9/27/2004,本站消息,作者:劉育梁
摘要:本文討論了光纖光柵傳感器在組成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時的關(guān)鍵技術(shù)問題,報告了中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所與北京品傲光電科技有限公司等單位在光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)方面的合作研究工作以及實施的若干重大應(yīng)用工程。
一、 引言
利用光纖光柵技術(shù)發(fā)展起來的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)具有很多獨特的技術(shù)和應(yīng)用優(yōu)勢,比如:
1)全光測量及遠距離測量(可超過45公里);不受電磁干擾;
2)準(zhǔn)分布式測量:單根光纖可以串接幾十個光纖光柵傳感器,只需占用解調(diào)設(shè)備(傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀)的一個通道;
3)可以與光纖通信網(wǎng)絡(luò)融合,適合在廣闊的地域組網(wǎng);
4)測量精度高:測溫精度± 0.5 ℃,測溫分辨率0.1℃;測量應(yīng)變分辨率1με;
5)實時性好:在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中,所有監(jiān)測點的單次測量時間最快小于10ms;
6)傳感器檢出量是波長信息,屬于“數(shù)字”量,因此不受接頭損失、光纜彎曲損耗等因素的影響,對環(huán)境干擾不敏感;
由于這些獨特的優(yōu)點,自從1989年MOREY首次報道將光纖光柵用作傳感以來,光纖光柵傳感器受到了世界范圍內(nèi)的廣泛重視。研究工作重要集中在:
1)光纖光柵的封裝;
2)光纖光柵傳感器的可靠性和壽命研究;
3)交叉敏感的消除;
4)高功率密度的寬譜光源;
5)微小波長移動的并行、快速、低成本檢測等方面。
經(jīng)過近十五年的發(fā)展,光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的基本技術(shù)已經(jīng)成熟,正在從實驗室走向大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。目前研究的重點正在轉(zhuǎn)向組網(wǎng)和工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題。
中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所是國內(nèi)較早開展光纖光柵技術(shù)研究的單位。在國家“863”計劃的支持下,圍繞著高速率、長距離光通信系統(tǒng)中的光纖光柵色散補償器進行了攻關(guān),解決和掌握了光纖光柵中心波長的精確控制技術(shù)、光纖光柵裂紋抑制、旁瓣抑制和時延抖動的控制技術(shù)。研制的光纖光柵色散補償器經(jīng)過了嚴(yán)格的光通信無源器件可靠性測試,應(yīng)用于華為技術(shù)有限公司的光傳輸產(chǎn)品中。
從2000開始,中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所將其成熟的通信光纖光柵技術(shù)向光傳感領(lǐng)域發(fā)展,與北京品傲光電科技有限公司等單位組成戰(zhàn)略合作伙伴,在中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目《光纖傳感網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)的融合》、北京市火炬計劃項目《光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀及光纖光柵傳感器》和上海市重大科技攻關(guān)項目《基于光纖光柵的分布式智能監(jiān)測系統(tǒng)》的支持下,進行了組網(wǎng)技術(shù)研究、低成本產(chǎn)品化開發(fā)和工程應(yīng)用研究。在國內(nèi)若干重大基礎(chǔ)建設(shè)中實現(xiàn)了光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的商用化。
本文簡要報告光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的若干組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)和重大應(yīng)用工程。
二、 光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)工作原理
1、光纖光柵的敏感機制
用于傳感的光纖光柵一般是制作在光纖芯內(nèi)的布拉格反射器。它利用光纖材料的紫外光敏性,在纖芯內(nèi)部形成空間相位光柵。這樣具有一定頻譜寬度的光信號經(jīng)過光纖光柵后,特定波長的光沿原路反射回來,其余波長的光信號則直接透射出去。光纖光柵的結(jié)構(gòu)和光譜響應(yīng)如圖所示。
圖1 光纖光柵的結(jié)構(gòu)和頻譜特性
Fig. 1 The Structure and Spectrum Characteristic of Fiber Bragg Grating
根據(jù)耦合波理論,上述反射波長可以表示為:
(1)
此即光纖光柵的中心波長方程,其中 為纖芯的有效折射率, 為光柵周期?梢钥闯龈淖児鈻诺挠行д凵渎驶蛑芷诰湍芨淖児鈻欧瓷涞闹行牟ㄩL,利用這一特性可以將光纖光柵用于許多物理量的傳感測量。例如溫度和應(yīng)力是光纖光柵能夠直接敏感的兩個物理量。溫度引起光柵中心波長的漂移主要有兩個方面的原因:起主要作用的光纖材料的熱光效應(yīng),起次要作用熱膨脹效應(yīng)。應(yīng)力的作用使光纖光柵受到機械拉伸而導(dǎo)致光柵周期的變化,另一方面由于石英材料的彈光效應(yīng)也會引起的光纖光柵有效折射率的變化。這樣光柵的中心波長漂移就反映了所處溫度場或應(yīng)變場的變化情況,從而達到測量的目的。由于光纖光柵中心波長隨溫度或應(yīng)變的變化關(guān)系是線性的,所以可以非常方便地應(yīng)用在傳感領(lǐng)域。
2、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)
光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)是集信號傳感和傳輸雙重作用于一體的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式,多個傳感器需要按照一定的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)組合在一起,并通過同一個光電終端來控制和協(xié)調(diào)工作,從而實現(xiàn)多個傳感信號的探測、識別和解調(diào)的功能。典型的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖所示,其基本功能部分可概括為:光發(fā)射和接收終端,傳輸線路,傳感器陣列和信號處理系統(tǒng)四個部分。
圖2 光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)原理圖
Fig.2 Sensor Networks base on Fiber Bragg Grating Sensors.
從寬譜光源或者連續(xù)掃描激光器出射的光經(jīng)由光耦合器或光開關(guān)后分別到達相應(yīng)通道的光纖光柵傳感器陣列。由于光纖光柵是以波長編碼的方式實現(xiàn)傳感測量,因此在傳感網(wǎng)絡(luò)中可以采用光開關(guān)切換各個通道,互相并無串?dāng)_。各個通道可以采用相同波長的光纖光柵傳感器陣列,從而有效的利用了頻帶資源。各傳感器反射回來的波長信號經(jīng)過耦合器和可調(diào)諧掃描濾波器后被光電探測器接收。當(dāng)傳感器陣列中某個傳感器所處的環(huán)境(如溫度場、應(yīng)變場等)發(fā)生改變時,該傳感器的中心波長就會發(fā)生漂移(一般為線性變化);這種波長的微小漂移被探測、采樣并將采樣數(shù)據(jù)送到信號處理模塊進行計算分析,從而得到傳感器的相關(guān)參量和相應(yīng)的溫度或應(yīng)力的測量結(jié)果。
用于信號解調(diào)的光源、濾波器、探測器和信號處理與控制模塊以及其它的相關(guān)光路元件通常集成在一個設(shè)備里,稱做光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀。
三、光纖光柵傳感器的大規(guī)模組網(wǎng)技術(shù)
光纖光柵傳感技術(shù)的早期研究集中在傳感器本身的封裝、壽命、可靠性和各種解調(diào)技術(shù)的實現(xiàn)方面。當(dāng)用光纖光柵傳感器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)用于實際工程時,將會面對許多新的技術(shù)問題。與單獨的傳感器應(yīng)用不同,當(dāng)光纖光柵傳感器組成網(wǎng)絡(luò)時,必須進行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計,以便解決好路徑備份、溫度補償、頻帶利用和功率均衡等問題。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計也對傳感器自身提出了標(biāo)準(zhǔn)化的要求。
1、傳感器的互換性
光纖光柵傳感器最重要的外部參數(shù)是初始波長以及波長隨外界物理量變化的系數(shù)。在不同的精確度情況下,光纖光柵傳感器的反射譜中心波長與被測物理量的對應(yīng)關(guān)系有多種數(shù)學(xué)表達方法。比如,在中心波長與外部物理量之間建立關(guān)系;在中心波長變化量與外部物理量之間建立關(guān)系;按線性情況來處理;按多項式形式來處理;初始波長還可以選在不同的溫度點上。由于沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)來約定,各研制單位和企業(yè)的產(chǎn)品采用各自選定的表征方法。目前也缺乏對整個波段內(nèi)的傳感器的工作波長進行規(guī)范的工作。所以傳感器的初始中心波長也是根據(jù)工藝而隨機確定的。這樣,作為實際產(chǎn)品,在規(guī)范的大規(guī)模組網(wǎng)工程中往往不具有可替換性。
2、應(yīng)變測量中的溫度補償問題
由于光纖光柵的彈光系數(shù)只有熱光系數(shù)的1/10之一左右,溫度變化1°C引起的中心波長偏移與10με所引起的中心波長偏移相當(dāng)。因此在應(yīng)變測量中必須要剔除環(huán)境溫度變化對光纖光柵傳感器中心波長的影響,亦即要考慮應(yīng)變測量中的溫度補償問題,這在大型結(jié)構(gòu)的長期應(yīng)變監(jiān)測中尤為重要。但在這種實際應(yīng)用場合,只考慮傳感器作為獨立個體時的溫度系數(shù)沒有意義。因為在實際工程中,傳感器與被測對象復(fù)合后,它的溫度系數(shù)發(fā)生了很大的改變。而新的溫度系數(shù)與被測對象的材料性質(zhì)、安裝方法有很大關(guān)系,往往是不能預(yù)知的。
3、頻帶利用
由于光源譜寬的限制、光纖光柵中心波長范圍的限制,以及光路上其他各種部件的工作波長的限制,光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)可用的頻譜帶寬是有限的。目前一般采用1310nm或1550nm波段。隨著DWDM光通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,1550nm波段的器件供應(yīng)商越來越多,成本越來越低,C波段已經(jīng)成為光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的首選工作波段。
考慮C波段從1525nm到1565nm的40nm的波長范圍內(nèi),采用波分復(fù)用的方式在一條鏈路上串接光纖光柵傳感器。當(dāng)波長相臨的兩個傳感器的反射譜的中心波長接近到0.4nm時,解調(diào)系統(tǒng)就難以分辨。因此,在不考慮每個傳感器的量程(中心波長的移動范圍)的極端情況下,一條鏈路上可以串接的傳感器的最大數(shù)目是100個左右。實際上,在大多數(shù)情況下每個傳感器都應(yīng)有1nm的波長移動范圍,所以,實際組網(wǎng)時,一條鏈路的傳感器數(shù)目在30個左右。
如果把C、L和S波段全部利用,則每條鏈路可串接的傳感器數(shù)目可以大大增加。
4、功率均衡
假定從解調(diào)設(shè)備里發(fā)出的光信號在整個工作波長范圍內(nèi)功率密度是比較一致的。不同頻率的光信號在光路的不同位置被反射回來,它們經(jīng)過的光器件、連接器或融接點的數(shù)量也不同,因此造成回傳的不同信號的功率水平不同。在比較惡劣的情況下,某些傳感器的旁瓣噪聲甚至?xí)^其他傳感器的有用信號,造成網(wǎng)絡(luò)可以識別的傳感器的數(shù)量下降。因此在工程組網(wǎng)時,必須進行正確的功率均衡設(shè)計。
5、光纖傳感網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)的融合
我國幅員遼闊,經(jīng)常有待監(jiān)測的同種類型的大型設(shè)施分布在一個很大的區(qū)域的情況。在實際工程中需要由若干個距離在10公里以上的子網(wǎng)組成更大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò),以便實現(xiàn)集中監(jiān)測。光纖傳感網(wǎng)絡(luò)盡管有利用光纖低損耗傳輸?shù)奶攸c可以實現(xiàn)長距離組網(wǎng)的優(yōu)勢,但在某些缺乏通信基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū),沒有現(xiàn)成可用的光纜來實現(xiàn)子網(wǎng)的互通。在這種情況下,專門鋪設(shè)光纜的成本是非常昂貴的。因此在子網(wǎng)之間通過無線鏈路進行互通有很強的實用性。
中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所與上海信息與微系統(tǒng)技術(shù)研究所在中國科學(xué)院知識創(chuàng)新工程重大項目及上海市重大科技攻關(guān)項目的支持下,開展了光纖傳感網(wǎng)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)互相融合的研究,并正在將相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于工程現(xiàn)場。
6、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備與器件標(biāo)準(zhǔn)
對于大量的組網(wǎng)應(yīng)用,一個明確的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是非常必要的。它通過對網(wǎng)絡(luò)接口,頻譜劃分、功率均衡、線路備份、器件和設(shè)備質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)范,可以保證各廠家產(chǎn)品的質(zhì)量、互換性和工程的可靠性。目前還缺乏這樣的網(wǎng)絡(luò)規(guī)范,使得在實際工程中,各廠家產(chǎn)品的互通沒有依據(jù)。解決這個問題可以加速光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。
在現(xiàn)階段,在同一個工程中選擇一家廠商進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計并提供所有設(shè)備對保證工程質(zhì)量是非常必要的。
四、若干特殊應(yīng)用對光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)挑戰(zhàn)
目前,光纖光柵傳感器及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟度,已經(jīng)達到了能滿足大部分橋梁、大型建筑和管道的健康監(jiān)測的水平。然而,各個行業(yè)的應(yīng)用需求是層出不窮的。在某些特殊應(yīng)用需求中,光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)仍然面對著一定的技術(shù)挑戰(zhàn)。
1、0.1℃精度的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)
盡管大量的科學(xué)研究表明,光纖光柵中心波長與環(huán)境溫度或所受應(yīng)變有非常好的線性關(guān)系,但當(dāng)它與各種封裝材料結(jié)合后,其線性度會有下降。特別需要指出的是,即使在線性度好于0.999的情況下,由于封裝材料自身的遲滯特性,對同一物理量的正反行程的測量也會略有不同,進而引入一定的測量誤差。此外,考慮到不少解調(diào)設(shè)備的波長重復(fù)性在10pm量級,當(dāng)它與上述傳感器組成網(wǎng)絡(luò)后,要實現(xiàn)諸如0.1℃精度的溫度探測來滿足地質(zhì)、化工等領(lǐng)域的很多應(yīng)用依然是一個挑戰(zhàn)性的工作。
2、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的~KHz以上高頻采樣
在傳感器的響應(yīng)頻率之內(nèi),光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的采樣速度決定于解調(diào)設(shè)備對光學(xué)頻譜的分析和處理能力。目前商用產(chǎn)品的解調(diào)速度在100Hz左右,可以滿足大部分應(yīng)用場合。不過還不能滿足地質(zhì)監(jiān)測等大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的實時高速采樣。由于F-P可調(diào)諧濾波器的調(diào)諧速度是有限的,光譜分析的數(shù)據(jù)處理量也非常大,所以在目前的基于F-P可調(diào)諧濾波器的解調(diào)方案基礎(chǔ)上進一步提高解調(diào)設(shè)備的速度有很大的困難。
3、在300℃環(huán)境中使用的光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)
石油工業(yè)中的一類需求,是希望采用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)探測油井的油況,以便決定采油方案,提高采油效率。這種使用環(huán)境要求光纖光柵傳感器能夠耐受300℃高溫。在普通環(huán)境中使用的光纖光柵傳感器一般是按照適用溫度在-40℃—+80℃來設(shè)計的。選用的普通單模光纖、封裝材料以及封裝方法都不能保證器件在300℃環(huán)境中使用。一般方法制造的光纖光柵在300℃溫度時,光柵將被擦除而不具有敏感性。因此為了使光纖光柵傳感器能在300℃環(huán)境使用,需要解決很多細致的技術(shù)問題。
五、重大工程應(yīng)用范例
中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所與北京品傲光電科技有限公司合作,進行了光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)研究和工程化工作。已經(jīng)先后在深圳會展中心、國家西氣東輸工程、大慶輸送管道、國家游泳館、京杭大運河大橋工程、汾河特大橋工程等多項國家大型基礎(chǔ)設(shè)施的安全監(jiān)測中得到商業(yè)化應(yīng)用。也已應(yīng)用于飛機關(guān)鍵部件質(zhì)量評測、高爐部件質(zhì)量評測、電力系統(tǒng)安全監(jiān)測等許多領(lǐng)域。
1.深圳會議展覽中心施工監(jiān)測和長期監(jiān)測
深圳會議展覽中心位于深圳市中心區(qū)中軸線南側(cè),占地220000平方米,主體結(jié)構(gòu)跨度120多米,高度超過40米,是深圳市最大的單體建筑,也是目前國內(nèi)民用建筑中用鋼量最大的工程。其東西長540米、南北寬282米、總高度60米,總建筑面積為28萬平方米。鋼結(jié)構(gòu)工程是整個工程的核心工程之一,總用鋼量為3.3萬噸。
會展中心主體部分采用大跨度鋼梁結(jié)構(gòu),如下圖所示。
圖3 深圳會議展覽中心主體鋼結(jié)構(gòu)圖
Fig.3 Steel Framework of Shenzhen Conference and Exhibition Center
鋼梁拱頂采用箱式鋼架結(jié)構(gòu),中間懸空部分采用高強度拉桿連接。由于在施工過程中需要對拉桿施加一定的預(yù)拉力,并且在會展中心的后期使用過程中要對鋼梁及拉桿的應(yīng)力情況進行長期監(jiān)測,因此必須采用既能適用于短期高精度測量又可用于長期監(jiān)測的應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)。光纖光柵傳感系統(tǒng)可以非常好地滿足這些要求。
整個工程共采用北京品傲光電科技有限公司生產(chǎn)的光纖光柵貼片式應(yīng)變傳感器350只,光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀一臺。
在實際工程中,有效地解決了光纖光柵傳感器這種精密的光學(xué)器件在傳統(tǒng)粗放式工程施工過程中的存活率問題,解決了整個結(jié)構(gòu)溫度場不均勻所帶來的溫度補償問題。施工時間段正處于深圳強臺風(fēng)期間,布設(shè)的光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)受了惡劣的自然環(huán)境的考驗。
在布設(shè)光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)的同時,還采用了傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片進行同步的監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果表明,在施工過程中光纖光柵傳感器和傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片的測量結(jié)果完全吻合。由于光纖光柵傳感器沒有電阻應(yīng)變片的零漂現(xiàn)象,在長期監(jiān)測中具有電阻應(yīng)變片無法比擬的優(yōu)勢。
2.國家西氣東輸管道監(jiān)測
西氣東輸工程是國家戰(zhàn)略性工程。西氣東輸管道西起新疆塔里木天然氣田輪南,途經(jīng)新疆、甘肅、寧夏、陜西、山西、河南、安徽、江蘇、浙江、上海10個省市區(qū),干線全長4000公里。據(jù)測算,西氣東輸工程靜態(tài)總投資約為1400億元人民幣,其中管道工程總概算投資約為400億元,因此輸送管道的安全狀況就尤顯重要。鋪設(shè)管道的沿途地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在發(fā)達地區(qū),管道還與公路要上下交叉,因此除了在施工過程中需要對管道的受力情況進行現(xiàn)場監(jiān)測外,還需要對其投入使用后的長期受力和應(yīng)變情況進行監(jiān)測。中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、品傲光電科技有限公司及中國科學(xué)院上海信息與微系統(tǒng)技術(shù)研究所共同合作,采用光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)在華東段實施了短期工程監(jiān)測和長期監(jiān)測。
圖4 西氣東輸工程
4.3 汾河大橋安全監(jiān)測
山西汾河大橋位于山西太原,又稱為太原西北環(huán)高速公路汾河雙矮塔斜拉橋,是國道主干線二連浩特至河口公路的重要組成部分。斜拉橋全長550米,主跨150米,墩高27米,塔高28米,橋面寬26米,雙向四車道,在同類橋梁中跨徑為全國之最、世界第二。山西汾河大橋結(jié)構(gòu)為單索面、兩塔固接、塔墩分離,據(jù)專業(yè)人員評價,是世界橋梁史上最難建造的橋梁之一。
圖5 山西汾河大橋
Fig.5 The Bridge over The Fen River in Shanxi Province
本項監(jiān)測工程是為了輔助和改進對橋梁結(jié)構(gòu)所進行的人工監(jiān)測和評估工作。整個光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)由光纖光柵傳感鏈、傳輸光纜、光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)分析儀、以太網(wǎng)集線器和服務(wù)器組成。可以報告橋梁的工作溫度環(huán)境,報告橋梁的主要構(gòu)件的實際內(nèi)力分布和振動狀況,報告橋梁的主要構(gòu)件是否有損害,或累積性損壞,并且給橋梁的營運管理和維修決策者提供橋梁的警告信息。
六、總結(jié)
光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)逐步成熟,正在從實驗室研究走向工程商用,中國作為經(jīng)濟高速增長、地域遼闊的發(fā)展中國家,大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)為我們提供了一個遠遠超過其他國家的廣闊的應(yīng)用環(huán)境。以應(yīng)用牽引研究,是這個階段技術(shù)發(fā)展的新特點。
作者簡介:
劉育梁,男,1966年生,中國科學(xué)院“百人計劃”特聘研究員,博士生導(dǎo)師,中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成技術(shù)工程中心副主任。上海交通大學(xué)、長春理工大學(xué)和太原重型機械學(xué)院兼職教授。主要研究方向為:1、大規(guī)模光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用;2、用于下一代智能光網(wǎng)絡(luò)的半導(dǎo)體光子芯片及其混合集成子系統(tǒng)。
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