CN101487852B - 用于测量探测系统的可连接/拆卸的探测头系统 - Google Patents

Abstract

一种用于可安装在试验下的器件上的测量探测系统的可连接并可拆卸的探测头系统，包括：外壳，具有探测头安装件和从探测头安装件垂直伸出的相对限定了探测头安装件的内表面的连接臂；两个非压缩定形弹性件，其布置在探测头安装件的内表面中；布置在两个非压缩定形弹性件上的第一和第二探测头，其中由柔性衬底材料形成的第一和第二探测头分别具有第一探测头臂、第一导电迹线、第二探测头臂和第二导电迹线，其中各导电迹线分别沿形成相应探测头的探测头臂延伸，各导电迹线的近端形成远离两个非压缩定形弹性件的第一电接触垫，各导电迹线的远端在相应探测头臂上形成第二电接触垫；以及锁定部件，用于将第一和第二探测头固定在外壳上。

Description

用于测量探测系统的可连接/拆卸的探测头系统

本申请是申请日为2005年5月27日、申请号为200510073931.5、发明名称为“用于测量探测系统的可连接/拆卸的探测头系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般地涉及用于测量探针的探测头，更特别地涉及用于测量探测系统的可连接/拆卸的探测头系统，其中探测头系统的探测头安装在试验下的器件上与测量探测系统的其它元件分开。

背景技术

电压测量探针从在试验中的器件获取电信号，并通过电缆使获得的信号耦合到测量仪器，如示波器等等。典型的电压探针具有一个探针头，该探针头具有其中布置有衬底的导电空心管。衬底具有主动或有源电路，用于在与测量仪器耦合之前调节获取的信号。空心管的端部具有布置于其中的绝缘插头，且共轴布置的探测头沿两个方向从插头伸出。探测头伸出到中空管中的部分与衬底电连接。一般地，电压测量探针用于在试验下的器件的手持探针或者安装到位于试验下的器件上的探针臂上。施加给测量探针过大的力可能弄断探测头而需要更换。一般地，这需要把测量探针送到服务中心由有经验的技师将探针拆开并更换断裂的头部。在维修期间这将导致探针使用的浪费和维修花费。

美国专利US6,466,000描述了一种可换的探针头夹持器和允许用户更换断裂的探针头而不用将其送到服务中心的测量探针头。该可换的探针头夹持器有一个帽盖和远离帽盖的后端延伸的连接臂，该帽盖可位于探针头外壳的外部。帽盖中具有一系列腔室和从最里面的腔室延伸到帽盖前端的孔。一个弹性压缩件定位在最里面的腔室中，一个探测头穿过该弹性压缩件并布置在孔中，探测点从帽盖向外伸出。使探测头的另一端向外张开以便形成一个将弹性压缩件夹在帽盖和探测头头部之间的头部。靠近最里面的腔室的是第二腔室，它可容纳一部分布置在探针头外壳中的衬底。衬底的端面具有至少一个与探测头的头部配合的第一电接触。第三腔室容纳一部分探针头外壳。应该注意探测头不必牢固地固定在可换的探针头夹持器的帽盖中，当夹持器定位在探针头上时，探针头就仅仅牢固地固定在可换的探针头夹持器中。

随着测量带宽的增加，相应地需要具有相同或者更大带宽的测量探针。设计具有5GHz和更大带宽的大带宽测量探针的主要困难在于探测头或头部的电容和电感的影响。对这个问题的一种解决方案是将探测头与测量探针的探测头中的有源电路分开。美国专利US6,704,670描述了一种宽频带的有源探测系统，其中探针的探针头或头部可与探测放大单元分开。一个或多个探测器电缆与探针头单元连接，该探针头单元与用于传送由探测单元接收的信号的探测放大单元连接。各种类型的探针头单元可以与探测放大单元连接。探针头单元可以包含有从导电体迹线变化到各种电阻元件、电容元件和/或电子元件的电路。这种探针设计的优点是它允许布置小很多的探针头单元难以接触的试验下的器件的触点上，而不是布置在包含探测放大电路的更大的测量探针上。

探针头单元可以是单端的或差动的，并包括多个探测连接点，用于将多个探测头单元电与探针头单元连接。该探测头单元包括一个探测头，还可以包括多个阻抗元件，例如电阻器。利用焊接或压缩端接，使探测头单元与探针头单元的探测连接点连接。可以将各种类型的探测头单元焊接到探测连接点，例如锡焊、填料、SMT抓取器和楔形探针头单元。各种探测头单元允许改变探测系统的电气特征，或者通过使存在的探测头单元脱焊并将更换的探测头单元焊接到探测连接点来更换损坏的探测头单元。该设计的缺点是需要将每一探测头单元焊接到一个探测连接点上。此外，连续的将探测头单元和探测连接点焊接和脱焊具有损坏探测接触点的危险，从而导致探针头单元的浪费。此外，在某些差动和单端的探测应用中，需要将探针头单元焊接到在试验下的器件的探测点。这可能要求用户用多个探针头单元填充在试验下的器件，这将使得探测方案的成本提高。

需要一种用于测量探测系统的可连接/拆卸的探测头系统，在该系统中容易将探测头安装在试验下的器件上，而不用与测量探测系统的其它元件连接。探测头系统应该是廉价的，且容易与测量探测系统的其余部分连接而不使用焊接。

发明内容

因此，本发明用于可安装在试验下的器件上的可连接/拆卸的探测头系统，并可与测量探针连接。探测头系统具有带有探测头安装件和沿与探测头安装件基本垂直的方向延伸的相对的连接臂的外壳。该连接臂限定了探测头安装件的内表面，探测头安装件中布置有至少一个第一非压缩定形的弹性件。第一和第二探测头布置在压缩的弹性件上，并通过锁定部件固定在外壳上。

在本发明的第一实施方案中，第一和第二探测头是从第一和第二电阻元件伸出的导电线。通过具有在探测头安装件的内表面中形成的第一和第二组凹槽的锁定装置将该电阻元件固定在外壳上。通常每一组凹槽中的各个凹槽是垂直对准的并由在探测头安装件的内表面中形成的凹座分开，该凹座测头安装件容纳有非压缩定形的弹性件。每一组凹槽中的一个凹槽具有从内表面向基本上为圆形的部分延伸的槽道部分。每一组凹槽中的另一个凹槽中具有一个延伸到探测头安装件的前面的孔。从每个第一和第二电阻元件沿探测头的相反方向延伸的导电线穿过在探测头安装件中的孔，并穿过凹槽的槽道部分固定在第一和第二组凹槽的各圆形部分。第一和第二组凹槽中的一个凹槽从探测头安装件的内表面中的凹座顶面延伸到探测头安装件的顶面。第一和第二组凹槽中的另一个凹槽从凹座的底面延伸到基部。

在本发明的另一个实施方案中，第一和第二探测头形成为柔性衬底材料的一部分，该柔性衬底材料具有由柔性衬底材料中形成的凹槽限定的各自的第一和第二探测头臂和至少第一和第二导电迹线。一个导电迹线沿一个探测头臂延伸，另一个导电迹线沿形成第一和第二探测头的另一个探测头臂延伸。第一和第二导电迹线的近端形成在柔性衬底材料上的接触垫，该接触垫靠近非压缩定形的弹性件和远离非压缩定形的弹性件设置。第一和第二导电迹线的远端形成在各第一和第二探测头臂上的接触垫。各个具有相反的导电线的第一和第二电阻元件可以具有与第一和第二探测头臂上的接触垫电气耦合的导电线。每个第一和第二电阻元件的各自的其它导电线形成各自的第一和第二探测头。在第一和第二探测头臂上的每一导电垫可以形成有一个导电孔，该导电孔可容纳第一和第二电阻元件的导电线中的一个。

或者，可以将电阻元件和其它无源电气元件布置在柔性衬底材料上，并与各自的第一和第二导电迹线电气耦合。电阻元件和无源电气元件可以采取的形式有分立元件、印刷好的电阻器、电容等类似元件。

柔性衬底材料具有形成于其中的孔和横向延伸部，该横向延伸部在柔性衬底材料的两侧上形成各自面向下方的肩部。在探测头安装件的内表面上向外伸出的凸起上定位该孔。凹座形成于相反的连接臂中，该连接臂从顶面向下延伸，从而在靠近探测头安装件的连接臂中形成带肩的表面。凹座可容纳柔性衬底件的横向延伸部，该横向延伸部的面向下方的肩部与凹座的带肩表面接合。这种柔性衬底材料接合探测头安装件的内表面上的凸起和柔性衬底材料的横向延伸部接合延伸臂中的凹座的结合将第一和第二探测头锁定在外壳上。

结合随附的权利要求书和附图，通过下面的详细描述，本发明的目的、优点和新颖特征将是显而易见的。

附图说明

图1是根据本发明的可连接/拆卸的探测头系统的第一实施方案的分解透视图；

图2是根据本发明的可连接/拆卸的探测头系统的第一实施方案的外壳的透视图；

图3A至3F是在根据本发明的可连接/拆卸的探测头系统的第一实施方案中的各种探针头的平面图；

图4是装配好的根据本发明的可连接/拆卸的探测头系统的第一实施方案的透视图；

图5是根据本发明的可连接/拆卸的探测头系统的另一个实施方案的分解透视图；

图6是根据本发明的可连接/拆卸的探测头系统的另一个实施方案的外壳的分解透视图；

图7是装配好的根据本发明的可连接/拆卸的探测头系统的另一个实施方案的透视图。

具体实施方式

图1是示出了本发明的可连接/拆卸的探测头系统10的第一实施方案的分解透视图。该探测头系统10具有一个外壳12，其包括一个探测头安装件14和从该探测头安装件14延伸的基本上垂直的连接臂16、18，如图2清楚所示。外壳12优选地由不导电的、注塑模制材料形成，例如ABS塑料、聚碳酸酯、ABS-聚碳酸酯混合物等类似材料。连接臂16、18的远端形成有向内布置的斜面20。每一连接臂16、18的内表面24具有分段的筋26，每一个筋28、30具有带斜面的后面32。分段的筋26与探测头元件38的外壳36的任一侧面上的槽道34接合。每一槽道34具有一个在槽道中形成的凸起部40，该凸起部40可卡止在分段的筋26的分段28、30之间，从而将探测头系统10固定在探测头元件38上。探测头元件38包括一个布置在外壳36中的衬底，衬底上安装有电路，用于通过固定在外壳12上的第一和第二探测头42、44调节从试验下的器件耦合到探测头元件38的电信号。电接触引线从接触探测头系统10的探测头42、44的探测头元件38的前面伸出。通过共轴电缆46、48将调节过的信号耦合到探针体，该探针体具有附加的电路，用于进一步调节获取信号。通过一个共轴电缆将探针头中调节过的电信号耦合到一个测量仪器，例如示波器等类似仪器。或者，探测头系统10可以直接固定在测量探针的探针体上。探针体具有在侧面上形成的具有槽道凸起部40的槽道34，该凸起部可卡止在连接臂16、18上的分段的筋26的分段28、30之间。

探针头安装元件14具有外表面和内表面50、52，内表面52由连接臂16、18相对探测头安装件14的位置限定。内表面52具有形成于其中的孔54，该孔可容纳非弹性形变的弹性件56。优选地，非压缩定形的弹性件56由弹性材料形成，例如硅材料。优选地每一个孔54形成有中心布置的凸起58，该凸起容纳在形成于每个非压缩定形的弹性件56的后面的凹座中。凸起58和凹座有助于将非压缩定形的弹性件56保持在孔54中。

探针头安装元件的内表面还具有向外延伸的布置在孔54之间的凸起60。凸起60具有一个带斜面的前面62和限定了带肩表面的底面64。连接臂16、18具有在连接臂16、18和探测头安装件14之间的接合处形成的凹座66。该凹座66从连接臂16、18的顶面向下延伸到臂的一半形成带肩表面68。

在第一和第二探测头42、44的第一种实施中，在柔性衬底材料70上形成一部分探测头。在该优选实施方案中，柔性衬底材料70是一种聚酰胺材料，例如由E..I.DuPont De Nemours and company(特拉华州的Wilmington)制造和销售的该柔性衬底材料70具有第一和第二探测头臂72、74，其由探测头臂之间的凹槽限定。在柔性衬底材料70上形成第一和第二导电迹线78、80，一个导电迹线78沿一个探测头臂72延伸，另一个导电迹线80沿另一个探测头臂74延伸。在每一导电迹线78、80的各近端86和远端88上形成电接触垫82、84。在优选的实施方案中，除了电接触垫82、84在导电迹线78、80上布置非导电材料，从而防止迹线使在试验下的器件上的电路短路。在导电迹线78、80的近端86上的每一电接触垫82可容纳具有相反的导电线92、94的电阻元件90。每一电阻元件90的一个电线92与第一和第二导电迹线78、80中的各电接触垫84电气耦合，并使电阻元件90的其它电线94作为探测头42、44。

柔性衬底材料70还形成有横向延伸的凸起96，该凸起形有有面向下的肩部表面98。孔100形成在导电迹线78、80的近端电接触垫82之间的柔性衬底材料70中。孔100的尺寸和形状与在探测头安装件14的内表面52上的向外延伸的凸起60的尺寸和形状一致。通过将柔性衬底材料70的横向延伸的凸起96插入在连接臂16、18的凹座66中，和通过将在探测头安装件14的内表面52上的向外延伸的凸起60插入在柔性衬底材料70的孔100中，将包括第一和第二探测头42、44的柔性衬底材料70锁定和固定在外壳12中。横向延伸的凸起96的面向下的肩部表面98接合凹座66的带肩表面68，孔100接合向外延伸的凸起60的带肩表面64。将柔性衬底材料70锁定在外壳12中可使柔性衬底材料70定位在非压缩定形的弹性件56上，同时导电迹线78、80的近端电接触垫82远离非压缩定形的弹性件56。

图3A至3E示出了使用柔性衬底材料70的探测头42、44的各种实施方式。图3A示出了非常短的探测头臂72、74，其具有一个利用焊接或类似方法固定在导电迹线78、80的远端电接触垫84上的电阻元件90的导电线92。调整与电接触垫84连接的电阻元件90的导电线92以便使电阻元件尽可能地靠近电接触垫84定位。电阻元件90的相反的导电线94用作探测头42、44，并可以由用户调整到期望的长度。正如由探测头臂之间的槽76限定的探测头臂72、74的间距可以变化成满足用户的特定要求。此外，探测头臂72、74的长度可以改变以满足用户的要求。在本发明的商业实施方案中，探测头臂72、74长度为0.080、0.2和1英寸。本发明所使用的优选的电阻元件90具有导电线92、94，其直径为0.008和0.020英寸。图3B和3C中示出的探测头42、44具有导电孔102、104，其形成在导电迹线78、80的远端电接触垫84中。导电孔102、104提供了一个开口，电阻元件90的导电线92可以通过该开口插入和焊接到电接触垫84上。图3D示出了探测头42、44，其中远端电接触垫84是探测头42、44。电接触垫84通过焊接与在试验下的器件上的探测点电连接。图3E示出了探测头42、44的另一个实施方案，其中无源电气元件例如电阻元件和电容元件91、93安装在探测头臂72、74上，并通过导电迹线78、80连接。电阻元件和电容元件91、93可以形成一部分补偿RC衰减电路。电阻元件和电容元件91、93可以采取的形式有分立元件或使用熟知的薄膜处理方法印刷好的器件。电阻元件和电容元件91、93还可以安装在探测头臂72、74中，与被焊接到探测头臂上的电接触垫84的电阻元件90结合。

图3F示出了探测头42、44的另一种实施方案。导电迹线78、80被作为受控的阻抗传输线实施。在图3F的说明中，将受控的阻抗传输线作为具有信号导体迹线95和相邻的接地迹线97的共面波导实施，相邻的接地迹线97布置在信号导体迹线95的任何一侧。电接触垫82形成在每一信号迹线和接地迹线95、97的近端86，而信号迹线95的远端88具有电接触垫84。如参考图3E所描述的，无源电气元件例如电阻元件和电容元件可以安装在探测头臂上与信号迹线和接地迹线95、97电气连通，从而形成一部分补偿RC衰减电路。受控的阻抗传输线还可以作为微波传输带传输线形成，其中接地迹线在信号迹线下面。

图4示出了装配好的可连接/拆卸的探测头系统10的一个实例。柔性衬底材料70安装在外壳12中，该外壳具有从外壳12向下延伸的探测头臂78、80。将电阻元件90焊接到探测头臂78、80上的远端电接触垫84，电阻元件电线94用作探测头。

参考图5，其示出了本发明的可连接/拆卸的探测头系统10的另一个实施方案。与前面附图相同的元件标记相同。在图5的实施方案中，形成在探测头安装件14的内表面在的孔被基本上为矩形的具有顶面112、底面114和侧面116的凹座110代替。在探测头安装件14的内表面52中形成两组凹槽118、120，且每组凹槽具有如图6所示的通常垂直定位的第一和第二凹槽122、124。在每组凹槽118、120中的第一凹槽122布置在探测头安装件14的顶面126和凹座110的顶面112之间。凹槽具有从内表面向基本为圆形的部分130延伸的槽道部分128。一部分从探测头安装件14的顶面延伸的凹槽可以是U形结构132，其在槽道128和凹槽122的圆形部分130之上延伸。第二凹槽124从凹座110的底面114向下延伸到探测头安装件14一半的位置，从而形成底面134。第二凹槽124通常为U形。在探测头安装件14中形成孔136，其从第二凹槽124延伸到探测头安装件14的前面50，如图7清楚所示。

布置在探测头安装件的凹座110中的是非压缩定形的弹性件56。该非压缩定形的弹性件56基本上为矩形，从而与探测头安装件14中的凹座110一致。非压缩定形的弹性件56的暴露表面138具有形成于其中的凹槽140，这些凹槽140与在探测头安装件14的内表面中形成的凹槽122、124对准。每一个电阻元件90的一个导电线94穿过探测头安装件14中的一个孔136。使探测头安装件14的内表面52上暴露的导电线92向上弯曲，并穿过这对第一凹槽122的槽道部分128和锁定在圆形部分130中，导电线92与非压缩定形的弹性件56接触。在探测头安装件14的顶面126裁减掉过长的导电线92。凹槽122、124使各导电线92与探测头元件38的接触引线对准。在探测头安装件14中孔136和凹槽122、124的组合可将电阻元件90固定在探测头系统中。电阻元件90的另一个导电线94形成探测头42、44。

本发明的可连接/拆卸的探测头系统10提供了一种用于在试验下的器件上布置不同结构的探测头42、44的廉价的解决方案。多适配器10的探测头42、44可以焊接到在试验下的器件上的各种探测点上。然后通过沿探测头元件38或探针体中的槽道34滑动连接臂16、18直到槽道凸起部40卡止在连接臂筋26的分段28、30之间，每一探测头系统10可以顺序与测量探针连接。通过使用连接臂16、18的带斜面的端面20，借助槽道凸起部40的连接臂筋26的杠杆作用，可从测量探针上拆下探测头系统10。如果损坏了一个探测头系统10中的探测头42、44，可以容易地用另一个探测头系统10更换，而不必将测量探针送去维修。

已经描述了一种可连接/拆卸的探测头系统10，它具有其中固定了探测头42、44的外壳12。外壳12具有将探测头系统10与测量探针连接的连接臂16、18。外壳12还具有一个容纳非压缩定形的弹性件56的探测头安装件14。通过锁定部件可以将不同类型的探测头42、44固定在外壳12上。探测头42、44可以包括一个柔性衬底材料70，其上形成有作为探测头42、44的导电迹线72、74。电阻元件90还可以与导电迹线72、74电气耦合，而电阻元件90的导电线94作为探测头42、44。探测头42、44还可以仅仅是电阻元件90的导电线94。

显然对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明的基本原理的前提下，可以对本发明的上述实施方案的细节进行多种改动。因此，本发明的范围仅由后面的权利要求书确定。

Claims (14)

1.一种用于可安装在试验下的器件上的测量探测系统的可连接并可拆卸的探测头系统，包括：

外壳，其具有探测头安装件和从探测头安装件垂直伸出的相对的连接臂，该伸出的连接臂限定了探测头安装件的内表面；

两个非压缩定形弹性件(56)，探测头安装件的内表面(52)具有形成于其中的孔(54)，所述孔可容纳所述非压缩定形弹性件(56)；

柔性衬底材料(70)，具有布置在两个非压缩定形弹性件上的第一和第二探测头(42、44)，其中由该柔性衬底材料形成的第一探测头具有第一探测头臂和第一导电迹线，由该柔性衬底材料形成的第二探测头具有第二探测头臂和第二导电迹线，其中第一导电迹线沿形成第一探测头的第一探测头臂延伸，第二导电迹线沿形成第二探测头的第二探测头臂延伸，第一导电迹线的近端形成远离两个非压缩定形弹性件的第一电接触垫，第一导电迹线的远端在第一探测头臂上形成第二电接触垫，第二导电迹线的近端形成远离两个非压缩定形弹性件的第一电接触垫，第二导电迹线的远端在第二探测头臂上形成第二电接触垫；以及

锁定部件，用于将第一和第二探测头固定在外壳上；

其中连接臂具有一个顶面，所述锁定部件包括：

在该柔性衬底材料(70)中形成的孔(100)和在该柔性衬底材料上形成各自面向下的肩部表面(98)的横向延伸凸起(96)；以及

在探测头安装件(14)的内表面上向外延伸的凸起(60)，该凸起具有带肩表面(62)；以及在相对的连接臂(16、18)中形成的凹座(66)，连接臂从顶面向下延伸以便在靠近探测头安装件内表面(52)的连接臂中形成凹座(66)的带肩表面(68)，其中向外延伸的凸起(60)容纳在柔性衬底材料的孔(100)中，凹座(66)容纳柔性衬底材料的横向延伸凸起(96)，且横向延伸凸起(96)的面向下的肩部表面(98)接合凹座(66)的带肩表面(68)。

2.如权利要求1所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中第一和第二导电迹线布置在柔性衬底材料上，无源电气元件分别安装在第一和第二探测头臂上，第一探测头臂上的无源电气元件与第一导电迹线电气耦合，第二探测头臂上的无源电气元件与第二导电迹线电气耦合。

3.如权利要求2所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中无源电气元件包括安装在分立的表面上的电阻元件。

4.如权利要求2所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中无源电气元件包括在柔性衬底上形成的印刷好的电阻元件。

5.如权利要求2所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中无源电气元件包括安装在分立的表面上的电阻和电容元件。

6.如权利要求2所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中无源电气元件包括在柔性衬底上形成的印刷好的电阻和电容元件。

7.如权利要求2所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中第一探测头包括具有相反的导电线的第一电阻元件，第二探测头包括具有相反的导电线的第二电阻元件，第一电阻元件的一个导电线与在第一导电迹线的远端上的电接触垫电气耦合，第二电阻元件的一个导电线与在第二导电迹线的远端上的电接触垫电气耦合，第一电阻元件的另一个导电线形成第一探测头，第二电阻元件的另一个导电线形成第二探测头。

8.如权利要求7所示的可连接并可拆卸的探测头系统，还包括在第一导电迹线的远端的电接触垫中形成的导电孔，用于容纳从第一电阻元件伸出的导电线，和在第二导电迹线的远端的电接触垫中形成的导电孔，用于容纳从第二电阻元件伸出的导电线。

9.如权利要求1所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中在柔性衬底材料的每一探测头臂上的导电迹线还包括受控的阻抗传输线。

10.如权利要求9所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中该受控的阻抗传输线还包括共面波导，共面波导具有信号导体迹线和相邻的接地迹线，相邻的接地迹线布置在信号导体迹线的任何一侧。

11.如权利要求10所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中每一个共面波导的信号导体迹线和接地迹线与对应的布置在柔性衬底材料的电接触垫部分上的电接触垫耦合。

12.如权利要求9所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中受控的阻抗传输线还包括微波传输带传输线，微波传输带传输线具有信号导体迹线和接地迹线，其中接地迹线在信号导体迹线下面。

13.如权利要求12所示的可连接并可拆卸的探测头系统，其中每一微波传输带传输线的信号导体迹线和接地迹线与对应的布置在柔性衬底材料的电接触垫部分上的电接触垫耦合。

14.如权利要求1所示的可连接并可拆卸的探测头系统，还包括设在探测头安装件的内表面中的两个凹座，以容纳第一和第二非压缩定形的弹性件。

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