CN116183103A - 一种柔性阵列压力传感器的延时标定方法及动态检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性阵列压力传感器的延时标定方法及动态检测方法。延时标定方法包括蠕变量的提取、即时标定与延时标定，动态检测方法包括延时输出的特征参数值测量与压力换算。本发明在标定与检测中引入时间参数，考虑了柔性阵列压力传感器单元间制造差异及粘弹性体的弹性蠕变，有效解决了弹性蠕变导致的输出误差，大大提高了传感器的检测准确性，在柔性阵列压力传感器的生产与使用中具有良好的应用前景。

Description

一种柔性阵列压力传感器的延时标定方法及动态检测方法

技术领域

本发明涉及到压力传感器技术领域，特别涉及一种柔性阵列压力传感器的延时标定方法及动态检测方法。

背景技术

近年来，随着微电子和材料制备技术的发展，柔性阵列压力传感器因其柔性﹑高弹性﹑可拉伸等优点成为许多柔性电子器件的重要组成部分，能够方便地对具有复杂表面形状的物体受到的应力进行测量，被广泛应用于可穿戴电子﹑智能家居设备﹑工业制造﹑人机接口等领域。

柔性阵列压力传感器，按其测量参数类型可分为电容式压力传感器﹑电阻式压力传感器﹑压电式压力传感器﹑离电式压力传感器等。不同类型的传感器的结构大致类似，就是将力敏材料夹在导电层之间，在外力作用下，力敏材料发生形变，传感电路将形变量转换为电阻﹑电容﹑电压等可检测特征参数。

由于柔性压力传感器制造工艺以及生产流程的不同，即使结构相同的压力传感器其输出的特征参数值也可能不同，为此传感器生产厂家和使用方主要通过定期标定来提高传感器的输出一致性。如专利文献CN101281073A公开一种力学传感器阵列标定装置及其工作方法，通过步进电机和力探头的装置在传感单元上垂直施加压力，逐个对传感单元进行标定。但是若传感器整体面积较大，传感单元的面积较小而且数目较多(例如单个面积为2mm²，单元数目达到4000点以上)，当采用人工逐点标定的方法，对位准确性差，标定工作量巨大，耗时且难于保证标定精度。为此，专利号文献CN 105738031 A以及CN113654720A公开气压式柔性阵列压力传感器标定装置及标定方法，将柔性阵列压力传感器置于密封腔体，利用气泵向密封腔体内注入气体气对传感器整体施加压力，通过充气阀的开关调整压力大小，保证了待测传感器的各个压力敏感点在同一时刻受到相同大小的压力，从而保证了标定精度并减少了标定时间。此外，专利文献201611160517.2G公开一种柔性压力传感器的校准方法，通过对多次标定取平均值的办法弥补柔性传感器在制备过程中的不一致性。

以上方法能够减小因制造差异等导致的输出误差。但是针对柔性阵列压力传感器，力敏材料一般是基于有机高分子的弹性体(粘弹性体)，当施加一定应力时，弹性体除了瞬时应变以外，还会产生一个随时间而变化的弛豫应变，即存在弹性蠕变，这使得压力传感器输出的特征参数随时间变化而变化。而目前对于弹性蠕变导致的误差尚无明显的解决办法。

发明内容

针对上述技术现状，本发明提供一种柔性阵列压力传感器的延时标定方法，为弹性蠕变提供一种解决方案，提高传感器的检测准确性。

本发明提供的技术方案是：一种柔性阵列压力传感器的延时标定方法，包括蠕变量的提取、即时标定与延时标定，具体包括如下步骤：

(1)在待测柔性阵列压力传感器传感器的压力量程内选定K个压力值作为标定基准压力值，记作P₁、P₂……P_K，K是大于或者等于1的整数；

(2)所述柔性阵列压力传感器的可检测区域分为N个单元，每个单元的面积相等，N是大于或者等于1的整数；

利用压力施加装置对柔性阵列压力传感器的任选单元(记作第n个单元，n≤N)施加不同的压力，压力值分别为步骤(1)中的标定基准压力值，并且各压力加载时间为T；

利用测试模块检测在压力值为P_x的压力加载下，并且加载时间为T，第n个单元输出的特征参数值Cn与时间t的变化曲线，记作Cn(P_x，t)，0≤t≤T，x分别为1、2、3……K；

根据所述Cn(P_x，t)，得到在压力值为P_x的压力加载下柔性阵列压力传感器的各单元在任意时间t时的蠕变量为ΔC(P_x，t)＝Cn(P_x，t)-Cn(P_x，t＝0)，其中Cn(P_x，t＝0)是所述Cn(P_x，t)中，第n个单元的初始输出的特征参数值(即t＝0的输出值)，即，得到在各标定基准压力值条件下柔性阵列压力传感器的各单元在任意时间t时的蠕变量；

(3)利用所述压力施加装置对柔性阵列压力传感器的各单元施加不同的即时压力，压力值分别为步骤(1)中的标定基准压力值；

利用所述测试装置检测各单元在压力值为P_x的压力作用下的即时输出的特征参数值，即，得到在各标定基准压力值条件下柔性阵列压力传感器的各单元的即时标定，其中第m个单元的输出值为Cm(P_x)，m≤N；

则第m个单元的标定值为Cm(P_x)+ΔC(P_x，t)，0≤t≤T，x分别为1、2、3……S，即，得到在各标定基准压力值条件下柔性阵列压力传感器的各单元在任意时间t时的延时标定。

所述柔性阵列压力传感器的类型不限，按其测量参数类型可分为电容式压力传感器﹑电阻式压力传感器﹑压电式压力传感器或者离电式压力传感器等，输出的特征参数包括电容、电阻、电压等。

所述压力施加装置不限，可以是专利文献CN101281073A中公开的包括工作平台和压力头测试部件的定位传动部件；也可以是包括气泵、充气阀、密封腔体的装置，将柔性阵列压力传感器置于密封腔体中，利用气泵向密封腔体充气，通过充气阀调节腔体内的气体压力，例如专利文献CN201610077262.7中公开的标定装置等；还可以是气囊装置，例如CN106525332 A中公开的气囊装置。

所述步骤(1)中，标定基准压力值的选择与传感器输出的特征参数值随压力值的变化有关，如果单位压力值内输出的特征参数值随压力值的变化量大，则标定基准压力值的间距小，否则可以适当扩大。

所述步骤(2)中，对柔性阵列压力传感器中的第n个单元施加压力，测试第n个单元的输出值时，可以采用气囊装置或者包括气泵、充气阀、密封腔体的装置对整个柔性阵列压力传感器整体施加压力，也可以采用包括工作平台和压力头测试部件的定位传动部件将压力头定位传动至第n个单元上方施加压力，亦或者选用砝码。作为优选，采用压力头检测方案，此时传感单元可以单独受压并同时测定输出值，缩短标定时间；

作为优选，所述柔性阵列压力传感器包括N个传感单元，所述步骤(2)中，可检测区域的个单元与N个传感单元一一对应。

作为优选，所述步骤(2)中，任选单元可以为多个，通过多次测量取平均值的方法来减少任选单元的选取带来的随机误差。

所述步骤(3)中，对柔性阵列压力传感器的各单元施加压力，检测各单元的即时输出的特征参数时，可以采用气囊装置或者包括气泵、充气阀、密封腔体的装置对整个柔性阵列压力传感器整体施加压力，检测各单元的即时输出的特征参数值，也可以采用包括工作平台和压力头测试部件的定位传动部件将压力头定位传动至逐个单元进行施压测试。

在实际应用中，首先利用本发明的标定方法对柔性阵列压力传感器进行延时标定，然后将该柔性阵列压力传感器用于实际负载作用下的压力检测，包括延时输出的特征参数值测量与压力换算，具体包括如下步骤：

(a)测试在负载作用下并且负载加载时间为T_y时各单元的输出值Cy；

(b)针对特定单元，以输出的特征参数值与负载加载时间作为对比参数，将步骤(a)测得的特征参数值Cy与各标定基准压力值条件下该单元的延时标定进行比对，得到与特征参数值Cy接近的一组标定值；

(c)利用线性插值方法，对特征参数值Cy与步骤(b)得到的接近的一组标定值进行插值计算，得到在加载时间T_y范围内负载的压力值F(t)，0≤t≤T_y。

所述的加载时间T_y可以以输出的特征参数值作为参考，如果失去负载作用，输出的特征参数恢复初始值，负载加载时间T_y则恢复零值，至负载再次施加时重新计时。

所述步骤(c)中，线性插值方法可以以加载时间T_y和输出的特征参数值Cy作为双变量进行双线性插值，也可以选取与加载时间T_y最接近的标定值进行线性插值。所述的加载时间T_y并不限制于标定的时间T之内。当T_y＞T时，可采用外插方法或者使用T时刻的标定值。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明针对柔性阵列压力传感器，在输出标定中考虑了柔性阵列压力传感器的弹性蠕变，引入时间参数，有效解决了弹性蠕变导致的输出误差，大大提高了传感器的检测准确性；

(2)本发明利用弹性蠕变量ΔC只与传感器的材质、结构(例如厚度、尺寸等)有关，而与单元位置无关的特性，首先检测传感器检测区域中的某一单元位置在标定基准压力条件下输出的特性参数值随时间的变化曲线，根据该变化曲线得到在标定基准压力值条件下柔性阵列压力传感器检测区域中的各单元在任意时间t时的输出蠕变量；然后检测传感器中的各单元位置在各标定基准压力条件下即时输出的特性参数值，即，进行即时标定，该标定与时间无关；最后，将即时标定与该标定基准压力条件下的输出蠕变量相加，即得到各单元位置在各标定基准压力条件下的延时标定，该标定随时间t变化，考虑了柔性传感器单元间制造差异及粘弹性体蠕变的因素，因此对于柔性阵列压力传感器而言标定准确性大大提高。

(3)利用本发明的方法对柔性阵列压力传感器的输出标定后，在实际负载压力检测中也引入时间参数，针对某一单元，检测负载加载一定时间输出的特征参数值，以加载时间与输出的特征参数值作为对比参数，与该单元的延时标定比对，得到一组接近的标定值，然后利用线性插值方法得到实际负载的压力值。

(4)本发明的标定方法包括蠕变量的提取、即时标定与延时标定，动态检测方法包括延时输出的特征参数值测量及压力换算，简单易操作，在柔性阵列压力传感器的生产与使用中具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中柔性阵列压力传感器中传感单元与检测区域单元示意图。

图2是本发明实施例1中利用气囊装置对柔性阵列压力传感器施压示意图。

图3是本发明实施例1中延时标定方法与动态测量方法的流程图。

图4是本发明实施例1中在标定基准气压加载12小时范围内23号检测单元的输出值随时间t的变化曲线。

图5是本发明对比实施例1中在标定基准气压加载条件下23号检测单元的即时标定值。

图6是实施例1与对比实施例1中测得的力值与时间曲线。

附图1-2中的附图标记为：1-柔性阵列压力传感器；2-平板；3-气囊装置；4-传感单元；5-检测单元；6-第2行第3列的检测单元。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1：

本实施例中，柔性阵列压力传感器为电容式压力传感器，包括柔性第一导电层、柔性第二导电层，以及夹在柔性第一导电层与柔性第二导电层之间的介电层，介电层是有机高分子弹性体聚氨基甲酸酯(PU)。柔性第一导电层由4条互相平行的导电条带组成，柔性第二导电层由6条互相平行的导电条带组成，通过介电层形成如图1所示的4行×6列的阵列传感器，其中共24个传感单元4。

如图1所示，该柔性阵列压力传感器的检测区域用虚线标出，可分为4行×6列的阵列，其中共24个检测单元5，每个检测单元5面积均为S₀。每个检测单元5与传感单元4一一对应，并且检测单元5的面积覆盖传感单元4的面积。为了便于识别，将位于第i行第j列的检测单元记作ij号检测单元，i＝1、2、3或4，j＝1、2、3、4、5或6。

本实施例中，压力施加装置采用如图2中的气囊装置2，如图2所示，将柔性阵列压力传感器1平铺在平板2上，利用尺寸大小与柔性阵列压力传感器1相适应的气囊装置3均匀的向柔性阵列压力传感器1整体施加气压P。

该柔性阵列压力传感器的量程范围为0-10kpa，如图3所示，该柔性阵列压力传感器的标定方法如下：

(1)标定基准气压的确定

根据该传感器的量程，选定10个气压值作为标定基准气压值，记作P₁、P₂……P₁₀，P₁＝0kpa，P₂＝(10kpa-0kpa)/9，P₃＝(10kpa-0kpa)×2/9，P₃＝(10kpa-0kpa)×3/6，……P₁₀＝10kpa。

(2)蠕变量的提取

利用气囊装置3向柔性阵列压力传感器1整体施加气压P，并且该气压P的加载时间T＝12小时。此时，柔性阵列压力传感器1中的23号检测单元受到气压P的作用，并且该气压P的加载时间T＝12小时。

控制气压P的气压值分别为步骤(1)中的P₁、P₂……P₁₀，检测在0-12小时时间范围内23号检测单元的输出值C₂₃与时间t的变化，记作C₂₃(P_x，t)，0≤t≤T，x＝1、2、3……或10，得到如图4所示的变化曲线。

根据图4所示的变化曲线，得到在压力值分别为P₁、P₂……P₁₀的压力作用下该柔性阵列压力传感器的各检测单元在任意时刻t时的蠕变量ΔC(P_x，t)等于23号检测单元在时刻t输出的电容值减去23号检测单元初始输出的电容值(即t＝0时输出的电容值)，即，ΔC(P_x，t)＝C₂₃(P_x，t)-C₂₃(P_x，t＝0)，x＝1、2……或10。

本实施例中，如图4所示，23号检测单元在各压力值作用下初始输出的电容值为零，在T时间范围内选择Q个时刻(记作T₁、T₂……T_Q)进行输出，柔性阵列压力传感器的各检测单元在压力值P₁、P₂……P₁₀的蠕变量如下表所示。

(3)即时标定

如图2所示，利用气囊装置3向柔性阵列压力传感器1的整体施加气压P，控制气压P的气压值分别为步骤(1)中的P₁、P₂……P₁₀，检测各检测单元在气压值为P_x的压力作用下即时输出的电容值为C_ij(P_x)，x＝1、2……或10。则该柔性阵列压力传感器的各检测单元在标定基准气压作用下的即时标定如下表所示。

气压	11号检测单元	12号检测单元	……	46号检测单元
					P1	C11-P1	C12-P1		C46-P1
P2	C11-P2	C12-P2		C46-P2
					……
P10	C11-P10	C12-P10		C46-P10

例如，23号检测单元在标定基准气压作用下的即时标定如图5所示。

(4)延时标定

根据步骤(2)与步骤(3)，得到该柔性阵列压力传感器的各检测单元在标定基准压力值条件下的延时标定为C_ij(P_x)+ΔC(P_x，t)，0≤t≤T，x分别为1、2、3……S，i＝1、2、3或4，j＝1、2、3、4、5或6。例如，第1行第2列的检测单元，即12号检测单元在气压值P₁的气压加载T1时间的延时标定为C_12-P1+ΔC_P1-T1。

将延时标定后的柔性阵列压力传感器用于实际负载作用下的压力检测，包括延时输出的特征参数值测量与压力换算，具体包括如下步骤：

(5)延时输出的特征参数值测量

实际负载加载于柔性阵列压力传感器，利用电路测试模块测试并记录该负载加载T_y时间条件下各检测单元输出的电容值C_ij-Ty，i＝1、2、3或4，j＝1、2、3、4、5或6；

(6)针对某一检测单元，以输出的电容值与加载时间作为对比参数，将步骤(5)得到的该检测单元的电容值C_ij-Ty与步骤(4)得到的该检测单元的延时标定进行比对，得到与C_ij-Ty接近的一组标定值；

(7)利用线性插值方法，对电容值C_ij-Ty与步骤(6)得到的接近的一组标定值进行插值计算，得到在Ty时间内的负载压力值F(t)，0≤t≤Ty。

例如，对于12号检测单元，检测得到负载加载T_y时间条件下输出的电容值为C_12-Ty；以输出的电容值与加载时间作为对比参数，将电容值C_12-Ty与步骤(4)得到的该检测单元的延时标定C₁₂(P_x)+ΔC(P_x，t)，0≤t≤T进行比对，例如首先比对加载时间，得到与Ty最接近的时间为Tm，则从该单元的延时标定C₁₂(P_x)+ΔC(P_x，t)中选择标定C₁₂(P_x)+ΔC(P_x，tm)，然后比对电容值，将C_12-Ty与该标定C₁₂(P_x)+ΔC(P_x，tm)进行比对，得到接近的一组标定值为C_12-Pz+ΔC_Pz-Tm﹑C_12-Pz+1+ΔC_Pz+1-Tm，z＝1、2、3……或10；利用线性插值方法，对C_12-Ty与得到的一组标定值C_12-Pz+ΔC_Pz-Tm﹑C_12-Pz+1+ΔC_Pz+1-Tm进行插值计算，得到Ty下的负载压力值F(t)如下：

其中Cx是介于C_12-Pz+ΔC_Pz-Tm﹑C_12-Pz+1+ΔC_Pz+1-Tm之间的电容值。

对比实施例1：

本实施例中，柔性阵列压力传感器与实施例1中的传感器结构完全相同。

该柔性阵列压力传感器的标定方法如下：

(1)标定基准气压的确定

与实施例1中的步骤(1)相同

(2)即时标定

与实施例1中的步骤(3)相同。

即，与实施例1不同，本实施例而不进行实施例1中步骤(2)的蠕变量的提取以及步骤(4)的延时标定，而仅进行即时标定，得到该柔性阵列压力传感器的各检测单元在标定基准压力值条件下的标定为C_ij(P_x)，x分别为1、2、3……S，i＝1、2、3或4，j＝1、2、3、4、5或6。例如，12号检测单元在气压值P₁的标定为C_12-P1。

将标定后的柔性阵列压力传感器用于实际负载作用下的压力检测，包括延时输出的特征参数值测量与压力换算，具体包括如下步骤：

(3)延时输出的特征参数值测量

实际负载加载于柔性阵列压力传感器，利用电路测试模块测试并记录该负载加载T_y时间条件下各检测单元输出的电容值C_ij-Ty，i＝1、2、3或4，j＝1、2、3、4、5或6；

(4)针对某一检测单元，以输出的电容值作为对比参数，将步骤(3)得到的该检测单元的电容值C_ij-Ty与步骤(2)得到的该检测单元的延时标定进行比对，得到与C_ij-Ty接近的一组标定值；

(5)利用线性插值方法，对电容值C_ij-Ty与步骤(6)得到的接近的一组标定值进行插值计算，得到在Ty时间内的负载压力值F(t)，0≤t≤Ty。

例如，对于12号检测单元，检测得到负载加载T_y时间条件下输出的电容值为C_12-Ty；以输出的电容值作为对比参数，将电容值C_12-Ty与步骤(2)得到的该检测单元的即时标定C₁₂(P_x)进行比对，得到接近的一组标定值为C_12-Pz﹑C_12-Pz+1，z＝1、2、3……或10；利用线性插值方法，对C_12-Ty与得到的一组标定值C_12-Pz﹑C_12-Pz+1进行插值计算，得到Ty下的负载压力值F(t)如下：

其中Cx是介于C_12-Pz﹑C_12-Pz+1之间的电容值。

实施例2：

按实施例1和对比实施例1所示的标定方法，分别在柔性阵列压力传感器上施加10N的负载并且加载时间为1.5小时、20N的负载并且加载时间为1.5小时、30N的负载并且加载时间为1.5小时、40N的负载并且加载时间为1.5小时，利用实施例1与对比实施例1中的检测方法测得的力值与时间曲线如图6所示。可以看出，与对比实施例1相比，使用实施例1中的延时标定后，力值的稳定性有了较大幅度的提升。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性阵列压力传感器的延时标定方法，其特征是：包括蠕变量的提取、即时标定与延时标定，具体包括如下步骤：

(1)在待测柔性阵列压力传感器传感器的压力量程内选定K个压力值作为标定基准压力值，记作P₁、P₂……P_K，K是大于或者等于1的整数；

(2)所述柔性阵列压力传感器的可检测区域分为N个单元，每个单元的面积相等，N是大于或者等于1的整数；

利用压力施加装置对柔性阵列压力传感器的第n个单元施加不同的压力，n≤N，压力值分别为步骤(1)中的标定基准压力值，并且各压力加载时间为T；

利用测试模块检测在压力值为P_x的压力加载下，并且加载时间为T，第n个单元输出的特征参数值Cn与时间t的变化曲线，记作Cn(P_x，t)，0≤t≤T，x分别为1、2、3……K；

根据所述Cn(P_x，t)，得到在压力值为P_x的压力加载下柔性阵列压力传感器的各单元在任意时间t时的蠕变量为ΔC(P_x，t)＝Cn(P_x，t)-Cn(P_x，t＝0)，得到在各标定基准压力值条件下柔性阵列压力传感器的各单元在任意时间t时的蠕变量；

(3)利用所述压力施加装置对柔性阵列压力传感器的各单元施加不同的即时压力，压力值分别为步骤(1)中的标定基准压力值；

利用所述测试装置检测各单元在压力值为P_x的压力作用下即时输出的特征参数值，得到在各标定基准压力值条件下柔性阵列压力传感器的各单元的即时标定，其中第m个单元的输出值为Cm(P_x)，m≤N；

则第m个单元的标定值为Cm(P_x)+ΔC(P_x，t)，0≤t≤T，x分别为1、2、3……S，即，得到在各标定基准压力值条件下柔性阵列压力传感器的各单元在任意时间t时的延时标定。

2.如权利要求1所述的延时标定方法，其特征是：所述柔性阵列压力传感器包括电容式压力传感器﹑电阻式压力传感器﹑压电式压力传感器或者离电式压力传感器。

3.如权利要求1所述的延时标定方法，其特征是：所述压力施加装置是包括工作平台和压力头测试部件的定位传动部件；或者是包括气泵、充气阀、密封腔体的装置，将柔性阵列压力传感器置于密封腔体中，利用气泵向密封腔体充气，通过充气阀调节腔体内的气体压力；或者是气囊装置。

4.如权利要求1所述的延时标定方法，其特征是：所述步骤(1)中，标定基准压力值的选择与传感器输出的特征参数值随压力值的变化有关，如果单位压力值内输出的特征参数值随压力值的变化量大，则标定基准压力值的间距小，否则适当扩大。

5.如权利要求1所述的延时标定方法，其特征是：所述步骤(2)中，对柔性阵列压力传感器中的第n个单元施加压力，测试第n个单元的输出值时，采用对整个柔性阵列压力传感器整体施加压力，或者采用仅对第n个单元施加压力。

6.如权利要求1所述的延时标定方法，其特征是：所述柔性阵列压力传感器包括N个传感单元，所述步骤(2)中，可检测区域的各单元与N个传感单元一一对应。

7.如权利要求1所述的延时标定方法，其特征是：所述步骤(2)中，任选单元为多个，通过多次测量取平均值的方法来减少任选单元的选取带来的随机误差。

8.如权利要求1所述的延时标定方法，其特征是：所述步骤(3)中，对柔性阵列压力传感器的各单元施加压力，检测各单元的即时输出的特征参数时，采用对整个柔性阵列压力传感器整体施加压力，或者采用逐个单元进行施压。

9.利用权利要求1至8中任一权利要求所述的方法标定后的柔性阵列压力传感器的动态检测方法，其特征是：包括延时输出的特征参数值测量与压力换算，具体包括如下步骤：

(a)测试在负载作用下并且负载加载时间为T_y时各单元的输出值C_y；

(b)针对特定单元，以输出的特征参数值与负载加载时间作为对比参数，将步骤(a)测得的特征参数值C_y与各标定基准压力值条件下该单元的延时标定进行比对，得到与特征参数值C_y接近的一组标定值；

(c)利用线性插值方法，对特征参数值C_y与步骤(b)得到的接近的一组标定值进行插值计算，得到在加载时间T_y范围内负载的压力值F(t)。

10.如权利要求9所述的动态检测方法，其特征是：所述步骤(c)中，线性插值方法以加载时间T_y和输出的特征参数值C_y作为双变量进行双线性插值，或者选取与加载时间T_y最接近的标定值进行线性插值。

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