CN110057868A - 减背景差动式激光红外热成像无损检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
提供一种减背景差动式激光红外热成像无损检测系统,包含激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源(1);激光器(2);1∶1规格激光分束镜(3);一对规格严格相同的凹透镜分别作为第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5);红外热像仪(6)和图像采集与处理模块(7)。通过调整光路,解决现有技术系统难以调节两束子激光能量达到一致的问题。通过对现有差动式激光红外热成像无损检测方法进行改进,通过消除环境噪声来提高对缺陷的检测效率和检测精度。
Description
技术领域:
本发明属于无损检测技术领域,具体涉及一种减背景差动式激光红外热成像无损检测系统及方法。
背景技术:
现有的激光红外检测技术由于激光能量分布不均匀导致缺陷造成的温差信息被掩盖,从而难以从原始数据中直接获得缺陷信息的问题。同时现有技术中的差动式激光诱导红外检测系统存在难以将分成的两束子激光调成一致的缺陷。
发明内容:
针对现有技术存在的问题,本发明提供一种减背景差动式激光红外热成像无损检测系统,通过调整光路,解决现有技术系统难以调节两束子激光能量达到一致的问题。
本发明的减背景差动式激光红外热成像无损检测系统,其特征在于,包含激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源1;高性能高功率激光器2,以下简称“激光器2”;1∶1规格激光分束镜3;一对规格严格相同的凹透镜分别作为第一扩束透镜4和第二扩束透镜5;高性能红外热像仪6,以下简称“红外热像仪6”;和图像采集与处理模块7;其中
激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源1将调制好的激光信号传输至高性能大功率激光器2中,并设置红外热像仪6的采集参数;
激光器2发出的调制激光束8与激光分束镜3成45°夹角放置;调制激光束8被激光分束镜3分成两束完全相同的子激光束,分别为反射子激光9和透射子激光10;
反射子激光9的传播路径上放置第一扩束透镜4;透射子激光10的传播路径上放置第二扩束透镜5;两束子激光分别到达两个扩束透镜时所经历的路程相同;
反射子激光9和透射子激光10分别经过第一扩束透镜4和第二扩束透镜5后,被扩束的两束子激光分别正对照射在两个检测试件上,第一扩束透镜4到完好试件11与第二扩束透镜5到缺陷试件12的距离相同,以保证两处加热面积相同;两块试件为错开地相互垂直放置;
红外热像仪6与激光分束镜3均放置在两块试件夹角的角平分线上,红外热像仪6面对两块试件的被测面,记录试件表面温度变化并传输至数据采集与处理模块7。
在本发明的一个实施例中,调整好两块试件之间的距离,使得完好试件11、红外热像仪6、缺陷试件12所形成夹角的半角角度α<20°,红外热像仪6作为所述夹角的顶点,即,缺陷试件12、红外热像仪6和所述夹角的角平分线所成夹角为α,完好试件11、红外热像仪6和所述夹角的角平分线所成夹角亦为α。
在本发明的一个具体实施例中,14°<α<16°。
在本发明的一个更具体实施例中,α=14.6°。
提供本发明减背景差动式激光红外热成像无损检测系统的工作过程,其特征在于:
(1)按照权利要求1所述方式摆放好所述减背景差动式激光红外热成像无损检测系统;
(2)由激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源1对红外热像仪6的采集参数进行设置,并设置激光激发和红外热像仪采集的开始时间和结束时间,调整好激光器和红外热像仪开始工作的时间差;
(3)令红外热像仪6工作,此时激光器2不工作,红外热像仪6获得完好试件11、缺陷试件12的红外图像,该红外图像蕴含代表试件表面温度信息,该图像能够将环境影响的温度分布记录下来,作为后期减背景信息;
(4)将调制好的激光信号传输至高性能大功率激光器2中,激光器2激发调制激光束8,调制激光束8到达与其成45°夹角放置的1∶1激光分束镜3,调制激光束8在激光分束镜3处被分成两束完全相同的子激光束,分别为反射子激光9和透射子激光10;
(5)反射子激光9的传播方向与调制激光束8成90°夹角入射至第一扩束透镜4,反射子激光9在第一扩束透镜4处被放大成第一面激光,继而,第一面激光正对照射完好试件11表面,并对其加热;
(6)同时,透射子激光10的传播方向与调制激光束8一致,入射至第二扩束透镜5后,在第二扩束透镜5处被扩束成第二面激光,继而,第二面激光正对照射缺陷试件12表面,并对其加热;
(7)两块试件垂直放置,调整好两块试件之间的距离,使得完好试件11、红外热像仪6、缺陷试件12所形成夹角的半角角度α<20°,红外热像仪6作为所述夹角的顶点,即,缺陷试件12、红外热像仪6和所述夹角的角平分线所成夹角为α,完好试件11、红外热像仪6和所述夹角的角平分线所成夹角亦为α;
(8)红外热像仪6面对两块试件的被测面,记录试件表面温度变化并传输至数据采集与处理模块7,由其进行数据处理,数据采集与处理模块7利用所述减背景信息来消除环境噪声对检测效果的影响;并且其中
第一扩束透镜4和第二扩束透镜5为规格严格相同的平凹透镜;反射子激光9从激光分束镜3到第一扩束透镜4的路程等于透射子激光10从激光分束镜3到第二扩束透镜5的路程;并且,第一扩束透镜4和第二扩束透镜5分别到完好试件11和缺陷试件12的距离相等;通过调整扩束透镜到试件之间的距离调整试件加热面积的大小,从而控制检测区域的面积。
还提供本发明减背景差动式激光红外热成像无损检测系统的检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:对激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源1的参数进行调制,设置激光器2延迟激发的时间以及红外热像仪开始记录和结束时间,令红外热像仪6先工作,此时激光器2不工作,红外热像仪6获得完好试件11、缺陷试件12的红外图像,该图像蕴含代表试件表面温度信息,该图像能够将环境影响的温度分布记录下来,作为后期减背景信息,利用该减背景信息来消除环境噪声对检测效果的影响;
步骤2:激光器2发出一束直径为d′的调制激光束8,入射至与激光器2成45°夹角放置的1∶1激光分束镜3;入射的调制激光束8经过激光分束镜3,被分成两束完全一致的子激光束,即反射子激光9和透射子激光10,其光束截面大小和形状以及截面上的能量分布都完全相同;反射子激光9与入射调制激光8成90°角度入射至第一扩束透镜4,透射子激光10与入射调制激光8的方向一致,入射至第二扩束透镜5;其中,反射子激光9从激光分束镜3到第一扩束透镜4的路程等于透射子激光10从激光分束镜3到第二扩束透镜5的路程;
步骤3:反射子激光9经过第一扩束透镜4后,以圆锥状光锥正对照射完好试件11表面;透射子激光10经过第二扩束透镜5后,同样,以光锥状光锥正对照射缺陷试件12表面;第一扩束透镜4和第二扩束透镜5为规格严格一致的平凹透镜,其焦距均为F,两个扩束透镜距离两个试件的距离一致且均为d,则两束子激光经过扩束之后,在试件表面均形成直径D′=d′(F+d)/F的激光光斑,激光光斑的大小通过调整扩束透镜与试件之间的距离d来控制;
步骤4:红外热像仪6将记录的试件表面温度分布信息传输至到数据采集与处理模块7,一方面,两束子激光具有相同的能量分布和性质;另一方面,缺陷试件在加热过程中由于缺陷的存在,将在其表面产生与完好试件不一致的温度分布,高精度的红外热像仪记录下两块试件表面温度变化,并将其传至数据采集与处理模块7中;数据采集与处理模块7提取试件的温度分布信息进行处理,从温度差值异常处提取试件缺陷信息。
在本发明的一个具体实施例中,从温度差值异常处提取试件缺陷信息的具体处理方法为:
Step1:将步骤4记录的两块试件表面温度信息分别减去相应的加热前记录的后期减背景信息,得到减背景温度分布热像序列,这样做的目的是减小环境噪声对试件表面温度信息的影响;
Step2:将缺陷试件的减背景温度分布热像序列减去对应的完好试件减背景温度分布热像序列,获得缺陷温差分布,由此分布可以看出试件内部缺陷信息;通过该步骤,可以减小环境噪声对试件表面温度的影响和消除激光能量分布不均匀对检测结果的影响,提高激光红外检测技术对试件内部缺陷的检测精度。
本发明通过对现有差动式激光红外热成像无损检测方法进行改进,通过消除环境噪声来提高对缺陷的检测效率和检测精度。
附图说明
图1为本发明减背景差动式激光红外热成像无损检测系统组成示意图;
图2为减背景差动式检测原理示意图;
图3本发明减背景差动结果示意图。
具体实施方式
图1所示为本发明减背景差动式激光红外成像无损检测系统组成示意图,包含激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源1;高性能高功率激光器(以下简称“激光器”)2;1∶1规格激光分束镜3;一对规格严格相同的凹透镜分别作为第一扩束透镜4和第二扩束透镜5;高性能红外热像仪(以下简称“红外热像仪”)6;和图像采集与处理模块7。激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源1将调制好的激光信号传输至高性能大功率激光器2中,并设置红外热像仪6的采集参数;激光器2发出的调制激光束8与激光分束镜3成45°夹角放置;调制激光束8被激光分束镜3分成两束完全相同的子激光束,分别为反射子激光9和透射子激光10;反射子激光9的传播路径上放置第一扩束透镜4,透射子激光10的传播路径上放置第二扩束透镜5,放置第一扩束透镜4、第二扩束透镜5的方式为本领域技术人员熟知不再累述,两束子激光分别到达两个扩束透镜时所经历的路程相同;反射子激光9和透射子激光10分别经过第一扩束透镜4和第二扩束透镜5后,被扩束的两束子激光分别正对照射在两个检测试件上,第一扩束透镜4到完好试件11与第二扩束透镜5到缺陷试件12的距离相同,以保证两处加热面积相同。通过调整扩束透镜到试件之间的距离可以调整试件加热面积的大小,从而控制检测区域的面积。通过上述过程,实际上,两块试件为错开地相互垂直放置,红外热像仪6与激光分束镜3均放置在两块试件夹角的角平分线上,红外热像仪6面对两块试件的被测面,记录试件表面温度变化并传输至数据采集与处理模块7。
本发明减背景差动式激光红外无损检测系统的工作过程为:按照上述方式摆放好本发明的减背景差动式激光红外热成像无损检测系统,由激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源1对红外热像仪6的采集参数进行设置,并设置激光激发和红外热像仪采集的开始时间和结束时间,调整好激光器和红外热像仪开始工作的时间差,令红外热像仪6先工作,此时激光器2不工作,红外热像仪6获得完好试件11、缺陷试件12的红外图像(其蕴含代表试件表面温度信息),该图像能够将环境影响的温度分布记录下来,作为后期减背景信息,利用该减背景信息来消除环境噪声对检测效果的影响;之后,将调制好的激光信号传输至高性能大功率激光器2中,激光器2激发调制激光束8,调制激光束8到达与其成45°夹角放置的1∶1激光分束镜3,调制激光束8在激光分束镜3处被分成两束完全相同的子激光束,分别为反射子激光9和透射子激光10;反射子激光9的传播方向与调制激光束8成90°夹角入射至第一扩束透镜4,反射子激光9在第一扩束透镜4处被放大成第一面激光,继而,第一面激光正对照射完好试件11表面,并对其加热;同时,透射子激光10的传播方向与调制激光束8一致,入射至第二扩束透镜5后,在第二扩束透镜5处被扩束成第二面激光,继而,第二面激光正对照射缺陷试件12表面,并对其加热。完好试件11与缺陷试件12表面的两处加热区域面积相同,因此,二者表面的激光能量分布也一致。两块试件垂直放置,如上所述,红外热像仪6与激光分束镜3均放置在两块试件夹角的角平分线上,调整好两块试件之间的距离,使得完好试件11、红外热像仪6、缺陷试件12所形成夹角(红外热像仪6作为角的顶点)的半角角度α<20°(即,缺陷试件12、红外热像仪6和所述夹角的角平分线所成夹角为α,完好试件11、红外热像仪6和所述夹角的角平分线所成夹角亦为α)。红外热像仪6面对两块试件的被测面,记录试件表面温度变化并传输至数据采集与处理模块7,由其进行数据处理。
为了实现本发明的目的,第一扩束透镜4和第二扩束透镜5为规格严格相同的平凹透镜;反射子激光9从激光分束镜3到第一扩束透镜4的路程等于透射子激光10从激光分束镜3到第二扩束透镜5的路程;并且,第一扩束透镜4和第二扩束透镜5分别到完好试件11和缺陷试件12的距离相等。
本发明减背景差动激光红外热成像无损检测系统的检测方法,包括如下步骤:
步骤1:对激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源1的参数进行调制,设置激光器2延迟激发的时间以及红外热像仪开始记录和结束时间,令红外热像仪6先工作,此时激光器2不工作,红外热像仪6获得完好试件11、缺陷试件12的红外图像(其蕴含代表试件表面温度信息),该图像能够将环境影响的温度分布记录下来,作为后期减背景信息,利用该减背景信息来消除环境噪声对检测效果的影响;
步骤2:激光器2发出一束直径为d′的调制激光束8,入射至与激光器2成45°夹角放置的1∶1激光分束镜3;入射的调制激光束8经过激光分束镜3,被分成两束完全一致的子激光束,即反射子激光9和透射子激光10,其光束截面大小和形状以及截面上的能量分布都完全相同;反射子激光9与入射调制激光8成90°角度入射至第一扩束透镜4,透射子激光10与入射调制激光8的方向一致,入射至第二扩束透镜5;其中,反射子激光9从激光分束镜3到第一扩束透镜4的路程等于透射子激光10从激光分束镜3到第二扩束透镜5的路程;
步骤3:反射子激光9经过第一扩束透镜4后,以圆锥状光锥正对照射完好试件11表面;透射子激光10经过第二扩束透镜5后,同样,以光锥状光锥正对照射缺陷试件12表面;第一扩束透镜4和第二扩束透镜5为规格严格一致的平凹透镜,其焦距均为F,两个扩束透镜距离两个试件的距离一致且均为d,则两束子激光经过扩束之后,在试件表面均形成直径D=d′(F+d)/F的激光光斑,激光光斑的大小可以通过调整扩束透镜与试件之间的距离d来控制;
步骤4:红外热像仪6将记录的试件表面温度分布信息传输至到数据采集与处理模块7,一方面,两束子激光具有相同的能量分布和性质;另一方面,缺陷试件在加热过程中由于缺陷的存在,将在其表面产生与完好试件不一致的温度分布,高精度的红外热像仪记录下两块试件表面温度变化,并将其传至数据采集与处理模块7中。数据采集与处理模块7提取试件的温度分布信息进行处理,从温度差值异常处提取试件缺陷信息。具体处理方法为:首先将步骤4记录的两块试件表面温度信息分别减去相应的加热前记录的后期减背景信息,得到减背景温度分布热像序列,这样做的目的是减小环境噪声对试件表面温度信息的影响;再将缺陷试件的减背景温度分布热像序列减去对应的完好试件减背景温度分布热像序列,获得缺陷温差分布,由此分布可以看出试件内部缺陷信息。通过该步骤,可以减小环境噪声对试件表面温度的影响和消除激光能量分布不均匀对检测结果的影响,提高激光红外检测技术对试件内部缺陷的检测精度。
图2所示为减背景差动式检测原理图。当能量分布不均匀的激光照射在试件表面进行加热时,试件内部存在的缺陷导致热流传播受阻,进而导致试件表面温度分布发生变化。
图3为减背景后提取两块试件表面温度分布信息相差动后的结果图,从图中可以看出内部缺陷导致的表面温差较小,从而在实际试验当中很容易由于热源能量分布不均匀而被掩盖,同时也存在环境噪声影响缺陷信息凸显的可能,导致无法直接从原始温度分布信息中看出缺陷。由此可见,本发明不仅可以克服激光扩束后能量分布不均匀的不良影响,而且可以消除环境噪声对实验的影响,使得造成温差很小的缺陷信息显示出来,提高检测精度。
本发明的系统和方法相比于现有技术,不仅能够更为高效地对试件存在的缺陷进行检测,而且可以解决现有技术系统难以调节两束子激光能量达到一致的问题。此外,本发明方法还能够降低环境噪声对检测效果的影响。
Claims (7)
1.减背景差动式激光红外热成像无损检测系统,其特征在于,包含激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源(1);高性能高功率激光器(2),以下简称“激光器(2)”;1∶1规格激光分束镜(3);一对规格严格相同的凹透镜分别作为第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5);红外热像仪(6);和图像采集与处理模块(7);其中
激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源(1)将调制好的激光信号传输至高性能大功率激光器(2)中,并设置红外热像仪(6)的采集参数;
激光器(2)发出的调制激光束(8)与激光分束镜(3)成45°夹角放置;调制激光束(8)被激光分束镜(3)分成两束完全相同的子激光束,分别为反射子激光(9)和透射子激光(10);
反射子激光(9)的传播路径上放置第一扩束透镜(4);透射子激光(10)的传播路径上放置第二扩束透镜(5);两束子激光分别到达两个扩束透镜时所经历的路程相同;
反射子激光(9)和透射子激光(10)分别经过第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)后,被扩束的两束子激光分别正对照射在两个检测试件上,第一扩束透镜(4)到完好试件(11)与第二扩束透镜(5)到缺陷试件(12)的距离相同,以保证两处加热面积相同;两块试件为错开地相互垂直放置;
红外热像仪(6)与激光分束镜(3)均放置在两块试件夹角的角平分线上,红外热像仪(6)面对两块试件的被测面,记录试件表面温度变化并传输至图像采集与处理模块(7)。
2.如权利要求1所述的减背景差动式激光红外热成像无损检测系统,其特征在于,调整好两块试件之间的距离,使得完好试件(11)、红外热像仪(6)、缺陷试件(12)所形成夹角的半角角度α<20°,红外热像仪(6)作为所述夹角的顶点,即,缺陷试件(12)、红外热像仪(6)和所述夹角的角平分线所成夹角为α,完好试件(11)、红外热像仪(6)和所述夹角的角平分线所成夹角亦为α。
3.如权利要求2所述的减背景差动式激光红外热成像无损检测系统,其特征在于,14°<α<16°。
4.如权利要求3所述的减背景差动式激光红外热成像无损检测系统,其特征在于,α=14.6°。
5.如权利要求1至4的任何一项所述减背景差动式激光红外热成像无损检测系统的工作过程,其特征在于:
(1)按照权利要求1所述方式摆放好所述减背景差动式激光红外热成像无损检测系统;
(2)由激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源(1)对红外热像仪(6)的采集参数进行设置,并设置激光激发和红外热像仪采集的开始时间和结束时间,调整好激光器和红外热像仪开始工作的时间差;
(3)令红外热像仪(6)工作,此时激光器(2)不工作,红外热像仪(6)获得完好试件(11)、缺陷试件(12)的红外图像,该红外图像蕴含代表试件表面温度信息,该图像能够将环境影响的温度分布记录下来,作为后期减背景信息;
(4)将调制好的激光信号传输至高性能大功率激光器(2)中,激光器(2)激发调制激光束(8),调制激光束(8)到达与其成45°夹角放置的1∶1激光分束镜(3),调制激光束(8)在激光分束镜(3)处被分成两束完全相同的子激光束,分别为反射子激光(9)和透射子激光(10);
(5)反射子激光(9)的传播方向与调制激光束(8)成90°夹角入射至第一扩束透镜(4),反射子激光(9)在第一扩束透镜(4)处被放大成第一面激光,继而,第一面激光正对照射完好试件(11)表面,并对其加热;
(6)同时,透射子激光(10)的传播方向与调制激光束(8)一致,入射至第二扩束透镜(5)后,在第二扩束透镜(5)处被扩束成第二面激光,继而,第二面激光正对照射缺陷试件(12)表面,并对其加热;
(7)两块试件垂直放置,调整好两块试件之间的距离,使得完好试件(11)、红外热像仪(6)、缺陷试件(12)所形成夹角的半角角度α<20°,红外热像仪(6)作为所述夹角的顶点,即,缺陷试件(12)、红外热像仪(6)和所述夹角的角平分线所成夹角为α,完好试件(11)、红外热像仪(6)和所述夹角的角平分线所成夹角亦为α;
(8)红外热像仪(6)面对两块试件的被测面,记录试件表面温度变化并传输至图像采集与处理模块(7),由其进行数据处理,图像采集与处理模块(7)利用所述减背景信息来消除环境噪声对检测效果的影响;并且其中
第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)为规格严格相同的平凹透镜;反射子激光(9)从激光分束镜(3)到第一扩束透镜(4)的路程等于透射子激光(10)从激光分束镜(3)到第二扩束透镜(5)的路程;并且,第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)分别到完好试件(11)和缺陷试件(12)的距离相等;通过调整扩束透镜到试件之间的距离调整试件加热面积的大小,从而控制检测区域的面积。
6.如权利要求1至4的任何一项所述减背景差动式激光红外热成像无损检测系统的检测方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:对激光信号调制与激发和热像仪记录控制信号源(1)的参数进行调制,设置激光器(2)延迟激发的时间以及红外热像仪开始记录和结束时间,令红外热像仪(6)先工作,此时激光器(2)不工作,红外热像仪(6)获得完好试件(11)、缺陷试件(12)的红外图像,该图像蕴含代表试件表面温度信息,该图像能够将环境影响的温度分布记录下来,作为后期减背景信息,利用该减背景信息来消除环境噪声对检测效果的影响;
步骤2:激光器(2)发出一束直径为d′的调制激光束(8),入射至与激光器(2)成45°夹角放置的1∶1激光分束镜(3);入射的调制激光束(8)经过激光分束镜(3),被分成两束完全一致的子激光束,即反射子激光(9)和透射子激光(10),其光束截面大小和形状以及截面上的能量分布都完全相同;反射子激光(9)与入射调制激光8成90°角度入射至第一扩束透镜(4),透射子激光(10)与入射调制激光束(8)的方向一致,入射至第二扩束透镜(5);其中,反射子激光(9)从激光分束镜(3)到第一扩束透镜(4)的路程等于透射子激光(10)从激光分束镜(3)到第二扩束透镜(5)的路程;
步骤3:反射子激光(9)经过第一扩束透镜(4)后,以圆锥状光锥正对照射完好试件(11)表面;透射子激光(10)经过第二扩束透镜(5)后,同样,以光锥状光锥正对照射缺陷试件(12)表面;第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)为规格严格一致的平凹透镜,其焦距均为F,两个扩束透镜距离两个试件的距离一致且均为d,则两束子激光经过扩束之后,在试件表面均形成直径D′=d′(F+d)/F的激光光斑,激光光斑的大小通过调整扩束透镜与试件之间的距离d来控制;
步骤4:红外热像仪(6)将记录的试件表面温度分布信息传输至到图像采集与处理模块(7),一方面,两束子激光具有相同的能量分布和性质;另一方面,缺陷试件在加热过程中由于缺陷的存在,将在其表面产生与完好试件不一致的温度分布,高精度的红外热像仪记录下两块试件表面温度变化,并将其传至图像采集与处理模块(7)中;图像采集与处理模块(7)提取试件的温度分布信息进行处理,从温度差值异常处提取试件缺陷信息。
7.权利要求6所述的检测方法,其特征在于,从温度差值异常处提取试件缺陷信息的具体处理方法为:
Step1:将步骤4记录的两块试件表面温度信息分别减去相应的加热前记录的后期减背景信息,得到减背景温度分布热像序列,这样做的目的是减小环境噪声对试件表面温度信息的影响;
Step2:将缺陷试件的减背景温度分布热像序列减去对应的完好试件减背景温度分布热像序列,获得缺陷温差分布,由此分布可以看出试件内部缺陷信息;通过该步骤,可以减小环境噪声对试件表面温度的影响和消除激光能量分布不均匀对检测结果的影响,提高激光红外检测技术对试件内部缺陷的检测精度。
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