CN108227081B - 光纤连接装置、飞行器的复合结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤连接装置、用于飞行器的复合结构及用于飞行器的复合结构的制造方法，光纤连接装置(1)包括棱镜(2)、第一连接元件(3)和第二连接元件(4)、内套管(11)和外套管(12)以及弹性元件(13)。棱镜具有终止于第一孔(8)和第二孔(9)的内导管(7)，第一孔(8)构造成接纳输入光纤(21)，第二孔(9)构造成接纳第一连接元件并且还构造成接纳第二连接元件。该第二连接元件还构造成接纳输出光纤(22)。导管包括形成斜坡用以将输入光纤引向纤维连接的两个部段。第一连接元件具有内盒(30)并且第二连接元件具有外突出部(31)以提供独特的连接位置。内套管和外套管以及弹性元件被保持在第二连接元件中。

Description

光纤连接装置、飞行器的复合结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于与嵌入在复合结构中的光纤一起使用的光纤连接装置。本发明还涉及包括光纤连接装置的复合结构。

本发明的一个目的是提供一种能够在输入(嵌入式)光纤和输出光纤的光学面之间提供具有最小插入损耗的光学对准的光纤连接装置。

本发明的另一目的是提供一种能够提供稳固且可靠的光学连接的光纤连接装置。此外，本发明的目的是提供一种装置：该装置可抵抗结构条件和环境条件，从而避免了在其上安置有该装置的复合结构的褶皱或任何机械性退化。

本发明还涉及用于制造包括光纤连接装置的复合结构的方法。

本发明的另一目的是提供一种与复合结构的制造条件相适应以容易地结合到所述复合材料制造工艺中的光纤连接装置。

背景技术

在复合结构的结构健康监测领域内，基于光纤的传感器相对于其他常规仪器变得日益发展，由此成为了一些应用的唯一解决方案。在基于光纤的传感器系列内，基于网络的布拉格传感器由于其巨大的潜力而被高度使用。该技术特别地被开发用于测量和监视不同类型的结构——比如复合材料——中的结构变形。

在航空结构中，复合材料的传统制造工艺实现了将光纤结合在材料内，使得在复合材料聚合之后形成独特的材料-传感器系统。该系统构成了具有检测能力且可能由外部刺激触发的智能材料。

这些智能材料从理论的角度来看是可行的，但是在工业水平上很难实施。

主要问题之一存在于不同材料之间的中间面上，并且在具有嵌入式光纤传感器的复合结构的特定情况下，问题存在于所述复合结构与外部传输光纤之间的过渡，即，进-出区域中。

其他问题出现在复合结构的包含光纤的区域上，这是因为光纤呈现不同的几何性能和机械性能，从而在复合结构中引入了特别敏感的点。

因此，通过将光纤嵌入叠层内部而使光纤结合到复合结构中实际上不仅是形成智能复合材料的最有吸引力的解决方案之一，而且是一种能够确保结构部件内部的纤维抵抗周围环境的最大保护和完整性的最佳方法。

因此，预期的结合水平仍然是一个挑战，这是因为目前还没有满足特别是涉及光纤的进-出的所有主要的必要要求的工业上成熟的解决方案。

因此，期望提供下述技术手段：该技术手段给出了针对光纤进-出复合结构的满足所提及的结构的所有必要要求的解决方案，同时提供了与结构的耐久且稳固的连接、以及提供了诸如最小光学插入损耗的光学性能要求。

发明内容

本发明通过提供光纤连接装置、包括所述光纤连接装置的复合结构、以及用于制造包括光纤连接装置的复合结构的方法而克服了上述缺点，光纤连接装置提供了与复合结构的耐久且可靠的连接，同时减少了光纤之间光学连接的插入损耗。

本发明的一个方面涉及一种光纤连接装置，该光纤连接装置包括金属棱镜、第一连接元件、第二连接元件、内套管和外套管以及弹性元件。

金属棱镜具有平坦基部用以置于复合结构上。棱镜具有内导管，内导管连接棱镜的相反两侧表面。导管终止于第一孔和第二孔，其中，第一孔构造成接纳嵌入在复合结构中的输入光纤。

因此，棱镜构造成搁置在复合结构上，其中，嵌入在复合结构中的输入光纤在结构中占据最小体积。此外，棱镜构造成用于提供(嵌入式)光纤的输入和输出。

第一连接元件具有带内端部和外端部的管状构型。内端部构造成插入到棱镜的第二孔中以接纳嵌入在复合结构中的输入光纤。

第二连接元件具有带内端部和内端部的管状构型。内端部构造成插入到第一连接元件中。外端部构造成接纳用于与输入光纤连接的输出光纤。

因此，本发明提供了棱镜、第一连接元件和第二连接元件，棱镜被放置在复合结构上以用于接纳输入(嵌入式)光纤，第一连接元件和第二连接元件构造成用于分别接合棱镜和第一连接元件，以允许与输出光纤连接。

根据本发明，第一连接元件的外端部具有内盒，该内盒构造成接纳设置在第二连接元件的内端部处的外突出部。因此，该装置为其连接，并且因此，为输入光纤与输出光纤的连接提供了唯一的独特位置。这样，该装置提供了确保最小插入损耗的最佳光学对准。

此外，根据本发明，棱镜的内导管包括遵循不同取向的两个部段，所述取向形成了具有钝角的斜坡以将输入光纤引向输入光纤和输出光纤的连接。

该内导管的构型为输入光纤与输出光纤之间的连接提供了平滑过渡。本发明因此避免了部件间的横向跨接，从而降低了破损的风险。

此外，通过避免了传统的突兀连接的这种构型，本发明实现了收集有关最小的插入和返回损耗的信息。

此外，根据本发明，光纤连接装置还包括内套管和外套管以及弹性元件。

内套管和外套管构造成分别接纳输入光纤的端部和输出光纤的端部，并且内套管和外套管沿着第二连接元件的内端部相继地布置以提供输入光纤与输出光纤之间的紧密连接。

由于该装置为其元件提供唯一的定位，因此无论在套管中预先设定的修正角如何都确保了内套管与外套管之间的对准。因此，这种构型允许使用以任何角度修正的套管。

最后，弹性元件构造成接纳到第二连接元件的外端部中，以将内套管和外套管压在一起，并且因此将输入光纤与输出光纤连接。

通过这种构型，本发明提供了一种针对嵌入式光纤进-出复合结构的解决方案，这降低了破损的风险并且使光学插入损耗降至最低。

该装置适合在光纤布拉格光栅中使用，也适合在分布式传感光纤中使用，这是非常有前途的技术但在动态范围方面受到更多的限制，并且其中，比如插入和返回连接中的损耗更为关键。因此，该装置允许将分布式传感光纤用作输入(嵌入式)光纤。

此外，本发明通过提供具有平坦表面的棱镜以直接接触复合结构以及提供各部件之间的光滑连接(非横向)而提供了一种给出了与该结构的耐久连接且能够经受环境条件的装置。

此外，本发明通过提供可接合部件(棱镜以及第一连接元件和第二连接元件)而提供了一种紧密连接的装置，该紧密连接的装置能够在复合固化工艺之后在纤维之间提供可靠的光学连接。

本发明的另一方面涉及一种用于飞行器的复合结构，该复合结构包括如所描述的光纤连接装置以及布置在光纤连接装置上的外复合层。

根据优选实施方式，复合结构为复合蒙皮或纵梁脚的至少一部分。

最后，本发明的另一方面涉及一种用于飞行器的复合结构的制造方法，该方法包括以下步骤：提供至少一层复合材料；提供输入光纤；在输入光纤上提供至少一层复合材料以获得具有嵌入式输入光纤的复合结构；提供如所描述的光纤连接装置；以及在光纤连接装置上提供至少一层复合材料。

本发明的方法提供了结合在复合部件中的光纤连接件，使得能够对纤维中的传感器进行询问。这些传感器可以在部件的制造过程期间提供信息，比如温度演变、固化后的残余应力、机械性能、以及甚至在运行操作期间的损坏报告。

因此，本发明的方法与复合材料的常规制造相适应，由此可以共享制造条件、修整工艺和最终装配线。因此，本发明的方法提供了一种生产具有结合在复合结构中的光纤连接件的复合结构的简单且成本效益好的方法。

附图说明

为了更好地理解本发明，提供以下附图以用于说明性和非限制性的目的，在附图中：

图1a至图1c示出了根据本发明的实施方式的光纤连接装置的不同视图，图1a示出了示意性立体图，图1b示出了纵向截面图，并且图1c示出了置于复合结构上的装置的立体俯视图，图1c还示出了包括根据本发明的另一方面的光纤连接装置的复合结构。

图2a至图2d示出了根据本发明的实施方式的棱镜的不同视图，图2a示出了示意性立体图，图2b示出了俯视图，图2c示出了沿着图2b中所描绘的B-B轴线截取的截面图，并且图2d示出了沿着图2b中所描绘的A-A轴线截取的截面图。

图3a至图3c示出了根据本发明的实施方式的第一连接元件的不同视图，图3a示出了示意性立体图，图3b示出了纵向截面图，并且图3c示出了截面图。

图4a至图4c示出了根据本发明的实施方式的第二连接元件的不同视图，图4a示出了示意性立体图，图4b示出了纵向截面图，并且图4c示出了截面图。

图5a至图5c示出了根据本发明的实施方式的光纤连接装置的不同视图，图5a示出了示意性立体图，图5b示出了纵向截面图，并且图5c示出了截面图。

图6至图8示出了形成根据本发明的实施方式的光纤连接装置的部件的不同视图。

具体实施方式

图1示出了根据优选实施方式的用于复合结构20的光纤连接装置。

图1c示出了包括光纤连接装置1的复合结构20。光纤连接装置1可以被安置在复合结构的任意位置处，不再需要如常规的那样被安置在结构的一个边缘处。因此，本发明与复合结构的修整工艺相适应。

根据本发明，装置1至少包括金属棱镜2、第一连接元件3和第二连接元件4、封围件5、内套管11和外套管12(图6至图8)以及弹性元件13(图6至图8)。

如图1所示，棱镜2具有平坦基部6用以置于复合结构20上，在该复合结构20中嵌入有输入光纤21。为了允许输入光纤21与输出光纤22的连接，棱镜2还设置有内导管7。导管7终止于第一孔8和第二孔9。

如图2a所示，第一孔8和第二孔9设置在棱镜2的相反两侧表面处。第一孔8构造成接纳嵌入在复合结构20中的输入光纤21，而第二孔9构造成接纳第一连接元件3。

如图2d所示，棱镜2的内导管7包括两个部段7’、7”，所述两个部段7’、7”遵循不同取向，比如在棱镜内部形成具有钝角10的斜坡。斜坡将输入光纤21引向输入光纤21与输出光纤22的连接。这样，装置1提供了用于将嵌入式光纤与外部光纤连接的平滑过渡。

如图2d所示，根据优选实施方式，棱镜2的内导管7的一部分具有漏斗形构型。此外，根据另一优选实施方式，棱镜2的内导管7具有带螺纹的内表面23。

图3示出了根据优选实施方式的第一连接元件3。第一连接元件3具有带内端部3a和外端部3b的管状构型。内端部3a构造成插入到棱镜2的第二孔9中以接纳输入光纤21。外端部3b在内侧构造成接纳第二连接元件4的内端部4a，并且在外侧构造成接纳封围件5。为了接纳第二连接元件4，第一连接元件3的外端部3b具有内盒30，并且为了接纳封围件5，第一连接元件3的外端部3b具有带螺纹的外表面25。

由于在第一连接元件和第二连接元件两者中分别加工出的键槽和键，第一连接元件3与第二连接元件4之间的连接获得了独特的位置，亦即与套管中的修正角相应的正确的位置。

优选地，如图3a至图3b所示，第一连接元件3的内端部3a具有与设置在棱镜2的内导管7处的漏斗形构型(图2d)相配合的喷嘴形构型，以便于第一连接元件3的内端部3a与棱镜2的内导管7之间的连接。

类似地，如在图3a至图3b中优选地示出的，第一连接元件3的内端部3a具有带螺纹的外表面24，该带螺纹的外表面24与设置在棱镜2的内导管7处的带螺纹的内表面23螺纹连接。这样，装置1提供了棱镜2与第一连接元件3之间的耐久连接。

图4示出了根据优选实施方式的第二连接元件4。第二连接元件4具有带内端部4a和外端部4b的管状构型。内端部4a构造成插入到第一连接元件3中，并且外端部4b构造成接纳输出光纤22。为了接纳第一连接元件3，第二连接元件4的内端部4a具有外突出部31，外突出部31构造成由第一连接元件3的外端部3b的内盒30接纳。因此，装置1为连接提供了独特的位置，这允许提供具有最小光学插入损耗的最佳光学对准。

优选地，如图4a至图4b所示，第一连接元件3的内端部3a具有与设置在棱镜2的内导管7处的漏斗形构型(图2d)相配合的喷嘴形构型，以便于第一连接元件3的内端部3a与棱镜2的内导管7之间的连接。

如图4a至图4b所示，并且根据优选实施方式，第二连接元件4的外端部4b具有带螺纹的内表面29，用以接纳并保持适于维持弹性元件13的部件(例如止挡件19)，弹性元件13将内套管11和外套管12压在一起，从而允许光纤21、22的连接。

图5示出了根据优选实施方式的封围件5。封围件5具有带内端部5a和外端部5b的管状构型。封围件5构造成围绕第二连接元件4的外端部4b和第一连接元件3的外端部3b布置，以将第一连接元件3和第二连接元件4一起封围。

优选地，如图5a至图5b所示，封围件5的内端部5a具有带螺纹的内表面26，该带螺纹的内表面26与设置在第一连接元件3的外端部3b处的带螺纹的外表面25螺纹连接。这样，装置1提供了第一连接元件3与第二连接元件4之间的耐久连接。

除棱镜2、第一连接元件3和第二连接元件4、以及封围件5之外，光纤连接装置1还包括内套管11和外套管12以及弹性元件13。图6至图8示出了光纤连接装置的纵向截面图，在该纵向截面图中可以看到套管11、12和弹性元件13。

如图6所示，输入光纤21的端部由内套管11接纳，并且输出光纤22的端部由外套管12接纳。

优选地，内套管11和外套管12具有倾斜的基准(非横向的)以在内套管11与外套管12之间提供倾斜的连接平面。该套管构型有助于进一步降低插入损耗。

如图7至图8所示，两个套管11、12沿着第二连接元件4的内端部4a相继地布置，由此提供了输入光纤21与输出光纤22之间的紧密连接。

同样如图7至图8所示，保持在第二连接元件4的外端部4b中的弹性元件13将内套管11和外套管12压在一起，从而连接输入光纤21和输出光纤22。

根据优选实施方式，光纤连接装置1还包括内连接件14和外连接件15，内连接件14具有分配到第一连接元件3的内端部3a中的管状构型，以提供输入光纤21的端部与内套管11之间的紧密连接，外连接件15具有分配到第二连接元件4的外端部4b中的管状构型，以提供输出光纤22的端部与外套管12之间的紧密连接。

根据另一优选实施方式，可以围绕内套管11和外套管12同轴地布置有管状护套16，用以进一步保护输入光纤21和输出光纤22的连接。

另外，光纤连接装置1可以构造成确保光纤连接发生在期望的位置处。据此，第二连接元件4可以具有位于内端部4a与外端部4b之间的肩部18，并且肩部18与第一连接元件3的外端部3b相接触。

类似地，根据另一优选实施方式，封围件5包括具有向外凸出部17的外端部5b，该向外凸出部17与第二连接元件4的外端部4b相配合，从而将第一连接元件3和第二连接元件4封围在期望的位置处。

如图7至图8所示，并且根据另一优选实施方式，光纤连接装置1还包括止挡件19，该止挡件19构造成插入到第二连接元件4的外端部4b中以维持将内套管11和外套管12压在一起的弹性元件13。

优选地，止挡件19具有带螺纹的外表面27和向外展开的表面28，带螺纹的外表面27与设置在第二连接元件4的外端部4b处的带螺纹的内表面29螺纹连接，并且向外展开的表面28构造成将第一连接元件3和第二连接元件4保持在期望的位置处。

优选地，止挡件19的向外展开的表面28接触封围件5的向外凸出部17，以将第一连接元件3和第二连接元件4保持在期望的位置处。

Claims (14)

1.一种光纤连接装置(1)，包括：

金属棱镜(2)，所述金属棱镜(2)具有平坦基部(6)用以置于复合结构(20)上，所述棱镜(2)具有内导管(7)，所述内导管(7)连接所述棱镜(2)的相反两侧表面，所述内导管(7)终止于第一孔(8)和第二孔(9)，所述第一孔(8)构造成接纳嵌入在所述复合结构(20)中的输入光纤(21)，

第一连接元件(3)，所述第一连接元件(3)具有带内端部(3a)和外端部(3b)的管状构型，所述内端部(3a)构造成插入到所述棱镜(2)的所述第二孔(9)中以接纳所述输入光纤(21)，以及

第二连接元件(4)，所述第二连接元件(4)具有带内端部(4a)和外端部(4b)的管状构型，所述内端部(4a)构造成插入到所述第一连接元件(3)中，并且所述外端部(4b)构造成接纳输出光纤(22)，其特征在于，

所述第一连接元件(3)的所述外端部(3b)具有内盒(30)，所述内盒(30)构造成接纳设置在所述第二连接元件(4)的所述内端部(4a)处的外突出部(31)，以为所述输入光纤(21)与所述输出光纤(22)的连接提供独特的位置，

所述棱镜(2)的所述内导管(7)包括遵循不同取向的两个部段(7’、7”)，所述取向形成斜坡用以将所述输入光纤(21)引向所述输入光纤(21)与所述输出光纤(22)的连接，

以及，所述光纤连接装置(1)还包括：

内套管(11)和外套管(12)，所述内套管(11)和所述外套管(12)分别接纳所述输入光纤(21)的端部和所述输出光纤(22)的端部，所述内套管(11)和所述外套管(12)沿着所述第二连接元件(4)的所述内端部(4a)相继地布置以提供所述输入光纤(21)与所述输出光纤(22)之间的紧密连接，以及

弹性元件(13)，所述弹性元件(13)保持在所述第二连接元件(4)的所述外端部(4b)中而将所述内套管(11)和所述外套管(12)压在一起，从而将所述输入光纤(21)与所述输出光纤(22)连接。

2.根据权利要求1所述的光纤连接装置(1)，还包括：

内连接件(14)，所述内连接件(14)具有分配到所述第一连接元件(3)的所述内端部(3a)中的管状构型，以提供所述输入光纤(21)的端部与所述内套管(11)之间的紧密连接，以及

外连接件(15)，所述外连接件(15)具有分配到所述第二连接元件(4)的所述外端部(4b)中的管状构型，以提供所述输出光纤(22)的端部与所述外套管(12)之间的紧密连接。

3.根据权利要求1或2所述的光纤连接装置(1)，还包括管状护套(16)，所述管状护套(16)围绕所述内套管(11)和所述外套管(12)同轴地布置。

4.根据权利要求1或2所述的光纤连接装置(1)，还包括封围件(5)，所述封围件(5)围绕所述第二连接元件(4)的所述外端部(4b)和所述第一连接元件(3)的所述外端部(3b)同轴地布置以将所述第一连接元件(3)和所述第二连接元件(4)一起封围。

5.根据权利要求4所述的光纤连接装置(1)，其中，所述封围件(5)包括具有向外凸出部(17)的外端部(5b)，所述向外凸出部(17)与所述第二连接元件(4)的所述外端部(4b)相配合以将所述第一连接元件(3)和所述第二连接元件(4)封围在期望的位置处。

6.根据权利要求4所述的光纤连接装置(1)，其中，所述封围件(5)具有与设置在所述第一连接元件(3)的所述外端部(3b)处的带螺纹的外表面(25)螺纹连接的带螺纹的内表面(26)。

7.根据权利要求1或2所述的光纤连接装置(1)，其中，所述第二连接元件(4)具有位于所述内端部(4a)与所述外端部(4b)之间的肩部(18)，所述肩部(18)接触所述第一连接元件(3)的所述外端部(3b)以将所述第一连接元件(3)和所述第二连接元件(4)保持在期望的位置处。

8.根据权利要求1或2所述的光纤连接装置(1)，还包括止挡件(19)，所述止挡件(19)构造成插入到所述第二连接元件(4)的所述外端部(4b)中以维持将所述内套管(11)和所述外套管(12)压在一起的所述弹性元件(13)。

9.根据权利要求8所述的光纤连接装置(1)，其中，所述止挡件(19)具有带螺纹的外表面(27)和向外展开的表面(28)，所述带螺纹的外表面(27)与设置在所述第二连接元件(4)的所述外端部(4b)处的带螺纹的内表面(29)螺纹连接，并且所述向外展开的表面(28)构造成将所述第一连接元件(3)和所述第二连接元件(4)保持在期望的位置处。

10.根据权利要求9所述的光纤连接装置(1)，还包括封围件(5)，所述封围件(5)围绕所述第二连接元件(4)的所述外端部(4b)和所述第一连接元件(3)的所述外端部(3b)同轴地布置以将所述第一连接元件(3)和所述第二连接元件(4)一起封围，其中，所述封围件(5)包括具有向外凸出部(17)的外端部(5b)，所述向外凸出部(17)与所述第二连接元件(4)的所述外端部(4b)相配合以将所述第一连接元件(3)和所述第二连接元件(4)封围在期望的位置处，并且其中，所述止挡件(19)的所述向外展开的表面(28)接触所述封围件(5)的所述向外凸出部(17)，以将所述第一连接元件(3)和所述第二连接元件(4)保持在期望的位置处。

11.根据权利要求1或2所述的光纤连接装置(1)，其中，所述棱镜(2)的所述内导管(7)具有与设置在所述第一连接元件(3)的所述内端部(3a)处的带螺纹的外表面(24)螺纹连接的带螺纹的内表面(23)。

12.根据权利要求1或2所述的光纤连接装置(1)，其中，所述第一连接元件(3)具有呈喷嘴形构型的内端部(3a)，所述喷嘴形构型与设置在所述棱镜(2)的所述内导管(7)处的漏斗形构型相配合以便于所述第一连接元件(3)的所述内端部(3a)与所述棱镜(2)的所述内导管(7)之间的连接。

13.一种用于飞行器的复合结构(20)，所述复合结构(20)包括外复合层和根据权利要求1至12中的任一项所述的光纤连接装置(1)，其中，所述外复合层布置在所述光纤连接装置(1)上。

14.一种用于飞行器的复合结构(20)的制造方法，所述方法包括下述步骤：

提供至少一层复合材料，

提供输入光纤(21)，

在所述输入光纤(21)上提供所述至少一层复合材料以提供具有嵌入式输入光纤(21)的复合结构(20)，

提供光纤连接装置(1)，所述光纤连接装置(1)包括：

金属棱镜(2)，所述金属棱镜(2)具有平坦基部(6)用以置于所述复合结构(20)上，所述棱镜(2)具有内导管(7)，所述内导管(7)连接所述棱镜(2)的相反两侧表面，所述导管(7)终止于第一孔(8)和第二孔(9)，所述第一孔(8)构造成接纳嵌入在所述复合结构(20)中的输入光纤(21)，

第一连接元件(3)，所述第一连接元件(3)具有带内端部(3a)和外端部(3b)的管状构型，所述内端部(3a)构造成插入到所述棱镜(2)的所述第二孔(9)中以接纳所述输入光纤(21)，以及

第二连接元件(4)，所述第二连接元件(4)具有带内端部(4a)和外端部(4b)的管状构型，所述内端部(4a)构造成插入到所述第一连接元件(3)中，并且所述外端部(4b)构造成接纳输出光纤(22)，

内套管(11)和外套管(12)，所述内套管(11)和所述外套管(12)分别接纳所述输入光纤(21)的端部和所述输出光纤(22)的端部，

弹性元件(13)，所述弹性元件(13)保持在所述第二连接元件(4)的所述外端部(4b)中而将所述内套管(11)和所述外套管(12)压在一起，

其中，所述第一连接元件(3)的所述外端部(3b)具有内盒(30)，所述内盒(30)构造成接纳设置在所述第二连接元件(4)的所述内端部(4a)处的外突出部(31)，以为所述输入光纤(21)与所述输出光纤(22)的连接提供独特的位置，

其中，所述棱镜(2)的所述内导管(7)包括遵循不同取向的两个部段(7’、7”)，所述取向形成斜坡用以将所述输入光纤(21)引向所述输入光纤(21)与所述输出光纤(22)的连接，并且

其中，所述内套管(11)和所述外套管(12)沿着所述第二连接元件(4)的所述内端部(4a)相继地布置以提供所述输入光纤(21)与所述输出光纤(22)之间的紧密连接，

在所述光纤连接装置(1)上提供所述至少一层复合材料。

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