CN102818531A - 一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪 - Google Patents

Abstract

一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，包括重叠多光栅、宽带光源、可调谐滤波器、定向耦合器、标准具、光电探测器及解调与控制电路等，重叠多光栅是选用不同的相位模板在传感光纤上的同一区域重叠刻写多个中心波长等间隔分布的传感光栅，其中多个重叠刻写在一起的光纤光栅的中心波长在可调谐滤波器的波长扫描范围内并连续等间隔分布，这样在每个波长扫描周期内可连续多次获得同一被测物理量的传感信息，记录重叠多光栅中每个传感光栅的峰值位置及波长变化即可重构原始动态应变信号，达到提高基于可调谐滤波器光栅解调***动态应变信号测量带宽的目的。本发明有效提高基于可调谐滤波器光纤光栅传感的测量带宽，可满足动态应变信号对高速和高精度的同时测量需求。

Description

一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪

技术领域

本发明涉及一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，主要用于动态应变信号的传感与测量，属于传感技术领域。

背景技术

光纤光栅可以将外界环境的变化（如应力、应变、振动、温度变化等）转换成自身反射光谱中心波长的变化，将光纤光栅经过适当的封装后，可以制作成特定的光纤光栅传感器，光纤光栅传感器由于具有不受电磁辐射干扰、体积小、制作简单、波长敏感等特点，已经广泛应用于远距离光学传感和光学通信领域。

目前实现光纤光栅中心波长解调的技术通常有以下几种，它们是光谱分析技术、基于可调谐滤波器的波长扫描技术、边缘滤波器技术、非平衡M－Z干涉仪解调技术以及匹配光栅解调方法等。光谱分析技术由于需要大量的数学计算，波长解调速度较低，无法适应大带宽信号的测量；非平衡M－Z干涉仪解调技术由于存在零点飘移问题目前仅适用于动态信号的测量，光学滤波技术需要为每个传感光栅配置单独的边缘滤波器和探测器，不便于多个光栅传感器的复用，且成本较高；基于可调谐滤波器的波长扫描技术由于其具有波长分辨率高、测量范围宽、复用能力强而获得广泛的工程应用，但目前市场上出售的基于该方法光栅解调***又存在波长扫描速率低的问题，故无法满足大带宽动态信号的测量需求。

影响基于可调谐滤波器光栅解调***测量带宽的原因主要包括以下两个方面：

（1）可调谐滤波器自身可调谐速度的限制，为了保证激光器长期工作的稳定性与可靠性，现有的基于可调谐滤波器的光纤激光器调谐速度通常都在1Hz到几kHz量级。

（2）信号采集与处理速度的限制，在保持扫描波长分辨率不变的条件下，A/D及D/A的转换速率与可调谐滤波器的波长扫描速率成正比，而解调***的数据处理能力又限制了A/D采样频率的提高，而在A/D采样频率不变的条件下，只能降低波长扫描范围和波长分辨率以提高波长扫描速率，但这又会影响解调***的复用能力和解调精度。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，以满足基于可调谐滤波器的光栅解调***对大带宽动态应变信号的测量需求。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于利用重叠刻写的多个中心波长在波长扫描范围内均匀分布的传感光纤光栅5或采用并行连接多根重叠多光栅的方法来设计各种基于光纤光栅的应力、应变或冲击振动等传感器，重叠在一起的多个光纤光栅可同时感知同一个被测物理量，每个光栅中心波长的变化量与被测物理量的大小成正比，而基于宽带光源1与可调谐滤波器2的光栅解调***在三角波D/A转换器11与高压驱动器12的作用下输出连续的窄线宽波长，输出波长经过耦合器3后分别进入重叠多光栅5和标准具6，隔离器4用于隔离标准具6的反射信号，重叠多光栅5的反射谱和标准具6的透射谱分别进入光电探测7，最后通过多路同步串行A/D转换器8实时同步采集光电探测器7输出的电信号；基于FPGA的解调与控制电路10用于控制A/D转换器8与D/A转换器11的工作时序及输出波形，同时实时接收并处理A/D转换器8的信号，并将实时处理完的数据通过接口（PCI、USB或网络接口）发送给计算机9进行进一步的处理，计算机9主要完成每个波长扫描周期重叠多光栅中各个传感光栅峰值波长的解算与重构；基于FPGA的解调与控制电路10可利用峰值提取算法实时计算出每一个波长扫描周期内重叠多光栅和标准具各个峰值波长对应扫描电压的D/A控制值，由于标准具每个输出峰值的中心波长固定不变，而重叠多光栅输出的峰值波长在动态应变作用下将会向长波或短波方向移动，计算机9通过计算重叠多光栅5各个峰值位置相对标准具6各个峰值中心位置的变化量，即可解算出重叠多光栅中每个传感光栅中心波长的变化；另外由于重叠多光栅5中各传感光栅中心波长在频域上等间隔均匀分布，且可调谐滤波器2的输出波长在时域上连续线性分布，所以重叠多光栅中各传感光栅中心波长的解算结果在时域上也连续等间隔分布，将重叠多光栅中各传感光栅中心波长的解算结果按波长的扫描顺序组合起来即可重构动态应变信息。

由于重叠多光栅在可调谐滤波器正向与反向波长扫描过程中都有传感光栅响应谱输出，为了实现等间隔采集动态应变信号的目的，每个波长扫描周期都需要同时解算正反两个方向的传感光栅响应谱，同时为了实现重叠多光栅中各个光栅的中心波长均匀分布，重叠多光栅中的每个传感光栅的中心波长应按照下式计算结果来选取：

${\mathrm{\λ}}_{B\left[i\right]}={\mathrm{\λ}}_S+[i-\frac{1}{2}]\×\frac{{\mathrm{\λ}}_E-{\mathrm{\λ}}_S}{n}---\left(1\right)$

式中：λ_B[i]为第i个传感光栅的中心波长；

λ_S为可调谐滤波器的波长扫描起点；

λ_E为可调谐滤波器的波长扫描终点；

n为传感光栅总的个数。

由于重叠多光栅在制作过程中不可能保证每个传感光栅的中心波长在可调谐滤波器的波长扫描范围内完全等间隔分布，且传感光栅各中心波长在动态应变的作用下会发生向短波和长波方向来回移动，另外可调谐滤波器的非线性扫描也会导致传感光栅输出谱的非等间隔分布，为了正确重构被测物理量的动态应变信号，基于FPGA的解调与控制电路（10）需实时计算每个波长扫描周期重叠多光栅与标准具的峰值位置，并将计算结果发送给计算机（9），计算结果应包括波长扫描周期n、重叠多光栅中每个传感光栅中心波长的位置t_ni及标准具的峰值位置，由于标准具的峰值位置对应的中心波长固定不变，因而计算机（9）可根据重叠多光栅中每个传感光栅中心波长的位置相对于标准具的位置变化来计算出各传感光栅中心波长的变化量Δλ_ni，再根据重叠多光栅中每个传感光栅中心波长动态应变灵敏度系数k_i即可重构被测物理量的动态应变信息，第n个扫描周期动态应变信号应按下式所示重构：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_n=\{(t_{n1},\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{n1}}{k_1}),(t_{n2},\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{n2}}{k_2}),\·\·\·,(t_{\mathrm{ni}},\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ni}}}{k_i})\}---\left(2\right)$

式中：Δε_n为第n个扫描周期所获得的动态应变信息；

t_ni为第n个扫描周期重叠多光栅中第i个传感光栅峰值位置；

Δλ_ni为第n个扫描周期重叠多光栅中第i个传感光栅的中心波长变化量；

k_i为重叠多光栅中第i个传感光栅的动态应变灵敏度系数。

本发明的原理：本发明中采用的重叠多光栅是通过选用具有不同中心波长的相位模板在传感光纤的同一位置重复刻写所制成，其主要具有以下特点：（1）时间同步性，即所有重叠在一起的传感光栅可以同时感知被测物理量的传感信息；（2）结构紧凑，因为所有用于传感的光栅都刻写在传感光纤的同一敏感位置。基于该重叠多光栅的测量仪主要由用于动态应变测量的重叠多光栅与基于可调谐滤波器及宽带光源的光栅解调***两部分组成，用于动态应变测量的重叠多光栅是在同一根光纤的同一传感区域上重复刻写多个中心波长在波长扫描范围内并均匀分布的光纤光栅。由于在重叠多光栅制作过程中，每增加一个光栅都会影响到已经刻写光栅的中心波长及其反射率，这对重叠多光栅的刻写工艺要求较高，从而限制了其可重叠光栅的数目，为了进一步提高动态应变的测量带宽并保证解调精度，可通过并行连接多根重叠多光栅的方式来增加每个波长扫描周期传感光栅的个数，从而实现更多光栅同时传感的目的。在每一个波长扫描周期内，基于以上重叠多光栅的传感器可连续等间隔获得多个传感光栅输出谱，通过实时解算每个传感光栅中心波长的变化并按照传感光栅输出谱出现的时间顺序重构后，即可获得更多的动态应变传感信息，从而可以在保持可调谐滤波器扫描速率不变的条件下实现大带宽信号的测量目的，本发明无需提高可调谐滤波器的扫描速率及扫描步长、且不用降低可调谐滤波器的波长扫描范围，因而可以在现有波长分辨率及复用能力的基础上实现大带宽动态应变信号的传感与测量。

本发明与现有技术相比优点是：

（1）本发明采用多个中心波长在可调谐滤波器波长扫描范围内等间隔均匀分布的重叠多光栅来设计动态应变传感装置，可有效提高现有的基于可调谐滤波器光栅解调***的测量带宽，同时兼有解调***波长分辨率高、测量范围宽、复用能力强等优点。

（2）本发明基于重叠多光栅的动态应变传感器可与多个采用单光栅设计的传感器通过同一根光纤连接在一起进行组合传感，从而可以满足既有低频小信号又有高频动态应变信号的同时测量需求，可有效提高光栅传感的应用范围和灵活性。

附图说明

图1为本发明基于重叠多光栅的动态应变测量仪***组成；

图2为本发明基于重叠刻写了两个中心波长重叠多光栅的动态应变测量仪解调原理，其中:（a）为重叠多光栅的在动态应变作用下的传感光栅输出谱；（b）为标准具的梳状输出谱；（c）为可调谐滤波器的扫描电压；

图3单根传感光纤上重叠刻写多个采样光栅的动态应变传感原理；

图4采用两根刻有重叠多光栅光纤并行连接的动态应变传感原理；

图5本发明重叠多光栅在100Hz正弦动态应变作用下每个周期传感光栅反射谱；

图6本发明重构以后100Hz正弦动态应变信号每个周期的波长变化反射谱。

图中：1-宽度光源；2-可调谐滤波器；3-光纤耦合器；4-隔离器；5-重叠多光栅；6-标准具；7-光电探测器；8-A/D转换器；9-计算机；10-基于FPGA的解调与控制电路；11-D/A转换器；12-高压驱动器。

具体实施方式

下面将结合附图及实例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，基于重叠多光栅的动态应变测量仪主要包括宽带光源1、可调谐滤波器2、光纤耦合器3、隔离器4、重叠多光栅5、标准具6、光电探测器7、A/D转换器8、计算机9、基于FPGA的解调与控制电路10、D/A转换器11和高压驱动放大电路12；图中宽带光源1可选用具有较高增益平坦度的高功率光源（带宽大于40nm，波长范围1520nm~1560nm，总功率大于10mW），宽带光源经过可调谐滤波器2后将变成窄线宽的激光，所选用可调谐滤波器的输出线宽应优于0.01nm，以保证解调***的解调精度，可调谐滤波器2在三角波扫描电压作用下将周期性的输出线性变化的窄线宽激光，窄线宽激光的波长在1520nm~1560nm范围内周期性的变化，三角波扫描电压由基于FPGA的解调与控制电路10通过D/A转换器11与高压驱动器12来产生，窄线宽输出波长经过耦合器3后分别进入重叠多光栅5和标准具6，隔离器4用于隔离标准具6的反射信号；经过重叠多光栅5的反射波和标准具6的透射波分别进入光电探测7，再通过A/D转换器8实时同步采集光电探测器7输出的电信号，A/D转换器8采用多路高速同步串行A/D，通过该设计可有效提高基于FPGA的解调与控制电路10的多通道并行数据处理能力，降低A/D转换对基于FPGA的解调与控制电路10输入输出引脚的需求，便于更多解调通道的扩展。基于FPGA的解调与控制电路10用于控制A/D转换器8与D/A转换器1的工作时序及输出波形，同时实时接收并处理A/D转换器8的信号，最后将实时处理完的数据通过接口（PCI、USB或网络接口）发送给计算机9进行进一步的处理，计算机9主要完成每个波长扫描周期重叠多光栅中各传感光栅峰值波长的解算与重构；基于FPGA的解调与控制电路10可利用峰值提前算法实时计算出每一个波长扫描周期内重叠多光栅和标准具中各个峰值波长对应扫描电压的位置，由于标准具每个输出峰值的中心波长固定不变，而重叠多光栅中各传感光栅输出的峰值波长在动态应变作用下将会向长波或短波方向移动，计算机9通过计算重叠多光栅5各个峰值位置相对标准具6各个峰值中心位置的变化量，即可解算出每个重叠多光栅中心波长的变化。

图1中所用重叠多光栅需根据动态应变测量带宽的要求及可调谐滤波器的扫描速率来确定传感光栅的数目及其中心波长的间隔，再通过公式（1）来计算重叠多光栅中各个光栅的中心波长，最后通过选用相应的光栅制作模板来进行刻写，由于重叠多光栅在进行动态应变传感前需要进行预拉力固定，各光栅的中心波长将会在预拉力的作用下同时向长波方向移动，从而会在可调谐滤波器三角波扫描电压的顶部和底部发生相对拉近和拉远，造成交界处的非等间隔采样，该问题可通过调整可调谐滤波器的扫描偏置电压来消除。

如图2所示，为基于重叠多光栅的动态应变测量仪的解调原理，图2（a）为重叠了两个中心波长的重叠多光栅在单个可调谐滤波器波长扫描周期内输出的4个传感光栅反射谱，其中在正向扫描和反向扫描过程中分别产生两个传感光栅反射谱，传感光栅反射谱的中心波长与重叠多光栅中的两个传感光栅中心波长相对应，由于重叠多光栅刻写于传感光纤相同的区域，因而具有相近的传感灵敏度，每个扫描周期4个传感光栅反射谱的解调结果与动态应变的范围一致，只是每个传感光栅反射谱出现的时间依次等间隔分布，重叠多光栅在动态应力作用下，4个传感光栅反射谱将同时向短波或长波方向移动，4个传感光栅反射谱的解调结果按照公式（2）及时间的顺序重新组合以后便可以实现4倍于波长扫描速率的动态应变信号的测量，从而达到提高基于可调谐滤波器光栅解调***测量带宽的目的。图2（b）为标准具的梳状输出谱，每个梳状输出谱的间隔为固定的800pm,由于标准具各输出谱的中心波长受温度的影响很小，因而可以作为参考波长，用于重叠多光栅的实时动态标定，可有效提高光栅中心波长的解调精度。图2（c）为可调谐滤波器的扫描电压，通过改变扫描波形的偏置电压和扫描电压的幅度可以改变可调谐滤波器扫描波长的范围。

如图3所示，为在传感光纤的同一位置选用不同的相位掩模板来重叠刻写多个传感光栅的设计方法，重叠多光栅刻写过程中保持传感光纤不动，刻写完第一个传感光栅后，换用具有不同中心波长的相位掩模板进行第二次刻写，或直接选用具有多个传感光栅的相位掩膜板来进行刻写，以完成多个传感光栅的刻写工作，重叠多光栅中各传感光栅的反射谱中心波长将在动态应力的拉压作用下发生左右移动，移动结果如图2（a）中的小图所示。

如图4所示，为采用并行连接两根刻有重叠多光栅的动态应变传感器设计方法，该设计可降低在同一根光纤上重叠刻写多个传感光栅所带来的负面影响，以提高动态应变传感中所用传感光栅的数目，两路重叠多光栅的反射谱信号可分别进入独立的光电探测器，也可以通过定向耦合器进入同一光电探测器进行信号采集与处理，因为所有用到的传感光栅中心波长在可调谐滤波器的波长扫描范围内都是等间隔均匀分布的，需按照式（1）的要求统一分配，不存在波长重叠的问题。

实施例1

以下主要对重叠刻写有两个传感光栅的重叠多光栅实现4倍于可调谐滤波器扫描速率的动态正弦应变信号的测量方法进行举例说明，图2给出了基于重叠多光栅的动态应变测量仪的解调原理，以可调谐滤波器的波长扫描范围从1535nm～1555nm为例，重叠多光栅中两个传感光栅的中心波长可按公式（1）进行选取，对应两个传感光栅中心波长分别为1540nm、1550nm，每个传感光栅的中心波长间隔为10nm，以可调谐滤波器的波长扫描速率为500Hz为例，采用重叠多光栅设计的动态应变传感装置在每个可调谐滤波器波长扫描周期的正向和反向扫描过程分别可以连续两次获得同一个传感点的被测物理量，合计4倍于单传感光栅所能获得的被测物理量的测量带宽，对应重叠多光栅动态应变传感测量装置所获得的实际信息采集频率应为2kHz,也就是被测信号的测量带宽提高了4倍，扫描波长与重叠多光栅的输出功率谱如图2所示，图中给出了解调***在正向与反向扫描过程中重叠多光栅的反射谱及可调谐滤波器的三角波扫描电压，波长扫描范围为1535nm～1555nm。图5给出了重叠多光栅在500Hz正向与反向扫描电压作用下的4个100Hz正弦动态应变反射谱，由图5可知，4个传感光栅输出谱对应同一被测动态应变信号，传感光栅输出反射谱的峰值位置呈现出周期性的正弦变化。图6为图5中4个正弦动态应变反射谱按式（2）重构以后的波长变化反射谱，传感光栅输出反射谱已经由单个传感光栅的5个变成了20个，即获得了4倍于可调谐滤波器扫描速率的动态应变信号采集点数，从而有效提高了动态应变信号的测量带宽。

总之，本发明无需选用昂贵的高速可调谐滤波器、且不用降低波长扫描范围，因而可以在不影响原有波长分辨率及复用能力的基础上实现更高带宽信号的测量。该方法可有效提高基于可调谐滤波器光纤光栅传感的测量带宽，可满足动态应变信号对高速和高精度的同时测量需求。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于：包括宽带光源（1）、可调谐滤波器（2）、光纤耦合器（3）、隔离器（4）、重叠多光栅（5）、标准具（6）、光电探测器（7）、A/D转换器（8）、计算机（9）、基于FPGA的解调与控制电路（10）、D/A转换器（11）和高压驱动放大电路（12）；所述重叠多光栅（5）是在传感光纤同一区域重复刻写多个具有不同中心波长的传感光栅，重叠多光栅（5）的各中心波长在可调谐滤波器（2）波长扫描范围内应等间隔分布；基于FPGA的解调与控制电路（10）通过D/A转换器（11）与高压驱动器（12）控制宽带光源（1）与可调谐滤波器（2）输出连续的波长，该输出波长经过耦合器（3）后分别进入重叠多光栅（5）和标准具（6）；隔离器（4）用于隔离标准具（6）的反射信号；经过重叠多光栅（5）的反射波和标准具（6）的透射波分别进入光电探测（7），再通过A/D转换器（8）实时同步采集光电探测器（7）输出的电信号送至基于FPGA的解调与控制电路（10）中；基于FPGA的解调与控制电路（10）实时接收A/D转换器（8）的信号，计算信号中每个波长扫描周期重叠多光栅（5）与标准具（6）的峰值位置，并将计算结果发送给计算机（9），同时基于FPGA的解调与控制电路（10）用于控制A/D转换器（8）与D/A转换器（11）的工作时序及输出波形；由于标准具（6）每个输出峰值的中心波长固定不变，而重叠多光栅（5）输出的峰值波长在动态应变作用下将会向长波或短波方向移动，计算机（9）通过计算重叠多光栅（5）中每个传感光栅的峰值位置相对标准具（6）各个峰值位置的变化量，即可解算出重叠多光栅（5）中每个传感光栅中心波长的变化；另外由于重叠多光栅（5）的各中心波长在频域上等间隔均匀分布，且可调谐滤波器（2）的输出波长在时域上连续线性分布，重叠多光栅（5）的各中心波长的解算结果在时域上也连续等间隔分布，将重叠多光栅（5）的各中心波长的解算结果按波长的扫描顺序组合起来即可重构动态应变信息。

2.根据权利要求1所述的一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于：所述重叠多光栅（5）中多个具有不同中心波长的传感光栅按照下式来选取：

${\mathrm{\λ}}_{B\left[i\right]}={\mathrm{\λ}}_S+[i-\frac{1}{2}]\×\frac{{\mathrm{\λ}}_E-{\mathrm{\λ}}_S}{n}$

式中：λ_B[i]为第i个传感光栅的中心波长；

λ_S为可调谐滤波器的波长扫描起点；

λ_E为可调谐滤波器的波长扫描终点；

n为传感光栅总的个数。

3.根据权利要求1所述的一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于：为了进一步提高动态应变的测量带宽，所述重叠多光栅（5）中，也能通过并行连接多根重叠多光栅的制作方式，即每根传感光纤上都刻写有重叠多光栅，再将多根传感光纤并行连接到动态应变测量装置的固定端，以实现更多光栅用于同一被测物理量同步传感的目的，但并行连接多根重叠多光栅中所有用到的传感光栅中心波长需统一选取，选取方法为：

${\mathrm{\λ}}_{B\left[i\right]}={\mathrm{\λ}}_S+[i-\frac{1}{2}]\×\frac{{\mathrm{\λ}}_E-{\mathrm{\λ}}_S}{n}$

式中：λ_B[i]为第i个传感光栅的中心波长；

λ_S为可调谐滤波器的波长扫描起点；

λ_E为可调谐滤波器的波长扫描终点；

n为传感光栅总的个数。

4.根据权利要求1所述的一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于：所述计算机（9）重构动态应变信息的过程为：根据重叠多光栅中每个传感光栅峰值位置相对于标准具输出峰值的位置变化来计算出各传感光栅中心波长的变化量Δλ_ni，再根据重叠多光栅中每个传感光栅中心波长动态应变灵敏度系数k_i即可重构被测物理量的动态应变信息，第n个扫描周期动态应变信号应按下式所示重构：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\ϵ}}_n=\{(t_{n1},\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{n1}}{k_1}),(t_{n2},\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{n2}}{k_2}),\·\·\·,(t_{\mathrm{ni}},\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{ni}}}{k_i})\}$

式中：Δε_n为第n个扫描周期所获得的动态应变信息；

t_ni为第n个扫描周期重叠多光栅第i个传感光栅峰值位置；

Δλ_ni为第n个扫描周期重叠多光栅第i个传感光栅的波长变化；

k_i为重叠多光栅第i个传感光栅的动态应变灵敏度系数。

5.根据权利要求1所述的一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于：所述A/D转换器（8）采用多路高速同步串行A/D，通过该设计可有效提高基于FPGA的解调与控制电路（10）的多通道并行数据处理能力，降低A/D转换对基于FPGA的解调与控制电路（10）输入输出引脚的需求，便于更多解调通道的扩展。

6.根据权利要求1所述的一种基于重叠多光栅的动态应变测量仪，其特征在于：所述可调谐滤波器（2）采用三角波或正弦波对称扫描的方式，且可通过调整扫描波形的偏置电压与峰峰值范围来改变输出波长，以使重叠多光栅（5）中各个传感光栅的输出波长在频域上尽量等间隔分布。

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