傳感器是將各種參量送入計算機系統(tǒng)，進行智能監(jiān)測、控制的最前端。隨著科技的發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡化傳感器應用日益廣泛，以其傳統(tǒng)方式不可比擬的優(yōu)勢漸漸成為技術的趨勢和主流。

近年來，新一代功率半導體器件大量進入電力電子、交流變頻調(diào)速、逆變裝置及開關電源等領域。原有的電流、電壓檢測元件已不適應中高頻、高di/dt電流波形的傳遞和檢測�；魻栯娏�、電壓傳感器/變送器模塊是近十幾年發(fā)展起來的測量控制電流、電壓的新一代工業(yè)用電量傳感器，是一種新型的高性能電氣檢測元件。

霍爾電流、電壓傳感器/變送器模塊具有優(yōu)越的電性能，是一種先進的、能隔離主電路回路和電子控制電路的電檢測元件。它綜合了互感器和分流器的所有優(yōu)點，同時又克服了互感器和分流器的不足（互感器只適用于50Hz工頻測量；分流器無法進行隔離測量）。利用同一只霍爾電流電壓傳感器/變送器模塊檢測元件既可以檢測交流也可以檢測直流，甚至可以檢測瞬態(tài)峰值，因而是替代互感器和分流器的新一代產(chǎn)品。

1、向高精度發(fā)展：

隨著自動化生產(chǎn)程度的不斷提高，對傳感器的要求也在不斷提高，必須研制出具有靈敏度高、精確度高、響應速度快、互換性好的新型傳感器以確保生產(chǎn)自動化的可靠性。目前能生產(chǎn)萬分之一以上的傳感器的廠家為數(shù)很少，其產(chǎn)量也遠遠不能滿足要求。

2、向高可靠性、寬溫度范圍發(fā)展：

傳感器的可靠性直接影響到電子設備的抗干擾等性能，研制高可靠性、寬溫度范圍的傳感器將是永久性的方向。提高溫度范圍歷來是大課題，大部分傳感器其工作范圍都在-20℃～70℃，在軍用系統(tǒng)中要求工作溫度在-40℃～85℃范圍，而汽車鍋爐等場合要求傳感器的溫度要求更高，因此發(fā)展新興材料（如陶瓷）的傳感器將很有前途。

各種控制儀器設備的功能越來越大，要求各個部件體積能占位置越小越好，因而傳感器本身體積也是越小越好，這就要求發(fā)展新的材料及加工技術，目前利用硅材料制作的傳感器體積已經(jīng)很小。如傳統(tǒng)的加速度傳感器是由重力塊和彈簧等制成的，體積較大、穩(wěn)定性差、壽命也短，而利用激光等各種微細加工技術制成的硅加速度傳感器體積非常小、互換性可靠性都較好。

4、向微功耗及無源化發(fā)展：

傳感器一般都是非電量向電量的轉化，工作時離不開電源，在野外現(xiàn)場或遠離電網(wǎng)的地方，往往是用電池供電或用太陽能等供電，開發(fā)微功耗的傳感器及無源傳感器是必然的發(fā)展方向，這樣既可以節(jié)省能源又可以提高系統(tǒng)壽命。目前，低功耗損的芯片發(fā)展很快，如T12702運算放大器，靜態(tài)功耗只有1.5µA，而工作電壓只需2～5V。

5、向智能化數(shù)字化發(fā)展：

隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，傳感器的功能已突破傳統(tǒng)的功能，其輸出不再是一個單一的模擬信號（如0～10mV），而是經(jīng)過微電腦處理好后的數(shù)字信號，有的甚至帶有控制功能，這就是所說的數(shù)字傳感器。

國內(nèi)傳感器技術起步晚，發(fā)展較慢，因此和美國、日本等發(fā)達國家產(chǎn)生了一定的差距。國內(nèi)和國外的敏感元件與傳感器作為信息系統(tǒng)的要害基礎元器件，在國外一直得到了高度重視，很多發(fā)達國家為了奪取未來經(jīng)濟發(fā)展制高點，大力投入人力、物力和財力來發(fā)展它。國外在敏感元件與傳感器的研究、開發(fā)、生產(chǎn)和應用主要表現(xiàn)為：①自動化技術中經(jīng)典的傳感囂正在被新材料、新原理、多功能、微結構所取代；②與數(shù)字化技術、通信技術的緊密結合；③集成化、智能化和微型化進展。
近幾年來，國內(nèi)的新興傳感器企業(yè)越來越多，國內(nèi)產(chǎn)品的市場額份雖然也在逐漸提高，但國外產(chǎn)品大面積傾入國內(nèi)市場的力量仍然不容忽視。如何加強國內(nèi)企業(yè)自身優(yōu)勢，提高我們的傳感器技術成為了業(yè)內(nèi)人士關注的焦點。

霍爾電流傳感器的應用：

方案：測電壓輸出信號

以零磁通閉環(huán)產(chǎn)品為例（主要依據(jù)霍爾效應原理）

當原邊導線經(jīng)過電流傳感器時，原邊電流ip會產(chǎn)生電磁力線，原邊磁力線集中在磁芯氣隙周圍，內(nèi)置在磁芯氣隙中的霍爾墊片可產(chǎn)生和原邊磁力線成正比的，大小僅為幾毫伏的感應電壓，通過后續(xù)電子電路可把這個微小的信號轉變成副邊電流is，并存在以下關系式：is/ns=ip/np

詳細見附錄A

                                霍爾電流傳感器的應用-測電壓輸出信

隨著城市人口和建設規(guī)模的擴大，各種用電設備的增多，用電量越來越大，城市的供電設備經(jīng)常超負荷運轉，用電環(huán)境變得越來越惡劣，對電源的“考驗”越來越嚴重。據(jù)統(tǒng)計，每天，用電設備都要遭受120次左右各種的電源問題的侵擾，電子設備故障的60%來自電源.因此，電源問題的重要性日益凸顯出來。原先作為配角，資金投入較少的電源越來越受到廠商和研究人員的重視，電源技術遂發(fā)展成為一門嶄新的技術。
　　而今，小小的電源設備已經(jīng)融合了越來越多的新技術。例如開關電源、硬開關、軟開關、參數(shù)穩(wěn)壓、線性反饋穩(wěn)壓、磁放大器技術、數(shù)控調(diào)壓、PWM、SPWM、電磁兼容等等。實際需求直接推動電源技術不斷發(fā)展和進步，為了自動檢測和顯示電流，并在過流、過壓等危害情況發(fā)生時具有自動保護功能和更高級的智能控制，具有傳感檢測、傳感采樣、傳感保護的電源技術漸成趨勢，檢測電流或電壓的傳感器便應運而生并在我國開始受到廣大電源設計者的青睞。

閉環(huán)霍爾電流傳感器是用霍爾器件作為核心敏感元件、用于隔離檢測電流的模塊化產(chǎn)品，其工作原理是霍爾磁平衡式的 ( 或稱霍爾磁補償式、霍爾零磁通式 ) 。眾所周知，當電流流過一根長的直導線時，在導線周圍產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導線的電流的大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進行檢測，由于磁場的變化與霍爾器件的輸出電壓信號有良好的線性關系，因此，可以用測得的輸出信號，直接反應導線中電流的大小，即 I ∝ B ∝ VH ，式中 I 為通過導線中的電流； B 為導線通電流后產(chǎn)生的磁感應強度； VH 為霍爾器件在磁場中產(chǎn)生的霍爾電壓。 選擇適當?shù)谋壤�系�?shù)，上述關系可表示為等式。 對于霍爾輸出電壓 VH 的處理，人們設計了許多種電路，但總體來講可分為兩類：一類為開環(huán) ( 或稱直測式、直檢式 ) 霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)(或稱零磁通式、磁平衡式 ) 霍爾電流傳感器。閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理是磁平衡式的．即原邊電流 (IN) 所產(chǎn)生的磁場通過一個副邊線圈的電流 (IM) 所產(chǎn)生的磁場進行補償．使霍爾器件始終處于檢測零磁通的工作狀態(tài)。

電流傳感器的輸出信號是副邊電流is，它與輸入信號（原邊電流ip)成正比，is一般很小，只有10～400ma。如果輸出電流經(jīng)過測量電阻rm，總可以得到一個與原邊電流成正比的大小為幾伏的電壓輸出信號。

技術要求：

1.va指電流傳感器供電電壓，它必須在傳感器所規(guī)定的范圍內(nèi)。超過此范圍，傳感器不能正常工作或可靠性降低。

2.測量范圍ipmax一般高于標準額定值inp。

電流傳感器的主要計算公式如下：
    NPIP=NSIS；   計算原邊或副邊電流
    VM=RMI；     計算測量電壓
    VS=RSIS；     計算副邊電壓
    VA=e+VS+VM；  計算供電電壓
    其中，e是二極管內(nèi)部和晶體管輸出的壓降，不同型號的傳感器有不同的e值。這里我們僅以HNC-300LT為例，這種傳感器的匝數(shù)比NP/NS=1/2000、標準額定電流值IPN=300A rms 、供電電壓VA的范圍為±12V~±15V（±5%）、副邊電阻RS=30Ω ，在雙極性（±VA）供電，其傳感器測量量程>100A且無防止供電電源意外倒置的保護二極管的情況下，e=1V。在上述條件下：
   （1）給定供電電壓VA，計算測量電壓VM和測量電阻RM：
    假設：供電電壓VA=±15V
    根據(jù)上述公式得：
    測量電壓VM=9.5V；
    測量電阻RM=VM/IS =63.33Ω；
     副邊電流IS=0.15A。
    所以當我們選用63.33Ω的測量電阻時，在傳感器滿額度測量時，其輸出電流信號為0.15A ，測量電壓為9.5V。
  （2）給定供電電壓和測量電阻，計算欲測量的峰值電流；
   假設：供電電壓VA=±15V，測量電阻RM=12Ω，
    則：VM+VS=（RM+RS）×IS =VA-e=14V
    而：RM+RS=12W+30W=42W，
    則最大輸出副邊電流：ISmax= 0.333A
    原邊峰值電流：IPmax=ISmax(NS/NP)=666A
    這說明，在上述條件下，傳感器所能測量的最大電流即原邊峰值電流為666A。如果原邊電流大于此值，傳感器雖測量不出來，但傳感器不會被損壞。
  （3）測量電阻（負載電阻）能影響傳感器的測量范圍。
   測量電阻對傳感器測量范圍也存在影響，所以我們需要精心選擇測量電阻。用下式可計算出測量電阻：
   其中，VAmin—扣除誤差后的最小供電電壓；
   e—傳感器內(nèi)部晶體管的電壓降；
  RS—傳感器副邊線圈的電阻；
   ISmax—原邊電流IP為最大值時的副邊電流值。
   另外我們可以通過下式確認所選傳感器的穩(wěn)定性。
    如果VAmin不符合上式，則會造成傳感器的不穩(wěn)定。一旦出現(xiàn)這種情況，我們可以有以下三種方法克服：
    1）更換電壓更大的供電電源；
    2）減小測量電阻的值；
    3）將傳感器更換成RS較小的傳感器。
   例如，某種型號的電流傳感器，其標準額定電流IPN=1000A，匝數(shù)比NP/NS=1/2000，e值為1.5V，副邊電阻RS=30Ω，測量電阻RM=15W，用15V電源單極性供電。則VA=30V（單極性供電是雙極性供電的2倍）， 而：
    IS=IP×NP/NS =0.5A   
    VS=RS×IS=15V
    VM=RM×IS=7.5V
    =24V<30V
    通過以上檢驗，可知這種傳感器在此條件下測量能保證穩(wěn)定性。它所能測量的原邊電流的最大值（即測量范圍）=1267A

除了安裝接線、即時標定校準、注意傳感器的工作環(huán)境外，通過下述方法還可以提高測量精度：

　　1、原邊導線應放置于傳感器內(nèi)孔中心，盡可能不要放偏；

　　2、原邊導線盡可能完全放滿傳感器內(nèi)孔，不要留有空隙；

　　3、需要測量的電流應接近于傳感器的標準額定值IPN，不要相差太大。如條件所限，手頭僅有一個額定值很高的傳感器，而欲測量的電流值又低于額定值很多，為了提高測量精度，可以把原邊導線多繞幾圈，使之接近額定值。例如當用額定值100A的傳感器去測量10A的電流時，為提高精度可將原邊導線在傳感器的內(nèi)孔中心繞十圈（一般情況，NP=1；在內(nèi)孔中繞一圈，NP=2；……；繞九圈，NP=10，則NP×10A=100A與傳感器的額定值相等，從而可提高精度）；

　　4、當欲測量的電流值為IPN/10的時，在25℃仍然可以有較高的精度。

2.5霍爾電流傳感器主要特性參數(shù)
1、標準額定值IPN和額定輸出電流ISN
　　IPN指電流傳感器所能測試的標準額定值，用有效值表示（A.r.m.s），IPN的大小與傳感器產(chǎn)品的型號有關。 ISN指電流傳感器額定輸出電流，一般為10~400mA，當然根據(jù)某些型號具體可能會有所不同。

2、 偏移電流ISO

偏移電流也叫殘余電流或剩余電流，它主要是由霍爾元件或電子電路中運算放大器工作狀態(tài)不穩(wěn)造成的。電流傳感器在生產(chǎn)時，在25℃，IP=0時的情況下，偏移電流已調(diào)至最小，但傳感器在離開生產(chǎn)線時，都會產(chǎn)生一定大小的偏移電流。產(chǎn)品技術文檔中提到的精度已考慮了偏移電流增加的影響。

3、 線性度

線性度決定了傳感器輸出信號（副邊電流IS）與輸入信號（原邊電流IP）在測量范圍內(nèi)成正比的程度，南京中旭電子科技有限公司的電流傳感器線性度要優(yōu)于0.5%。

4、 溫度漂移

偏移電流ISO是在25℃時計算出來的，當霍爾電極周邊環(huán)境溫度變化時，ISO會產(chǎn)生變化。因此，考慮偏移電流ISO的最大變化是很重要的，其中，IOT是指電流傳感器性能表中的溫度漂移值。

5、 過載

電流傳感器的過載能力是指發(fā)生電流過載時，在測量范圍之外，原邊電流仍會增加，而且過載電流的持續(xù)時間可能很短，而過載值有可能超過傳感器的允許值，過載電流值傳感器一般測量不出來，但不會對傳感器造成損壞。

6、 精度

霍爾效應傳感器的精度取決于標準額定電流IPN。在+25℃時，傳感器測量精度與原邊電流有一定影響，同時評定傳感器精度時還必須考慮偏移電流、線性度、溫度漂移的影響。

2.6傳感器的抗干擾性
　�。�1）電磁場

　　　霍爾效應電流傳感器，利用了原邊導線的電磁場原理。因此下列因素直接影響傳感器是否受外部電磁場干擾。

(2)傳感器附近的外部電流大小及電流頻率是否變化；

(3)外部導線與傳感器的距離、外部導線的形狀、位置和傳感器內(nèi)霍爾電極的位置；

(4)安裝傳感器所使用的材料有無磁性；

　　(5)所使用的電流傳感器是否屏蔽；

　 為了盡量減小外部電磁場的干擾，最好按上述要求安裝傳感器。

1可測量任意波形的電流�；魻栯娏鱾鞲衅髂�塊可以測量任意波形的電流參量，如直流、交流和脈沖波形等。也可以對瞬態(tài)峰值參數(shù)進行測量，其副邊電路可以忠實地反映原邊電流的波形。這一點普通互感器無法與其相比，因為普通的互感器一般只適用于50Hz的正弦波；
    2精度高。一般的霍爾電流傳感器模塊在工作區(qū)域內(nèi)的精度優(yōu)于1%，該精度適合于任何波形的測量，而普通互感器精度一般為3%～5%，且只適合于50Hz的正弦波形；
    3線性度優(yōu)于0.5%；
    4動態(tài)性能好。一般霍爾傳感器模塊的動態(tài)響應時間小于7μs，跟蹤速度di/dt高于50A/μs；
霍爾電流傳感器模塊以其優(yōu)異的動態(tài)性能為提高現(xiàn)代控制系統(tǒng)的性能提供了關鍵的基礎（無感元件）。一般普通互感器的動態(tài)響應時間為10～20μs，這顯然已不適應工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展的需要（感性元件）；
    5工作頻帶寬�？稍�0～20kHz頻率范圍內(nèi)很好地工作；
    6過載能力強，測量范圍大（0～±10000A）
    7可靠性高，平均無故障工作大于5×10000小時；
    8尺寸小，重量輕，易于安裝且不會給系統(tǒng)帶來任何損失。

2.8霍爾電流傳感器的應用
    1繼電保護與測量 ：在工業(yè)應用中，來自高壓三相輸電線路電流互感器的二次電流，如分別經(jīng)三只霍爾電流傳感器，按比例轉換成毫伏電壓輸出，然后再經(jīng)運算放大器放大及有源濾波，得到符合要求的電壓信號，可送微機進行測量或處理。在這里使用霍爾電流傳感器可以很方便地實現(xiàn)了無畸變、無延時的信號轉換。  
    2、在直流自動控制調(diào)速系統(tǒng)中的應用 ：在直流自動控制調(diào)速系統(tǒng)中，用霍爾電流電壓傳感器可以直接代替電流互感器，不僅動態(tài)響應好，還可實現(xiàn)對轉子電流的最佳控制以及對晶閘管進行過載保護。
    3、在逆變器中的應用： 在逆變器中，用霍爾電流傳感器可進行接地故障檢測、直接側和交流側的模擬量傳感，以保證逆變器能安全工作。  
    4、在不間斷電源中的應用： 在該應用中，用霍爾電流傳感器進行控制，保證逆變電源正常工作。使用霍爾電流傳感器1發(fā)出信號并進行反饋，以控制晶閘管的觸發(fā)角，霍爾電流傳感器2發(fā)出的信號控制逆變器，霍爾電流傳感器3控制浮充電源。由于其響應速度快，霍爾電流傳感器特別適用于計算機中的不間斷電源。
    5、在電子點焊機中的應用 ：在電子點焊機電源中，霍爾電流傳感器起測量和控制作用。它的快速響應能再現(xiàn)電流、電壓波形，將它們反饋到可控整流器A、B，可控制其輸出。用斬波器給直流迭加上一個交流，可更精確地控制電流。用霍爾電流傳感器進行電流檢測，既可測量電流的真正瞬時值，又不致引入損耗。  
    6、用于電車斬波器的控制： 電車中的調(diào)速是由調(diào)整電壓實現(xiàn)的。而將霍爾電流傳感器和其它元件配合使用，并將傳感器的所有信號輸入控制系統(tǒng)，可確保電車正常工作。  
    7、在交流變頻調(diào)速電機中的應用： 用變頻器來對交流電機實施調(diào)速，在世界各發(fā)達國家已普遍使用，且有取代直流調(diào)速的趨勢。用變頻器控制電機實現(xiàn)調(diào)速，可節(jié)省10％以上的電能。在變頻器中，霍爾電流傳感器的主要作用是保護昂貴的大功率晶體管。由于霍爾電流傳感器的響應時間往往小于5μs，因此，出現(xiàn)過載短路時，在晶全管未達到極限溫度之前即可切斷電源，使晶體管得到可靠的保護。  
    8、用于電能管理： 霍爾電流傳感器，可安裝到配電線路上進行負載管理�；魻栯娏鱾鞲衅鞯妮敵龊陀嬎銠C連接起來，對用電情況進行監(jiān)控，若發(fā)現(xiàn)過載，便及時使受控的線路斷開，保證用電設備的安全。用這種裝置，也可進行負載分配及電網(wǎng)的遙控、遙測和巡檢等。  
    9、在接地故障檢測中的應用： 在配電和各種用電設備中，可靠的接地是保證配電和用電設備安全的重要措施。采用霍爾電流傳感器來進行接地故障的自動監(jiān)測，可保證用電安全。
    10、在電網(wǎng)無功功率自動補償中的應用： 電力系統(tǒng)無功功率的自動補償，是指補償容量隨負荷和電壓波動而變化，及時準確地投入和切除電容器，避免補償過程中出現(xiàn)過補償和欠補償?shù)牟缓侠砗筒唤?jīng)濟，使電網(wǎng)的功率因數(shù)始終保持最佳。無功功率的自動采樣若用霍爾電流、電壓傳感器來進行，由于它們的響應速度快，且無相位差，在保證“及時、準確”上會具有顯著的優(yōu)點。
    11、霍爾鉗形電流表： 將磁芯做成張合結構，在磁芯開口處放置霍爾器件，將環(huán)形磁芯夾在被測電流流過的導線外，即可測出其中流過的電流。這種鉗形表既可測交流也可測直流。用鉗形表可對各種供電和用電設備進行隨機電流檢測。 12、電功率測量 ：將負載電壓進行變換，令其與霍爾器件的工作電流成比例，將負載電流通入磁芯繞組中，作為霍爾電流傳感器的被測電流，霍爾電流傳感器輸出的霍爾電壓即可指示功率，以構成霍爾功率計。
    12、在力工頻諧波分析儀中的應用 ：在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的諧波含量一般用電力工頻諧波儀來進行測試。為了將被測電壓和電流變換成適合計算機A/D采樣的電壓，人們曾將各種電力工頻諧波分析儀的取樣裝置，如電流互感器、電壓互感器、電阻取樣與光隔離耦合電路等和霍爾電流傳感取樣測試對比，結果表明霍爾電流傳感器最為適用。

13、開關電源中的應用 ：近代出現(xiàn)的開關電源，是將電網(wǎng)的非穩(wěn)定的交流電壓變換成穩(wěn)定的直流電壓輸出的功率變換裝置。無論是電壓控制型還是電流控制型開關電源，均采用脈沖寬度調(diào)制，借助驅動脈沖寬度與輸出電壓幅值之間存在的某種比例關系來維持恒壓輸出。其中，寬度變化的脈沖電壓或電流的采樣、傳感等均需用電流、電壓傳感器來完成�；魻栯娏�、電壓傳感器以其頻帶寬、響應時間快以及安裝簡便而成為首選的電流、電壓傳感器。  
    14、在大電流檢測中的應用 ：在冶金、化工、超導體的應用以及高能物理（例如可控核聚變）試驗裝置中都有許多超大型電流用電設備。用多霍爾探頭制成的電流傳感器來進行大電流的測量和控制，既可滿足測量準確的要求，又不引入插入損耗，還免除了像使用羅果勘斯基線圈法中需用的昂貴的測試裝置。圖47示出一種用于DⅢ－D托卡馬克中的霍爾電流傳感器裝置。采用這種霍爾電流傳感器，可檢測高達到300kA的電流。   
    15、用作電磁隔離耦合器： 用霍爾電流傳感器的工作原理，可做成電磁耦合器。用初級線圈的電流控制霍爾器件的輸出，用這個輸出信號控制其它的電路，既收到隔離的效果，又達到耦合的目的。用這種電路可做成霍爾繼電器、過載保護器、通信線路的保護開關等等。 這種電磁耦合器既可做成開關式，也可做成模擬量輸出式。

在城市用電設備增多，農(nóng)村供電設備老化欠修的情況下，城鄉(xiāng)各地經(jīng)常會出現(xiàn)電壓不穩(wěn)、電路短路、過流等現(xiàn)象，結果造成人民生活不便和儀器損毀。在電源技術中使用傳感檢測功能可以使電源設備更加小型化、智能化和安全可靠。
電源技術發(fā)展到今天，已融合了電子、功率集成、自動控制、材料、傳感、計算機、電磁兼容、熱工等諸多技術領域的精華，我們有理由相信，在21世紀的電源技術中，傳感器也將發(fā)揮著至關重要的作用，所以對電流傳感器的應用和設計開發(fā)，傳感器工作者應該給予足夠重視。
     霍爾電流傳感器因其型號多，量程寬（電流5~10000A；電壓5~5000V）、高精度、靈敏度高、線性度好、規(guī)范、易安裝、抗干擾能力強、質(zhì)量可靠、平均無故障時間MTBF長等優(yōu)點，在各個領域特別是在機車牽引和工業(yè)應用領域中值得用戶信賴。

電流傳感器的主要計算公式:

NPIP=NSIS；   計算原邊或副邊電流
VM=RMI；      計算測量電壓
VS=RSIS；     計算副邊電壓
VA=e+VS+VM；  計算供電電壓

is/ns=ip/np

is-副邊電流

ip-原邊電流

    np-原邊線圈匝數(shù)

    ns-副邊線圈匝數(shù)

    np比/ns-匝數(shù)，一般取np=1

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