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3传感器
第六章传感器
一、传感器及其工作原理
【要点导学】
1、传感器作是自动控制系统的重要元件,它的功能是将非电学量转化为电学量,配合电子线路实现自动控制。
本节学习传感器的概念,常用传感器及其工作原理。
2、什么是传感器?
图6-1-1
传感器与人们的生活密不可分,当我们进入宾馆时,自动感应门会自动打开,当我们洗手间后冲水机会自动开启。
即使是在自己家中,冰箱的自动温控,洗衣机的自动运转等都离不开传感器的应用。
自动控制可以省去很多人力,从而极大地提高生产力。
如何才能实现自动控制?
要实现自动控制,首先需要将非电学信号(如力、温度、光、声、化学成分等)转变为电信号,再经过电子线路处理后形成处理后的信号,此信号可以直接控制被控制对象的动作,其流程见图6-6-1。
具体而言,力传感器可以将力信号转化为电信号;温度传感器可以将温度信号转化为电信号;光传感器可以将转化为;声传感器可以将转化为;而化学传感器将转化为。
通过以上分析,我们可以将传感器定义为:
传感器是将转化为的元件。
3、常用传感器及其工作原理
根据传感器工作原理,可分为物理传感器和化学传感器二大类。
物理传感器应用的是物理效应,如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器。
不论是物理传感器还是化学传感器,被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
(一)光敏电阻
图6-1-2
1、光敏电阻是将转化为的传感器,属于物理传感器。
2、通常的光敏电阻是由化学物质硫化镉、硒化镉、碲化镉等材料制成,其外形结构如图6-1-2。
3、用欧姆表测量光敏电阻的阻值,实验表明:
光敏电阻不受光照射时电阻值较;受到光照射时电阻值较;光照强度越大时,光敏电阻的阻值越。
4、光敏电阻具有上述电阻特性的原因直接归结于半导体的导电特性。
半导体中的载流子是指自由电子和。
当有光照射半导体时,半导体中有较多的电子获得能量成为自由电子,同时也形成更多的,于是导电性能明显增强。
(二)热敏电阻和金属热电阻
1、热敏电阻是将转化为的传感器,属于物理传感器。
2、金属电阻传感器:
当温度升高时,金属中的自由电子在定向迁移过程中受到的阻碍作用,因此金属的电阻率随温度升高而。
利用金属丝可以作为温度传感器,称为。
图6-1-3
图6-1-4
3、热敏电阻:
热敏电阻专指某些半导体材料做成的电阻,它导电性能随温度升高而明显增强,即随温度的升高其电阻明显,因此作为温度传感器使用。
图6-1-3为热敏电阻的实物图,图6-1-4为其电阻随温度变化的曲线,横轴Rt/R25为t0C时的电阻与250C时电阻的比值。
(三)电容式传感器
图6-1-5
平行板电容器的电容C=∝εS/d,式中ε为反应介质的电学性质的物理量,称为介电常数,S为两极板的,d为极板间的,这三个量中任何一个量的变化,都将导致电容器的电容C发生变化,在电子线路中,电容C的变化必然导致电流或电压的变化,因此电容器可以将上述三个非电学量的变化转变成电信号,因此电容器也可以作为使用。
(四)霍尔元件
1、霍耳效应:
如图6-1-5所示,将一半导体板放在垂直于它的磁场中,当有电流沿x通过它时,在半导体的前后两个面之间(y方向上)会产生一个电势差,这种现象叫做霍耳效应。
图6-1-6
2、霍耳效应原理:
霍耳效应的产生,从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力作用而引起的偏转,当带电粒子(电子或空穴)被约束在固体材料中,这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷的积累,从而形成附加的横向电场。
在半导体中,P型半导体的靠空穴导电的,N型半导体是靠电子导电的,根据磁场对运动电荷的作用力原理,可见图6-1-5所示的半导体是型半导体。
3、霍耳电压:
在霍耳效应中产生的电势差叫做霍耳电压UH。
设薄板在xyz三个方向上的长度分别为x、y、z,根据力平衡原理Eq=Bqv,由电流的微观机理I=nqsv=nqzyv可得霍耳电压为UH=Ey=BI/nqz=KIB/d,式d为薄板的厚度(Z方向上即B方向上的长度),K=1/nq。
上式说明,对于给定的霍尔元件,由于nq及d都是恒量,霍耳电压UH与电流强度I和磁感应强度B成正比。
若保持I不变,则霍耳电压UH正比于B,霍尔元件之所以可以作为传感器使用,是因为它可以将磁感应强度这个转化为。
实际的霍耳元件体积十分小,如图6-1-6所示为霍耳元件的外形。
【范例精析】
例1、人有五大感觉器官,分别是视觉、听觉、嗅觉、味觉和触觉,人们常将传感器的功能与人的五大感觉器官相比拟,请用合适的感觉器官名称完成下列填空。
光敏传感器;声敏传感器 气敏传感器;传感器 ;压敏、温敏、流体传感器。
图6-1-7
解析:
视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉。
拓展:
现代宾馆、饭店、高档写字楼、医院等场所,大多设立自动感应门装置,该装置的前端就是一个光传感器(类似于人的眼睛,为视觉传感器),当有人进入开关感应范围时,专用红外线传感器探测到人体红外光谱的变化,门自动打开,人不离开感应范围,门将持续打开;人走出感应范围后,门自动关闭。
,
例2、如图6-1-7所示是电容式话筒的示意图,它是利用电容制作的传感器,话筒的振动膜前面有薄薄的金属层,膜后距膜几十微米处有一金属板,振动膜上的金属层和这个金属板构成电容器的两极,在两极间加一电压U,人对着话筒说话时,振动膜前后振动,使电容发生变化,使声音信号被话筒转化为电信号,其中导致电容变化的原因是电容器两板间的()
(A)距离变化(B)正对面积变化(C)介质变化(D)电压变化
解析:
平行板电容器的电容C=∝εS/d,本例中的介质没有变化,正对面积也没有变化,引起电容变化的因素是板间距离d,故正确选项是(A)。
拓展:
电容传感器可以将非电学量如:
介质的变化、距离的变化、正对面积的变化转化为电信号,根据这一原理,利用电容传感器也可以测定距离、面积等物理量,如果板间距离的变化是由压力引起的,那么也可以利用电容传感器测定力。
【能力训练】
1、传感器的作用是。
2、现代城市道路两旁的路灯是采用自动控制的,当自然光的亮度低于某个值时,路灯能自动点亮,当自然光的亮度高于某个值时,路灯能自动熄灭,试问在路灯自动控制电路中应采用怎样的传感器?
3、下表描述可传感器及其应用的可能性,请将表格填写完整。
传感器品种
工作原理
可被测定的非电学量
电容传感器
电容量变化
力,重量,压力,加速度,液面
霍尔传感器
压电传感器
热电传感器
光电传感器
4、如图6-1-8为半导体材料做成的热敏电阻随温度变化的曲线,用热敏电阻和继电器做成温控电路.
(1)简要分析温控电路的工作过程:
_______________________________
图6-1-8
_______________________________________________________________________________。
(2)设继电器的线圈电阻为50Ω,继电器线圈中的电流大于或等于20mA时,继电器的衔铁被吸合,左侧电源的电动势为6V,内阻可以不计,试问温度满足什么条件时,右侧的小灯泡会发光?
图6-1-9
5、单位时间内通过管道截面的液体的体积称为流量,用Q表示,其单位为m3/s。
如图6-1-9为电磁流量计的示意图,在非磁性材料制成的圆柱形管道外加一匀强磁场区域,磁感应强度大小为B,方向垂直纸面向里,当管中导电液(含有正、负离子)流过此区域时,可测得管壁上a、b两点间的电势差U,根据计算可以求出流量Q。
(1)电磁流量计为一个传感器,它可以将流速信号转化为电信号,试判断a、b两点电势的高低。
(2)设管道的直径为d,试用学过的知识推导流量Q的表达式。
二、传感器的应用
(一)
【要点导学】
1、本节学习传感器在实际中的应用,重点介绍力传感器、声传感器和温度传感器在实际中的应用。
2、力传感器的应用
力传感器是将转化为电学量的装置,典型的应用是电子秤,其内有一个
和组成的力传感器。
如果外力作用使应变片拉伸,其电阻会,如果外力作用使应变片压缩,其电阻会,这样就实现了力学量与电学量之间的转换。
3、声传感器的应用
声传感器是将声音信号转化为电信号的装置,典型的应用是话筒,通常根据其工作原理不同,分成动圈式话筒、电容式话筒和驻极体话筒三种。
动圈式话筒是根据原理工作的,当声音传到纸盆时,使纸盆振动,由于纸盆上固定着线圈,从而线圈在磁场中运动产生感应电流,这样就实现了声学量与电学量之间的转换。
电容式话筒和驻极体话筒都是利用声音信号使电容器的发生变化,从而是连接电容器的电流中的电流发生微小的变化,实现声学量与电学量之间的转换。
4、温度传感器的应用
双金属片是一种温度传感器,它是日光灯、电熨斗中的重要温控元件。
双金属片有两种热膨胀系数不同的材料组成,如图6-2-1(甲)所示,在常温度下两种金属片的长度相等,当温度降低时,由于上层金属片材料的热膨胀系数较大,其长度缩短得较多,因此双金属片向上弯曲(图乙);当温度升高时,上层长度大于下层长度,双金属片向下弯曲(图丙)。
图6-2-1
参考书本图6-2-9,根据日光灯的工作原理,日光灯启动器中的双金属片,其外层材料的热膨胀系数(填大于或小于)内层材料的热膨胀系数。
参考书本图6-2-10,电熨斗中的双金属片,其上层材料的热膨胀系数(填大于或小于)下层材料的热膨胀系数。
图6-2-2
【范例精析】
例1、将一个力电传感器接到计算机上,就可以测量快速变化的力,用这种方法测得的某单摆摆动时悬线上拉力F的大小随时间t变化的曲线如图6-2-2所示.某同学根据此图线提供的信息做出了下列判断,其中正确的是()
(A)摆球摆动的周期T=1.4s
(B)t=0.2s时,摆球正经过最低点
(C)t=1.1s时,摆球正经过最低点
(D)摆球在摆动过程中机械能减小
解析:
摆球经过最低点时,绳中张力,摆球到达最高点时,绳中张力最小,因此图中具答案(B)是正确,(C)错误;从第一次出现最大张力开始计时,到第二次出现最大张力,摆球仅仅完成了T/2,由图可知,摆球的半周期为0.6s,周期为1.2s,故答案(A)是错误的;由于最大张力在逐渐减小,说明摆球经过最低点时的速度在减小,因此机械能在减小,答案(D)是正确的。
本题的正确选项是(B)(D)。
拓展:
将力学传感器与数据采集盒连接,在将数据输入计算机显示或处理,这就是现代的数字化实验(DIS实验)的基本原理,DIS实验开启了现代实验的新纪元,它可以解决传统实验仪器无法实现的实验,本题即是一个DIS实验的例证。
例2、如图6-2-3甲为在温度为10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理简图,箱内的电阻R1=20kΩ、R2=10kΩ、R3=40kΩ,Rt为热敏电阻,它的电阻随温度变化的图线如图乙所示,a、b端电压Uab≤0时,电压鉴别器会令开关S接触,恒温箱内的电热丝发热,使箱内温度升高;当a、b端电压Uab>0时,电压鉴别器会令开关S断开,停止加热,则恒温箱内的温度可保持在()
(A)10℃(B)20℃(C)35℃(D)45℃
图6-2-3
解析:
通过审题可知Uab=0是一个电压的临界点,对应着开关S的动作,而开关的动作对应着温度的上升或下降。
由电路分析可知,在R1、R2、R3给定的条件下,热敏电阻Rt的阻值决定了Uab的正负。
设电源负极的电势能为零,则
,
,其中U为电源的路端电压,令
即Uab=0,则可得
,代入数据得
=20kΩ,查表得对应的温度为35℃,故本题的正确选项是(C)。
拓展:
本题利用温度传感器热敏电阻为传感器,将温度变化的信号转化为电信号,结合电子线路来控制加热电路。
正确的电路分析、计算及看懂热敏电阻的电阻随温度变化的曲线,是解决本题类习题的关键。
【能力训练】
1、传感器是一种采集信息的重要器件,如图6-2-4所示,是一种测定压力的电容式传感器,当待测压力F作用于可动膜片电极上时,可使膜片产生形变,引起电容的变化,将电容器、灵敏电流计和电源串接成闭合电路,那么以下说法正确的是()
图6-2-4
(A)当F向上压膜片电极时,电容将减小
(B)若电流计有示数,则压力F发生变化
(C)若电流计有向右的电流通过,则压力F在增大
(D)电流计有向右的电流通过,则压力F在减小
图6-2-5
2、如图6-2-5甲为在10℃左右的环境中工作的某自动恒温箱原理图,箱内的电阻R1=2kΩ,R2=1.5kΩ,R3=4kΩ,Rt为热敏电阻,它的电阻随温度变化的图线如图乙所示,当a、b端电压Uab<0时,电压鉴别器会令开关S接通,恒温箱内的电热丝发热,使箱内温度提高;当Uab>0时,电压鉴别器使S断开,停止加热。
则恒温箱内的温度大约恒定在℃。
图6-2-6
3、某学生为了测量一物质的质量,找到一个力电转换器,该转换器的输出电压正比于受压力面的压力(比例系数为K),如图所示,测量时先调节输入端的电压,使转换器空载时的输出电压为0;而后在其受力面上放一物体,即可测得与物体的质量成正比的输出电压U.
现有下列器材:
力电转化器、质量为m0的砝码、电压表、滑动变阻器、干电池个一个、电键及导线若干、待测物体(可置于力电转换器的受力面上).
请完成对物体质量的测量:
(1)设计一个电路,要求力电转换器的输入电压可调,并且使电压的调节范围尽可能大,在图6-2-6所示的方框内画出完整的测量电路图.
(2)简要说明测量步骤,求出比例系数K,并测出待测物体的质量m.
。
三、传感器的应用
(二)
【要点导学】
1、本节学习传感器在实际中的应用,重点介绍温度传感器、光电传感器和磁传感器在实际中的应用。
图6-3-1
2、温度传感器的应用
(1)电饭锅
前面介绍的温度传感器以双金属片和热敏电阻为主,除此之外,有一种叫做感温铁氧体的元件也可以作为传感器使用,是因为感温铁氧体具有这样的性质:
常温下具有,能被磁体吸引,当温度上升到约1030C时,就失去,不能被磁体吸引,因此1030C这个临界温度直接决定了开关的动作。
电饭锅的温度控制系统使用的是感温铁氧体元件,如图6-3-1所示,为电饭锅的结构图。
其工作过程如下:
(1)开始煮饭时压下开关按钮,由于常温下感温铁氧体具有磁性,永磁体将吸引,因此手送松开后这个按钮不会恢复到图示位置,这时电饭锅处理状态。
(2)煮饭时水煮沸腾时,水的温度保持沸点不变。
(3)当饭熟后,水分被大米吸收,锅底的温度上升,当温度超过1030C时,感温铁_________铁磁性,由于弹簧的作用,按钮开关将恢复到如图所示的位置,切断加热用电源。
(2)测温仪
温度传感器可以将温度信号转化为 ,可由指针式仪表或数字式仪表显示出来,从而构成指针式温度计或数字式温度计。
由于电信号可以 输送,因此应用温度传感器可以实现远距离读取温度的数值。
应用实例如:
采用网络看病,远在乙处的医生可以通过网络读取甲处的病人的体温;将温度传感器与计算机相连,可以24小时跟踪病人的体温随时间的变化等。
甲
图6-3-2乙
丙
3、光传感器的应用
光传感器是将 转化为电信号的装置,光电传感器有着十分广泛的应用:
(1)鼠标器
如图6-3-2甲为机械鼠标器的内部结构图,其主要部件为一个滚球、两套滚轴、码盘、发光二极管、红外线接收管,工作构成如下:
当鼠标插入计算机插孔后,两个红外线发光二极管就开始发光。
鼠标器在桌面上发生位移S时,根据矢量分解原理,
。
如图乙所示,滚球的运动通过滚轴带动x、y两个码盘转动。
如图丙所示,红外线接收器(传感器)接收到红外线脉冲,输出相应的电脉冲信号,。
计算机分别统计x、y两个方向的脉冲信号,处理后就使屏幕上的光标相应的位移。
(2)火灾报警器
烟雾式火灾报警器实物
结构和原理
图6-3-3
烟雾式火灾报警器的实物见图6-3-3,烟雾作上升运动的,到达天花底下,烟感报警器通过烟发现火灾,所以烟雾式火灾报警器安装在上。
烟雾式火灾报警器的核心部件是一个,它可以用来测量烟的浓度的,该装置设计的时候,光束是偏离感应器的,当烟雾进入到感应室后,烟雾粒子会将部分光束到感应器上,当烟雾的浓度逐渐加大时,就会有更多的光束被到感应器上,当到达传感器的光束达到一定的程度,蜂鸣器就会发出报警信号。
4、磁传感器的应用——磁感应强度测定仪
磁传感器(如图6-3-4)可以将转化成,通过数据采集盒(图6-3-4)将信号进入计算机处理,可以直接显示读数。
磁传感器测量的是环境磁场变化引起的磁感应强度的相对变化,因此测量前将磁传感器放置在测量位置上,应按规定调节零位。
图6-3-4
磁传感器测量的是磁场沿着磁传感器轴的分量,当磁传感器探头指向磁铁(被测磁场)S极,即传感器指向与磁感线方向相同时,测量值为正值,如图6-3-5甲所示。
当磁传感器探头指向磁铁(被测磁场)N极,即传感器指向与磁感线方向相反时,测量值为负值,如图乙所示,磁传感器测量值的绝对值即为所测磁场的磁感应强度。
甲磁传感器测量值为正
图6-3-5乙磁传感器测量值为负
【范例精析】
例1、家用电热灭蚊器电热部分的主要部件是PCT元件,PTC元件是由钛酸钡等导体材料组成的电阻器,其电阻率ρ与温度t的关系如图6-3-6所示。
由于这种特性,PCT元件具有发热、控温双重功能,若电热灭蚊器环境温度低于t1,以下判断正确的是()
(A)通电后,其电功率先增大后减小
(B)通电后,其电功率先减小后增大
(C)当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1或t2不变
(D)当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1至t2间的某一值不变
图6-3-6
解析:
从图线上可以看出:
①如果通电前PCT的温度t 由于发热的缘故,温度升高致使电阻率减小,发热功率将进一步增大,形成正反馈效应,致使温度大于t1,随着温度的升高,电阻率也增大,功率将减小,形成负反馈效应,发热功率的减小制压了温度的进一步升高。 从上分析可知,t ②如果通电前PCT的温度t1 ③如果PCT的温度超过t>t2值,则随着温度的升高,发热功率进一步增大,形成正反馈,不可能实现温度控制的作用。 综上分析可知,本题的正确选项是(A)(D),即温度控制点在图像的两个极值点之间。 拓展: PCT元件的电阻率与温度的关系无法用明确的数学表达式来表示,但可以通过实验测定其电阻率与温度的关系曲线,正确理解图象的物理意义是解决问题的关键。 图6-3-7 例2、如图6-3-7所示为一实验小车中利用光脉冲测量车速和行程的装置的示意图,A为光源,B为光电接收器,A、B均固定在车身上,C为小车的车轮,D为与C同轴相连的齿轮。 车轮转动时,A发出的光束通过旋转齿轮上齿之间的间隙变成脉冲光信号,被B接收并转换成电信号,由电子电路记录和显示。 若实验显示单位时间内的脉冲数为n,累计脉冲数为N,试完成下列问题的解答: (1)要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是哪些? (2)推导小车速度的表达式。 (3)推导小车行程的表达式。 解析: 由于车轮与齿轮同轴故速度相等,如果测出角速度并已知车轮的半径R,则车的速度为v=ωR。 ω=θ/t=2πn/p(式中p为齿轮的齿轮总数);车速为v=ωR=2πRn/p;行程为s=vt=vN/n=2πRN/p。 因此: (1)要测出小车的速度和行程还必须测量的物理量或数据是轮半径R和齿轮的齿数p; (2)小车速度的表达式v=ωR=2πRn/p;(3)小车行程的表达式为2πRN/p。 拓展: 本题是光电传感器的一个重要应用,它提供了测定车子运动速度和行程的一个实例,请查阅有关资料或请教汽车司机,汽车上的速度表和行程表是否是按照这一原理设计的? 【能力训练】 1、利用半导体热敏电阻的温度特性,能否制作一只温度计? 试距离说明。 图6-3-8 2、利用光敏电阻进行自动计数的示意图如图6-3-8所示,A是发光仪器,B是光电传感器,采用的传感器是光敏电阻,试分析此自动计数系统的工作过程。 图6-3-9 3、如图6-3-9所示,一条形磁铁置于水平转台上随转台一起作匀变速转动,一磁传感器位于转台边缘。 从而可以获得传感器所在位置的磁感应强度随时间的变化曲线如图。 图中横坐标为时间轴,读数为3秒/每格,纵坐标为磁感应强度。 求: (1)请类比平均速度的定义方法,定义平均角速度,并求出转台在测量期间的平均角速度; (2)请类比加速度的定义方法,定义角加速度,并求出转台的角加速度。 图6-3-10 4、如图6-3-10(A)C的轴线Z沿水平方向,有一个铷铁硼材料制成圆柱形强磁体M,其圆形端面分别为N极和S极,将磁体M与线圈C共轴放置。 磁体的对称中心置于Z轴的原点O。 Q点是线圈C的对称面的圆心,当Q点位于Z轴上不同位置时,用实验的方法测得穿过圈C的磁通量φ,由此得磁通量φ沿Z轴的分布曲线如图(B),图中横轴上Z的值是Q点的坐标。 现令强磁体M沿线圈的轴线方向匀速穿过该线圈C,将C的两端接一电阻R=1000Ω,已知电阻R远大于线圈的电阻。 将接在电阻R两端的电压信号采用传感器DIS实验系统处理,可在计算机屏幕上显示出线圈C两端的电压信号如图(C),电压信号的形状近似看作三角形。 (1)试估算强磁体M通过线圈时的速率; (2)试求图(C)中t=-10s到t=0s期间流过电阻R的电量。 四、传感器的应用实例 图6-4-1 【要点导学】 1、本节通过学生亲自动手实验,组装一个光控开关、一个温度报警器,以加深对传感器的理解。 图6-4-2 2、实验中的主要部件是一种“非”逻辑关系的电路,简称“非门”,其符号如图6-4-1所示。 “非门”的工作原理是,当输入为1时,输出为;输入为0时,输出为。 由于单个非门很少,实际生产是总是将多个“非”门集成在一个电路板上做成集成电路,如图6-4-2为具有六个“非”门的斯密特触发器,其输入端为A,输出端为Y。 斯密特触发器工作特点是: 当加在A端的电压超过1.6V时,输出端Y从高电平跳到低电平(0.25V);当输入端A的电压降低到0.8V时,输出端Y从低电平跳到高电平(3.4V)。 3、用斯密特触发器组装一个光控电路 图6-4-3 (1)实验电路图如图6-4-3所示,图中LED为发光二极管,RG为光敏电阻传感器,R1的最大值为51KΩ,R2为330Ω。 电路原理分析如下: A端的电平计算公式为 。 设环境光亮度为某个值,调节R1的阻值,使UA<0.8V,此时Y端输出为高电平,发光二极管因截止而不发光。 当环境光亮度降低时,RG的阻值变大,有上述计算公式可知UA上升,当环境光亮度降低到一定值时,UA≥1.6V时,输出点Y变为低电平,发光二极管导通而发光。 (2)要想在环境光亮度更暗(即RG)更大时发光二极管才会点亮,时由A端的电平计算公式 1.6V可知,应该把R1调(填“大”或“小”)一些。 图6-4-4 (3)由于发光二极管允许通过的电流强度较小,太大会烧毁二极管,因此电路中与发光二极管串联的电阻R2的作用是。 图6-4-5 (4)如果要用上述原理来控制白炽灯泡,必须采用图6-4-4所示的电路,其原因是集成电路允许通过的电流强度较(填“大”或“小”),图中与继电器并联的二极管的作用是。 4、用斯密特触发器组装一个温度报警器
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