计量学报

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范佳威,周峰,雷民,龙兆芝,刁赢龙,李文婷,胡康敏,刘少波

计量学报. 2024, 45(10): 1425-1434. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.01

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冲击高压信号为幅值高、持续时间短、频率覆盖范围宽的单次脉冲波形,电压转换装置受分布参数的影响,其刻度因数难以直接溯源至现有的国家基准或标准量值。提出一种基于多频率分量加权叠加的冲击电压刻度因数评估方法。根据帕萨瓦尔定理,针对冲击电压转换装置,建立冲击刻度因数与多频率交流刻度因数之间的函数关系,将暂态的、单次的波形刻度因数溯源难题转化为稳态的、周期的交流刻度因数获取与频段权重计算的问题,通过分析该评估方法的计算误差优于0.05%。最后提出了基于该评估方法的实施方法,开展了基于标准电容分压器的计算验证,其扩展不确定度优于0.02%。结果表明,基于多频率分量加权叠加的冲击电压刻度因数评估方法能够准确评估冲击电压转换装置的冲击刻度因数并具有电学计量手段上的可行性和可操作性。

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基于改进mSDFT算法的谐波信号提取方法

李艳,林晓明,赵宇明,张帆,何山,钱斌

计量学报. 2024, 45(10): 1435-1443. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.02

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提出了一种改进mSDFT算法,该算法通过分解传统mSDFT算法的传递函数内含的梳状滤波器的结构,保留梳状滤波器中特定的零点,用于提取电网信号中指定次谐波,其余零点组成单独因子,用于指定次谐波频谱的幅值校正和相位校正。分解梳状滤波器的结构后,梳状滤波器中包含的零点减少,从而降低了算法的瞬态响应的延迟。进一步阐述了改进mSDFT算法的原理并完成了公式推导,仿真结果表明:该算法能够在谐波信号发生突变的情况下,快速跟踪提取出变化后的谐波信号,瞬态响应的延迟由10^-2s量级降低为10^-3s量级,同时具有无累计误差和稳定的优点。

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基于ARO-MKELM的微电网攻击检测

吴忠强,张伟一

计量学报. 2024, 45(10): 1444-1452. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.03

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智能电网的复杂性和开放性使其在信息交换时更易受到网络攻击的威胁。目前大多数检测方法只关注检测攻击的存在性,不能确定受到攻击的分布式电源的具体位置,导致无法快速将被攻击的分布式电源隔离,继而造成严重的损失。提出一种基于人工兔群优化算法优化多核极限学习机的交流微电网虚假数据注入攻击检测方法。在传统极限学习机中引入组合核函数以提升检测模型的学习能力和泛化能力,并采用具有强全局搜索能力的人工兔群优化算法优化多核极限学习机的核函数参数及正则化系数,进一步提升检测模型的检测精度。利用非训练样本内幅值为55和95的阶跃攻击信号进行仿真验证,检测准确率范围分别达到了(93.44～94.64)%和(98.11～99.23)%,与其他检测模型进行对比分析,验证了所提方法的优越性。

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电磁磨粒检测中气泡对铜颗粒信号的影响特性分析

郭明远庞新宇吕凯波王硕崔世杰李峰

计量学报. 2024, 45(10): 1453-1461. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.04

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三线圈式电磁磨粒传感器在油液在线监测中应用广泛,而油液中的气泡对铜颗粒的检测极易造成干扰,定量分析气泡在颗粒检测时的影响规律将有助于提高电磁磨粒传感器的检测精度。基于电磁磨粒检测中的磁耦合效应,分别研究了气泡间隙、气泡大小、气泡位置以及气泡数量对铜颗粒检测的影响特性,并以大管径通道 (38mm) 电磁磨粒传感器为对象进行仿真和试验。结果表明,气泡与铜颗粒间隙越大,铜颗粒信号幅值越小,影响范围(0.52～10.31)%;气泡尺寸增大铜颗粒信号幅值也增大,气泡直径为20mm和25mm时影响分别是3.07%和5.47%;气泡与铜颗粒中心连线与传感器中心轴线的夹角越大,检测影响越小,影响范围(0.4～5.6)%;气泡数量越多干扰越大,单气泡和双气泡的影响程度分别是5.66%和8.74%。

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基于金刚石NV色心的电流传感技术及其标准化研究初探

岑炜,白静芬,孟静,李琪林,吕英杰,段永贤

计量学报. 2024, 45(10): 1462-1469. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.05

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为推进量子化电流传感技术的落地应用,探讨了基于金刚石NV色心的电流传感技术,初步研究了其标准化技术。首先,介绍了金刚石NV色心的结构和物理特性,分析了基于金刚石NV色心的光学特性及自旋量子相干性的电流传感测量原理,研究了磁噪声抑制、磁测量灵敏度提升和测量芯片小型化等实用化技术;然后,分析了基于金刚石NV色心的电流传感测量技术的技术优势和标准化需求,提出了标准体系建设建议,为基于金刚石NV色心的电流传感技术研究、设备研制及传感测量系统落地应用提供技术支撑。

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基于双目视觉距离误差测量的工业机器人运动学标定方法

江小辉,李栩翔,孙翼飞,朱豪杰

计量学报. 2024, 45(10): 1470-1479. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.06

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针对机器人标定中存在的成本昂贵以及应用生产中末端精度低问题,提出了一种基于双目视觉距离误差测量的工业机器人运动学标定方法。首先,进行双目相机标定和畸变矫正,通过双目视觉测量模型计算匹配特征点的距离并提出三维空间坐标的双目视差空间位置匹配策略。其次,以机器人运动学模型为基础,引入微分算子建立机器人微分运动模型,建立机器人运动学误差模型,得出机器人各个关节的运动学参数与机器人末端位置误差之间的关系。最后,以IRB1200机器人为研究对象,对比分析应用高精度激光跟踪仪与双目视觉测量方法得到的距离误差和位置误差,两者误差均在10^-1 mm级别,满足距离误差和位置误差测量要求,且经多种优化算法对机器人进行运动学标定后,其距离误差比优化前平均降低了61.5%。基于双目视觉距离误差测量工业机器人运动学标定方法可有效提高机器人末端精度,降低标定成本。

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计量型微米级X射线坐标测量机空间分辨力标准器的研制

王云祥,王震,施玉书,胡佳成,谭浩晨,方丹,付晨,黄红平,孙宝俊,王俊

计量学报. 2024, 45(10): 1480-1486. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.07

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针对现有计量型X射线坐标测量机空间分辨力标准器无法溯源的问题,研发了新型可溯源的空间分辨力标准器,并对其校准方法进行了探索研究。首先,基于线对卡法,利用光刻和电感耦合等离子体(ICP)刻蚀工艺研制了可定期溯源栅格标准器。然后,通过扫描电子显微镜实现了标准器的量值溯源,得到标准器的栅格周期为4~40μm,结果的均匀性可达0.1%,满足目前计量型X射线坐标测量机空间分辨率溯源需求。最后,采用3D打印技术设计制备可拆卸的封装保护结构,便于标准器在产业中推广使用。上述方法有利于改善X射线坐标测量机等仪器的校准工作,提升现阶段的精度水平。

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基于改进YOLOv8n的无人机目标检测算法研究

张立国,袁煜淋,金梅,张琦,吴文哲

计量学报. 2024, 45(10): 1487-1493. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.08

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针对低空无人机目标的误检漏检等问题,提出改进YOLOv8n的算法模型ASSM-YOLO。首先,添加小目标检测头并使用AFPN替换原有Neck结构,渐近融合低层与高层特征;其次,引入SA注意力机制增强对无人机目标的感知能力;再次,将主干网络卷积层替换为SPD-Conv,改善卷积过程中特征丢失问题;最后,替换损失函数MPDIoU Loss,优化回归损失计算。在DUT-UAV数据集上的实验表明:ASSM-YOLO算法的平均精度值RmAP@0.5、RmAP@0.75和RmAP@0.5∶0.95结果为92.5%、72.2%和62.9%,较原YOLOv8n网络分别提升了5.9%、8.3%和6.5%,显著提升了无人机目标的检测精度。

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圆柱金属管件外表面图像在线采集装置构建及关键参数控制优化

陶国好,刘子豪,徐晓萌,鹿业波,陶凯,洪哲

计量学报. 2024, 45(10): 1494-1501. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.09

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提出一种针对圆柱形金属管件的外表面图像在线采集方案,实现高质量成像信息采集。首先,通过获取单个相机所摄二维图像,建立与柱面所覆盖曲面的对应关系,计算二维图像对应的实际管件表面覆盖角度,判断获取管件外表面信息所需的相机数量,采用多相机协同配合圆盘顺时针方向实时采集图像。其次,基于响应曲面设计方法建立多因素实验方案评估镜头的光圈值、相机的曝光时间和增益对图像质量的影响。在可接受最大转速的情况下,确定动态采图时柱面相机和端面相机的最优相机参数,以减小运动模糊影响并提高拍摄效率。最后,在最优参数的基础上,对金属管件图像进行在线实时采集和评估,保留较好质量的管件图像。实验结果满足高质量、细微缺陷清晰的金属表面缺陷检测数据要求,可为后续研究圆柱形金属管件的实时缺陷检测奠定一定的基础。

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基于小波阈值算法的气体超声波流量计信号预处理

戈文祺,张坤,刘财智

计量学报. 2024, 45(10): 1502-1511. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.10

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气体超声波流量计超声信号在气体中传播时,存在易受到各种噪声的干扰,能量衰减严重、回波信号幅值弱、信噪比低等问题,为准确采集气体超声波流量计回波信号,在传统阈值滤波算法基础上提出了一种改进小波阈值算法,对气体超声波流量计信号进行预处理;将改进小波阈值算法与传统阈值算法进行仿真对比分析,并用FPGA实现对采集超声波信号的6层Coif5小波滤波处理。经仿真与实验对比表明:在不改变超声波信号的特征波基础上,使用改进阈值滤波算法对超声波回波信号降噪处理后,均方根误差为0.0014,信噪比达到了88.3290dB,该方法提高了超声波流量计的采集质量,实现了良好的降噪效果。

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基于时频分析与复杂网络的气液两相流流动特性分析

张立峰,武传宝

计量学报. 2024, 45(10): 1512-1519.

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提出一种基于时频变换与复杂网络相结合的垂直管道气液两相流流动特性分析方法。该方法基于数字化电阻层析成像系统采集的测量数据,通过Choi-Williams分布(CWD)、自适应最优核(AOK)以及平滑伪Wigner-Ville分布(SPWVD)三种方法对预处理后的一维时间序列进行时频分析,进而从时频平面中提取能量序列。分别对原始时间序列和三类能量序列使用有限穿越可视图方法构建复杂网络。最终使用平均集聚系数、平均度以及全局效率3个网络指标来表征从泡状流到段塞流的演变。结果表明,由原始序列构建的复杂网络,3个网络指标规律性较差;AOK与SPWVD所对应的平均集聚系数与全局效率仅在部分工况下具有规律性;而CWD所对应的3个网络指标均呈现较好的规律,能够更有效地揭示气液两相流复杂的流动行为。

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弹簧冲击器溯源过程中的碰撞接触力特性研究

高建卓,陈龙,汪宁溪,骆昕

计量学报. 2024, 45(10): 1520-1524. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.12

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为了提升弹簧冲击器校准装置溯源工作的测量准确度,完整评估其溯源工作中冲击端碰撞过程的能量损失,引入Newton恢复系数e,结合广义接触力模型对溯源装置的冲击端碰撞过程进行动力学建模并进行数值仿真分析。研究结果表明:考虑Newton恢复系数e时的最大接触力大于未考虑时的最大接触力,且随着Newton恢复系数e的增大,最大接触力呈现非线性增加;Newton恢复系数e对碰撞过程中的相对形变量几乎无影响;结合实验结果,当e=0.8时的仿真结果与实测值接近,相对误差约为2%。

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基于有限元分析的活塞压力计形变系数理论计算

王博文,马坤,董嘉,黄谦,杨莹,杨远超,悦进

计量学报. 2024, 45(10): 1525-1532. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.13

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基于有限元分析方法,计算了600kPa气体活塞压力计和500MPa油介质活塞压力计的形变系数。根据活塞间隙压力分布与间隙形变的耦合关系,采用迭代计算,确定了在某一测量压力下活塞系统的最终压力分布和间隙。在此基础上,计算了在各压力点下的活塞有效面积,并通过最小二乘拟合获得了压力形变系数。基于Python和ANSYS APDL编写了计算程序,研究了参数微调对计算结果的影响,并评估了形变系数计算结果的不确定度。对于600kPa气体活塞压力计,形变系数的有限元计算结果与简单理论计算结果相差仅0.8%;对于500MPa油介质活塞压力计,形变系数的有限元计算结果与实验测量值在不确定度范围内一致。

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基于优化变分模态分解和包络峭度的轴承故障诊断

刘烽,陈学军,张磊,杨康

计量学报. 2024, 45(10): 1533-1540. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.14

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针对变分模态分解(VMD)的分解层数K和惩罚因子α难以选择问题,提出了用减法平均优化器(SABO)对参数寻优的方法。首先,采用SABO对K和α进行寻优,输出最优参数组合并代入到VMD中,将原始振动信号分解得到K个模态分量;然后,用最大包络峭度为指标提取K个模态分量中峭度最大的分量作为最优分量,并计算其相关时域和熵理论特征参数构造特征向量样本集;最后,将特征向量样本集输入到经网格搜索和五折交叉验证调参的支持向量机(SVM)中进行故障诊断。为了验证该方法的有效性,利用凯斯西储大学轴承数据集进行实验,实验结果表明:该方法分类效果更好,准确率达到99.44%;基于江南大学3种不同工况的轴承数据实验,最终故障诊断准确率都达到了95%以上。

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基于开槽法的超声应力换能器LCR波检测深度校准研究

易畅,姚磊,郑慧峰,牛淼,吴德林,高申平,俞醒言

计量学报. 2024, 45(10): 1541-1548. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.15

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基于开槽法开展了超声应力换能器LCR波检测深度校准研究。其原理是当开槽深度超过LCR波渗透深度时,波的传播会受开槽的影响。首先,采用弹性波时域显式物理场,建立了LCR波渗透深度的有限元研究模型,仿真了LCR波的产生及传播过程,并且分析了槽型对LCR波及检测深度的影响。通过声时差与幅值变化幅度2个特征参数,得出矩形槽比梯形槽更适合用于校准换能器的检测深度。在此基础上,开展不同频率换能器检测深度校准试验,制定不同深度的矩形槽试块,分别校准了2.5、5、7.5MHz频率下的LCR波渗透深度,并对2.5MHz的实验结果开展不确定度评定。结果表明:2.5MHz换能器的LCR波检测深度10次测量的平均值为2.85mm,与标称值的误差为0.15mm,合成标准不确定度为0.29mm。研究结果对于校准不同频率下换能器检测深度及提高应力测量空间分辨率具有意义,并且可为LCR波渗透深度的经验公式提供实验参考。

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不同衰减函数的钢丝绳漏磁信号自适应降噪

吴东,黄升平,周立峰,隋显俊,宋洪志,杨建华

计量学报. 2024, 45(10): 1549-1554. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.16

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讨论了双曲线函数、指数函数、线性函数3种不同衰减函数对钢丝绳漏磁信号降噪效果的影响,对损伤含噪信号进行自适应移位平均降噪,并使用信噪比、互相关系数对降噪效果作了对比分析。结果表明,针对所用的2种漏磁信号,使用双曲线函数的降噪信号信噪比最大可达14.1041dB与10.8349dB,大于指数函数与线性函数所得的对应信噪比值,且得到的输出曲线平滑,具有更好的降噪效果。同时,随着噪声增大,使用双曲线函数的降噪信号互相关系数更快地接近1,具有更好的动态特性。

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正弦参数拟合误差量子化阶梯分布机理分析

梁志国,梁家奕

计量学报. 2024, 45(10): 1555-1561. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.17

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量化误差对正弦曲线拟合参数误差界的影响,伴随着采样序列长度的增加呈等间隔阶梯状跳变下降规律。该规律与此前认为的拟合误差随序列长度增加呈单调下降的经验截然不同。为此进行了深入的机理分析和讨论,给出了该现象的数理解释,包括拟合参数误差界的阶梯状跳变机理,误差阶梯缓慢增大机理,第1个误差阶梯的马鞍形状机理,幅度拟合误差无跳变原因等。对于理解、掌握和充分利用这一规律获得更高的拟合参数准确度,具有较大的意义和价值。

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一种基于虚拟仪器技术的视频分析仪校准装置

刘雷,徐书文,韩正涛,陈鹏,韩东

计量学报. 2024, 45(10): 1562-1569. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.18

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针对视频分析仪校准中主要标准器停产以及校准过程繁琐的问题,基于虚拟仪器技术,在LabVIEW开发环境下,利用M4i.6622-x8任意波形发生卡作为信号发生模块,开发了一种视频分析仪校准装置。实现了视频分析仪基本参数和失真参数的校准,给出了亮度电平、色度电平、色度相位等视频基本参数和行倾斜、kp系数(2T脉冲k系数)、色度-亮度增益差、色度-亮度时延差、亮度非线性失真等视频失真参数的校准信号产生过程。经过实验,技术指标可达到如下:亮度电平为±0.2%,色度电平为±0.2%,色度相位为±0.1°,行倾斜为±0.1%,kp系数为±0.1%,色度-亮度增益差为±0.2%,色度-亮度时延差为±3ns,亮度非线性失真为±0.2%;优于TG2000可编程视频信号发生器,满足视频分析仪校准要求。

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利用数字化仪实现放射性气体85Kr核素活度浓度的绝对测量

拓飞,路天翔,张明,周倩倩,郭贵银,王硕

计量学报. 2024, 45(10): 1570-1575. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.19

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基于中国计量科学研究院建立的长度补偿法充气正比计数器绝对测量系统,利用CAEN公司开发的DT5730型数字化仪替代多套传统模拟电子学插件, 并通过数字化仪对β信号进行采集、重建和数据离线分析,开展85Kr放射性惰性气体活度浓度的绝对测量。实验研究了各种条件的影响,通过对正比计数器端效应、正比计数器壁效应、本底、噪声、死时间漏计数和阈值以下计数进行修正,最终得到85Kr活度浓度绝对测量结果。结果表示:在相同阈值、主放大倍数100倍、气压50.5kPa,工作电压1675V和1700V的条件下,数字化仪测量和电子学插件测量85Kr放射性活度浓度的相对偏差分别为0.83%和0.74%。测量结果在不确定度范围内一致,证明数字化仪可有效替代传统电子学插件实现放射性惰性气体85Kr活度浓度的绝对测量。

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基于三维肌肉协同分析的FES康复效果量化分析

杜义浩,王孝冉,于金须,曹添福,范强

计量学报. 2024, 45(10): 1576-1584. https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-1158.2024.10.20

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肌肉协同理论能够用于分析神经肌肉系统的内在功能模式,基于此提出了一种基于肌肉协同分析的功能性电刺激(FES)康复效果量化研究方法。首先,在二维肌肉协同分析的基础上,通过连续小波分解建立了肌电张量,利用CP_ALS算法进行了肌电张量的非负矩阵分解,实现了覆盖空域、频域和时域的三维肌肉协同分析。然后,设计了患者腕伸动作康复实验,以健康被试为对照组,分别对比分析了不同偏瘫程度的患者在进行持续10天的FES理疗前后的腕伸肌肉协同变化。实验结果显示经过FES理疗后,患者的肌肉协同数量有所增加(从2增加到3),空域肌肉协同均达到正相关水平(均值为0.5402),频域肌肉协同增幅最大(增幅均值为0.8271),时域肌肉协同效果最好(均值为0.7979),说明FES在卒中康复中能够有效提升患者的肌肉协同效果。

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2024年, 第45卷, 第10期　
刊出日期：2024-10-28

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