超声波探伤1.docx
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超声波探伤1
第四章超声波探伤
教学目标：
一、了解超声波检测的基础知识，熟悉各种规则反射体回波声压的规律；
二、了解超声波检测的设备，熟悉超声波检测仪和探头性能的测定方法；
三、了解超声波检测的一般工艺，掌握对接焊缝超声波检测工艺及焊缝质量的评定方法；
四、能够依据相关标准对焊缝质量做出评定。
一、任务导入：
超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种无损检测方法。
它可以检查金属材料、部分非金属材料的表面和内部缺陷，如焊缝中裂纹、未熔合、未焊透、夹渣、气孔等缺陷。
超声波探伤具有灵敏度高、设备轻巧、操作方便、探测速度快、成本低、对人体无害等优点，但对缺陷进行定性和定量的准确判定方面还存在着一定的困难。
二、相关知识
知识点一：
超声波的产生及其性质
超声波是频率大于20000Hz的声波，它属于机械波。
在金属探伤中使用的超声波，其频率为0.5～10MHz，其中以2～5MHz最为常用。
1.超声波的产生与接收
探伤中采用压电法来产生超声波。
压电法是利用压电晶体片来产生超声波的。
压电晶体片是一种特殊的晶体材料，当压电晶体片受拉应力或压应力的作用产生变形时，会在晶片表面出现电荷；反之，其在电荷或电场作用下，会发生变形，前者称为正压电效应，后者称为逆压电效应。
超声波的产生和接收是利用超声波探头中压电晶体片的压电效应来实现的。
由超声波探伤仪产生的电振荡，以高频电压形式加载于探头中的压电晶体片的两面上，由于逆压电效应的结果，压电晶体片会在厚度方向上产生持续的伸缩变形，形成了机械振动。
若压电晶体片与工件表面有良好的耦合时，机械振动就以超声波形式传播进入被检工件，这就是超声波的产生。
反之，当压电晶体片受到超声波作用而发生伸缩变形时，正压电效应的结果会使压电晶体片两表面产生具有不同极性的电荷，形成超声频率的高频电压，以回波电信号的形式经探伤仪显示，这就是超声波的接收。
2.超声波的性质
（1）超声波具有良好的指向性
由于超声波的波长非常短，因此，它在弹性介质中能象光波一样沿直线传播。
而且超声波在固定的介质中传播速度是个常数，所以，根据传播时间就能求得其传播距离，这样就为探伤中缺陷的定位提供了依据。
（2）超声波能在弹性介质中传播，不能在真空中传播
一般探伤中通常把空气介质作为真空处理，所以认为超声波也不能通过空气进行传播。
（3）超声波如同声波一样，通过介质时，根据介质质点的振动方向与波的传播方向之间的相互关系的不同，有不同的波型
3.超声波的类型
（1）纵波（L）
声波在介质中传播时，介质质点的振动方向和波的传播方向相同的波，称之为纵波。
它能在固体、液体和气体中传播。
（2）横波（S）
声波在介质中传播时，介质质点的振动方向和波的传播方向相互垂直的波，称之为横波。
横波只能在固体中传播。
横波探伤有独特的优点，如灵敏度较高，分辨率较好等，在探伤中常用于焊缝及纵波难以探测的场合，应用比较广泛。
（3）表面波（R）
仅在固体表面传播且介质表面质点做椭圆运动的声波，称之表面波。
在实际探伤中，表面波常用来检验工件表面裂纹及渗碳层或覆盖层的表面质量。
对于普通钢材，超声波在其中传播的纵波速度最快，横波速度次之，表面波速度最慢。
因此，对同一频率超声波来说纵波的波长最长，横波次之，表面波最短。
由于探测缺陷的分辨力与波长有关，波长短的分辨力高，因此表面波的探测分辨力优于横波，横波优于纵波。
综上所述，由于超声波在金属介质中能够通过不同传播速度的不同波型，因此对金属焊缝进行探伤时必须选定所需超声波的波型，否则会使回波信号发生混乱从而得不到正确的探伤结果。
4.超声波入射异质界面时的透射、反射、折射和波型转换
（1）超声波垂直入射异质界面时的透射、反射和绕射
当超声波从一种介质垂直入射到第二种介质上时，其能量的一部分被反射而形成与入射波方向相反的反射波，其余能量则透过界面产生与入射波方向相同的透射波。
超声波反射能量W反与入射能量W入之比称之为超声波能量的反射系数K，即K=W反/W入。
超声波在异质界面上的反射是很严重的，尤其在固－－气界面上K＝1，因此探伤中良好的耦合是一个必要条件。
当然，焊缝与其中的缺陷构成的异质界面，也正因为有极大的反射才使探伤成为可能。
当界面尺寸很小时，超声波能绕过其边缘继续前进，即产生波的绕射。
由于绕射使反射回波减弱，一般认为超声波探伤中能探测到的缺陷尺寸为λ/2，这是一个重要原因。
显然，要想能探测到更小的缺陷，就必须提高超声波的频率。
（2）超声波倾斜入射异质界面时的反射、折射、波型转换和聚焦
若超声波由一种介质倾斜入射到另一种介质时，在异质界面上将会产生波的反射和折射，并产生波型转换。
不同波型的入射角、反射角、折射角的关系遵循几何光学的原理。
由于超声波通过介质时具有折射的性质，因此如同光线一样，可利用透镜进行聚焦。
聚焦所用的声透镜可用液体、金属、有机玻璃和环氧树脂等材料制作。
5.超声波具有可穿透物质和在物质中衰减的特性
超声波的这一性质与射线相似，但超声波的能量很大，因而具有更强的穿透能力。
超声波在大多数介质中，尤其在钢等金属材料中传播时，传输损失少，传播距离最大可以达到数米远。
所以，超声波探伤能够有较大的探测深度，这一优势是其他探伤方法没有的。
超声波在介质中传播时，其能量随着传播距离的增加而逐渐减弱的现象称为超声波的衰减。
在金属材料的超声波探伤中，引起超声波衰减的原因主要是散射，其声压按负指数规律衰减，其规律如下：
PX=P0e-αx（4－1）
式中Px--离压电晶体片表面为X处的声压（Pa）；
P0--超声波原始声压（Pa）；
e--自然对数的底；
α--金属材料的衰减系数（dB/m）；
X--超声波在金属材料中传播的距离（m）。
知识点二：
超声波探伤设备简介
超声波探伤设备主要由超声波探头及其附属部件组成，评判调整超声波探伤仪的性能，一般采用标准试块。
1、超声波探头
超声波探头又称压电超声换能器，是实现电－一声能量相互转换的能量转换器件。
（1）探头的种类
1）直探头
声束垂直于被探工件表面入射的探头称为直探头。
它可发射和接收纵波。
由压电元件、吸收块、保护膜和壳体等组成。
2）斜探头
利用透声斜楔块使声束倾斜于工件表面入射工件的探头称为斜探头。
它可发射和接收横波。
典型的斜探头结构如图4-1所示，它由探头、斜楔块、吸收块和壳体等组成。
探头与直探头相似，也是由电压元件和吸收块组成。
斜楔块用有机玻璃制作，它与工件组成固定倾斜的异质界面，使探头中压电元件发射的纵波通过波型转换，以折射横波在工件中传播。
通常横波斜探头以钢中折射角标称：
有γ=40°、45°、50°、60°、70°等几种；有时也以折射角的正切值标称：
k=tgγ=1.0、1.5、2.0、2.5、3.0。
图8-1斜探头结构
1-吸收块2-斜楔块3-压电晶片4-内部电源线5-外壳6-接头
⑶水浸聚焦探头一种由超声探头和声透镜组合而成的探头。
声透镜由环氧树脂浇铸成球形或圆柱形凹透镜，类似光学透镜能使光线聚焦一样，它可使超声波束集聚成一点或一条线。
由于聚焦探头的声束变细，声能集中，从而大幅度改善了超声波的指向性，提高了灵敏度和分辨力。
⑷双晶探头为了弥补普通直探头探测近表面缺陷时存在着盲区大、分辨力低的缺点而设计的探头。
探头内含两个压电元件，分别是发射晶片和接收晶片，中间用隔声层分开。
双晶探头又称为分割式TR探头，主要用于探测近表面缺陷和薄工件的测厚。
2．探头的主要参数
探头性能的好坏，直接影响着探伤结果的可靠性和准确性。
因此，对探头性能的有关指标，国家规定了基本的要求，生产中需定期测试以保证探伤质量。
焊缝超声波探伤常用斜探头。
斜探头的主要性能参数如下：
⑴折射角γ或k值γ或K值大小决定了声束入射工件的方向和声波传播途径，是为缺陷定位计算提供的一个有用数据，因此探头使用磨损后均需测量γ或k值。
⑵前沿长度声束入射点至探头前端面的距离称为前沿长度，又称为接近长度。
它反映了探头对有余高的焊缝接近的程度。
入射点是探头声束轴线与楔块底面的交点。
探头在使用前和使用过程中要经常要测定入射点位置，以便对缺陷进行准确定位。
⑶声轴偏离角它反映了主声束中心轴线与晶片中心法线的重合程度。
声轴偏离角除直接影响缺陷定位和指示长度的测量精度外，还会导致探伤者对缺陷方向产生误判，从而影响对探伤结果的分析。
3．探头型号
探头型号由五部分组成，用一组数字和字母表示，其排列顺序如下：
一
二
三
四
五
基本频率
晶片材料
晶片尺寸
探头种类
探头特征
⑴探头基本频率单位为MHz。
⑵压电晶片材料常用的压电晶片材料及其代号见表8-1所示。
⑶压电晶片尺寸单位为mm。
圆形晶片为晶片直径；方形晶片长度×宽度，分割探头晶片为分割前的尺寸。
⑷探头种类用汉语拼音缩写字母表示，见表8-1所示。
表8-1常用压电晶片材料和探头的代号
压电晶片材料
代号
探头种类
代号
锆钛酸铅陶瓷
P
直探头
Z
钛酸钡陶瓷
B
斜探头（用K值表示）
K
钛酸铅陶瓷
T
斜探头（用γ表示）
X
铌酸锂单晶
L
分割探头
FG
碘酸锂单晶
I
水浸探头
SJ
石英单晶
Q
表面波探头
BM
其它材料
N
可变角探头
KB
⑸探头特征斜探头用K值或γ表示，单位为度；分割探头为被探工件中声束交区深度，单位为mm；水浸聚焦探头为水中焦距，单位为mm，DJ表示点聚焦，XJ表示线聚焦。
示例5P6×6k3
基本频率为5MHz
晶片用锆钛酸铅陶瓷职称
方形晶片尺寸6mm×6mm
以K值表示的斜探头
斜探头K＝3.0
二、超声波探伤仪
超声波探伤仪的主要功能是产生超声频率的电振荡，以此来激励探头发射超声波。
同时，它又将探头接收到的回波电信号予以放大、处理，并通过一定方式显示出来。
1．超声波探伤仪的分类
按超声波的连续性可将探伤仪分为脉冲波、连续波和调频波探伤仪三种。
其中，后两种探伤仪，由于其探伤灵敏度低，缺陷测定有较大的局限性，所以在焊缝探伤中均不采用。
按缺陷显示方式，可将超声波探伤仪为A型显示（缺陷波幅显示）、B型显示（缺陷俯视图象显示）、C型显示（缺陷侧视图象显示）和3D型显示（缺陷三维图象显示）等。
按超声波的通道数目又可将探伤仪分为单通道和多通道探伤仪两种。
前者是由一个或一对探头单独工作；后者是由多个或多对探头交替工作，而每一通道相当于一台单通道探伤仪，适用于自动化探伤。
目前，焊缝超声波探伤中广泛使用A型显示脉冲反射式单通道超声波探伤仪。
2．A型脉冲反射式超声波探伤仪
A型脉冲反射式探伤仪电路框图如图8-2所示。
接通电源后，同步电路产生的触发脉冲同时加至扫描电路和发射电路。
扫描电路受触发后开始工作，产生的锯齿波电压加至示波管水平（x轴）偏转板上使电子束发生水平偏转，从而在示波屏产生一条水平扫描线（又称时间基线）。
与此同时，发射电路受触发产生高频窄脉冲加至探头，激励压电晶片振动而产生超声波，再通过探测表面的耦合剂将超声波导入工件。
超声波在工件中传播遇到缺陷或底面时会发生反射，回波被同一探头或接收探头所接收并被转变为电信号，经接收电路放大和检波后加到示波管垂直（y轴）偏转板上，使电子束发生垂直偏转，在水平扫描线的相应位置上产生始波T（表面反射波）、缺陷波F、底波B。
实际上，该探伤仪示波屏上横坐标反映了超声波的传播时间，纵坐标反映了反射波的振幅，因此通过始波T和缺陷F之间的距离，便可确定缺陷离工件表面的位置，同时通过缺陷波F的高度可决定缺陷的大小。
图8-2A型脉冲反射式超声波探伤仪原理
三、试块
试块是一种按一定用途设计制作的具有简单形状的人工反射体。
它是探伤标准的一个组成部分，是判定探伤对象质量的重要尺度。
在超声波探伤技术中，确定探伤灵敏度、显示探测距离、评价缺陷大小以及测试仪器和探头的组合性能等，都是利用试块来实现的。
运用试块为参考依据来进行比较是超声波探伤的一个特点。
根据使用的目的和要求，通常将试块分成标准试块和对比试块两大类。
1．标准试块
由法定机构对材质、形状、尺寸、性能等作出规定和检定的试块称为标准试块。
这种试块若是由国际机构（如国际焊接学会、国际无损检测协会等）制定的，则称为国际标准试块（如IIW试块）；若是国家制定的，则称为国家标准块（如日本STB-G试块）。
我国规定：
CSK-IB试块为焊缝探伤用标准试块。
CSK-IB试块是ISO-2400标准试块（即IIW-I型试块）的改进型，其形状和尺寸如图8-3所示。
图8-3CSK－IB试块
该试块的主要用途是：
⑴利用R100mm圆弧面测定探头入射点和前沿长度，利用φ50mm孔的反射波测定斜探头折射角（K值）。
⑵校检探伤仪水平线性和垂直线性。
⑶利用φ1.5mm横孔的反射波调整探伤灵敏度,利用R100圆弧调整探测范围。
⑷利用φ50mm圆孔估测直探头盲区和斜探头前后扫查声束特性。
⑸采用测试回波幅度或反射波宽度的方法可测定远场分辨力。
2．对比试块
对比试块又称参考试块，它是由各专业部门按某些具体探伤对象规定的试块。
国标规定RB试块为焊缝探伤用对比试块。
该试块共有三种，即RB-1（适用于8～25mm板厚）、RB-2（适用于8～100mm板厚）和RB-3（适用于8～150mm板厚），其形状和尺寸分别如图8-4、图8-5、图8-6所示。
RB试块主要用于绘制距离-波幅曲线，调整探测范围和扫描速度，确定探伤灵敏度和评定缺陷大小。
它是对工件进行评级判废的重要依据。
图8-4RB-I试块
图8-5RB-2试块
图8-6RB-3试块
第三节超声波探伤的基本方法
在超声波探伤中有各种探伤方式及方法。
按探头与工件接触方式分类，可将超声波探伤分为直接接触法和液浸法两种。
一、直接接触法
使探头直接接触工件进行探伤的方法称为直接接触法。
使用直接接触法应在探头和被探工件表面涂有一层耦合剂，作为传声介质。
常用的耦合剂有机油、变压器油、甘油、化学浆糊、水及水玻璃等。
焊缝探伤多采用化学浆糊和甘油。
由于耦合剂层很薄，因此可把探头与工件看作二者直接接触。
直接接触法主要采用A型脉冲反射法探伤仪，由于操作方便，探伤图形简单，判断容易且探伤灵敏度高，因此在实际生产中得到广泛应用。
1．垂直入射法
垂直入射法（简称垂直法）是采用直探头将声束垂直入射工件探伤面进行探伤的方法。
由于该法是利用纵波进行探伤，故又称纵波法，如图8-7所示。
当直探头在工件探伤面上移动时，经过无缺陷处探伤仪示波屏上只有始波T和底波B，如图8-7a。
若探头移到有缺陷处，且缺陷的反射面比声束小时，则示波屏上出现始波T、缺陷波F和底波B，如图8-7b。
若探头移至大缺陷（缺陷比声束大）处时，则示波屏上只出现始波T和缺陷波F，如图8-7c。
显然，垂直法探伤能发现与探伤面平行或近于平行的缺陷，适用于厚钢板、轴类、轮等几何形状简单的工件。
图8-7垂直法探伤
a）无缺陷b）小缺陷c）大缺陷
2．斜角探伤法
斜角探伤法（简称斜射法）是采用斜探头将声束倾斜入射工件探伤面进行探伤的方法。
由于它是利用横波进行探伤，故又称横波法，如图8-8所示。
当斜探头在工件探伤面上移动时，若工件内没有缺陷，则声束在工件内径多次反射将以"w"形路径传播，此时在示波屏上只有始波T，如图8-8a。
当工件存在缺陷，且该缺陷与声束垂直或倾斜角很小时，声束会被缺陷反射回来，此时示波屏上将显示出始波T、缺陷波F，如图8-8b。
当斜探头接近板端时，声束将被端角反射回来，此时在示波屏上将出现始波T和端角波B，如图8-8c。
图8-8斜角法探伤
a）无缺陷b）有缺陷c）接近板端
斜角探伤法能发现与探侧表面成角度的缺陷，常用于焊缝、环状锻件、管材的检查。
在焊缝探伤中，有时也采用一发一收两个斜探头，并用专门夹具固定成组，对焊缝进行所谓串列式扫查，称串列斜角探伤法，如图8-9所示。
前边为发射探头，其发射声束遇缺陷时，产生的反射波会被后边的接收探头所接收，从而在示波屏上出现示波T、缺陷波F。
探伤时，仪器的探头必须处在一发一收的工作状态。
串列斜角探伤对垂直于探伤面且具有平滑反射面的缺陷检查非常有效。
图8-9串列斜角探伤
二、液浸法
液浸法是将工件和探头头部浸在耦合液中，探头不接触工件的探伤方法。
根据工件和探头浸没方式，分为全没液浸法、局部液浸法和喷流式局部液浸法等。
其原理如图8-10所示。
图8-10液浸法
a）全没液浸法b）局部浸法c）喷流式液浸法
1-探头2-耦合液3-工件
液浸法当用水作耦合介质时，称作水浸法。
水浸法探伤时，探头常用聚焦探头。
其探伤原理和波形如图8-11所示，超声波从探头发出后，经过耦合层再射到工件表面，有一部分声能将被工件表面反射回来而形成一次界面反射波S1。
同时大部分声能传入工件，若工件中存在缺陷时，传入工件的声能的一部分被缺陷反射形成缺陷反射波F，其余声能传至工件底面产生底面反射波B。
因此，探伤波形中T～S1、S1～F及F～B之间的距离，各对应于探头到工件底面之间各段的距离。
当改变探头位置时，探伤波形中T～S1的距离也将随之改变，而S1～F、F～B的距离则保持不变。
图8-11水浸聚焦探伤原理和波形
1-探头2-工件3-缺陷4-水
T-始波S1-一次界面反射波F-缺陷波B-工件底波S2-二产供销界面射波
用液浸法探伤时，应注意使探头和工件之间耦合介质层有足够厚度，以避免二次界面反射S2出现在工件底波B之前。
一般要求探头到工件表面的距离应在工件厚度的1/3以上。
液浸法探伤由于探头与工件不直接接触，因而它具有探头不易磨损，声波的发射和接收比较稳定等优点。
其主要缺点是，它需要一些辅助设备，如液槽、探头桥架、探头操纵器等。
另外，由于液体耦合层一般较厚，因而声能损失较大。
第四节焊缝的超声波探伤
超声波探伤是通过探伤仪示波屏上反射回波的位置、高度、波形的静态和动态特征来显示被探工件质量优劣的。
采用超声波探伤法对焊缝探伤时，应根据工件的材质、结构、焊接方法、使用条件、载荷等，确定不同的探伤方案。
一、焊缝超声波探伤的一般程序
焊缝超声波探伤由探伤准备和现场探伤两部分组成，其一般程序如下：
1．编写委托检验书
委托书内容应有工件编号、材料、尺寸、规格、焊接方法、坡口形式等，同时也应注明探伤部位、探伤百分比、验收标准、级别或质量等级，并附有工件简图。
2．确定参加检验的人员
超声波探伤一般安排二人同时工作，由于超声波检验通常要当即给出检验结果，所以至少应有一名二级检验员担任主探伤。
3．检验员探伤前的准备
探伤人员了解工件和焊接工艺情况，是探伤前的一项重要准备工作。
检验员根据材质和工艺特征，可以预先判断可能出现的缺陷及分布规律。
同时，向焊工了解在焊接过程中偶然出现的一些问题及修补等详细情况，可有助于对可疑信号进行分析和判断。
4．现场粗探伤
以发现缺陷为主要目的，包括探测纵向、横向缺陷和其他取向缺陷，以及鉴别假信号等。
5．现场精探伤
针对粗探伤中发现的缺陷，进一步确切的测定缺陷的有关参数，例如缺陷的位置参数：
纵向坐标、横向坐标、深度坐标；缺陷的尺寸参数：
最大回波幅度dB值及在距离――波幅曲线上分区的位置、缺陷的当量或缺陷指示长度等。
6．评定焊接缺陷
依据探伤结果对缺陷反射波幅的评定、指示长度的评定、密集程度的评定及缺陷性质的估判。
根据评定结果给出检焊缝的质量等级。
但是，焊缝超声波探伤有其特殊性，有些评定项目并不规定等级，而是与验收标准联系在一起，直接给出合格与否的结论。
二、焊缝直接接触法超声波探伤
（一）超声波探伤检验等级的确定
焊缝中缺陷的位置、形状和方向直接影响缺陷的声反射率。
超声波探测焊缝的方向愈多，波束垂直于缺陷平面的机率愈大，缺陷的检出率也愈高，评结果也就愈准确。
根据对焊缝探测方向的多少，目前把超声波探伤划分为三个检验级别：
A级-－检验的完善程度最低，难度系数（K=1）最小。
适用于普通钢结构检验。
B级-－检验的完善程度一般，难度系数（K=5～6）较大。
适用于压力容器检验。
C级-－检验的完善程度最高，难度系数（K=10～12）最大。
适用于反应性容器与管道等的检验。
（二）超声波探伤面及探伤方法的选定
1．探伤面的选择与准备
探伤面应根据不同的检验等级和板厚来选择。
同时，探伤前必须对探头需要接触的焊缝两侧表面修整光洁，清除焊缝飞溅、铁屑、油垢及其它外部杂质，便于探头的自由扫查，并保证有良好的声波耦合。
修整后的表面粗糙度应不大于Ra6.3μm。
要求去除余高的焊缝，应将余高打磨到与邻近母材平齐。
而保留余高的焊缝，如焊缝表面有咬边、较大的隆起和凹陷等，也应进行适应的修磨并作圆滑过渡，以免影响检验结果的评定。
修磨好的焊缝应打上探伤部位编号作为缺陷定位和记录的依据。
2．探伤方法的选择
应当考虑工件的结构特征选择探伤方法,并以所采用的焊接方法容易生成的缺陷为主要探测目标,结合有关标准来选择。
（三）超声波探头的选择
1．探头形式的选择
根据工件的形状和可能出现缺陷的部位、方向等条件选择探头形式，原则上应尽量使声束轴线与缺陷反射面相垂直。
对于焊缝的探测，通常选用斜探头。
2．晶片尺寸的选择
晶片尺寸大，声束指向性好，能量大且集中，对探伤有利。
但同时，又会使近场区长度增加，对探伤不利。
实际探伤中，对于大厚度工件或粗晶材料的探伤，常采用大晶片探头；而对于薄工件或表面曲率较大的工件探伤，宜选用小晶片探头。
3．频率的选择
频率是制定探伤工艺的重要参数之一。
探伤频率的选择应根据工件的技术要求、材料状态及表面粗糙度等因素综合加以考虑。
对于粗糙表面、粗晶材料以及厚大工件的探伤，宜选用较低频率；对于表面粗糙度低、晶粒细小和薄壁工件的探伤，宜选用较高频率。
焊缝探伤中由于裂纹等面状缺陷大都与声束轴线呈一定夹角，此时若频率过高，则缺陷反射波指向性很强，且声束在工件中衰减过大，探头反而不易收到回波。
焊缝探伤时，一般选用超声波频率，以2～5MHz为宜，推荐采用2～2.5MHz。
4．探头角度或K值的选择
原则上应根据工件厚度和缺陷方向选择，即尽可能探测到整个焊缝厚度，并使声束尽可能垂直于主要缺陷。
焊缝探伤中，薄工件宜采用大K值探头，以拉开跨距，提高分辨力
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