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第七章光電式傳感器光電式傳感器組成框圖組成:光電式傳感器一般由輻射源、光學(xué)通路和光電器件組成。光電式傳感器組成框圖被測(cè)量通過(guò)輻射源或者光學(xué)通路將待測(cè)信息調(diào)制到光波上,使光波的強(qiáng)度、相位或頻譜等發(fā)生改變,然后通過(guò)光電器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)后續(xù)電路解調(diào)分離出被測(cè)量信息,以實(shí)現(xiàn)測(cè)量。工作原理:特點(diǎn)頻譜寬(5×1013Hz—3×1018Hz

)不受電磁干擾的影響非接觸測(cè)量高精度、高分辨力、高可靠性反應(yīng)快應(yīng)用檢測(cè)、控制領(lǐng)域第一節(jié)光源光源是光電式傳感器的重要組成部分。 光源相當(dāng)于電路系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào),如果沒(méi)有光源,則光電式傳感器就無(wú)法工作。選擇光源要考慮哪些因素? 波長(zhǎng) 譜分布 相干性 體積 造價(jià) 功率常見(jiàn)的光源有哪幾類?自然光源--太陽(yáng)光、天空光

人工光源--熱輻射光源氣體放電光源激光光源電致發(fā)光光源一、熱輻射光源什么是熱輻射光源?熱物體都會(huì)向空間發(fā)出一定的光輻射,基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。哪些光源屬于熱輻射光源?白熾燈鹵鎢燈熱輻射光源的峰值波長(zhǎng)與什么有關(guān)?物體溫度越高,輻射能量越大,波長(zhǎng)越短。熱輻射光源有哪些特點(diǎn)?輸出功率大響應(yīng)速度慢,調(diào)制頻率低于1kHz,不能用于快速的正弦和脈沖調(diào)制。白熾燈為可見(jiàn)光源,峰值波長(zhǎng)在近紅外區(qū)域,可用作近紅外光源。二、氣體放電光源什么是氣體放電光源?電流通過(guò)氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象,利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源的光譜與什么有關(guān)?其光譜是不連續(xù)的,光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。哪些光源屬于氣體放電光源?低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈、氙燈統(tǒng)稱為光譜燈,常用作單色光源。三、電致發(fā)光器件--發(fā)光二極管什么是電致發(fā)光器件?固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光,它是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過(guò)程。利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件。哪些器件屬于電致發(fā)光器件?主要有發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、電致發(fā)光屏等。結(jié)構(gòu):發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度與電流成正比: 這個(gè)點(diǎn)亮電流約在10mA左右,太大會(huì)引起輸出光強(qiáng)飽和,甚至損壞器件,使用時(shí)常串連一限流電阻。電極控制層N型半導(dǎo)體電極絕緣層P型半導(dǎo)體限流電阻值的計(jì)算?發(fā)光二極管有哪些優(yōu)點(diǎn)?體積小壽命長(zhǎng)工作電壓低響應(yīng)速度快發(fā)熱小四、激光器激光器laser,是“光受激輻射放大”的縮寫,即lightamplificationbystimulatedemissionofradiation.某些物質(zhì)的分子、原子、離子吸收外界特定能量,從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上,如果處于高能級(jí)的粒子數(shù)大于低能級(jí)上的粒子數(shù),就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn),在特定頻率的光子激發(fā)下,高能粒子集中地躍遷到低能級(jí)上,發(fā)射出與激發(fā)光子頻率相同的光子。由于單位時(shí)間受激發(fā)射光子數(shù)遠(yuǎn)大于激發(fā)光子數(shù),因此上述現(xiàn)象稱為光的受激輻射放大。具有這種功能的器件稱為激光器。激光器有哪些優(yōu)點(diǎn)?單色性好、方向性好、亮度高、相干性好激光器有哪幾種?固體激光器(紅寶石)氣體激光器(He-Ne),(CO2,遠(yuǎn)紅外光源)半導(dǎo)體激光器(體積小,能量高,電源簡(jiǎn)單)液體激光器第二節(jié)光電效應(yīng)和光電器件光電器件的作用:將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。其工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)的類型有:外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)阻擋層光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng))3.阻擋層光電效應(yīng):在光的作用下,使光電器件產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)。器件:光電池,光敏二極管、光敏三極管。2.內(nèi)光電效應(yīng):在光的作用下,使光電器件的電阻率變化。器件:光敏電阻。外光電效應(yīng):在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。

器件:光電管、光電倍增管。光電器件—1光電管當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射電子,電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引,在光電管內(nèi)就有電子流,在外電路中便產(chǎn)生了電流。上一頁(yè)下一頁(yè)返回真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:構(gòu)造和真空光電管基本相同,所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體.優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高.但其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差

上一頁(yè)下一頁(yè)返回2光電倍增管在入射光極為微弱時(shí),光電管能產(chǎn)生的光電流比較小光電倍增管:放大光電流組成:光電陰極K+若干倍增極+陽(yáng)極A上一頁(yè)下一頁(yè)返回光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理光電陰極光電倍增極陽(yáng)極 倍增極上涂有Sb(銻)-Cs(銫

)或Ag-Mg等光敏材料, 陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上,引起二次電子發(fā)射。 二次電子發(fā)射系數(shù)σ=二次發(fā)射電子數(shù)/入射電子數(shù) 若倍增極有n,則倍增率為σn。上一頁(yè)下一頁(yè)返回3光敏電阻當(dāng)無(wú)光照時(shí),光敏電阻值(暗電阻)很大,電路中電流很小當(dāng)有光照時(shí),光敏電阻值(亮電阻)急劇減少,電流迅速增加上一頁(yè)下一頁(yè)返回工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)1.玻璃2.光電導(dǎo)層3.電極4.絕緣襯底5.金屬殼6.黑色絕緣玻璃7.引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響,因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。上一頁(yè)下一頁(yè)返回半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng),只限于光照的表面薄層。因此光敏電阻的電極一般采用梳狀,提高光敏電阻的靈敏度。光敏電阻優(yōu)點(diǎn):靈敏度高,光譜特性好,光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定上一頁(yè)下一頁(yè)返回梳狀電極

光敏電阻的主要參數(shù)

(1)暗電阻和暗電流

光敏電阻在室溫條件下,在全暗后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值,稱為暗電阻。此時(shí)流過(guò)的電流,稱為暗電流。

(2)亮電阻和亮電流

光敏電阻在某一光照下的阻值,稱為該光照下的亮電阻,此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。

(3)光電流

亮電流與暗電流之差,稱為光電流。上一頁(yè)下一頁(yè)返回光敏電阻的基本特性

(1)伏安特性(2)光照特性(3)光譜特性(4)響應(yīng)時(shí)間(5)溫度特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回(1)伏安特性在一定照度下,光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系在一定光照度下,加的電壓越大,光電流越大,沒(méi)有飽和現(xiàn)象;在給定的偏壓情況下,光照度越大,光電流也就越大。上一頁(yè)下一頁(yè)返回lx:光照度的單位,勒克斯

(2)光照特性光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系由于光敏電阻的光照特性呈非線性,因此不宜作為測(cè)量元件,一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作開(kāi)關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。上一頁(yè)下一頁(yè)返回應(yīng)用:光照度計(jì)——農(nóng)作物日照時(shí)間測(cè)定光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí),亮電阻在幾千歐以下。無(wú)光照V0=VL,有光照V0=VH。輸出V0接單片機(jī)的I/O口,每2分鐘查詢1次,為高電平,計(jì)數(shù)1次,為低電平,不計(jì)數(shù)。1天查詢720次。

VHVLRw阻值的選擇?(3)光譜特性光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光,靈敏度是不同的上一頁(yè)下一頁(yè)返回(4)響應(yīng)時(shí)間光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象:光電流的變化對(duì)于光的變化,在時(shí)間上有一個(gè)滯后。通常用響應(yīng)時(shí)間t表示。t=0.5(t1+t2)上一頁(yè)下一頁(yè)返回(ms)(5)溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí),它的暗電阻和靈敏度都下降。硫化鎘光敏電阻的溫度特性

上一頁(yè)下一頁(yè)返回4光敏二極管和光敏晶體管(1)工作原理(2)基本特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回工作原理結(jié)構(gòu)與一般二極管相似,裝在透明玻璃外殼中。 在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)(PN結(jié)反偏)

光敏二極管上一頁(yè)下一頁(yè)返回沒(méi)有光照射時(shí),反向電阻很大,反向電流很小,二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。

當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí),光子打在PN結(jié)附近,使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)。它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng),形成光電流。二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的強(qiáng)度越大,光電流越大。光電二極管的應(yīng)用——光電路燈控制電路

光敏晶體管與一般晶體管很相似,具有兩個(gè)pn結(jié)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí),又將信號(hào)電流加以放大。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回5光電池有光線作用下實(shí)質(zhì)上就是電源,電路中有了這種器件就不再需要外加電源。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回mV工作原理直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件,是一個(gè)大面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí),便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(p區(qū)為正,n區(qū)為負(fù))。將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來(lái),就有電流流過(guò),電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開(kāi),就可以測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回(1)光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光,靈敏度是不同的上一頁(yè)下一頁(yè)返回(2)光照特性

不同光照度下,光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的。短路電流與光照度成線性關(guān)系;開(kāi)路電壓與光照度是非線性的。光電池作為測(cè)量元件使用時(shí),應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)使用。上一頁(yè)下一頁(yè)返回光電池的電流

外接負(fù)載電阻情況下的電流值。負(fù)載越小,光電流與照度之間的線性關(guān)系越好,而且線性范圍越寬上一頁(yè)下一頁(yè)返回(3)頻率響應(yīng)指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系硅光電池具有較高的頻率響應(yīng),用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換上一頁(yè)下一頁(yè)返回

(4)溫度特性開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移,影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)硅光電池的溫度特性(照度1000lx)上一頁(yè)下一頁(yè)返回

(5)穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí),光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的。 硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定影響性能和壽命因素: 光電池的材料及制造工藝 使用環(huán)境條件上一頁(yè)下一頁(yè)返回光電池的應(yīng)用——自動(dòng)干手器工作原理: 手放入干手器時(shí),會(huì)遮住燈泡發(fā)出的光,光電池不受光照,晶體管發(fā)射結(jié)正偏而導(dǎo)通,繼電器吸合。風(fēng)機(jī)和電熱絲通電,熱風(fēng)吹出烘手。 手干抽出后,燈泡發(fā)出光直接照射到光電池上,產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì),使三極管發(fā)射結(jié)反偏而截止,繼電器釋放,從而切斷風(fēng)機(jī)和電熱絲的電源。BG2BG1+12VCJR1R2圖1:光電開(kāi)關(guān)例:圖1所示電路為光電開(kāi)關(guān),多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無(wú)光照時(shí),系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài),如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí),產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì),只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值,系統(tǒng)就改變工作狀態(tài),達(dá)到開(kāi)關(guān)目的。其他光電器件1.光電耦合器——光耦光電耦合器的發(fā)光和接收光元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi),一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。

發(fā)光元件為發(fā)光二極管,受光元件為光敏三極管或光敏可控硅。它以光為媒介,實(shí)現(xiàn)輸入電信號(hào)耦合到輸出端。

受光元件為光敏三極管受光元件為光敏可控硅②強(qiáng)弱電隔離——弱電控制強(qiáng)電 輸入輸出極之間絕緣電阻達(dá)1010Ω數(shù)量級(jí),耐壓達(dá)2000V以上。能避免輸出端強(qiáng)電對(duì)輸入端的干擾,可實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電。①用于數(shù)字信號(hào)的隔離 隔離用在關(guān)鍵重要的電路中,起保護(hù)作用,與外界輸入輸出進(jìn)行隔離,這樣即使在誤操作或人為失誤的情況下也不至于損壞核心電路。光耦的作用光電耦合器的組合形式

(a)(b)(c)(d)光電耦合器的組合形式該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器,適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。(a)(b)(a)(b)光電耦合器開(kāi)關(guān)比機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)具有高速性和可靠性的雙重優(yōu)點(diǎn)。2.光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)在制造業(yè)自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置。 可實(shí)現(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、料位檢測(cè)、越限安全報(bào)警等用途。

利用輸出電平的狀態(tài)判斷有無(wú)被測(cè)物。光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu):透射式和反射式基本電路(透射式) (a)(b)無(wú)被測(cè)物,輸出高電平;有被測(cè)物,輸出低電平。

6光電式傳感器的應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返回(1).脈沖式光電傳感器(2).煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀(1).脈沖式光電傳感器 輸出僅有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài),也就是“通”與“斷”的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 光電器件受光照時(shí),有電信號(hào)輸出,光電器件不受光照時(shí),無(wú)電信號(hào)輸出。上一頁(yè)下一頁(yè)返回光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表上一頁(yè)返回測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染,首先要知道煙塵排放量,因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加,光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加,到達(dá)光檢測(cè)器的光減少,因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。(2).煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀平行光源光電探測(cè)放大顯示刻度校正 報(bào)警器吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖煙道第三節(jié)光纖傳感器

光纖傳感器(FOSFiberOpticalSensor)是利用光在光纖中傳播特性的變化來(lái)測(cè)量它所受環(huán)境的變化,從而得到被測(cè)信號(hào)大小。

光纖傳感器用光作為敏感信息的載體,用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。優(yōu)點(diǎn):抗電磁干擾能力強(qiáng)。光纖直徑只有幾微米到幾百微米,而且光纖柔軟性好,可深入到機(jī)器內(nèi)部或人體彎曲的內(nèi)臟等常規(guī)傳感器不宜到達(dá)的部位進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)量參數(shù)有: 位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、力、流量、振動(dòng)、水聲、溫度、磁場(chǎng)和化學(xué)物質(zhì)等。1、光纖結(jié)構(gòu) 由纖芯和包層組成(纖芯折射率n1>包層折射率n2)。最外層為一層尼龍保護(hù)套。2、傳輸原理

光纖傳輸光的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射。知識(shí)回顧——折射定律 光線在兩種不同介質(zhì)的分界面上會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象。折射定律告訴我們:式中:n1和n2為折射率,θi、θr為入射角和折射角。所以:當(dāng)光由光密介質(zhì)入射至光疏介質(zhì)時(shí),在一定條件下會(huì)發(fā)生全反射。(這時(shí)沒(méi)有折射)(a)折射角大于入射角:(b)臨界狀態(tài):(c)全反射:由圖可知:(1)光纖傳輸光就是利用光的全反射 光由纖芯到包層表面,由光的折射定律:

并且在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次全反射,直至傳播到另一端面。由誰(shuí)來(lái)決定呢?(2)數(shù)值孔徑NA光由空氣射入光纖端面,與軸成角。根據(jù)折射定律: 這樣可確保入射光在光纖內(nèi)的全反射,即光在纖芯內(nèi)無(wú)損耗的傳輸。

NA是光纖的一個(gè)重要參數(shù),NA值越大,外部入射光的入射范圍越大,表明光源到光纖的耦合效率越高,無(wú)論光源發(fā)射功率多大,只有2內(nèi)的光才能被光纖接受,能夠全反射傳輸。

NA表示當(dāng)入射光從折射率為n0的外部介質(zhì)進(jìn)入光纖時(shí),只有入射角小于的光才能在光纖中傳播。否則,光線會(huì)從包層中逸出而產(chǎn)生露光。光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置光纖傳感器光學(xué)測(cè)量的基本原理光是一種電磁波光的電矢量式:被測(cè)量調(diào)制可通過(guò):光的強(qiáng)度、偏振態(tài)(矢量B的方向)、頻率和相位解調(diào):光的強(qiáng)度解調(diào)、偏振解調(diào)、頻率解調(diào)或相位解調(diào)光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用光受被測(cè)量調(diào)制的形式(1)光纖在傳感器中的作用(a)功能型(全光纖型)光纖傳感器 光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì),而且也是敏感元件,光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。

優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點(diǎn):須用特殊光纖,成本高,

典型例子:光纖陀螺(測(cè)角速率

)、光纖水聽(tīng)器(測(cè)水聲)(b)非功能型(或稱傳光型)光纖傳感器光纖在其中僅起導(dǎo)光作用,光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。

優(yōu)點(diǎn):無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù),比較容易實(shí)現(xiàn),成本低。

缺點(diǎn):靈敏度較低。 實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回(c)拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭,接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子: 光纖激光多普勒速度計(jì) 輻射式光纖溫度傳感器上一頁(yè)下一頁(yè)返回(2)根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式(a)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器(b)偏振調(diào)制光纖傳感器(c)頻率調(diào)制光纖傳感器(d)相位調(diào)制傳感器上一頁(yè)下一頁(yè)返回(a)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化,而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。應(yīng)用:壓力、振動(dòng)、位移、氣體優(yōu)點(diǎn):

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低。缺點(diǎn):

易受光源波動(dòng)和連接器損耗變化等的影響上一頁(yè)下一頁(yè)返回(b)偏振調(diào)制光

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