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德國Flintec稱重傳感器實(shí)際上是一種將質(zhì)量信號轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y量的電信號輸出的裝置。用傳感器應(yīng)先要考慮傳感器所處的實(shí)際工作環(huán)境,這點(diǎn)對正確選用稱重傳感器至關(guān)重要,它關(guān)系到傳感器能否正常工作以及它的安全和使用壽命,乃至整個衡器的可靠性和安全性。在德國Flintec稱重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)的基本概念和評價方法上,新舊國標(biāo)有質(zhì)的差異。主要有S型、懸臂型、輪輻式、板環(huán)式、膜盒式、橋式、柱筒式等幾種樣式。
德國Flintec稱重傳感器的分類:
德國Flintec稱重傳感器按轉(zhuǎn)換方法分為光電式、液壓式、電磁力式、電容式、磁極變形式、振動式、陀螺儀式、電阻應(yīng)變式等8類,以電阻應(yīng)變式使用zui廣。
光電式
包括光柵式和碼盤式兩種。
光柵式傳感器利用光柵形成的莫爾條紋把角位移轉(zhuǎn)換成光電信號(圖2)。光柵有兩塊,一為固定光柵,另一為裝在表盤軸上的移動光柵。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿系統(tǒng)使表盤軸旋轉(zhuǎn),帶動移動光柵轉(zhuǎn)動,使莫爾條紋也隨之移動。利用光電管、轉(zhuǎn)換電路和顯示儀表,即可計(jì)算出移過的莫爾條紋數(shù)量,測出光柵轉(zhuǎn)動角的大小,從而確定和讀出被測物質(zhì)量。
德國Flintec碼盤式傳感器的碼盤(符號板)是一塊裝在表盤軸上的透明玻璃,上面帶有按一定編碼方法編定的黑白相間的代碼。加在承重臺上的被測物通過傳力杠桿使表盤軸旋轉(zhuǎn)時,碼盤也隨之轉(zhuǎn)過一定角度。光電池將透過碼盤接受光信號并轉(zhuǎn)換成電信號,然后由電路進(jìn)行數(shù)字處理,zui后在顯示器上顯示出代表被測質(zhì)量的數(shù)字。光電式傳感器曾主要用在機(jī)電結(jié)合秤上。
液壓式
在受被測物重力P作用時,液壓油的壓力增大,增大的程度與P成正比。測出壓力的增大值,即可確定被測物的質(zhì)量。德國Flintec液壓式傳感器結(jié)構(gòu)簡單而牢固,測量范圍大,但準(zhǔn)確度一般不超過1/100。
電容式
它利用電容器振蕩電路的振蕩頻率f與極板間距d 的正比例關(guān)系工作(圖6 )。極板有兩塊,一塊固定不動,另一塊可移動。在承重臺加載被測物時,板簧撓曲,兩極板之間的距離發(fā)生變化,電路的振蕩頻率也隨之變化。測出頻率的變化即可求出承重臺上被測物的質(zhì)量。電容式傳感器耗電量少,造價低,準(zhǔn)確度為1/200~1/500。
德國Flintec稱重傳感器的主要優(yōu)點(diǎn):
電阻、電感和電容是電子技術(shù)中的三大類無源元件,電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的傳感器,它實(shí)質(zhì)上就是一個具有可變參數(shù)的電容器。
電容式傳感器具有下列優(yōu)點(diǎn):
(1)高阻抗,小功率,僅需很低的輸入能量。
(2)可獲得較大的變化量,從而具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性。
(3)動態(tài)響應(yīng)快,工作頻率可達(dá)幾兆赫,稠b接觸測量,被測物是導(dǎo)體或半導(dǎo)體均可。
(4)結(jié)構(gòu)簡單.適應(yīng)性強(qiáng),可在高低溫、強(qiáng)輻射等惡劣的環(huán)境下工作,應(yīng)用較廣。
隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,電容式傳感器所存在的易受干擾和易受分布電容影響等缺點(diǎn)不斷得以克服,而且還開發(fā)出容柵位移傳感器和集成電容式傳感器:因此它在非電量測量和自動檢測中得到廣泛應(yīng)用,可測量壓力、位移、轉(zhuǎn)速、加速度、A度、厚度、液位、濕度、振動、成分含量等參數(shù)。電容式傳感器有著很好的發(fā)展前景。
德國Flintec稱重傳感器的主要缺點(diǎn):
缺點(diǎn)一:輸出阻抗高,負(fù)載能力差
缺點(diǎn)二:輸出特性非線性
缺點(diǎn)三:寄生電容影響大
電磁力式
它利用承重臺上的負(fù)荷與電磁力相平衡的原理工作。當(dāng)承重臺上放有被測物時,杠桿的一端向上傾斜;光電件檢測出傾斜度信號,經(jīng)放大后流入線圈,產(chǎn)生電磁力,使杠桿恢復(fù)至平衡狀態(tài)。對產(chǎn)生電磁平衡力的電流進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換,即可確定被測物質(zhì)量。電磁力式傳感器準(zhǔn)確度高,可達(dá)1/2000~1/60000,但稱量范圍僅在幾十毫克至10千克之間。
磁極變形式
鐵磁元件在被測物重力作用下發(fā)生機(jī)械變形時,內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并引起導(dǎo)磁率變化,使繞在鐵磁元件(磁極)兩側(cè)的次級線圈的感應(yīng)電壓也隨之變化。測量出電壓的變化量即可求出加到磁極上的力,進(jìn)而確定被測物的質(zhì)量。磁極變形式傳感器的準(zhǔn)確度不高,一般為1/100,適用于大噸位稱量工作,稱量范圍為幾十至幾萬千克。
振動式
彈性元件受力后,其固有振動頻率與作用力的平方根成正比。測出固有頻率的變化,即可求出被測物作用在彈性元件上的力,進(jìn)而求出其質(zhì)量。振動式傳感器有振弦式和音叉式兩種。
振弦式傳感器的彈性元件是弦絲。當(dāng)承重臺上加有被測物時,V形弦絲的交點(diǎn)被拉向下,且左弦的拉力增大,右弦的拉力減小。兩根弦的固有頻率發(fā)生不同的變化。求出兩根弦的頻率之差,即可求出被測物的質(zhì)量。振弦式傳感器的準(zhǔn)確度較高,可達(dá)1/1000~1/10000,稱量范圍為100克至幾百千克,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜,加工難度大,造價高。
音叉式傳感器的彈性元件是音叉。音叉端部固定有壓電元件,它以音叉的固有頻率振蕩,并可測出振蕩頻率。當(dāng)承重臺上加有被測物時,音叉拉伸方向受力而固有頻率增加,增加的程度與施加力的平方根成正比。測出固有頻率的變化,即可求出重物施加于音叉上的力,進(jìn)而求出重物質(zhì)量。音叉式傳感器耗電量小,計(jì)量準(zhǔn)確度高達(dá)1/10000~1/200000,稱量范圍為500g~10kg。
陀螺儀式
轉(zhuǎn)子裝在內(nèi)框架中,以角速度ω繞X軸穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。內(nèi)框架經(jīng)軸承與外框架聯(lián)接,并可繞水平軸 Y 傾斜轉(zhuǎn)動。外框架經(jīng)萬向聯(lián)軸節(jié)與機(jī)座聯(lián)接,并可繞垂直軸Z 旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸 (X軸)在未受外力作用時保持水平狀態(tài)。轉(zhuǎn)子軸的一端在受到外力(P/2)作用時,產(chǎn)生傾斜而繞垂直軸Z 轉(zhuǎn)動(進(jìn)動)。進(jìn)動角速度ω與外力P/2成正比,通過檢測頻率的方法測出ω,即可求出外力大小,進(jìn)而求出產(chǎn)生此外力的被測物的質(zhì)量。
陀螺儀式傳感器響應(yīng)時間快(5秒),無滯后現(xiàn)象,溫度特性好(3ppm), 振動影響小, 頻率測量準(zhǔn)確精度高,故可得到高的分辨率(1/100000)和高的計(jì)量準(zhǔn)確度(1/30000~1/60000)。
電阻應(yīng)變式
利用電阻應(yīng)變片變形時其電阻也隨之改變的原理工作。主要由彈性元件、電阻應(yīng)變片、測量電路和傳輸電纜4部分組成。
板環(huán)式
德國Flintec板環(huán)式稱重傳感器的結(jié)構(gòu)具有明確的應(yīng)力流線分布、輸出靈敏度高、彈性體為一整體、結(jié)構(gòu)簡單、受力狀態(tài)穩(wěn)定、易于加工等優(yōu)點(diǎn)。目前在傳感器生產(chǎn)中還占著較大的比例,而對這種結(jié)構(gòu)傳感器的設(shè)計(jì)公式目前還不很完善。因這種彈性體的應(yīng)變計(jì)算比較復(fù)雜,通常在設(shè)計(jì)時把它看作為圓環(huán)式彈性體進(jìn)行估算。特別是對1t及以下量程的板環(huán)式傳感器設(shè)計(jì)計(jì)算誤差更大,同時往往還會出現(xiàn)較大的非線性誤差。
德國Flintec板環(huán)式稱重傳感器用途與特點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊、防護(hù)性能好。精度高、長期穩(wěn)定性好。適用于吊鉤秤、機(jī)電結(jié)合秤及其它力值的測
數(shù)字式
1.定義
德國Flintec數(shù)字稱重傳感器是一種能將重力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕牧?電轉(zhuǎn)換裝置,它主要是指集電阻應(yīng)變式稱重傳感器、電子放大器(英文簡稱AMC)、模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)(英文簡稱ADC)、微處理器(簡稱MCU)于一體的新型傳感器。
2.特點(diǎn)和應(yīng)用
德國Flintec數(shù)字稱重傳感器和數(shù)字計(jì)量儀表技術(shù)的發(fā)展已逐漸成為稱重技術(shù)領(lǐng)域的新寵,其以調(diào)試簡便、適應(yīng)現(xiàn)場能力強(qiáng)等優(yōu)勢正在該領(lǐng)域嶄露頭角。
3.S型定義
德國FlintecS型稱重傳感器是傳感器中zui為常見的一種傳感器,主要用于測固體間的拉力和壓力,通用也人們也稱之為拉壓力傳感器,因?yàn)樗耐庑蜗馭形狀,所以習(xí)慣上也稱S型稱重傳感器,此傳感器采用合金鋼材質(zhì),膠密封防護(hù)處理,安裝容易,使用方便,適用于吊秤,配料秤,機(jī)改秤等電子測力稱重系統(tǒng)。
原理
德國Flintec電阻應(yīng)變式稱重傳感器是基于這樣一個原理:彈性體(彈性元件,敏感梁)在外力作用下產(chǎn)生彈性變形,使粘貼在它表面的電阻應(yīng)變片(轉(zhuǎn)換元件)也隨同產(chǎn)生變形,電阻應(yīng)變片變形后,它的阻值將發(fā)生變化(增大或減?。?,再經(jīng)相應(yīng)的測量電路把這一電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(電壓或電流),從而完成了將外力變換為電信號的過程。
由此可見,電阻應(yīng)變片、彈性體和檢測電路是德國Flintec電阻應(yīng)變式稱重傳感器中*的幾個主要部分。下面就這三方面簡要論述。
一、電阻應(yīng)變片
電阻應(yīng)變片是把一根電阻絲機(jī)械的分布在一塊有機(jī)材料制成的基底上,即成為一片應(yīng)變片。他的一個重要參數(shù)是靈敏系數(shù)K。我們來介紹一下它的意義。
設(shè)有一個金屬電阻絲,其長度為L,橫截面是半徑為r的圓形,其面積記作S,其電阻率記作ρ,這種材料的泊松系數(shù)是μ。當(dāng)這根電阻絲未受外力作用時,它的電阻值為R:
R = ρL/S(Ω) (2—1)
當(dāng)他的兩端受F力作用時,將會伸長,也就是說產(chǎn)生變形。設(shè)其伸長ΔL,其橫截面積則縮小,即它的截面圓半徑減少Δr。此外,還可用實(shí)驗(yàn)證明,此金屬電阻絲在變形后,電阻率也會有所改變,記作Δρ。
對式(2--1)求全微分,即求出電阻絲伸長后,他的電阻值改變了多少。我們有:
ΔR = ΔρL/S + ΔLρ/S –ΔSρL/S2 (2—2)
用式(2--1)去除式(2--2)得到
ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L – ΔS/S (2—3)
另外,我們知道導(dǎo)線的橫截面積S = πr2,則 Δs = 2πr*Δr,所以
ΔS/S = 2Δr/r (2—4)
從材料力學(xué)我們知道
Δr/r = -μΔL/L (2—5)
其中,負(fù)號表示伸長時,半徑方向是縮小的。μ是表示材料橫向效應(yīng)泊松系數(shù)。把式(2—4)(2—5)代入(2--3),有
ΔR/R = Δρ/ρ + ΔL/L + 2μΔL/L
=(1 + 2μ(Δρ/ρ)/(ΔL/L))*ΔL/L
= K *ΔL/L (2--6)
其中
K = 1 + 2μ +(Δρ/ρ)/(ΔL/L) (2--7)
式(2--6))說明了電阻應(yīng)變片的電阻變化率(電阻相對變化)和電阻絲伸長率(長度相對變化)之間的關(guān)系。
需要說明的是:靈敏度系數(shù)K值的大小是由制作金屬電阻絲材料的性質(zhì)決定的一個常數(shù),它和應(yīng)變片的形狀、尺寸大小無關(guān),不同的材料的K值一般在1.7—3.6之間;其次K值是一個無因次量,即它沒有量綱。
在材料力學(xué)中ΔL/L稱作為應(yīng)變,記作ε,用它來表示彈性往往顯得太大,很不方便
常常把它的百萬分之一作為單位,記作με。這樣,式(2--6)常寫作:
ΔR/R = Kε (2—8)
二、彈性體
彈性體是一個有特殊形狀的結(jié)構(gòu)件。它的功能有兩個,首先是它承受德國Flintec稱重傳感器所受的外力,對外力產(chǎn)生反作用力,達(dá)到相對靜平衡;其次,它要產(chǎn)生一個高品質(zhì)的應(yīng)變場(區(qū)),使粘貼在此區(qū)的電阻應(yīng)變片比較理想的完成應(yīng)變棗電信號的轉(zhuǎn)換任務(wù)。
以德國Flintec稱重傳感器的彈性體為例,來介紹一下其中的應(yīng)力分布。
設(shè)有一帶有肓孔的長方體懸臂梁。
肓孔底部中心是承受純剪應(yīng)力,但其上、下部分將會出現(xiàn)拉伸和壓縮應(yīng)力。主應(yīng)力方向一為拉神,一為壓縮,若把應(yīng)變片貼在這里,則應(yīng)變片上半部將受拉伸而阻值增加,而應(yīng)變片的下半部將受壓縮,阻值減少。下面列出肓孔底部中心點(diǎn)的應(yīng)變表達(dá)式,而不再推導(dǎo)。
ε = (3Q(1+μ)/2Eb)*(B(H2-h2)+bh2)/ (B(H3-h3)+bh3) (2--9)
其中:Q--截面上的剪力;E--揚(yáng)氏模量:μ—泊松系數(shù);B、b、H、h—為梁的幾何尺寸。
需要說明的是,上面分析的應(yīng)力狀態(tài)均是“局部”情況,而應(yīng)變片實(shí)際感受的是“平均”狀態(tài)。
三、檢測電路
檢測電路的功能是把電阻應(yīng)變片的電阻變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷狠敵觥R驗(yàn)榛菟沟请姌蚓哂泻芏鄡?yōu)點(diǎn),如可以抑制溫度變化的影響,可以抑制側(cè)向力干擾,可以比較方便的解決德國Flintec稱重傳感器的補(bǔ)償問題等,所以惠斯登電橋在稱重傳感器中得到了廣泛的應(yīng)用。
因?yàn)槿珮蚴降缺垭姌虻撵`敏度zui高,各臂參數(shù)一致,各種干擾的影響容易相互抵銷,所以稱重傳感器均采用全橋式等臂電橋。
德國Flintec稱重傳感器的安裝注意事項(xiàng):
1、稱重傳感器要輕拿輕放,尤其對于用合金鋁材料作為彈性體的小容量傳感器,任何振動造成的沖擊或者跌落,都很有可能造成很大的輸出誤差。
2、設(shè)計(jì)加載裝置及安裝時應(yīng)保證加載力的作用稱重傳感器受力軸線重合,使傾斜負(fù)荷和偏心負(fù)荷的影響減至zui小。
3、在水平調(diào)整方面。如果使用的是德國Flintec稱重傳感器的話,其底座的安裝平面要使用水平儀調(diào)整直到水平;如果是多個傳感器同時測量的情況,那么它們底座的安裝面要盡量保持在一個水平面上,這樣做的目的主要是為了保證每個傳感器所承受的力量基本一致。
4、按照其說明中德國Flintec稱重傳感器的量程選定來確定所用傳感器的額定載荷。
5、為防止化學(xué)腐蝕.安裝時宜用凡士林涂稱重傳感器外表面。應(yīng)避免陽光直曬和環(huán)境溫度劇變的場臺使用。
6、在稱重傳感器加載裝置兩端加接銅編織線做的旁路器。
7、電纜線不宜自行加長,在確實(shí)需加長時應(yīng)在接頭處錫焊,并加防潮密封膠。
8、在德國Flintec稱重傳感器周圍采用一些擋板把傳感器罩起來。這樣做的目的可防止雜物掉進(jìn)傳感器的運(yùn)動部分,影響其測量精度。
9、傳感器的電纜線應(yīng)遠(yuǎn)離強(qiáng)動力電源線或有脈沖波的場所,無法避競時應(yīng)把德國Flintec稱重傳感器的電纜線單獨(dú)穿入鐵管內(nèi),并盡量縮短連接距離。
10、按其說明中的稱重傳感器量程選定來確定所用傳感器的額定載荷,稱重傳感器雖然本身具備一定的過載能力,但在安裝和使用過程中應(yīng)盡量避免此種情況。有時短時間的超載,也可能會造成傳感器*損壞。
11、在高度精度使用場合,應(yīng)使/稱重傳感器和儀表在預(yù)熱30分鐘后使用。
德國Flintec稱重傳感器的常用材料:
稱重傳感器性能的好壞很大程度上取決于制造材料的選擇。德國Flintec稱重傳感器材料包括以下幾個部分:應(yīng)變片材料、彈性體材料、貼片黏合劑材料、密封膠材料、引線密封材料和引線材料。
電阻元件材料
應(yīng)變片是德國Flintec稱重傳感器的感應(yīng)部分,它將外力的大小轉(zhuǎn)化為電學(xué)量輸出,是傳感器zui重要的組成部分,常用的應(yīng)變片基材采用高分子薄膜材料,應(yīng)變材質(zhì)通常為高純度康銅 。應(yīng)變片的性能不僅僅與基材和康銅純度有關(guān),還與制造工藝有關(guān)。提高工藝技術(shù)水平也是改善傳感器性能一個很重要的方面。
彈性體材料
德國Flintec稱重傳感器彈性體的作用是傳遞外力,它必須具有在受到相同力大小的時候,產(chǎn)生形變一樣,因?yàn)閼?yīng)變片就粘貼在彈性體上面,彈性體的形變就是應(yīng)變片的形變;同時它還須具有復(fù)位性,在外力消失的時候,可以自動復(fù)位。彈性體材料通常選擇各樣金屬,主要有鋁合金、不銹鋼和合金鋼等等。
黏合劑材料
貼片黏合劑是把應(yīng)變片和彈性體牢牢固定在一起,使它們產(chǎn)生的形變永遠(yuǎn)一致。由此可見,貼片黏合劑也是一個重要部件。21世紀(jì)初,使用叫多的貼片黏合劑是雙組分高分子環(huán)氧系列黏合劑。21世紀(jì)初,它的性能與它自身的純度、混合方式、儲存時間、固化方式、固化時間等關(guān)系很大,在使用之前按要仔細(xì)看它的詳細(xì)介紹。
密封膠材料
早期的德國Flintec稱重傳感器密封都采用密封膠,后來由于制造技術(shù)的發(fā)展,用焊接技術(shù)可以提高極大傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命。雖然21世紀(jì)初很多采用了焊接技術(shù),但是某些重要部位還需涂抹一些密封膠。密封膠一般都采用硅膠,硅膠具有穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),可以防潮、防腐蝕,絕緣性能也非常好。
引線密封
德國Flintec稱重傳感器輸出引線如果不固定的話,會發(fā)生損壞或松動,導(dǎo)致信號不穩(wěn)定或沒有輸出。21世紀(jì)初傳感器輸出都采用連接器的方式,連接器的材質(zhì)和緊固力度也會給輸出帶來影響。采用連接器跟密封膠配合使用。內(nèi)部引線也需要固定,防止其到處移動。引線的質(zhì)量也很重要,其材質(zhì)性能從高到低的排列順序依次為鍍銀、銅線和鋁線。如果周圍高頻信號、無線電波干擾嚴(yán)重的話,還需采用屏蔽電纜;在腐蝕性環(huán)境和易燃易爆場合則需要采用防腐防阻燃和防爆電纜,外加套管進(jìn)行保護(hù)。
德國Flintec稱重傳感器的誤差分析:
1、稱重傳感器運(yùn)用差錯是操作人員發(fā)生的,這也意味著發(fā)生的緣由許多,例如,溫度不同時發(fā)生的差錯,包羅探針放置過錯或探針與測量地址之間不正確的絕緣,別的一些應(yīng)用差錯包羅空氣或其他氣體的凈化過程中發(fā)生的過錯,運(yùn)用差錯也觸及變送器的過錯放置,因而正或負(fù)的壓力將對正確的讀數(shù)形成影響。
2、特性差錯為設(shè)備自身固有的,它是設(shè)備的、*的搬運(yùn)功用特性和實(shí)在特性之間的差,這種差錯包羅DC漂移值、斜面的不正確或斜面的非線形。
3、動態(tài)差錯許多德國Flintec稱重傳感器的特性和校準(zhǔn)都是適用靜態(tài)條件下的,這意味著運(yùn)用的輸入?yún)?shù)是靜態(tài)或類似于靜態(tài)的,許多傳感器具有較強(qiáng)阻尼,因而它們不會對輸入?yún)?shù)的改動進(jìn)行疾速呼應(yīng),如,熱敏電阻需求數(shù)秒才干呼應(yīng)溫度的階躍改動。
4、熱敏電阻不會當(dāng)即跳躍至新的阻抗,或發(fā)生驟變,相反,它是慢慢地改動為新的值,然后,若是具有推遲特性的德國Flintec稱重傳感器對溫度的疾速改動進(jìn)行呼應(yīng),輸出的波形將失真,由于其間包含了動態(tài)差錯。發(fā)生動態(tài)差錯的要素有呼應(yīng)工夫、振幅失真和相位失真。
5、插入差錯是當(dāng)體系中刺進(jìn)一個傳感器時,由于改動了測量參數(shù)而發(fā)生的差錯,普通是在進(jìn)行電子丈量時會呈現(xiàn)這樣的問題,但是在其他方法的測量中也會呈現(xiàn)類似問題,例如一個伏特計(jì)在回路中測量電壓,它肯定會有一個固有阻抗,比回路阻抗要大許多,或許呈現(xiàn)回路負(fù)荷,這時,讀數(shù)就會有很大的差錯,這種類型的差錯發(fā)生的緣由是運(yùn)用了一個對體系(如,壓力體系)而言過于大的變送器;或許是體系的動態(tài)特性過于緩慢,或許是體系中自加熱加載了過多的熱能。
6、環(huán)境差錯來源于德國Flintec稱重傳感器運(yùn)用的環(huán)境,稱重傳感器要素包羅溫度,或是搖擺、轟動、海拔、化學(xué)物質(zhì)蒸發(fā)或其他要素,這些常常影響傳感器的特性,所以在實(shí)踐運(yùn)用中,這些要素總是被分類會集在一起的。