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文档简介

1、,磁罗经定义:在罗盘磁针与地磁场相互作用下,罗盘能指向磁北极的航海指向仪器。 特点:结构简单,性能可靠,不依赖任何外界条件可独立工作。但受船磁场的影响,罗盘偏离磁北会产生自差。 1997年,IMO通过安装磁罗经的决议,凡大于150总吨以上船舶均应安装:,船用磁罗经(Magnetic Compass),一台标准磁罗经 2) 一台操舵磁罗经;若标准磁罗经为投影或反射式的,可免装操舵罗经 3) 标准罗经与操舵位置间有可靠联络手段 4) 备用一台标准罗经 5) 正确校正磁罗经自差,并有剩余自差表和自差曲线 磁罗经作用:指向及定位,与陀螺罗经一起相辅相成保证船舶安全航行,第一节、磁基础知识 第二节、船用

2、磁罗经 第三节、磁罗经自差原理 第四节、磁罗经自差的测定与校正,船用磁罗经,一 、磁基本概念 二、磁铁 三、磁铁的磁场 四、磁铁体磁化 五、地磁,第一节、磁基础知识,一 、磁基本概念,磁量为m 1和m 2两磁极所产生的相互作用力为: F K ( m1 m2) / r2 ( m1m2) / r2 (在真空,K1),两磁极间的作用力 F(库仑定律),单位磁量: 若在真空中,m1= m2, r = 1cm, F =1dyn,则该磁量称为单位磁量 磁场强度H: 在磁场中某点处,单位正磁量所受到的作用力,称为该点的磁场强度 H = m/r2 (奥),磁感应强度B: 磁感应强度等于磁化场的场强H和铁磁体被

3、磁化后产生的附加磁场H之和,即 B = H + H (高) B = H 磁导率 l均匀磁场 若在一定范围内各点的场强大小相等,方向平行则称此范围内的磁场为均匀磁场。,磁性,物体吸引铁镍等物质的性质。 磁极:磁铁磁性最强处,磁极距端点处为L/12,磁量|-m|=|+m|。,二、磁铁(magnets),磁距(moment):表示磁铁磁性的强弱。 M2lm 磁铁磁距为同名磁量与两磁间距的乘积。 如何保持磁铁磁性: 避免高温振动和恒定磁场干扰; 异名极相靠。,单位正磁量位于磁轴延长线上A点, N极在A点作用力为 FN m /(r-l)2 S极在A点作用力为 FS m / (r+l) 2 则在A点的场强

4、为: H1 = FN + FS = m/(r-l)2m/(r+l)2 = 4rlm/(r2-l2)2 当r l时,H1 2M / r3 H1指向:由S指向N,三、磁铁的磁场,1.在磁轴延长线上某点场强,当lr时,则:,N极和S极在B点作用力FN和FS大小相等,方向对称,即: FNFSm / (r2+l2) FN和FS在水平方向上合力为:,2.在磁轴垂直平分线上某点场强 ;,平行于磁铁轴,指向S极,当与 磁铁中心距离r不变时,位于磁轴延 长线上场强比位于磁轴垂直平分线,H2的指向:,场强大一倍,1.自然界物质按导磁能力可分为: l 磁性物质:铁,镍,钴及其合金等材料, 磁导率1; l 非磁性物质

5、:铜,铝,木,纸,橡胶, 等,磁导率1; l 磁性物质可被磁化:磁力线进端,呈现S极;磁力线出端,呈现N极。 l 非磁性物质不能被磁化。,S,N,H,四、磁铁体磁化,2磁性物质依据其保留磁性程度可分为: 软铁:可在弱磁场中被磁化,但其磁性不固定,随外界磁化场的变化而变化, 可达上万; 硬铁:须在较强磁场中磁化,被磁化后可较长期保留磁性,可达数百至上千。,硬铁,软铁,3磁滞回线 矫顽力Hc:使B(磁感应强度)减小至零的反向磁场Hc称为矫顽力。 剩磁Br:当H变为零时,铁磁体所具有的磁感应强度Br称为剩磁。 硬铁:Br大,Hc大,磁滞回线面积大,Hc通常大于50奥,如碳钢等。 软铁:Br很小,Hc

6、很小,磁滞回线面积狭小,Hc通常小于几奥,如矽钢等。,1地磁极 N,S地磁极位于地球深处,与地理N,S极不重合。 地磁极位置不固定,绕地理N,S极缓慢移动。 磁北极具有负磁量磁南极具有正磁量。 磁力线由南指向北,五、地磁 (terrestrial magnetism),2地磁要素 地磁总力T:沿磁力线切线方向。 磁倾角:地磁总力T与水平面之间的夹角,在北纬:,在南纬: 地磁水平和垂直水平分力: HTcos ZTsin 磁差Var:磁子午面与地理子午面间水平夹角。有东西磁差之分 磁赤道:磁倾角为零点的连线 地磁三要素:H,Var,一、船用磁罗经分类 二、磁罗经结构 三、磁罗经的安装 四、磁罗经的

7、检查,第二节、船用磁罗经,按用途分类: 标准罗经:安装在驾驶台顶的露天甲板上,因安装位置较高,受船磁影响小,故称为标准罗经。 操舵罗经:安装在驾驶室内,用于读取船舶航向。 应急罗经:安装在船尾应急舵前面,用于应急时操舵用。 救生艇罗经:供操纵救生艇时使用。,一、船用罗经分类,2.按罗盘直径分类: 有190mm , 165mm 和 130mm三种。 3.按有无液体分类: 液体罗经:罗盆内充满液体,罗经性能优良,故被广泛使用; 干罗经:罗盘支在轴针上,当船舶摇摆时罗盘稳定性能差,该种罗经已被淘汰。,组成:罗经盆,罗经柜,自差校正器 1.罗盆(compass bowl),二、磁罗经结构,罗经盆由罗盆

8、本体与罗盘组成 罗盆本体 罗盆盆体一般用铜材料制造。 注液孔:用以消除罗盆内气泡。 基线:首基线用于读取船航向。 罗盆液体:多用酒精(45)和蒸馏水(55)的混合液体,,酒精的作用是降低冰点(26)还有使用煤油和防冻液作为罗盆液体。 采取防止液体热膨胀冷缩措施 1)罗盆底部为铜皱片 2)罗盆分为上下两室由毛细管连通,通过罗盆内的压力来调节。 为保持罗盆的稳定性 1) 降低罗盆的重心,在罗盆底部加配重。 2) 罗盆架在常平环上。,罗盘(compass card) 罗盘是指示方向的灵敏部件. 罗盘组成:刻度盘,浮室,磁钢和轴帽 1) 刻度盘由铜片,环氧玻璃布等非磁性材制作,上面刻有0360度刻度和

9、方向点。 2) 浮室:为水密空气室以增加罗盘浮力减小轴针与轴帽之间的摩擦力。 3) 轴帽:轴帽中心处嵌有宝石,轴针尖端由铱金等硬金属制成,以减小与轴帽间的摩擦力。 4) 磁钢:磁钢轴线与刻度盘0180度对称平行罗盘磁钢有条形磁棒和环形磁钢两种类型。,2.罗经柜 (binnacle stand) 罗经柜由非磁性材料制作,用于放置罗盆和自差校正器。 自差校正器,1.磁罗经安装位置应满足的条件: 罗经应安装在船首尾面内,否则因船铁不对称,易使罗经产生较大的剩余自差; 船舶上特别是顶甲板上的钢铁器件应尽量远离罗经,至少大于1米以上; 罗经周围应是开敞的,以便于观测方位。,三:磁罗经的安装,2、罗经的安

10、装 首先用尺测量将罗经 安放在船首尾面内 利用方位圈,借助位 于船首尾内的桅杆和 烟囱等目标,校对罗 经的基线是否准确 罗经基线误差小于0.5,烟囱,磁罗经,桅杆,1.罗盘灵敏度 该项检查实际上是检查轴针与轴帽间摩擦力的大小; 检查方法:用小磁铁将罗盘从原平衡位置向左和向右分别引偏23度,然后移去小磁铁,视罗盘是否恢复原位; 要求与原航向读数相差小于0.2度。,四、磁罗经的检查,2、罗盘摆动周期 1)测量罗盘的摆动半周期来检查罗盘 磁力大小。 2)检查方法:用磁铁将罗盘从原来平衡位置分别向左右引偏40度,移去磁铁,用秒表测量罗盘的摆动半周期,取其平均值。 罗盘摆动半周期应不小于 秒。,(H微特

11、,1奥100微特),3、排除罗盆气泡 1) 气泡产生的原因: a. 因胶皮垫圈老化导致罗盆密封处漏水; b. 浮室漏水。 2) 罗盆内有气泡,会影响观测航向和方位,应及时予以排除。 3) 消除气泡方法: a. 先鉴别罗盆内是何种液体; b. 配制相同的液体; c. 注液孔朝上,用注射器注入液体,直至气泡完全消除为止。,5.自差校正器的检查 硬铁校正器:应无锈,磁棒的极性应与标记相符; 软铁校正器:应不含永久性磁性; 软铁球:将球贴近罗经柜原位转动,若基线所指的度数发生了变化,说明软铁球含有永久性磁性。 佛氏铁:船位于东或西航向上,将佛氏铁分段正反向放入筒中,若航向发生变化,说明佛氏铁含有永久磁

12、性。 可采用敲击,加热的方法退磁。,自差:指罗北偏离磁北的角度。 自差产生的原因:由船磁力(硬铁船磁力和软铁船磁力)产生。 一、波松方程 二、船舶正平时自差 三、倾斜自差,第三节、磁罗经自差原理,1.坐标系(右手直角坐标系): ox:向船首为正; oy:向右舷为正; oz:向下为正。,x,一、泊松方程,2.地磁场对罗经的作用力: 地磁力在罗经三个坐标轴上投影力为:,(“”使三角函数 与坐标系正负号相一致),ox:XHcos ,oy:YHsin ,oz:Z = Z,3.永久船磁对罗经的作用力,1)船硬铁力F在三坐标轴上投影力为: ox:P oy:Q oz:R,2)相对于罗经坐标系,硬铁力的大小和

13、方向固定不变,取决于造船时船首方向及罗经安装位置。,软铁本身没有磁性。 船上软铁可分解成纵向,横向和垂直向的软铁杆,它们分别被地磁力投影力X,Y和Z磁化后,才获得磁性,即对罗经产生作用力。,4、感应船磁对罗经的作用力,船上所纵向软铁杆被X力磁化后对罗经产生总作用力为lX 系数l取决于罗经的位置,纵向软铁杆的数量和性质,1) 纵向软铁杆对罗经的作用,将lX分解到罗经三个坐标轴上: OX: aX OY: dX OZ: gX,类似的,船上所有的横向软铁杆被Y力磁化后,对罗经产生的总作用力为mY,将其分解到三个坐标轴上:,2) 横向软铁杆对罗经的作用,OX:bY ; OY:eY ; OZ:hY ;,船

14、上所有垂直向软铁杆被Z力磁化后,对罗经产生的总作用力为nZ,其在三个坐标轴上投影为:,3) 垂直方向软铁杆对罗经的作用,OX:cZ ; OY:fZ ; OZ:kZ ;,XX+aX+bY+cZ+P YY+dX+eY+fZ+Q Z Z+gX+hY+kZ+R,-Y,X,H,o,Nm,4).柏松方程:,5 、 软铁系数: a,b,c,d,e,f,g,h,k均称为软铁系数 当罗经的位置和软铁数量不变时,软铁系数的大小和符号固定不变。 系数a,e 1) 船体结构可分解为很多纵横向软铁 因此a,e系数较大; 2)大部分纵横向软铁是沿船首尾和左 右舷连续的,因此a,e均为负值;,3)因为横软铁两端磁极比纵向软

15、铁两端磁极至罗经的距离近。故|e|a|。 系数c 船上罗经总是安装在顶甲板的前方,与烟囱较为接近,故系数c较大,且为负值。 系数k 因罗经位置较高,位于罗经下面的垂直软铁较多,故系数k较大,且为正值。,系数g 系数g较小,其符号随罗经安装位置而定。 系数b,d,g,h 因船舶结构都是左右舷对称的,所以安装在船首尾面上的罗经系数b,d,f,h都是正负值同时存在,几乎可相互抵消,因此,一般船上的软铁系数b,d,f,h约为零。,1、罗盘平面上作用力 船正平时,只有泊松方程中的X和Y 两个力对罗经产生影响。 (2) 把X 和Y 分别投影到磁子午线上和垂直磁子午线方向上。,二、船舶正平时自差,在磁子午线

16、上的投影为:,在垂直磁子午线上投影为:,代入以上两式整理后得:,将:,A ,B,C ,D,E 称为准确自差系数,A B C = D E ,罗盘平面上共六个力:一个指北力H,五个自差力A H,B H,C H,D H和E H。,2、各自差力作用方向及其产生的自差与航向和船磁纬度之间的关系: 1)指北力H 由在磁子午线和垂直于磁子午线上的投影公式:,HCOS = H HSin = 0,2、各自差力作用方向及其产生的自差与航向和船磁纬度之间的关系: 1)指北力H H沿磁子午线指向磁北, H不产生 自差。 称为指北力系数,0 1, 标0.80.9 操=0.6 0.8 0.3 罗经不能正常工作,2) AH

17、 力 由垂直磁子午线上投影公式: HCOS = HSin = A ( H )2= ( H )2+( A H )2 tgA AH / H =AA恒定自差系数,2) AH 力 A H力作用方向垂直于磁子午线,与航向无关; A 0, AH指向东;A 0, AH指向西。 A H力大小和方向不变,故产生恒定自差A tgA AH / H =AA恒定自差系数,A,A与航向关系: A为一与航向轴平行 的直线。,A与磁纬度关系: A tg-1Atg-1,因系数d,b与磁纬度的变化无关, 故 A不随磁纬度发生变化。,o,A,90,180,270, ,3) BH力由在磁子午线和垂直磁子午线上投影公式: HCOS =

18、 H+ B H COSMC HSin = B H Sin MC ( H )2= ( H )2+( B H )2 +2 HB H COSMC,3) BH力 B H指向磁航向, B 0, BH指向船首。 B 0, BH指向船尾。 BH产生自差B,当 B较小时, B=Bsin ,B与罗经航向成正弦函数关系, B称为半圆自差(航向每变化半个圆自差变号一次), B 称为半圆自差系数。, ,因地磁力 Z,H随磁纬变化而变化, 故B随纬度发生变化。,B ,4) C H力 由在磁子午线和垂直磁子午线上投影公式: ( H )2= ( H )2+( C H )2 +2 H C HCOS(MC +900),当c较小

19、时: cC cos ,4) C H力 C H指向 90, C 0, C H指向右舷, C 0, C H 指向左舷。 C H产生自差c,当c较小时: cC cos ,c 与罗航向成余弦函数关系,c 称为半圆自差, C 称为半圆自差系数。 C ,因地磁力 Z,H随磁纬变化而变化 , 故c随纬度发生变化。,5) D H力 由在磁子午线和垂直磁子午线上投影公式: ( H )2= ( H )2+( D H )2 +2 H D H COS 2MC,5) D H力 D H指向2 或2 180 D 0, D H指向2 ; D 0, DH指向2180 D H 产生自差D,当D较小时, D D sin2 D随航向

20、2倍正弦函数关系变化 因航向每变化一个象限,自差变号一次故 D称为象限自差 D 称为象限自差系数。,因系数a,e和与磁纬度变化无关 故D不随磁纬度发生变化。,D ,6) E H力 由在磁子午线和垂直磁子午线上投影 ( H )2= ( H )2+( E H )2 +2 H E hHCOS(2MC +900),6) E H力 E H指向2 90,E 0, E H指向2 +90 E 0, E H 指向2 90 E H产生自差E:,当E较小时: EE cos2 E随2倍罗航向余弦关系变化,E称为象限自差,E 称为象限自差系数。 E ,因系数d,b和与磁纬度变化无关 故E 不随磁纬度发生变化。,3、正平

21、时自差公式: 磁罗经在某航向上的自差应是各种自差的总和,即自差公式: A B C D E ABsin Ccos Dsin2 +Ecos2 自差公式应用的条件是自差较小, 要求:误差小于0.1时, 3 误差小于0.2时, 5 ,1.倾斜自差产生原因 船倾斜时,罗盘仍保持水平, 磁化软铁的地磁力投影力发生变化,船软硬铁力相对于罗盘的作用方向也发生变化 罗盘水平面上作用力与正平时相比发生了变化。 2. 倾斜自差公式: ii,三、倾斜自差(Heeling Error),3.纵横倾斜自差: (1)横倾自差 当船横倾时,纵向软铁仍被X力磁化,而横向及垂直软铁则被地磁力Y和Z的投影力Yi和Zi磁化。 (i倾

22、斜角 右倾为“” 左倾为“”),若船向右舷倾斜,船上的软硬铁相对于倾斜后的坐标系OXiYiZi的位置时不变的,软铁系数和硬铁力与正平时相同,但磁化软铁的力却为Yi和Zi; 对于倾斜后的坐标系OXiYiZi , 泊松方程为:,Xi XaXcZiP Yi YieYiQ Zi ZigXkZiR,罗盘平面纵横轴上作用力的变化情况为:,与正平时相比,罗盘平面上产生了横向附加力 , 罗经将产生横倾自差,代入Yi 和Zi 得:,仿照正平时横向自差力CH的讨论,得横倾自差公式: iJicos ,其中: 称为横倾自差系数,(2) 仿照横倾自差,得纵倾自差公式: i Jisin ,其中: 称为纵倾自差系数,4.倾

23、斜自差性质 随航向变化,N,S航向,横倾自差最大;E,W航向,纵倾自差最大。 随船所在磁纬度变化,因J和J中H,Z均随磁纬度变化。 与船的倾斜角度成正比,通常罗盘均偏向高舷。 因船左右摇摆具有周期性,故倾斜自差不用东或西表示,而用偏向哪一舷来表示。,一、自差校正的必要性 二、自差测定方法 三、自差校正原则 四、倾斜自差校正 五、半园自差校正 六、象限自差校正 七、校正前准备工作和校正自差顺序 八、自差系数的计算和自差表,第四节、磁罗经自差的测定与校正,1. 校正的必要性 自差较大,使用磁罗经航行危险; 由于自差较大,罗盘可能无法克服摩擦力而不能指示方向; 或在某些航向上罗盘出现“呆滞”现象;

24、或在船舶转向后,罗盘大幅度摆动。,一、自差校正的必要性,2. 需校正自差的条件 1)修船后,特别是驾驶台附近结构有较大变动时; 2)船舶剧烈震动,碰撞,搁浅,或遭雷击后; 3)罗经移位后; 4)装运磁性货物卸货后,或使用电磁吊装卸货物后。 5) 标准罗经自差大于3,操舵罗经自差大于5 6) 每年重新校正一次自差。,1.利用叠标方位测定自差 叠标方位准确,测量方便; 船需位于叠标线上才可测得方位,测定自差花费时间较多; 为方便测量,至少应选取互相垂直的两组叠标,二、自差测定方法,2.利用太阳方位测定自差 利用太阳方位测定自差准确度高,且可连续测定自差,操作快捷,方便。 受天气影响大,阴天无法利用

25、太阳方位测定自差。 3.利用单一目标方位 选择肉眼可见的远距离单一目标; 由GPS确定其真方位,修正磁差后得到其磁方位; 与该目标的罗方位进行比对获得自差。,4.与陀螺罗经航向比对求自差 电gVar 电陀螺罗经航向g 陀螺罗经误差 利用航向比对法求自差,一定要注意同时观测陀螺罗经和磁罗经航向,否则航向上的误差将全部反映在自差中。 5. 无论上述哪种方法,船舶转至新航向后,必须待罗盘完全稳定时,方可进行自差的测定。,校正罗经自差是用静力学力抵消的方法,即以大小相等,方向相反,性质相同的校正磁力,去抵消相应的船磁力。 性质相同是指船硬铁自差力须用校正磁棒去抵消,软铁船磁力须用软铁校正器去抵消。,三

26、、自差校正原则,1.校正原理 船倾斜后,罗盘平面上将产生: 横向附加力:R+(k-e)zi 纵向附加力:R+(k-a)zi,四、倾斜自差校正,1.校正原理 船倾斜后,罗盘平面上将产生: 横向附加力:R+(k-e)zi 纵向附加力:R+(k-a)zi 要抵消纵,横向附加力,可使 R0, k e, k a。,四、倾斜自差校正,船正平时,Z ZgXkZR 若船在磁E,磁W航向上: 因 X= H COS MC ; MC =90;则 X= H COS MC 0 gX0 则 Z EWZkZR,Z EWZkZR 在船正平时,调整垂直磁铁, 若使Z EW中的 R=0,k= e 则: Z EW = Z+eZ =

27、 (1+e)Z=(1+a/2+e/2- a/2+e/2)Z =(-D ) =Z 其中d=(a-e)/2;,Z EW =(-D ) 其中D=(a-e)/2; 通常,校正倾斜自差至少是在粗略校正象限自差系数D之后进行的,即 D0,实现了a = e; 只要使罗盘的垂直作用力ZEW=Z,即不产生倾斜自差。 因此,在消除了横倾自差的同时,纵倾自差也被消除了。,2.校正方法 1) 船正平时校正方法 将倾差仪置于岸上,无磁性干扰的地方,离地一米以上,移动滑重,使磁针水平,测得地磁力Z的格数n。 将倾差仪带回船上,将滑重移至n 处, n Z EWZ n (标0.8-0.9 操0.6-0.8),船正平,航向为E

28、或W,用倾差仪取代罗盆,倾差仪磁针与罗盘磁针在同一水平面上。 调垂直磁铁直至倾差仪磁针水平。 恢复罗盆。 2) 船摇摆时校正方法: 当船在风浪中航行,若随着船的摇摆,罗盘也左右或前后来回摆动,可直接调整垂直磁铁的位置,直至罗盘稳定为止。,半圆自差力 BHcZP C HfZQ 一般船上fZ0,近似用佛氏铁消除cZ0则 B HP C HQ 抵消P,Q两力,采用爱利法,即在四个 主航向上通过观测自差,用纵横磁铁分 别抵消P,Q产生的自差。,五、半圆自差校正,1.抵消CHQ力 1) 当 0时,,(AE )H,1.抵消CHQ力 1) 当 0时,,调整横向磁铁使N=0,F(AE )HCH令Ff1f2,则f

29、1CH,f2(AE )H,不能用硬铁力f2去抵消软铁力(AE)H,为消除多余的f2力,将船转至 180,2) 180 ,/2,自差s是由大小相等,方向相同的软铁力(AE )H和硬铁力f2共同产生的。,/2,2) 180 ,/2,调整横向磁铁,消除一半自差,即抵消了多余的硬铁力f2,而仅由横向磁铁产生f1力抵消了C H力。,2.抵消BHP力 1) 在90 ,2.抵消BHP力 1) 在90 ,用纵向磁铁力F将自差E校为零,即:F(AE)HBH令Ff1f2 则f1 BH,f2(AE)H,不能用硬铁力f2去抵消软铁力(AE)H,为消除多余的f2力将船转至 270,2) 270 ,自差W是由大小相等,方

30、向相同的软铁力(AE)H和硬铁力f2共同产生的,2) 270 ,调整纵向磁铁,消除一半自差,即抵消了硬 铁力f2,而仅由纵向磁铁产生f1力抵消了B H力.,3. 校正口诀: 东东上,西西上,东西下,西东下 口诀中第一字表示自差的东或西; 第二字表示磁棒红端的朝向; 第三字“上”表示磁棒上移或增加磁棒;“下”表示磁棒下移或减少磁棒; 口诀亦可简化为:同名上,异名下。 4. 为节省校正时间,校正自差可采取顺时针或逆时针的顺序。,因商船上, EH约为零,故只消除DH力。,1. 校正原理 象限自差力 DH EH,六、象限自差校正,X,Y,o,aX,+eY,X,X,+eY,X,-aX,因商船上系数 a|

31、a|.故D 0 0。 若校正软铁的象限自差系数,D1 0时,当使D0 + D1 0,象限自差为零。,X,Y,o,aX,+eY,X,X,+eY,X,-aX,软铁球或软铁片对罗经产生a和e系数,其象限自差数为:,D1 0,故满足消除象限自差的要求。,2.校正象限自差方法 在校正半圆自差后进行 在两相邻的象限航向上 校正 1) 45 当用软铁力F把自差NE 消除为零时, F AH DH令Ff1f2 则 f1 DH,f2 AH,H ,AH,2.校正象限自差方法 在校正半圆自差后进行 在两相邻的象限航向上 校正 1) 45 当用软铁力F把自差NE 消除为零时, F AH DH令Ff1f2 则 f1 DH,f2 AH,因f2为象限自差校正力,AH为船磁固定自差力,故f2为多余的力,为去掉f2力,将船转至SE航向。,2) 135 SE是由大小相等

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