数字位置传感器

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1、 本章本章学习几种常用数字式位置传学习几种常用数字式位置传感器的结构、原理，如角编码器、光感器的结构、原理，如角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器等等，并讨论他们在直线位移和角位移，并讨论他们在直线位移和角位移中测量、控制的应用。中测量、控制的应用。第十一章第十一章 数字式位置传感器数字式位置传感器7/25/20241第一节 位置测量的方式位置测量的方式 一、直接测量和间接测量一、直接测量和间接测量 位位置置传传感感器器有有直直线线式式和和旋旋转转式式两两大大类类。若若位位置置传传感感器器所所测测量量的的对对象象就就是是被被测测量量本本身身，即即用用直直

2、线线式式传传感感器器测测直直线线位位移移，用用旋旋转转式式传传感感器器测测角角位位移移，则则该该测测量量方方式式为为直直接接测测量量。例例如如直直接接用用于于直直线线位位移移测测量量的的直直线线光光栅栅和和长长磁磁栅栅等等；直直接接用用于于角角度度测测量量的的角角编编码码器器、圆圆光栅、圆磁栅光栅、圆磁栅等。等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，再由它再由它推算推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该出与之关联的移动部件的直线位移，则该测量方式为测量方式为间接测量间接测量。 7/25/202421.1.直接测量直接测量 直直接接测测量量的

3、的误误差差较较小。小。 图图为为利利用用光光栅栅传传感感器器测测量量数数控控机机床床工工作作台台位位移移量量的的现现场照片。场照片。 工作台工作台光栅光栅工作台运动方向工作台运动方向7/25/202432.2.间接测量间接测量 在间接测量在间接测量中，多使用旋转式中，多使用旋转式位置传感器。测量位置传感器。测量到的回转运动参数到的回转运动参数仅仅是中间值，但仅仅是中间值，但可由这中间值再推可由这中间值再推算出与之关联的移算出与之关联的移动部件的直线位移动部件的直线位移间接测量须使用丝间接测量须使用丝杠杠- -螺母、齿轮螺母、齿轮- -齿齿条等传动机构。条等传动机构。 工作台工作台丝杠丝杠编码器

4、编码器进给电机进给电机 x7/25/20244传动机构传动机构 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母副、齿轮副、齿轮- -齿条副齿条副等传动机构能够等传动机构能够将旋转运动转换将旋转运动转换成直线运动。但成直线运动。但应设法消除传导应设法消除传导过程产生的间隙过程产生的间隙误差。误差。 齿距齿距齿条齿条齿轮齿轮 x7/25/20245滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 滚珠丝杠螺母滚珠丝杠螺母副能够将减小传副能够将减小传动磨檫力，延长动磨檫力，延长使用寿命，减小使用寿命，减小间隙误差。间隙误差。 螺母螺母丝杠丝杠x 7/25/20246传动分析传动分析 设：螺距设：螺距t=4mm，丝杠在丝杠在4s时间里转动了时

5、间里转动了10圈，圈，求：丝杠的平均转速求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫及螺母移动了多少毫米？螺母的平均速度米？螺母的平均速度v又为多少？又为多少？ 螺母螺母丝杠丝杠螺距螺距x=？N=10圈圈7/25/20247 二、增量式和二、增量式和 绝对式测量绝对式测量 在在增量式增量式测量中，移动测量中，移动部件每移动一个基本长度单部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，冲形式。这样，一个脉冲一个脉冲所所代表的基本长度单位就是代表的基本长度单位就是分分辨力辨力，对脉冲，对脉冲计数计数，便可

6、得，便可得到位移量。到位移量。绝对式绝对式测量的特点是：测量的特点是： 每一被测点都有一个对应的每一被测点都有一个对应的编码编码，常以，常以二进制数据二进制数据形式形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器绝对式角编码器。增量式测量得到的脉冲波形增量式测量得到的脉冲波形7/25/20248作业作业p201:p201:3 3、5 57/25/20249休休 息息 一一 下下7/25/202410第二节第二节 数字式角编码器数字式角编码器 信号

7、航空插头信号航空插头（参考德国沃申道夫公司资料）参考德国沃申道夫公司资料）7/25/202411其他角编码器外形其他角编码器外形7/25/202412其他角编码器外形（续其他角编码器外形（续） 拉拉线式线式角编角编码器利用线轮，码器利用线轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。7/25/202413其他角编码器外形其他角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）7/25/202414一、绝对式编码器 绝对式码盘与增量绝对式码盘与增量式码盘有何区别？式码盘有何区别？10码道光电绝对式码盘码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照绝

8、对式编码器按照角度直接进行编码，角度直接进行编码，可直接把被测转角用可直接把被测转角用数字代码表示出来。数字代码表示出来。根据内部结构和检测根据内部结构和检测方式有接触式、光电方式有接触式、光电式等形式。式等形式。 透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志7/25/202415绝对式接触式编码器绝对式接触式编码器演示演示4 4个电刷个电刷 4 4位二进制位二进制码盘码盘 +5V+5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为 =360/2n 7/25/2024162 2绝对式光电编码器绝对式光电编码器 a a）光电码盘的平面结构（光电码盘的平面结构（8 8码道）码道） b b

9、）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4 4码道）码道） 高位高位低位低位7/25/202417绝对式光电编码器的分辨力及分辨率绝对式光电编码器的分辨力及分辨率 绝对式光电编码器的测量精度取决绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数的码道数n 有关，即最小能分辨的角度及有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：分辨率为： =360/2n分辨率分辨率=1/2n7/25/202418增量式光电编码器的分辨力及分辨率增量式光电编码器的分辨力及分辨率 增量式光电编码器的测量精度取决于它增量式光电编码器的

10、测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：分辨率为： 7/25/202419二、增量式编码器转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A、B狭缝狭缝LEDABC零位标志零位标志ABC7/25/202420光电编码器的输出波形光电编码器的输出波形 为了判断码盘旋转的方向，在上图为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两的光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个个狭缝距离的（狭缝距离的（m +1/4）倍，倍，m

11、 为正整数，为正整数，并设置了两组光敏元件并设置了两组光敏元件A、B，有时又称有时又称为为sin、cos元件。元件。7/25/202421辨向信号和零标志辨向信号和零标志 光光电电编编码码器器的的光光栏栏板板上上有有A组组与与B组组两两组组狭狭缝缝，彼彼此此错错开开1/4节节距距，两两组组狭狭缝缝相相对对应应的的光光敏敏元元件件所所产产生生的的信信号号A、 B彼彼此此相相差差90 相相位位，用用于于辩辩向向。当当编编码码正正转转时时，A信信号号超超前前B信信号号90 ；当当码码盘盘反反转转时时，B信号超前信号超前A信号信号90 。(请画出反转时信号请画出反转时信号B的波形）的波形） 在在上上一

12、一页页图图的的码码盘盘里里圈圈，还还有有一一根根狭狭缝缝C，每每转转能能产产生生一一个个脉脉冲冲，该该脉脉冲冲信信号号又又称称“一一转转信信号号”或或零标志脉冲零标志脉冲，作为测量的，作为测量的起始基准起始基准。7/25/202422三、角编码器的应用三、角编码器的应用 角角编编码码器器除除了了能能直直接接测测量量角角位位移移或或间间接接测测量量直直线线位位移移外外，可可用用于于数数字字测测速速、工工位编码、位编码、伺服电机控制伺服电机控制等。等。 7/25/202423M法测速（适合于高转速场合）法测速（适合于高转速场合）T 编编码码器器每每转转产产生生 N 个个脉脉冲冲，在在T 时时间间段

13、段内内有有 m1 个个脉脉冲冲产产生生，则则转转速速（r/min)为为 ：n = 60m1/（NT） m17/25/202424例题例题T 有有一一增增量量式式光光电电编编码码器器，其其参参数数为为1024p/r， 在在5s时时间间内内测测得得65536个个脉脉冲冲，则则转速（转速（r/min)为为 ： n = 60 65536 /（1024 5） r/min = 768 r/min m17/25/202425T法测速（适合于低转速场合）法测速（适合于低转速场合）时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 编编码码器器每每转转产产生生 N 个个脉脉冲冲，用用已已知知频频率率fc作

14、作为为时时钟钟，填填充充到到编编码码器器输输出出的的两两个个相相邻邻脉脉冲冲之之间间的的脉脉冲冲数数为为m2 ，则则转转速速(r/min)为为 n = 60fc / （Nm2 ） 7/25/202426T法测速举例法测速举例时钟脉冲时钟脉冲fc 编码器输出脉冲编码器输出脉冲 m2 n = 60fc /（Nm2 ） = 60*1000000/（1024*3000） =19.53 r/min 有一增量式光电编码器，其参数为有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为测得两个相邻脉冲之间的脉冲数为3000，时钟频时钟频率率fc为为1MHz ，则转速（则转速（r/min

15、)为为 ：7/25/202427安装套安装套编码器的安装方式编码器的安装方式 1.1.编码器编码器的套式安装的套式安装7/25/202428安装轴安装轴2.2.编码器的轴式安装编码器的轴式安装7/25/202429编码器在定位编码器在定位加工中的加工中的应用应用11绝对式编码器绝对式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 设该增量式光电编码器设该增量式光电编码器的参数为的参数为1024 1024 p/rp/r，大、小大、小皮带轮的传动比为皮带轮的传动比为5 5，若希望，若希望当加工好元件当加工好元件1 1后紧接着加工后紧接着加工元件元件8 8，则电动机转动了多少

16、，则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器分之几圈？应等待编码器给给出多少脉冲数时，出多少脉冲数时，电动机停电动机停转？转？7/25/202430数控数控加工中心加工中心7/25/202431 编码器在数编码器在数控控加工中心的刀库加工中心的刀库选刀控制中选刀控制中的应用的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出为角编码器的输出为当前刀具号当前刀具号角编码器与角编码器与 旋转刀库连接旋转刀库连接7/25/202432 用不同的刀具用不同的刀具加工复杂的工件加工复杂的工件7/25/202433编码器在伺服电机中的应用编码器在伺服电机中的应用 利用利用编码器测编码器测量量伺服

17、电机的转速、伺服电机的转速、转角，并通过伺服转角，并通过伺服控制系统控制其各控制系统控制其各种运行参数。种运行参数。转速测量转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量7/25/202434作业作业p201:p201:3 3、5 57/25/202435休休 息息 一一 下下7/25/202436第三节第三节 光栅传感器光栅传感器 一、光栅的类型和结构一、光栅的类型和结构 计量光栅可分为透射式光栅和反射计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按形状敏元件三大部分组成。计量光栅按形状又可分为长光

18、栅和圆光栅。又可分为长光栅和圆光栅。 7/25/202437尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅防尘保护罩的内部为长磁栅7/25/202438扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）7/25/202439反射式光栅反射式光栅7/25/202440透射式光栅透射式光栅7/25/202441透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定7/25/202442莫尔条纹莫尔条纹的

19、光学放大作用的光学放大作用 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。 光栅的刻线宽度光栅的刻线宽度W莫尔条纹的莫尔条纹的宽度宽度L L LW/ ，（为主为主光栅和光栅和指示光栅刻线的指示光栅刻线的夹角，弧度）夹角，弧度） 7/

20、25/202443莫尔条纹莫尔条纹演示演示7/25/202444莫尔条纹莫尔条纹光学放大作用光学放大作用举例举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指，主光栅与指示光栅的夹角示光栅的夹角 =1.8 ，则：，则： 分辨力分辨力 =栅距栅距W =1mm/50=0.02mm=20 m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的莫尔条纹的宽度是栅距的宽度是栅距的32倍：倍： L W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电

21、池由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察观察”莫尔条纹莫尔条纹光强的变化。光强的变化。7/25/202445光栅的输出信号（光栅的输出信号（TTLTTL）余弦信号余弦信号（超前）（超前）正弦信号正弦信号零位零位信号信号7/25/202446光栅输出信号（电压正弦波）光栅输出信号（电压正弦波）细分点细分点余弦信号余弦信号正弦信号正弦信号零位零位信号信号7/25/202447脉冲细分脉冲细分 细细分分技技术术能能在在不不增增加加光光栅栅刻刻线线数数及及价价格格的的情情况况下下提提高高光光栅栅的的分分辨辨力力。细细分分前前，光光栅栅的的分分辨辨力力只只有有一一个个栅栅距距的的大大小小。采采用用4

22、4细细分分技技术术后后，计计数数脉脉冲冲的的频频率率提提高高了了4 4倍倍，相相当当于于原原光光栅栅的的分分辨辨力力提提高高了了3 3倍倍，测测量量步步距距是是原原来来的的1/41/4，较较大大地地提提高高了了测量精度。测量精度。细分前细分前细分后细分后7/25/202448光栅细分光栅细分举例举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为50，细，细分数为分数为4细分细分，则：，则： 分辨力分辨力 =W /4 =（1mm/50）/4=0.005mm=5 m 采用细分技术，采用细分技术，在在不不增加光栅增加光栅刻线数刻线数（成本）的情况下，将分辨力提高了（成本）的情况下，将分辨

23、力提高了3倍。倍。7/25/202449辨向电路及波形辨向电路及波形 如果传感器只安装一套光电元件，则如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，无法分辨位移的方向。号，无法分辨位移的方向。 例：某例：某1024p/r 圆光栅，正转圆光栅，正转10圈，反圈，反转转 4 圈，若不采取辨向措施，则计数器将圈，若不采取辨向措施，则计数器将错误地得到错误地得到14336个脉冲，而正确值为：个脉冲，而正确值为：(104)10246144个脉冲。个脉冲。7/25/2024

24、50正向运动正向运动产生产生加法脉冲加法脉冲 正向正向运动时，运动时，与与门门IC2无无“减减”计数计数脉冲输脉冲输出。出。7/25/202451为光栅设计的专用数据转接器为光栅设计的专用数据转接器（光栅计数卡）（光栅计数卡） 内部包含以下电路：放大、整形、内部包含以下电路：放大、整形、细分、辨向、报警、阻抗变换等。细分、辨向、报警、阻抗变换等。7/25/202452为光栅设计为光栅设计的专用信号的专用信号处理单元处理单元 （光栅插补器）（光栅插补器）功能同上页功能同上页7/25/202453光栅在机床上的安装位置光栅在机床上的安装位置（2 2个自由度）个自由度）7/25/202454光栅在机

25、床上的安装位置光栅在机床上的安装位置（3个自由度）个自由度）数显表数显表7/25/202455光栅在机床上光栅在机床上的安装位置的安装位置 （3个自由度）个自由度）（续）（续）7/25/2024562 2自由度光栅数显表自由度光栅数显表X位移位移显示显示Z（Y）位移位移显示显示7/25/2024573 3自由度光栅数显表自由度光栅数显表7/25/202458光栅数显表（续）光栅数显表（续）三三座标座标数显表数显表7/25/202459SDS8-3E SDS8-3E 光栅数显箱功能光栅数显箱功能: : 公制公制/英制转换英制转换绝对绝对/相对转换相对转换线性误差补偿线性误差补偿正反方向计算正反方

26、向计算归零归零插值补偿插值补偿到达目标值停机到达目标值停机PCD圆周分孔圆周分孔200组零位记忆组零位记忆电蚀深度目标值显示电蚀深度目标值显示实时工作位置显示实时工作位置显示掉电记忆掉电记忆 7/25/202460光栅数显表（续）光栅数显表（续） 设定按键设定按键7/25/202461安装有直线光栅的数控机床加工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部7/25/202462作业作业p201:p201:3 3、5 57/25/202463休休 息息 一一 下下

27、7/25/202464第四节第四节 磁栅传感器磁栅传感器 磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易磁栅价格低于光栅，且录磁方便、易于安装，测量范围宽可于安装，测量范围宽可超过十几米超过十几米，抗干，抗干扰能力强。磁栅可分为扰能力强。磁栅可分为长磁栅长磁栅和和圆磁栅圆磁栅。长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主长磁栅主要用于直线位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁要用于角位移测量。磁栅传感器主要由磁尺、磁头和信号处理电路组成。尺、磁头和信号处理电路组成。 7/25/202465磁栅的外形及结构磁栅的外形及结构磁尺磁尺静态磁头静态磁头去去信号处理电路信号处理电路固定孔固定孔7/25/202

28、466磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示磁头与磁尺相对运动时的输出波形演示7/25/202467鉴相型磁栅数显表的原理框图鉴相型磁栅数显表的原理框图 磁尺与磁头接触，使用寿命磁尺与磁头接触，使用寿命不如光栅，数年后易退磁。不如光栅，数年后易退磁。设置两个磁头的设置两个磁头的意义何在？意义何在？7/25/202468磁栅测量系统磁栅测量系统压板压板磁头磁头磁尺磁尺7/25/202469磁栅在磨床测长系统中的应用磁栅在磨床测长系统中的应用磁尺磁尺磁头安装在何处？磁头安装在何处？7/25/202470第五节第五节 容栅传感器容栅传感器 容栅传感器是基于容栅传感器是基于变面积变面积工作原理工作原理的电

29、容传感器，它的的电容传感器，它的电极排列如同栅状电极排列如同栅状。与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相与其他大位移传感器，如光栅、磁栅等相比，虽然精度稍差，但比，虽然精度稍差，但体积小、造价低、体积小、造价低、耗电省耗电省，广泛应用于电子数显卡尺、千分，广泛应用于电子数显卡尺、千分尺、高度仪、坐标仪等尺、高度仪、坐标仪等几百毫米以下几百毫米以下行程行程的测量中。的测量中。 7/25/202471结构及工作原理结构及工作原理 容容栅栅传传感感器器可可分分为为三三类类：直直线线型型容容栅栅、圆圆容容栅栅和和圆圆筒筒形形容容栅栅。其其中中，直直线线型型和和圆圆筒筒形形容容栅栅传传感感器器用用于于直直

30、线线位位移移的的测测量量，圆圆形形容容栅栅传传感感器器用用于于角角位位移移的的测测量量。 7/25/202472各种容栅测量装置各种容栅测量装置7/25/202473各种容栅数显表各种容栅数显表7/25/202474各种容栅数显卡尺各种容栅数显卡尺7/25/202475各种容栅数显卡尺（续）该该卡尺的分辨力为多少微米？卡尺的分辨力为多少微米？7/25/202476各种容栅卡尺（续）各种容栅卡尺（续）7/25/202477各种容栅数显卡尺（续）各种容栅数显卡尺（续）外外卡尺卡尺汽车专用卡尺汽车专用卡尺7/25/202478各种容栅数显卡尺（续）各种容栅数显卡尺（续）内卡尺内卡尺7/25/2024

31、79容栅数显卡尺的结构容栅数显卡尺的结构7/25/202480容栅数显卡尺内的数据容栅数显卡尺内的数据和信号处理组合功能块和信号处理组合功能块7/25/202481数显千分尺数显千分尺该该千分尺的分辨力为多少微米？千分尺的分辨力为多少微米？7/25/202482数显千分尺（续）数显千分尺（续）7/25/202483数显外径测量台数显外径测量台7/25/202484数显内螺孔深度尺数显内螺孔深度尺7/25/202485容栅数显百分表容栅数显百分表红宝石红宝石测头测头7/25/202486其他容栅数显百分表其他容栅数显百分表7/25/202487容栅数显千分表容栅数显千分表 可以显示可以显示1 m

32、位位移量的千分表移量的千分表 千分表与百分表的千分表与百分表的本质区别在哪里？本质区别在哪里？7/25/202488容栅数显测高仪量程量程 750mm分辨率分辨率 0.001mm示值误差示值误差 0.0075mm示值重复性示值重复性 0.002mm (3)测量力测量力 13N 可调可调测量滑架的最大速度测量滑架的最大速度1 米米/秒秒 底座底座测测头头7/25/202489容栅数显测高仪容栅数显测高仪1.测力调节测力调节2.测头导轨测头导轨3.测头测头4.坐坐垫垫5.液晶屏显示液晶屏显示6.触摸开关触摸开关7.RS-232 输出输出8.打印机打印机9.驱动开关驱动开关10.气泵开关气泵开关11.电源线电源线 7/25/202490