气体传感器文献综述

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1、word气体传感器的开展概况和开展方向玛日耶姆图尔贡 气体传感器的开展概况和开展方向【摘要 】本文对气体传感器进展分类，介绍了半导体型气体传感器 、电阻型气体传感器 、非电阻型气体传感器等几种常见气体传感器的特性 、总结了这些气体传感器的工作原理 ，并阐述这几种气体传感器在日常生活与特殊场合中的应用与其选用时的原如此。探讨了气体检测仪器在检测对象、检测X围和检测方式上向小型化、智能化、多功能化和通用化等方面不断向前开展的方向。【关键词 】气体传感器 ；特性 ；应用；开展方向一、 前言目前，随着人们环保意识的提高，环境问题日益受到政府和社会关注。环境问题变成了重要的民生问题，影响到人民生活幸福感

2、，甚至环境问题严重威胁群众健康。近年来生态环境污染状况日趋严重，各种工业废水，废气直接排入水体与空气，造成极为严重的环境污染。影响着人们的正常生活和生存开展，并导致环境污染的气体进展处理是十分急迫的问题。随着科学技术的开展,人们生活水平的提高,对气体传感器的需求已有所不同;同时,随着近年酸雨、温室效应、臭氧层破坏、环境污染等,严重影响了人类的健康和生存,这就给气体传感器提出了新的研究课题和增加了新的研究内容和难度。检测气体的种类由原来的复原性气体(H2、 C4、 H10、 CH4等)扩展到毒性气体(CO、NO2、 H2S、NO、NH3、 PH3等)以与食品有关的气体(鱼、肉鲜度(CH3)3、醋

3、酸乙脂等)1。气体传感器作为气体检测最根底的局部，为了满足这些需求,气体传感器必须具有较高的灵敏度和选择性,重复性和稳定性要好,而且能批量生产,性能价格要高等。随着人们环保意识的增强以与各国对有毒气体排放和污染物排放方面的严格立法，各种气体传感器正在得到越来越广泛的应用。目前，随着生命科学、人工智能、材料科学等学科的开展，气体传感器的应用领域越来越广泛，在大气监测、食品工业、汽车尾气快速实时测定、有毒气体检测安全检查和航空航天等方面，越来越多地显示出气体传感器的重要作用2。二、气体传感器的开展概况气体检测仪气体检测仪是一种气体泄露浓度检测的仪器仪表工具，主要是指便携式/手持式气体检测仪。主要利

4、用气体传感器来检测环境中存在的气体种类。气体检测的目的是分析各种气体混合物中各组分的含量或其中某一组分的含量。气体检测仪表一般由传感器、信号放大、处理单元、显示单元以与控制单元组成，其中传感器是最关键的局部。传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器按其根本效应可分为：物理传感器，化学传感器，生物传感器。按检测对象，化学传感器分为气体传感器、湿度传感器、离子传感器。物理传感器传感器 生物传感器 气体传感器化学传感器 离子传感器湿度传感器2.2.1气体传感

5、器 气体传感器是整个气体检测系统的核心，一般安装在探头内。探头首先通过气体传感器对气体样品进展处理，通常包括滤除杂质和干扰气体、枯燥和样品抽吸等过程，然后通过传感器将某种气体体积分数转化成对应电信号，实现相应的功能。气体传感器是一种将气体的成份、浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息的装置，气体传感器通常是用来检测气体的类别、浓度和成分。 气体传感器的种类很多，分类方法也各不一样2。国外从30年代开始研究开发气体传感器,至今已经走过了半个多世纪,品种到达了数百种。过去研究开发的气体传感器主要用于家庭中常用的煤气、液化石油气、天然气以与矿井中的瓦斯气体的检测和报警,并取得了很大

6、的成绩,根本上满足了市场的需要。进入90年代,随着科学技术的开展,人们生活水平的提高,对气体传感器的需求已有所不同。2.2.2气体传感器分类 按气体传感器的材料分，可分为半导体型和非半导体型。应用广泛的气体传感器有：半导体型气体传感器、固体电解质气体传感器、电化学传感器、接触燃烧式气体传感器，光学气体传感器等。自从1962年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来,半导体气体传感器由于具有灵敏度高、响应时间快等优点,其产品开展非常迅速,目前已成为世界上产量最大、应用最广的传感器之一。这种类型的传感器在气体传感器中约占 60，根据其机理分为电阻型半导体气体传感器和非电阻型半导体气体传感器。1.1

7、电阻型半导体气体传感器电阻型半导体气体传感器是将气体浓度的变化转变成电阻值变化的一种传感器。典型的电阻型半导体气体传感器材料是 ：SnO2、ZnO、Fe2O3 等，因为这些材料存在气敏效应 ，当外表吸附某种气体时会引起电导率的变化。 电阻型半导体气体传感器中应用最广泛的是 SnO2 气敏元件，其工作原理是：SnO2 和空气中电子亲和性大的气体发生反响，形成吸附氧束缚晶体中的电子，使器件处于高阻状态；当它与被测气体接触时，气体与吸附氧发生反响，元件外表电导增加，电阻减小。电阻型气体传感器具有本钱低、制造简单、灵敏度高、响应快、寿命长、对湿度敏感低、电路简单等优点。 但是由于其自身的结构和材料原因

8、，也决定了它的缺陷，当电阻型气体传感器工作于高温下时，选择性较差、元件参数分散、稳定性不理想、功率要求高；当探测气体中混有硫化物时容易中毒。1.2 非电阻型半导体气体传感器1.2.1 结型气体传感器结型气体传感器又称气敏二极管，是利用气体改变二极管的整流特性。将金属与半导体结合做成整流二级管，其整流作用来源于金属和半导体功函数的差异，随着功函数因吸附气体而变化，其整流作用也随之变化。1.2.2 MOSFET 型气体传感器气敏二极管的特性曲线左移可以看作二极管导通电压发生改变，这一特性如果发生在场效应管的栅极，将使场效应管的阈值电压UT改变，利用这一原理可以制成 MOSFET 型气敏器件。氢气敏

9、 MOSFET 是一种最典型的气体传感器，它用金属钯(Pd)制成钯栅。在含有氢气的气氛中，由于钯的催化作用，氢气分子分解成氢原子扩散到钯与二氧化硅的界面，最终导致 MOSFET 的阈值电压UT发生变化。使用时常将栅漏短接，可以保证 MOSFET 工作在饱和区。利用这一气敏器件可以测出氢气浓度。氢气敏 MOSFET 在氢气浓度高时其灵敏度变低，氢气浓度低时灵敏度如此升高2。2固体电解质气体传感器这种传感器元件为离子对固体电解质隔膜传导，称为电化学池，分为阳离子传导和阴离子传导，是选择性强的传感器，研究较多达到实用化的是氧化锆固体电解质传感器，其机理是利用隔膜两侧两个电池之间的电位差等于浓差电池的

10、电势。稳定的氧化锆固体电解质传感器已成功地应用于钢水中氧的侧定和发动机空燃比成分测量等。为弥补固体电解质导电的不足，近几年来在固态电解质上蒸镀一层气体敏膜，把周围环境中存在的气体分子数量和介质中可移动的粒子数量联系起来3。3接触燃烧式气体传感器接触燃烧式传感器适用于可燃性气体 CO、H2、CH4 的检测。可燃气体接触外表催化剂 Pt、Pd 时燃烧、发热，燃烧热与气体浓度有关。这种类型的传感器应用面广、体积小、结构简单稳定性好，缺点是选择性差3。4电化学式气体传感器电化学式气体传感器可分为原电池式,定电位电解式、电量式,离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的浓度,市售的检

11、测缺氧的仪器几乎都配有这种传感器,近年来,又开发了检测酸性气体和毒性气体的原电池式传感器。定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓度,和原电池式不同的是,它需要由外界施加特定电压,它除了能检测CO、NO、NO2、O2、SO2等气体外,还能检测血液中的氧浓度。电量式气体传感器是通过被测气体与电解质反响产生的电流来检测气体的浓度。离子电极式气体传感器出现得较早,通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。电化学式气体传感器主要的优点是检测气体的灵敏度高,选择性好。5.1 直接吸收式光气体传感器红外线气体传感器是典型的吸收式光学气体传感器，是根据气体分别具有各自固有的光谱吸收谱检测气体成分，

12、非分散红外吸收光谱对 SO2、CO、CO2、NO 等气体具有较高的灵敏度。另外紫外吸收、非分散紫外吸收、相关分光、二次导数、自调制光吸收法对 NO、NO2、SO2、CH (CH4)等气体具有较高的灵敏度。5.2 光反响气体传感器是利用气体反响产生色变引起光强度等光学特性改变，传感元件是理想的，但是气体光感变化受到限制，传感器的自由度小。5.3 气体光学特性的新传感器光导纤维温度感器为这种类型， 在光纤顶端涂敷触媒与气体反响、发热。 顶端温度改变，导致光纤温度改变。利用光纤测温已达到实用化程度，检测气体也是成功的3。气体传感器在日常生活和工业生产中应用广泛，可用于有害气体鉴别、报警与控制，烟雾报

13、警器，酒精检测报警器等场合3。 特殊场所可燃气体火灾探测在煤矿、石油、化工等企业，一但发生可燃气体泄露，极易造成大面积火灾并引起爆炸事故，所以在这些场所对煤气、天然气、液化气等可燃性气体进展气体泄露检测，可以做到极早期的预防灾害的发生。可燃性气体监测的原理是：针对某中具有一定选择性、灵敏度高、响应时间短的气体传感器，将气体传感器安装在生产，储藏、使用等车间场所中，与时监测气体含量，如果可燃性气体含量达到预先设定值或气体浓度达到气体最低爆炸浓度界限，通过控制器启动报警装置或开动保护系统，从而达到预防火灾灾害、减小爆炸危险的目的。气体传感器作为航天器上不可缺少的眼睛和鼻子，主要用于载人舱内有害气体

14、成分变化监测、航天器发动机工作期间燃料燃烧情况、航天器关键部位气体或液体的泄漏判断以与深空探测过程中行星大气环境检测等方面4-14，为航天器产品质量、安全、宇宙环境探知和宇航员身体健康等提供非常重要的参考数据。因此国外多个宇航研究机构都在大力支持研究和研发适合航天器上工作的各类气体传感器，并屡次在航天器上进展应用。地面上气体的监测有多种方法，如气相色谱仪、液相色谱仪、各类质谱仪以与各类气体传感设备，相比拟于地面设备和仪器，气体传感器因体积小、功耗低、质量轻、灵敏度高，重复性好、本钱低等优点15-17，所以在航天器上得到广泛应用。因航天器工作环境的特殊性，对应用在航天器上的各类传感器相比拟与地面

15、或传统传感器的技术要求更加严格，如体积更小、功耗更低、质量更轻、灵敏度更高以与可靠性更稳定等。为了能够满足以上要求，国外对航天器上的各类气体传感器进展了深入研究，研发出一系列的具有创新性的各类气体传感器。这些气体传感器主要是安装在航天器舱内、发动机喷口处以与宇航员随身携带，用于检测航天器内材料气体释放、管道泄漏和发动机喷口气体成分变化等8，14，为航天器和宇航员的安全提供了必不可少的保障手段。国外航天器上的气体传感器采用当前最新的微机械加工技术、纳米技术、光学技术、集成电路技术以与新材料等技术，使得国外的气体传感器具有较高的微型化、集成化和智能化等性能，能够满足航天器在轨期间多种气体成分的监测

16、，保证了航天器的安全。人们根据不同的环境需要已开发生产了应用于不同场合的各种形式的气体传感器，气体传感器的正确选择和合理使用是化工安全生产的一个重要问题。选择气体传感器的主要原如此是:1. 能够检测有害 、易燃、易爆气体的允许浓度和其它基准设定浓度，并能与时给出报警、显示和控制信号。2. 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 。3. 性能稳定 ，寿命长。4. 响应迅速 ，重复性好 。5. 维护方便 ，价格廉价 。 传感技术的开展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器。1结构型传感器以其结构局部变化或结构局部变化后而引起某种场的变化来反映被测量的大小与变化。经常使用的方法是以

17、传感器机构的位移或力的作用使传感器产生电阻、电感或电容等值的变化来反映被测量的大小。2物性型传感器利用构成传感器的某些材料本身的物理特性在被测量的作用下发生变化,从而将被测量转换为电信号或其他信号输出。例如,利用半导体材料在热辐射照射下会产生各种光效应的特性可制成光敏电阻、光敏三极管等光敏元件。利用二氧化锡材料在某些气体作用下,其阻值会发生变化的特性可以制成气敏元件。由于物性型传感器无可动部件,灵敏度高,因此,可减少对被测对象的影响,从而能解决结构型传感器不能解决的某些参数与非接触测量的问题,扩大了传感器应用领域。3智能型传感器把传感器与微处理器有机地结合成一个高度集成化的新型传感器。它与结构

18、型、物性型传感器相比,能瞬时获取大量信息,对所获得的信息还具有信号处理的功能,使信息的质量大大提高,其功能也扩展了。以网络化智能传感器为例,它以嵌入式微处理器为核心,集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元,使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测开展;从被动检测向主动进展信息处理方向开展;从孤立元件向系统化、网络化开展;从就地测量向远距离实时在线测控开展,它已成为传感器技术开展的主要方向之一。我国传感器行业虽起步较早,但直到1986年“七五开始才正式将传感器技术列入国家重点攻关项目,展开以机械敏、力敏、气敏、温敏、生物敏为主的5大敏研究。经过十几年的开展,现已形成了一定规模的产业格局

19、,其特点有: (1)厂商多,上规模的企业少。 (2)地区开展不平衡。 (3)品种多,档次不高。目前国内共有主要传感器产品1000多种,国产敏感元器件950种,根本涵盖了信息采集的各种领域。但是,水平还处在国际80年代末或90年代初的水平。(4)生产研发多以大学和研究所为依托,专业公司少。 当然,从80年代开始开展传感器技术至今,也取得了一些骄人的成绩,虽然规模有限但也给了我们信心,看到前途的光明。 (1)综合实力得到加强目前全行业职工总数约42万人,固定资产5亿多元,共引进50多条生产线与专用设备。传感器行业产值每年都以(1015)%的速率增长。 (2)拓宽了开发领域已经由过去的少数品种扩展到

20、光敏、热敏、力敏、电压敏、磁敏、气敏、湿敏、声敏、射线敏、离子敏、生物敏等各种传感器,以与变送器、二次仪表等多种类、多形式产品,与国外研制领域相当。同时形成了近40个院校、研究所的骨干科研队伍。 (3)扩大了生产规模热敏电阻器、ZnO压敏电阻器、可燃性气体传感器、光电二极管等十几个品种已形成一定规模的生产能力。经过“九五阶段的努力,已建成敏感技术国家重点实验室,包括南北两局部(北方在中科院电子所,南方在某某冶金所)。此外,还建立了传感器国家工程研究中心,并形成了4个生产基地:(1)湿敏传感器。主要以中科院某某物理所和某某715厂为主,年产量达到20003000万只,有少量出口。(2)电压敏传感

21、器。主要以某某无线电二厂为主,年产量10002000万只。(3)集成霍尔开关。某某中旭微电子(从某某半导体总厂分出),生产能力30004000万只/年。(4)石英谐振称重传感器。某某清华传感设备,产值1000多万元。产品以出口为主。传感器技术是现代科技的前沿技术，许多国家已将传感器技术与通信技术和计算机技术列为同等重要的位置，称之为信息技术的三大支柱之一。传感器技术作为国内外公认的具有开展前途的高新技术，正得到空前迅速的开展，并且在相当多的领域被越来越广泛地利用。 目前，全世界约有40个国家从事传感器的研制、生产和应用开发，研发机构达6000余家，其中以美、德、日、俄等国实力较强。 SENSO

22、R + TEST传感器展览会与“SENSORS EXPO传感器展览交流会是欧洲和北美地区最大和最专业的传感器和传感器系统集成展会，聚集欧州与美国的绝大局部传感器与仪表制造厂商，其展出产品在很大程度上代表了当前全球X围内先进传感器的开展趋势。 2011年的“SENSOR + TEST传感器展览会和2012年的“SENSORS EXPO传感器展出的传感器种类主要有:MEMS传感器、光纤传感器、气体传感器和无线传感器等。从目前各类传感器的应用领域X围和市场销售增长情况可以预测出:在未来10年甚至更长的时间，MEMS传感技术、光纤传感技术、气体传感技术与无线传感技术仍将是传感器领域的开展重点，而且其应

23、用将渗透各个领域。1MEMS传感器 MEMS ( micro electro mechanical systems)技术是采用微制造技术，在一个公共硅片根底上整合了传感器、机械元件、执行器(actuator)与电子元件。MEMS通常会被看作是一种系统单晶片SoC，它让智能型产品得以开发，并得以进人很多的次级市场，为包括汽车、保健、手机、生物技术、消费性产品等各领域提供解决方案。MEMS技术已被认为是21世纪最有前途的技术之一。2光纤传感器 伴随着光导纤维和光纤通信技术开展而出现的光纤传感器，其传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下工作，还可

24、以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤遥感系统和光纤遥测系统。光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领域。3无线传感器无线传感器分为两种概念:无线传感模块和无线传感网络。微机电系统和低功耗高集成数字设备的开展，使得低本钱、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络(WSN)。无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术，广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。4气体传感器气体传感器是以气敏器件为核心组成的、能把气体成分转换成电信号的装置。气体传感器的根本性能是能按要求

25、检测出气体的成分、浓度等参数，不受其他气体或物质的干扰;可以重复屡次使用，有较长的使用寿命和稳定性;动态特性好等。 气体传感器主要用于在煤矿、石油、化工等领域，对煤气、天然气、液化气等可燃性气体进展气体泄漏、浓度等实时在线监测，可早发现事故隐患，防止重大灾害的发生。气体传感器的研究涉与面广、难度大，属于多学科交叉的研究领域。未来，要切实提高气体传感器各方面的性能指标需要多学科、多领域研究者的协同合作。综合气体传感器研究现状和市场对气体传感器的需求情况，未来气体传感器技术开展的主要方向有:新气敏材料与制作工艺的研究开发;新型气体传感器的研制;智能化气体传感器的开展;向低功耗、多功能、集成化方向开

26、展。1传感器尺寸愈加减小、功耗与本钱进一步降低 各种控制仪器设备的功能越来越强，要求各个部件体积越小越好，因而传感器本身体积也是越小越好。从国外开展趋势看，采用新型封装结构与其技术，建立MEMS封装单元库，注重本钱的新封装结构与MEMS研发之间的进一步整合，成为另一个开展趋势。2由器件级向系统级开展 展会展出的器件级产品较少，大局部都是系统级的，反映了主流的技术方向正在从单一器件走向系统融合。 MEMS本身具备有系统化的概念，由于MEMS制备工艺与CMOS等工艺难以完全兼容，封装的过程往往需要将MEMS芯片与其他电路集成在一个封装体内，形成一定的功能，具有系统级封装的内涵。（3） 智能化和多传

27、感器融合趋势进一步开展智能化是传感器的主要开展趋势之一，仅有信息检测能力的传感器将越来越不能满足应用需求，其开展趋势是传感器技术与通信技术、计算机技术等进展智能的结合。智能化传感器是将一个或多个敏感元件、精细电路、微处理器、通信接口、智能软件等相结合，并封装在一个组件内，将具有信息采集、信息处理、数据存储、自诊断(自检各局部是否正常，与时发现故障部件并通知主系统)、自补偿(通过软件对传感器的非线性、温漂、时漂等进展自动补偿)、在线校准(操作者可灵活改变输人零值或标准量值，传感器可自动校准)、逻辑判断、双向通信、数字输出等功能，极大地提高传感器的准确度、稳定性和可靠性。在航空领域，未来航空工业的

28、开展将对测控传感器提出更多的需求，以MEMS、无线传感、光纤传感和气体传感为根底的传感器技术是重要的开展方向，智能传感器、光电传感器以与传感器系统等与它都有着技术上密切的联系，它将带动与促进航空传感器技术的更新与开展。但是，采用新材料、新工艺、新技术对传统的传感器进展改良和开展，仍是航空测控传感器开展的重要方向。还有以下一些品牌：HONEYWELL霍尼韦尔ADI亚德诺MOTOROLA摩托罗拉TOSHIBA东芝P+F倍加福)IDEC和泉KEYENCE基恩士SHINKOHELECS新光SARTORIUS赛多利斯OMRON欧姆龙SICK施克TURCK图尔克SCHNEIDER施耐德SUNX神视SHAR

29、P夏普VISHAY威世BANNER邦纳ANV士研BALLUFF巴鲁夫BELDEN百通BECKHOFF倍福BRUEL申克BEILIN碑林 某某昌润科技和某某昊润自动化技术是由某某辰坤集团重点投资兴建的高新技术企业，专业从事MEMS硅电容智能传感器、硅压阻OEM传感器与变送器仪器仪表的研发、设计与制造。总资产6亿元，占地1200亩。气体传感器的开展随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视,对各种有毒、有害气体的探测,对大气污染、工业废气的监测以与对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件18的

30、气体传感器, 特别是开发和完善智能气体传感器系统,可以在气体泄漏事故中起到报警、检测、识别、智能决策等方面的作用,大大提高气体泄漏事故处置的工作效率和安全性,对于控制事故损失具有重要的作用。气体传感器的国内外的研究未来气体传感器的开展也将围绕这两方面展开工作。主要内容为:(1)气敏材料的进一步开发:一方面寻找新的添加剂对已开发的气敏材料的敏感特性进一步提高,尤其是通过选择不同的添加剂来改善同一基质材料对不同气体的选择性;另一方面充分利用纳米、薄膜等新材料制备技术使气敏材料各方面的性能均得到大大改善。2)新型气体传感器的开发和设计:根据气体与气敏材料可能产生的不同效应设计出新型气体传感器是气体传

31、感器未来开展的重要方向和后劲。目前仿生气体传感器也在研究中。警犬的鼻子就是一种灵敏度和选择性都非常好的理想气敏传感器,结合仿生学和传感器技术研究类似狗鼻子的电子鼻将是气体传感器开展的重要趋势和目标之一19。3)气体传感器传感机理的研究:新的气敏材料和新型传感器层出不穷,需要在理论上对它们的传感机理进展深入研究。(4)气体传感器的智能化:生产和生活日新月异的开展变化对气体传感器提出了更高的要求,气体传感器智能化是其开展的必由之路。纳米、薄膜技术等新材料制备技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件20。三、完毕语随着人们生话水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体

32、的探测，对大气污染、工业废气的监测以与对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要。随着新材料新技术的使用，气体检测系统智能化、数字化的水平愈来愈高。气体传感器在易燃、易爆、有毒、有害气体的检测和检测中的应用越来越广泛。一方面,在这类气体的生产、储运、使用等场所使用气体传感器监测气体的含量,与早发现泄漏事故;另一方面,在气体泄漏事故抢险救援中,消防部队可使用它与时侦测泄漏气体的种类和浓度,以采取正确的战术。随着气敏材料和气体传感器的开展,它们对于减少气体爆炸、火灾等事故的发生将起到更大的作用。四、参考文献：1 进,陈明光,贝承训,倪新蕾,梁海生.气体传感器的开展概况和开展方向J. 计

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