Preview

Приборы и методы измерений

Расширенный поиск
Том 10, № 2 (2019)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.21122/2220-9506-2019-10-2

Средства измерений

119-127 627
Аннотация

Компактные лазеры с активной модуляцией добротности резонатора, построенные на материалах, легированных ионами Yb3+, представляют практический интерес для широкого ряда научных, промышленных и биомедицинских применений. Целью данной работы являлось исследование режима активной модуляции добротности резонатора лазера на кристалле Yb3+:LuAlO3.

Одними из наиболее перспективных матриц для легирования ионами редкоземельных элементов являются кристаллы алюминатов со структурой перовскита. Кристаллы иттриевого алюмината YAlO3 (YAP) широко известны в качестве матриц благодаря хорошим термомеханическим свойствам (теплопроводность нелегированного кристалла около 11 Вт/м·К и около 8 Вт/м·К для Yb(5 ат.%):YAP), близким к кристаллам YAG. Снижение теплопроводности лазерного кристалла при легировании по сравнению с чистой матрицей мало в случае незначительно отличающихся атомных масс и ионных радиусов как в случае с ионами Yb3+ и Lu3+. Данная особенность делает кристалл LuAlO3 (LuAP) значительно более перспективной матрицей для ионов Yb3+ по сравнению с YAP особенно в случае лазерных систем с высокой средней выходной мощностью.

Режим активной модуляции добротности лазера на кристалле Yb3+:LuAP исследован впервые в нашей работе. Максимальная средняя выходная мощность 4,9 Вт получена при частоте следования импульсов 50 кГц и оптической эффективности 21 % с применением выходного зеркала пропусканием 30 %. Выходная мощность 3,3 Вт, длительность импульса 11,5 нс получены при частоте следования импульсов 10 кГц, энергия импульса составила 333 мкДж, пиковая мощность 29 кВт. Импульсы энергией 97 мкДж при частоте следования 10 кГц получены на частоте второй гармоники с эффективностью преобразования 29 %.

 Проведенные исследования показывают, что благодаря высокому поперечному сечению стимулированного излучения (≈ 3,74·10-20 см2 ) на длине волны 999,6 нм, а также существенному снижению тепловой нагрузку на активный элемент при накачке в области 980 нм и генерации в области 999 нм, кристаллы Yb3+:LuAP весьма перспективны в качестве активных элементов компактных твердотельных лазеров с диодной накачкой, работающих в режиме активной модуляции добротности. отельных лазеров с диодной накачкой, работающих в режиме активной модуляции добротности.

128-137 317
Аннотация

Измерение мощности дозы на уровне естественного радиационного фона является важным элементом радиационного мониторинга окружающей среды. Проверка энергетической зависимости показаний высокочувствительных дозиметрических средств измерений на основе неорганических сцинтилляционных детекторов в области низких энергий возможна при создании эталонных полей рентгеновского излучения с низкими уровнями мощности дозы (до 5 мкЗв/ч). Целью данной работы являлось создание и исследование эталонных полей рентгеновского излучения с низкой мощностью дозы и узким спектром в диапазоне энергий от 15 до 250 кэВ с использованием фильтров из особо чистых металлов в составе формирователя поля рентгеновского излучения установки УПР-АТ300.

Для определения основных характеристик созданных полей рентгеновского излучения использовались разработанные в УП «АТОМТЕХ» высокочувствительные блоки-компараторы фотонного излучения на основе сцинтилляционных NaI(Tl) детекторов. Проверка энергетической зависимости блока-компаратора осуществлялась с помощью эталонного дозиметра ДКС-АТ5350/1 и ионизационной камеры ТМ32003 с чувствительным объемом 10000 см3.

Исследованы характеристики полей рентгеновского излучения, полученные на поверочной установке рентгеновского излучения УПР-АТ300 с целью проверки энергетической зависимости показаний высокочувствительных дозиметрических средств измерений на основе сцинтилляционных блоков детектирования. Показана возможность калибровки высокочувствительных дозиметрических средств измерений на основе сцинтилляционных детекторов в энергетическом диапазоне до 250 кэВ в пучках рентгеновского излучения.

138-150 418
Аннотация

Цель работы – разработка методики синтеза пленок оксидов олова различного стехиометрического состава, характеризующихся высокими электропроводностью и коэффициентом пропускания света в УФи видимом диапазоне электромагнитного спектра, для дальнейшего их применения в качестве датчиков влажности и газов, а также электродов для электрои фотокаталитических преобразователей.

Нестехиометрические пленки SnO/SnO2 /SnO2−δ были синтезированы методом реактивного магнетронного распыления олова на стеклянные подложки в плазме аргона с добавлением кислорода и последующим термическим окислением формируемых слоев на воздухе. Для изменения структурных, оптических и электрических свойств пленок и подбора оптимальных параметров синтеза варьировались содержание кислорода в процессе напыления и температура отжига на воздухе в диапазонах 0−2 об. % и 200−450 °C соответственно. Характеризация пленок проводилась с использованием 4-х зондового метода измерений электрического сопротивления, рентгеновской дифракции и оптической спектроскопии пропускания света.

В результате комплексного анализа структурных, оптических и электрических свойств пленок установлено, что для получения наиболее прозрачных и проводящих покрытий, перспективных для использования в качестве датчиков влажности и газов, а также в фотоэлектрических устройствах, оптимальными параметрами синтеза являются: содержание кислорода в аргоновой плазме в процессе напыления ≈ 0,8–1,2 об. %, температура отжига на воздухе ≈ 350–375 °C. При этом формируется поликристаллическая пленка, в которой преобладает фаза диоксида олова, содержащая структурные дефекты (кислородные вакансии), обеспечивающие сочетание высоких электропроводности и коэффициента пропускания в видимой и УФ-области электромагнитного спектра.

Методы измерений, контроля, диагностики

151-159 294
Аннотация

В настоящее время при создании автономных лазерных систем возникают требования в части повышения выходной мощности используемых в их составе лазерных источников при одновременном снижении энергопотребления системы. Авторами рассмотрена возможность увеличения выходной пиковой мощности импульсных лазерных источников за счет применения метода синхронного некогерентного суммирования импульсов в кольцевой волоконно-оптической линии задержки. Целью настоящей работы являлась оценка энергетической эффективности лазерных устройств, построенных на основе данного метода.

Рассмотрен общий способ построения импульсного лазерного источника с применением кольцевой волоконной линии задержки, представлены его структурная схема и общий принцип действия подобных данному устройству систем. Приведены два варианта исполнения лазерных систем, построенных на основе описываемого в работе метода суммирования импульсов: с оптическим сумматором и оптическим коммутатором; со сваркой волокон взамен сумматора и оптическим коммутатором. Получены графики энергетической эффективности систем первого и второго вариантов исполнений в зависимости от числа обходов импульса в кольцевой задержке.

В результате анализа работы рассмотренных устройств показано, что они позволяют увеличить пиковую мощность лазерного импульса без повышения энергии питания, при этом большей эффективностью обладает система с применением сваренных волокон взамен оптического сумматора.

160-168 343
Аннотация

Угловые измерения в оптике биологических тканей широко применяются для решения различных прикладных спектроскопических задач для контроля шероховатой поверхности, определения показателя преломления, а также для изучения оптических свойств. Целью данной работы являлось исследование отражающей способности биологических тканей методом зеркальных эллипсоидов вращения при переменных углах падения зондирующего изучения.

В работе исследуются функциональные возможности усовершенствованного метода фотометрии эллипсоидальными рефлекторами. Разработана и представлена установка для фотометрии зеркальным эллипсоидом вращения в отраженном свете. Для обеспечения работы метода представлены теоретические основы конструирования эллипсоидального рефлектора с характерным пазом для обеспечения ввода лазерного излучения в исследуемую область. Получены аналитические выражения для вычисления диапазона углов падающего излучения в зависимости от эксцентриситета и фокального параметра эллипсоида. Также представлена усовершенствованная схема обработки изображений, получаемых при угловой фотометрии эллипсоидальными рефлекторами.

Представлены результаты серии экспериментальных исследований для мышечной ткани на длинах волн 405 нм, 532 нм и 650 нм. В ходе эксперимента были получены фотометрические изображения при использовании фотометра со следующими конструктивными параметрами: диапазон угла падения лазерного излучения 12.5–62.5°, эксцентриситет эллипсоидального рефлектора 0,6, фокальный параметр 18 мм и ширина паза 8 мм.

Характер светорассеяния мышечными тканями на различных длинах волн представлен графиками для зоны коллимированного отражения. При этом форма зоны падающего потока позволяет оценить влияние оптических свойств внутреннего или приповерхностного слоя биологической тканине на светорассеяние при различных углах падения.

169-177 390
Аннотация

Разработка новых методов и высокоразрядных средств измерения фазовых сдвигов высокочастотных периодических сигналов с высоким быстродействием для решения задач радиолокации, радионавигации является актуальной задачей. Целью данной работы являлось создание нового измерителя фазовых сдвигов высокочастотных периодических сигналов на основе метода двойного совпадения с использованием прямого цифрового синтеза частот.

На основе предложенной математической модели измерения фазовых сдвигов периодических сигналов методом двойного совпадения с использованием статистического накопления импульсов разработана функциональная схема цифрового измерителя фазовых сдвигов периодических сигналов с использованием прямого цифрового синтезатора частот. Это позволило реализовать 8-разрядный преобразователь фазового сдвига сигналов в код на программируемой логической интегральной схеме EPM240T100C5фирмы Altera.

Цифровой измеритель фазовых сдвигов периодических сигналов на основе метода двойного совпадения состоит из: двух входных устройств, двух формирователей коротких импульсов, прямого цифрового синтезатора частоты, двух схем управления счетчиками импульсов, двух схем совпадений коротких импульсов, двух схем управления счетчиками импульсов, четырех счетчиков тактовых импульсов, четырех регистров, микроконтроллера и индикатора. Предложенная блок схема реализации измерителя имеет минимальную аппаратную сложность.

За счет использования метода двойного совпадения временная задержка между сигналами не зависит от периода входных сигналов и может быть найдена при изменении частоты периодических импульсов в широких пределах. Погрешности измерения будут определяться в основном только длительностью импульсов совпадений. Использование в основе работы статистического накопления импульсов позволило устранить ограничения на длительность импульсов известных нониусных измерителей. На основе полученных результатов исследования разработан высокоразрядный преобразователь фазовых сдвигов высокочастотных периодических сигналов в двоичный код с высоким быстродействием для задач радиолокации и радионавигации.

178-184 259
Аннотация

Методы измерений времени задержки между периодическими последовательностями импульсов основаны в большинстве своем на непосредственном измерении рассматриваемого параметра. Главным недостатком такого подхода является трудность обеспечения точности измерений в условиях шумов. Целью данной работы являлась разработка метода, обеспечивающего возможность точного измерения малых изменений временных интервалов, основанного на анализе динамических свойств спектра суммы задержанных измерительных сигналов.

Суть разработанного метода заключается в замене малочувствительной регистрации изменений времени задержки между периодическими последовательностями импульсов, регистрацией изменений параметров характерных гармонических составляющих спектра результирующей суммы этих сигналов. При этом в рассмотрение принимались только те гармонические составляющие, которые обладают максимальной чувствительностью к отклонениям времени задержки и минимальной чувствительностью к некоррелированным изменениям параметров сигналов. Для достижения максимального эффекта исследовалось влияние формы импульсов периодических последовательностей на точность измерений. Причем за базовую принималась трапециевидная форма импульсов – как наиболее общая, в которую могут перерождаться все остальные формы импульсов (треугольная, прямоугольная, синусоидальная и т. д.).

Результаты расчетов показали эффективность применения предлагаемого метода с целью снижения погрешности измерений малых изменений интервалов времени. При этом коэффициент ослабления погрешности по сравнению с существующим методом измерения составил Kwe = 4,78.

Использование предложенного подхода открывает возможность совершенствования алгоритмического обеспечения средств измерений в целях их автоматизации и увеличения точности измерений

185-197 326
Аннотация

При контроле воздействия на микроциркуляторное русло различных сосудоактивных препаратов необходимы методика и соответствующая аппаратура определения их основных физиологических параметров: диаметра и площади внутреннего просвета, их удельной плотности, а также скорости кровотока. Поэтому цель данной работы – исследование возможностей повышения достоверности определения диаметра и площади внутреннего просвета видимых сосудов бульбарной конъюнктивы глаза. Предложена методика получения цифровых видеозаписей бульбарной конъюнктивы глаза, основанная на импульсной подсветке исследуемого участка. Описан макетный образец аппаратуры, обеспечивающей пространственное разрешение видеосъемки 2 мкм, что позволяет прослеживать все видимые сосуды, включая и капилляры. Обсуждается алгоритм стабилизации положения последовательности цифровых изображений бульбарной конъюнктивы относительно первого кадра, основанный на применении субпиксельной интерполяции при поиске глобального минимума среднеквадратического отклонения разностей яркостей первого и обрабатываемого кадра.

Рассматриваются предлагаемые алгоритмы трассировки сосудистого рисунка и определения диаметра и площади внутреннего просвета сосудов. Предложен оригинальный способ их вычисления, основанный на определении площади и высоты поперечного сечения изображения сосуда. Обсуждается проблема верификации получаемых результатов.

Описанный подход позволяет формировать диагностические изображения видимых сосудов бульбарной конъюнктивы, включая и капилляры, с указанием их диаметра и построением гистограмм их распределения по площади внутреннего просвета.

Учитывая корреляцию состояния сосудов глаз с состоянием сосудов в других органах, предлагаемая методика и аппаратурные решения имеют перспективу использования при создании аппаратуры для комплексной неинвазивной диагностики состояния микроциркуляторного русла и контроля эффективности лечения различных заболеваний сердечно-сосудистой системы.

198-206 282
Аннотация

Использованию многопараметрической обработки спектральной информации в последнее время отдается предпочтение в связи с экспрессным характером этого метода, простотой применения математических пакетов, отсутствием необходимости введения дополнительных реагентов. Целью работы являлось применение методов многопараметрического анализа широкополосных спектров пропускания для калибровки физико-химических показателей вин и повышение точности этой калибровки с помощью выбора спектральных переменных.

На примере некупажированных сортовых молдавских вин показано, что применение метода интервальной проекции на латентные структуры по комбинации движущихся окон в спектрах пропускания вин в диапазоне 220–2500 нм позволяет существенно уменьшить среднеквадратичную ошибку калибровки по сравнению с широкополосными многопараметрическими методами. Величины остаточного отклонения предсказания, превышающие пороговое значение 2,5 для содержания K, Ca, Mg, щавелевой, яблочной и янтарной кислот, 2,3-бутиленгликоля, золы и фенольных соединений для красных вин и Mg, винной, лимонной и молочной кислот, 2,3-бутиленгликоля, золы, фенольных соединений и растворимых солей для белых вин, демонстрируют хорошее качество калибровки.

Применение предложенного метода калибровки физико-химических параметров вин позволяет заменить традиционные методы на проведение спектральных измерений, доступное не только в лабораторных, но и в полевых условиях, и характеризующееся малыми величинами среднеквадратичной ошибки калибровки.

207-214 303
Аннотация

При испытаниях на контактную усталость обычно измеряют сближение осей один раз за цикл или за несколько циклов нагружения из-за трудности обработки большого количества данных при многоцикловых испытаниях. Целью работы являлась разработка и апробация в режиме реального времени модели сглаживания измеряемых центром SZ-01 в виде временных рядов экспериментальных данных с использованием вейвлет-преобразования.

С помощью центра SZ во время износоусталостных испытаний был измерен момент трения в системе ролик/вал, что позволило изучить изменение коэффициента сопротивления качению в зависимости от уровня контактной и бесконтактной изгибающей нагрузки. Также измерялась величина сближения осей контактирующих тел (ролика и вала) в восьми точках на окружности дорожки качения за один цикл, что позволило изучить неоднородность локальных повреждений в условиях контактной и контактно-механической усталости. При разработке программного модуля для сглаживания большого объема экспериментальных данных, поступающих от испытательного центра, использовались различные методы сглаживания временных рядов: скользящая средняя; экспоненциальная скользящая средняя; вейвлет-преобразование и простая скользящая средняя, примененная к разностям вейвлет-коэффициентов; вейвлет-преобразование и экспоненциальная скользящая средняя, примененная к разностям вейвлет-коэффициентов.

Результаты численного моделирования показали, что наилучшее приближение к исходному ряду дает вейвлет-преобразование с использованием экспоненциальной скользящей средней для сглаживания разностей между коэффициентами вейвлет-преобразования.

Применение программного модуля, основанного на данной модели, в центре SZ-01 позволило сгладить временные ряды, характеризующие изменение сближения осей ролика и вала и крутящего момента.



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


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