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高中1 传感器及其工作原理学案
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这是一份高中1 传感器及其工作原理学案，共5页。学案主要包含了知能准备，同步导学等内容，欢迎下载使用。
一、力传感器的应用－电子秤
图－1
1．电子秤理有___________________片、电压放大器、模数转换器微处理器和数字显示器等器件。电阻应变片受到力的作用时，它的_______________会发生变化，把应变片放在合适的电路中，他能够把物体______________这个力学量转换为______________这个电学量，因而电子秤是_________________的应用。
2．工作原理：如图－1所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲,上表面拉伸，下表面压缩, 上表面应变片的电阻__________，下表面应变片的电阻变小。F越大， 弯曲形变___________，应变片的阻值变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那末上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。外力越大，输出的电压差值也就____________。
二、声传感器的应用－话筒
1．话筒是一种常用的____________，其作用是把____________转换成___________。话筒分为_______________，______________，_____________等几种.
2．电容式话筒：原理：是绝缘支架，薄金属膜和固定电极形成一个电容器，被直流电源充电。当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。
3．驻极体话筒：它的特点是____________，__________，____________，____________。其工作原理同电容式话筒，只是其内部感受声波的是______________.
三、温度传感器的应用－电熨斗
1．在电熨斗中，装有双金属片温度传感器，其作用是____________，当温度发生变化时，双金属片的____________不同，从而能控制电路的通断。
2．电熨斗的自动控温原理：
N
M
Q
R
E=250V
到放大器
电容式话筒原理
图－2
常温下，上、下触点是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀_____________，下部金属膨胀____________，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电源，从而保持温度不变。
【同步导学】
一、疑难分析
调温旋钮
升降螺丝
绝缘支架
电热丝
触点
双金属片
金属底板
弹性铜片
电熨斗的构造
1．电容式话筒：原理如图－2所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。
2.电熨斗的自动控温原理：内部装有双金属片温度传感器，如图－3所示，其作用是控制电路的通断。常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，双金属片向下弯曲，使触电分离，从而切断电源，停止加热，温度降低后，双金属片又恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。
图－3
二、方法点拨
传感器
放大
电路
转换
执行机构
显示器（指针式或电表式数字屏）
计算机系统
传感器应用的一般模式：
三、典型例题：
图－4
例1．用如图－4所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个有力敏电阻组成的压力传感器。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0㎏的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上其压力大小可以直接从传感器的液晶显示屏上读出。现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，a在后。汽车静止时，传感器a、b的示数均为10N（取g=10m／s2）
（1）若传感器a示数为14N，b的示数为6.0N，求此时汽车的加速度和方向?
（2）当汽车有怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零？
图－5
解析：（１）如图－5所示左侧弹簧对滑块向右的推力Ｆ１＝１４Ｎ，右侧弹簧对滑块的向左的推力Ｆ２＝６.０Ｎ，滑块所受合力产生加速度ａ１，由牛顿第二定律得：Ｆ１－Ｆ２＝ｍａ１，所以ａ１＝４ｍ／ｓ２。同方向，（向右）
图－6甲
图－6乙
(2) 传感器a的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力 = 0,所以右测弹簧的弹力变为 = 20N，由牛顿第二定律有： = ma2，所以 a2 = 10m/s2。方向向左。
例2．动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图－6甲所式是话筒原理，图－6乙所式是录音机的录音、放音原理图，由图可知:
①话筒工作时录音磁铁不动，线圈振动而产生感应电流.
②录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流
③录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
④录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
其中正确的是:
A．②③④ B．①②③
C．①②④ D．①③④
解析：话筒的工作原理是，声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流，①正确。录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场， ④正确。磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，②正确。
答案：C
例3．设计制作一个温度自动控制装置(温控报警器)：自己设计一个有热敏电阻作为传感器的简单自动控制试验。在图－7中画出设计电路，并进行连接。
图－7
解析：将由热敏电阻为主要元件的温控电路接入左侧接线柱，报警器接右侧接线柱。
同步检测：
电子秤使用的是 （ ）
A．超声波传感器 B．温度传感器
C．压力传感器 D．红外线传感器
2．关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是： （ ）
A．应变片是由导体材料制成
B．当应变片的表面拉伸时,其电阻变大，反之变小
C．传感器输出的是应变片上的电压
D．外力越大，输出的电压差值也越大
3．下列器件不是应用温度传感器的是： （ ）
第4题
A．电熨斗 B．话筒 C．电饭锅 D．测温仪
4．电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图所示，Q是绝缘支架，M是薄金属膜和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，当膜片向右运动的过程中有： （ ）
第5题
A．电容变大 B．电容变小
C．导线AB中有向左的电流 D．导线AB中有向右的电流
5．在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钠等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能，对此，以下判断正确的是：（ ）
①通电后,其电功率先增大,后减小
②通电后, 其电功率先减小,后增大
③当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1不变
④当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1和t2之间的某一值不变
A．①③ B．②③ C．②④ D．①④
6．计算机键盘是由两片金属切片组成的小电容器，该电容器的电容可用公式C=εS／d计算，式中ε=9×10－12，S为金属片的正对面积，d表示两金属片间距。当键被按下时，此电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出那个键被按下了，从而给出相应的信号。设每个金属片的正对面积为50mm2，键未按下时的金属片间距为0.6mm。如果电容变化0.25pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少需要被按下 ( )
A．0.15mm B．0.25mm C．0.35mm D．0.45mm
综合评价：
1．唱卡拉OK用的话筒，内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。下列说法正确的是： ( )
A．该传感器是根据电流的磁效应工作的
B．该传感器是根据电磁感应原理工作的
C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D. 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动
2．图中电容式话筒右测固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀上金属层的振动膜a构成一个电容器，a、 b分别通过导线与恒定电源两极相接。声源s做位移X=Asin(200πt)的振动，则有： （ ）
A．a振动过程中a、 b板之间的电场强度不变
第2题
B．a振动过程中话筒会产生电磁波
Ｃ．导线ac的电流的频率为1000Hz
Ｄ．a向右位移最大时a 、b板形成的电流最大
3．如图是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面渡有薄薄的金属层，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，导致话筒所在的电路中的其他量发生变化，使声音信号被话筒转化电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容两极板间的（ ）
第3题
A．距离变化 B．正对面积变化
C．介质变化 D.电压变化
第4题
4．磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为B2∕2µ.式中B是磁感应强度， µ是磁导率，在空气中µ为一已知常数，为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感应强度B，一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离ΔL，并测出拉力F，如图所示，因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可得此感应强度B与F、 A之间的关系为B=_____________.
5．如图所示，神州五号飞船发射升空时，火箭内测试仪台上放一个压力传感器，传感器上面压一质量为M的物体，火箭点火后从地面加速升空，当升到某一高度时，加速度为a=g∕2，压力传感器此时显示出物体对平台的压力为点火前压力的17/16，已知地球的半径为R，g为地面附近的重力加速度，试求此时火箭离地面的高度_______________.
6．如图是电熨斗温度自动控制装置。
（1）常温时，上、下触点应是分离,还是接触?
（2）双金属片温度升高时，那一层形变大?
（3）假设原来温度上升到800C时，断开电源，现在要求600C时断开电源,应怎样调节调温旋钮?
第6题
7．某学生为了测量一物体的质量，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，而后在其受压面上放一物体,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：力电转换器，质量为m0的砝码，电压表，滑动变阻器，干电池各一个，电键及到县若干，待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量。
（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，
第7题
并且使电压的调节范围尽可能大，在图中画处完整的测量电路图。
（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。
参考答案：
知能准备：
一、1．应变，电阻，物体形变，力学传感器，2．变大，越大，越大
二、1．声传感器，声信号，电信号。动圈式话筒，电容式话筒，驻极体话筒，
3．体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高。内部驻极体塑料薄膜。
三、1．控制电阻的通断，弯曲方向不同。2．大，小。
同步检测：1. C 2. BD 3. B 4.AC 5 D 6 D
综合评价: 1.B 2.BD 3.A 4. 5.R/3 6(1).常温时,上下触点接触,使电路接通,电热丝工作.(2).双金属片的上面一层形变大.(3).应向上调节调温旋钮,双金属片受热时,易使触点分离.
7．解析(1) 设计电路如图
(2) 测量步骤与结果：①调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为零，②将砝码放在转换器上,记下输出电压U0,③将待测物放在转换器上，记下输出电压U
由U0=km0g,得k=U0/m0g
U=k m g,所以 m=m0U/U0
一、力传感器的应用－电子秤
图－1
1．电子秤理有___________________片、电压放大器、模数转换器微处理器和数字显示器等器件。电阻应变片受到力的作用时，它的_______________会发生变化，把应变片放在合适的电路中，他能够把物体______________这个力学量转换为______________这个电学量，因而电子秤是_________________的应用。
2．工作原理：如图－1所示，弹簧钢制成的梁形元件右端固定，在梁的上下表面各贴一个应变片，在梁的自由端施力F，则梁发生弯曲,上表面拉伸，下表面压缩, 上表面应变片的电阻__________，下表面应变片的电阻变小。F越大， 弯曲形变___________，应变片的阻值变化就越大。如果让应变片中通过的电流保持恒定，那末上面应变片两端的电压变大，下面应变片两端的电压变小。传感器把这两个电压的差值输出。外力越大，输出的电压差值也就____________。
二、声传感器的应用－话筒
1．话筒是一种常用的____________，其作用是把____________转换成___________。话筒分为_______________，______________，_____________等几种.
2．电容式话筒：原理：是绝缘支架，薄金属膜和固定电极形成一个电容器，被直流电源充电。当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。
3．驻极体话筒：它的特点是____________，__________，____________，____________。其工作原理同电容式话筒，只是其内部感受声波的是______________.
三、温度传感器的应用－电熨斗
1．在电熨斗中，装有双金属片温度传感器，其作用是____________，当温度发生变化时，双金属片的____________不同，从而能控制电路的通断。
2．电熨斗的自动控温原理：
N
M
Q
R
E=250V
到放大器
电容式话筒原理
图－2
常温下，上、下触点是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀_____________，下部金属膨胀____________，则双金属片向下弯曲，使触点分离，从而切断电源，停止加热温度降低后，双金属片恢复原状，重新接通电源，从而保持温度不变。
【同步导学】
一、疑难分析
调温旋钮
升降螺丝
绝缘支架
电热丝
触点
双金属片
金属底板
弹性铜片
电熨斗的构造
1．电容式话筒：原理如图－2所示，Q是绝缘支架，薄金属膜M和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电。当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，于是电阻R两端就输出了与声音变化规律相同的电压。
2.电熨斗的自动控温原理：内部装有双金属片温度传感器，如图－3所示，其作用是控制电路的通断。常温下，上、下触点应是接触的，但温度过高时，由于双金属片受热膨胀系数不同，上部金属膨胀大，下部金属膨胀小，双金属片向下弯曲，使触电分离，从而切断电源，停止加热，温度降低后，双金属片又恢复原状，重新接通电路加热，这样循环进行，起到自动控制温度的作用。
图－3
二、方法点拨
传感器
放大
电路
转换
执行机构
显示器（指针式或电表式数字屏）
计算机系统
传感器应用的一般模式：
三、典型例题：
图－4
例1．用如图－4所示的装置可以测量汽车在水平路面上做匀加速直线运动的加速度。该装置是在矩形箱子的前、后壁上各安装一个有力敏电阻组成的压力传感器。用两根相同的轻弹簧夹着一个质量为2.0㎏的滑块，滑块可无摩擦滑动，两弹簧的另一端分别压在传感器a、b上其压力大小可以直接从传感器的液晶显示屏上读出。现将装置沿运动方向固定在汽车上，传感器b在前，a在后。汽车静止时，传感器a、b的示数均为10N（取g=10m／s2）
（1）若传感器a示数为14N，b的示数为6.0N，求此时汽车的加速度和方向?
（2）当汽车有怎样的加速度运动时，传感器a的示数为零？
图－5
解析：（１）如图－5所示左侧弹簧对滑块向右的推力Ｆ１＝１４Ｎ，右侧弹簧对滑块的向左的推力Ｆ２＝６.０Ｎ，滑块所受合力产生加速度ａ１，由牛顿第二定律得：Ｆ１－Ｆ２＝ｍａ１，所以ａ１＝４ｍ／ｓ２。同方向，（向右）
图－6甲
图－6乙
(2) 传感器a的读数恰为零，即左侧弹簧的弹力 = 0,所以右测弹簧的弹力变为 = 20N，由牛顿第二定律有： = ma2，所以 a2 = 10m/s2。方向向左。
例2．动圈式话筒和磁带录音机都应用了电磁感应现象，图－6甲所式是话筒原理，图－6乙所式是录音机的录音、放音原理图，由图可知:
①话筒工作时录音磁铁不动，线圈振动而产生感应电流.
②录音机放音时变化的磁场在静止的线圈里产生感应电流
③录音机放音时线圈中变化了的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
④录音机录音时线圈中变化的电流在磁头缝隙处产生变化的磁场
其中正确的是:
A．②③④ B．①②③
C．①②④ D．①③④
解析：话筒的工作原理是，声波迫使金属线圈在磁铁产生的磁场中振动产生感应电流，①正确。录音时，话筒产生的感应电流经放大电路放大后在录音机磁头缝隙处产生变化的磁场， ④正确。磁带在放音时通过变化的磁场使放音磁头产生感应电流，经放大电路后再送到扬声器中，②正确。
答案：C
例3．设计制作一个温度自动控制装置(温控报警器)：自己设计一个有热敏电阻作为传感器的简单自动控制试验。在图－7中画出设计电路，并进行连接。
图－7
解析：将由热敏电阻为主要元件的温控电路接入左侧接线柱，报警器接右侧接线柱。
同步检测：
电子秤使用的是 （ ）
A．超声波传感器 B．温度传感器
C．压力传感器 D．红外线传感器
2．关于电子秤中应变式力传感器的说法正确的是： （ ）
A．应变片是由导体材料制成
B．当应变片的表面拉伸时,其电阻变大，反之变小
C．传感器输出的是应变片上的电压
D．外力越大，输出的电压差值也越大
3．下列器件不是应用温度传感器的是： （ ）
第4题
A．电熨斗 B．话筒 C．电饭锅 D．测温仪
4．电容式话筒的保真度比动圈式话筒好，其工作原理如图所示，Q是绝缘支架，M是薄金属膜和固定电极N形成一个电容器，被直流电源充电，当声波使膜片振动时，电容发生变化，电路中形成变化的电流，当膜片向右运动的过程中有： （ ）
第5题
A．电容变大 B．电容变小
C．导线AB中有向左的电流 D．导线AB中有向右的电流
5．在家用电热灭蚊器中，电热部分主要元件是PTC元件，PTC元件是由钛酸钠等半导体材料制成的电阻器，其电阻率ρ随温度t的变化关系如图所示，由于这种特性，PTC元件具有发热、保温双重功能，对此，以下判断正确的是：（ ）
①通电后,其电功率先增大,后减小
②通电后, 其电功率先减小,后增大
③当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1不变
④当其产生的热量与散发的热量相等时,温度保持在t1和t2之间的某一值不变
A．①③ B．②③ C．②④ D．①④
6．计算机键盘是由两片金属切片组成的小电容器，该电容器的电容可用公式C=εS／d计算，式中ε=9×10－12，S为金属片的正对面积，d表示两金属片间距。当键被按下时，此电容器的电容发生变化，与之相连的电子线路就能检测出那个键被按下了，从而给出相应的信号。设每个金属片的正对面积为50mm2，键未按下时的金属片间距为0.6mm。如果电容变化0.25pF，电子线路恰能检测出必要的信号，则键至少需要被按下 ( )
A．0.15mm B．0.25mm C．0.35mm D．0.45mm
综合评价：
1．唱卡拉OK用的话筒，内有传感器，其中有一种是动圈式的，它的工作原理是在弹性膜片后面粘接一个轻小的金属线圈，线圈处于永磁体的磁场中，当声波使膜片前后振动时，就将声音信号转变为电信号。下列说法正确的是： ( )
A．该传感器是根据电流的磁效应工作的
B．该传感器是根据电磁感应原理工作的
C．膜片振动时，穿过金属线圈的磁通量不变
D. 膜片振动时，金属线圈中不会产生感应电动
2．图中电容式话筒右测固定不动的金属板b与能在声波驱动下沿水平方向振动的镀上金属层的振动膜a构成一个电容器，a、 b分别通过导线与恒定电源两极相接。声源s做位移X=Asin(200πt)的振动，则有： （ ）
A．a振动过程中a、 b板之间的电场强度不变
第2题
B．a振动过程中话筒会产生电磁波
Ｃ．导线ac的电流的频率为1000Hz
Ｄ．a向右位移最大时a 、b板形成的电流最大
3．如图是电容式话筒的示意图，它是利用电容制作的传感器，话筒的振动膜前面渡有薄薄的金属层，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，导致话筒所在的电路中的其他量发生变化，使声音信号被话筒转化电信号，其中导致电容变化的原因可能是电容两极板间的（ ）
第3题
A．距离变化 B．正对面积变化
C．介质变化 D.电压变化
第4题
4．磁场具有能量，磁场中单位体积所具有的能量叫做能量密度，其值为B2∕2µ.式中B是磁感应强度， µ是磁导率，在空气中µ为一已知常数，为了近似测得条形磁铁磁极端面附近的磁感应强度B，一学生用一根端面面积为A的条形磁铁吸住一相同面积的铁片P，再用力将铁片与磁铁拉开一段微小距离ΔL，并测出拉力F，如图所示，因为F所做的功等于间隙中磁场的能量，所以由此可得此感应强度B与F、 A之间的关系为B=_____________.
5．如图所示，神州五号飞船发射升空时，火箭内测试仪台上放一个压力传感器，传感器上面压一质量为M的物体，火箭点火后从地面加速升空，当升到某一高度时，加速度为a=g∕2，压力传感器此时显示出物体对平台的压力为点火前压力的17/16，已知地球的半径为R，g为地面附近的重力加速度，试求此时火箭离地面的高度_______________.
6．如图是电熨斗温度自动控制装置。
（1）常温时，上、下触点应是分离,还是接触?
（2）双金属片温度升高时，那一层形变大?
（3）假设原来温度上升到800C时，断开电源，现在要求600C时断开电源,应怎样调节调温旋钮?
第6题
7．某学生为了测量一物体的质量，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，而后在其受压面上放一物体,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：力电转换器，质量为m0的砝码，电压表，滑动变阻器，干电池各一个，电键及到县若干，待测物体(可置于力电转换器的受压面上)。请完成对该物体质量的测量。
（1）设计一个电路，要求力电转换器的输入电压可调，
第7题
并且使电压的调节范围尽可能大，在图中画处完整的测量电路图。
（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。
参考答案：
知能准备：
一、1．应变，电阻，物体形变，力学传感器，2．变大，越大，越大
二、1．声传感器，声信号，电信号。动圈式话筒，电容式话筒，驻极体话筒，
3．体积小，重量轻，价格便宜，灵敏度高。内部驻极体塑料薄膜。
三、1．控制电阻的通断，弯曲方向不同。2．大，小。
同步检测：1. C 2. BD 3. B 4.AC 5 D 6 D
综合评价: 1.B 2.BD 3.A 4. 5.R/3 6(1).常温时,上下触点接触,使电路接通,电热丝工作.(2).双金属片的上面一层形变大.(3).应向上调节调温旋钮,双金属片受热时,易使触点分离.
7．解析(1) 设计电路如图
(2) 测量步骤与结果：①调节滑动变阻器,使转换器的输出电压为零，②将砝码放在转换器上,记下输出电压U0,③将待测物放在转换器上，记下输出电压U
由U0=km0g,得k=U0/m0g
U=k m g,所以 m=m0U/U0
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