CN114877801A - 室内大长度标准装置量值传递中的增程方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种室内大长度标准装置量值传递中的增程方法及***，***包括激光干涉仪测量***、长标尺导轨***、自动控制***和环境***；激光干涉仪测量***包括三台标准激光干涉仪、一台待测激光干涉仪，每台激光干涉仪均配有干涉镜组、反射镜组和角隅反射器；干涉镜组和反射镜组通过镜组固定架平行布置在第一滑台上，干涉镜组位于标准激光干涉仪与反射镜组之间，反射镜组的高度低于干涉镜组的高度，角隅反射器通过镜组固定架平行布置在第二滑台上；通过反射镜组与角隅反射器的配合，使激光干涉仪的光程增加了一倍，实现了在室内对测量范围为80m的激光干涉仪的检定，利用室内增程方法对于大长度激光测量仪器的比对测量具有重要意义。

Description

室内大长度标准装置量值传递中的增程方法及***

技术领域

本发明涉及几何量测量技术领域，尤其涉及室内大长度标准装置量值传递中的增程方法及***。

背景技术

大长度计量分为室内大长度计量和室外大长度计量，通常，测量范围为6-100m内的长度或尺寸计量为室内大长度计量，测量范围大于100m，应用于野外计量仪器、标准器或计量活动的，属于室外大长度计量范畴；室内大长度计量采用室内大长度标准装置(基于计量基准的，用于检定其他计量标准或计量器具的装置)，室内大长度标准装置通常着重于工业精密测量仪器的溯源，例如：激光干涉仪、激光跟踪仪、标准钢卷尺、激光雷达、激光对中仪、室内GPS或调频激光测距仪等，具有测量精度高，测量环境易控制等特点，但测量范围较小，无法满足测量范围的需求；室外大长度计量采用室外大长度标准装置，室外大长度标准装置通常着重于工程测量仪器的溯源，例如：全站仪、激光测距仪、望远镜式测距仪等，具有测量范围较大的特点，但测量精度低于室内大长度标准装置的测量精度，并且测量环境不易控制，无法满足测量精度的需求；相比于室外大长度标准装置，室内大长度标准装置的测量环境易受控制，然而，室内无法提供较大空间，对测量范围较大的激光测量仪器(例如：测量范围为80m的激光干涉仪或测量范围为160m的激光跟踪仪)进行检定，因此，将室内大长度标准装置增程，在一定程度上可代替室外大长度标准装置的功能，在较短距离内对测量范围较大的激光测量仪器进行比对测量对于激光测量仪器的检定具有重要意义。

申请公布号为CN 212721291 U的中国实用新型专利公开了“一种光程倍增的激光干涉仪用检定装置”，其采用光路折叠、光程倍增的方法，在光路中设置了增程反射镜，增程反射镜与移动反射镜相配合，将室内大空间的长距离测量缩短成了小空间的短距离测量；但其公布的坐标测量机的最大位移值为6m，标准激光干涉仪的测量值为12m，对于更大距离的测量，则会因激光能量损失而降低测量的准确度。

发明内容

本发明的目的之一至少在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种室内大长度标准装置量值传递中的增程方法及***，采用角隅反射镜作为增程的主要器件，能够使激光干涉仪的光程倍增，实现了在室内对测量范围为80m的激光干涉仪的检定，并且使激光干涉仪的测量精度符合***要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案包括以下各方面。

一种室内大长度标准装置量值传递中的增程***，包括：激光干涉仪测量***、长标尺导轨***、自动控制***和环境***；

所述环境***包括自动调控室内湿度的抽湿***、自动调控室内温度的空调***和ptf环境测量与补偿***(p：空气压力，t：空气温度，f：空气湿度)；

所述长标尺导轨***包括导轨，所述导轨的两端设置有仪器架设平台，所述导轨的表面设置有第一滑台和第二滑台，所述第一滑台布置在仪器架设平台和第二滑台之间，所述第一滑台和第二滑台上分别设置有多个固定激光干涉仪镜组的镜组固定架；

所述激光干涉仪测量***包括三台标准激光干涉仪、一台待测激光干涉仪，每台激光干涉仪均配有干涉镜组、反射镜组和角隅反射器；所述标准激光干涉仪安装在仪器架设平台上，所述待测激光干涉仪安装在通过三脚架安装在导轨的一侧，所述干涉镜组和反射镜组通过镜组固定架平行布置在第一滑台上，所述干涉镜组位于标准激光干涉仪与反射镜组之间，所述反射镜组的高度低于干涉镜组的高度，所述角隅反射器通过镜组固定架平行布置在第二滑台上；

所述标准激光干涉仪、待测激光干涉仪的激光头发出激光，激光入射到对应的干涉镜组中，所述干涉镜组包含分光镜和反射镜，激光经分光镜被分为两束，一束作为参考光被反射镜反射回分光镜中，另一束作为测量光入射到角隅反射器中，经角隅反射器反射到对应的反射镜组中，经反射镜组反射，回到角隅反射器中，再次经角隅反射器反射，回到干涉镜组的分光镜中，测量光与参考光在干涉镜组中发生干涉，干涉光入射到标准激光干涉仪、待测激光干涉仪的探测器中，探测器探测干涉光信号的变化数据。

优选的，所述仪器架设平台分为两层，第一层布置有两台标准激光干涉仪，第二层布置有一台标准激光干涉仪，所述待测激光干涉仪布置在三台标准激光干涉仪形成的三角形范围内。

优选的，所述ptf环境测量与补偿***包括：多只温度传感器组成的温度测量***、多只气压温度传感器组成的空气压力测量***以及多只湿度传感器组成的空气湿度测量***；其中，温度测量***包括多只第一温度传感器组成的空间温度均匀性测量***和多只第二温度传感器组成的被测件材料温度检测***；温度传感器的布置方式为：28只第一温度传感器沿激光光路沿线间隔2m布置于Z1墙上，2只第一温度传感器布置于Z3墙(与Z1墙大体垂直)离地2m和4m处；2只第二温度传感器布置在Z1墙靠弧廊端处，4只第二温度传感器布置在Z3墙短标尺处，4只第二温度传感器布置在第二滑台上，2只第二温度传感器沿导轨长度方向随机布置在导轨上。

优选的，所述角隅反射器的测量精度为0.2″，测量直径为100mm，所述角隅反射器的表面镀有黄色镀膜。

优选的，所述导轨设置在导轨地基上，所述导轨的长度为57m，运行噪音小于40dB，由多根花岗石导轨拼接而成，每根花岗石导轨的截面尺寸不小于600mm×500mm，所述导轨可承受的重量≥150kg，所述导轨的直线度误差不大于0.03mm/m、0.05mm/4m、0.10mm/20m、0.25mm/57m，平面度误差不大于0.03mm/m、0.08mm/4m、0.12mm/20m、0.30mm/57m。

优选的，所述第一滑台和第二滑台均可沿导轨滑动；所述镜组固定架的位置、高度均可调节。

一种室内大长度标准装置量值传递中的增程方法，包括以下步骤：

S1：开启标准激光干涉仪、待测激光干涉仪，对激光干涉仪对光；调整增程***中的各镜组与角隅反射器，使标准激光干涉仪、待测激光干涉仪的光轴分别与对应的干涉镜组的光学中心保持一致，并使反射镜组与角隅反射器能够接收并反射激光干涉仪发出的激光；

S2：开启抽湿***、空调***，将室内空气湿度、空气温度控制到预设的范围内；

S3：确定采样频率、采样间隔，采集标准激光干涉仪、待测激光干涉仪的位移数据；

S4：分析采集的位移数据，判断待测激光干涉仪是否满足要求。

所述S3具体为：保持第一滑台不动，由自动控制***控制第二滑台沿x轴(导轨1的长度方向)移动，每隔1m采集一次位移数据，直至采集完所有的位移数据。

所述S3中，根据各传感器的温度、湿度、压力测量值，采用Edlen公式实时修正ptf环境条件下的激光干涉仪的数值，得到每个测量位置处激光干涉仪的测量值。

所述S4具体为：将三台标准激光干涉仪光路上每个测量位置处测得位移的平均值作为标称值，将标称值与待测激光干涉仪光路上每个测量位置处位移的实测值进行比对，得出待测激光干涉仪的测量误差，判断待测激光干涉仪的测量误差是否在最大允许误差要求的范围内，从而判断待测激光干涉仪是否满足要求。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

通过设置角隅反射器，激光干涉仪的反射镜组与角隅反射器相配合，能够使激光光程倍增，实现了在室内较短距离内对测量范围较大的测量仪器的测量。

通过将三台标准激光干涉仪设置成三角形，并使待测激光干涉仪设置在三台标准激光干涉仪形成的三角形空间范围内，待测激光干涉仪的激光光路与三台标准激光干涉仪的激光光路平行，能够消除***的阿贝误差，提高***测量的精度。

通过ptf环境测量与补偿***实时测量和补偿环境温度、压力和湿度，能够对激光干涉仪的测量数据进行修正，进一步提高***测量的精度。

附图说明

图1是本发明示例性实施例的室内大长度标准装置增程***的增程光路原理图。

图2是本发明示例性实施例的室内大长度标准装置增程***的测量光路示意图。

图3是本发明示例性实施例的室内大长度标准装置增程***的增程方法流程图。

图4是激光干涉仪测量误差与测量位置关系示意图。

图5是温度传感器的布局图。

图中标识：1-导轨，2-仪器架设平台，3-第一滑台，4-第二滑台，5-标准激光干涉仪，51-待测激光干涉仪，6-干涉镜组，7-反射镜组，8-角隅反射器，9-镜组固定架，10-三脚架。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明示例性实施例的室内大长度标准装置量值传递中的增程***包括激光干涉仪测量***、长标尺导轨***、自动控制***和环境***；激光干涉仪测量***和长标尺导轨***组成的测量光路如图2所示，长标尺导轨***包括导轨1，导轨1的两端设置有仪器架设平台2(图中仅示出了导轨1的部分长度和导轨1一端的仪器架设平台)，导轨1的表面还设置有第一滑台3和第二滑台4，第一滑台3和第二滑台4可在导轨1上来回移动，第一滑台3和第二滑台4上分别设置有多个固定激光干涉仪镜组的镜组固定架9，镜组固定架9的位置、高度均可调节；激光干涉仪测量***包括三台标准激光干涉仪5和一台待测激光干涉仪51，每台激光干涉仪均配套有相应的干涉镜组6、反射镜组7和角隅反射器8。

仪器架设平台2分为两层，第一层设置有两台标准激光干涉仪5，第二层设置有一台标准激光干涉仪5，三台标准激光干涉仪5呈三角形布置；待测激光干涉仪51设置在三台标准激光干涉仪5形成的三角形平面之间，待测激光干涉仪51通过三脚架10安装在导轨1的一侧；干涉镜组6通过镜组固定架9平行布置在第一滑台3上，反射镜组7通过镜组固定架9平行布置在第一滑台3上，干涉镜组6位于标准激光干涉仪5与反射镜组7之间，反射镜组7的高度低于干涉镜组6的高度，干涉镜组6与标准激光干涉仪5、待测激光干涉仪51共光轴；角隅反射器8通过镜组固定架9平行布置在第二滑台4上，角隅反射器8的测量精度为0.2″，测量直径为100mm，在100m的长距离测量过程中，角隅反射器8同样能够接收到扩散的光斑，减小因测量距离过长，光斑扩散而引起的测量误差；角隅反射器8的表面镀有黄色镀膜，可有效防止测量过程中激光的衰减，提高测量的精度。

长标尺导轨***中，导轨1设置在导轨地基上，导轨1的长度为57m，运行噪音小于40dB，由多根(不多于14根)花岗石导轨拼接而成，每根花岗石导轨的截面尺寸不小于600mm×500mm，导轨1可承受的重量≥150kg，导轨1的直线度误差不大于0.03mm/m、0.05mm/4m、0.10mm/20m、0.25mm/57m，平面度误差不大于0.03mm/m、0.08mm/4m、0.12mm/20m、0.30mm/57m，以避免导轨直线度和平面度误差影响测量结果。

环境***包含自动调控室内湿度的抽湿***、自动调控室内温度的空调***和ptf环境测量与补偿***；ptf环境测量与补偿***包括多只温度传感器组成的温度测量***、多只气压温度传感器组成的空气压力测量***和多只湿度传感器组成的空气湿度测量***；其中，温度测量***包括多只第一温度传感器组成的空间温度均匀性测量***和多只第二温度传感器组成的被测件材料温度检测***，温度传感器的布置方式为：28只第一温度传感器沿激光光路沿线间隔2m布置于Z1墙上，2只第一温度传感器布置于Z3墙离地2m和4m处；2只第二温度传感器布置在Z1墙靠弧廊端处，4只第二温度传感器布置在Z3墙短标尺处，4只第二温度传感器布置在第二滑台上，2只第二温度传感器沿导轨长度方向随机布置在导轨上，温度传感器布局如图5所示。

参考图1、图2，本发明的激光干涉仪测量***的测量原理为，标准激光干涉仪5、待测激光干涉仪51的激光头发出激光，激光入射到对应的干涉镜组6中，干涉镜组6包含分光镜和反射镜，激光经分光镜被分为两束，一束作为参考光被反射镜反射回分光镜中，另一束作为测量光入射到角隅反射器8中，经角隅反射器8反射到对应的反射镜组7中，经反射镜组7反射，回到角隅反射器8中，再次经角隅反射器8反射，回到干涉镜组6的分光镜中，测量光与参考光在干涉镜组6中发生干涉，干涉光入射到标准激光干涉仪5、待测激光干涉仪51的探测器中，探测器探测干涉光信号的变化数据。

本发明的激光干涉仪测量***在测量过程中，第一滑台3固定在导轨1上，通过移动第二滑台4，干涉光信号发生变化，干涉光信号的变化数据反映了第二滑台4位移的变化情况；通过反射镜组7配合角隅反射器8，激光干涉仪的光程增加了一倍，这样在较短距离的室内就可对测量范围较大的仪器进行检定；三台标准激光干涉仪5的光路在空间上相互平行，在第二滑台4的移动过程中，三台标准激光干涉仪5的光程同时增加或减小，空气温度、湿度和压力对光路的影响几乎一致，并且三台标准激光干涉仪5呈三角形布置，缩短了待测激光干涉仪51出射的激光与三台标准激光干涉仪5出射的激光之间的距离，此时经过补偿的标准激光干涉仪5的激光光路上的空气折射率与待测激光干涉仪51的激光光路上的空气折射率几乎一致，消除了测量过程中产生的阿贝误差。

在激光干涉仪测量范围内，由自动控制***控制导轨滑台的运动和自动闭环反馈控制激光干涉仪的数据，实现增程***的高精度定位；增程***的驱动采用无级调速的方式，使滑台具有快速移动能力。

本发明还提供了室内大长度标准装置量值传递中的增程方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1：开启标准激光干涉仪5、待测激光干涉仪51，对激光干涉仪对光；调整增程***中的各镜组与角隅反射器8，使标准激光干涉仪5、待测激光干涉仪51的光学中心分别与对应的干涉镜组6的光学中心保持一致，并使反射镜组7与角隅反射器8能够接收并反射激光干涉仪发出的激光。

三台标准激光干涉仪5的激光头发出在空间上相互平行的激光，激光在空间上形成三棱柱形，激光经对应的干涉镜组6入射到对应的角隅反射器8中，经角隅反射器8反射到对应的反射镜组7中，经反射镜组7反射，回到角隅反射器8中，再次经角隅反射器8反射，回到干涉镜组6中，在干涉镜组6中发生干涉，干涉光入射到三台标准激光干涉仪5的探测器中，激光经反射镜组7和角隅反射器8反射，光程增加了一倍。

待测激光干涉仪51的激光头发出的激光位于三棱柱形空间内，并且激光光路与标准激光干涉仪5的激光光路平行，待测激光干涉仪51发出的激光同样经干涉镜组6、角隅反射器8反射到反射镜组7中，经反射镜组7反射，回到角隅反射器8中，再次经角隅反射器8反射，回到干涉镜组6中，在干涉镜组6中发生干涉，干涉光入射到待测激光干涉仪51的探测器中，激光经反射镜组7和角隅反射器8反射，光程增加了一倍。

S2：开启抽湿***、空调***，将室内空气湿度、空气温度控制到预设的范围内。

S3：确定采样频率、采样间隔，采集标准激光干涉仪5、待测激光干涉仪51的位移数据；采集过程中，保持第一滑台3不动，由自动控制***控制第二滑台4沿x轴移动，每隔1m采集一次位移数据，直至采集完所有的位移数据；ptf环境中，第一温度传感器测量室内空间温度、第二温度传感器测量被测件材料温度、气压温度传感器测量空气压力、湿度传感器测量空气湿度；采集过程中，根据各传感器的温度、湿度、压力测量值，采用Edlen公式实时修正ptf环境条件下的激光干涉仪的数值，得到每个测量位置处激光干涉仪的测量值。

S4：分析采集的位移数据；将三台标准激光干涉仪5光路上每个测量位置处测得位移的平均值作为标称值，将标称值与待测激光干涉仪51光路上每个测量位置处位移的实测值进行比对，得出待测激光干涉仪51的测量误差，判断待测激光干涉仪51的测量误差是否在最大允许误差要求的范围内，从而判断待测激光干涉仪51是否满足要求。

例如，采用上述方法对测量范围为80m的待测激光干涉仪检定过程中，激光干涉仪的不确定度满足U≤1/2MPE(MPE：最大允许误差)，取MPE＝15μm+6μm×L(L：导轨长度)，在导轨50m处，MPE＝315μm，取U＝150μm；设定采样间隔为1m，对52m长的导轨进行53次采样，标准激光干涉仪测得位移的标称值和待测激光干涉仪测得位移的实测值如表1所示，激光干涉仪测量误差与测量位置的关系如图4所示。

表1标准激光干涉仪和待测激光干涉仪的位移测量值

导轨长度为52m，由于激光光程增加了一倍，激光光程为104m，激光光程与第二滑台移动的距离呈2倍关系，标称值为0m位置的最大允许误差为0.5μm，标称值为2m位置的最大允许误差为1.5μm，以此类推，标称值每增加2m，最大允许误差增加1μm，分析表1可知，除激光光程为4m、6m、8m处测量位置的误差超出最大允许误差范围外，其余测量位置的测量误差在最大允许误差范围内，因此，待测激光干涉仪满足要求。

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种室内大长度标准装置量值传递中的增程***，其特征在于，包括：激光干涉仪测量***、长标尺导轨***、自动控制***和环境***；

所述环境***包括自动调控室内湿度的抽湿***、自动调控室内温度的空调***和ptf环境测量与补偿***；

所述长标尺导轨***包括导轨(1)，所述导轨(1)的两端设置有仪器架设平台(2)，所述导轨(1)的表面设置有第一滑台(3)和第二滑台(4)，所述第一滑台(3)布置在仪器架设平台(2)和第二滑台(4)之间，所述第一滑台(3)和第二滑台(4)上分别设置有多个固定激光干涉仪镜组的镜组固定架(9)；

所述激光干涉仪测量***包括三台标准激光干涉仪(5)、一台待测激光干涉仪(51)，每台激光干涉仪均配有干涉镜组(6)、反射镜组(7)和角隅反射器(8)；所述标准激光干涉仪(5)安装在仪器架设平台(2)上，所述待测激光干涉仪(51)安装在通过三脚架(10)安装在导轨(1)的一侧，所述干涉镜组(6)和反射镜组(7)通过镜组固定架(9)平行布置在第一滑台(3)上，所述干涉镜组(6)位于标准激光干涉仪(5)与反射镜组(7)之间，所述反射镜组(7)的高度低于干涉镜组(6)的高度，所述角隅反射器(8)通过镜组固定架(9)平行布置在第二滑台(4)上；

所述标准激光干涉仪(5)、待测激光干涉仪(51)的激光头发出激光，激光入射到对应的干涉镜组(6)中，所述干涉镜组(6)包含分光镜和反射镜，激光经分光镜被分为两束，一束作为参考光被反射镜反射回分光镜中，另一束作为测量光入射到角隅反射器(8)中，经角隅反射器(8)反射到对应的反射镜组(7)中，经反射镜组(7)反射，回到角隅反射器(8)中，再次经角隅反射器(8)反射，回到干涉镜组(6)的分光镜中，测量光与参考光在干涉镜组(6)中发生干涉，干涉光入射到标准激光干涉仪(5)、待测激光干涉仪(51)的探测器中，探测器探测干涉光信号的变化数据。

2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述仪器架设平台(2)分为两层，第一层布置有两台标准激光干涉仪(5)，第二层布置有一台标准激光干涉仪(51)，所述待测激光干涉仪(51)布置在三台标准激光干涉仪(5)形成的三角形范围内。

3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述ptf环境测量与补偿***包括：多只温度传感器组成的温度测量***、多只气压温度传感器组成的空气压力测量***、以及多只湿度传感器组成的空气湿度测量***；其中，温度测量***包括多只第一温度传感器组成的空间温度均匀性测量***和多只第二温度传感器组成的被测件材料温度检测***；温度传感器的布置方式为：28只第一温度传感器沿激光光路沿线间隔2m布置于Z1墙上，2只第一温度传感器布置于Z3墙离地2m和4m处；2只第二温度传感器布置在Z1墙靠弧廊端处，4只第二温度传感器布置在Z3墙短标尺处，4只第二温度传感器布置在第二滑台上，2只第二温度传感器沿导轨长度方向随机布置在导轨上。

4.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述角隅反射器(8)的测量精度为0.2″，测量直径为100mm，所述角隅反射器(8)的表面镀有黄色镀膜。

5.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述导轨(1)设置在导轨地基上，所述导轨(1)的长度为57m，运行噪音小于40dB，由多根花岗石导轨拼接而成，每根花岗石导轨的截面尺寸不小于600mm×500mm，所述导轨(1)可承受的重量≥150kg，所述导轨(1)的直线度误差不大于0.03mm/m、0.05mm/4m、0.10mm/20m、0.25mm/57m，平面度误差不大于0.03mm/m、0.08mm/4m、0.12mm/20m、0.30mm/57m。

6.根据权利要求1所述的***，其特征在于，所述第一滑台(3)和第二滑台(4)均可沿导轨(1)滑动；所述镜组固定架(9)的位置、高度均可调节。

7.一种室内大长度标准装置量值传递中的增程方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：开启标准激光干涉仪(5)、待测激光干涉仪(51)，对激光干涉仪对光；调整增程***中的各镜组与角隅反射器(8)，使标准激光干涉仪(5)、待测激光干涉仪(51)的光轴分别与对应的干涉镜组(6)的光学中心保持一致，并使反射镜组(7)与角隅反射器(8)能够接收并反射激光干涉仪发出的激光；

S2：开启抽湿***、空调***，将室内空气湿度、空气温度控制到预设的范围内；

S3：确定采样频率、采样间隔，采集标准激光干涉仪(5)、待测激光干涉仪(51)的位移数据；

S4：分析采集的位移数据，判断待测激光干涉仪(51)是否满足要求。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S3具体为：保持第一滑台(3)不动，由自动控制***控制第二滑台(4)沿x轴移动，每隔1m采集一次位移数据，直至采集完所有的位移数据。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S3中，根据各传感器的温度、湿度、压力测量值，采用Edlen公式实时修正ptf环境条件下的激光干涉仪的数值，得到每个测量位置处激光干涉仪的测量值。

10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述S4具体为：将三台标准激光干涉仪(5)光路上每个测量位置处测得位移的平均值作为标称值，将标称值与待测激光干涉仪(51)光路上每个测量位置处位移的实测值进行比对，得出待测激光干涉仪(51)的测量误差，判断待测激光干涉仪(51)的测量误差是否在最大允许误差要求的范围内，从而判断待测激光干涉仪(51)是否满足要求。

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