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1、霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器設(shè)計(jì)工程實(shí)踐中,經(jīng)常會(huì)遇到各種需要測(cè)量轉(zhuǎn)速的場(chǎng)合,例如在發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、機(jī)床主軸等旋轉(zhuǎn)設(shè)備的試驗(yàn)、運(yùn)轉(zhuǎn)和控制中,常需要分時(shí)或連續(xù)測(cè)量和顯示其轉(zhuǎn)速和瞬時(shí)轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速測(cè)量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛,往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分,其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重,但轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)普遍的應(yīng)用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中,有著重要的意義。目前國(guó)內(nèi)外測(cè)量轉(zhuǎn)速的方法很多,按照不同的設(shè)計(jì)理論可分為以下幾種。模擬測(cè)速法同步測(cè)速法計(jì)數(shù)測(cè)速法型式測(cè)量方法使用范圍特點(diǎn)備注計(jì)數(shù)式機(jī)械式通過(guò)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)字輪中、低速簡(jiǎn)單、價(jià)廉 光電式來(lái)自被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上的光線使光電管產(chǎn)生電脈沖中

2、、高速 數(shù)字式電磁式利用磁電轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速變換成脈沖中、高速 數(shù)字式模擬式機(jī)械式利用離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比的關(guān)系中、低速簡(jiǎn)單 發(fā)電機(jī)式利用電機(jī)電流或交流電壓與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系高速可遠(yuǎn)距離指示測(cè)速發(fā)電機(jī)不同測(cè)量方法的比較如下表所示不同測(cè)量方法的比較如下表所示型式測(cè)量方法使用范圍特點(diǎn)備注模擬式電容式利用電容充、放電與轉(zhuǎn)速成正比的關(guān)系中、高速 同步式機(jī)械式轉(zhuǎn)動(dòng)帶槽的圓盤(pán),觀察旋轉(zhuǎn)體的同步關(guān)系中速 閃光式用已知頻率閃光測(cè)出旋轉(zhuǎn)體同步的頻率中、高速 幾種常用的轉(zhuǎn)速測(cè)量方法 (1直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器:直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器: 它由開(kāi)孔圓盤(pán)、光源、光敏元它由開(kāi)孔圓盤(pán)、光源、光敏元件及縫隙板等組成。開(kāi)孔圓盤(pán)件及縫

3、隙板等組成。開(kāi)孔圓盤(pán)的輸入軸與被測(cè)軸相連接,光的輸入軸與被測(cè)軸相連接,光源發(fā)出的光,通過(guò)開(kāi)孔圓盤(pán)和源發(fā)出的光,通過(guò)開(kāi)孔圓盤(pán)和縫隙板照射到光敏元件上被光縫隙板照射到光敏元件上被光敏元件所接收,將光信號(hào)轉(zhuǎn)為敏元件所接收,將光信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)輸出。開(kāi)孔圓盤(pán)上有許電信號(hào)輸出。開(kāi)孔圓盤(pán)上有許多小孔,開(kāi)孔圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周,多小孔,開(kāi)孔圓盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周,光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤(pán)的開(kāi)孔數(shù),因此,可通于圓盤(pán)的開(kāi)孔數(shù),因此,可通過(guò)測(cè)量光敏元件輸出的脈沖頻過(guò)測(cè)量光敏元件輸出的脈沖頻率,得知被測(cè)轉(zhuǎn)速率,得知被測(cè)轉(zhuǎn)速1.光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量:光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件,首光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量:光電

4、傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件,首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件件3部分組成。部分組成。 即 n=f/N式中:n - 轉(zhuǎn)速 f - 脈沖頻率 N - 圓盤(pán)開(kāi)孔數(shù)。 (2反射式光電傳感器:反射式光電傳感器: 它主要由被測(cè)旋轉(zhuǎn)部它主要由被測(cè)旋轉(zhuǎn)部件、反光片或反光貼紙件、反光片或反光貼紙)、反射式光電傳感器組)、反射式光電傳感器組成,在可以進(jìn)行精確定位成,在可以進(jìn)行精確定位的情況下,在被測(cè)部件上的

5、情況下,在被測(cè)部件上對(duì)稱(chēng)安裝多個(gè)反光片或反對(duì)稱(chēng)安裝多個(gè)反光片或反光貼紙會(huì)取得較好的測(cè)量光貼紙會(huì)取得較好的測(cè)量效果。在本實(shí)驗(yàn)中,由于效果。在本實(shí)驗(yàn)中,由于測(cè)試距離近且測(cè)試要求不測(cè)試距離近且測(cè)試要求不高,僅在被測(cè)部件上只安高,僅在被測(cè)部件上只安裝了一片反光貼紙,因此裝了一片反光貼紙,因此,當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件上的反光貼,當(dāng)旋轉(zhuǎn)部件上的反光貼紙通過(guò)光電傳感器前時(shí),紙通過(guò)光電傳感器前時(shí),光電傳感器的輸出就會(huì)跳光電傳感器的輸出就會(huì)跳變一次。通過(guò)測(cè)出這個(gè)跳變一次。通過(guò)測(cè)出這個(gè)跳變頻率變頻率f,就可知道轉(zhuǎn)速,就可知道轉(zhuǎn)速n。 即 n=f 如果在被測(cè)部件上對(duì)稱(chēng)安裝多個(gè)反光片或反光貼紙,那么,n=f/N。N-反光片或反光

6、貼紙的數(shù)量反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)圖 (1面積變化型:面積變化型: 圖圖3中是面積變化型的原理,圖中電容式轉(zhuǎn)速傳感器由兩塊固定金屬板和中是面積變化型的原理,圖中電容式轉(zhuǎn)速傳感器由兩塊固定金屬板和與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的可動(dòng)金屬板構(gòu)成??蓜?dòng)金屬板處于電容量最大的位置,當(dāng)轉(zhuǎn)與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的可動(dòng)金屬板構(gòu)成??蓜?dòng)金屬板處于電容量最大的位置,當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)180時(shí)則處于電容量最小的位置。電容量的周期變化速率即為轉(zhuǎn)速時(shí)則處于電容量最小的位置。電容量的周期變化速率即為轉(zhuǎn)速??赏ㄟ^(guò)直流激勵(lì)、交流激勵(lì)和用可變電容構(gòu)成振蕩器的振蕩槽路等方式得。可通過(guò)直流激勵(lì)、交流激勵(lì)和用可變電容構(gòu)成振蕩器的振蕩槽路等方式得到轉(zhuǎn)速的測(cè)

7、量信號(hào)。到轉(zhuǎn)速的測(cè)量信號(hào)。2.電容式轉(zhuǎn)速測(cè)量:電容式轉(zhuǎn)速傳感器是一種常用于小負(fù)荷轉(zhuǎn)速測(cè)電容式轉(zhuǎn)速測(cè)量:電容式轉(zhuǎn)速傳感器是一種常用于小負(fù)荷轉(zhuǎn)速測(cè)量和瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測(cè)量的電參數(shù)型數(shù)字式傳感器。它同其它數(shù)字式轉(zhuǎn)速量和瞬態(tài)轉(zhuǎn)速測(cè)量的電參數(shù)型數(shù)字式傳感器。它同其它數(shù)字式轉(zhuǎn)速傳感器一樣傳感器一樣,主要是由預(yù)變換元件和變換元件兩測(cè)量中應(yīng)用較多。主要是由預(yù)變換元件和變換元件兩測(cè)量中應(yīng)用較多。 介質(zhì)變化型是在電容器的兩個(gè)固定電極板之間嵌入一塊高介電常數(shù)的可動(dòng)板而構(gòu)成的。 可動(dòng)介質(zhì)板與轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連,隨著轉(zhuǎn)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn),電容器板間的介電常數(shù)發(fā)生周期性變化而引起電容量的周期性變化,其速率等于轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。 圖中齒輪外沿面作為電

8、容器的動(dòng)極板,當(dāng)電容器定極板與齒頂相對(duì)時(shí),電容量最大,而與齒隙相對(duì)時(shí),電容量最小。因此,電容量的變化頻率應(yīng)與齒輪的轉(zhuǎn)頻成正比 。(2介質(zhì)變化型:變磁阻式轉(zhuǎn)速傳感器 它屬于變磁阻式傳感器。變磁阻式傳感器的三種基本類(lèi)型,電感式傳感器、變壓器式傳感器和電渦流式傳感器都可制成轉(zhuǎn)速傳感器。 電感式轉(zhuǎn)速傳感器應(yīng)用較廣,它利用磁通變化而產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),其電勢(shì)大小取決于磁通變化的速率。這類(lèi)傳感器按結(jié)構(gòu)不同又分為開(kāi)磁路式和閉磁路式兩種。 (1開(kāi)磁路式轉(zhuǎn)速傳感器圖4a結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,輸出信號(hào)較小,不宜在振動(dòng)劇烈的場(chǎng)合使用。 (2閉磁路式轉(zhuǎn)速傳感器由裝在轉(zhuǎn)軸上的外齒輪、內(nèi)齒輪、線圈和永久磁鐵構(gòu)成圖4b)。內(nèi)、外齒輪有相

9、同的齒數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸連接到被測(cè)軸上一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于內(nèi)、外齒輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生磁阻變化,在線圈中產(chǎn)生交流感應(yīng)電勢(shì)。測(cè)出電勢(shì)的大小便可測(cè)出相應(yīng)轉(zhuǎn)速值?;魻柺睫D(zhuǎn)速傳感器 原理:是一種采用霍爾原理的的轉(zhuǎn)速傳感器。它的感應(yīng)對(duì)原理:是一種采用霍爾原理的的轉(zhuǎn)速傳感器。它的感應(yīng)對(duì)象為磁鋼。當(dāng)被測(cè)體上嵌入磁鋼,隨著被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),象為磁鋼。當(dāng)被測(cè)體上嵌入磁鋼,隨著被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號(hào),達(dá)到測(cè)速目的。傳感器輸出與旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號(hào),達(dá)到測(cè)速目的。優(yōu)點(diǎn):安裝使用方便,通用性好優(yōu)點(diǎn):安裝使用方便,通用性好 可執(zhí)行性高、易操作、精度高可執(zhí)行性高、易操作、精度高 同時(shí)誤差比較小,適應(yīng)于各種復(fù)

10、雜環(huán)境同時(shí)誤差比較小,適應(yīng)于各種復(fù)雜環(huán)境 霍爾傳感器本身具有不怕灰塵、油污,安裝簡(jiǎn)易,霍爾傳感器本身具有不怕灰塵、油污,安裝簡(jiǎn)易,不易損壞不易損壞 所以霍爾轉(zhuǎn)速傳感器是轉(zhuǎn)速傳感器中的戰(zhàn)斗機(jī)。所以霍爾轉(zhuǎn)速傳感器是轉(zhuǎn)速傳感器中的戰(zhàn)斗機(jī)?;魻栃?yīng):置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體, 當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí), 載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場(chǎng)方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì), 這種現(xiàn)象稱(chēng)霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱(chēng)霍爾電勢(shì)。利用霍爾效應(yīng)可以設(shè)計(jì)制成多種傳感器。 霍爾電位差UH的基本關(guān)系為 UH=RHIB/d RH=1/nq金屬)式中 RH霍爾系數(shù): n載流子濃度或自由電子濃度; q電子電量; I通過(guò)的電流; B垂直于I的磁感應(yīng)強(qiáng)度;

11、 d導(dǎo)體的厚度。 霍爾元件敏感元件): 根據(jù)霍爾效應(yīng),人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn),因此,在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。霍爾元件示意圖 組成部分: 霍爾轉(zhuǎn)速傳感器的主要組成部分是傳感頭和齒圈,而傳感頭又是由霍爾元件、永磁體和電子電路組成的。霍爾元件圖片霍爾元件圖片下面通過(guò)一個(gè)實(shí)際的測(cè)轉(zhuǎn)速例子來(lái)講解霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器在設(shè)計(jì)中使用是Hal-12霍爾傳感器,Hal-12霍爾轉(zhuǎn)速傳感器,是一種采用霍爾原理的的轉(zhuǎn)速傳感器。它的感應(yīng)對(duì)象為磁鋼。當(dāng)被測(cè)體上嵌入磁鋼,隨著被測(cè)物體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),傳感器輸出與

12、旋轉(zhuǎn)頻率相關(guān)的脈沖信號(hào),達(dá)到測(cè)速或位移檢測(cè)的發(fā)訊目的。由于安裝使用方便,通用性好,已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。技術(shù)參數(shù):1.發(fā)訊頻率:010kHz2.供電電源:1225V(DC)3.負(fù)載電阻:1.0k4.檢測(cè)距離:14mm(磁鋼)6.輸出信號(hào):矩形波幅值:近電源電壓7.環(huán)境條件:溫度:-20C80C 相對(duì) 濕度:85%Hal-12霍爾傳感器實(shí)物圖Hal-12霍爾傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)霍爾轉(zhuǎn)速傳感器傳感頭當(dāng)圓形磁盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí),磁盤(pán)上不同磁性的小磁鋼交替變化,引起磁力的交替簡(jiǎn)化,磁力穿過(guò)傳感器上感應(yīng)元件時(shí)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)經(jīng)過(guò)霍爾芯片的放大整形輸出,再輸入到轉(zhuǎn)換電路。注釋?zhuān)捍疟P(pán)每轉(zhuǎn)一圈,與感應(yīng)元件就接觸一次,感應(yīng)元件感

13、應(yīng)磁注釋?zhuān)捍疟P(pán)每轉(zhuǎn)一圈,與感應(yīng)元件就接觸一次,感應(yīng)元件感應(yīng)磁場(chǎng)的變化通過(guò)上拉電阻在輸出口會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有效電平。場(chǎng)的變化通過(guò)上拉電阻在輸出口會(huì)產(chǎn)生一個(gè)有效電平?;魻栟D(zhuǎn)速傳感器內(nèi)置電路圖傳感器內(nèi)置電路對(duì)該信號(hào)進(jìn)行放大、整形,輸出良好的矩形脈沖信號(hào)圓盤(pán)貼兩個(gè)磁鋼時(shí),設(shè)每秒計(jì)數(shù)到N個(gè)值,則轉(zhuǎn)速=N/2 (r/s)。則N/2 (r/s)=30N(r/min)。即只要將計(jì)數(shù)值乘以30便可得到每分鐘電機(jī)的轉(zhuǎn)速模擬輸出的矩形脈沖圖理想的輸出圖 過(guò)程分析: 磁性轉(zhuǎn)盤(pán)的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連, 當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí), 磁性轉(zhuǎn)盤(pán)隨之轉(zhuǎn)動(dòng), 固定在磁性轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便可在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的脈沖, 檢測(cè)出單

14、位時(shí)間的脈沖數(shù), 便可知被測(cè)轉(zhuǎn)速。 磁性轉(zhuǎn)盤(pán)上小磁鐵數(shù)目的多少?zèng)Q定了傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速的分辨率。輸入輸出關(guān)系圖OH137AT89C5110K20pfVCC+5VSNNSUO霍爾式轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)硬件電路圖轉(zhuǎn)速測(cè)量電路1轉(zhuǎn)速測(cè)量?jī)x的基本組成:2轉(zhuǎn)速測(cè)量基本方法定數(shù)采樣:這種方法其實(shí)是測(cè)量單個(gè)脈沖的周期定數(shù)采樣:這種方法其實(shí)是測(cè)量單個(gè)脈沖的周期或指定個(gè)數(shù)脈沖的總周期。這種測(cè)量脈沖的方法或指定個(gè)數(shù)脈沖的總周期。這種測(cè)量脈沖的方法又叫做測(cè)周法。又叫做測(cè)周法。 定時(shí)采樣。這種方法其實(shí)是測(cè)量單位時(shí)間的脈沖定時(shí)采樣。這種方法其實(shí)是測(cè)量單位時(shí)間的脈沖個(gè)數(shù)。這種測(cè)量脈沖的方法又叫做測(cè)頻法。個(gè)數(shù)。這種測(cè)量脈沖的方法又叫做

15、測(cè)頻法。頻率電壓轉(zhuǎn)換(f/V)頻率轉(zhuǎn)速N=f/分頻數(shù)單位r/min r/s電機(jī)霍爾傳感器LED顯示信號(hào)處理單片機(jī)采用“M法的轉(zhuǎn)速測(cè)量測(cè)頻法)1m在一定的測(cè)量時(shí)間內(nèi),測(cè)量輸入脈沖產(chǎn)生的脈沖數(shù)M1來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速,如下圖T硬件仿真圖誤差分析預(yù)計(jì)的實(shí)物效果預(yù)計(jì)的實(shí)物效果霍爾元件的補(bǔ)償電路 1.零位誤差: 就是指在無(wú)外加磁場(chǎng)或無(wú)控制電流的情況下,霍爾元件產(chǎn)生輸出電壓并由此而產(chǎn)生的誤差稱(chēng)為零位誤差。要表現(xiàn)為以下幾種具體形式: 1)不等位電動(dòng)勢(shì): 不等位電動(dòng)勢(shì)是零位誤差中最主要的一種,它是當(dāng)霍爾元件在額定控制電流(元件在空氣中溫升10所對(duì)應(yīng)的電流)作用下,不加外磁場(chǎng)時(shí),霍爾輸出端之間的空載電勢(shì)。不等位電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生

16、的原因是由于制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱(chēng)地焊在霍爾片的兩側(cè),致使兩電極點(diǎn)不能完全位于同一等位面上。此外霍爾片電阻率不均勻或片厚薄不均勻或控制電流極接觸不良都將使等位面歪斜,致使兩霍爾電極不在同一等位面上而產(chǎn)生不等位電動(dòng)勢(shì)。 2)寄生直流電勢(shì) 在無(wú)磁場(chǎng)的情況下,通入交流電流,輸出端除交流不等位電壓以外的直流分量是寄生直流電勢(shì)。產(chǎn)生寄生直流電勢(shì)的原因大致上有兩個(gè)方面:由于控制極焊接處歐姆接觸不良而造成一種整流效應(yīng),使控制電流因正、反向電流大小不等而具有一定的直流分量。輸出極焊點(diǎn)熱容量不相等產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)。 3)感應(yīng)零電勢(shì)感應(yīng)零電勢(shì)是在未通電流的情況下,由于脈動(dòng)或交變磁場(chǎng)的作用,在輸出端產(chǎn)生

17、的電動(dòng)勢(shì)。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小與霍爾元件輸出電極引線構(gòu)成的感應(yīng)面積成正比。 4)自激場(chǎng)零電勢(shì)霍爾元件控制電流產(chǎn)生自激場(chǎng),由于元件的左右兩半場(chǎng)相等,故產(chǎn)生的電勢(shì)方向相反而抵消。實(shí)際應(yīng)用時(shí)由于控制電流引線也產(chǎn)生磁場(chǎng),使元件左右兩半場(chǎng)強(qiáng)不等,因而有霍爾電勢(shì)輸出,這一輸出電勢(shì)即是自激場(chǎng)零電勢(shì)。在上述的四種零位誤差中,寄生直流電勢(shì)、感應(yīng)零電勢(shì)和自激場(chǎng)零電勢(shì),是由于制作工藝上的原因而造成的誤差,可以通過(guò)工藝水平的提高加以解決,而不等位電動(dòng)勢(shì)所造成的零位誤差,則必須通過(guò)補(bǔ)償電路給予克服。2.零位誤差的補(bǔ)償電路 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),對(duì)于霍爾元件來(lái)說(shuō),不等位電動(dòng)勢(shì)與不等位電阻是一致的,因此,可以將霍爾元件等效為一個(gè)電橋,并通過(guò)調(diào)整其電阻的方法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償圖4為霍爾元件的結(jié)構(gòu),其中A、B為控制電極,C、D為霍爾電極,在極間分布的電阻用R1、R2、R3、R4表示,等效電路如圖5所示。 在理想情況,R1=R2=R3=R4,即可取得零位電動(dòng)勢(shì)為零(或零位電阻為零),從而消除不等位電動(dòng)勢(shì)。實(shí)際上,若存在零位電動(dòng)勢(shì),則說(shuō)明此4個(gè)電阻不完

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