蘭州大學(xué)引進(jìn)的兩套GDS科研級(jí)動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，即高壓凍土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)DYNTTS和非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)DYNTTS近期投入使用。
蘭州大學(xué)溫控凍土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)DYNTTS
蘭州大學(xué)40kN溫控非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)DYNTTS
溫控凍土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)是一種專門用于模擬土體在不同溫度條件（特別是低溫凍土環(huán)境）下的動(dòng)力特性的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。它通過施加動(dòng)態(tài)載荷和模擬外部環(huán)境溫度，研究土樣在凍融循環(huán)、應(yīng)力/應(yīng)變循環(huán)加載等條件下的力學(xué)響應(yīng)，包括動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變、孔隙水壓力等參數(shù)的變化，進(jìn)而分析土體的動(dòng)力特性和穩(wěn)定性。
典型的動(dòng)三軸系統(tǒng)構(gòu)成
（1）溫控三軸壓力室：用于放置土樣并控制其溫度，確保試驗(yàn)過程中土樣處于穩(wěn)定的恒溫狀態(tài)。
（2）圍壓控制器和反壓控制器：用于控制土樣周圍的壓力環(huán)境，模擬實(shí)際土層的受力狀態(tài)。
（3）動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀：實(shí)時(shí)采集土樣在試驗(yàn)過程中的各種數(shù)據(jù)，如應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力等。
（4）動(dòng)態(tài)荷載架：施加動(dòng)態(tài)載荷于土樣上，模擬地震、波浪沖擊等自然動(dòng)力作用。
（5）水下荷重傳感器和孔壓傳感器：分別用于測(cè)量土樣上的荷載和孔隙水壓力變化。
（6）冷熱循環(huán)水?。簽闇乜厝S壓力室提供穩(wěn)定的冷熱源，實(shí)現(xiàn)土樣的凍融循環(huán)。
（7）GDSLab軟件或其他專用軟件：用于控制試驗(yàn)過程、采集和分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
DYNTTS動(dòng)三軸儀可以升級(jí)溫度控制系統(tǒng)，當(dāng)放置在凍結(jié)/或加熱條件下時(shí)，可以觀察和量化土樣的動(dòng)態(tài)循環(huán)響應(yīng)。
根據(jù)需要范圍可以有-10°C至+60°C或-20°C至+85°C的范圍。所使用的加熱器和冷水機(jī)組的分辨率為0.01°C，浴液穩(wěn)定性為+/-0.05°C，這種穩(wěn)定性和分辨率不一定反映在壓力室中。
控制方案包括加熱和冷卻硬件，或僅加熱硬件。氣體反壓，如二氧化碳或氮?dú)猓部梢栽跍囟瓤刂葡到y(tǒng)內(nèi)施加。
DYNTTS溫控凍土動(dòng)三軸主機(jī)及水浴
溫控凍土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用
溫控凍土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，主要包括：
（1）巖土工程：研究凍土在寒冷地區(qū)的地基穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性以及隧道、橋梁等結(jié)構(gòu)物的地基承載力等問題。
（2）地質(zhì)工程：分析凍土地區(qū)的滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的成因和演化規(guī)律，為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。
（3）交通工程：評(píng)估凍土地區(qū)道路、鐵路等交通設(shè)施在凍融循環(huán)作用下的耐久性和安全性。
（4）水利工程：研究水庫、堤防等水利工程的凍土基礎(chǔ)穩(wěn)定性，確保工程安全運(yùn)行。
（5）環(huán)境工程：分析凍土地區(qū)的環(huán)境變化對(duì)土體穩(wěn)定性的影響，為生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供技術(shù)支持。
在阿拉斯加等寒冷地區(qū)，建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施的地基常常位于多年凍土層之上。這些地區(qū)的工程師利用溫控凍土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)來模擬不同溫度條件下凍土的力學(xué)行為。例如，他們通過試驗(yàn)研究了凍土在周期性溫度波動(dòng)（模擬季節(jié)變化）下的強(qiáng)度衰減和變形特性，以及這些變化如何影響地基的承載力和穩(wěn)定性。這些研究結(jié)果直接應(yīng)用于當(dāng)?shù)亟ㄖ?guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定，確保結(jié)構(gòu)物在極端氣候條件下的安全。
在加拿大北部和俄羅斯西伯利亞的凍土區(qū)域，邊坡穩(wěn)定性是一個(gè)關(guān)鍵問題，尤其是在融雪季節(jié)和極端氣候事件（如暴風(fēng)雪、凍融循環(huán)）發(fā)生時(shí)。研究人員利用溫控凍土動(dòng)三軸系統(tǒng)模擬邊坡土體在不同溫度、濕度和加載條件下的力學(xué)響應(yīng)，評(píng)估邊坡的潛在滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。通過對(duì)比不同工況下的試驗(yàn)結(jié)果，他們提出了有效的邊坡加固措施和預(yù)警系統(tǒng)，以減少滑坡災(zāi)害的發(fā)生。
在青藏高原等高山凍土區(qū)，滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害。研究人員利用溫控凍土動(dòng)三軸系統(tǒng)模擬滑坡體在凍融循環(huán)和地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，研究滑坡的啟動(dòng)機(jī)制、運(yùn)動(dòng)過程和影響范圍。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們建立了滑坡預(yù)警模型，并開發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，為當(dāng)?shù)卣途用裉峁┝思皶r(shí)的災(zāi)害預(yù)警信息。
在俄羅斯西伯利亞的永久凍土帶，道路建設(shè)面臨巨大挑戰(zhàn)。由于凍土的融化和再凍結(jié)，道路路基容易發(fā)生不均勻沉降和開裂。為了解決這一問題，工程師們利用溫控凍土動(dòng)三軸系統(tǒng)模擬道路路基在不同溫度、濕度和車輛荷載作用下的變形行為。通過試驗(yàn)分析，他們提出了改進(jìn)的路基設(shè)計(jì)和施工方法，如采用隔熱層、排水系統(tǒng)和加固措施，以提高道路的穩(wěn)定性和耐久性。
案例五：水庫堤防凍土基礎(chǔ)穩(wěn)定性評(píng)估
在北歐和北美的一些寒冷地區(qū)，水庫堤防的基礎(chǔ)常常位于凍土層之上。為了評(píng)估這些堤防在極端氣候條件下的穩(wěn)定性，工程師們利用溫控凍土動(dòng)三軸系統(tǒng)模擬堤防基礎(chǔ)在凍融循環(huán)和水位變化作用下的力學(xué)響應(yīng)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們分析了堤防基礎(chǔ)的破壞機(jī)制和穩(wěn)定性影響因素，并提出了相應(yīng)的加固措施和監(jiān)測(cè)方案，確保水庫堤防的安全運(yùn)行。
溫控非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)是一種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，用于研究非飽和土（即含有一定量水分的土壤）在不同溫度條件下的動(dòng)力特性和力學(xué)行為。該系統(tǒng)通過精確控制溫度、軸向壓力、周圍壓力（圍壓）以及孔隙水壓力和孔隙氣壓力等參數(shù)，模擬非飽和土在實(shí)際工程中的復(fù)雜受力環(huán)境和溫度條件，以測(cè)試其動(dòng)強(qiáng)度、液化、模量、阻尼等動(dòng)力特性。
哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究院雙向非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)DYNTTS
（1）溫控三軸壓力室：用于放置土樣并控制其溫度，確保試驗(yàn)過程中土樣處于穩(wěn)定的恒溫狀態(tài)。溫度控制范圍通常較廣，如-10℃至65℃，以滿足不同試驗(yàn)需求。
（2）多功能荷載架：用于施加軸向壓力和周圍壓力（圍壓）于土樣上，模擬實(shí)際工程中的應(yīng)力狀態(tài)。
（3）壓力/體積控制器：用于控制圍壓和反壓（孔隙水壓力和孔隙氣壓力），以模擬不同的孔隙壓力條件。
（4）數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)：包括傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和專用軟件等，用于實(shí)時(shí)采集和記錄試驗(yàn)過程中的各種數(shù)據(jù)，如應(yīng)力、應(yīng)變、孔隙水壓力、孔隙氣壓力以及溫度等。同時(shí)，系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)處理和分析功能，能夠生成試驗(yàn)報(bào)告和圖表。
（5）溫控系統(tǒng)：獨(dú)立的溫控系統(tǒng)用于控制三軸壓力室內(nèi)的溫度，確保試驗(yàn)過程中土樣的溫度保持穩(wěn)定。
升級(jí)到非飽和測(cè)試
任何DYNTTS系統(tǒng)都可以升級(jí)到非飽和三軸測(cè)試，添加非飽和土底座與高高進(jìn)氣值陶土板，一個(gè)1000cc數(shù)字空氣壓力/體積控制器(ADVDPC)，用于施加孔隙氣壓和測(cè)量氣體體積變化?？蛇xHKUST內(nèi)外壓力室和雙層壓力室。
GDS HKUST型非飽和土壓力室
溫控非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)的主要應(yīng)用包括以下幾個(gè)方面：
（1）非飽和土力學(xué)特性研究：通過模擬不同溫度條件下的非飽和土受力狀態(tài)，研究其變形、強(qiáng)度以及吸力特性等力學(xué)行為。這有助于深入了解非飽和土的力學(xué)機(jī)理和特性規(guī)律。
（2）工程設(shè)計(jì)與建設(shè)：為土木工程、水利工程、交通工程等領(lǐng)域的工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以評(píng)估非飽和土在實(shí)際工程中的穩(wěn)定性和承載力，從而指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)和施工方案的制定。
（3）災(zāi)害預(yù)警與防治：研究非飽和土在極端氣候條件下的穩(wěn)定性和變形特性，為滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)警和防治提供技術(shù)支持。通過模擬不同溫度條件下的非飽和土受力狀態(tài)，可以評(píng)估其潛在破壞風(fēng)險(xiǎn)并提出相應(yīng)的防治措施。
（4）環(huán)境保護(hù)與生態(tài)修復(fù)：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域中，溫控非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)也可用于研究土壤的水力特性和污染物遷移規(guī)律等問題。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以評(píng)估土壤的環(huán)境容量和污染風(fēng)險(xiǎn)，為環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。
案例一：凍融循環(huán)對(duì)非飽和土強(qiáng)度的影響
在寒冷地區(qū)，非飽和土經(jīng)常經(jīng)歷凍融循環(huán)，這對(duì)其力學(xué)特性有顯著影響。研究人員利用溫控非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了不同凍融次數(shù)和溫度條件下的非飽和土試樣。通過試驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致非飽和土的強(qiáng)度顯著降低，且隨著凍融次數(shù)的增加，強(qiáng)度降低的趨勢(shì)更加明顯。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于寒冷地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)和維護(hù)具有重要意義，可以幫助工程師更好地預(yù)測(cè)和應(yīng)對(duì)非飽和土在凍融循環(huán)作用下的力學(xué)行為。
非飽和土的變形特性與其吸力狀態(tài)密切相關(guān)。研究人員利用溫控非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，通過控制孔隙水壓力和孔隙氣壓力，模擬了不同吸力條件下的非飽和土試樣。試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著吸力的增加，非飽和土的體積模量和剪切模量均有所增大，而變形量則相應(yīng)減小。這一發(fā)現(xiàn)為理解非飽和土的變形機(jī)制提供了重要依據(jù)，并可用于指導(dǎo)實(shí)際工程中非飽和土地基的設(shè)計(jì)和施工。
在山區(qū)和丘陵地區(qū)，邊坡穩(wěn)定性是工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中的重要問題。非飽和土作為邊坡的主要組成部分，其力學(xué)特性對(duì)邊坡的穩(wěn)定性具有重要影響。研究人員利用溫控非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了不同溫度、濕度和加載條件下的非飽和土試樣，評(píng)估了邊坡土體的潛在滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們提出了有效的邊坡加固措施和監(jiān)測(cè)方案，確保了邊坡工程的安全穩(wěn)定。
在公路和鐵路建設(shè)中，路基的穩(wěn)定性直接關(guān)系到道路的使用壽命和行車安全。非飽和土作為路基的主要材料之一，其力學(xué)特性在溫度、濕度和車輛荷載作用下的變化對(duì)路基的穩(wěn)定性具有重要影響。研究人員利用溫控非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了不同工況下的路基土樣，評(píng)估了其在長期使用過程中的變形和強(qiáng)度變化?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)，他們提出了優(yōu)化路基設(shè)計(jì)和施工的建議，以提高路基的穩(wěn)定性和耐久性。
滑坡是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，尤其在多雨和凍融交替的季節(jié)更為頻發(fā)。非飽和土作為滑坡體的主要組成部分，其力學(xué)特性的變化對(duì)滑坡的發(fā)生和發(fā)展具有重要影響。研究人員利用溫控非飽和土動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，模擬了滑坡體在不同溫度、濕度和加載條件下的力學(xué)行為，分析了滑坡的啟動(dòng)機(jī)制和影響因素。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，他們建立了滑坡預(yù)警模型，并開發(fā)了相應(yīng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，為滑坡災(zāi)害的預(yù)警和防治提供了科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。
關(guān)于動(dòng)三軸系統(tǒng)DYNTTS
GDS高級(jí)動(dòng)態(tài)三軸試驗(yàn)系統(tǒng) (DYNTTS) 是一套高端的試驗(yàn)設(shè)備，它將三軸壓力室和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)器合為一體，可以施加最大5Hz的動(dòng)態(tài)荷載、變形和應(yīng)力。軸向加載由裝有馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的基座螺旋傳動(dòng)，從壓力室底座施加軸向力和軸向變形。
動(dòng)三軸DYNTTS的定制性好，例如可以升級(jí)局部應(yīng)變傳感器、彎曲元試驗(yàn)、非飽和土試驗(yàn)等；從標(biāo)準(zhǔn)的2Hz/10kN升級(jí)到5Hz或10Hz的版本；能夠升級(jí)軸向負(fù)載能力從標(biāo)準(zhǔn)的10kN范圍到最大60kN；試樣尺寸從標(biāo)準(zhǔn)的100mm升級(jí)到最大300mm；可以升級(jí)溫控范圍從零下20度到零上85度。
系統(tǒng)特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)
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主要特點(diǎn)
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優(yōu)點(diǎn)
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高精度電機(jī)控制
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DYNTTS系統(tǒng)能做小應(yīng)變靜態(tài)試驗(yàn)，也能做大應(yīng)變動(dòng)態(tài)試驗(yàn)
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可更換的荷重傳感器
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根據(jù)用戶的需要可以做非常軟的土到非常硬的土試驗(yàn)，可選量程1, 2, 4,8,10,16,25,40和60kN
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內(nèi)置平衡錘(最大到5Hz系統(tǒng))
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循環(huán)試驗(yàn)中保持圍壓穩(wěn)定，無需動(dòng)態(tài)壓力控制器（除非要求圍壓也是動(dòng)態(tài)循環(huán)加載）
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可更換的三軸底座和頂帽
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可以在同一個(gè)壓力室內(nèi)進(jìn)行不同直徑試樣的試驗(yàn)
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軸向力和位移直接閉環(huán)控制
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準(zhǔn)確控制軸向位移和軸向力
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標(biāo)配自適應(yīng)控制
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自適應(yīng)控制技術(shù)顯著提高該設(shè)備的動(dòng)態(tài)荷載控制性能，從而提高測(cè)試精度。
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動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)DYNTTS參數(shù)范圍
技術(shù)參數(shù):
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可選頻率:
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5Hz
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5Hz
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5Hz
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5Hz
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5Hz
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加載范圍:
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10kN
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40kN
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40kN
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40kN
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60kN
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圍壓范圍:
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2MPa
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2MPa
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2MPa
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4MPa
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1MPa
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試樣尺寸 (直徑):
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最大100mm
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最大100mm
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最大150mm
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最大100mm
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最大300mm
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升級(jí)選項(xiàng)：
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垂直彎曲元
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50, 70, 100, 150mm
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水平彎曲元
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50, 70, 100mm
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LVDT 局部應(yīng)變傳感器
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50, 70, 100mm
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霍爾效應(yīng)局部應(yīng)變傳感器
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38, 50, 70, 100mm
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中平面孔壓 & 吸力探針
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最大100mm
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提升架
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可選
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非飽和土測(cè)試
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50, 70, 100mm
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溫度控制
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-10°C to +60°C, -20oC to +65oC,
-20°C to +85°C (5Hz / 40kN / 4MPa)
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滲透升級(jí)
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可選
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動(dòng)態(tài)圍壓控制
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5Hz / 1MPa
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