人類的生存和社會(huì)活動(dòng)與濕度密切相關(guān)。隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，很難找出一個(gè)與濕度無(wú)關(guān)的領(lǐng)域來(lái)。由于應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)美國(guó)Johnson Controls江森自控濕度傳感器的技術(shù)要求也不同。從制造角度看，同是濕度傳感器，材料、結(jié)構(gòu)不同，工藝不同．其性能和技術(shù)指標(biāo)（像精度方面）有很大差異，因而價(jià)格也相差甚遠(yuǎn)。對(duì)使用者來(lái)說(shuō)，選擇美國(guó)Johnson Controls江森自控濕度傳感器時(shí)，首先要搞清楚需要什么樣的傳感器；在自己的財(cái)力允許的情況下選購(gòu)何種檔次的產(chǎn)品，權(quán)衡好“需要與可能”的關(guān)系，不至于盲目行事。從我們與用戶的來(lái)往來(lái)看，覺(jué)得有以下幾個(gè)問(wèn)題值得注意。
美國(guó)Johnson Controls江森自控濕度傳感器的工作原理：
濕敏元件是zui簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻式、電容式兩大類。
濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。
濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。
電子式濕敏傳感器的準(zhǔn)確度可達(dá)2-3%RH，這比干濕球測(cè)濕精度高。
濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中，很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。這方面沒(méi)有干濕球測(cè)濕方法好。下面對(duì)各種濕度傳感器進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。
1、氯化鋰濕度傳感器
（1）電阻式氯化鋰濕度計(jì)
*個(gè)基于電阻-濕度特性原理的氯化鋰電濕敏元件是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局的F.W.Dunmore研制出來(lái)的。這種元件具有較高的精度，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)廉，適用于常溫常濕的測(cè)控等一系列優(yōu)點(diǎn)。
氯化鋰元件的測(cè)量范圍與濕敏層的氯化鋰濃度及其它成分有關(guān)。單個(gè)元件的有效感濕范圍一般在20%RH 以內(nèi)。例如0.05%的濃度對(duì)應(yīng)的感濕范圍約為（80～100）%RH ，0.2%的濃度對(duì)應(yīng)范圍是（60～80）%RH 等。由此可見(jiàn)，要測(cè)量較寬的濕度范圍時(shí)，必須把不同濃度的元件組合在一起使用?？捎糜谌砍虦y(cè)量的濕度計(jì)組合的元件數(shù)一般為5個(gè)，采用元件組合法的氯化鋰濕度計(jì)可測(cè)范圍通常為（15～100）%RH，國(guó)外有些產(chǎn)品聲稱其測(cè)量范圍可達(dá)（2 ～100）%RH 。
（2）露點(diǎn)式氯化鋰濕度計(jì)
露點(diǎn)式氯化鋰濕度計(jì)是由美國(guó)的 Forboro 公司首先研制出來(lái)的，其后我國(guó)和許多國(guó)家都做了大量的研究工作。這種濕度計(jì)和上述電阻式氯化鋰濕度計(jì)形式相似，但工作原理卻*不同。簡(jiǎn)而言之，它是利用氯化鋰飽和水溶液的飽和水汽壓隨溫度變化而進(jìn)行工作的。
2、碳濕敏元件
碳濕敏元件是美國(guó)的 E.K.Carver 和 C.W.Breasefield 于1942年首先提出來(lái)的，與常用的毛發(fā)、腸衣和氯化鋰等探空元件相比，碳濕敏元件具有響應(yīng)速度快、重復(fù)性好、無(wú)沖蝕效應(yīng)和滯后環(huán)窄等優(yōu)點(diǎn)，因之令人矚目。我國(guó)氣象部門(mén)于70年代初開(kāi)展碳濕敏元件的研制，并取得了積極的成果，其測(cè)量不確定度不超過(guò)±5%RH ，時(shí)間常數(shù)在正溫時(shí)為2～3s，滯差一般在7%左右，比阻穩(wěn)定性亦較好。
3、氧化鋁濕度計(jì)
氧化鋁傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)是，體積可以非常小（例如用于探空儀的濕敏元件僅90μm厚、12mg重），靈敏度高（測(cè)量下限達(dá)-110℃露點(diǎn)），響應(yīng)速度快（一般在 0.3s 到 3s 之間），測(cè)量信號(hào)直接以電參量的形式輸出，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)處理程序，等等。另外，它還適用于測(cè)量液體中的水分。如上特點(diǎn)正是工業(yè)和氣象中的某些測(cè)量領(lǐng)域所希望的。因此它被認(rèn)為是進(jìn)行高空大氣探測(cè)可供選擇的幾種合乎要求的傳感器之一。也正是因?yàn)檫@些特點(diǎn)使人們對(duì)這種方法產(chǎn)生濃厚的興趣。然而，遺憾的是盡管許多國(guó)家的專業(yè)人員為改進(jìn)傳感器的性能進(jìn)行了不懈的努力，但是在探索生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的產(chǎn)品的工藝條件，以及提高性能穩(wěn)定性等與實(shí)用有關(guān)的重要問(wèn)題.
上始終未能取得重大的突破。因此，到目前為止，傳感器通常只能在特定的條件和有限的范圍內(nèi)使用。近年來(lái)，這種方法在工業(yè)中的低霜點(diǎn)測(cè)量方面開(kāi)始嶄露頭角。
4、陶瓷濕度傳感器
在濕度測(cè)量領(lǐng)域中，對(duì)于低濕和高濕及其在低溫和高溫條件下的測(cè)量，到目前為止仍然是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，而其中又以高溫條件下的濕度測(cè)量技術(shù)zui為落后。以往，通風(fēng)干濕球濕度計(jì)幾乎是在這個(gè)溫度條件下可以使用的*方法，而該法在實(shí)際使用中亦存在種種問(wèn)題，無(wú)法令人滿意。另一方面，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)展，要求在高溫下測(cè)量濕度的場(chǎng)合越來(lái)越多，例如水泥、金屬冶煉、食品加工等涉及工藝條件和質(zhì)量控制的許多工業(yè)過(guò)程的濕度測(cè)量與控制。因此，自60年代起，許多國(guó)家開(kāi)始竟相研制適用于高溫條件下進(jìn)行測(cè)量的濕度傳感器。 考慮到傳感器的使用條件，人們很自然地把探索方向著眼于既具有吸水性又能耐高溫的某些無(wú)機(jī)物上。實(shí)踐已經(jīng)證明，陶瓷元件不僅具有濕敏特性，而且還可以作為感溫元件和氣敏元件。這些特性使它極有可能成為一種有發(fā)展前途的多功能傳感器。寺日、福島、新田等人在這方面已經(jīng)邁出了頗為成功的一步。他們于 1980 年研制成稱之為“濕瓷 - Ⅱ型”和“濕瓷 - Ⅲ型”的多功能傳感器。前者可測(cè)控溫度和濕度，主要用于空調(diào)，后者可用來(lái)測(cè)量濕度和諸如酒精等多種有機(jī)蒸氣，主要用于食品加工方面。
以上幾種是應(yīng)用較多的幾種類型傳感器，另外還有其他根據(jù)不同原理而研制的濕度傳感器，這里就不一一介紹了。
時(shí)漂和溫漂
幾乎所有的傳感器都存在時(shí)漂和溫漂。由于濕度傳感器必須和大氣中的水汽相接觸，所以不能密封。這就決定了它的穩(wěn)定性和壽命是有限的。一般情況下，生產(chǎn)廠商會(huì)標(biāo)明1次標(biāo)定的有效使用時(shí)間為1年或2年，到期負(fù)責(zé)重新標(biāo)定。請(qǐng)使用者在選擇傳感器時(shí)考慮好日后重新標(biāo)定的渠道，不要貪圖便宜或迷信洋貨而忽略了售后服務(wù)問(wèn)屬。
溫漂在上1節(jié)已經(jīng)提到。選擇濕度傳感器要考慮應(yīng)用場(chǎng)合的溫度變化范圍，看所選傳感器在溫度下能否正常工作，溫漂是否超出設(shè)計(jì)指標(biāo)。要提醒使用者注意的是：電容式濕度傳感器的溫度系數(shù)α是個(gè)變量，它隨使用溫度、濕度范圍而異。這是因?yàn)樗透叻肿泳酆衔锏慕殡娤禂?shù)隨溫度的改變是不同步的，而溫度系數(shù)α又主要取決于水和感濕材料的介電系數(shù)，所以電容式濕敏元件的溫度系數(shù)并非常數(shù)。電容式濕度傳感器在常溫、中濕段的溫度系數(shù)zui小，5-25℃時(shí)，中低濕段的溫漂可忽略不計(jì)。但在高溫高濕區(qū)或負(fù)溫高濕區(qū)使用時(shí)，就一定要考慮溫漂的影響，進(jìn)行必要的補(bǔ)償或修正。
領(lǐng)域 部門(mén) 溫度(℃) 濕度(%RH)
紡織 紡紗廠 23 60
織布廠 18 85
醫(yī)藥 制藥廠 10～ 30 50～60
手術(shù)室 23～ 26 50～60
輕工 印刷廠 23～ 27 49～51
卷煙廠 21～ 24 55～65
火柴廠 18～22 50
電子 半導(dǎo)體 22 30～45
計(jì)算機(jī)房 20～30 40～70
通 訊 電纜充氣 -10～30 0～20
食 品 啤酒發(fā)酵 4～8 50～70
農(nóng)業(yè) 良種培育 15～40 40～75
人工大棚 5～40 40～100
倉(cāng)儲(chǔ) 水果冷凍 -3～5 80～90
地下菜窖 -3～ -1 70～ 80
文物保管 16～18 50～55
注：在不同領(lǐng)域的使用范圍(%RH/℃)
與傳統(tǒng)測(cè)濕方法的關(guān)系
早在18世紀(jì)人類就發(fā)明了干濕球和毛發(fā)濕度計(jì)，而電子式濕度傳感器是近幾十年．特別是近20年才迅速發(fā)展起來(lái)的。新舊事物的交替與人們的觀念轉(zhuǎn)變很有關(guān)系。由于干濕球、毛發(fā)濕度計(jì)的價(jià)格仍明顯低于濕度傳感器，造成一部分人對(duì)電子濕度傳感器價(jià)格的不認(rèn)可。正好像用慣了掃帚的人改用吸塵器時(shí)，總覺(jué)得花幾百元錢買一臺(tái)吸塵器有些不上算，不如花幾元錢買把掃帚那樣心理容易平衡。
由于傳統(tǒng)測(cè)濕方法在人們的腦海中印象太深了，一些人形成了只有干濕球濕度計(jì)才是準(zhǔn)確的固有概念。有些用戶拿干濕球濕度計(jì)來(lái)對(duì)比剛購(gòu)得的濕度傳感器，如發(fā)現(xiàn)示值不同，馬上認(rèn)為濕度傳感器不準(zhǔn)。須知干濕球的準(zhǔn)確度只有5%一7%RH，不但低于電子濕度傳感器，而且還取決于干球、濕球兩支溫度計(jì)本身的精度；濕度計(jì)必須處于通風(fēng)狀態(tài)：只有紗布水套、水質(zhì)、風(fēng)速都滿足一定要求時(shí)，才能達(dá)到規(guī)定的準(zhǔn)確度。濕度傳感器生產(chǎn)廠在產(chǎn)品出廠前都要采用標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器來(lái)逐支標(biāo)定，zui常用分流式標(biāo)準(zhǔn)濕度發(fā)生器來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。所以希望用戶在需要校準(zhǔn)時(shí)也采用相同的方法，避免用準(zhǔn)確度低的器具去校準(zhǔn)或比對(duì)精度高的傳感器。
美國(guó)Johnson Controls江森自控濕度傳感器的特性：
濕敏元件是zui簡(jiǎn)單的濕度傳感器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類。
濕敏電阻
濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如金屬氧化特濕敏電阻、硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，主要缺點(diǎn)是線性度和產(chǎn)品的互換性差。
濕敏電容
濕敏電容一般是用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酷酸醋酸纖維等。當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。濕敏電容的主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、產(chǎn)品互換性好、響應(yīng)速度快、濕度的滯后量小、便于制造、容易實(shí)現(xiàn)小型化和集成化，其精度一般比濕敏電阻要低一些。國(guó)外生產(chǎn)濕敏電容的主廠家有Humirel公司、Philips公司、Siemens公司等。以Humirel公司生產(chǎn)的SH1100型濕敏電容為例，其測(cè)量范圍是（1%～99%）RH，在55%RH時(shí)的電容量為180pF（典型值）。當(dāng)相對(duì)濕度從0變化到100%時(shí)，電容量的變化范圍是163pF～202pF。溫度系數(shù)為0.04pF/℃，濕度滯后量為±1.5%，響應(yīng)時(shí)間為5s。
除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來(lái)改變振蕩頻率）、光強(qiáng)型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中，很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
美國(guó)Johnson Controls江森自控濕度傳感器的注意事項(xiàng)：
濕度傳感器是非密封性的，為保護(hù)測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免在酸性、堿性及含有機(jī)溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。為正確反映欲測(cè)空間的濕度，還應(yīng)避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。如果被測(cè)的房間太大，就應(yīng)放置多個(gè)傳感器。
有的濕度傳感器對(duì)供電電源要求比較高，否則將影響測(cè)量精度．或者傳感器之間相互干擾，甚至無(wú)法工作。使用時(shí)應(yīng)技要求提供合適的、符合精度要求的供電電源。
傳感器需要進(jìn)行遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸時(shí)，要注意信號(hào)的衰減問(wèn)題。當(dāng)傳輸距離超過(guò)200m以上時(shí)，建議選用頻率輸出信號(hào)的濕度傳感器。
由于濕敏元件都存在一定的分散性，無(wú)論進(jìn)口或國(guó)產(chǎn)的傳感器都需逐支調(diào)試標(biāo)定。大多數(shù)在更換濕敏元件后需要重新調(diào)試標(biāo)定，對(duì)于測(cè)量精度比較高的濕度傳感器尤其重要。
濕度傳感器現(xiàn)在正在被廣泛應(yīng)用，濕度傳感器能夠很好的監(jiān)控環(huán)境中濕度，在食品保護(hù)，環(huán)境檢測(cè)等方面有著重要的應(yīng)用，我們?cè)谑褂脻穸葌鞲衅鞯臅r(shí)候應(yīng)該充分了解濕度傳感器的結(jié)構(gòu)已經(jīng)在使用過(guò)程中的一些注意事項(xiàng)。
濕度傳感器的形式不是很多，但是不管是什么樣的濕度傳感器在使用過(guò)程中還是要注意以上幾個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題，不僅僅是濕度傳感器所有的傳感器在使用過(guò)程中都有它的注意事項(xiàng)，我們?cè)谑褂玫臅r(shí)候應(yīng)該首先閱讀使用說(shuō)明書(shū)已經(jīng)和廠家咨詢相關(guān)的問(wèn)題，才能更好的使用。
美國(guó)Johnson Controls江森自控濕度傳感器的用途：
1、濕度傳感器的用途
濕度傳感器用于濕度測(cè)量，基于濕度定義有很多表示方法，本文將濕度傳感器定義為測(cè)量環(huán)境相對(duì)濕度的電子式敏感元件/器件。
2、濕度傳感器的分類
碳膜濕度傳感器
金屬氧化物陶瓷式濕度傳感器
電解質(zhì)濕度傳感器——氯化鋰濕敏電阻
高分子濕度傳感器——高分子濕敏電阻
高分子濕度傳感器——高分子濕敏電容(流行)
紅外濕度傳感器
微波濕度傳感器
超聲波濕度傳感器
美國(guó)Johnson Controls江森自控濕度傳感器的封裝方法：
濕度傳感器由于其工作原理的限制,必須采取非密封封裝形式,即要求封裝管殼留有和外界連通的接觸孔或者接觸窗,讓濕敏芯片感濕部分和空氣中的濕汽能夠很好的接觸。同時(shí),為了防止?jié)衩粜酒豢諝庵械幕覊m或雜質(zhì)污染,需要采取一些保護(hù)措施。目前,主要手段是使用金屬防塵罩或者聚合物多孔膜進(jìn)行保護(hù)。下面介紹幾種濕度傳感器的不同封裝形式。
1.晶體管外殼(TO)封裝
目前,用TO型封裝技術(shù)封裝濕敏元件是一種比較常見(jiàn)的方法。TO型封裝技術(shù)有金屬封裝和塑料封裝兩種。金屬封裝先將濕敏芯片固定在外殼底座的中心,可以采用環(huán)氧樹(shù)脂粘接固化法;然后在濕敏芯片的焊區(qū)與接線柱用熱壓焊機(jī)或者超聲焊機(jī)將Au絲或其他金屬絲連接起來(lái);zui后將管帽套在底座周圍的凸緣上,利用電阻熔焊法或環(huán)形平行焊法將管帽與底座邊緣焊牢。金屬管帽的頂端或者側(cè)面開(kāi)有小孔或小窗,以便濕敏芯片和空氣能夠接觸。根據(jù)不同濕敏芯片和性能要求,可以考慮加一層金屬防塵罩,以延長(zhǎng)濕度傳感器的使用壽命。
2.單列直插封裝(SIP)封裝
單列直插封裝(SIP)也常用來(lái)封裝濕度傳感器。濕敏芯片的輸出引腳數(shù)一般只有數(shù)個(gè),因而可以將基板上的I/O引腳引向一邊,用鍍Ni、鍍Ag或者鍍Pb-Sn的“卡式”引線(基材多為Kovar合金)卡在基板的I/O焊區(qū)上,將卡式引線浸入熔化的Pb-Sn槽中進(jìn)行再流焊,將焊點(diǎn)焊牢。根據(jù)需要,卡式引線的節(jié)距有2.54 mm和1.27 mm兩種,平時(shí)引線均連成帶狀,焊接后再剪成單個(gè)卡式引線。通常還要對(duì)組裝好元器件的基板進(jìn)行涂覆保護(hù),zui簡(jiǎn)單的是浸漬一層環(huán)氧樹(shù)脂,然后固化。zui后塑封保護(hù),整修毛刺,完成封裝。
單列直插封裝的插座占基板面積小,插取自如,SIP工藝簡(jiǎn)便易行,適于多品種,小批量生產(chǎn),且便于逐個(gè)引線的更換和返修。
3.小外形封裝(SOP)
小外形封裝(SOP)法是另一種封裝濕度傳感器的方法。SOP是從雙列直插封裝(DIP)變形發(fā)展而來(lái)的,它將DIP的直插引腳向外彎曲成90°,變成了適于表面組裝技術(shù)(SMT)的封裝。SOP基本全部是塑料封裝,其封裝工藝為:先將濕敏芯片用導(dǎo)電膠或環(huán)氧樹(shù)脂粘接在引線框架上,經(jīng)樹(shù)脂固化,使?jié)衩粜酒潭?再將濕敏芯片上的焊區(qū)與引線框架引腳的鍵合區(qū)用引線鍵合法連接。然后放入塑料模具中進(jìn)行膜塑封裝,出模后經(jīng)切筋整修,去除塑封毛刺,對(duì)框架外引腳打彎成型。塑料外殼表面開(kāi)有與空氣接觸的小窗,并貼上空氣過(guò)濾薄膜,阻擋灰塵等雜質(zhì),從而保護(hù)濕敏芯片。相較于TO和SIP兩種封裝形式,SOP封裝外形尺寸要小的多,重量比較輕。SOP封裝的濕度傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性很好,漂移小,成本低,容易使用。同時(shí)適合SMT,是一種比較優(yōu)良的封裝方法。
4.其它封裝形式
外部支撐框架是由高分子化合物形成,用預(yù)先設(shè)計(jì)的模子澆鑄而成,其設(shè)計(jì)充分考慮了空間結(jié)構(gòu),保證濕敏芯片和空氣能充分接觸。濕敏芯片沿著滑道直接插入外框架,然后固定。從外框架另一端插入外引線,與濕敏芯片的焊區(qū)相接(也可以懸空),然后用導(dǎo)電膠熱固法將濕敏芯片和外引線連接起來(lái)。zui后,外框架的正反兩面都貼上空氣過(guò)濾薄膜。過(guò)濾薄膜由聚四氟乙烯制成的多孔膜,能夠允許空氣滲透進(jìn)入傳感器而能阻擋灰塵和水滴。
這種濕度傳感器的封裝有別于傳統(tǒng)的濕度傳感器封裝,它不采用傳統(tǒng)的引線鍵合的方法連接外引線和濕敏芯片,而是直接將濕敏芯片外引線連接,從而避免了因?yàn)閮?nèi)引線的原因而導(dǎo)致的失效問(wèn)題。同時(shí),它的封裝體積較小,傳感器性能穩(wěn)定,能夠長(zhǎng)時(shí)間工作。不過(guò),它對(duì)外框架制作要求較高,工藝相對(duì)比較復(fù)雜。
5.濕度傳感器和其它傳感器混合封裝
很多時(shí)候,濕度傳感器并不是單獨(dú)封裝的,而是和溫度傳感器、風(fēng)速傳感器或壓力傳感器等其它傳感器以及后端處理電路集成混合封裝,以滿足相應(yīng)的功能需求。其封裝工藝為:先將濕敏芯片用導(dǎo)電膠或環(huán)氧樹(shù)脂粘接在基板上,經(jīng)樹(shù)脂固化,使?jié)衩粜酒潭?。再將濕敏芯片上的焊區(qū)與基板鍵合區(qū)用引線鍵合法連接。然后封蓋外殼(材料可選擇水晶聚合物)。外殼的表面開(kāi)有與空氣接觸的小窗,使?jié)穸让舾性蜏囟让舾性酒涂諝獬浞纸佑|,而其他部分與空氣隔離,密封保護(hù)。小窗貼有空氣過(guò)濾薄膜,以防止雜質(zhì)的沾污。 |
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