Preview

Приборы и методы измерений

Расширенный поиск
Том 6, № 2 (2015)
Скачать выпуск PDF

Средства измерений

127-138 527
Аннотация

Разработан прибор, предназначенный для измерения параметров термической линзы (ТЛ) в лазерных активных элементах при продольной диодной накачке. Измерения основаны на методе пробного пучка. Прибор позволяет определять знак и оптическую силу ТЛ в главных меридиональных плоскостях, коэффициент чувствительности к изменению поглощенной мощности накачки и степень астигматизма, коэффициент тепловыделения в лазерном материале, что дает возможность оценивать интегральный вклад фотоупругого эффекта в ТЛ, наведенную в лазерном элементе. Измерения проводятся в линейно поляризованном свете на длине волны 0,53 мкм. Накачка активного элемента осуществляется на длине волны 0,96 мкм, что позволяет исследовать лазерные среды, активированные ионами Yb3+ и (Er3+, Yb3+). Точность определения коэффициента чувствительности ТЛ к мощности накачки – 0,1 м-1/Вт, степени астигматизма ТЛ – 0,2 м-1/Вт, коэффициента тепловыделения – 5 %, вклада фотоупругого эффекта в ТЛ– 0,5 ∙10-6 K-1. С помощью данного прибора проведены исследования ТЛ в лазерном активном элементе на основе кристалла иттриевого ванадата Er3+,Yb3+:YVO .

139-147 475
Аннотация

Неустойчивость параметров разряда и химического состава потоков частиц, поступающих на подложку, в переходных режимах реактивного магнетронного распыления приводит к невоспроизводимости состава покрытий от процесса к процессу. Целью настоящей работы являлась разработка системы контроля расхода газа, позволяющая стационарно поддерживать неравновесное состояние магнетронного разряда в переходных режимах осаждения с неустойчивым химическим состоянием поверхности мишени. В качестве параметров контроля предложено использовать интенсивности элементов эмиссионного спектра разряда. Для регистрации интенсивностей спектральных элементов (спектральные линии и полосы химических элементов, присутствующих в разряде) применяли фотодиодные датчики. Система контроля расхода газа автоматически регулирует подачу аргона и реактивного газа, используя сигналы обратной связи с оптических датчиков интенсивности спектральных элементов разряда, вакуумметра, датчиков ионного тока, разрядного тока и напряжения. В качестве примера использования системы рассмотрен процесс реактивного магнетронного нанесения покрытий Ti-Al-N. В ходе распыления составной мишени на основе Ti с цилиндрическими Al вставками контролировались следующие параметры разряда: ток, напряжение, суммарное давление смеси аргон – реактивный газ, температура подложки, напряжение и ток смещения на подложке. Напуск азота контролировался по интенсивности спектральной линии титана TiI 506,5 нм, величина интенсивности которой связана со степенью реактивности. Элементный состав и структура сформированных покрытий Ti-Al-N исследовались с помощью резерфордовского обратного рассеяния, растровой электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Установлено, что в осажденных покрытиях Ti‑Al‑N стехиометрического состава столбчатая микроструктура переходит в лобулярную микроструктуру, с повышенной твердостью и низким коэффициентом трения покрытия. Таким образом, показано, что система контроля расхода газа позволяет контролировать стехиометрию состава и физические свойства осаждаемого покрытия. 

148-155 601
Аннотация

При выполнении фотометрических измерений, связанных с использованием светоизмерительных ламп, необходимо, чтобы тело накала лампы занимало строго заданное положение относительно фотоприемника и оптической оси фотометрической установки. Неточность позиционирования плоскости тела накала (ТН) лампы относительно оптической оси измерительной системы ведет к увеличению неопределенности измерений фотометрических характеристик источников света. Типичный способ юстировки ТН светоизмерительных ламп основан на использовании при юстировке диоптрийных трубок (телескопов) и осуществляется посредством последовательных приближений, что требует особой концентрации оператора и много времени. Цель данной работы – разработать устройство юстировки, обеспечивающее возможность одновременной юстировки ТН ламп в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Представлены способ и устройство юстировки источников излучения при фотометрических измерениях на основе двух цифровых видеокамер. Устройство позволяет одновременно отображать на экране компьютера изображение ТН ламп в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Устройство юстировки исключает большое количество функциональных узлов, требующих поэлементной юстировки, что сокращает затраты времени на проведение юстировки. Устройство также обеспечивает отображение ТН лампы с непрозрачным напылением на колбе. Устройство используется в Национальном эталоне единиц силы света и освещенности Республики Беларусь. 

156-162 550
Аннотация

Периодические вибрации в виде искаженной синусоиды или другой сложной формы наиболее часто встречаются на реальных подвижных объектах, где могут эксплуатироваться радиоэлектронные средства (РЭС) на основе гибких модулей. Данного рода воздействия непосредственно влияют на надежность всей конструкции в целом. Поэтому целью работы являлось создание экспериментальной установки для исследования механических вибраций и построение зависимостей их влияния на эксплуатируемое устройство, что позволит находить решения проблем, связанных с надежностью и безотказностью РЭС с применением гибких печатных модулей. Для этого была разработана экспериментальная установка и автоматическая адаптивная система регулирования собственной резонансной частоты гибкого модуля. В результате проведения экспериментов выявлены и построены зависимости механических воздействий на выходные параметры РЭС, что позволит в дальнейшем учитывать и применять данный опыт при разработке и производстве устройств на основе гибких печатных плат. 

163-172 450
Аннотация

Формулируется проблема разработки датчика для измерения моментов сил инерции и гравитации с минимальным уровнем шумов и минимально возможной крутильной жесткостью торсионного подвеса подвижной массы, обеспечивающих достижение максимальной чувствительности прибора. Обосновывается возможность решения этой проблемы с помощью дифференциальной емкостной системы, которая одновременно обеспечивает и считывание полезного сигнала, и уменьшение крутильной жесткости. Отмечается, что основным фактором, определяющим минимальную крутильную жесткость, является известный pull-in эффект, возникающий в электростатическом конденсаторе с подвижной пластиной. Описывается электромеханическая схема датчика с дифференциальной электростатической системой. Предлагается методика расчета емкости электростатического конденсатора с наклонной пластиной. Проводится расчет момента электрических и механических сил, действующих на подвижную пластину дифференциального конденсатора. Показано, что основной причиной, приводящей к pull-in эффекту в дифференциальном конденсаторе, является несимметричность электростатической системы. Вводится параметр несимметричности этой системы. Установлена зависимость резонансной частоты датчика от электрического напряжения и параметра несимметричности. Рассчитываются области квазистатической стабильности и нестабильности системы, границы которых определяются значением данного коэффициента. Проводится расчет конкретной модели датчика. Показано, что для уменьшения резонансной частоты датчика более чем в 10 раз требуются нереально малые значения параметра несимметричности. 

173-180 470
Аннотация

Исследованы спектральные свойства ряда трехкомпонентных растворов органических красителей различных классов, подвергнутых облучению гаммаи рентгеновским излучением. Исходя из критериев отбора многокомпонентных растворов красителей для целей радиационной дефектоскопии (наличие у красителей интенсивных полос поглощения в видимой области спектра, хорошая растворимость в выбранном растворителе, отсутствие химического взаимодействия друг с другом и с образующимися продуктами радиационной деструкции красителей, существенное различие скоростей радиационной деструкции красителей, низкий фэдинг), показано, что наиболее перспективными являются растворы следующих пар красителей (один из которых поглощает в коротковолновой, другой – в длинноволновой областях видимого спектра): кислотный желтый светопрочный + кислотный зеленый антрахиноновый Н2С, кислотный желтый светопрочный + кислотный ярко-голубой 3, трипафлавин + метиленовый голубой, кислотный алый + метиленовый голубой, уранин + метиленовый голубой, родамин 6Ж + кислотный ярко-голубой 3, эозин натрий + кислотный ярко-голубой 3, эозин натрий + кислотный зеленый антрахиноновый Н2С, ланазоль оранжевый + кислотный ярко-голубой 3, ланазоль оранжевый + кислотный зеленый антрахиноновый Н2С. 

181-187 595
Аннотация

Ситуация, когда металл конструкции подвергается одновременному воздействию двух и более источников простых напряжений широко распространена в машиностроении, авиастроении, строительстве. Усталостная долговечность материала в результате бигармонического нагружения, в 1,5–4 раза ниже, чем одночастотном. В отличие от одночастотного при бигармоническом нагружении за счет интенсификации процесса накопления усталостных повреждений происходит ускоренное наступление процесса разрушения конструкции. Процесс накопления усталостной повреждаемости в материале при бигармоническом нагружении отражает более близкую к реальности ситуацию в конструкции. Цель работы ‒ создание эффективной малогабаритной установки для испытаний и исследований на усталость. Для решения поставленных задач разработана и изготовлена лабораторная установка для испытания и исследования ферромагнитных образцов на усталость при изгибе. При исследованиях использовался магнитный метод эффекта Баркгаузена. В работе представлена конструкция установки, подробно описан принцип действия, а также приведены основные технические характеристики. Принцип работы основан на использовании бигармонического нагружения на оба конца образца с использованием двух электродвигателей и двух специальных силовозбудителей в виде подшипников качения. Установка и методика испытаний образцов путем независимого регулирования двухчастотных циклических нагружений позволяет моделировать состояние исследуемого образца, приближенного к реальным условиям работы конструкции. Установка позволяет более детально исследовать трещиностойкость материала, стадии распространения усталостных трещин, выявлять новые закономерности развития процесса усталости. В отличие от аналогов установка имеет малые размеры и вес (длина образцов – до 0,2 м; ширина – 0,13 м; высота – 0,25 м; вес – 12 кг) и позволяет повысить производительность и достоверность испытаний в 1,5–2 раза. 

Методы измерений, контроля, диагностики

188-195 466
Аннотация

Разработка интенсификаторов теплои массообмена является важной инженерной задачей при конструировании новых и модернизации существующих тепловыделяющих сборок (ТВС). Такие устройства создают направленный поперечный основному потоку перенос массы теплоносителя. В то же время конструкция интенсификаторов влияет как на перемешивание теплоносителя, так и на гидравлическое сопротивление. Целью работы являлась разработка методики измерения локальных векторов скорости теплоносителя в моделях ТВС с различными перемешивающими решетками. Для решения поставленных задач был изготовлен пневмометрический пятиканальный зонд, проведена его тарировка в однородном потоке воздуха с заданной скоростью при различных углах установки зонда. По результатам тарировки получены численные значения безразмерных комплексов давления в каналах зонда и определена их зависимость от углов набегания воздушного потока. Представленная в статье методика измерения вектора скорости потока воздуха многоканальным пневмометрическим зондом была применена в экспериментальных исследованиях по изучению локальной гидродинамики в тепловыделяющих сборках с перемешивающими решетками. Анализ полученных векторных полей поперечной скорости теплоносителя позволил изучить формирование вторичных вихревых течений за перемешивающими решетками моделей ТВС, а также определить основные закономерности движения теплоносителя. Количественные данные о распределении всех трех проекций вектора скорости потока теплоносителя, полученные с помощью пятиканального зонда, позволили определить величины поперечных скоростей потока в межтвэльных зазорах, а также определить расстояние, на котором происходит затухание процессов перемешивания. 

196-203 2704
Аннотация

Технология размерной обработки резанием базируется на использовании интегральных геометрических параметров поверхности твердого тела. Технологическое воздействие резца приводит к процессам окисления и изменению физико-химических параметров поверхности. Для описания характеристик обработки и формирования сверхгладких поверхностей контроль геометрических параметров оказывается недостаточным. Поэтому используется параметр работа выхода электрона. Целью работы являлось исследование электрофизического состояния оптических поверхностей цветных металлов и сплавов в совокупности с геометрическими и физико-химическими параметрами по распределению работы выхода электрона поверхности. Исследование проводилось на экспериментальных образцах из меди и алюминиевого сплава, обработанных по технологии алмазного наноточения. Технология алмазного наноточения позволяет обеспечить шероховатость обработки цветных металлов и сплавов на уровне Ra ≤ 0,005 мкм. В качестве метода регистрации изменений по поверхности работы выхода электрона использовался модернизированный зонд Кельвина. Определена зависимость величины работы выхода электрона и ее изменение от физико-химических и геометрических параметров поверхности. Показано, что технология алмазного наноточения позволяет получать элетрофизически однородные оптические поверхности на меди и алюминиевом сплаве с минимальным разбросом распределения по поверхности электропотенциала. 

204-210 485
Аннотация

Интраокулярные линзы (ИОЛ) используются для замены натурального хрусталика глаза. Клинически используется несколько стандартных конструкций ИОЛ. Многопорядковые дифракционные линзы (МПДЛ), которые работают в нескольких дифракционных порядках, были предложены для уменьшения хроматической аберрации. Анализ свойств МПДЛ показал перспективу их использования для разработки новых конструкций ИОЛ. Целью данной статьи являлась разработка нового метода проектирования многопорядковых интраокулярных линз с уменьшенной хроматической аберрацией. Проводилось теоретическое исследование свойств МПДЛ. Исследована зависимость дифракционной эффективности от длины волны. Проведено компьютерное моделирование МПДЛ в схематической модели человеческого глаза. Установлена способность многопорядковой дифракционной линзы фокусировать с высокой эффективностью полихроматический свет в отрезок. В каждой точке на отрезке присутствует составляющая каждого спектрального диапазона, которые в комбинации будут строить цветное изображение. Предложен метод проектирования интраокулярных линз с уменьшенным хроматизмом и бесконечной глубиной аккомодации. Смоделирована оптическая система глаза с интраокулярной линзой, которая обеспечивает резкое видение объектов, расположенных на расстоянии от 700 мм до бесконечности. 

211-219 702
Аннотация

Для создания лазеров, генерирующих импульсы ультракороткой длительности, представляют большой интерес лазерные материалы с широкими полосами усиления. В этой связи значительный интерес представляют структурно разупорядоченные материалы, в частности новые кристаллические среды, принадлежащие тригональной сингонии Nd3+:Ca10K(VO4 )7 (Nd:CKV), Nd3+:Ca9 La(VO4 )7 (Nd:CLaV) и Nd3+:Ca10Li(VO4 )7 (Nd:CLiV). В данной работе формула Фюхтбауэра-Ладенбурга и интегральный метод соответствия применены для определения спектров сечений стимулированного испускания указанных выше кристаллов на переходах 4 F3/2 → 4 I9/2, 4 F3/2 → 4 I11/2, и 4 F3/2 → 4 I13/2 иона неодима. Максимальные пиковые значения сечений стимулированного испускания и наибольшие спектральные ширины полос в области 1,07 мкм составляют 9,33·10-20 см2 (σ-поляризация, Nd:CKV) и 30 нм (π-поляризация,  Nd:CKV), в области 1,35 мкм – 1,55·10-20 см2 и 50 нм (π-поляризация, Nd:CKV). Полосы стимулированного испускания, а следовательно, и усиления в областях спектра 1,07 и 1,35 мкм являются гладкими и бесструктурными с ширинами, позволяющими получать ультракороткие импульсы света с длительностью  ≈  60 фс (1,07 мкм), ≈ 45 фс (1,35 мкм) в лазерах на исследованных лазерных средах, работающих в режиме синхронизации мод. 

220-229 580
Аннотация

Применение корреляционной обработки цифровых оптических изображений объектов экспертного исследования является перспективным направлением повышения качества, достоверности и репрезентативности проводимых исследований. Целью работы являлась разработка принципов компьютерной реализации и алгоритмов проведения экспертных исследований с применением методов корреляционного анализа для решения таких задач криминалистики, как сравнение цвето-тоновых параметров изображений оттисков печатей и штампов и измерение параметров следов полей нарезов канала ствола на стреляных пулях. Разработана методика и программное приложение, предназначенное для получения линейных, угловых и высотных характеристик профиля (микрорельефа) следов полей нарезов канала ствола оружия, отобразившихся на пуле в процессе выстрела, для проведения судебно-баллистических экспертиз. Экспериментальные данные свидетельствуют о высокой эффективности работы разработанного программного приложения и подтверждают требуемую точность проводимых измерений. Разработана методика и создано специализированное программное приложение для сравнительного анализа цвето-тоновых характеристик изображений оттисков печатей и штампов, отражающее степень и характер распределения красящего вещества в штрихах, что повышает наглядность и объективность экспертиз, а также позволяет сократить сроки их проведения. Предложена методика экспертной интерпретации результатов корреляционного анализа. Достоверность полученных значений подтверждается экспериментальными исследованиями и была проверена при помощи других методов. 

230-238 457
Аннотация

Для обеспечения радиационной безопасности онкологических пациентов требуется обеспечить постоянство функциональных характеристик медицинских линейных ускорителей электронов, которые влияют на точность подведения дозы. С этой целью проводятся процедуры контроля их качества, в число которых входит калибровка радиационного выхода линейного ускорителя, ошибка в установлении опорного значения дозы при проведении которой не должна превышать 2 %. Целью работы являлась разработка методики определения ошибки при установлении этой величины в зависимости от механических параметров штатива. Для решения поставленных задач проведены дозиметрические измерения дозовых распределений линейного ускорителя «Трилоджи» № 3567, на основании которых получены зависимости ошибки в определении опорного значения дозы от точности установки нулевого положения штатива ускорителя и величины девиации изоцентра вращения штатива ускорителя. Установлено, что наибольшее влияние на величину ошибки оказывает смещение изоцентра вращения штатива в плоскости, перпендикулярной плоскости падения радиационного пучка (до 3,64 % для энергии 6 МэВ). Ошибки, обусловленные наклоном штатива и девиацией его изоцентра в плоскости падения пучка, были максимальны для энергии 18 МэВ и достигали –0,7 % и –0,9 % соответственно. Таким образом, имеется возможность выразить результаты периодического контроля качества штатива линейного ускорителя в единицах дозы и использовать их при проведении комплексной оценки возможности клинического использования линейного ускорителя для облучения онкологических пациентов при условии разработки методик, позволяющих провести анализ влияния остальных его технико-дозиметрических параметров на ошибку в дозе. 

239-248 469
Аннотация
С помощью программы FDS выполнено компьютерное моделирование начальной стадии пожаров в закрытом помещении объемом ≈ 60 м3 с источником, расположенным на полу и на высоте 2 м. Моделировались пожары с различной скоростью роста по квадратичному закону. Быстроразвивающимся пожаром считался пожар, величина тепловыделения которого 1055 кВт достигалась за 100 с, медленноразвивающимся – за 500 с. Изучалась динамика тепловыделения и пространственных распределений температуры, затемнения и изменения давления воздуха – факторов пожара, детектируемых извещателями. Установлено, что зависимость тепловыделения от времени, начиная с момента возникновения пожара и до его затухания, состоит из двух этапов. На первом этапе, который происходит с нарастанием тепловыделения с заданной скоростью, пламенное горение происходит только в области источника. На втором этапе, который характеризуется нерегулярными пульсациями тепловыделения, пламенное горение происходит в разных местах слоя дыма из-за его самовоспламенения. Длительность второго этапа увеличивается при уменьшении скорости роста пожара и увеличении высоты расположения источника. Получено, что все пространство помещения может быть разделено по высоте на слои, характеризующиеся своими значениями температуры и затемнения воздуха, их градиентами и наличием в них областей самовоспламенения. Толщины этих слоев, градиенты температуры и затемнения в слоях зависят от скорости роста пожара и высоты расположения его источника. Также получено, что пространственные распределения температуры и давления воздуха имеют противоположные градиенты по высоте, величины которых зависят от скорости роста и высоты расположения источника пожара. Максимальное по величине изменение давления воздуха и максимальный обратный градиент по высоте этого изменения происходит при быстром пожаре с источником на полу.
249-256 566
Аннотация

Температурный режим работы электронной аппаратуры определяет надежность и стабильность оборудования. Это приводит к необходимости детального теплового анализа полупроводниковых приборов. Цель работы – оценка тепловых параметров мощных биполярных транзисторов в пластмассовых корпусах TO-252 и TO-126 методом тепловой релаксационной дифференциальной спектрометрии. Тепловые постоянные элементов приборов и распределение структуры теплового сопротивления определены в виде дискретного и непрерывного спектров с использованием ранее разработанного релаксационного импеданс-спектрометра. Непрерывный спектр рассчитан на основе производных высшего порядка динамического теплового импеданса и соответствует модели Фостера, дискретный – модели Кауера. Структура теплового сопротивления образцов представлялась в виде шестизвенной электротепловой RC-модели. Анализ растекания теплового потока в исследуемых структурах проводился на основе концепции температуропроводности. Для транзисторных структур определены площадь и распределение сечения теплового потока. На основе проведенных измерений оценены тепловые параметры мощных биполярных транзисторов, в частности, структура их теплового сопротивления. Для всех измеренных образцов выявлено, что тепловое сопротивление слоя посадки кристалла вносит определяющий вклад во внутреннее тепловое сопротивление транзисторов. В переходном слое на границе полупроводник– припой тепловое сопротивление возрастает из-за изменения механизма теплопереноса. Наличие дефектов в этой области в виде отслоений припоя, пустот и трещин приводит к дополнительному росту теплового сопротивления в результате уменьшения активной площади переходного слоя. Метод тепловой релаксационной дифференциальной спектрометрии позволяет эффективно контролировать распределение тепловых потоков в мощных полупроводниковых приборах, что необходимо для совершенствования конструкции, повышения качества посадки кристаллов изделий силовой электроники с целью снижения их перегрева. 

257-263 440
Аннотация

В статье рассмотрен вопрос измерения динамических переменных открытых нелинейных динамических систем. К нелинейным динамическим системам можно отнести большинство из реальных систем окружающего мира физического и биологического происхождения. В таких системах вследствие диссипации образуются пространственные, временные и пространственно-временные структуры, возможны коллективные эффекты, связанные с процессами самоорганизации и эволюции. Целью работы являлось составление уравнения измерения энтропии Шеннона нелинейных динамических систем. Для решения этой задачи предложено использовать методы интервальной математики. Показано, что измерение и анализ результатов измерения величин со сложным хаотичным поведением находятся за рамками классических метрологических подходов, отображенных в нормативных документах, таких как GUM. Это обусловлено несоответствием используемых математических и физических подходов процессам, протекающим в реальных динамических системах. Для измерения характеристик нелинейных динамических систем разработаны специальные модели измерения и анализа результатов измерений, основанные на теории открытых систем, теории динамического хаоса и теории информации. В качестве инструментов оценки состояния систем предлагается использовать фрактальные, временные и энтропийные шкалы. В результате исследования получены уравнения измерения энтропии Шеннона отдельной динамической переменной и всей нелинейной динамической системы на основе интервальных представлений результатов измерения. Уравнения, составленные таким образом, содержат точные решения и дают возможность полного учета неопределенностей. Полученные результаты дополнят предложенные ранее модели измерения и анализа результатов измерения динамических переменных нелинейных динамических систем. 



Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2220-9506 (Print)
ISSN 2414-0473 (Online)