光纤光栅传感器的封装技术.docx

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光纤光栅传感器的封装技术

光纤光栅传感器的封装技术

摘要

光纤布拉格光栅传感器是一种新型的光纤传感器，它利用的是布拉格波长对温度、应变敏感的原理。

与传统的电学传感器相比，它还具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、复用性强等优点。

正因为这些独特的优点，光纤布拉格光栅越来越多的被应用到大型结构、电力、安防、石化、医学、矿井、军事等领域，其中，最引人瞩目的是光纤光栅温度传感器在长距离测温系统中的应用。

随着中国物联

网发展战略的实施，光纤传感领域的研究和产业化面临着巨大的机遇和挑战。

本文综述了光纤光栅温度传感器的传感原理，光纤光栅传感器封装技术分类，分为保护性封装，敏化封装，以及补偿性封装，列举了三个封装技术的实例，对他们的封装结构，封装中的技术工艺，以及封装后的一些参数进行了介绍。

1、绪论

1.1光纤光栅传感器封装技术概述

光纤光栅是普通光纤经过特殊的光学工艺处理后，使纤芯折射率沿轴向，呈现周期性规律分布的物理结构，其实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）光滤波器或反射镜。

通过人为改变光纤光栅结构的分布，我们可以主动控制光在光纤中的传播行为，光纤光栅结构的多样化可以使其光谱响应特显得非常丰富。

同时，光纤光栅具有结构简单、器件微型化、带宽范围广、耦合性好、附加损耗小、可与其他光纤器件融成一体等特点，除此之外光纤本身具有轻质、电绝缘、柔韧、抗电磁干扰、径细、化学稳定等优点，使得光纤光栅在光纤传感、全光通信、光信息处理等领域具有巨大的应用前景。

光纤光栅传感器是以布拉格条件为基础，以光纤光栅为载体，发展起来的一种本征波长调制型传感器。

光纤光栅传感器是利用透射或反射谱波长峰值的变化，进而实现对物理量的测量。

透射（反射）谱波长与光栅纤芯的有效折射率及折射率调制周期密切相关。

当外界应变与温度发生变化时，光纤光栅的纤芯折射率与折射率调制周期就随之变化，然后影响光纤光栅的透射（反射）谱峰值波长的移动，通过测量Bragg峰值波长的移动量，实现对外界物理量变化的测量，上述即是光纤光栅传感器的基本工作原理。

光纤光栅传感器可以实现对应变、温度、压力、电流、振动等基本物理量测量。

利用光纤光栅进行传感，需要适当的封装技术，增加其敏感度，以利于检测解调。

在某些情况下，我们不希望温度仁或应变、压力）对布拉格波长产生影响，就要对光栅进行减敏封装，降低它对温度仁或应变、压力）的灵敏度。

这两种技术统称敏化技术。

目前，一些敏化技术已经在实际中得到应用，但还有相当一部分停留在实验室阶段。

利用光纤光栅进行传感面临的又一难题是温度、应变交叉敏感问题。

温度和应变都能引起布拉格波长的漂移，从单一的波长漂移量，我们无法区分其中哪些是温度变化引起的，哪些是应变引起的。

这给我们出了很大的难题。

要实现光纤光栅传感器的实用化，就必须采用各种封装技术，或者剔除温度的影响，或者实现温度、应变双参数及多参数的同时测量。

光纤光栅传感技术适合应用在很多恶劣的环境中，但由于光纤纤细柔软，容易被损坏，因此需要采用一些封装方法，保护光栅。

在实用中对光纤光栅进行恰当的封装非常必要，封装工艺的好坏直接影响到光纤光栅传感器能否从实验室走向实用，对光纤光栅封装技术进行研究，设计更好的封装结构和工艺尤为重要。

2、光纤光栅传感原理

2.1光纤光栅传感器的结构和原理

光纤光栅是发展最为迅速的一种新型光纤无源器件，是利用光纤材料的光敏性使纤芯内形成空间相位光栅，其实质是在纤芯内形成窄带的滤波器或反射镜。

以下简单介绍应用最为普遍的光纤布拉格光栅（FBG）的相关原理，图2.1为其波导结构及传输光谱示意图。

由耦合模理论可知，光纤布拉格光栅（FBG）的中心反射波长可表示为：

式中，

为光纤布拉格光栅的中心反射波长或谐振波长，

为光纤纤芯对自由空间中心波长的有效折射率，Λ为光纤布拉格光栅的光栅周期，上述公式称为光纤布拉格光栅的相位匹配条件。

FBG的传感原理可以简单地概括为:

入射光经过纤芯的布拉格光栅结构时会发生散射，当入射光的波长不满足布拉格匹配条件时，各个光栅面的散射光的相位会错乱以致相互抵消。

当入射光的波长满足布拉格匹配条件时，各光栅面的散射光相位保持一致，反射回来的光会得到逐步累积加强，形成反向传导的反射峰。

根据公式可知，光纤布拉格光栅的中心反射波长由纤芯的有效折射率和光栅周期共同决定。

有多种物理量可以改变纤芯的有效折射率和光栅周期（如加速度、超声波、力等），但它们都可以通过某种特殊的方式转化为应变和温度对FBG的影响。

一方面，当FBG的轴向应变发生改变时，会引起光栅周期的改变，并由于弹光效应，导致FBG的有效折射率也发生改变;另一方面，当FBG的温度发生变化时，由于热胀冷缩而引起光栅周期改变，并且根据光纤的热光效应，使得FBG的有效折射率也会发生改变。

因此，由温度和应变的变化而引起FBG的中心波长漂移的关系表达式为:

为温度变化量，

为FBG的长度变化量，

是光栅周期的变化量。

公式右边两项分别代表温度和应变对FBG中心波长的影响。

第一项描述由温度的变化而引起FBG中心波长的漂移，第二项描述由应变的变化而引起FBG中心波长的漂移。

2.2光纤光栅传感技术的类型简介

（1）强度调制型光纤传感技术

强度调制，是一种解调相对简单、应用相对广泛的光纤传感技术。

其基本原理是外界环境（压力、振动、位移和气体等被测量）以某种特殊的方式改变光纤中传输的光强（即调制），再通过测量输出光强的变化（解调）来获得被测量的信息。

光强调制技术具有结构简单、可兼容、低成本等优点，但是检测的光信号容易受光源波动（光纤微弯和连接器损耗等）的影响。

光强调制型光纤传感器主要有光纤微弯传感器、光纤受抑全内反射传感器、光纤辐射传感器等。

（2）频率调制型光纤传感技术

频率调制，是指外界环境（被测量）以某种特定的方式改变光纤中传输光的频率，再通过检测光波频率的偏移量来获得被测量的信息。

一般需要利用光纤的非线性特性实现检测。

（3）相位调制型光纤传感技术

相位调制，是指外界环境（被测量）以某种特定的方式改变光纤中传输光

的相位，再利用干涉仪等来测量相位的变化从而获得被测量的信息。

由于在传感过程中，需要采用特殊的光纤及高精度的检测系统，因此，光相位调制技术的检测成本高。

该类型的传感器具有高灵敏度、测量对象广泛、灵活多样等优点。

相位调制型光纤传感器主要有:

Mach-Zehnder光纤干涉仪、Michelson光纤干涉仪、Sagnac光纤干涉仪和光纤Fabry-Perot干涉仪等。

（4）偏振调制型光纤传感技术

偏振调制，是指外界环境（被测量）以某种特定的方式使光纤中传输光波的偏振面发生偏转，再通过测量光波偏振态的变化来获得被测量的信息。

光偏振调制技术的优点是不仅避免了光源强度变化的影响而且检测精度高。

（5）波长调制型光纤传感技术

波长调制，是指外界环境（被测量）以某种特定的方式改变光纤中传输光

的波长，再通过测量波长的漂移量来获得被测量的信息。

波长调制型光纤传感器具有抗干扰能力强和波长编码等优点。

3.光纤光栅传感器封装技术分类

3.1保护性封装

这种保护性封装一般有表贴式和管式两种。

表贴式封装适合表贴在梁的表面，而管式封装适合埋入到建筑物内部。

（1）表贴式封装

赵雪峰等人设计了一种片式封装结构，如图3-1所示。

衬底采用厚度为2mm的“工”字形钢片，中部钢片宽5mm，长100mm，两侧钢片宽20mm，长30mm。

在中部钢片的两侧各焊接一个厚度5mm，直径20mm的圆形钢片以增加封装结构与基体的锚固。

在钢片上预留3mmx3mm的方孔以方便光纤的布设。

将封装结构用固定在钢筋架上的金属丝固定在试验梁跨中混凝土截面中，这样就尽量避免了振捣棒与之接触，减少了混凝土对传感器的冲击。

实验证明，这种封装结构的传感器存活率高，应变与波长的线性度好，但测量点应变的传递损失为21%，这与封装结构所选的衬底、与粘接层、与金属丝的固定方法都有关系，须引入应变修正系数对一结果进行修正。

图3-1“工”字形片式封装结构示意图

（2）金属管保护封装

管式封装通常是把光纤光栅封装在不锈钢管中，以达到保护光栅的目的。

董兴法等人采用管式封装，设计了一种用于结构损伤检测的实用的光纤光栅传感器。

他们将一半长度的FBG用直径为0.5mm的不锈钢管紧包封装，另一部分用外径小一点的不锈钢管松套封装，然后共同套入匹配的不锈钢管内部，如图3-3所示。

这样只有第一部分FBG接受外套管传感的受力，另一部分FBG就可以进行温度补偿，在光栅自由段填充适当热膨胀系数的液体或固体材料，将有效的消除温度变化对测量结果的影响。

图3-2能克服应变温度交叉敏感的FBG管式封装图

3.2敏化封装

裸光删对温度、应变和压力的灵敏度都不高，这给我们传感检测带来一定的难度，在某些需要高灵敏度传感的场合往往不能满足需要。

多年来，国内外学者在对光栅的增敏封装方面做了许多研究工作，成果显著。

在温度增敏方面，被普遍采用的一种方法是把光栅封装在一种高热膨胀系数的基底材料中，由于普通石英光纤的热膨胀系数只有0.5*10-6/℃,金属的热膨胀系数是是它的几十倍，有机聚合物的热膨胀系数更高，因此依靠基底的带动作用，可以使封装后的光栅在相同温度变化时比裸光栅产生更大的轴向应变，从而起到增敏的效果。

封装结构一般为块式，如图3-3所示为温度增敏封装结构示意图。

3.3补偿性封装

由于光纤布拉格光栅存在温度应变交叉敏感问题，使我们在实际应用中无法从单一的波长漂移分辨出这究竟是应变引起的还是温度变化引起的。

在很多情况下，比如大型建筑物的健康监测，我们对光栅粘贴位置的应变感兴趣，温度变化带来的波长漂移会严重影响应变的测量，因此必须对光纤光栅进行恰当的封装，消除温度变化造成的影响，也就是对温度进行补偿。

目前，光纤光栅的温度补偿方法大致分为两类:

一类是有源方式，即用外加电路设备控制光栅器件所在的工作环镜温度;另一类是无源方式，即以适当的结构与材料对光纤光栅进行封装，通过封装结构在原理上剔除温度对应变测量的影响，或者实现温度和应变双参数的同时测量，甚至多参数的同时测量。

最简单的无源温度补偿方案就是在传感光栅旁边再放置一根不受应力作用的参考光栅，两个光栅所处的环镜温度是相同的。

参考个光栅的温度特性是通过标定的，从它的波长与温度的对应关系就能直接知道环镜温度，然后根据传感光栅温度特性曲线就可以从传感光栅的波长漂移中剔除温度的影响，解调出应变。

贾宏志等人在光纤的同一位置写入不同周期的光栅，实现了温度应变的同时测量。

刘云启等人把一个光栅分成两部分分别封装在两个聚合物基底中，所得两部分光栅的温度特性和压力特性不同，实现了单光栅压力和温度的同时测量。

实验得到压力分辨率为0.36MPa，温度分辨率为0.3℃。

张颖等人采用预应变封装技术在一个光栅上得到了两个反射峰[，克服了温度、应变交叉敏感问题。

董兴法等人设计的金属管分段封装方法，也实现了单个光纤光栅温度和应变的同时测量。

孙安等人采用空心的悬臂梁结构粘贴光栅，使光栅在悬臂梁自由端受力时产生啁啾，出现两个反射峰，两峰间的距离随压力成线性变化。

这样，解调出双峰的距离，就可以求得压力的大小，从结构上剔除了温度的干扰。

这种结构设计巧妙，但距离实用还有一段距离。

4.封装技术实例

4.1光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装

传感器的结构设计要能够便于实际的工程安装，尽量避免安装环境的差异导致传感器特性的改变，如外界应力作用于传感器导致光纤光栅的波长漂移、反射率下降等负面影响。

同时要确保正常的现场施工不会对传感器和连的光缆造成严重破坏，要能够保证信号的正常采集与传输。

传感器的寿命与传感器的应用环境直接相关，高温环境将大幅度地缩减传感器的寿命。

因此，在确保传感元件自身寿命的前提上，要尽量减小因封装技术给传感器寿命带来的负面影响。

封装高温光纤光栅传感器的各种材料都要能够承受高温环境的长期考验，尤其需重视胶水的高温稳定性。

4.1.1封装结构的设计

抗应变串扰的光纤光栅温度传感器封装结构横切面和俯视图分别为图4-1和4-2所示:

图中所示圆柱体为中间留有细小空隙（0.3mm左右）的圆柱体不锈钢管，将光纤光栅放入圆柱体中间，通过玻璃焊料或者粘结剂将光栅尾纤焊接固定在半圆柱不锈钢管上，两焊接点之间的光纤稍微弯曲，从而起到消除外力影响，实现抗应变串扰的结构设计。

图4-1光纤光栅温度传感器封装结构横切面

图4-2光纤光栅温度传感器封装结构俯视图

光纤光栅温度传感器中的玻璃焊料是用于实现光纤器件的高可靠性封接，封接工艺中可直接将金属管套与光纤密封，无需将光纤表面金属化，并改良其抗老化性，防飞溅和抗腐蚀性，可以取代传统的封装工艺。

焊接方式：

将光纤光栅尾纤穿入玻璃焊料中，然后再将玻璃焊料放入半圆柱的不锈钢管中，通过加热半圆柱不锈钢管底部，加热至320℃-375℃左右时玻璃焊料会熔化并将光栅尾纤和半圆柱不锈钢管粘接在一起。

加热方式：

加热方式一般分为高频感应加热、电阻加热、激光加热等。

高频感应加热方式是最常用的加热方式，此方法具有快捷、局部加热套圈或管子的优点。

只要套圈或者管子是金属材料就可以通过高频感应加热方式来实现加热。

电阻加热采用电极加热元件，此方式可进行局部加热，但部件需是导热的材料。

激光加热的优点是加热面积比较小，可实现精确控制，缺点是加热区域以及激光功率不好调节和固定。

本人熔化玻璃焊料的方式是通过大功率的电烙铁加热来实现。

此加热方式具有加热时间短、操作方便、加热成本低的优点，缺点是加热部件要比较小并且金属部件结构要方便与玻璃焊料结合。

4.1.2光纤光栅温度传感器抗应变串扰封装过程

将光纤光栅穿入图4-1所示的长度为6.0cm，外径为3.0mm，内径为0.5mm的圆柱体内，通过玻璃焊料或者粘结剂将光纤光栅尾纤焊接固定在半圆柱内不锈钢管上，两固定点之间的光纤稍微弯曲，从而起到消除外力影响的作用;然后将内径为250um，外径为900um的松套管套入光纤光栅尾纤中，再用紫外胶将松套管粘接在图3-1所示的半圆柱体不锈钢管上;然后将上述结构放入长度为12.0cm,内径为3.45mm，外径为4.0~的外不锈钢管中间，再将接头处涂有耐温胶的外径为3.3mm的耐温光缆插入到不锈钢管中直至顶到半圆柱内不锈钢管，最后用压接钳将上述外不锈钢管进行压接并用外径为6.0mm的热缩管将压接接头热缩保护。

上述封装过程所用的封装工具如下:

切割外不锈钢管所用工具为钢管切管器，加热玻璃焊料的工具为功率为60W的电烙铁，固化紫外胶的工具为紫外灯，压接不锈钢管的为六角压接钳。

4.1.3封装后光纤光栅温度传感器的温度特性

封装完光纤光栅温度传感器后对传感器进行测试，分别使用玻璃焊料封装和紫外胶封装的两种光纤光栅温度传感器进行温度条件相同的加热对比实验。

我们首先将封装好的两个温度传感器放入高温炉中进行加热，然后测试温度传感器的线性度、重复性、稳定性。

图4-3玻璃焊料封装的光纤光栅温度传感器-40-300度之问温度响应曲线图

图4-4紫外胶封装的光纤光栅温度传感器-40-300度之问温度响应曲线图

通过分析图4-3和图4-4，我们可以看出玻璃焊料封装的温度传感器-40-300度之间线性度为0.9996，线性度良好。

而紫外胶封装的温度传感器在-40-240度之间线性度良好，其在-40-300度之间的整体线性度为0.992，此温度传感器在250度以后线性度不好。

因此，紫外胶封装的温度传感器适合在240度以下使用，而高于240度后就只能采用玻璃焊料封装的温度传感器。

图4-5玻璃焊料封装的光纤光栅温度传感器的稳定性曲线

图4-6紫外胶封装的光纤光栅温度传感器的稳定性曲线

通过分析图4-5图4-6，可知道焊料封装的光纤光栅温度传感器的中心波长变化幅度为25pm左右，而紫外胶封装的光纤光栅温度传感器的中心波长变化幅度50pm左右。

可以说明焊料封装的光纤光栅温度传感器长期工作稳定性要优于紫外胶封装的光纤光栅温度传感器。

4.2Polyimide（聚酰亚胺）光纤光栅温度传感器的封装

4.2.1封装结构的设计

（1）金属封装结构a如图4-7所示，高温光纤光栅保护于毛细玻璃管中，一端用高温胶水固定另一段自由松弛在玻璃管内，该结构可以使光纤光栅有效地屏蔽外界应变的影响。

在光纤光栅和毛细玻璃管之间可以填充高温导热油来提高传感器的热传导速度。

采用了卡环和保护弹簧一起来固定和保护接头处的光缆;其优点是现场安装方便、灵活。

采用单端出缆技术，结合星型拓扑结构布置测温点的方法可以在狭小空间内进行安装测试，以降低传感器对被测环境的影响。

主要用于狭小空间的石油化工场所以及某些缸体、油管、汽管等狭小空间工业设备的测温。

图4-7金属封装光纤光栅温度传感的封装设计图a

（2）金属封装的高温光纤光栅温度传感器b，其结构设计如图4-8所示,

图4-8金属封装的高温光纤光栅温度传感器b

首先，该封装结构包括外部保护管与内部支架两部分，其尺寸要求是内部支架恰好与保护管的内壁接触，相互之间不会产生较大的应力作用。

当外界应力使金属保护管产生应变时，只有小部分应力作用于内部固定支架，通过这样的封装结构可以有效的降低环境对传感元件的应变传递。

其次将高温光纤光栅两侧的尾纤用高温胶水固定在内部支架上，使得中间栅区处于松弛状态。

当外界应变向传感器内部传递时，即内部支架产生应变（伸长或缩短），中间松弛的栅区可以通过调整微小的角度来屏蔽外界较大的应变影响。

可以通过串连和波长编码来进行数个传感器的同时监测，有效的缩短了光缆的使用量。

（3）陶瓷封装的高温光纤光栅温度传感器，其结构设计如图4-9

图4-9陶瓷封装的高温光纤光栅温度传感器的结构设计图

采用陶瓷外壳保护内部传感元件，内部毛细玻璃管主要是固定光栅尾纤。

当外界应力作用于陶瓷外壳时，陶瓷外壳将会产生一定的形变，玻璃毛细管和卡环之间的尾纤将会自动调整长度，使毛细管无应变产生。

其次，玻璃毛细管和光纤光栅有着基本相同的热膨胀系数，在温度发生变化的过程中，玻璃毛细管与光纤光栅之间不会产生额外的应力。

陶瓷封装的高温光纤光栅温度传感器具有高绝缘性能，可用于强电场、强磁场的电力场所（发电厂和变电站等）的温度监测。

4.2.2封装工艺

首先，将粘胶处的光纤涂覆层剥去，由于高温将烧毁光纤涂覆层，会使烧毁的涂覆层杂质介于光纤包层和胶水之间，导致光纤和胶水产生挪动，最终减弱传感器对外界应变的屏蔽能力。

胶粘技术可以广泛地用于以上三种封装结构。

高温胶水的寿命直接影响传感器的使用寿命，胶水的老化、脆化等不良影响将降低传感器的可靠性和重复性。

为了提高传感器的使用寿命可以采用金属焊接法对光纤光栅的尾纤进行固定，仅适用于金属封装的温度传感器b的结构。

4.3镀铜光纤光栅的全金属封装

4.3.1光纤的金属化工艺

（1）去涂覆层

化学的方法用有机溶剂溶解光纤表面的涂覆层。

常用的有机溶剂包括丙酮，含氯烷烃和酮的混合溶剂以及二氯甲烷溶液。

其中，二氯甲烷溶液效果不错。

（2）磁控溅射

在溅射系统中，阴极一般是靶材，载能粒子是气体，在高电压和高真空的作用下，使溅射气体发生电离，从而产生带正电的载能粒子，在电场的作用下加速轰击靶材，这样靶材的原子或分子就会被轰击出来并沉积在基片上，这就是溅射成膜的基本原理。

磁控溅射镀膜的流程如图4-10所示，要小心将光纤光栅固定在镀膜的夹具上，将尾纤用锡纸包住。

图4-10磁控溅射镀膜的流程

本次镀膜的目的是为了使光纤光栅导电，以方便下一步的电镀，此次镀银的厚度在100-200nm即可。

将夹具取出来，将镀膜后的光纤光栅取下来，经整理后存放。

要尽量快的对镀膜后的光纤光栅进行电镀，以免其表面氧化和沾上油污等影响后面的电镀。

（3）电镀

电镀过程，就是将镀层金属作为阳极，将被镀件（导电的）作为阴极，在

一定的直流电流的作用下，使电解质溶液中的金属离子得到电子被还原，不断的沉积在阴极被镀件表面的过程。

电镀是一种电化学方法，是一种在电解质溶液中进行的氧化还原反应。

当电路接通时，与电源正极相连的阳极失去电子发生氧化反应，与电源负极相连的阴极得到电子发生还原反应。

本文采用的酸性硫酸盐电镀铜的方案。

在电镀的过程中，主要发生的反应是在阴极上，溶液中的CU2+得到电子还原为铜，沉积在镀过铜的光纤光栅的表面。

其反应式为:

酸性硫酸盐电镀铜原理图如图4-11，装接阴极和阳极，在直流源的正极接一根小铜棒，负极先接铜丝试镀，若铜丝表面有新的铜层出现则证明一切正常可以对光纤光栅电镀了。

将磁控溅射过银层并处理过的光纤光栅接在直流源的负极，打-开电源，就可以对光纤光栅进行电镀了。

图4-11酸性硫酸盐电镀铜原理图

4.3.2全金属封装

激光焊接就是利用高辐射强度的激光束经过光学聚焦后，使激光焦点的功率密度在104-107W/cm2，将加工工件放在激光焦点附件就可以加热熔化实现焊接。

激光焊接的参数包括:

激光的功率密度，峰值功率和激光的作用时间。

将镀钢的光纤光栅和不锈钢片通过特制的夹具固定。

要保证光纤光栅和

不诱钢片紧密接触，光纤光栅要保持平直并施加一定的预应力。

将夹具放在激光焊接机的支架上，打开电子显微镜，边观察边调节夹具

的位置，使激光束正好打在焊缝的位置。

打开稀有气体的喷头对焊缝进行保护，打开激光焊接机即可进行激光焊

接。

通过电子显微镜的观察来控制焊接的位置和长度，焊接到合适的长度后停止焊接。

焊接结束后将夹具取下来，焊接另一边的焊缝，方法同上。

焊接封装后的结构如图4-12，

图4-12镀铜光纤光栅的全金属封装

图4-13全金属封装光纤光栅温度传感器应变曲线图

参考文献

[1]光纤光栅温度传感器抗应变串扰设计与实验研究,郑祥亮,硕士论文，电子科技大学

[2]高温光纤光栅的制备与研究,杨樟成，硕士论文，中国计量学院

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[5]童峥嵘，黄勇林，蒙红云等一新颖的光纤光栅位移传感器的研究.传感技术学报

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