Preview

Приборы и методы измерений

Расширенный поиск
Том 9, № 1 (2018)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.21122/2220-9506-2018-9-1

Средства измерений

7-16 401
Аннотация

Статья содержит теоретические и практические технические предложения по созданию оптоэлектронного комплекса контроля аварийных сбросов загрязнений в сточные воды предприятий.

Показана актуальность задачи контроля сточных вод на наличие аварийных сгустков в сточных водах для сохранения водных источников. Приведена структурная схема комплекса контроля водной среды. Рассмотрена математическая модель комплекса оптоэлектронного контроля за водной средой на примере сточных вод предприятия. Комплекс контроля описывается случайной импульсной переходной функцией, содержащей две независимые составляющие, одна из которых определяет динамические свойства, другая учитывает стохастичность преобразования.

Приведен пример реализации оптоэлектронного комплекса контроля водной среды в системе сточных вод предприятия. Экспериментально показана эффективность комплекса при измерении изменений оптической плотности анализируемых сред. Для проведения эксперимента выбрано загрязнение воды растительным маслом. Анализ спектров поглощения воды и растительного масла показал, что в качестве излучателя целесообразно использовать лазеры с длинами волн в диапазоне 0,4–0,5 мкм, у которых минимальное поглощение излучения в водной среде и значительное поглощение в среде примеси, например фиолетовый лазер STLL-MM-405-200-52-с длиной волны 0,405 мкм и мощностью 200 мВт. В качестве фотоприемника можно использовать, например, фотодиод типа PDV-V400-46.

Приведены результаты эксперимента исследования оптической плотности жидкой среды, содержащей сгустки из растительного масла. Они показывают функциональную связь загрязнения сточных вод с изменением оптической плотности водной среды при определенных длинах волн зондирующего лазерного излучения.

17-27 547
Аннотация

При передаче информации по волоконно-оптическим каналам связи необходимо обеспечить ее конфиденциальность и определять подлинность источника информации. Абсолютная скрытность информации от доступа третьих лиц, которым она не предназначена, может быть реализована путем использования квантово-криптографических систем, которые предполагают передачу каждого бита при помощи маломощных оптических сигналов, содержащих от десятка до отдельных фотонов излучения, однако характеризуются большим количеством ошибок вследствие эффекта деполяризации оптического излучения. Поэтому цель работы – создать устройство для передачи и приема конфиденциальных данных, которое бы обеспечивало абсолютную скрытность передаваемой информации, присущую квантово-криптографическим системам связи, и вместе с тем имело малое количество таких ошибок.

Предложено устройство для систем квантово-криптографической связи, в котором в качестве приемного модуля использовался счетчик фотонов. Продемонстрирована возможность применения кремниевых лавинных фотоприемников в режиме счета фотонов для систем передачи конфиденциальной информации, определяющих подлинность источника передаваемой информации.

Разработанная система волоконно-оптической связи, содержащая в качестве приемного модуля счетчик фотонов на базе лавинного фотоприемника, позволяет обнаружить несанкционированный доступ к информации и нарушение ее целостности и ускорить процесс обмена информацией, в сравнении с известными квантово-криптографическими системами связи.

Методы измерений, контроля, диагностики

28-39 298
Аннотация

Эффекты трансформации и распространения волн Рэлея и Стоунли представляют значительный интерес для расширения возможностей и совершенствования методов ультразвукового контроля и измерений. Цель данной работы заключалась в установлении влияния геометрических параметров тела акустической нагрузки и его положения на коэффициенты отражения и прохождения волны Стоунли и Рэлея и выявлении возможности использования результатов исследования для практических приложений.

На основе анализа акустического тракта и данных эксперимента установлена связь между измеряемыми амплитудными параметрами и коэффициентами прохождения и отражения поверхностных волн, а также отражательной способностью области контакта тела нагрузки в виде призмы через скользящую границу, которая достигает ≈ 32–34 дБ. Впервые определены зависимости указанных коэффициентов от угла наклона одной из боковых граней призмы в диапазоне 0 ± 45°, безразмерной толщины контактной прослойки (0–0,05) и ее ориентации относительно акустической оси.

Установлено, что эти коэффициенты преимущественно максимальны, когда призма прямоугольная. Коэффициент же отражательной способности при жестком контакте тел более чем на порядок меньше, а коэффициенты прохождения сравнимы по величине. Показана перспективность использования результатов исследования для контроля качества сцепления материалов при сварке, пайке, склейке, выявления дефектов в труднодоступных местах, а также для определения физико-механических свойств металлов с помощью предложенного способа создания опорного сигнала.

 

40-47 468
Аннотация

Проведение периодического радиационного мониторинга почв на сегодняшний день является одной из приоритетных задач для обеспечения радиационной безопасности не только в Беларуси, пострадавшей от Чернобыльской катастрофы, но и в Японии, территории которой подверглись радиоактивному загрязнению в результате аварии на АЭС Фукусима. Цель настоящей работы заключалась в проверке возможности применения разработанных на основе упрощенной («равномерной») модели алгоритмов определения активности и толщины загрязненного слоя в условиях радиометрии почвенного покрова с вариативными параметрами плотности и распределения радиоцезия по глубине.

Использование портативных in situ спектрометров позволяет оперативно оценить удельную активность контролируемых радионуклидов и плотность загрязнения почвы прямо на месте измерения и с необходимой точностью. Основная информация об источнике гамма-излучения (присутствующие радионуклиды, эффективный радиус участка и толщина загрязненного слоя) может быть получена непосредственно по результатам измерения аппаратурного спектра в сравнении с теоретическими (калибровочными) спектрами. Теоретические спектры рассчитывают путем имитационного моделирования процесса in situ измерений активности радионуклидов 134Cs и 137Cs, равномерно распределенных в однородной почвенной среде постоянной плотности. На практике следует учитывать приблизительность принятой модели измерений в отношении реального профиля заглубления радиоактивных загрязнений и изменчивости плотности исследуемых почв.

Анализ влияния радиальных зон цилиндрического источника на интегральную скорость счета спектрометра показал, что основной вклад вносят радиальные зоны в радиусе до 40 см от центра устройства детектирования при расположении его на поверхности почвы вне зависимости от толщины загрязненного слоя. Небольшая по площади зона влияния облегчает выбор контролируемых участков земли с достаточно плоской поверхностью, что желательно при обследовании территорий, особенно со сложным рельефом.

48-55 329
Аннотация

Для решения задачи повышения точности восстановления трехмерной картины пространства по двумерным цифровым изображениям необходимо использовать новые эффективные методики и алгоритмы обработки и корреляционного анализа цифровых изображений. Активно разрабатываются инструменты, позволяющие снизить временные затраты на обработку стереоизображений, повысить качество построения карт глубины и автоматизировать их построение. Целью работы являлось исследование возможностей использования различных методик обработки цифровых изображений для повышения точности измерений дальномера на основе корреляционного анализа стереоизображения.

Приведены результаты исследований влияния методик смешения цветовых каналов на точность измерения расстояний для различных функций, реализующих корреляционную обработку изображений; исследования по анализу возможности использования интегрального представления изображений для снижения временных затрат при построении карты глубины; исследования возможности использования предварительной фильтрации изображений перед корреляционной обработкой при измерении расстояний по стереоизображению.

Установлено, что использование равномерного смешения каналов ведет к минимизации общего числа измерительных ошибок, а применение извлечения яркости согласно стандарту sRGB ведет к увеличению числа ошибок для любой из рассмотренных методик корреляционной обработки. Интегральное представление изображения позволяет добиться ускорения корреляционной обработки, однако данный метод целесообразно применять для вычисления карты глубины на изображениях не более 0,5 мегапикселя. Использование фильтрации изображений перед корреляционной обработкой может обеспечить в зависимости от параметров фильтра либо увеличение значения корреляционной функции, что целесообразно использовать для анализа зашумленных изображений, либо сжатие корреляционной функции.

56-65 419
Аннотация

Корректный учет параметров лазерного излучателя для повышения диагностической достоверности методов оптической биомедицинской диагностики является важным для прикладных задач биофотоники. Целью данной работы являлась оценка влияния профиля распределения энергии в поперечном сечении лазерного пучка на светорассеянье слоями кожи человека при фотометрии эллипсоидальными рефлекторами.

Биомедицинский фотометр с эллипсоидальными рефлекторами для исследования образцов биологических тканей в проходящем и отраженном свете использует в качестве зондирующего лазерное излучение бесконечно тонкого, гауссового и равномерного профиля поперечного сечения. Распространение пучков обозначенных профилей, состоящих из 20 млн фотонов с длиной волны 632,8 нм, было промоделировано путем симуляции Монте-Карло в слоях кожи человека (роговом слое, эпидермисе, дерме и подкожной жировой ткани) различной анатомической толщины и эллипсоидальных рефлекторах с фокальным параметром 16,875 мм и эксцентриситетом 0,66.

Результаты моделирования показали, что распределение освещенности в зонах поля фотометрических изображений для различных толщин рогового слоя и эпидермиса в проходящем и отраженном слое, а также дермы в отраженном свете существенно подвержены влиянию профиля поперечного сечения лазерного пучка. Распределение освещенности для подкожной жировой ткани в отраженном и проходящем свете, а также дермы в проходящем свете, практически не зависят от профиля лазерного пучка для анатомических толщин, свойственных коже человека на различных участках тела.

Представлены результаты модифицированного метода симуляции Монте-Карло для биомедицинского фотометра с эллипсоидальными рефлекторами при биометрии слоев кожи человека. Для сильно рассеивающих рогового слоя и эпидермиса освещенность среднего и внешнего колец фотометрических изображений изменяется в зависимости от профиля лазерного пучка более чем на 50 % в прошедшем свете и 30 % – в отраженном. Для слабо рассеивающих слоев кожи (дермы и подкожной жировой ткани) влияние профиля заметно только для дермы в отраженном слое и не превышает 15 %.

66-73 364
Аннотация

Целью работы являлось изучение возможности применения массивов Zn нанотрубок в качестве основы для создания малогабаритных и легковесных элементов гибкой электроники, в том числе в условиях воздействия ионизирующего излучения.

В работе представлены результаты синтеза Zn нанотрубок, полученных путем электрохимического осаждения в поры полимерных матриц, и изучение их структурных и электрофизических свойств после направленной модификации ионизирующим излучением с различной дозой. Методами растровой электронной микроскопии, рентгеноструктурного и энергодисперсионного анализа изучена структура нанотрубок, имеющих поликристаллическую структуру и полностью состоящих из цинка, и продемонстрировано, что облучение ионами Ar8+ с дозой от 1 × 109 до 5 × 1011 ион/см2 и энергией 1,75 МэВ/нуклон оказывает влияние на кристаллическую структуру нанотрубок.

При больших дозах в Zn нанотрубок возникают локализованные высокодефектные зоны, приводящие к критическому изменению структуры и, соответственно, электропроводимости: при малых дозах электропроводимость увеличивается, однако при достижении порогового значения – резко снижается. Таким образом, был устанавлен механизм воздействия ионизирующего облучения на наноматериалы и определена возможность применения массивов Zn нанотрубок в качестве основы для создания малогабаритных и легковесных элементов гибкой электроники.

74-84 413
Аннотация

Влияние неплоскостности полупроводниковых пластин на характеристики изготавливаемых приборов проявляется через расфокусировку изображения топологии формируемой структуры и снижение разрешения при проведении операций фотолитографии. Для качественного контроля неплоскостности широко используется метод Makyoh топографии, который однако не позволяет получить количественные характеристики наблюдаемых дефектов, что существенно ограничивает его применение. Цель данной работы заключалась в разработке методики расчета размеров топографических дефектов пластин со сформированными на них полупроводниковыми структурами, что позволило установить критерии годности пластин в зависимости от размеров дефектов и проводить их своевременную отбраковку.

В основу разрабатываемой методики расчета положен вывод соотношений, связывающих искажение элементов изображения с кривизной локальных участков полупроводниковой пластины со сформированными на ней структурами. Данные структуры рассматривались как конечные элементы изображения, в пределах которых радиус кривизны поверхности принимался постоянным. Последовательное вычисление отклонения края элементов от идеальной плоскости на основании определения радиуса их кривизны позволило получить геометрический профиль контролируемой поверхности в выбранном ряду элементов. Определены условия формирования изображений и требования к структурам.

Получены аналитические выражения, связывающие величину искажений элементов светотеневого изображения с геометрическим профилем поверхности. Это позволяет проводить оперативный количественный контроль наблюдаемых топографических дефектов как в производственных условиях, так и в исследовательских целях. Приведены примеры расчетов топографических дефектов полупроводниковых кремниевых пластин. Сравнение полученных результатов с данными традиционных методов показало их полную идентичность
85-95 324
Аннотация

Рассмотрена задача излучения звука плоской системой, образованной из цилиндрических пьезокерамических излучателей с внутренними акустически мягкими экранами. Продольные оси излучателей параллельны и лежат в одной плоскости. Указанная система характеризуется взаимодействием электрических, механических и акустических полей в процессе преобразования излучателями электрической энергии в акустическую и взаимодействием акустических полей излучателей в процессе формирования полей в окружающих средах. Целью работы являлось определение закономерностей электромеханоакустического преобразования энергии цилиндрическими пьезокерамическими излучателями с внутренними экранами в составе плоских систем с учетом всех видов взаимодействия.

Исследования осуществлялись методом связанных полей в многосвязных областях с привлечением теорем сложения для цилиндрических волновых функций. Физические поля, возникающие при излучении звука такой системой, определены путем совместного решения системы дифференциальных уравнений: волнового уравнения; уравнений движения тонких пьезокерамических оболочек в перемещениях; уравнений вынужденной электростатики для пьезокерамики при заданных граничных условиях, условиях сопряжения полей на границах раздела многосвязных областей и электрических условиях.

Решение задачи сведено к решению бесконечной системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов разложений полей в ряды по волновым функциям.

Анализ результатов численных расчетов, выполненных на основе полученных аналитических соотношений, позволил установить ряд закономерностей в электромеханоакустическом преобразовании энергии излучателями в составе плоских систем. При этом учтены: взаимодействие полей в процессе преобразования энергии; взаимодействие излучателей и системы по акустическому полю; степень нарушения радиальной симметрии акустического нагружения излучателей от величины акустического взаимодействия; многомодовость механических полей излучателей в составе плоской системы и зависимость перераспределения энергии между модами колебаний от степени нарушения радиальной симметрии акустического нагружения излучателей.

96-105 369
Аннотация

Качество измерительных систем сверхвысокочастотного диапазона, в том числе векторных анализаторов цепей, во многом зависит от достоверности процедур калибровок и непосредственных измерений, которые позволяют учесть информацию о воспроизводимых погрешностях измерительных систем для последующей корректировки. Целью работы являлось математическое моделирование погрешностей измерительной системы для обобщенного случая – 2n-полюсника.

Рассмотрены вопросы повышения точности измерительных сверхвысокочастотных систем за счет компенсации систематических погрешностей, определяемых при калибровке. Калибровка измерительных систем и корректировка результатов непосредственных измерений по результатам калибровки требуют использования соответствующих математических моделей погрешностей. Математические модели погрешностей представляются в виде многополюсников погрешностей, включаемых между объектом измерения и измерительной системой, которая предполагается идеальной, т.е. свободной от погрешностей.

В статье предложена обобщенная математическая модель погрешностей, описываемая многополюсником погрешностей, содержащим портов, соединяемых с n-портовой измерительной системой, и портов, соединяемых с портом объекта измерения. Для получения в общем виде уравнения калибровки для 2n-портовой модели многополюсника погрешностей использована его волновая матрица передачи [Т], записанная в клеточном виде, а затем найдена связь между результатом измерений в матричном виде с клеточной волновой матрицей Т. Рассмотрено решение для нахождения матрицы погрешностей матричного уравнения, связывающего известные по результатам соответствующей аттестации матрицы для эталонов с результатами измерений при калибровке в матричном виде. При решении этого уравнения из-за клеточной волновой матрицы [Т] появляется матричное произведение «сэндвичного» типа. Решение возможно при использовании кронекеровского произведения двух матриц, оператора перемещения матрицы, RS-оператора матрицы, а также метода исключения Гаусса. Получено уравнение восстановления действительных значений матрицы рассеяния объекта измерения, исходя из результатов непосредственных измерений в матричном виде и матрицы погрешностей. При решении уравнения восстановления целесообразно использовать матрицу, инверсную к матрице передачи [Т].

Разработанная обобщенная математическая модель может быть использована, например, при необходимости измерения параметров сложных СВЧ устройств, выполненных на платах (подложках), с переходами-зондами к измерительным портам, где важно учитывать наличие дополнительных утечек СВЧ мощности между портами.



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


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