CN114184301B - 一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号解调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号调解方法，包括基片、基管、盖片以及刻写有耐高温光纤光栅的光纤，所述基片上设置有凹槽，所述刻写有耐高温光纤光栅的光纤置于凹槽中，且耐高温光纤光栅两端的尾纤分别与基片的两端固定，所述基片设置于基管中，且基片的两端与基管的内壁固定，所述基管的外壁或内部设置有隔热层，所述基管的两端设置有盖片，且盖片上设置有用于出纤的孔。本发明先对耐高温FBG进行管式封装，并在基管内部或外部添加隔热层，以减缓传热速度，使传感器内部温度低于外界温度，同时配合一种信号解调方法，通过对传感器温升曲线进行拟合、求导等方法，在传感器内部与外界环境温度达到一致之前就推导得出待测温度。

Description

一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号解调方法

技术领域

本发明属于光纤光学和传感器领域，具体涉及一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号解调方法。

背景技术

光纤布拉格光栅(FBG)体积小，易于制造，与其他光纤器件兼容性好且价格低廉，被广泛用于光网络、波分复用系统和光纤传感器中。由于FBG的自身优势，因此其在土木结构、航空航天、船舶工业、输油管道、油气井和核反应堆等领域有着广泛的应用。

传统的光纤光栅温度传感器需要传感器内部与外界环境温度达到一致，才可以测得外界环境温度，因此无法测量超越传感器本身耐温的温度。市面上现有的光纤光栅温度传感器，一般采用由紫外光刻写的光纤光栅，封装采用树脂胶粘的方法，只适用于300℃以下的环境。即使是采用由飞秒激光在石英光纤中刻写的Type-II型光栅的光纤光栅传感器，其耐受温度也仅为1000℃，即Type-II型光栅耐受温度。此外，传感器响应速度也受限于所使用的封装材料或结构。因此，目前没有可以测量超越光纤光栅本身耐受温度上限的、快响应速度的光纤光栅温度传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超耐高温光纤光栅温度传感器及信号解调方法，以克服现有技术存在的缺陷，本发明先对耐高温FBG进行管式封装，并在基管内部或外部添加隔热层，以减缓传热速度，使传感器内部温度低于外界环境温度，同时配合一种信号解调方法，通过对传感器温升曲线进行拟合、求导等方法，在传感器内部与外界环境温度达到一致之前就推导得出待测温度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种超耐高温光纤光栅温度传感器，包括基片、基管、盖片以及刻写有耐高温光纤光栅的光纤，所述基片上设置有凹槽，所述刻写有耐高温光纤光栅的光纤置于凹槽中，且耐高温光纤光栅两端的尾纤分别与基片的两端固定，所述基片设置于基管中，且基片的两端与基管的内壁固定，所述基管的外壁或内部设置有隔热层，所述基管的两端设置有盖片，且盖片上设置有用于出纤的孔。

进一步地，所述的隔热层采用包覆在基管外壁的隔热材料、涂覆在基管外壁的隔热涂料、涂覆在基管内壁的隔热涂料、设置在基管内侧的真空区域中的一种或多种组合。

进一步地，所述隔热材料采用石棉布、玻璃纤维布、陶瓷纤维纸或陶瓷隔热瓦，所述隔热涂层采用热障涂层。

进一步地，所述基管为金属管、陶瓷管或石英管。

进一步地，所述刻写有耐高温光纤光栅的光纤的材质为石英或蓝宝石，刻写有耐高温光纤光栅的光纤表面设置有涂层或无涂层。

进一步地，当刻写有耐高温光纤光栅的光纤表面设置有涂层时，所述涂层为丙烯酸酯涂层、聚酰亚胺涂层、铜涂层或金涂层。

进一步地，所述耐高温光纤光栅两端的尾纤分别与基片的两端采用耐高温胶或者激光焊接固定；所述基片的两端与基管的内壁通过耐高温胶或者激光焊接固定。

进一步地，所述耐高温光纤光栅为超短飞秒脉冲激光器刻写的Type I型、Type II型，或者是利用长脉冲激光器刻写的再生光栅。

一种超耐高温光纤光栅温度传感器的信号解调方法，包括以下步骤：

1)对传感器进行温度标定，得到传感器温度-波长曲线，根据具体情况，对该温度-波长曲线进行一次或高次多项式拟合，得到关系式λ＝f(K)，其中λ为传感器中耐高温光纤光栅的波长，K为外界环境温度；

2)采集传感器的温升曲线，并对该温升曲线进行光滑处理，处理后的数据即为样本数据；

3)取样本数据前端线性度>0.99的一段曲线进行线性拟合，其斜率即

4)将样本数据中传感器温度K₀′和外界环境温度K′做差，构成基于样本数据的温差(K₀′-K′)，与上述斜率

一起代入到公式

中，求得不同外界环境温度对应的系数A；

5)对不同外界环境温度下的系数A进行拟合，将拟合后的系数A带入公式

建立起光纤光栅温度传感解调模型，即不同外界环境温度下的公式

其中K₀为实际测得的传感器温度，

为实际测得的温升曲线斜率，K为待求的外界环境温度；

6)对光纤光栅温度传感解调模型进行测试，以均方根误差作为评判标准，若均方根误差≤10，则说明建立的模型是有效的；若均方根误差>10，则重复上述步骤直至均方根误差≤10；

7)利用有效的光纤光栅温度传感解调模型进行温度预测。

进一步地，步骤7)具体为：将传感器放入待测环境中，采集其温升曲线，将温升曲线中各点的斜率、传感器温度带入到步骤6)测试有效的光纤光栅温度传感解调模型中，即输出待测温度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过对耐高温光纤光栅进行管式封装，并在管内、管外添加隔热层，形成一种超耐高温光纤光栅温度传感器，再通过对温升曲线进行拟合、求导等步骤对其波长信号进行处理，形成一种针对上述传感器的信号解调方法。本发明基于在封装基管内、外添加隔热层的方式延长了光纤光栅在超越本身耐受温度上限的高温环境中的工作时间，基于热力学公式推导的方式解决了传统的光纤光栅温度传感器因封装材料与结构导致响应速度慢的问题，并且配合上述隔热型传感器解决了传统的传感器无法实现超越自身温度上限的温度测量的问题。

进一步地，本发明不同于传统的光纤光栅温度传感器采用导热性好的结构与材料，而是采用导热性差的结构或隔热材料来延缓外界环境温度向传感器内部传递的速度，以实现在外界环境温度超越传感器耐受温度的情况下，传感器内部温度尽可能长时间的维持在耐受温度以内。并通过使用热力学公式与传感器标定数据建立起信号解调模型，可以实现在传感器内部温度还未达到外部待测温度之前，就推导得出传感器内外温度平衡后的温度，实现快响应传感，弥补因添加隔热层带来的响应速度慢的影响。基于上述的隔热层与信号解调方法，来实现超越传感器耐受温度上限的快响应温度传感。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是实施例1基于管外包裹玻璃纤维布的超耐高温光纤光栅传感器结构主视图；

图2是实施例1基于管外包裹玻璃纤维布的超耐高温光纤光栅传感器结构俯视图；

图3是实施例1基于管外包裹玻璃纤维布的超耐高温光纤光栅传感器结构侧视图；

图4是实施例2基于管内热障涂层的超耐高温光纤光栅传感器结构主视图；

图5是实施例2基于管内热障涂层的超耐高温光纤光栅传感器结构俯视图；

图6是实施例2基于管内热障涂层的超耐高温光纤光栅传感器结构侧视图；

图7是实施例3基于管内真空隔热的超耐高温光纤光栅传感器结构主视图；

图8是实施例3基于管内真空隔热的超耐高温光纤光栅传感器结构俯视图；

图9是实施例3基于管内真空隔热的超耐高温光纤光栅传感器结构侧视图。

其中，1为耐高温光纤光栅；2为基片；3为盖片；4为基管；5为激光焊接点；6为耐高温胶粘接点；7为玻璃纤维布；8为真空阀门；9为热障涂层。

具体实施方式

下面对本发明的实施方式做进一步详细描述：

一种超耐高温光纤光栅温度传感器，所述传感器结构包括，将耐高温光纤光栅1置于基片2的凹槽中，将耐高温光纤光栅1两端的尾纤分别与基片2两端耐高温胶粘或激光焊接固定，使光纤保持一定程度弯曲。然后，将基片2置于基管4中，用激光焊接或高温胶粘的方法固定基片2与基管4，当用激光焊接时，基片2与基管4接触位置形成激光焊接点5，当用高温胶粘时，基片2与基管4接触位置形成耐高温胶粘接点6。在基管4外部或内部增加隔热层以保护耐高温光纤光栅1，减缓传热速度。

其中，基管4采用金属管，或陶瓷管、石英管；光纤材质为石英或蓝宝石，光纤可有涂层或没有涂层，有涂层光纤的涂层可以为金涂层、铜涂层、丙烯酸酯涂层或聚酰亚胺涂层；若使用金属涂层光纤及金属基管，则可采用激光焊接的方法固定光纤与基管；若使用陶瓷、石英管与其他材质光纤，则可采用胶粘的方式进行固定；耐高温光纤光栅为超短飞秒脉冲激光器刻写的Type I型、Type II型，或者是利用长脉冲激光器刻写的再生光栅；光纤在基管中应保持一定程度的弯曲，以抵消基管热膨胀带来的应变；基管外隔热层可以为石棉布、玻璃纤维布、陶瓷纤维纸、陶瓷隔热瓦；基管内隔热层可以采用抽真空，或在基管内壁涂覆热障涂层等隔热涂料。

本发明的超耐高温光纤光栅温度传感器制备具体包括以下步骤：

1)将耐高温光纤光栅1放置在基片2的凹槽位置处，光栅区两端尾纤利用激光焊接或耐高温胶粘接的方法固定在基片2上，固定时保持光栅区处于弯曲状态。基片2上有凹槽用于放置耐高温光纤光栅1，当基片2为金属，光纤为金属涂层光纤时，采用激光焊接的方法将耐高温光纤光栅的金属涂层部分与基片进行焊接固定，也可以采用耐高温胶粘接的方式固定，当基片2为陶瓷时，采用耐高温胶粘接的方式固定；

2)将基片2放置于基管4中，并采用激光焊接或耐高温胶粘接的方式固定基片2与基管4；

3)用两个直径与基管4口径一致的圆形盖片3，用激光焊接、耐高温胶粘接、螺丝等方式将盖片3与基管4管口固定。盖片3上打孔用于出纤；

4)若采用管内涂覆隔热涂料的方式，则步骤1)结束后，进行基管内壁隔热涂料涂覆，再进行后续步骤；若采用管内抽真空的隔热方式，则在步骤3)完成后，对盖片3上的出纤孔用耐高温胶粘或激光焊接的方式进行密封，再通过基管4上的真空阀抽出管内空气实现管内真空；若采用管外添加隔热层的方式，则在步骤3)完成后，直接在基管4外部进行隔热涂料涂覆或隔热材料包裹即可；

5)若要实现分布式超耐高温光纤光栅传感，则在步骤4)完成一个传感器的制备后，在该传感器前或后一定距离的光纤处，依次重复步骤1)、步骤2)、步骤3)、步骤4)，实现分布式超耐高温光纤光栅传感器的制备，封装完成后光纤至少一端悬垂，用于传感器与解调仪或者其它光纤光栅传感器连接。

本发明还提供一种信号解调方法，采集光纤光栅中心波长随温度变化产生的偏移，通过拟合、求导等方法推导得出待测温度对应的波长。具体包括以下步骤：

1)对传感器进行温度标定，得到传感器温度-波长曲线，根据具体情况，对该温度-波长曲线进行一次或高次多项式拟合，得到关系式λ＝f(K)，其中λ为传感器中耐高温光纤光栅(1)的波长，K为外界环境温度；

2)采集传感器的温升曲线，并对该温升曲线用高斯拟合、多项式拟合等方法进行光滑处理，处理后的数据即为样本数据；

3)取样本数据前端线性度>0.99的一段曲线进行线性拟合，其斜率即

4)将样本数据中传感器温度K₀′和外界环境温度K′做差，构成基于样本数据的温差(K₀′-K′)，与上述斜率

一起代入到公式

中，求得不同外界环境温度对应的系数A；

5)对不同外界环境温度下的系数A进行拟合，将拟合后的系数A带入公式

建立起光纤光栅温度传感解调模型，即不同外界环境温度下的公式

其中K₀为实际测得的传感器温度，

为实际测得的温升曲线斜率，K为待求的外界环境温度；

6)对光纤光栅温度传感解调模型进行测试，以均方根误差作为评判标准，若均方根误差≤10，则说明建立的模型是有效的；若均方根误差>10，则重复上述步骤直至均方根误差≤10；

7)利用有效的光纤光栅温度传感解调模型进行温度预测。将传感器放入待测环境中，采集其温升曲线，将曲线中各点的斜率、传感器温度带入到步骤6)测试有效后的模型中，即可输出待测温度。

下面结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例以基于管外包裹玻璃纤维布7的超耐高温光纤光栅传感器为例，如图2所示，具体如下：

原始材料：利用飞秒激光在铜涂层光纤上刻写的Type-I型耐高温光栅、金属基片(304钢)、金属基管(304钢)、金属盖片(304钢)、玻璃纤维布。

基于管外包裹玻璃纤维布的超耐高温光纤光栅传感器的制备步骤详细阐述如下：

1)将利用飞秒激光在在铜涂层光纤上刻写的Type-I型耐高温光栅放置在有凹槽的304钢基片上，使光栅区完全放置在基片的凹槽内，用激光焊接的方式将耐高温光纤光栅两侧有金属涂覆层的区域与304钢基片固定在一起，固定时保持光栅区处于拱起弯曲状态；

2)在304钢管内穿入一层碳纤维薄层，用于高温下消耗管内氧气避免光纤铜涂层氧化；

3)将304钢片穿入304钢管内，并用激光焊接的方式将基片与基管的接触点焊接起来；

4)用304钢圆形盖片封住基管管口，并用激光焊接的方式将盖片与基管焊接起来；

5)对304钢管外部用玻璃纤维布进行包裹，玻璃纤维布封口处用耐高温胶进行粘接，即得到基于管外包裹玻璃纤维布的超耐高温光纤光栅传感器，如图1-3所示。该装置主体耐温600℃，配合推导法，可实现600℃以上的温度测量。

基于管外包裹玻璃纤维布的超耐高温光纤光栅传感器的信号解调步骤详细阐述如下：

1)对上述基于管外包裹玻璃纤维布的超耐高温光纤光栅传感器进行温度标定，得到传感器温度-波长曲线，对该温度-波长曲线进行一次多项式拟合，得到关系式λ＝aK+b，其中λ为传感器中光纤光栅的波长，K为外界环境温度；

2)采集传感器在100℃，200℃，300℃，400℃，500℃，600℃的温升曲线，并对该曲线进行傅里叶拟合得到样本数据；

3)取样本数据前端线性度>0.99的一段曲线进行线性拟合，其斜率即

4)将样本数据中传感器温度K₀′和外界环境温度K′做差，构成基于样本数据的温差(K₀′-K′)，与上述斜率

一起代入到公式

中，求得不同外界环境温度对应的系数A；

5)对不同外界环境温度下的系数A进行拟合，将拟合后的系数A带入公式

建立起光纤光栅温度传感解调模型，即100℃-600℃对应的公式

其中K₀为实际测得的传感器温度，

为实际测得的温升曲线斜率，K为待求的外界环境温度；

6)对光纤光栅温度传感解调模型进行测试，以均方根误差作为评判标准，若均方根误差≤10，则说明建立的模型是有效的；若均方根误差>10，则重复上述步骤直至均方根误差≤10；

7)将传感器放入待测环境中，采集其温升曲线，将曲线中各点的斜率、传感器温度带入到步骤6)测试有效后的模型中，即可输出待测温度。

实施例2

本实施例以基于管内热障涂层9的超耐高温光纤光栅传感器为例，如图3所示，具体如下：

原始材料：利用飞秒激光在金涂层光纤上刻写的Type-II型耐高温光栅陶瓷基片(刚玉)、陶瓷基管(刚玉)、陶瓷盖片(刚玉)、耐高温胶(SL8306)、热障涂层涂料。

基于金涂层光纤的超耐高温光纤光栅传感器的制备步骤详细阐述如下：

1)将利用飞秒激光在在金涂层光纤上刻写的Type-II型耐高温光栅放置在有凹槽的刚玉片上，使光栅区完全放置在基片的凹槽内，用耐高温胶粘接的方式将耐高温光纤光栅1两侧有金属涂覆层的区域与刚玉片固定在一起，固定时保持光栅区处于拱起弯曲状态；

2)用等离子喷涂的方式将热障涂层涂料均匀的涂敷在刚玉管内壁上；

3)将刚玉片穿入刚玉管内，并用耐高温胶粘接的方式将基片与基管的接触点粘接起来；

4)用圆形刚玉盖片封住基管管口，并用耐高温胶粘接的方式将盖片与基管粘接起来，即得到基于管外包裹玻璃纤维布的隔热型超耐高温光纤光栅传感器，如图4-6所示。该装置主体耐温700℃，配合推导法，可实现700℃以上的温度测量。

基于管内热障涂层的超耐高温光纤光栅传感器的信号解调步骤详细阐述如下：

1)对上述基于管内热障涂层的超耐高温光纤光栅传感器进行温度标定，得到传感器温度-波长曲线，对该温度-波长曲线进行二次多项式拟合，得到关系式λ＝aK²+bK+c，其中λ为传感器中光纤光栅的波长，K为外界环境温度；

2)采集传感器在300℃，400℃，500℃，600℃，700℃的温升曲线，并对该曲线进行傅里叶拟合得到样本数据；

3)取样本数据前端线性度>0.99的一段曲线进行线性拟合，其斜率即

4)将样本数据中传感器温度K₀′和外界环境温度K′做差，构成基于样本数据的温差(K₀′-K′)，与上述斜率

一起代入到公式

中，求得不同外界环境温度对应的系数A；

5)对不同外界环境温度下的系数A进行拟合，将拟合后的系数A带入公式

建立起光纤光栅温度传感解调模型，即300℃-700℃对应的公式

其中K₀为实际测得的传感器温度，

为实际测得的温升曲线斜率，K为待求的外界环境温度；

6)对光纤光栅温度传感解调模型进行测试，以均方根误差作为评判标准，若均方根误差≤10，则说明建立的模型是有效的；若均方根误差>10，则重复上述步骤直至均方根误差≤10；

7)将传感器放入待测环境中，采集其温升曲线，将曲线中各点的斜率、传感器温度带入到步骤6)测试有效后的模型中，即可输出待测温度。

实施例3

本实施例以基于管内真空隔热的超耐高温光纤光栅传感器为例，如图4所示，具体如下：

原始材料：利用飞秒激光在聚酰亚胺涂层光纤上刻写的Type-I型耐高温光栅、316L不锈钢基片、316L不锈钢盖板、带有真空阀门8的316L不锈钢基管、耐高温胶(SL8306)。

基于管内真空隔热的超耐高温光纤光栅传感器的制备步骤详细阐述如下：

1)将利用飞秒激光在在聚酰亚胺涂层光纤上刻写的Type-I型耐高温光栅放置在有凹槽的316L钢基片上，使光栅区完全放置在基片的凹槽内，用耐高温胶粘接的方式将耐高温光纤光栅1两侧有聚酰亚胺涂覆层的区域与316L钢基片固定在一起，固定时保持光栅区处于拱起弯曲状态；

2)将316L钢基片穿入316L钢管内，并用耐高温胶粘接的方式将基片与基管的接触点粘接起来；

3)用316L钢圆形盖片封住基管管口，并用耐高温胶粘接的方式将盖片与基管粘接起来；

4)对316L钢圆形盖片上的出纤孔用耐高温胶进行封粘；

5)用真空泵连接316L钢管外部的真空阀门8，抽出管内空气，即得到基于管外管内真空隔热的超耐高温光纤光栅传感器，如图7-9所示。该装置主体耐温300℃，配合推导法，可实现300℃以上的温度测量。

基于管内真空隔热的超耐高温光纤光栅传感器的信号解调步骤详细阐述如下：

1)对上述基于管内真空隔热的超耐高温光纤光栅传感器进行温度标定，得到传感器温度-波长曲线，对该温度-波长曲线进行三次多项式拟合，得到关系式λ＝aK³+bK²+cK+d，其中λ为传感器中光纤光栅的波长，K为外界环境温度；

2)采集传感器在50℃，100℃，150℃，200℃，250℃，300℃的温升曲线，并对该曲线进行傅里叶拟合得到样本数据；

3)取样本数据前端线性度>0.99的一段曲线进行线性拟合，其斜率即

4)将样本数据中传感器温度K₀′和外界环境温度K′做差，构成基于样本数据的温差(K₀′-K′)，与上述斜率

一起代入到公式

中，求得不同外界环境温度对应的系数A；

5)对不同外界环境温度下的系数A进行拟合，将拟合后的系数A带入公式

建立起光纤光栅温度传感解调模型，即50℃-300℃对应的公式

其中K₀为实际测得的传感器温度，

为实际测得的温升曲线斜率，K为待求的外界环境温度；

6)对光纤光栅温度传感解调模型进行测试，以均方根误差作为评判标准，若均方根误差≤10，则说明建立的模型是有效的；若均方根误差>10，则重复上述步骤直至均方根误差≤10；

7)将传感器放入待测环境中，采集其温升曲线，将曲线中各点的斜率、传感器温度带入到步骤6)测试有效后的模型中，即可输出待测温度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种超耐高温光纤光栅温度传感器的信号解调方法，所述超耐高温光纤光栅温度传感器包括基片(2)、基管(4)、盖片(3)以及刻写有耐高温光纤光栅(1)的光纤，所述基片(2)上设置有凹槽，所述刻写有耐高温光纤光栅(1)的光纤置于凹槽中，且耐高温光纤光栅(1)两端的尾纤分别与基片(2)的两端固定，所述基片(2)设置于基管(4)中，且基片(2)的两端与基管(4)的内壁固定，所述基管(4)的外壁或内部设置有隔热层，所述基管(4)的两端设置有盖片(3)，且盖片(3)上设置有用于出纤的孔；

其特征在于，包括以下步骤：

1)对传感器进行温度标定，得到传感器温度-波长曲线，根据具体情况，对该温度-波长曲线进行一次或高次多项式拟合，得到关系式λ＝f(K)，其中λ为传感器中耐高温光纤光栅(1)的波长，K为外界环境温度；

2)采集传感器的温升曲线，并对该温升曲线进行光滑处理，处理后的数据即为样本数据；

3)取样本数据前端线性度>0.99的一段曲线进行线性拟合，其斜率即

4)将样本数据中传感器温度K₀′和外界环境温度K′做差，构成基于样本数据的温差(K₀′-K′)，与上述斜率

一起代入到公式

中，求得不同外界环境温度对应的系数A；

5)对不同外界环境温度下的系数A进行拟合，将拟合后的系数A带入公式

建立起光纤光栅温度传感解调模型，即不同外界环境温度下的公式

其中K₀为实际测得的传感器温度，

为实际测得的温升曲线斜率，K为待求的外界环境温度；

6)对光纤光栅温度传感解调模型进行测试，以均方根误差作为评判标准，若均方根误差≤10，则说明建立的模型是有效的；若均方根误差>10，则重复上述步骤直至均方根误差≤10；

7)利用有效的光纤光栅温度传感解调模型进行温度预测。

2.根据权利要求1所述的一种超耐高温光纤光栅温度传感器的信号解调方法，其特征在于，步骤7)具体为：将传感器放入待测环境中，采集其温升曲线，将温升曲线中各点的斜率、传感器温度带入到步骤6)测试有效的光纤光栅温度传感解调模型中，即输出待测温度。

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