CN208887655U - 基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器 - Google Patents
基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器，转子基体下表面设有感应电极Ⅰ、感应电极Ⅱ和反射电极，感应电极Ⅰ、Ⅱ分别与反射电极相连；定子基体上表面设有激励电极Ⅰ、激励电极Ⅱ和接收电极，先对激励电极Ⅱ的四个激励相分别施加四路激励信号，此时激励电极Ⅰ不工作，在接收电极上输出第一路差动正弦行波信号并存储结果，然后将四路激励信号切换到激励电极Ⅰ的四个激励相，此时激励电极Ⅱ不工作，在接收电极上输出第二路差动正弦行波信号，利用第一路、第二路差动正弦行波信号计算绝对角位移值。该传感器采用相对简单的分时处理方式，彻底消除了交叉干扰，更容易实现绝对角位移测量，转子无需引线，可靠性更好。
Description
技术领域
本实用新型涉及精密角位移传感器，具体涉及一种基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器。
背景技术
角位移传感器分为增量式和绝对式两种。与增量式相比，绝对式角位移传感器具有开机无需复位，立刻获得绝对角度信息和无累计误差等优势，提高了工作效率和可靠性，因而逐渐成为角位移传感器的发展趋势。目前使用广泛的是绝对式光电编码器，它主要通过编码实现绝对定位，但是编码解码过程复杂。另外，需要利用精密刻线作为空间基准来实现精密测量，但是刻线的宽度受到光学衍射极限的限制。近年来由国内自主研发的时栅位移传感器，采用时间测量空间的方式，不需要进行精密的刻线，能实现精密测量，但仍然存在如下问题：(1)采用增量计数方式，存在累计误差；(2)激励信号从传感器的定子基体上的激励电极接入，感应信号从转子基体上的转子电极输出，转子基体上需要引信号输出线，有些场合不能使用，应用范围窄，并且信号输出线的安装较为麻烦，在工业应用中长时间的高速运转情况下，信号输出线的磨损严重，从而导致传感器可靠性降低。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器，以在实现绝对角位移测量的同时扩大应用范围，提高传感器可靠性，增强工业适应性。
本实用新型所述的基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器，包括定子基体和与定子基体同轴安装的转子基体，转子基体下表面与定子基体上表面正对平行，并留有间隙，转子基体下表面设有感应电极Ⅰ，定子基体上表面设有与感应电极Ⅰ正对的激励电极Ⅰ，所述激励电极Ⅰ由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片Ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n1+1号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成A1激励相，第4n1+2号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成B1激励相，第4n1+3号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成C1激励相，第4n1+4号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成D1激励相，n1依次取0至M1-1的所有整数，M1表示激励电极Ⅰ的对极数。
所述定子基体上表面设有激励电极Ⅱ和差动结构的接收电极，激励电极Ⅱ位于激励电极Ⅰ的内侧，接收电极位于激励电极Ⅱ的内侧；所述转子基体下表面设有与激励电极Ⅱ正对的感应电极Ⅱ和与接收电极正对的反射电极。
所述激励电极Ⅱ由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n2+1号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成A2激励相，第4n2+2号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成B2激励相，第4n2+3号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成C2激励相，第4n2+4号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成D2激励相，n2依次取0至M2-1的所有整数，M2表示激励电极Ⅱ的对极数。
所述感应电极Ⅰ由一圈径向高度相同、圆心角相等的双正弦形极片Ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，该双正弦形极片Ⅰ所对的圆心角等于所述扇环形极片Ⅰ所对的圆心角，其中，第4n4+1号双正弦形极片Ⅰ连成一组，组成A1感应组，第4n4+2号双正弦形极片Ⅰ连成一组，组成B1感应组，第4n4+3号双正弦形极片Ⅰ连成一组，组成C1感应组，第4n4+4号双正弦形极片Ⅰ连成一组，组成D1感应组，n4依次取0至M1-1的所有整数(即感应电极Ⅰ的对极数与激励电极Ⅰ的对极数相同)。
所述感应电极Ⅱ由一圈径向高度相同、圆心角相等的双正弦形极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，该双正弦形极片Ⅱ所对的圆心角等于所述扇环形极片Ⅱ所对的圆心角，其中，第4n5+1号双正弦形极片Ⅱ连成一组，组成A2感应组，第4n5+2号双正弦形极片Ⅱ连成一组，组成B2感应组，第4n5+3号双正弦形极片Ⅱ连成一组，组成C2感应组，第4n5+4号双正弦形极片Ⅱ连成一组，组成D2感应组，n5依次取0至M2-1的所有整数(即感应电极Ⅱ的对极数与激励电极Ⅱ的对极数相同)。
所述反射电极由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片Ⅲ沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n6+1号扇环形极片Ⅲ连成一组，组成A反射组，A反射组与A1、A2感应组相连，第4n6+2号扇环形极片Ⅲ连成一组，组成B反射组，B反射组与B1、B2感应组相连，第4n6+3号扇环形极片Ⅲ连成一组，组成C反射组，C反射组与C1、C2感应组相连，第4n6+4号扇环形极片Ⅲ连成一组，组成D反射组，D反射组与D1、D2感应组相连，n6依次取0至M6-1的所有整数，M6表示反射电极的对极数。
测量时，转子基体与定子基体相对平行转动，先对激励电极Ⅱ的A2、B2、C2、D2激励相分别施加相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电信号，此时激励电极Ⅰ不工作，激励信号经激励电极Ⅱ与感应电极Ⅱ之间的耦合电场，在感应电极Ⅱ的A2、B2、C2、D2感应组上产生四路同频等幅相位相差90°的电信号，这四路电信号经A、B、C、D反射电极与接收电极之间的二次耦合电场，在接收电极上输出相位相差180°的同频等幅的第一、第二行波信号，第一、第二行波信号经减法电路后获得第一路差动正弦行波信号Uo1，第一路差动正弦行波信号Uo1经处理后获得相位值，并存储此测量结果；然后迅速将所述的四路同频等幅正弦激励电信号切换到激励电极Ⅰ的A1、B1、C1、D1激励相上，此时激励电极Ⅱ不工作，该四路同频等幅正弦激励电信号经激励电极Ⅰ与感应电极Ⅰ之间的耦合电场，在感应电极Ⅰ的A1、B1、C1、D1感应组上产生四路同频等幅相位相差90°的电信号，这四路电信号经A、B、C、D反射电极与接收电极之间的二次耦合电场，在接收电极上输出相位相差180°的同频等幅的第三、第四行波信号，第三、第四行波信号经减法电路后获得第二路差动正弦行波信号Uo2；第二路差动正弦行波信号Uo2经处理后得到精测角位移值，对第一路差动正弦行波信号Uo1与第二路差动正弦行波信号Uo2的相位关系进行处理，得到粗测对极位置值，将精测角位移值与粗测对极位置值相结合得到绝对角位移值。
上述测量过程中，激励电极Ⅱ工作时激励电极Ⅰ不工作，激励电极Ⅰ工作时激励电极Ⅱ不工作，采用分时工作的方式进行绝对测量，消除了实时工作时两者之间的相互干扰，测量精度更高，实现绝对定位更容易。
所述感应电极Ⅰ中的双正弦形极片Ⅰ沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形Ⅰ。所述感应电极Ⅱ中的双正弦形极片Ⅱ沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形Ⅱ。
所述激励电极Ⅰ中的相邻两个扇环形极片Ⅰ之间间隔的圆心角等于一个扇环形极片Ⅰ所对的圆心角；所述激励电极Ⅱ中的相邻两个扇环形极片Ⅱ之间间隔的圆心角等于一个扇环形极片Ⅱ所对的圆心角。
所述接收电极由一圈相同的扇叶形极片沿圆周方向间隔相等的弧长排布组成，该扇叶形极片的形状为[-π,0]区间的两条相同的余弦极坐标曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的全封闭图形，所述的两条相同的余弦极坐标曲线段的起始点所夹的圆心角为α，α略小于其中，第2n3+1号扇叶形极片连成一组，作为所述第一、第三行波信号的输出电极，第2n3+2号扇叶形极片连成一组，作为所述第二、第四行波信号的输出电极，n3依次取0至M3-1的所有整数，M3表示接收电极的对极数，M3＝M6。
本实用新型具有如下效果：
(1)将感应电极Ⅰ、Ⅱ分别感应到的四路行波信号作为二次耦合调制的激励信号，二次耦合调制的激励信号经反射电极与接收电极进行二次调制，在接收电极上分时输出第一、第二行波信号和第三、第四行波信号，转子基体无需引信号输出线，提高了传感器的可靠性，同时其应用范围更广。
(2)对第二路差动正弦行波信号Uo2进行处理得到精测角位移值，对第一路差动正弦行波信号Uo1与第二路差动正弦行波信号Uo2的相位关系进行处理，得到粗测对极位置值，粗测对极位置值与精测角位移值均采用第一路、第二路差动正弦行波信号，信号差异性小，既实现了绝对测量，又保证了测量精度。
(3)接收电极采用差动结构，抑制了共模干扰，能提高信噪比，从而提高了信号质量，环境适应能力更强，工业适应性更强。
附图说明
图1为实施例中定子基体上的电极与转子基体上的电极示意图。
图2为实施例中定子基体与转子基体的对应关系示意图。
图3为实施例中定子基体的引线示意图。
图4为实施例中转子基体的引线示意图。
图5为实施例的信号处理原理框图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作详细说明。
如图1至图4所示的基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器，包括定子基体1和与定子基体1同轴安装的转子基体2，转子基体2下表面与定子基体1上表面正对平行，并留有0.5mm间隙，定子基体1、转子基体2均采用陶瓷作为基体材料，通过在陶瓷表面喷镀一层铁镍合金作为电极的极片。
如图1至图3所示，定子基体上表面由外圈到内圈依次设有激励电极Ⅰ11、激励电极Ⅱ12和差动结构的接收电极13。
激励电极Ⅰ11由一圈内圆半径为27mm、径向高度为9mm、圆心角为2.8125°的扇环形极片Ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个扇环形极片Ⅰ之间间隔的圆心角)为2.8125°，激励电极Ⅰ11的对极数M1＝16，每相邻的四个扇环形极片Ⅰ形成一个对极，则总共有64个扇环形极片Ⅰ；其中，沿圆周顺时针方向第4n1+1号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成A1激励相，第4n1+2号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成B1激励相，第4n1+3号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成C1激励相，第4n1+4号扇环形极片Ⅰ连成一组，组成D1激励相，n1依次取0至15的所有整数。
激励电极Ⅱ12由一圈内圆半径为17mm、径向高度为9mm、圆心角为3°的扇环形极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个扇环形极片Ⅱ之间间隔的圆心角)为3°，激励电极Ⅱ12的对极数M2＝15，每相邻的四个扇环形极片Ⅱ形成一个对极，则总共有60个扇环形极片Ⅱ；其中，沿圆周顺时针方向第4n2+1号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成A2激励相，第4n2+2号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成B2激励相，第4n2+3号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成C2激励相，第4n2+4号扇环形极片Ⅱ连成一组，组成D2激励相，n2依次取0至14的所有整数。
接收电极13由一圈相同的扇叶形极片沿圆周方向间隔0.2mm的弧长排布组成，接收电极13的对极数M3＝1，则总共有2个扇叶形极片，一个扇叶形极片加一个弧长间隔所对的圆心角为180°，扇叶形极片的形状为[-π,0]区间的两条相同的余弦极坐标曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的全封闭图形，即[-π,0]区间的两条相同的余弦极坐标曲线段中的一条在其起始点与内圆弧相交、在其终止点与外圆弧相交，另一条也在其起始点与内圆弧相交、在其终止点与外圆弧相交，从而围成全封闭图形，全封闭图形(相当于扇叶形极片)的内圆半径为12mm，径向高度为4mm，则其外圆半径为16mm。两条相同的余弦极坐标曲线段的起始点所夹的圆心角为α，α略小于180°；沿圆周顺时针方向第1号扇叶形极片作为第一、第三行波信号的输出电极，第2号扇叶形极片作为第二、第四行波信号的输出电极。
如图1、图2、图4所示，转子基体2下表面由外圈到内圈依次设有感应电极Ⅰ21、感应电极Ⅱ22和反射电极23，感应电极Ⅰ21与激励电极Ⅰ11正对，感应电极Ⅱ22与激励电极Ⅱ12正对，反射电极23与接收电极13正对。
感应电极Ⅰ21由一圈径向高度相同、圆心角相等的双正弦形极片Ⅰ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个双正弦形极片Ⅰ之间间隔的圆心角)为2.8125°，感应电极Ⅰ21的对极数为16，每相邻的四个双正弦形极片Ⅰ形成一个对极，则总共有64个双正弦形极片Ⅰ，双正弦形极片Ⅰ沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形Ⅰ，64个双正弦形极片Ⅰ的波谷到圆心的距离为27.5mm，每个双正弦形极片Ⅰ的径向高度为8mm，对应的圆心角为2.8125°；其中，沿圆周顺时针方向第4n4+1号双正弦形极片Ⅰ连成一组，组成A1感应组，第4n4+2号双正弦形极片Ⅰ连成一组，组成B1感应组，第4n4+3号双正弦形极片Ⅰ连成一组，组成C1感应组，第4n4+4号双正弦形极片Ⅰ连成一组，组成D1感应组，n4依次取0至15的所有整数。
感应电极Ⅱ22由一圈径向高度相同、圆心角相等的双正弦形极片Ⅱ沿圆周方向等间隔排布组成，该间隔所对的圆心角(即相邻两个双正弦形极片Ⅱ之间间隔的圆心角)为3°，感应电极Ⅱ22的对极数为15，每相邻的四个双正弦形极片Ⅱ形成一个对极，则总共有60个双正弦形极片Ⅱ，双正弦形极片Ⅱ沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0,π]区间围成的全封闭轴对称图形Ⅱ，60个双正弦形极片Ⅱ的波谷到圆心的距离为17.5mm，每个双正弦形极片Ⅱ的径向高度为8mm，对应的圆心角为3°；其中，沿圆周顺时针方向第4n5+1号双正弦形极片Ⅱ连成一组，组成A2感应组，第4n5+2号双正弦形极片Ⅱ连成一组，组成B2感应组，第4n5+3号双正弦形极片Ⅱ连成一组，组成C2感应组，第4n5+4号双正弦形极片Ⅱ连成一组，组成D2感应组，n5依次取0至14的所有整数。
反射电极23由一圈内圆半径为11.5mm、径向高度为5mm的扇环形极片Ⅲ沿圆周方向等间隔排布组成，反射电极23的对极数M6＝1，则总共有4个扇环形极片Ⅲ，每个扇环形极片Ⅲ所对的圆心角为89.003°，相邻两个扇环形极片Ⅲ间隔的圆心角为0.997°，该间隔对应的内圆弧长为0.2mm；其中，沿圆周逆时针方向第1号扇环形极片Ⅲ作为A反射组，A反射组与A1感应组相连，同时也与A2感应组相连，第2号扇环形极片Ⅲ作为B反射组，B反射组与B1感应组相连，同时也与B2感应组相连，第3号扇环形极片Ⅲ作为C反射组，C反射组与C1感应组相连，同时也与C2感应组相连，第4号扇环形极片Ⅲ作为D反射组，D反射组与D1感应组相连，同时也与D2感应组相连。
测量时，转子基体2与定子基体1相对平行转动，先对激励电极Ⅱ12的A2、B2、C2、D2激励相分别施加相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电信号，此时激励电极Ⅰ11不工作，激励信号经激励电极Ⅱ12与感应电极Ⅱ22之间的耦合电场，在感应电极Ⅱ22的A2、B2、C2、D2感应组上产生四路同频等幅相位相差90°的电信号，这四路电信号经A、B、C、D反射组与接收电极13之间的二次耦合电场，在第1号扇叶形极片上输出第一行波信号，在第2号扇叶形极片上输出第二行波信号。
第一、第二行波信号经减法电路合成第一路差动正弦行波信号Uo1：
Uo1＝KeUmsin[ωt+15θ]；
第一路差动正弦行波信号Uo1经整形电路整形成方波后送入FPGA信号处理系统中，经处理后得到相位值，该相位值存储在FPGA信号处理系统的RAM中。
然后在1ms内将前述相位依次相差90°的四路同频等幅正弦激励电信号切换到激励电极Ⅰ11的A1、B1、C1、D1激励相上，此时激励电极Ⅱ12不工作，激励信号经激励电极Ⅰ11与感应电极Ⅰ21之间的耦合电场，在感应电极Ⅰ21的A1、B1、C1、D1感应组上产生四路同频等幅相位相差90°的电信号，这四路电信号经A、B、C、D反射电极与接收电极之间的二次耦合电场，在第1号扇叶形极片上输出第三行波信号，在第2号扇叶形极片上输出第四行波信号。
第三、第四行波信号经减法电路合成第二路差动正弦行波信号Uo2：
Uo2＝KeUmsin[ωt+16θ]；
其中，激励信号的幅值Um＝5V，频率f＝40KHz，角频率ω＝2πf＝8×104π，Ke为电场耦合系数，θ为精测角位移值。
第二路差动正弦行波信号Uo2与一路相位固定的同频参考正弦信号Ur经整形电路整形成方波后送入FPGA信号处理系统中进行比相，比相后的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，并经变换后得到精测角位移值；Uo1的相位值与一路整形成方波的相位固定的同频参考信号Ur进行比相，比相后的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，并经变换后得到粗测对极位置值，FPGA信号处理系统将精测角位移值与粗测对极位置值相结合得到绝对角位移值(参见图5)。
Claims (4)
1.一种基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器，包括定子基体(1)和与定子基体(1)同轴安装的转子基体(2)，转子基体下表面与定子基体上表面正对平行，并留有间隙，转子基体下表面设有感应电极I(21)，定子基体上表面设有与感应电极I(21)正对的激励电极I(11)，所述激励电极I(11)由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片I沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n1+1号扇环形极片I连成一组，组成A1激励相，第4n1+2号扇环形极片I连成一组，组成B1激励相，第4n1+3号扇环形极片I连成一组，组成C1激励相，第4n1+4号扇环形极片I连成一组，组成D1激励相，n1依次取0至M1-1的所有整数，M1表示激励电极I的对极数；其特征是：
所述定子基体上表面设有激励电极II(12)和差动结构的接收电极(13)，激励电极II(12)位于激励电极I(11)的内侧，接收电极(13)位于激励电极II的内侧；所述转子基体下表面设有与激励电极II正对的感应电极II(22)和与接收电极正对的反射电极(23)；
所述激励电极II(12)由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片II沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n2+1号扇环形极片II连成一组，组成A2激励相，第4n2+2号扇环形极片II连成一组，组成B2激励相，第4n2+3号扇环形极片II连成一组，组成C2激励相，第4n2+4号扇环形极片II连成一组，组成D2激励相，n2依次取0至M2-1的所有整数，M2表示激励电极II的对极数；
所述感应电极I(21)由一圈径向高度相同、圆心角相等的双正弦形极片I沿圆周方向等间隔排布组成，该双正弦形极片I所对的圆心角等于所述扇环形极片I所对的圆心角，其中，第4n4+1号双正弦形极片I连成一组，组成A1感应组，第4n4+2号双正弦形极片I连成一组，组成B1感应组，第4n4+3号双正弦形极片I连成一组，组成C1感应组，第4n4+4号双正弦形极片I连成一组，组成D1感应组，n4依次取0至M1-1的所有整数；
所述感应电极II(22)由一圈径向高度相同、圆心角相等的双正弦形极片II沿圆周方向等间隔排布组成，该双正弦形极片II所对的圆心角等于所述扇环形极片II所对的圆心角，其中，第4n5+1号双正弦形极片II连成一组，组成A2感应组，第4n5+2号双正弦形极片II连成一组，组成B2感应组，第4n5+3号双正弦形极片II连成一组，组成C2感应组，第4n5+4号双正弦形极片II连成一组，组成D2感应组，n5依次取0至M2-1的所有整数；
所述反射电极(23)由一圈径向高度相同、圆心角相等的扇环形极片III沿圆周方向等间隔排布组成，其中，第4n6+1号扇环形极片III连成一组，组成A反射组，第4n6+2号扇环形极片III连成一组，组成B反射组，第4n6+3号扇环形极片III连成一组，组成C反射组，第4n6+4号扇环形极片III连成一组，组成D反射组，n6依次取0至M6-1的所有整数，M6表示反射电极的对极数，A、B、C、D反射组分别与对应的A1、B1、C1、D1感应组相连，同时也分别与对应的A2、B2、C2、D2感应组相连。
2.根据权利要求1所述的基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器，其特征是：
所述感应电极I(21)中的双正弦形极片I沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0，π]区间围成的全封闭轴对称图形I；
所述感应电极II(22)中的双正弦形极片II沿圆周方向展开后的形状为两条幅值相等、相位相差180°的正弦曲线在[0，π]区间围成的全封闭轴对称图形II。
3.根据权利要求1所述的基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器，其特征是：
所述激励电极I(11)中的相邻两个扇环形极片I之间间隔的圆心角等于一个扇环形极片I所对的圆心角；所述激励电极II(12)中的相邻两个扇环形极片II之间间隔的圆心角等于一个扇环形极片II所对的圆心角。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于组合调制原理的绝对式时栅角位移传感器，其特征是：所述接收电极(13)由一圈相同的扇叶形极片沿圆周方向间隔相等的弧长排布组成，该扇叶形极片的形状为[-π，0]区间的两条相同的余弦极坐标曲线段在起止点与同心的内外圆弧相交而围成的全封闭图形，所述的两条相同的余弦极坐标曲线段的起始点所夹的圆心角为α；其中，第2n3+1号扇叶形极片连成一组，作为第一、第三行波信号的输出电极，第2n3+2号扇叶形极片连成一组，作为第二、第四行波信号的输出电极，n3依次取0至M3-1的所有整数，M3表示接收电极的对极数，M3＝M6。
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2018
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