CN102520025A - 基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器。高频振荡激励源经隔离变压器的初极线圈接地，次极线圈的两端分别与传感器探头的两个垂直平面电极板连接，初极线圈的非接地端输出信号经有效值检测电路、信号放大处理电路与单片机AD转换与数据处理电路连接，经处理后的信号由RS-485总线通讯接口输出给上位机。本发明插入土壤时比探针式结构和平行片面结构更不容易变形，比单平面式探头的感应范围大；隔离变压器的次级的两端是等效的，两个电极板之间没有直流偏置电压，插入土壤时不会引起土壤中的带电离子的单方向运动，不与土壤中的电解质产生电化学反应。本发明可应用于地质灾害的监测和科学农业生产过程中。

Description

基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器

技术领域

本发明涉及一种土壤含水量测量仪，尤其是涉及一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器。

背景技术

我国山地丘陵地区滑坡、泥石流等突发地质灾害频发，对人民生命财产安全和经济建设造成严重危害。2008年1-5月，全国除北京、天津、内蒙古、黑龙江、上海、江苏、海南、西藏和宁夏外，其余22个省(自治区、直辖市)都发生了地质灾害，共发生14196起，其中滑坡6158起、崩塌5145起、泥石流399起、地面塌陷405起、地裂缝2038起、地面沉降51起。共造成287人死亡、7人失踪、571人受伤，直接经济损失157.7亿元。针对崩塌、滑坡、泥石流等突发性地质灾害的防治中，各种地质状况的监测是必须的。而土壤的含水量的监测就是其中一个重要部分，尤其是分布式土壤含水量的测量。监测的结果将是地质灾害预警的基本而重要的依据和数据，是对被监测地的地质状况历史和实时的记录和反映。

另外，在农业生产过程中，水资源浪费十分严重，尤其是占总用水量的80％以上的农业用水，其有效利用率极低。目前，我国年灌溉用水量约为3800亿立方米，有效利用率只有30％-40％，而先进国家已达70％-80％。因此节水重点在农业。大力发展节水农业势在必行。节水装备技术是保证节水农业实施的关键技术，而土壤含水量的快速、精确、方便的测定是其中首要问题。

传统的土壤含水量测量方法是烘干法，烘干法较为简单方便，但是它破坏了土壤结构且不能取得土壤的动态资料。从20世纪50年代开始，国内外就在研究使用电测法来替代传统的烘干法，典型的有：电阻法、电容法、红外检测法、中子法、γ射线透射法、TDR和FDR法等。不同的方法都有优点和缺点，电阻法受土壤类型的影响大；中子仪和γ射线透射法，虽通过室内外标定可得到较准确结果，但不安全；TDR和FDR法既安全又准确，但价格昂贵。

与上述方法相比，电容法具有在不破坏原土壤结构的条件下就能够测得土壤的动态含水量，安全、快速、经济等一系列优点，适合于地质灾害预警和农业科学生产等的监测。一般来说，电容法就是利用水的介电常数远大于干燥砂土本身的介电常数，实现对含水量的测量，介电常数与物质的特性有关，不同的物质的介电常数不一样。土壤、空气和水分的介电常数如下，水：ε＝80；土壤粒子：ε＝4；空气：ε＝1。电容传感器电容的变化就是由介电常数的变化而引起的。然而，普通的电容式传感器一般为平行板结构或者插针式结构，存在体积较大、电极结构不稳定等缺点，且不能测量不同深度不同分布点的土壤含水量，不能永久埋入土壤实时测量，受土壤类型的影响较大。

发明内容

为了克服现有土壤含水量传感器的上述不足，本发明的目的在于提供一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，解决了插针式、平行板的电极体积大，结构不稳定，容易变形，影响测量精度的缺点；比同平面电极的感应范围大，插入土壤时与土壤接触更良好。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括垂直交叉平面式传感器探头，高频振荡激励源，隔离变压器，有效值检测电路，信号放大处理电路，单片机AD转换与数据处理电路，RS-485总线通讯接口；高频振荡激励源经过电阻和隔离变压器的初极线圈接地，隔离变压器的次极线圈的两端分别与垂直交叉平面式传感器探头的两个垂直平面电极板连接，初极线圈的非接地端输出信号经有效值检测电路、信号放大处理电路与单片机AD转换与数据处理电路连接，经处理后的信号由RS-485总线通讯接口输出给上位机。

所述的垂直交叉平面式传感器探头，是由两块长方形的双面覆铜印刷电路板经腐蚀出对称布置的覆铜板电极后，两块双面覆铜印刷电路板中心开槽后垂直相交，成“十字”型截面，两块垂直双面覆铜印刷电路板由固定焊盘固定构成；八个覆铜板电极组成四个象限的四对垂直平面，垂直相交后的双面覆铜印刷电路板一端磨有30～60度的斜角，另一段的覆铜板电极均设有信号线接头，四对电极构成垂直感应区域，等效为四个电容器并联。

所述的有效值检测电路和信号放大处理电路，包括AD8361集成电路和AD8041单电源运算放大电路；AD8361集成电路的RFIN脚通过电容的COUT端接隔离变压器初级信号U₀，AD8361集成电路VRMS脚接电阻后输出给DCOUT端，DCOUT端信号经电阻接入AD8041单电源运算放大电路IN-脚，AD8041单电源运算放大电路的OUT脚输出信号A₀给单片机AD转换与数据处理电路。

所述的单片机AD转换与数据处理电路包括MSP430F1232单片机、SPX5205稳压电源和MAX3481驱动电路，MSP430F1232单片机的P2.0/A0脚接信号放大处理电路的输出信号A₀，MSP430F1232单片机的P3.5/URXD0脚接MAX3481驱动电路的RO脚，MSP430F1232单片机的P3.4/UTXD0脚接MAX3481驱动电路的RI脚，MSP430F1232单片机的P3.6脚接MAX3481驱动电路的RE脚和DE脚。MAX3481驱动电路的A和B脚接RS485总线与上位机相连。

本发明具有的有益效果是：

1)本传感器探头结构在插入土壤时比探针式结构和平行片面结构更不容易变形，比单平面式探头的感应范围大。

2)隔离变压器的次级的两端是等效的，两个电极板之间没有直流偏置电压，所以当两个电极插入土壤的时候不会引起土壤中的带电离子的单方向运动，所以电极不会与土壤中的电解质产生电化学反应。

3)采用高频振荡器产生激励信号，降低了土壤类型对土壤含水量测量的影响，而且降低了成本，采用隔离变压器，减小了土壤中的电解质液对电极的腐蚀，电极不会与土壤中的电解质产生电化学反应。

4)以数字信号输出，可以接多个传感器同时测量，实现多机通讯，实现分布式多点多深度的土壤含水量测量。

本发明可以应用于地质灾害(如滑坡、泥石流等)的监测和科学农业生产过程中。

附图说明

图1是本发明的传感器的探头的两个电极板制版图。

图2是本发明的两个极板安装好后的垂直交叉平面式传感器探头立体结构图。

图3是本发明的土壤含水量传感器的外形结构图。

图4是本发明的两垂直平面电极的电力线近似分布图。

图5是本发明的检测电路系统框图。

图6是有效值检测与信号放大电路。

图7是单片机AD转换与数据处理电路图。

图中：1、双面覆铜印刷电路板，2、覆铜板电极，3、槽，4、固定焊盘，5、信号线接头，6、垂直交叉平面式传感器探头，7、密封结构外壳，8、电源和信号线接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图5所示，本发明包括垂直交叉平面式传感器探头，高频振荡激励源，隔离变压器，有效值检测电路，信号放大处理电路，单片机AD转换与数据处理电路，RS-485总线通讯接口；高频振荡激励源经过电阻和隔离变压器的初极线圈接地，隔离变压器的次极线圈的两端分别与垂直交叉平面式传感器探头的两个垂直平面电极板连接，初极线圈的非接地端输出信号经有效值检测电路、信号放大处理电路与单片机AD转换与数据处理电路连接，经处理后的信号由RS-485总线通讯接口输出给上位机。

如图1、图2、图3所示，所述的垂直交叉平面式传感器探头6，是由两块长方形的双面覆铜印刷电路板1(本发明采用环氧树脂-玻璃纤维布基双面覆铜印刷电路板)经腐蚀出对称布置的覆铜板电极2后，两块双面覆铜印刷电路板1中心开槽3后垂直相交，成“十字”型截面，两块垂直双面覆铜印刷电路板由固定焊盘4固定构成；八个覆铜板电极2组成四个象限的四对垂直平面，垂直相交后的双面覆铜印刷电路板1一端磨有30～60度的斜角，另一段的覆铜板电极2均设有信号线接头5，四对电极构成垂直感应区域，等效为四个电容器并联。

作为传感器插入土壤的一端磨有30度的斜角，以便插入土壤。本传感器探头结构在插入土壤时比探针式结构和平行片面结构更不容易变形，比单平面式探头的感应范围大。

采用100MHz的有源晶振作为其高频振荡激励源，其供电电压为直流5V，输出为带2.5V的直流偏置的，峰峰值为4V的100MHz的方波信号，经过一个电阻和一个隔离变压器的初极线圈接地。

所述隔离变压器的初级、次级线圈比为1∶1。初级的电压和次级的电压相等。初级线圈一端串联一个分压电阻后接高频振荡激励源，另一端接地。次级线圈的两端分别接到传感器的两个垂直平面电极板。隔离变压器的次级的两端是等效的，两个电极板之间没有直流偏置电压，所以当两个电极插入土壤的时候不会引起土壤中的带电离子的单方向运动，所以电极不会与土壤中的电解质产生电化学反应。

其中，土壤的含水量变化的时候，电极板间的土壤的介电常数会产生变化，则其容抗也会因此产生变化，容抗变化会引起隔离变压器的初级电流产生变化，为此隔离变压器的初级线圈的电压也会变化，有效值电路就连接在分压电阻与初级线圈的输入端上。

如图6所示，所述的有效值检测电路和信号放大处理电路，包括AD8361集成电路和AD8041单电源运算放大电路；AD8361集成电路的RFIN脚通过电容的COUT端接隔离变压器初级信号U₀，AD8361集成电路VRMS脚接电阻后输出给DCOUT端，DCOUT端信号经电阻接入AD8041单电源运算放大电路IN-脚，AD8041单电源运算放大电路的OUT脚输出信号A₀给单片机AD转换与数据处理电路。

如图7所示，所述的单片机AD转换与数据处理电路包括MSP430F1232单片机、SPX5205稳压电源和MAX3481驱动电路，MSP430F1232单片机的P2.0/A0脚接信号放大处理电路的输出信号A₀，MSP430F1232单片机的P3.5/URXD0脚接MAX3481驱动电路的RO脚，MSP430F1232单片机的P3.4/UTXD0脚接MAX3481驱动电路的RI脚，MSP430F1232单片机的P3.6脚接MAX3481驱动电路的RE脚和DE脚。MAX3481驱动电路的A和B脚接RS485总线与上位机相连。

图1是发明的传感器的探头的两个电极板制版图，该探头采用双面覆铜印刷电路板(PCB)制作，正反两面都是一样的，基板的材料为一般的环氧树脂-玻璃纤维布基覆铜板(通称FR-4)，电极的材料为表面的覆铜片。其结构为两块中心开槽的长方形PCB板，一端设计成一个磨有30度的斜角，以便插入土壤，其中两个中心槽的宽度正好和PCB板的厚度一样。每个板上在中心槽对应的地方都设计有焊盘，安装时，把两块板的中心槽对好，两个平板垂直的插入中心槽，这时两块垂直平板上的焊盘的位置正好对应，用焊锡将两个PCB板焊接在一起，如果觉得不够牢固，可以在中心槽处用其他胶水进行固定，安装好的后立体结构图如图2所示。

图2是两个极板安装好后的垂直交叉平面式传感器探头立体结构图，其结构为两块中心开槽的长方形PCB板垂直相交，成十字型截面，两个垂直片面由PCB板上的焊盘固定。电极组为四个象限的四对垂直平面。作为电极的覆铜片的一端有导线引出与后端电路相连，共4对电极，等效为4个电容器并联连接。单对电极板的两垂直平面电极的电力线近似分布图如图4所示。

如图4所示，设单个电极板长为L，宽为a，两块电极板到原点的间距为b。理想化的传感器电力线如图4，用近似圆弧代替实际电力线(也可用近似椭圆线代替)。Y轴的正半轴与X轴的正半轴之间区域为工作区间。

两个电极板间的电容为：

C_s＝C_b+C_w；(1)

C_b为基板层(非工作区间)的电容量，当传感器的结构与基板材料确定时C_b为一常量。

C_w为工作区间的电容量，其大小随着工作区间的总介电常数ε_x的变化而变化。

取电容敏感元件之微小面积增量(ΔS＝LΔx)上生成的电容值ΔC_x，Δx为X方向的微小增量单元，按图中所示的四分之一半圆弧电力线的距离为d，所以：

${\mathrm{\ΔC}}_x\≈\frac{{\mathrm{\ϵ}}_X\·\mathrm{\ΔS}}{d}=\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_X\·l\·\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\π}(X+b)}\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

当X从0到a积分就可以得到C_w：

$C_w\≈{\∫}_0^a\frac{{2\mathrm{\ϵ}}_X\·l}{\mathrm{\π}(X+b)}\·\mathrm{dx}=\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_x\·l}{\mathrm{\π}}{\∫}_0^a\frac{1}{(X+b)}\·\mathrm{dx}=\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_x\·l}{\mathrm{\π}}\·\ln \left(\frac{a+b}{b}\right)=K_w\·{\mathrm{\ϵ}}_x\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

可见C_w与ε_x成比例K_w。

所以一个电极组的总电容为：

C_E＝K_n·(C_b+C_w)........................................(4)

其中K_n为电极板间对数。

在实际设计中我们可以通过公式(3)、(4)进行估算各个尺寸参数的大概值，在加工出传感器后对上述公式中的C_b和K_w通过实验得到修正。

如图5所示，高频振荡激励源为100MHz的有源晶振，其供电电压为直流5V，输出为带2.5V的直流偏置的，峰峰值为4V的100MHz的方波信号，经过一个电阻和一个隔离变压器的初极线圈接地。隔离变压器的初级、次级线圈比为1∶1。初级的电压和次级的电压相等。初级线圈一端串联一个分压电阻后接高频振荡激励源，另一端接地。次级线圈的两端分别接到传感器的两个垂直平面电极板。隔离变压器的次级的两端是等效的，两个电极板之间没有直流偏置电压，所以当两个电极插入土壤的时候不会引起土壤中的带电离子的单方向运动，所以电极不会与土壤中的电解质产生电化学反应。

对于100MHz的电路的幅值，需把它转换成对应的直流信号，才能提供给AD采样和数字转换，所以，本系统采用美国AD公司的真功率有效值集成电路AD8361来实现对该信号的变换。

AD8361采用的是一种准确测量电压有效值的新技术，其测量输出结果和输入波形的形状无关。AD8361的输入信号的频率可以高达2.5GHz，保证了本系统100MHz的高频输入信号的有效检测；其工作电压范围：2.7～5.5V，兼容本系统采用的5V电源电压；工作温度范围：-40～+85℃，适合土壤含水量的检测环境。

AD8361采用的是一种新的双平方电路比较转换技术，即采用高增益误差放大器来平衡两个平方单元电路输出。采用专门的高截止频率的硅片材料，并采用双极工艺制造，保证了其有效测量高达2.5GHz的输入信号。AD8361具有优良的温度稳定性和较高的测量线性度，被广泛用于需要准确测量信号功率的高频通信和仪器仪表系统中。

AD8361的内部结构及其接地模式下的外部基本连接图如图6所示。如果被测信号输入到第一个平方单元电路。由于输入引脚上有一个相对于地约为0.8V的电压，所以须外接一个耦合电容。由于采用了这个外部电容元件，所以测量范围可扩展到任意低的频率范围。

AD8361采用的是一种新的双平方电路比较转换技术，即采用高增益误差放大器来平衡两个平方单元电路输出。采用专门的高截止频率的硅片材料，并采用双极工艺制造，保证了其有效测量高达2.5GHz的输入信号。AD8361具有优良的温度稳定性和较高的测量线性度，被广泛用于需要准确测量信号功率的高频通信和仪器仪表系统中。

设加到AD8361输入端的电压值为VIN时，经过第一个平方单元将产生一个与电压VIN大小的平方成正比例的电流，该电流经过内部负载电阻和电容构成的低通滤波器，则可得到输入电压VIN平方的均值，虽然电压响应与输入阻抗有关，但可根据等效功率来校正。输入电压幅值在通过低通滤波器后可能被降低，系统将它加到误差放大器的输入端上。通过第二个与第一个完全相同的电压平方单元对此误差放大器构成一个闭合负反馈电路系统，而第二个平方单元的分压驱动由AD8361的准直流电压输出。当第二个平方单元的输入电压等于VIN的有效值时，闭环电路处于稳定状态，这时，输出电压就是输入电压的有效值。

对输入信号的精密准确测量主要利用了第二个平方单元构成的负反馈通道，采用这种方法有两点优点：第一、在温度变化时，两个平方单元的响应跟踪过程几乎相同，所以该电路有极好的校准稳定性；第二、在两个平方单元中消除了量程变化的影响。

其实际输出电压的值是输入信号电压有效值的7.5倍(7.5V/Vrms转换增益)，可由SREF和IREF端设定接地基准、内部基准和电源基准三种不同的工作方式。在图6所示的接地基准方式下，输出电压为“轨到轨”(Rail-To-Rail)的，在5V工作电压下，幅值输出：0～5V。其他两种模式在此不做详细介绍。

输出的有效值通过运算放大器对传感器转换得到的信号进行放大处理。有效值检测电路与信号放大电路如图6所示。传感器输出的信号接到电路的COUT输入端，经过有效值检测电路后输出DCOUT直流信号，DCOUT输出后接入到后端的AD8041单电源运算放大电路。图中的1KΩ电阻的作用是设置一个参考的直流偏置，输出的信号为A0。放大后的信号直接提供给带片内10位AD转换电路的MSP430F1232单片机进行采样、滤波，校验，标定等程序。

考虑系统电源的简单化，采用单电源输入模式，所以本系统的运放选择了一个单电源的运放，单电源运放供电的采用的电压是5V，在单电源供电的电路中使用的运放基本上都是“轨到轨”(Rail-To-Rail)的运放，这样就消除了丢失的动态范围。在运放的输入-IN端，接入一个分压电阻的目的是为给单电源的运放构成一个“虚地”，一般这个“虚地”电平设置为VCC/2。也就是2.5V的偏置电压。相对于“虚地”的2.5V偏置电压。实际系统的“地～电源”就变成了-2.5V～+2.5V的一个系统了。如图4.5所示，本系统采用的反相比例放大器，正好把原先电平对应成土壤含水量的单调递增函数，便于标定算法。

检测系统内部采用MSP430系列的单片机。MSP430系列单片机是TI公司推出的功能强大的超低功耗16位混合信号处理器。该系列单片机以其极低的功耗、强大的处理能力、丰富的片上外围模块、方便高效的开发工具等特点，广泛应用于便携式仪表、智能传感器、实用检测仪器等领域。

为了最大限度地利用单片机端口和片内外设并降低设计成本，本设计选用MSP430F1232，因为该单片机有24个独立的I/O端口，一个串行通讯口(外加RS-485总线电路)，同时内置10位AD采样器，可完全满足本系统设计要求。包括MSP430单片机的整体测量系统的如图7所示。本同采用低压差稳压电源(LDO)电源实现对外部电源(+9V)的变换，给MSP430单片机和通讯接口电路提供+3.3V的电源，给信号源和测量系统提供+5V的电源。100MHz的高频信号源产生的激励信号被加到外部的传感器探头上，并从探头上引回一个感应了土壤含水量信息的高频信号，该信号采用高频有效值转换电路把该信号转换成一个直流电平。对该电平信号进行适当放大后提供给MSP430F1232的片内AD转换电路，单片机内部的AD采样得到的数值经过数据处理(滤波、标定程序等)后，通过RS-485通讯接口，发送给主机。

土壤的含水量变化的时候，电极板间的土壤的介电常数会产生变化，则其容抗也会因此产生变化，容抗变化会引起隔离变压器的初级电流产生变化，为此隔离变压器的初级线圈的电压也会变化，有效值电路就连接在分压电阻与初级线圈的输入端上。

有效值检测电路把对应的隔离变压器的信号转换成直流电平，经过信号放大处理电路，通过单片机控制AD转换与采样，数据处理，然后经过单片机的串口接到RS-485总线。

RS-485总线可以连接多个土壤含水量传感器，每个土壤含水量传感器设有不同的机号，多个传感器可以实现不同深度不同分布点的土壤含水量检测。

如图3所示，把后端的处理电路和传感器的接线部分都封装在密封结构外壳中，传感器采用密封结构外壳7，并且，在外壳内灌满绝缘的环氧树脂胶，保证传感器的防水，并可以永久埋入土壤里进行实时监测。电源和信号线接口8的VIN和GND输入5.5～12V直流电压，a与b输出RS485总线的数字信号。

本发明所述的土壤含水量传感器可以应用于地质灾害(如滑坡、泥石流等)的监测和科学农业生产过程中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应被视为本专利的保护范畴。

Claims (4)

1.一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，其特征在于包括垂直交叉平面式传感器探头，高频振荡激励源，隔离变压器，有效值检测电路，信号放大处理电路，单片机AD转换与数据处理电路，RS-485总线通讯接口；高频振荡激励源经过电阻和隔离变压器的初极线圈接地，隔离变压器的次极线圈的两端分别与垂直交叉平面式传感器探头的两个垂直平面电极板连接，初极线圈的非接地端输出信号经有效值检测电路、信号放大处理电路与单片机AD转换与数据处理电路连接，经处理后的信号由RS-485总线通讯接口输出给上位机。

2.根据权利要求1所述的一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，其特征在于：所述的垂直交叉平面式传感器探头(6)，是由两块长方形的双面覆铜印刷电路板(1)经腐蚀出对称布置的覆铜板电极(2)后，两块双面覆铜印刷电路板(1)中心开槽(3)后垂直相交，成“十字”型截面，两块垂直双面覆铜印刷电路板由固定焊盘(4)固定构成；八个覆铜板电极(2)组成四个象限的四对垂直平面，垂直相交后的双面覆铜印刷电路板(1)一端磨有30～60度的斜角，另一段的覆铜板电极(2)均设有信号线接头(5)，四对电极构成垂直感应区域，等效为四个电容器并联。

3.根据权利要求1所述的一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，其特征在于：所述的有效值检测电路和信号放大处理电路，包括AD8361集成电路和AD8041单电源运算放大电路；AD8361集成电路的RFIN脚通过电容的COUT端接隔离变压器初级信号U₀，AD8361集成电路VRMS脚接电阻后输出给DCOUT端，DCOUT端信号经电阻接入AD8041单电源运算放大电路IN-脚，AD8041单电源运算放大电路的OUT脚输出信号A0给单片机AD转换与数据处理电路。

4.根据权利要求1所述的一种基于介电特性原理的垂直交叉平面式土壤含水量传感器，其特征在于：所述的单片机AD转换与数据处理电路包括MSP430F1232单片机、SPX5205稳压电源和MAX3481驱动电路，MSP430F1232单片机的P2.0/A0脚接信号放大处理电路的输出信号A_0, MSP430F1232单片机的P3.5/URXD0脚接MAX3481驱动电路的RO脚，MSP430F1232单片机的P3.4/UTXD0脚接MAX3481驱动电路的RI脚，MSP430F1232单片机的P3.6脚接MAX3481驱动电路的RE脚和DE脚，MAX3481驱动电路的A和B脚接RS485总线与上位机相连。

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