常用傳感器使用實(shí)驗(yàn)
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>1. 掌握常用傳感器結(jié)構(gòu)、使用方法及其測(cè)量系統(tǒng)的組成。
2. 了解傳感器及其測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定方法。
3. 熟悉CSY10型傳感器實(shí)驗(yàn)儀的使用方法。
二、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備
1. CSY10型傳感器實(shí)驗(yàn)儀
2. 雙蹤示波器
三、實(shí)驗(yàn)裝置
1. CSY10傳感器實(shí)驗(yàn)儀
CSY10 傳感器是集被測(cè)體、各種傳感器、激勵(lì)源、顯示儀表和處理電路為一體的一個(gè)完整的測(cè)量系統(tǒng),它主要由信號(hào)源及顯示部分、傳感器試驗(yàn)臺(tái)部分和處理變換部分三者組成。信號(hào)源由±15V 穩(wěn)壓電源和±2V—±10V 穩(wěn)壓電源、音頻振蕩器和低頻振蕩器所組成。顯示儀表由21 3位電壓/頻率表和指針式毫伏表組成,可以在實(shí)驗(yàn)中配合使用。試驗(yàn)臺(tái)配有應(yīng)變、溫度、熱電、壓電、電容、光纖、霍爾、電感、電渦流、磁電等十種傳感器。兩只測(cè)微頭可以在做靜態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。而懸臂梁的結(jié)構(gòu)和激振器又可以產(chǎn)生低頻振動(dòng),使儀器具有進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的功能。處理、變換電路則包含了電橋、差動(dòng)放大器、電荷放大器、低通濾波器、移相器、相敏檢波器、溫度變換器、光電變換器、電容變換器、渦流變換器等。利用這些部件,可以方便地組成數(shù)十種不同的實(shí)驗(yàn),這些實(shí)驗(yàn)分為三類:靜態(tài)實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。如對(duì)應(yīng)變片就至少可以進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn):?jiǎn)伪邸霕蚣叭珮驊?yīng)變電橋?qū)嶒?yàn)。
四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多,各專業(yè)根據(jù)具體情況選做其中幾個(gè)。
(一)金屬箔式應(yīng)變片:?jiǎn)伪邸霕蚝腿珮虻谋容^
1、實(shí)驗(yàn)原理
本實(shí)驗(yàn)說(shuō)明箔式應(yīng)變片及直流電橋的原理和工作情況。
應(yīng)變片是最常用的測(cè)力傳感元件。當(dāng)用應(yīng)變片測(cè)試時(shí),應(yīng)變片要牢固地粘貼
在測(cè)試體表面,當(dāng)測(cè)件受力發(fā)生形變,應(yīng)變片的敏感柵隨同變形,其電阻值也隨
之發(fā)生相應(yīng)的變化。通過(guò)測(cè)量電路,轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出顯示。
電橋電路是最常用的非電量電測(cè)電路中的一種,當(dāng)電橋平衡時(shí),橋路對(duì)臂
電阻乘積相等,電橋輸出為零,在橋臂四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4中,電阻
的相對(duì)變化率分別為△R1/R1、△R2/R2、△R3/R3、△R4/R4,當(dāng)
使用一個(gè)應(yīng)變片時(shí),ΣR=△R/R;當(dāng)二個(gè)應(yīng)變片組成差動(dòng)狀態(tài)工作,則ΣR
=2△R/R;用四個(gè)應(yīng)變片組成二個(gè)差動(dòng)對(duì)工作,且R1=R2=R3=R4=
R,ΣR=4△R/R。
2、實(shí)驗(yàn)所需部件
直流穩(wěn)壓電源(±4V)、電橋、差動(dòng)放大器、箔式應(yīng)變片、測(cè)微頭、電壓
表。
3、實(shí)驗(yàn)步驟
(1)差動(dòng)放大器調(diào)零。開(kāi)啟儀器電源,差動(dòng)放大器增益置100 倍(順時(shí)針?lè)?br>向旋到底),“+、-”輸入端用實(shí)驗(yàn)線對(duì)地短路。輸出端接數(shù)字電壓表(數(shù)字電
壓表?yè)艿?V檔),用“調(diào)零”電位器調(diào)整使差動(dòng)放大器輸出電壓為零,然后撥掉
實(shí)驗(yàn)線。調(diào)零后“調(diào)零”電位器位置不要改變。
(2)按圖(1)將實(shí)驗(yàn)部件用實(shí)驗(yàn)線連接成測(cè)試橋路。橋路中R1、R2、R3
和WD為電橋中的固定電阻和直流調(diào)平衡電位器,R為應(yīng)變片(可任選上、下梁
中的一片工作片)。直流激勵(lì)電源為±4V。
(3)確認(rèn)接線無(wú)誤后開(kāi)啟儀器電源,并預(yù)熱數(shù)分鐘。調(diào)整電橋WD電位器,使
測(cè)試系統(tǒng)輸出為零。
將測(cè)微頭裝于懸臂梁前端的永久磁鋼上,并調(diào)節(jié)使懸臂梁處于基本水平狀
態(tài)。
(4)旋動(dòng)測(cè)微頭,帶動(dòng)懸臂梁分別作向上和向下的運(yùn)動(dòng)。
在水平狀態(tài)下調(diào)節(jié)測(cè)微頭,使輸出電壓為零,記下測(cè)微頭的刻度。
旋動(dòng)測(cè)微頭,每往下移動(dòng)1mm,記錄一個(gè)差動(dòng)放大器輸出電壓值,并記錄表
中,共測(cè)量7-8mm。
將測(cè)微頭移到水平位置,并使測(cè)試系統(tǒng)輸出電壓為零,記下測(cè)微頭刻度,使
測(cè)微頭往上移動(dòng),并記錄數(shù)據(jù)。
(5)依次將圖(1)中的電橋固定電阻R1、R2、R3換成箔式應(yīng)變片,分
別接成半橋和全橋測(cè)試系統(tǒng)。
(6)重復(fù)步驟(3)―(4),測(cè)出半橋和全橋輸出電壓并列表,計(jì)算靈敏度。
(7)在同一坐標(biāo)上描出V-X曲線,比較三種橋路的靈敏度S,并做出定性的結(jié)論。
4、注意事項(xiàng)
㈠在本實(shí)驗(yàn)中放大器只能接成差動(dòng)形式,否則系統(tǒng)不能正常工作。
㈡流激勵(lì)電壓不能過(guò)大,以免應(yīng)變片造成損壞。
圖(1)箔式應(yīng)變片性能實(shí)驗(yàn)
(二)差動(dòng)螺管式電感傳感器(位移和振幅測(cè)量)
1、實(shí)驗(yàn)原理
利用差動(dòng)變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈和軟磁鐵氧體組成了差動(dòng)螺管式電感傳感
器,銜鐵和線圈的相對(duì)位置的變化將引起螺管線圈電感值的變化。當(dāng)用恒流激勵(lì)
傳感器,線圈的輸出電壓就與銜鐵的位移有關(guān)。
2、所需部件:音頻振蕩器、電橋、差動(dòng)放大器、移相器、相敏檢波器、電壓表、
示波器、測(cè)微頭、電壓表、低通濾波器。振幅測(cè)量時(shí)用低頻振蕩器。
3、實(shí)驗(yàn)步驟
(1) 靜態(tài)測(cè)量(位移測(cè)量)
①變壓器的二個(gè)次級(jí)線圈組成差動(dòng)狀態(tài),按圖(2)接線,音頻
振蕩器LV 端做為恒流源供電,差動(dòng)放大器增益適度,差動(dòng)變壓器的兩
個(gè)線圈和電橋上的兩個(gè)固定電阻R 組成電橋的四臂 ,電橋的作用是將電感變化轉(zhuǎn)換成電橋電壓輸出。
②旋動(dòng)測(cè)微頭使銜鐵在線圈中位置居中,此時(shí)L0′=L0″,系統(tǒng)
輸出為零。
③當(dāng)銜鐵上、下移動(dòng)時(shí),L0′≠L0″,電橋失衡系統(tǒng)就有輸出,
大小與銜鐵位移量成比例,相位則與銜鐵移動(dòng)方向有關(guān),銜鐵向上移動(dòng)和向下移動(dòng)時(shí)輸出波形相位相差約180o,由于電橋輸出是一個(gè)調(diào)幅波,因此必須經(jīng)過(guò)相敏檢波器后才能判斷電壓極性,以銜鐵移動(dòng)位置居中為起點(diǎn),分別向上、向下各位移5mm,測(cè)微頭每旋一周(0.5mm)記錄V,X 值并填入表格,做出V-X 曲線,求出靈敏度。
(2) 動(dòng)態(tài)測(cè)量(振幅測(cè)量)
①移開(kāi)測(cè)微頭,微調(diào)銜鐵在支架上的位置,調(diào)節(jié)電橋電路,使系統(tǒng)輸出為零。
② 將低頻振蕩器輸出接到“激振Ⅱ”上,給振動(dòng)臺(tái)加一交變力,使振動(dòng)臺(tái)
能上下振動(dòng),用示波器觀察系統(tǒng)輸出是否對(duì)稱,如不對(duì)稱則需對(duì)電橋、移相器作
些調(diào)整。
③保持低頻振蕩器輸出幅值不變,改變激振頻率f,便可得到它的動(dòng)態(tài)測(cè)試
結(jié)果Vp-p—f 曲線如圖(3)。
圖(3)
(3)注意事項(xiàng)
靜態(tài)位移測(cè)量時(shí)以銜鐵中心位置為基準(zhǔn),振動(dòng)臺(tái)上下移動(dòng)±5mm 左右,調(diào)節(jié)
移相器,使電壓為最大。如雙向不對(duì)稱,可調(diào)WA、WD及移相旋鈕直到基本對(duì)稱。
振幅測(cè)試時(shí)低通的輸出應(yīng)接示波器。
(三)渦流式傳感器的靜態(tài)標(biāo)定
1、實(shí)驗(yàn)原理
電渦流式傳感器由平面線圈和金屬渦流片組成,當(dāng)線圈中通以高頗交變電
流后,與其平行的金屬片上產(chǎn)生電渦流,電渦流的大小影響線圈的陰抗Z,而渦
流的大小與金屬渦流片的電阻率、導(dǎo)磁率、厚度、溫度以及與線圈的距離X有關(guān)。
當(dāng)平面線圈、被測(cè)體(渦流片)、激勵(lì)源已確定,并保持環(huán)境溫度不變,阻抗Z
只與X 距離有關(guān)。將阻抗變化經(jīng)渦流變換器變換成電壓V 輸出,則輸出電壓是距
離X 的單值函數(shù)。
2、實(shí)驗(yàn)所需部件
電渦流線圈、金屬渦流片、電渦流式變換器、示波器、電壓表。
3、實(shí)驗(yàn)步驟
①安裝好電渦流線圈和金屬渦流片,注意兩者必須保持平行。安裝好測(cè)微頭,
將電渦流線圈接入渦流變換器輸入端(圖4)。渦流變換器輸出端接電壓表20V
檔。
②開(kāi)啟儀器電源,用測(cè)微頭將電渦流線圈與渦流片分開(kāi)一定距離,此時(shí)輸出
端有一電壓值輸出。用示波器接渦流變換器輸入端觀察電渦流傳感器的高頻波
形,信號(hào)頻率約為1MHZ。
③用測(cè)微頭帶動(dòng)振動(dòng)平臺(tái)使平面線圈完全貼緊金屬渦流片,此時(shí)渦流變換器
輸出電壓為零。渦流變換器中的振蕩電路停振。
④旋動(dòng)測(cè)微頭使平面線圈離開(kāi)金屬渦流片,從電壓表開(kāi)始有讀數(shù)起,每位移
0.25mm 記錄一個(gè)讀數(shù),并用示波器觀察變換器的高頻振蕩波形。將V、X 數(shù)據(jù)填
入下表,作出V-X 曲線,指出線性范圍,求出靈敏度。
電蝸流實(shí)驗(yàn)連接圖
(四)被測(cè)材料對(duì)電渦流傳感器特性的影響
1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?br>通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明不同的材料對(duì)電渦流傳感器特性的影響。
2、實(shí)驗(yàn)所需部件:
電渦流線圈、金屬渦流片、電渦流變換器、測(cè)微頭、電壓表、銅、鋁、鐵渦
流片。
3、實(shí)驗(yàn)步驟:
①按上一實(shí)驗(yàn)方法安裝好傳感器,開(kāi)啟電源。更換不同的被測(cè)材料,分別對(duì)
鐵、銅、鋁被測(cè)體進(jìn)行測(cè)量,記錄數(shù)據(jù),在同一坐標(biāo)上做出V—X曲線。
②分別找出各被測(cè)體的線性范圍、靈敏度、最佳工作點(diǎn),并進(jìn)行比較。
③從實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論:被測(cè)材料不同時(shí)靈敏度和線性范圍都不同,必須分別進(jìn)
行標(biāo)定。
(五) 電容式傳感器的特性
1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>掌握電容式傳感器的工作原理和測(cè)量方法。
2、實(shí)驗(yàn)原理
電容式傳感器有多種形式。本儀器中是差動(dòng)變面積式。傳感器由兩組定片和
一組動(dòng)片組成。當(dāng)安裝于振動(dòng)臺(tái)上的動(dòng)片上、下改變位置,與兩組靜片之間的重
疊面積發(fā)生變化,極間電容也發(fā)生相應(yīng)變化,成為差動(dòng)電容。如將上層定片與動(dòng)
片形成的電容為CX1,下層定片與動(dòng)片形成的電容定為CX2,當(dāng)將CX1與CX2接入橋
路作為相鄰兩臂時(shí),橋路的輸出電壓與電容量的變化有關(guān),即與振動(dòng)臺(tái)的位移有關(guān)。
3、實(shí)驗(yàn)所需部件
電容傳感器、電容變換器、差動(dòng)放大器、低通濾波器、低頻振蕩器、測(cè)微頭。
4、實(shí)驗(yàn)步驟
①按圖(5)接線,電容變換器和差動(dòng)放大器的增益適中。
②裝上測(cè)微頭,帶動(dòng)振動(dòng)臺(tái)位移,使電容動(dòng)片位于兩靜片中,此時(shí)差動(dòng)放大器
輸出應(yīng)為零。
③以此為起點(diǎn),向上或向下位移動(dòng)片,每次0.5mm,直至動(dòng)片與一組靜片全部
重合為止。記錄數(shù)據(jù),并做出V—X 曲線,求得靈敏度。
④低頻振蕩器輸出接“激振Ⅱ”端,移開(kāi)測(cè)微頭,適當(dāng)調(diào)節(jié)頻率和振幅,使差
放輸出波形較大但不失真,用示波器觀察波形。
5、注意事項(xiàng)
①電容動(dòng)片與兩定片之間的片間距離必須相等,必要時(shí)可稍做調(diào)整。位移和振
動(dòng)時(shí)均不可有擦片現(xiàn)象,否則會(huì)造成輸出信號(hào)突變。
②如果差動(dòng)放大器輸出端用示波器觀察到波形中有雜波,請(qǐng)將電容變換器增益
進(jìn)一步減小。
(六)光纖位移傳感器----位移測(cè)量
1、 實(shí)驗(yàn)原理
反射式光纖位移傳感器的工作原理如圖(6)所示,光纖采用Y 型結(jié)構(gòu),兩束多模光纖一端合并組成光纖探頭,另一端分為兩束,分別作為接收光纖和光源光纖,光纖只起傳輸信號(hào)的作用。當(dāng)光發(fā)射器發(fā)生的紅外光,經(jīng)光源光纖照射至反射體,被反射的光經(jīng)接收光纖傳至光電轉(zhuǎn)換元件,光電轉(zhuǎn)換元件將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。其輸出的光強(qiáng)決定于反射體距光纖探頭的距離,通過(guò)對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)而得到位移量。
2、 實(shí)驗(yàn)所需部件
光纖、光電轉(zhuǎn)換器、光電變換器、低頻振蕩器、示波器、電壓表、支架、反射片、測(cè)微頭。
3、 實(shí)驗(yàn)步驟
①觀察光纖結(jié)構(gòu):本儀器中光纖探頭為半園型結(jié)構(gòu),由數(shù)百根光導(dǎo)纖維組成,一半為光源光纖,一半為接收光纖。
②將原裝電渦流線圈支架上的電渦流線圈取下,裝上光纖探頭,探頭對(duì)準(zhǔn)鍍鉻片反射片(即電渦流片)。
③振動(dòng)臺(tái)上裝上測(cè)頭,開(kāi)啟電源,光電變換器V0端接電壓表。旋動(dòng)測(cè)微頭,
帶動(dòng)振動(dòng)平臺(tái),使光纖探頭端面緊貼反射鏡面,此時(shí)V0 輸出為最小。然后旋動(dòng)
測(cè)微頭,使反射鏡面離開(kāi)探頭,每隔0.50mm 取一V0電壓值填入下表做出V—X曲線。
得出輸出電壓特性曲線如圖(6)所示,分前坡和后坡,通常測(cè)量是采用線性較
好的前坡。
4、 注意事項(xiàng)
㈠光電變換器工作時(shí)V0 最大輸出電壓以2V 左右為好,可通過(guò)調(diào)節(jié)增益電位
器控制。
㈡實(shí)驗(yàn)時(shí)請(qǐng)保持反射鏡片的潔凈與光纖端面的垂直度。
㈢工作時(shí)光纖端面不宜長(zhǎng)時(shí)間直照強(qiáng)光,以免內(nèi)部電路受損。
㈣注意背景光對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。
㈤光纖勿成銳角曲折。
(七)霍爾傳感器的應(yīng)用----電子秤
1、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>了解霍爾式傳感器的結(jié)構(gòu),工作原理,學(xué)會(huì)霍爾傳感器的實(shí)際應(yīng)用。
2、實(shí)驗(yàn)原理
霍爾式傳感器是由兩個(gè)環(huán)形磁鋼組成梯度磁場(chǎng)和位于梯度磁場(chǎng)中的霍爾元件組成。當(dāng)霍爾元件通以恒定電流時(shí),霍爾元件就有電勢(shì)輸出。霍爾元件在梯度磁場(chǎng)中上、下移動(dòng)時(shí),輸出的霍爾電勢(shì)V 取決于其在磁場(chǎng)中的位移量X,所測(cè)得霍爾電勢(shì)的大小便可獲知霍爾元件的靜位移。
3、實(shí)驗(yàn)所需部件
直流穩(wěn)壓電源(2V),電橋、霍爾傳感器、差動(dòng)放大器、電壓表、振動(dòng)圓盤(pán)、環(huán)形砝碼。
5、 實(shí)驗(yàn)步驟
①按圖(7)接線,開(kāi)啟電源,調(diào)節(jié)測(cè)微頭和電橋WD,使差放輸出為零。上、下移動(dòng)振動(dòng)臺(tái),使差放正負(fù)電壓輸出對(duì)稱。系統(tǒng)靈敏度盡量大。
②以振動(dòng)圓盤(pán)作為稱重平臺(tái),逐步放上砝碼,依次記下表頭讀數(shù),填入下表,并做出V—W曲線。
③移走稱重砝碼,在平臺(tái)上另放置一未知重量之物品,根據(jù)表頭讀數(shù)從V—W曲線中求得其重量。
6、 注意事項(xiàng)
㈠霍爾式傳感器在做稱重時(shí)只能工作在梯度磁場(chǎng)中,所以砝碼和被稱重物都不應(yīng)
太重。
㈡環(huán)形砝碼應(yīng)置于平臺(tái)的中間部分,避免平臺(tái)傾斜。
(八)磁電式傳感器
1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>通過(guò)實(shí)驗(yàn)說(shuō)明磁電式傳感器的結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用。
2、 實(shí)驗(yàn)原理
磁電式傳感器是一種能將非電量的變化轉(zhuǎn)為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的傳感器,所以也稱
為感應(yīng)式傳感器。根據(jù)電磁感應(yīng)定律,ω匝線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E 的大小決定于
穿過(guò)線圈的磁通φ 的變化率: e=-ω dt df
。儀器中的磁電式傳感器由動(dòng)鐵與感
應(yīng)線圈組成,永久磁鋼做成的動(dòng)鐵產(chǎn)生恒定的直流磁場(chǎng),當(dāng)動(dòng)鐵與線圈有相對(duì)運(yùn)
動(dòng)時(shí),線圈與磁場(chǎng)中的磁通交鏈產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì),e 與磁通變化率成正比,是一種
動(dòng)態(tài)傳感器。
3、 實(shí)驗(yàn)所需部件
磁電式傳感器、低頻振蕩器、激振器、渦流式傳感器、渦流變換器、雙線示
波器、差動(dòng)放大器。
4、 實(shí)驗(yàn)步驟
① 低頻振蕩器接“激振I”,磁電式端口接差動(dòng)放大器兩輸入端,差
動(dòng)放大器輸出端接示波器。開(kāi)啟電源,調(diào)節(jié)振蕩頻率和幅度,觀察輸出波形。
② 安裝好電渦流式傳感器,因?yàn)椴灰筮M(jìn)行位置測(cè)量,所以平面線圈
與金屬渦流片的相對(duì)位置可以高些,以振動(dòng)時(shí)不相碰為宜。
③ 雙線示波器的通道1和通道2分別接差動(dòng)放大器輸出端和渦流變換
器的輸出端,調(diào)節(jié)低頻振蕩器的振動(dòng)頻率和振幅,觀察比較兩波形。通過(guò)觀
察,可以得出結(jié)論:磁電式傳感器對(duì)速度敏感,電渦流式傳感器則對(duì)位置敏感,速度的變化對(duì)它的影響不大。
④ 將“激振I”與“磁電”端接線互換,接通低頻振蕩器,觀察差動(dòng)
放大器的輸出波形。與原磁電式傳感器波形比較。可以得出結(jié)論,磁電式傳
感器是一種磁→電、電→磁轉(zhuǎn)換的雙向式傳感器。
(九)壓電加速度式傳感器
1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br>了解壓電加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)、原理和應(yīng)用。
2、 實(shí)驗(yàn)原理
壓電式傳感器是一種典型的有源傳感器(發(fā)電型傳感器)。壓電傳感元
件是力敏感元件,在壓力、應(yīng)力、加速度等外力作用下,在電介質(zhì)表面產(chǎn)生
電荷,從而實(shí)現(xiàn)非電量的電測(cè)。
3、 實(shí)驗(yàn)所需部件
壓電式傳感器、電荷放大器(電壓放大器)、低頻振蕩器、激振器、電壓/頻
率表、示波器。
4、 實(shí)驗(yàn)步驟
① 觀察了解壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu):由雙壓電陶瓷晶片、慣性質(zhì)量
塊、壓簧、引出電極組裝于塑料外殼中。
② 按圖8 接線,低頻振蕩器輸出接“激振II”端,開(kāi)啟電源,調(diào)節(jié)振
動(dòng)頻率與振幅,用示波器觀察低通濾波器輸出波形。
③ 當(dāng)懸臂梁處于諧振狀態(tài)時(shí)振幅最大,此時(shí)示波器所觀察到的波形VP-P
也最大,由此可以得出結(jié)論:壓電加速度器是一種對(duì)外力作用敏感的傳感器。
5、 注意事項(xiàng)
做此實(shí)驗(yàn)時(shí),懸臂梁振動(dòng)頻率不能過(guò)低,否則電荷放大器將無(wú)輸出。
評(píng)論
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