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傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定12.1傳感器靜態(tài)特性的標(biāo)定
傳感器的標(biāo)定,就是利用精度高一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)器具對(duì)傳感器進(jìn)行定度的過(guò)程,通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立傳感器輸出量和輸入量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,同時(shí)也確定不同使用條件下的誤差關(guān)系。傳感器的標(biāo)定分為靜態(tài)標(biāo)定和動(dòng)態(tài)標(biāo)定兩種。
靜態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器靜態(tài)特性指標(biāo),如線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等。
動(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的是確定傳感器的動(dòng)態(tài)特性參數(shù),如頻率響應(yīng)、時(shí)間常數(shù)、固有頻率和阻尼比等。
工程測(cè)試中傳感器的標(biāo)定,應(yīng)在與其使用條件相似的環(huán)境下進(jìn)行。為獲得高的標(biāo)定精度,(尤其像電容式、壓電式傳感器等)應(yīng)將傳感器及其配用的電纜、放大器等測(cè)試系統(tǒng)一起標(biāo)定。有時(shí),根據(jù)需要也要對(duì)溫度響應(yīng)、環(huán)境影響等進(jìn)行標(biāo)定。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定1.靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件傳感器的靜態(tài)特性是在靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行標(biāo)定的。所謂靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)是指沒(méi)有加速度、振動(dòng)、沖擊(除非這些參數(shù)本身就是被測(cè)物理量)及環(huán)境溫度一般為室溫(20℃±5℃)、相對(duì)濕度不大于85%,大氣壓力為(101±7)
kPa的情況。2.靜態(tài)特性標(biāo)定系統(tǒng)對(duì)傳感器進(jìn)行靜態(tài)特性標(biāo)定,首先要建立標(biāo)定系統(tǒng)。傳感器的靜態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)一般由以下幾部分組成:
(1)被測(cè)物理量標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生器。如測(cè)力機(jī)、活塞式壓力計(jì)、恒溫源等。
(2)被測(cè)物理量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)。如標(biāo)準(zhǔn)力傳感器、壓力傳感器、標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度——量規(guī)等。
(3)被標(biāo)定傳感器所配接的信號(hào)調(diào)節(jié)器和顯示、記錄器等配接儀器精度應(yīng)是己知的,也作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試設(shè)備。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定標(biāo)定系統(tǒng)分為絕對(duì)法標(biāo)定系統(tǒng)和比較法標(biāo)定系統(tǒng)。絕對(duì)法標(biāo)定系統(tǒng):標(biāo)定精度高,但較復(fù)雜
標(biāo)定裝置能產(chǎn)生量值確定的高精度標(biāo)準(zhǔn)輸入量,將之傳遞給被標(biāo)定的傳感器,同時(shí)標(biāo)定裝置能測(cè)量并顯示出被標(biāo)定傳感器的輸出量。比較法標(biāo)定系統(tǒng)標(biāo)定裝置不能測(cè)量被測(cè)量,它產(chǎn)生的被測(cè)輸入量通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)傳感器測(cè)量,被標(biāo)定傳感器的輸出由高精度測(cè)量裝置測(cè)量并顯示。但如果被標(biāo)定傳感器包括后續(xù)測(cè)量電路和顯示部分,高精度輸出測(cè)量裝置就可去掉。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定
注意!在標(biāo)定傳感器時(shí),所用的測(cè)量?jī)x器的精度至少要比被標(biāo)定的傳感器的精度高一個(gè)等級(jí)。3.靜態(tài)特性標(biāo)定的步驟標(biāo)定過(guò)程步驟如下:(1)將傳感器全量程(測(cè)量范圍)分成若干等間距點(diǎn);(2)根據(jù)傳感器量程分點(diǎn)情況,由小到大逐漸一點(diǎn)一點(diǎn)輸入標(biāo)準(zhǔn)量值,并記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值;(3)將輸入值由大到小一點(diǎn)一點(diǎn)的減少下來(lái),同時(shí)記錄下與各輸入值相對(duì)應(yīng)的輸出值;(4)按(2)、(3)所述過(guò)程,對(duì)傳感器進(jìn)行正、反行程往復(fù)循環(huán)多次測(cè)試,將得到的輸出-輸入測(cè)試數(shù)據(jù)用表格列出或畫成曲線;(5)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理,根據(jù)處理結(jié)果就可以確定傳感器的線性度、靈敏度、滯后和重復(fù)性等靜態(tài)特性指標(biāo)。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定12.2傳感器動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)定
傳感器的動(dòng)態(tài)標(biāo)定主要是研究傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng),而與動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)的參數(shù),一階傳感器只有時(shí)間常數(shù)一個(gè)參數(shù),二階傳感器則有固有頻率和阻尼比兩個(gè)參數(shù)。傳感器動(dòng)態(tài)特性標(biāo)定方法:1.階躍響應(yīng)法由于獲取階躍信號(hào)比較方便,使用階躍響應(yīng)法測(cè)量傳感器動(dòng)態(tài)性能是一種較好的方法。對(duì)于一階傳感器,簡(jiǎn)單的方法就是測(cè)得階躍響應(yīng)之后,傳感器輸出值達(dá)到最終穩(wěn)定值的63.2%所經(jīng)歷的時(shí)間,即時(shí)間常數(shù)。但上述方法測(cè)量結(jié)果的可靠性僅僅取決于某些個(gè)別的瞬時(shí)值。為獲得較可靠的結(jié)果,應(yīng)記錄下整個(gè)響應(yīng)期間傳感器的輸出值,然后利用下述方法來(lái)確定時(shí)間常數(shù)。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定已知一階傳感器的階躍響應(yīng)函數(shù)為:整理得:令:則表明z和時(shí)間t成線性關(guān)系,且,如圖所示。因此,可以根據(jù)測(cè)得的值,作出z-t曲線,再根據(jù)值算出時(shí)間常數(shù)。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定
對(duì)于二階傳感器,實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)都設(shè)計(jì)成欠阻尼系統(tǒng),即阻尼比小于1,這樣過(guò)沖量不會(huì)太大,穩(wěn)定時(shí)間也不會(huì)過(guò)長(zhǎng),如圖。它是以的角頻率作衰減振蕩的,稱為傳感器的阻尼振蕩頻率。按照求極值的通用方法,可以求得各振蕩峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為、、…。已知欠阻尼二階傳感器階躍響應(yīng)表達(dá)式為:傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定按求極值的通用方法,求得第一個(gè)峰值輸出為則對(duì)應(yīng)的最大超調(diào)量為測(cè)出最大超調(diào)量,則可算出阻尼比:傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定測(cè)出振蕩周期Td值,根據(jù)Td=以及與的關(guān)系,代入下式計(jì)算固有頻率:2.頻率響應(yīng)法該方法利用正弦周期輸入信號(hào),通過(guò)測(cè)定不同正弦激勵(lì)頻率下輸出與輸入的幅值比和相位差來(lái)確定傳感器的幅頻特性和相頻特性。根據(jù)一階傳感器幅頻特性曲線的伯得圖,其對(duì)數(shù)幅頻曲線下降3dB處所測(cè)取的角頻率,可求得一階傳感器的時(shí)間常數(shù)。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定
對(duì)欠阻尼二階傳感器,可從其幅頻特性曲線上測(cè)得3個(gè)特征量:零頻增益Ar(0)、共振頻率增益和共振角頻率。根據(jù)第1章分析得出的欠阻尼二階傳感器幅頻特性表達(dá)式通過(guò)對(duì)其求極值可推導(dǎo)出傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定3.沖擊響應(yīng)法沖擊響應(yīng)法具有所需設(shè)備少、操作簡(jiǎn)便、調(diào)整控制方便的特點(diǎn)。如用于力傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定的落錘式?jīng)_擊臺(tái)就是根據(jù)重物自由下落,沖擊砧子所產(chǎn)生的沖擊力作為標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)力的。用沖擊信號(hào)作為傳感器輸入時(shí),傳感器系統(tǒng)傳遞函數(shù)為其輸出信號(hào)的拉氏變換,由此可確定傳感器的傳遞函數(shù)。12.3常用的標(biāo)定設(shè)備12.3.1靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備
1.力標(biāo)定設(shè)備測(cè)力傳感器的標(biāo)定主要是靜態(tài)標(biāo)定,采用比較法。1)測(cè)力砝碼最簡(jiǎn)單的力標(biāo)定設(shè)備是各種測(cè)力砝碼。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定
我國(guó)基準(zhǔn)測(cè)力裝置是固定式基準(zhǔn)測(cè)力機(jī),它實(shí)際上是由一組在重力場(chǎng)中體現(xiàn)基準(zhǔn)力值的直接加荷砝碼(靜重砝碼)組成。圖(a)所示為一種杠桿式測(cè)力機(jī),這是一種直接加測(cè)力法碼的標(biāo)定裝置。圖(b)所示為一種液壓式測(cè)力機(jī)原理圖,其中砝碼經(jīng)油路產(chǎn)生的力作為標(biāo)準(zhǔn)力,作用在被標(biāo)定傳感器上,量程可高達(dá)5MN。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定2)拉壓式測(cè)力計(jì)圖示為一種用環(huán)形測(cè)力計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)的推力標(biāo)定裝置。它由液壓缸產(chǎn)生測(cè)力,測(cè)力計(jì)的彈性敏感元件為橢圓形鋼環(huán),環(huán)體受力后的變形量與作用力成線性關(guān)系,測(cè)出測(cè)力環(huán)變形量作為標(biāo)準(zhǔn)輸入。如果用杠桿放大機(jī)構(gòu)和百分表結(jié)構(gòu)來(lái)讀取測(cè)力環(huán)變形量,或用光學(xué)顯微鏡讀取,甚至采用光學(xué)干涉法讀取,則可大大提高測(cè)量精度。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定2.壓力標(biāo)定設(shè)備活塞壓力計(jì)是目前最常用的壓力傳感器靜態(tài)標(biāo)定裝置。圖示為活塞壓力計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖。1—測(cè)量活塞;2—砝碼;3—活塞柱;4—手搖泵;5—工作液;6—被校壓力表;7—手輪;8—絲桿;9—手搖泵活塞;10—油杯;11—進(jìn)油閥手輪;12—托盤;13—標(biāo)準(zhǔn)壓力表;a、b、c—切斷閥;d—進(jìn)油閥傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定活塞壓力計(jì)實(shí)物圖傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定在壓力表(壓力傳感器)標(biāo)定時(shí),通過(guò)手輪對(duì)加壓泵內(nèi)的油液加壓,根據(jù)流體靜力學(xué)中液體壓力傳遞平衡原理,該外加壓力均勻傳遞到活塞缸內(nèi)頂起活塞。由于活塞上部是承重盤和砝碼,當(dāng)油液中的壓力p產(chǎn)生的活塞上頂力與承重盤和砝碼的重力相等時(shí),活塞被穩(wěn)定在某一平衡位置上,這時(shí)力平衡關(guān)系為式中:A為活塞的截面積;G為承重盤和砝碼(包括活塞)的總重力;p為被測(cè)壓力。1—測(cè)量活塞;2—砝碼;6—被校壓力表;9—手搖泵活塞;13—標(biāo)準(zhǔn)壓力表;傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定一般取A=1cm2或2,因而可以方便準(zhǔn)確地由平衡時(shí)所加砝碼和承重盤本身的重力知道被測(cè)壓力p的數(shù)值。通過(guò)被標(biāo)定壓力表(傳感器)上的壓力指示值與這一標(biāo)準(zhǔn)壓力值p相比較,就可知道被標(biāo)定壓力表(傳感器)誤差大小。在現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定時(shí),為了操作方便,可以不用砝碼加載,而直接用標(biāo)準(zhǔn)壓力表讀取所加壓力。作為壓力標(biāo)準(zhǔn)的活塞壓力計(jì)精度為0.002%,作為國(guó)家基準(zhǔn)器的活塞壓力計(jì)最高精度為0.005%,一等標(biāo)準(zhǔn)精度為0.01%,二等標(biāo)準(zhǔn)精度為0.05%,三等標(biāo)準(zhǔn)精度為0.2%,一般工業(yè)用壓力表用三等精度活塞壓力計(jì)校準(zhǔn)。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定3.位移(長(zhǎng)度)標(biāo)定設(shè)備位移(長(zhǎng)度)測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定主要采用比較法。標(biāo)定設(shè)備主要是各種長(zhǎng)度計(jì)量器具,如各種直尺、千分尺、塊規(guī)、塞規(guī)、專門制造的標(biāo)準(zhǔn)樣柱等均可作為位移傳感器的靜態(tài)標(biāo)定設(shè)備。當(dāng)精度為2.5~10時(shí)可直接用度盤指示器和千分尺作標(biāo)準(zhǔn)器;如測(cè)量精度高于2.5,則應(yīng)用塊規(guī)來(lái)標(biāo)定傳感器。
塊規(guī)精度高,使用方便,標(biāo)定范圍廣,是工業(yè)中常用的長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)器。塊規(guī)由軸承鋼制成,具有兩個(gè)相對(duì)經(jīng)拋光的基準(zhǔn)平面,它們的平面度和平行度都限制在規(guī)定的公差范圍內(nèi)。作為標(biāo)準(zhǔn)用的塊規(guī)的準(zhǔn)確度為±0.03/cm。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定塊規(guī)實(shí)物圖塊規(guī)的使用傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定用塊規(guī)來(lái)進(jìn)行標(biāo)定時(shí)可以采用直接比較法和光干涉法。直接比較法光干涉法傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定
塊規(guī)只能進(jìn)行靜態(tài)的和小尺寸的標(biāo)定。對(duì)大量程長(zhǎng)度測(cè)量裝置的標(biāo)定可用雙頻激光干涉儀。雙頻激光干涉儀的基本工作原理是光干涉原理,它的特點(diǎn)是利用兩個(gè)頻率相差很小的光的干涉,亦即用時(shí)間頻率代替了一般干涉儀的空間頻率,因此對(duì)于環(huán)境震動(dòng)、空氣湍流等的影響不敏感,儀器的分辨力可達(dá)到納米級(jí)。當(dāng)用雙頻激光儀和被標(biāo)定的測(cè)量裝置同時(shí)對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行測(cè)量時(shí),就可以得到測(cè)量裝置的動(dòng)態(tài)誤差。4.溫度標(biāo)定設(shè)備標(biāo)定溫度測(cè)量系統(tǒng)的方法可以分為兩類:一是同一次標(biāo)準(zhǔn)比較,即按照國(guó)際計(jì)量委員會(huì)1990年通過(guò)的國(guó)際溫標(biāo)(ITS-1990)相比較,見(jiàn)表12-1;二是與某個(gè)已經(jīng)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行比較,這是常用的標(biāo)定方法。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定
復(fù)現(xiàn)表12-1中這些基準(zhǔn)點(diǎn)的方法是用一個(gè)內(nèi)裝有參考材料的密封容器,將待標(biāo)定的溫度傳感器的敏感元件放在伸入容器中心位置的套管中。然后加熱,使溫度超過(guò)參考物質(zhì)的熔點(diǎn),待物質(zhì)全部熔化。隨后冷卻,達(dá)到三相點(diǎn)(或凝固點(diǎn))后,只要同時(shí)存在固、液、氣三態(tài)或(固、液態(tài))約幾分鐘,溫度就穩(wěn)定下來(lái),并能保持規(guī)定值不變。
對(duì)于定義固定點(diǎn)之間的溫度,ITS-1990國(guó)際溫標(biāo)把溫度分為4個(gè)溫區(qū),各個(gè)溫區(qū)的范圍、使用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀器分別為:(1)
~
K間為3He或4He蒸氣壓溫度計(jì);(2)
~
K間為3He或4He定容氣體溫度計(jì);(3)
K~961.78℃間為鉑電阻溫度計(jì);(4)
961.78℃以上為光學(xué)或光電高溫計(jì)。以上有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫儀器的分度方法以及固定點(diǎn)之間的內(nèi)插公式,ITS-1990國(guó)際溫標(biāo)都有明確的規(guī)定,可參考ITS-1990標(biāo)準(zhǔn)文本。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定
熱電偶的標(biāo)定(校準(zhǔn)):目的是核對(duì)標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)-溫度關(guān)系是否符合標(biāo)準(zhǔn),或確定非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶的熱電動(dòng)勢(shì)——溫度標(biāo)定曲線,也可以通過(guò)標(biāo)定消除測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)誤差。標(biāo)定方法有定點(diǎn)法和比較法。
定點(diǎn)法是以純?cè)氐姆悬c(diǎn)或凝固點(diǎn)作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。如基準(zhǔn)鉑銠
10-鉑熱電偶在~1064.43℃的溫度間隔內(nèi),以金的凝固點(diǎn)1064.43℃、銀的凝固點(diǎn)961.93℃、銻的凝固點(diǎn)630.775℃作為標(biāo)準(zhǔn)溫度進(jìn)行標(biāo)定。比較法是將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被標(biāo)定熱電偶之間直接進(jìn)行比較,比較法又可分為雙極法、同名極法(單極法)和微差法。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定雙極比較法檢定系統(tǒng)原理原理圖。檢定時(shí)將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被標(biāo)定熱電偶的工作端捆扎在一起,插入爐膛內(nèi)的均勻溫度場(chǎng)中,冷端分別插在0℃的恒溫器中。用調(diào)壓變壓器調(diào)節(jié)爐溫,當(dāng)爐溫到達(dá)所需的標(biāo)定溫度點(diǎn)±10℃內(nèi),且爐溫變化每分鐘不超過(guò)0.2℃時(shí),讀取數(shù)據(jù)。每一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)溫度的讀數(shù)不得少于4次。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定
12.3.2動(dòng)態(tài)標(biāo)定設(shè)備
1.振動(dòng)傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定設(shè)備采用振動(dòng)臺(tái)(激振器)產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)。振動(dòng)臺(tái)有機(jī)械的、電磁的、液壓的等多種。常用的是電磁振動(dòng)臺(tái),能產(chǎn)生5~
kHz范圍激振頻率。高頻激振器多用壓電式,頻率范圍為幾千赫到幾百萬(wàn)赫。機(jī)械振動(dòng)臺(tái)種類較多,其中偏心慣性質(zhì)量式最常用。液壓振動(dòng)臺(tái)是用高壓液體通過(guò)電液伺服閥驅(qū)動(dòng)作功進(jìn)而推動(dòng)臺(tái)面產(chǎn)生振動(dòng)的激振設(shè)備,它的低頻響應(yīng)好,推力大,常用來(lái)作為大噸位激振設(shè)備。振動(dòng)的標(biāo)定方法有絕對(duì)校準(zhǔn)法、比較法和互易法。絕對(duì)法標(biāo)定是由標(biāo)準(zhǔn)儀器直接準(zhǔn)確決定出振動(dòng)臺(tái)的振幅和頻率,它有精度高、可靠性大的優(yōu)點(diǎn)。但該方法對(duì)設(shè)備精度要求高,標(biāo)定時(shí)間長(zhǎng),一般用在計(jì)量部門。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定
比較法的原理簡(jiǎn)單、操作方便,對(duì)設(shè)備精度要求較低,所以應(yīng)用很廣。上圖為一個(gè)用比較法標(biāo)定振動(dòng)傳感器的示意圖,將相同的運(yùn)動(dòng)加在兩個(gè)傳感器上,比較它們的輸出。在比較法中,標(biāo)準(zhǔn)傳感器是關(guān)鍵部件,因此它必須滿足如下要求:靈敏度精度優(yōu)于0.5%,并具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性,線性好;橫向靈敏度比小于2.5%;對(duì)環(huán)境的響應(yīng)小,自振頻率盡量高。傳感器原理及其有效應(yīng)用第12章傳感器標(biāo)定
振動(dòng)標(biāo)定的內(nèi)容主要有靈敏度、頻率響應(yīng)、固有振動(dòng)頻率、橫向靈敏度等。
靈敏度的標(biāo)定是在傳感器規(guī)定的頻率響應(yīng)范圍內(nèi),進(jìn)行單頻標(biāo)定。亦即在頻率保持恒定的條件下,改變振動(dòng)臺(tái)的振幅,讀出傳感器的輸出電壓值(或其他量值),就可以得到它的振幅—電壓曲線。與標(biāo)準(zhǔn)傳感器相比較,就可以從下式求得它的靈敏度:式中:U1、U2分別為待測(cè)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的輸出電壓;S1、S2分別為待測(cè)傳感器和標(biāo)準(zhǔn)傳感器的靈敏度。
頻率響應(yīng)的標(biāo)定是在振幅恒定條件下,改變振動(dòng)臺(tái)的振動(dòng)頻率,所得到的輸出電壓與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系即傳感器的幅頻響應(yīng);比較待測(cè)傳感器與標(biāo)準(zhǔn)傳感器輸出信號(hào)間的相位差,就可以得到傳感
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