王 揚 ，李 科 ， 劉俊巖

（1.哈爾濱工業(yè)大學機器人技術與系統(tǒng)國家重點實驗室，哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院，哈爾濱 150001； 3.天津津航技術物理研究所，天津 300192）

王 揚

教授，博導，省刀具技術和模具制造技術協會副理事長。主要研究領域為激光加工技術、紅外無損檢測技術等。近幾年承擔國家“863”重點、國家自然科學基金等10余項科研課題。主編和參編教材4本，發(fā)表學術論文150余篇，30 余篇被SCI和EI檢索。

碳纖維復合材料是近幾十年來發(fā)展迅速的一類新型材料，碳纖維和高性能樹脂基體復合而成的碳纖維增強樹脂基復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）是目前發(fā)展最成熟、應用最廣泛的結構復合材料之一。CFRP具有比強度和比模量高、熱膨脹系數小、疲勞特性、化學穩(wěn)定性、耐蝕性、阻尼減震效果及抗蠕變性能好等優(yōu)良性能[1]。碳纖維復合材料在航空航天、船舶、石油化工、汽車、風力發(fā)電及軍事工業(yè)等領域已得到了廣泛應用。在宇航工業(yè)領域，碳纖維復合材料可用作結構材料及功能隔熱材料，如固體火箭發(fā)動機的殼體、噴管與連接部件，衛(wèi)星部件，天線、衛(wèi)星及火箭的結合部件；在航天飛機與高超聲速飛行器的機頭、機翼前緣等需要進行隔熱的關鍵區(qū)域，常采用抗氧化碳/碳、碳/碳化硅材料制作隔熱瓦或隔熱蓋板[2]。在航空工業(yè)領域，碳纖維復合材料被用來制造飛機的主翼、尾翼和機體、方向舵、起落架、副翼、發(fā)動機艙、整流罩等[3]。碳纖維復合材料可以減輕機身質量，提高了燃油經濟性。目前，碳纖維復合材料在飛機上的用量和應用部位已成為飛機結構先進性的重要指標之一。

CFRP層板與層合結構在制備過程中容易產生孔隙或氣泡缺陷、貧膠或富膠缺陷、夾雜缺陷及基體開裂等缺陷[4]，這些缺陷和損傷將嚴重影響碳纖維復合材料及其結構件的質量和性能，極大地降低碳纖維復合材料構件的使用壽命。為了控制復合材料的質量，保證其使用性能，采用先進的無損檢測方法或技術對復合材料層板缺陷進行高效、可靠、準確的檢測與評價是非常必要的，并已成為碳纖維復合材料研究和應用中的一項關鍵技術。由于碳纖維復合材料在制備與使用過程中存在多種類型的缺陷，工程技術人員往往需要選用合適的無損檢測技術對特定類型的缺陷進行檢測，以保證碳纖維構件的使用安全，延長其使用壽命。在眾多缺陷類型之中，層板缺陷是最為常見且對CFRP層板性能影響最大的缺陷類型之一。目前，在實際工程應用中，常規(guī)超聲波檢測技術、渦流檢測技術及X射線檢測技術已用于CFRP復合材料層板缺陷的檢測[5]。

隨著先進碳纖維復合材料的發(fā)展，對無損檢測技術提出了更高要求。國外從20世紀70年代以來，針對先進復合材料的研究和應用開展了全方位無損檢測技術研究,出現了許多新技術和新方法，為解決碳纖維復合材料無損檢測和促進復合材料推廣應用發(fā)揮了重要作用，如20世紀60年代后期出現的紅外熱波成像檢測技術、基于物理波相干原理的激光全息干涉檢測技術、激光超聲檢測技術等。隨著圖像處理和計算機技術的飛速發(fā)展，又出現了多種先進檢測技術聯合檢測的趨勢，如聲發(fā)射-超聲檢測、超聲-紅外熱像檢測、激光電子剪切散斑-紅外熱波成像檢測等聯合方法檢測技術等[6]。目前，這些檢測技術已應用到碳纖維復合材料制備、結構件成型及服役過程中產生缺陷或損傷的無損檢測，已從初期檢測方法探索發(fā)展到檢測方法研究、信號處理技術、傳感器技術、缺陷識別技術、成像顯示技術、定量檢測與評價及壽命預測等。

紅外熱波成像檢測技術作為一門新興無損檢測技術，已用于碳纖維復合材料的無損檢測。該技術具有適用范圍廣、速度快、非接觸、勿需耦合、直觀、探測面積大及使用安全等優(yōu)點，特別適用于整體結構的無損檢測，為碳纖維復合材料內部缺陷及性能表征的無損檢測提供了新方法和新途徑。本文針對CFRP復合材料層板缺陷的紅外熱波成像檢測方法、原理、熱波信號處理、缺陷判定及識別與POD分析等進行簡要系統(tǒng)介紹，并分析各種紅外熱波成像檢測方法的應用與優(yōu)勢、適用性及局限性等，并為復合材料及復合結構缺陷的紅外熱波成像無損檢測技術研究與發(fā)展提供參考。

紅外熱成像檢測的基本原理

1 被動式紅外熱像（Passive infrared thermography）

紅外熱成像無損檢測技術是一種新興的跨學科無損檢測技術，該技術利用紅外熱像儀記錄物體表面的溫度變化，通過分析表面溫度變化特征檢測材料內部的缺陷。紅外熱成像檢測技術可分為被動式與主動式兩種。被動式紅外熱成像檢測技術不需要外部熱激勵，主要通過測量物體與背景溫度差異來確定被測物體內部是否存在缺陷及異常，常用來檢測工作中的設備或電子元件。

2 主動式紅外熱像（Active infrared thermography）及分類

主動式紅外熱成像檢測技術需采用激勵熱源，如光激勵（包括閃光燈、鹵素光或激光等）、微波、超聲波、電渦流、熱吹風、電熱毯等對被測工件進行加熱，利用紅外熱像儀記錄被測物體表面溫度變化，通過對熱信號特征進行提取、分析，確定材料內部的缺陷信息。

主動式紅外熱成像檢測技術按照外部激勵加載方式不同分為脈沖熱成像、鎖相熱成像（或調制熱成像）及熱波雷達成像或調頻熱成像等；按照外部激勵源的類型可分為光熱成像（光熱效應生熱）、微波熱成像（微波誘導生熱）、振動或超聲熱成像（機械振動或超聲波生熱）、電渦流熱成像（導電介質電磁感應生熱）及磁致熱成像（磁場誘導生熱）等；另外也可結合激勵方式與激勵源類型或熱信號處理方法進行分類，如脈沖相位法（PPT）、長脈沖熱像（LPT）、光鎖相熱像（OLIT）、電渦流脈沖熱像（ECPT）及超聲鎖相熱像（ULIT）等。

熱波及紅外熱波成像

外激勵源通過調制激勵材料或樣件產生調制熱流，在材料或樣件表面形成調制溫度變化，調制的溫度特征主要由介質中傳熱特性和熱產生機制所決定。由于調制溫度傳遞特征可利用波動物理進行解釋和分析，早在1822年Fourier的數學原理分析中就指出固體熱傳導可將任意溫度分布通過一系列波的擴展疊加而得到，同時Fourier和Poisson利用地表的每日周期性溫度振蕩進行估算地表巖石的熱物性；?ngstr?m早在1861年即提出“溫度波”的長條板熱擴散率測量方法，并提出熱波的概念[7]。因此，利用熱波傳遞可實現對材料或樣件內部特性進行檢測與評價。主動式紅外熱像檢測也被稱為紅外熱波成像檢測。

1 脈沖熱成像（ Pulsed thermogra phy）

脈沖熱成像也可稱為脈沖法紅外熱波成像，該檢測方法是研究最多和最成熟的方法，也是使用最廣泛的方法。脈沖法紅外熱波成像檢測是采用熱源對試件進行脈沖激勵，瞬時高能量熱流脈沖在有缺陷或損傷的構件及材料內部傳導，由于試件內部的熱特性不均勻而導致試件表面存在溫度差異，利用紅外熱像儀對試件表面的溫度變化進行記錄，實現對構件或材料的探傷和檢測。該技術與材料或構件表面發(fā)射率、環(huán)境條件及結構有關。目前，由于該方法研究較早且較深入，在損傷及缺陷的定性檢測方面得到了廣泛應用，但關于現場復雜條件下的缺陷檢測及定量化問題也一直在研究中。

脈沖法紅外熱波成像無損檢測一般采用瞬時大功率熱源對缺陷構件進行激勵。熱流在構件內部進行傳導，從而在其內部形成穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)不均勻的溫度場。若構件中存在缺陷或不連續(xù)結構，將會導致缺陷處對應表面與其他區(qū)域出現溫差，利用熱成像系統(tǒng)采集表面溫度信號的圖像序列，通過后續(xù)數據處理和圖像顯示，確定缺陷的具體信息。

脈沖法紅外熱波成像檢測系統(tǒng)一般由3部分組成：（1）脈沖熱激勵系統(tǒng)；（2）熱成像系統(tǒng)；（3）處理與分析系統(tǒng)，如圖1所示。試件或材料進行激勵，在構件表面引起的溫度變化也為正弦規(guī)律變化。構件表面溫度以加載頻率振蕩變化，

圖1 光脈沖紅外熱波成像檢測系統(tǒng)Fig.1 Testing system of flash pulsed infrared thermography wave imaging

熱激勵系統(tǒng)主要包括脈沖電源、閃光燈及遮罩、同步觸發(fā)器等。同步觸發(fā)器保證脈沖激勵與紅外熱像儀的記錄保持同步，有利于紅外圖像序列的后續(xù)處理。紅外熱像儀采集記錄軟件發(fā)出的觸發(fā)信號，觸發(fā)信號通過同步觸發(fā)器同步合成到脈沖電源，脈沖電源接收到觸發(fā)信號后，其內部電容器放電，電容器放電瞬間使閃光燈發(fā)出脈沖熱激勵，同時紅外熱像儀記錄被測物體表面的溫度變化，并將熱波信號傳輸給計算機，通過熱波信號處理分析軟件對圖像序列進行熱波信號特征提取與特征圖像處理。

脈沖法紅外熱波成像檢測的熱波信號處理算法主要包括溫度對比度法、微分法（一階、二階微分）、傅立葉變換FFT（或脈沖相位法）、熱波信號重構及主成分分析法（PCA）等[8-9]。

脈沖熱像法得到的熱波特征圖像易受表面加熱不均、表面反射率及發(fā)射率不均的影響，同時瞬時高能量脈沖也易對材料表面產生熱損傷。

2 鎖相熱成像 (Lock-in thermog raphy)

紅外鎖相熱波成像（LIT）檢測技術是20世紀90年代發(fā)展起來的新型紅外熱成像無損檢測技術。紅外鎖相熱波成像檢測技術是將紅外熱成像技術與鎖相技術相結合，采用強度按正弦規(guī)律變化的外激勵源對其幅值和相位與材料的性質有關，當構件內部存在缺陷時，則有缺陷處與無缺陷處在構件表面引起的溫度變化將產生幅值和相位的差異，從而可以確定缺陷的特征。由于相位信息比幅值信息更豐富，能夠進一步改善信噪比，與材料的表面輻射發(fā)射率、環(huán)境條件及構件結構等無關，可獲得更多的缺陷信息。

一個典型的紅外鎖相熱波成像檢測系統(tǒng)包括：（1）調制熱激勵系統(tǒng)；（2）紅外熱像儀；（3）紅外圖像采集、處理和分析系統(tǒng)，如圖2所示。

紅外鎖相熱波成像檢測系統(tǒng)工作過程為：信號發(fā)生器產生按正弦或方波規(guī)律變化的激勵信號，通過功率放大器驅動鹵素光源對被測物體加熱，同時將信號發(fā)生器產生的調制激勵信號作為參考信號輸入數字鎖相器或計算機進行采集，并與紅外熱像儀采集的紅外圖像序列進行鎖相運算處理，提取物體表面周期熱波信號的幅值和相位信息，并將結果以圖像的形式進行顯示，從而能在分析處理系統(tǒng)中可進行圖像對比度增強等處理。

紅外鎖相熱波成像的熱波信號處理算法主要包括4點平均算法、傅立葉變換算法、雙路數字鎖相相關處理算法及瞬態(tài)時間常數算法等[10-11]。

紅外鎖相熱波成像相位信息可以有效地減少加熱不均對檢測結果的影響，但是紅外鎖相熱波成像的檢測缺陷深度與調制頻率密切相關。由于單一調制頻率熱波只能探測其相應擴散深度的缺陷，因此對材料內部不同深度或不同鋪層界面的缺陷，需要選擇不同調制頻率對材料進行激勵，避免出現“盲頻”現象。另外，該方法檢測時間較長，且容易出現漏檢，很難保障檢測材料內部不同深度的可檢尺度范圍缺陷。

3 熱波雷達成像 (Thermal-wave radar imaging)

加拿大多倫多大學先進擴散波技術研究中心Tabatabael教授[12-13]將線性調頻雷達探測技術引入到紅外熱波成像檢測技術中。二者結合后具有紅外熱像檢測與連續(xù)線性調頻雷達探測技術的雙重優(yōu)點，可顯著提高檢測效率與檢測靈敏度，實現不同深度缺陷的一次性可靠檢測。

圖2 光激勵紅外鎖相熱波成像檢測系統(tǒng)示意圖Fig.2 Diagram of optical lock-in thermography wave imaging testing system

紅外熱波雷達成像檢測技術采用Chirp調制信號對激勵熱源（如鹵素光、激光、超聲波及電渦流等）進行連續(xù)調制，對檢測試樣進行主動加熱，并采用紅外探測器（紅外相機或紅外熱像儀）采集記錄試樣表面溫度變化，通過對表面溫度振蕩信號（熱波雷達信號）進行特征提取得到特征圖像，進而實現材料內部缺陷及特性的檢測。

采用函數發(fā)生器產生的線性調頻信號（Chirp 信號）控制光源的功率放大器，使光源光強按照Chirp 信號規(guī)律變化，在材料表面產生線性調頻面熱流；數字鎖相放大器和延時發(fā)生器分別同步和延時記錄函數發(fā)生器產生的Chirp 信號；紅外熱像儀連續(xù)獲取熱圖像序列，并通過計算機處理，分別進行同步鎖相運算實現表面熱波雷達信號的頻域多頻率掃描分析和進行延時相關運算實現表面熱波雷達信號的時域相關分析，以獲得表面熱波雷達信號的時頻域特征信息，即可實現缺陷的判定與檢測。

熱波雷達信號處理算法主要包括相關算法、Hilbert變換瞬時特性時域積分算法及雙路Chirp鎖相相關算法等[14]。為了提高熱波雷達信號特征信息的提取效率，采用多項式擬合方法去除靜態(tài)熱流分量引起的熱累計相干項，并結合快速傅里葉變換算法的優(yōu)勢，在頻域內進行熱波雷達信號處理，圖3為特征信息提取算法的運算流程圖[14]。

4 超聲紅外熱波成像（ Ultrasound infrared thermal-wave imaging）

超聲紅外熱波成像檢測技術是將超聲頻振動激勵加載與紅外熱成像檢測技術相結合的一種紅外熱波成像檢測技術。

采用超聲紅外鎖相熱波成像檢測時，將由激勵頭發(fā)出的調幅超聲波有效地注入構件，構件缺陷處由于機械能損耗效應或摩擦作用注入的超聲波衰減產生熱量，通過熱傳導使構件表面形成變化的溫度場；紅外熱像儀對表面溫度場進行記錄并得到熱圖序列，通過提取表面溫度變化的幅值與相位特征信息，得到幅值圖和相位圖，利用缺陷和無缺陷區(qū)域幅值和相位的差異來判定缺陷。超聲頻振動激勵在構件缺陷處選擇性加熱，可顯著提高檢測缺陷對比度。超聲波激勵效率、超聲波在構件內的傳播及在缺陷處的衰減、紅外熱像儀性能及熱波信號的特征提取算法都是影響獲得準確檢測結果的關鍵因素。

5 電渦流紅外熱波成像（Eddycurrent thermal-wave imaging）

電渦流紅熱波成像檢測技術是將電渦流探測與紅外熱成像檢測相結合的一種紅外熱波成像檢測技術[13]。

采用電渦流紅外鎖相熱波成像檢測時，渦流線圈作用于導電介質材料，由于電磁感應和焦耳熱效應產生熱量，通過熱傳導使樣件表面形成變化的溫度場；采用紅外熱像儀對表面溫度進行記錄并得到熱圖序列，通過提取表面溫度變化得到幅值圖和相位圖，利用缺陷與無缺陷區(qū)域幅值和相位的差異來判定缺陷。

CFRP層板缺陷的紅外熱波成像檢測

采用平底孔模擬CFRP層板的脫粘缺陷，并利用紅外熱波成像對CFRP模擬缺陷進行檢測試驗。圖4給出了缺陷深度（缺陷到表面距離）＜1mm，缺陷直徑為φ10mm的脈沖光激勵紅外熱波成像檢測結果。

由圖4可看出，直接采用紅外熱圖（見圖4（a）所示）進行缺陷檢測時，由于CFRP材料表面反射率及加熱不均的影響，較深的缺陷難于進行可靠檢測，而通過傅立葉變換和PCA處理（如圖4（b）和圖4（c）所示）能夠有效消除這些影響，顯著提高缺陷探測能力。

圖3 特征信息提取算法運算流程圖Fig.3 Flowchart of characteristic information extraction algorithms

圖4 脈沖紅外熱波成像檢測結果Fig.4 Detection results of pulsed infrared thermography

采用紅外鎖相熱波成像與熱波雷達成像對CFRP層板樣件進行檢測，結果如圖5所示。由圖5（a）可知，采用紅外鎖相熱波成像檢測時，調制頻率f=0.04Hz，深度超過3.0mm的缺陷不能探測到；而調制頻率減小為f=0.02Hz，如圖 5（b）所示，深度超過3.0mm的缺陷能夠檢測到，但對比度和信噪比相對較低。這也表明，采用紅外鎖相熱波成像檢測時，需要選擇不同的調制頻率實現不同深度損傷或缺陷的可靠檢測。由圖5（c）可看出，初始頻率f0=0.02Hz，終止頻率f1=0.04Hz，采用紅外熱波雷達成像檢測能夠實現不同深度缺陷一次性可靠檢測，相比紅外鎖相熱波檢測具有較高對比度和信噪比。因此，采用紅外熱波雷達成像檢測方法可實現CFRP層板深度為3.0mm、直徑為φ10mm的缺陷的可靠檢測。

圖6為采用超聲波與鹵素擴展光激勵紅外鎖相熱波成像檢測C/C復合材料內部裂紋的結果[4]?？芍?，采用超聲波激勵的紅外鎖相熱波成像檢測方法可實現C/C復合材料內部裂紋的可靠檢測，而擴展光激勵則難于檢測到內部裂紋。由于超聲波激勵在內部裂紋處摩擦生熱，具有選擇加熱特性，而使得超聲紅外熱波成像對裂紋等界面缺陷具有較高敏感性。超聲紅外熱波成像檢測可彌補光激勵紅外熱波成像檢測的不足。

德國斯圖加特大學Riegert教授等[15]研究了采用電渦流與超聲激勵的紅外鎖相熱波成像檢測CFRP層板沖擊缺陷。

通過對比ILIT和ULIT的相位圖像，可清晰檢測到CFRP層板沖擊損傷，如圖7[16]所示。但二者分辨率不同，這是由于超聲與電渦流激勵的生熱機理不同，ULIT對于內部較深且面積較大的界面缺陷（脫粘）較敏感，而電渦流主要在材料表面淺層生熱，由于沖擊損傷導致的纖維斷裂改變了其電特性，使ILT對纖維斷裂相比內部的CFRP層板脫粘更為敏感。

圖5 紅外鎖相熱波成像及熱波雷達成像檢測結果Fig.5 Detection results of LIT and TWRI

缺陷判定、尺寸識別及POD分析

針對紅外熱波成像檢測的缺陷判定，提出了基于熱波圖像信噪比的缺陷判定準則。當熱波特征圖像疑似缺陷處與其周圍特征對比度超過周圍特征標準差2倍以上，可認為該處為缺陷的置信概率達到95%，即熱波特征圖像疑似缺陷處信噪比超過2，則判定為缺陷[17]。

圖6 超聲波與擴展光激勵的紅外鎖相熱波成像檢測結果Fig.6 Detection results of ultrasound and optical lock-in thermography

圖7 電渦流與超聲激勵的紅外鎖相熱波成像檢測結果Fig.7 Detection results of ILIT and ULIT

采用紅外鎖相熱波相位特征圖像進行缺陷判定，可得相位對比度|ΔPh|與信噪比SNR：

式中，為缺陷處與周圍的LIT相位均值；PhSk(i,j)(k=1,2,3)為選擇區(qū)域的相位為周圍區(qū)域的標準差。

通過對表面熱波信號特征進行分析可知，對表面熱波信號特征空間分布進行微分處理，可利用一階微分（或二階微分）處理得到的單個零值（或單個極值）與雙極值（或雙零值）點確定損傷中心位置及邊界。

首先，對特征空間分布進行歸一化處理，在此基礎上采用熱傳導偏微分方程方法進行濾波處理，之后對特征分布進行微分處理，對于一階空間微分（或二階微分）的極值（或零值）位置的差為缺陷尺寸。

式中，CT(x,y)為熱波信號特征空間分布；C'T(x,y)為熱波信號特征空間一階微分；C"T(x,y)為熱波信號特征空間二階微分。

采用特征空間分布微分處理確定的缺陷位置相對于參考標準原點為（14.6mm,43.8mm）,其尺寸為4.2mm，與實際尺寸相差0.2mm，偏差約為5%，表明采用該方法能夠相對準確得到損傷或缺陷尺寸。

針對給定的無損檢測系統(tǒng)或方法，一般采用POD（Probability of Detection）分析技術評價該系統(tǒng)或方法的無損檢測可靠性。POD定義為在給定檢測系統(tǒng)、方法與工藝下，某一尺寸缺陷能夠被檢測出的概率。由于檢測過程中存在隨機性與不確定性，檢測信號是不確定的，一般認為其概率密度分布服從正態(tài)分布。

POD分析的目標是建立缺陷尺寸與缺陷可探測概率之間的關系曲線，因此，在進行POD相關計算時，應首先對無損檢測原始數據做相應的預處理，建立缺陷尺寸與檢測數據之間的響應關系，進而利用響應數據擬合缺陷概率密度分布模型參數，最終獲得缺陷的POD曲線。圖8給出了采用紅外鎖相熱波成像檢測CFRP層板缺陷并基于Hit/Miss數據處理得到的POD曲線[17]?？梢钥闯?，不同連接函數的POD曲線相近，表明在給定缺陷尺寸及深度范圍，采用紅外鎖相熱波成像檢測缺陷尺寸特征的徑深比r90/95達到7.48和7.66的置信概率為95%，實現了對給定CFRP層板的紅外鎖相熱波成像檢測能力評價。

結合C/C復合材料板材平底孔模擬缺陷樣件的紅外鎖相熱波層析成像結果[18]可以看出，采用紅外熱波層析成像技術可實現材料或結構內部缺陷的三維可視化檢測，從而為紅外熱波成像可靠檢測缺陷提供了重要手段。

圖8 POD曲線Fig.8 POD curves

結束語

本文針對CFRP層板缺陷的紅外熱波成像檢測方法的原理、系統(tǒng)組成、熱波信號處理方法等方面進行了系統(tǒng)論述。主要對脈沖紅外熱波成像、紅外鎖相熱波成像、紅外熱波雷達成像、超聲紅外鎖相熱波成像及電渦流紅外鎖相熱波成像等方法檢測CFRP及C/C復合材料缺陷及損傷的應用進行了討論，給出了缺陷判定準則、缺陷位置及尺寸識別等方法，同時也通過POD分析實現了CFRP層板缺陷的紅外鎖相法熱波成像檢測能力的評價。綜上分析與討論，紅外熱波成像檢測方法可用于CFRP層板缺陷的檢測，并具有非接觸、直觀、大面積及可靠檢測等優(yōu)勢，可成為超聲波檢測、X射線檢測及電渦流檢測等常規(guī)檢測方法的有力補充。隨著先進復合材料及復合結構的發(fā)展及其在航空航天領域、汽車、船舶、高鐵列車及化工等工業(yè)領域的廣泛應用，紅外熱波成像檢測方法在復合材料制備、質量控制及使用性能與壽命等分析與評價方面將發(fā)揮重要作用。特別是紅外熱波成像檢測的定量化、工程化研究將成為該技術主要研究熱點,同時如何進一步提高檢測結果的信噪比及定量化精度成為該檢測手段的研究難點。

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