:
□□□电缆长度选择
1.5m152.0m20
4.0m405.0m50
E:
□□有无铠装选择
无铠装00有铠装01
DM6200系列振动速度传感器
DM6200系列振动速度传感器,可用于对轴承座、机壳或结构相对于自由空间的绝对振
动测量。
其输出电压与振动速度成正比,故又称速度式振动传感器。
其输出可以是速度值
的大小,也可以是把速度量经过积分转换成位移量信号输出。
这种测量可对旋转或往复式
机构的综合工况进行评价。
基本原理
DM6200系列速度振动传感器属于惯性式传感器。
是利用磁电感应原理把振动信号变换
成电信号。
它主要由磁路系统、惯性质量、弹簧阻尼等部分组成。
在传感器壳体中刚性地
固定有磁铁,惯性质量(线圈组件)用弹簧元件悬挂于壳体上。
工作时,将传感器安装在
机器上,在机器振动时,在传感器工作频率范围内,线圈与磁铁相对运动、切割磁力线,
在线圈内产生感应电压,该电压值正比于振动速度值。
与二次仪表相配接(如DM6000振
动系列仪表),即可显示振动速度或振动位移量的大小。
也可以输送到其它二次仪表或交流
电压表进行测量。
传感器的总体设计保证它有如下使用特点:
1.它的输出信号和振动速度成正比,因此对振动测量来说可以兼顾高频、中频
和低频的应用领域。
并且符合目前国际标准(ISO)对旋转机器评定参数的要求。
2.相对于其它类型的振动传感器而言,DM6200系列传感器有较低的输出阻抗,
较好的信噪比。
它同一般通用交流电压表或示波器配合就能工作,对输出插头
和电缆也无特殊要求,使用方便。
3.传感器有较低的使用频率可以适用于低转速的旋转机器。
4.传感器设计中取消了有磨擦的活动元件,因此灵活性好,可以测量微小的振
动。
(0.01μm)
5.传感器有一定抗横向振动能力。
(不大于10g峰峰值)技术条件及主要指标
频率响应:
DM63000.5Hz__150Hz(-3Db)
DM6200T—B(DM16699T—B)、DM6200T—F、DM6200T—R:
5Hz~1KHz(-3dB)
DM6200H—B(DM16699H—B)、DM6200H—F、DM6200H—R:
5Hz~1KHz(-3dB)
DM6200V—B(DM16699V—B)、DM6200V—F、DM6200V—R:
5Hz~1KHz(-3dB)
灵敏度:
DM6200□—B(DM16699□—B)灵敏度为20mv/mm/S±5%(在80Hz,速度
为10mm/s情况下测定)
DM6200$—F灵敏度为28.5mv/mm/S±5%(在80Hz,速度为10mm/s情况下测定)R灵
敏度为4.0mv/mm/S±5%(在80Hz,速度为10mm/s情况下测定)
幅值线性度:
<3%;横向灵敏度比:
<5%
使用温度范围:
-30℃~120℃、-30℃~200℃(需特殊订货)
最大可测位移:
1mm(单峰值)
环境条件:
防尘、防潮(95%不冷凝)
工作方向:
DM6200T-□系列型:
0°±100°(通用型)
DM6200H-□系列型:
±90°±2.5°(水平型)
DM6200V-□系列型:
0°±2.5°(垂直型)
(速度振动传感器安装位置方向图)
输出电阻:
200Ω~300Ω或800Ω~1000Ω绝缘电阻:
>2MΩ
输出极性:
为浮地输出。
当传感器底座受一冲击力时,1#(A)芯输出为(+),
2#(B)芯出为
(一)。
接入示波器,1#(A)接芯极,2#(B)接地,示波器,
显示第一峰向上。
安装方式安装方式:
(a)在底座中心孔用一个M8(M6)螺钉固定
(b)用快卸强磁吸座固定(用于现场检测)
DM6200型速度传感器订货指南
A□安装角度/最低工作