Preview

Приборы и методы измерений

Расширенный поиск
Том 8, № 4 (2017)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.21122/2220-9506-2017-8-4

Средства измерений

305-313 330
Аннотация

Важными задачами современных космических исследований являются изучение и непрерывные наблюдения процессов космической и метеорологической «погоды». Одним из электронных приборов для проведения таких исследований является датчик плазмы на основе цилиндра Фарадея. Цель работы состояла в разработке конструктивного варианта цилиндра Фарадея с прецизионными чувствительными (селектирующими) элементами в виде металлических сеточных микроструктур и четырехсекторным коллектором, не имеющего аналогов в мировой технике.

Для формирования сеточных никелевых микроструктур разработан процесс создания с помощью фотолитографии матрицы из нанопористого анодного оксида алюминия как прецизионной формы (шаблона) для осаждения наноструктурированных металлических слоев. Разработаны методы проведения тестовых испытаний на механические (вибрационные) и термоциклические воздействия, соответствующие требованиям к космическим приборам.

Сеточные микроструктуры сформированы в едином технологическом цикле с кольцами-держателями по периметру сетки, с квадратным 20 × 20 мкм2 сечением полотна и ячейками размером 1 × 1 мм2. Прозрачность каждой из сеток при нормальном падении света составила более 90 %. Габаритные размеры держателей и сеточных микроструктур: внутренние диаметры (34, 47, 60) ± 0,1 мм, внешние диаметры колец (42, 55, 68) ± 0,1 мм соответственно. Масса одной сетки составила менее 50 мг.

Результаты испытаний продемонстрировали работоспособность разработанных сеточных микроструктур при многократных термоциклических воздействиях от –50 до +150 °С и вибрационных и статических перегрузках, характерных при космических полетах. В составе приборов для проведения плазменных измерений в окрестности Земли и в межпланетном пространстве будут использованы шесть датчиков с различной угловой ориентацией. Это обеспечит возможность фиксирования ионов космической плазмы в телесном угле около 180°.

314-326 393
Аннотация

Измерение характеристик технологических жидкостей позволяет оценить их качество, биологических тканей – дифференцировать здоровые ткани и ткани с патологиями. Одним из комплексных акустических параметров является импеданс, позволяющий наиболее полно оценивать характеристики вязкоупругих сред. Большинство методов измерения импеданса требуют использования двух и более эталонных сред и наличия калиброванных акустических преобразователей. Целью данной работы являлась разработка новой методики и установки для экспериментальной оценки продольного и сдвигового импедансов вязкоупругой среды, основанных на измерении параметров амплитудно-частотных характеристик и расчете элементов электрической схемы замещения пьезопластины, колеблющейся в исследуемой среде.

В работе описываются методика и устройство для экспериментальной оценки импедансов вязкоупругих сред. Предложенная методика позволяет измерить продольный и сдвиговый импедансы и определить скорости продольных и поперечных ультразвуковых волн и значений упругих модулей вязкоупругих сред, в том числе в различных агрегатных состояниях. Методика достаточно проста в реализации и может быть воспроизведена с помощью несложного лабораторного оборудования.

Полученные значения акустических импедансов исследованных сред удовлетворительно согласуются с их справочными данными. В отличие от известных методов определения акустического импеданса, разработанная методика позволяет с достаточной точностью оценивать трудно поддающееся измерению на частотах мегагерцового диапазона значение сдвигового импеданса вязкоупругих сред, определяющее модуль сдвига материала и характеризующее его сопротивление сдвиговым деформациям. Приведены результаты реализации разработанной методики для оценки акустических параметров на примере ряда сред с нулевой сдвиговой упругостью (спирт, ацетон) и вязкоупругих сред (глицерин, архитектурный пластилин, силиконовый герметик, клей MP-55 до и после полимеризации).

327-333 320
Аннотация

В последнее время усилия по совершенствованию оптических характеристик зеркальной оптики направлены на использование канонических зеркальных схем, содержащих асферические поверхности и обладающих коррекционными возможностями аберраций. При этом большое внимание уделяется разработке новых оптических систем двухзеркальных объективов. Одним из перспективных направлений наряду с повышением качества изображения объективов является разработка мероприятий для защиты плоскости изображения от попадания постороннего света и вредных потоков при минимальном виньетировании и экранировании. Единственным методом устранения или хотя бы уменьшения этих неконструктивных лучей является установка светозащитных бленд. Целью работы являлось усовершенствование методики построения бленды и создание алгоритма расчета построения бленды для защиты плоскости изображения на основе двухзеркальных зафокальных объективов. Исследование проводилось в два этапа. В ходе первого этапа получены положения плоскостей экранирования и промежуточного изображения, а также коэффициент центрального экранирования. На втором этапе предложено конструктивное расположение бленды, получены соответствующие формулы расчета путем геометрических построений, составлен алгоритм расчета. Установлена связь коэффициента линейного экранирования с расстоянием между поверхностями зеркал и высотами нулевых лучей. Представлена диаграмма виньетирования для двухзеркального зафокального объектива с относительным отверстием D/f´ = 1 : 1,3 и угловым полем 2ω = 4°: виньетирование для наклонных Q пучков лучей порядка k= 0,56.

334-343 347
Аннотация

Измерение диаграмм направленности антенн проводится методами дальней и ближней зоны. Измерения в дальней зоне являются прямыми, однако обладают рядом недостатков. Ближнезонные способы измерения свободны от недостатков измерений в дальней зоне, но требует для своей реализации сложной и дорогостоящей аппаратуры и оборудования.

Ранее авторами разработана концепция построения аппаратно-программного комплекса модульной конструкции для определения характеристик антенных систем по измерениям в ближней зоне. Концепция предполагает создание универсального измерительного комплекса для исследования различных типов антенных систем с любым типом поверхности измерения (плоскость, цилиндр, сфера) для решения широкого круга прикладных задач. Целью данной работы явилась практическая реализация варианта измерительного комплекса для измерения по плоскости и определение его метрологических (аппаратных и программных) возможностей.

Разработан, создан и практически опробован действующий экспериментальный образец аппаратно-программного комплекса для измерения характеристик антенных систем, реализующий радиоголографический метод измерения по плоскости. Проведена предварительная оценка погрешностей измерения амплитуды и фазы в динамическом диапазоне 45 дБ и сравнение характеристик нескольких типов антенн, измеренных в дальней и ближней зонах. Разработаны алгоритмы, создано программное обеспечение по обработке, хранению и графическому отображению результатов измерения.

Методы измерений, контроля, диагностики

344-356 463
Аннотация

Анализ микронеоднородностей в системе кремний-двуокись кремния становится наиболее актуальным в связи с переходом микроэлектронной промышленности к субмикронным проектным нормам и уменьшением толщины подзатворного диэлектрика. Целью исследования являлось развитие методов неразрушающего контроля полупроводниковых пластин на основе определения электрофизических свойств границы раздела кремний-двуокись кремния и их пространственного распределения по поверхности пластины бесконтактными методами зондовой электрометрии.

Характеризация границы раздела кремний-двуокись кремния осуществлялась методами анализа вольт-фарадных характеристик и методом сканирующего зонда Кельвина. Исследования выполнялись на материале пластин кремния КЭФ 4,5 и КДБ 12 ориентации <100> диаметром 100 мм.

Данные исследования показали, что после проведения быстрой термической обработки наблюдается равномерное распределение поверхностного потенциала по площади пластины. При этом имеет место значительное повышение электрического поверхностного потенциала на границе раздела кремний-двуокись кремния. Повышение регистрируемых значений поверхностного потенциала коррелирует с уменьшением плотности заряда на границе раздела кремний-двуокись кремния. Также изменение поверхностного потенциала по площади пластины после предварительной быстрой термообработки позволяет говорить об изменении структуры поверхностного слоя в полупроводниковой структуре. 

Результаты характеризации с использованием методов зондовой электрометрии качественно отражают изменение плотности заряда на границе раздела кремний-двуокись кремния в процессе технологической обработки полупроводниковых пластин. Неоднородности распределения поверхностного потенциала наглядно отражают неоднородности распределения толщины нарушенного в процессе окисления слоя по поверхности пластины и позволяют выявить места локализации дефектов, связанных с нарушением структуры полупроводника у границы раздела кремний-двуокись кремния.

357-364 306
Аннотация

Эффективность коррекции динамических характеристик авиационных датчиков температуры газов в системах автоматического управления работой газотурбинных двигателей зависит от точности установления функциональной зависимости постоянных времени применяемых датчиков температуры газов от условий теплообмена. Целью настоящей работы являлась разработка методики, позволяющей определять характеристические кривые тепловой инерции датчиков температуры газов без нахождения постоянных времени по экспериментальным переходным характеристикам.

Характеристические кривые для каждой постоянной времени определены в виде гиперболических зависимостей от коэффициента теплообмена чувствительного элемента датчиков температуры газов с газовым потоком. Параметры гиперболических зависимостей предложено устанавливать с помощью двумерного регрессионного анализа экспериментальных переходных характеристик, зарегистрированных при не менее чем трех различных коэффициентах теплообмена. Для этого разработаны вычислительные программы в системах Mathcad 14 и Mathcad 15, позволяющие вводить исходные данные из переходных характеристик в соответствующие векторы или из таблиц, представленных в формате Excel. Показано, что переходные характеристики в трехмерных координатах «время – коэффициент теплообмена – значение переходной характеристики» образуют поверхность, параметры которой являются параметрами искомых гиперболических зависимостей.

Для конкретного применения методики приведены функции регрессии для динамических характеристик датчиков температуры газов, соответствующих первому и второму порядкам. Анализ характеристических зависимостей, полученных с помощью традиционных методик и по предлагаемому методу на примере одной постоянной времени, позволяет предположить, что предлагаемый метод более точно устанавливает зависимость динамических характеристик авиационных датчиков температуры газов от условий теплообмена. 

Показано, что алгоритм двумерного регрессионного анализа реализует нахождение значений параметров характеристических зависимостей, которые наилучшим образом приближают поверхность выбранной функции регрессии одновременно ко всем используемым для анализа экспериментальным переходным характеристикам.

365-373 332
Аннотация

Для придания камере сгорания жидкостного ракетного двигателя требуемых эксплуатационных свойств наиболее широкое применение нашло нанесение толстослойных никелевого (до 700 мкм) и хромового (до 200 мкм) покрытий. При этом главным параметром, определяющим способность покрытия выполнять свою функцию, является его толщина и равномерность ее распределения. Основной проблемой существующих в настоящее время неразрушающих методик определения толщин рассматриваемых покрытий является то, что они могут использоваться только на стадии производства изделий ракетной техники, когда есть доступ к изделию со стороны внутренней стенки камеры сгорания до и после нанесения хромового покрытия на подслой никеля. Однако когда уже готовое изделие поступает на последующие этапы сборки на другое предприятие, то часто встает вопрос входного контроля толщин покрытий из никеля и хрома. В данном случае применить существующие методики контроля на готовом изделии не представляется возможным либо их использование приводит к недопустимым погрешностям результатов измерений. Целью работы являлась разработка методики неразрушающего определения толщин описанных двухслойных покрытий магнитным пондеромоторным методом в условиях одностороннего доступа к готовому изделию со стороны хромового покрытия.

Предложена новая методика неразрушающего определения толщин никелевого и хромового покрытий двухслойной структуры на готовом изделии без априорных данных о свойствах или толщинах этих покрытий или изделия в целом с использованием магнитного пондеромоторного метода.

Разработанная методика реализована в толщиномере двухслойных никель-хромовых покрытий ТЭП-ХН1, который успешно применяется предприятиями ракетно-космической отрасли Российской Федерации.

374-385 339
Аннотация

При проектировании устройств для дистанционного зондирования Земли большое внимание уделяется оценке уровня дисторсии объективов и обеспечения требуемых значений точности при геометрической калибровке оптико-электронных систем в целом. Среди существующих средств, предназначенных для геометрической калибровки оптических систем, наибольшее распространение получили тест-объекты. Целью проводимых исследований являлось создание метода автоматического расчета поправочных коэффициентов дисторсии, а также обеспечение точности в процессе измерения на уровне 3 мкм.

Предложен метод проведения геометрической калибровки элементов внутреннего ориентирования оптической системы на основе электронного тест-объекта. Представлен расчет яркостного изображения строки теста из его многоспектрального изображения и определение положения экстремумов фильтрованного сигнала. Показано соотношение между величиной дисторсии и заданными значениями центра интервала. Рассмотрены три варианта электронных тест-объектов с различным шагом и размером элементов. Установлено, что оптимальным является калибровочный элемент размером 3 × 3 пикселя, это обусловлено формой субпикселей, имеющих соотношение сторон излучающих площадок примерно 1 : 3. В качестве шаблона для построения электронного тест-объекта целесообразно использовать IPS матрицы. Представлена функциональная схема экспериментального контрольно-измерительного стенда на базе коллиматора и оптической скамьи ОСК-2ЦЛ. Установлено, что тест-объекты с шагом сетки 4 и 8 пикселей не могут обеспечить изображение, удовлетворяющее требованиям качества и разрешения в связи с неколлимированным излучением активных площадок и рассеянием на оптических поверхностях – существенно нарушается форма элементов. Для анализа величины дисторсии наилучшим образом подходят тест-объекты с шагом сетки 12 пикселей.

Представлены графики зависимости приращения координат от номера элемента для двух фотографических объективов Canon серии EF-S 17-85 f/4-5.6 IS USM и EF-S 18-55 f/3.5-5.6 IS II. Проведены расчет значений и оценка величины дисторсии в краевых зонах, которая соответственно составила 43 мкм и 51,6 мкм. Описана методика и алгоритм программной реализации. Указаны возможные направления развития метода.

386-397 433
Аннотация

В настоящее время для анализа однородности свойств материалов широкое распространение получают различные модификации сканирующего зонда Кельвина, позволяющие картировать пространственное распределение электростатического потенциала поверхности. В случае диэлектриков анализ однородности электропотенциального профиля не является достаточным для описания каких-либо конкретных физических параметров. Поэтому используется внешнее энергетическое воздействие, в частности оптическое излучение. Целью данной работы являлись модификация сканирующего зонда Кельвина и проведение экспериментальных исследований пространственного распределения электростатического потенциала актуальных композитных полимеров и его отклика на зондирующее воздействие оптическим излучение.

Исследования выполнены на опытных образцах композитов на основе полиэтилена высокого давления, наполненных углеродным наноматериалом и наночастицами диоксида кремния или алюминия. В результате исследования получены карты пространственного распределения относительных значений электростатического потенциала и поверхностной фото-ЭДС. Проведен статистический анализ однородности электрофизических и фотоэлектрических свойств композитов в зависимости от их компонентного состава. Также применительно к матричным полимерам сканирующий зонд Кельвина в совокупности с оптическим зондированием позволил обнаружить пьезоэлектрический эффект. Последнее может быть использовано в качестве основы для разработки новых методов исследования механических свойств матричных полимеров.

Методы оценки качества объектов и процессов

398-407 402
Аннотация

Качество объектов обычно оценивают соответствующим комплексным показателем. Он формируется единичными показателями качества с их коэффициентами значимости. Свертку соответствующих зависимостей представляют средними взвешенными величинами: арифметической, геометрической, гармонической, квадратической и др. При этом заранее неизвестным является влияние вида свертки на уровень комплексного показателя качества, стабильность результатов расчета и достоверность сопоставления качества сходных объектов. Поэтому целью исследования являлась оценка влияния вида среднего взвешенного на уровень и стабильность результатов расчета комплексного показателя качества при сравнении различных объектов.

Для типичных частных объектов сопоставили рассчитанные значения комплексного показателя качества с использованием формул указанных средних взвешенных оценок. При этом учли значимости соответствующих единичных показателей качества, показатель неполноты описания объекта и влияние на объект управляющих факторов.

Результаты расчетов получили с применением планирования виртуального эксперимента. Они показали, что уровень и стабильность комплексного показателя качества существенно зависят от вида свертки. В результате выявили, что при выборе лучшего представителя из соответствующего класса объектов целесообразно пользоваться средней арифметической взвешенной оценкой.

Полученные данные могут служить основой при выборе вида среднего взвешенного при оценке качества разнообразных объектов и принятии решений о рациональных уровнях управляемых факторов.



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


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