CN217585649U - 一种绝对式平面二维时栅位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了绝对式平面二维时栅位移传感器，包括上下平行的定阵面和动阵面两部分，定阵面由定阵面基体和激励线圈组成，动阵面由动阵面基体和感应线圈组成，按x方向排布的n+1个对极的线圈阵列构成的第一组激励线圈、按y方向排布的n+1个对极的线圈阵列构成的第三组激励线圈、第一、第三组感应线圈构成的第一测量通道，按x方向排布的n个对极的线圈阵列构成的第二组激励线圈、按y方向排布的n个对极的线圈阵列构成的第四组激励线圈、第二、第四组感应线圈构成本实用新型的第二测量通道；在不同时刻分别对两个测量通道中的激励线圈通入完全相同的交流激励信号，对感应线圈输出的感应电信号进行处理后得到绝对式平面二维位移测量值。

Description

一种绝对式平面二维时栅位移传感器

技术领域

本实用新型属于平面二维位移精密测量领域，具体涉及一种绝对式平面二维位移传感器。

背景技术

现有平面二维位移传感器主要可分为光学式、电容式和电感式三种，其中光学式平面二维位移传感器相对成熟，但其过于依赖超精密划刻技术，且抗油污和冲击振动能力较弱；电容式平面二维位移传感器的介电常数易受温度等外界环境影响，抗干扰能力较弱。同时现有的平面二维位移测量的传感器主要是增量式，绝对式平面二维位移测量的研究较少。相比较于增量式测量方法，绝对式平面二维位移传感器上电即可获得当前的绝对平面位置，断电后绝对位置不丢失，同时还可以在测量中消除累计误差。

发明内容

本实用新型的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于绝对式测量的平面二维时栅位移传感器，通过得出x方向、y方向的绝对位置，以实现平面二维绝对式位移的测量。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案：

一种绝对式平面二维时栅位移传感器，包括上下平行相对布置的定阵面和动阵面，其特征在于：所述定阵面由定阵面基体和布置于定阵面表面的激励线圈组成；激励线圈具有间隔排列的四组，分别为第一组激励线圈、第二组激励线圈、第三组激励线圈和第四组激励线圈，分别设置在相互绝缘的四层中；第一组激励线圈由尺寸相同的n+1个第一正向正弦激励线圈单元、n+1个第一正向余弦激励线圈单元、n+1个第一反向正弦激励线圈单元、 n+1个第一反向余弦激励线圈单元沿x轴方向依次等间距交替排列组成，其中，第一正向正弦激励线圈与第一反向正弦激励线圈单元串联，第一正向余弦激励线圈与第一反向余弦串联，相邻激励线圈单元的中心距为

其中W₁表示第一组激励线圈的节距；第二组激励线圈由尺寸相同的n个第二正向正弦激励线圈单元、n个第二正向余弦激励线圈单元、n个第二反向正弦激励线圈单元、n个第二反向余弦激励线圈单元沿x轴方向依次等间距交替排列组成，第二正向正弦激励线圈单元与第二反向正弦激励线圈单元串联，第二正向余弦激励线圈单元与第二反向余弦激励线圈单元串联，相邻激励线圈单元的中心距为

其中W₂表示第二组激励线圈的节距；第三组激励线圈由尺寸相同的n+1个第三正向正弦激励线圈单元、n+1个第三正向余弦激励线圈单元、n+1个第三反向正弦激励线圈单元、n+1个第三反向余弦激励线圈单元沿y轴方向依次等间距交替排列组成，其中，第三正向正弦激励线圈与第三反向正弦激励线圈单元串联，第三正向余弦激励线圈与第三反向余弦串联，相邻激励线圈单元的中心距为

其中W₃表示第三组激励线圈的节距；第四组激励线圈由尺寸相同的n个第四正向正弦激励线圈单元、n个第四正向余弦激励线圈单元、n个第四反向正弦激励线圈单元、n个第四反向余弦激励线圈单元沿Y轴方向依次等间距交替排列组成，第四正向正弦激励线圈单元与第四反向正弦激励线圈单元串联，第四正向余弦激励线圈单元与第四反向余弦激励线圈单元串联，相邻激励线圈单元的中心距为

其中W₄表示第四组激励线圈的节距；

所述动阵面，由动阵面基体和布置于动阵面基体表面的感应线圈组成；感应线圈由第一组感应线圈、第二组感应线圈、第三组感应线圈和第四组感应线圈组成，分别设置在相互绝缘的四层中，第一组感应线圈由两个沿x方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距为

第二组感应线圈由两个沿x方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距为

第三组感应线圈由两个沿y方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距

第四组感应线圈由两个沿y方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距

在x方向上的长度为W2，在y方向上的长度为

所述第一组激励线圈、第三组激励线圈、第一组感应线圈、第三组感应线圈构成第一测量通道；所述第二组激励线圈、第四组激励线圈、第二组感应线圈、第四组感应线圈构成第二测量通道。

测量时，在某一时刻对由第一组激励线圈、第三组激励线圈、第一组感应线圈、第三组感应线圈构成的第一测量通道中的激励线圈通入相同的交流激励电信号，对应感应线圈将输出包含此刻位置信息的感应电动势，记录下此时刻第一测量通道得到的位置信息；断电后，对由第二组激励线圈、第四组激励线圈、第二组感应线圈、第四组感应线圈构成的第二测量通道中的激励线圈通入相同的交流激励电信号，感应线圈将输出包含此刻位置信息的感应电动势，将此时刻第二测量通道的位置信息与刚才第一测量通道的位置信息比较，得出x方向、y方向的绝对位置，即可实现绝对定位。

这样，本实用新型传感器在测量时，在某一时刻对第一测量通道中的激励线圈通入相同的交流激励电信号，对应感应线圈将输出包含此刻位置信息的感应电动势，记录下此时刻第一测量通道得到的位置信息；断电后，对第二测量通道中的激励线圈通入相同的交流激励电信号，感应线圈将输出包含此刻位置信息的感应电动势，将此时刻第二测量通道的位置信息与刚才第一测量通道的位置信息比较，得出x方向、y方向的绝对位置；本实用新型在保证高分辨力的情况下，实现了平面二维绝对式位移的测量。

进一步的，所述W₁，W₂，W₃和W₄满足如下条件：(n+1)×W₁＝n×W₂，(n+1)×W₃＝n×W₄，n为正整数。

进一步的，所述第一组感应线圈由两个沿x方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈在x方向上的长度为

在y方向上的长度为W₃；第二组感应线圈由两个沿x方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈在x方向上的长度为

在y方向上的长度W₄；第三组感应线圈由两个沿y方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈在x方向上的长度为W₁，在y方向上的长度为

第四组感应线圈由两个沿y方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈在x方向上的长度为W₂，在y方向上的长度为

进一步的，上下层四组感应线圈之间，上下层四组激励线圈之间，都具有设定的间隔，

进一步的，所述间隔为0.1mm。

进一步的，激励线圈阵列和感应线圈阵列之间有设定的间隙。

进一步的，所述间隙为0.1mm。

进一步的，x或y方向上的两层激励线圈对极数相差一个对极或为其他互质的对极数组合。

进一步的，所述感应线圈叠加顺序与激励线圈叠加顺序一一对应，且到对应激励线圈的距离完全相同。

进一步的：第一组激励线圈由向x方向排布的激励线圈组成，中心距为4.375mm，8个周期，节距为17.4mm；第二组激励线圈由向x方向排布的激励线圈组成，中心距为5mm， 7个周期，节距为20mm；第三组激励线圈由向y方向排布的激励线圈组成，中心距为 4.375mm，8个周期，节距为17.4mm；第四组激励线圈由向y方向排布的激励线圈组成，中心距为5mm，7个周期，节距为20mm，总量程为140mm×140mm。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、在保证高分辨力的情况下，实现了平面二维绝对式位移的测量。

2、该绝对式平面二维位移传感器采用非接触式测量方法，抗干扰能力较强，可以适应较为恶劣的工作环境且成本较低。

3、该传感器在结构简单的前提下，测量范围较广且应用更加广泛。

附图说明

图1为本实用新型传感器组成结构示意图；

图2为第一组激励线圈(件11)与第三组激励线圈(件13)结构示意图；

图3为第二组激励线圈(件12)与第四组激励线圈(件14)示意图；

图4为第一组感应线圈(件21)与第三组感应线圈(件23)示意图；

图5为第二组感应线圈(件22)与第四组感应线圈(件24)示意图.

图中，1—定阵面，2—动阵面，11—第一组激励线圈，12—第二组激励线圈，13 —第三组激励线圈，14—第四组激励线圈，21—第一组感应线圈，22—第二组感应线圈， 23—第三组感应线圈，24—第四组感应线圈。

具体实施方式

下面将结合实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型所述的绝对式平面二维位移传感器，包括定阵面1和动阵面2 两部分，两者平行放置且有较小间隙δ。

定阵面1由定阵面基体和布置于定阵面基体表面的激励线圈组成，定阵面基体采用导磁材料，激励线圈共4组，上下排列布置，分别设置在绝缘材质中形成相互绝缘的四层结构，分别为第一组激励线圈11、第二组激励线圈12、第三组激励线圈13和第四组激励线圈14，每组激励线圈由几何尺寸相同、材质相同的激励线圈阵组成。

第一组激励线圈11由尺寸相同的n+1个第一正向正弦激励线圈单元、n+1个第一正向余弦激励线圈单元、n+1个第一反向正弦激励线圈单元、n+1个第一反向余弦激励线圈单元沿x轴方向依次等间距交替排列组成，n+1个第一正向正弦激励线圈单元之间相互串联，n+1 个第一正向余弦激励线圈单元之间相互串联，n+1个第一反向正弦激励线圈单元之间相互串联，n+1个第一反向正弦激励线圈单元相互串联；同时，n+1个第一正向正弦激励线圈与n+1 个第一反向正弦激励线圈单元串联，n+1个第一正向余弦激励线圈与n+1个第一反向余弦串联，相邻激励线圈单元的中心距为

其中W1表示第一组激励线圈11的节距；第二组激励线圈12由尺寸相同的n个第二正向正弦激励线圈单元、n个第二正向余弦激励线圈单元、n个第二反向正弦激励线圈单元、n个第二反向余弦激励线圈单元沿x轴方向依次等间距交替排列组成，n个第二正向正弦激励线圈单元之间相互串联，n个第二正向余弦激励线圈单元之间相互串联，n个第二反向正弦激励线圈之间相互串联，n个第二反向余弦激励线圈单元之间相互串联；同时，n个第二正向正弦激励线圈单元与n个第二反向正弦激励线圈单元串联，n个第二正向余弦激励线圈单元与n个第二反向余弦激励线圈单元串联，相邻激励线圈单元的中心距为

其中W2表示第二组激励线圈的节距。第三组激励线圈由尺寸相同的n+1个第三正向正弦激励线圈单元、n+1个第三正向余弦激励线圈单元、n+1个第三反向正弦激励线圈单元、n+1个第三反向余弦激励线圈单元沿y轴方向依次等间距交替排列组成，n+1个第三正向正弦激励线圈单元之间相互串联，n+1个第三正向余弦激励线圈单元之间相互串联，n+1个第三反向正弦激励线圈单元之间相互串联，n+1个第三反向正弦激励线圈单元相互串联；同时，n+1个第三正向正弦激励线圈与n+1个第三反向正弦激励线圈单元串联，n+1个第三正向余弦激励线圈与n+1个第三反向余弦串联，相邻激励线圈单元的中心距为

其中W3表示第三组激励线圈的节距；第四组激励线圈由尺寸相同的n个第四正向正弦激励线圈单元、n个第四正向余弦激励线圈单元、n个第四反向正弦激励线圈单元、 n个第四反向余弦激励线圈单元沿Y轴方向依次等间距交替排列组成，n个第四正向正弦激励线圈单元之间相互串联，n个第四正向余弦激励线圈单元之间相互串联，n个第四反向正弦激励线圈之间相互串联，n个第四反向余弦激励线圈单元之间相互串联；同时，n个第四正向正弦激励线圈单元与n个第四反向正弦激励线圈单元串联，n个第四正向余弦激励线圈单元与n个第四反向余弦激励线圈单元串联，相邻激励线圈单元的中心距为

其中W4表示第四组激励线圈的节距。W1，W2，W3和W4如下条件：(n+1)×W1＝n×W2， (n+1)×W3＝n×W4,n为正整数。

动阵面2由动阵面基体和布置于动阵面基体表面的感应线圈组成；感应线圈共4组，上下排列布置，分别设置在绝缘材质中形成相互绝缘的四层结构，分别为第一组感应线圈 21、第二组感应线圈22、第三组感应线圈23和第四组感应线圈24组成；第一组感应线圈21由两个沿x方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距为

在x方向上的长度为

在y方向上的长度为W₃。第二组感应线圈22同样由两个沿x方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距为

在x方向上的长度为

在y方向上的长度W₄。第三组感应线圈23由两个沿y方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距

在 x方向上的长度为W₁，在y方向上的长度为

第四组感应线圈24同样由两个沿y方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距

在x方向上的长度为W₂，在y方向上的长度为

激励线圈与感应线圈各有四层，激励线圈的第一、二层用于产生x方向的磁场，感应线圈的第一、二层用于拾取其产生的x方向的磁场，产生感应电信号；激励线圈的第三、四层用于产生y方向的磁场，感应线圈用于拾取其产生的y方向磁场，产生感应电信号。四组感应线圈的空间位置与四组激励线圈空间位置一一对应。上下层四组感应线圈之间，以及上下层四组激励线圈之间，都具有设定的间隔，可以为0.1mm，且激励线圈阵列和感应线圈阵列之间有设定的间隙，可以为0.1mm。

第一组激励线圈11、第三组激励线圈13、第一组感应线圈21、第三组感应线圈23构成本实用新型的第一测量通道，第二组激励线圈12、第四组激励线圈14、第二组感应线圈22、第四组感应线圈24构成本实用新型的第二测量通道。

x或y方向上的两层激励线圈对极数相差一个对极或为其他互质的对极数组合。

所述感应线圈叠加顺序与激励线圈叠加顺序一一对应，且到对应激励线圈的距离完全相同。

本实用新型的一种具体实施例结构，第一组激励线圈11由向x方向排布的激励线圈组成，中心距为4.375mm，8个周期，节距为17.4mm。第二组激励线圈12同样由向x方向排布的激励线圈组成，中心距为5mm，7个周期，节距为20mm。第三组激励线圈13由向y 方向排布的激励线圈组成，中心距为4.375mm，8个周期，节距为17.4mm。第四组激励线圈14同样由向y方向排布的激励线圈组成，中心距为5mm，7个周期，节距为20mm，总量程为140mm×140mm。

本实用新型的传感器，由第一组激励线圈11、第三组激励线圈13、第一组感应线圈21、第三组感应线圈23构成本实用新型的第一测量通道，第二组激励线圈12、第四组激励线圈 14、第二组感应线圈22、第四组感应线圈24构成本实用新型的第二测量通道；用于具体测量时，先对第一测量通道中的第一组、第三组激励线圈通入相同的交流激励电信号，对应的第一组、第三组感应线圈将输出包含此刻位置信息的感应电动势，记录下此时刻第一测量通道得到的位置信息；断电后对第二测量通道中的第二组、第四组激励线圈通入相同的交流激励电信号，相应地第二组、第四组感应线圈将输出包含此刻位置信息的感应电动势，将此时刻第二测量通道的位置信息与刚才第一测量通道的位置信息比较，得出x方向、y方向的绝对位置，即可实现绝对定位，并以第二测量通道的测量值为最终测量值。

在某一时刻对第一测量通道中的激励线圈施加频率相同、幅值相同的交变励磁电流，定阵面基体上表面将产生量程L内变化n+1个周期的第一正交双行波磁场，对应感应线圈将输出包含此刻位置信息的感应电动势，记录下此时刻第一测量通道得到的位置信息；随后断电。对第二测量通道的激励线圈施加频率相同、幅值相同的交变励磁电流，定阵面基体上表面将产生量程L内变化n个周期的第二正交双行波磁场，记录下此时刻第二测量通道得到的位置信息，将两个测量通道的位置信息进行比较即可实现绝对定位，并以第二测量通道的测量值为最终测量值。

采用以上结构布置的传感器，先将第一测量通道中的第一组、第三组激励线圈通入激励信号，第一和第三两组激励线圈产生的磁场强度分别为：

随后断电，再将第二组和第四组激励线圈通入信号，两组激励线圈产生的磁场强度分别为：

其中：A是磁场强度振幅，ω为激励信号角频率，W为x方向和y方向节距，其中， W₁＝W₃、W₂＝W₄,t为时间变量，x为x方向位移量，y为y方向位移量。

感应线圈21，22，23，24得到的电信号分别为：

第二测量通道中的激励线圈通入相同的交流激励电信号后，将此时刻的位置信息与刚才第一测量通道的位置信息比较即可实现绝对定位。

将感应信号е₁、е₂的相位做差，得到相位差

如下所示：

经运算后得到动阵面与定阵面在x方向上的绝对位置。

再将感应信号е₃、е₄的相位做差，得到相位差

如下所示：

经运算后得到动阵面与定阵面在y方向上的绝对位置。

总之，本实用新型sin+和sin-会形成一个驻波磁场

cos+和cos-会形成一个驻波磁场

两个驻波叠加形成行波磁场

所以说是每一层(组)线圈都会形成一个行波磁场，但是方向不一样，x方向形成x方向的行波磁场， y方向形成y方向的行波磁场。通过对感应到的两个x方向的行波磁场进行解算，得出x方向的绝对位置。对两个y方向的行波磁场进行解算，得出y方向的绝对位置，这样就能精确得到相关位置。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种绝对式平面二维时栅位移传感器，包括上下平行相对布置的定阵面(1)和动阵面(2)，其特征在于：

所述定阵面(1)由定阵面基体和布置于定阵面表面的激励线圈组成；激励线圈具有间隔排列的四组，分别为第一组激励线圈(11)、第二组激励线圈(12)、第三组激励线圈(13)和第四组激励线圈(14)，分别设置在相互绝缘的四层中；第一组激励线圈由尺寸相同的相互串联的n+1个第一正向正弦激励线圈单元、相互串联的n+1个第一正向余弦激励线圈单元、相互串联的n+1个第一反向正弦激励线圈单元、相互串联的n+1个第一反向余弦激励线圈单元沿x轴方向依次等间距交替排列组成；其中，第一正向正弦激励线圈与第一反向正弦激励线圈单元串联，第一正向余弦激励线圈与第一反向余弦串联，相邻激励线圈单元的中心距为

W1表示第一组激励线圈的节距；第二组激励线圈(12)由尺寸相同的相互串联的n个第二正向正弦激励线圈单元、相互串联的n个第二正向余弦激励线圈单元、相互串联的n个第二反向正弦激励线圈单元、相互串联的n个第二反向余弦激励线圈单元沿x轴方向依次等间距交替排列组成，第二正向正弦激励线圈单元与第二反向正弦激励线圈单元串联，第二正向余弦激励线圈单元与第二反向余弦激励线圈单元串联，相邻激励线圈单元的中心距为

W2表示第二组激励线圈的节距；第三组激励线圈(13)由尺寸相同的相互串联的n+1个第三正向正弦激励线圈单元、相互串联的n+1个第三正向余弦激励线圈单元、相互串联的n+1个第三反向正弦激励线圈单元、相互串联的n+1个第三反向余弦激励线圈单元沿y轴方向依次等间距交替排列组成，其中，第三正向正弦激励线圈与第三反向正弦激励线圈单元串联，第三正向余弦激励线圈与第三反向余弦串联，相邻激励线圈单元的中心距为

W3表示第三组激励线圈的节距；第四组激励线圈(14)由尺寸相同的相互串联的n个第四正向正弦激励线圈单元、相互串联的n个第四正向余弦激励线圈单元、相互串联的n个第四反向正弦激励线圈单元、相互串联的n个第四反向余弦激励线圈单元沿Y轴方向依次等间距交替排列组成，第四正向正弦激励线圈单元与第四反向正弦激励线圈单元串联，第四正向余弦激励线圈单元与第四反向余弦激励线圈单元串联，相邻激励线圈单元的中心距为

W4表示第四组激励线圈的节距；

所述动阵面(2)，由动阵面基体和布置于动阵面基体表面的感应线圈组成；感应线圈由第一组感应线圈(21)、第二组感应线圈(22)、第三组感应线圈(23)和第四组感应线圈(24)组成，分别设置在相互绝缘的四层中，第一组感应线圈(21)由两个沿x方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距为

第二组感应线圈(22)由两个沿x方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距为

第三组感应线圈(23)由两个沿y方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距

第四组感应线圈(24)由两个沿y方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈中心距

在x方向上的长度为W2，在y方向上的长度为

所述第一组激励线圈(11)、第三组激励线圈(13)、第一组感应线圈(21)、第三组感应线圈(23)构成第一测量通道；所述第二组激励线圈(12)、第四组激励线圈(14)、第二组感应线圈(22)、第四组感应线圈(24)构成第二测量通道。

2.根据权利要求1所述的绝对式平面二维时栅位移传感器，其特征在于，所述W₁，W₂，W₃和W₄满足如下条件：(n+1)×W₁＝n×W₂，(n+1)×W₃＝n×W₄，n为正整数。

3.根据权利要求2所述的绝对式平面二维时栅位移传感器，其特征在于，所述第一组感应线圈(21)由两个沿x方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈在x方向上的长度为

在y方向上的长度为W₃；第二组感应线圈(22)由两个沿x方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈在x方向上的长度为

在y方向上的长度W₄；第三组感应线圈(23)由两个沿y方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈在x方向上的长度为W₁，在y方向上的长度为

第四组感应线圈(24)由两个沿y方向反向串联的感应线圈构成，两个感应线圈在x方向上的长度为W₂，在y方向上的长度为

4.根据权利要求1—3任一所述的绝对式平面二维时栅位移传感器，其特征在于，上下层四组感应线圈之间，上下层四组激励线圈之间，都具有设定的间隔。

5.根据权利要求4所述的绝对式平面二维时栅位移传感器，其特征在于，所述间隔为0.1mm。

6.根据权利要求1—3任一所述的绝对式平面二维时栅位移传感器，其特征在于，激励线圈阵列和感应线圈阵列之间有设定的间隙。

7.根据权利要求6所述的绝对式平面二维时栅位移传感器，其特征在于，所述间隙为0.1mm。

8.根据权利要求4所述的绝对式平面二维时栅位移传感器，其特征在于，x或y方向上的两层激励线圈对极数相差一个对极或为其他互质的对极数组合。

9.根据权利要求4所述的绝对式平面二维时栅位移传感器，其特征在于，所述感应线圈叠加顺序与激励线圈叠加顺序一一对应，且到对应激励线圈的距离完全相同。

10.根据权利要求4所述的绝对式平面二维时栅位移传感器，其特征在于，第一组激励线圈(11)由向x方向排布的激励线圈组成，中心距为4.375mm，8个周期，节距为17.4mm；第二组激励线圈(12)由向x方向排布的激励线圈组成，中心距为5mm，7个周期，节距为20mm；第三组激励线圈(13)由向y方向排布的激励线圈组成，中心距为4.375mm，8个周期，节距为17.4mm；第四组激励线圈(14)由向y方向排布的激励线圈组成，中心距为5mm，7个周期，节距为20mm，总量程为140mm×140mm。

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