Preview

Приборы и методы измерений

Расширенный поиск
Том 12, № 2 (2021)
Скачать выпуск PDF
https://doi.org/10.21122/2220-9506-2021-12-2

Средства измерений 

91-97 172
Аннотация

Твердотельные лазеры, излучающие в спектральной области 1.5‒1.6 мкм, находят широкое применение в дальнометрии, офтальмотологии, волоконно-оптических системах и оптической локации. Целью данной работы являлось исследование спектроскопических и генерационных свойств активной среды на основе кристалла бората для указанных лазеров.

Проведено исследование спектроскопических и генерационных свойств кристаллов Er,Yb:YAl3(BO3)4 с различным содержанием ионов-активаторов. В результате определены спектры поперечных сечений поглощения и стимулированного испускания в поляризованном свете. Проведена оценка эффективности переноса энергии от ионов иттебия на ионы эрбия. Максимальная эффективность переноса энергии достигала 97 % для кристалла Er(4 at.%),Yb(11 at.%):YAl3(BO3)4.

Реализована   лазерная   генерация   для   кристаллов   с   высоким   содержанием   ионов   эрбия до 4 ат.% (2.2∙1020‒3). При использовании кристалла Er(2 at.%),Yb(11 at.%):YAl3 (BO3)получен непрерывный режим генерации с максимальной выходной мощностью до 1,6 Вт на длине волны 1522 нм при дифференциальной эффективности 32 %. В квазинепрерывном режиме генерации для кристалла Er(4 at.%),Yb(11 at.%):YAl3(BO3)4 максимальная пиковая мощность достигала 2,2 Вт при дифференциальной эффективности по поглощённой мощности накачки 40 %. Профиль распределения интенсивности в поперечном сечении лазерного пучка хорошо аппроксимировался функцией Гаусса рассчитанное значение параметра распространения лазерного пучка М2 не превышало 1,2, что соответствует ТЕМ00 моде резонатора.

На основе полученных результатов, можно сделать вывод, что данные кристаллы являются перспективными активными средами, для лазеров, излучающих в спектральном диапазоне 1.5‒1.6 мкм, для применения в составе систем лазерной дальнометрии, лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии и лидаров.

98-107 174
Аннотация

На сегодняшний день, вместе с ростом темпов промышленного производства повышаются также и требования к контролю качества продукции. В задачах дефектоскопии и дефектометрии многослойных материалов перспективным является использование теплового метода неразрушающего контроля. В то же время, интерпретация данных теплового контроля усложнена рядом факторов, что делает использование традиционных методов анализа данных неэффективным. Поэтому актуальным заданием является поиск новых методов теплового контроля, которые позволят автоматизировать процесс диагностики и повысить информативность полученных результатов. Целью статьи являлось использование достижений в области глубокого обучения для обработки результатов активного теплового контроля изделий из многослойных материалов и разработка автоматизированной системы тепловой дефектоскопии и дефектометрии таких изделий.

Предлагаемая система состоит из источника нагрева, тепловизора для регистрации последовательностей термограмм и блока цифровой обработки информации. Для автоматизированной обработки данных используются три нейросетевых модуля, каждый из которых выполняет одну из задач: обнаружение и классификация дефектов, определение глубины залегания дефекта и его раскрытия (толщины). Программные алгоритмы и интерфейс взаимодействия с системой выполнены в среде разработки NI LabVIEW.

Экспериментальные исследования на образцах из многослойного стеклотекстолита показали значительное преимущество разработанной системы над методами, использующими традиционные алгоритмы анализа данных теплового контроля. Ошибка определения типа (классификации) дефекта на тестовом образце составила 15,7 %. Разработанная система обеспечила определение глубины дефекта с относительной погрешностью 3,2 %, а также толщины дефекта с относительной погрешностью 3,5 %.

108-116 152
Аннотация

Одним из способов решения многообразных задач оптической диагностики является использование фотоэлектрических преобразователей на основе полупроводников с собственной фотопроводимостью, слабо легированных глубокими примесями, формирующими несколько уровней с разными зарядовыми состояниями в запрещённой зоне. Особенности физических процессов перезарядки этих уровней позволяют создавать фотоприёмники с различными функциональными возможностями на основе ряда простых приборных структур.

Целью работы является анализ особенностей преобразовательных характеристик одноэлементных фотоэлектрических преобразователей на базе полупроводников с собственной фотопроводимостью, систематизация их свойств, и представление структур, представленных ФЭП в виде приборного ряда фотоэлектрических преобразователей для применения в измерительных преобразователях систем оптической диагностики.

На основе анализа особенностей преобразовательных характеристик одноэлементных фотоэлектрических преобразователей на базе полупроводников с собственной фотопроводимостью и требований к их конструкции разработан приборный ряд фотоэлектрических преобразователей для применения в измерительных преобразователях систем оптической диагностики. Показана возможность построения функциональных измерительных преобразователей для многопараметрических измерений оптических сигналов.

117-123 163
Аннотация

Разработка новых методов, научных приборов и средств для измерения магнитных полей, создаваемых сверхслабыми токами, является одним из перспективных направлений в развитии медицинской техники, геодезических и космических исследований. Целью данной работы являлась разработка малогабаритного датчика, способного детектировать слабые магнитные поля, источниками которых могут быть биотоки, излучения далёких космических объектов и слабые флуктуации магнитного поля земли. Учёные оценивают величины таких магнитных полей в десятые доли нанотесла. 

Среди ключевых требований к датчикам сверхслабого магнитного поля можно отнести разрешающую способность, уровень шумов в измерительном канале, температурную стабильность, линейность и повторяемость характеристик от изделия к изделию. Предлагается добиться этих характеристик путём применения планарных технологий и микроэлектромеханических систем при изготовлении современных датчиков.

В работе описан полный цикл исследования, от создания компьютерной модели исследуемого датчика до изготовления рабочего прототипа. Для оценки влияния геометрических параметров и влияния свойств материала использована модель Джилса‒Атертона, которая, в отличие от большинства используемых моделей, позволяет учесть нелинейность сердечника, его гистерезисные свойства и влияние остаточной намагниченности.

Габариты разработанного датчика составляют 40×20×5 мм и технически возможно его уменьшение. Разработанный датчик продемонстрировал линейность характеристик в диапазоне от 0,1 нТл до 50 мкТл при среднеквадратическом токе возбуждения 1,25 мА на частоте 30 кГц. Усреднённый коэффициент преобразования по второй гармонике составляет 54 мкВ/нТл.

Методы измерений, контроля, диагностики 

124-132 146
Аннотация

Повышение эффективности, надёжности и производительности ультразвукового контроля соединения материалов сваркой, пайкой, склеиванием и др. является важной народнохозяйственной задачей. Цель работы состояла в установлении условий повышения чувствительности и достоверности обнаружения дефектов сцепления материалов на основе моделирования полей ультразвуковых мод, рассеянных дефектами разной геометрии.

Впервые в максимальном приближении выполнен расчёт и анализ полей рассеяния ультразвуковых волн при перемещении пятна акустического луча в виде эллипса или длинной полосы относительно дефектной области с дискретными и плавно изменяющимися в ней граничными условиями. Для характеристики последних с точки зрения взаимодействия упругой волны с границей сред предложено использовать преимущественно фазовый сдвиг θ между волнами, рассеянными от дефектной и бездефектной границы, существенно сказывающийся на изменении параметров результирующего поля рассеяния в его периферийной зоне. Т. е., θ является важным параметром, характеризующим степень сцепления материалов и оказывающим превалирующее влияние на чувствительность предлагаемого метода обнаружения слабо выявляемых дефектов.

Установлены особенности эволюции структуры полей рассеяния, являющиеся первичными для разработки методик контроля сцепления материалов предложенным методом. При достаточно малых значениях угла приёма ультразвуковых колебаний в меридиональной плоскости максимум чувствительности измерений достигается в динамическом режиме и приёме рассеянных волн под азимутальными углами, соответствующими 1-му экстремуму диаграммы направленности поля рассеяния опорного акустического луча.

133-138 153
Аннотация

Рассмотрена работа радиоизотопных измерительных приборов в динамических условиях, когда пуассоновский поток импульсов на выходе детектора излучения становится нестационарным, а нелинейность градуировочной характеристики прибора, стохастичность радиационного сигнала и инерционность измерителя существенно усложняют задачу оценки измеряемого физического параметра. Целью работы являлась разработка алгоритмов нелинейного времяимпульсного преобразования пуассоновского процесса в структуре радиоизотопного прибора и анализ возможности его применения для линеаризации характеристики прибора, повышения быстродействия приборов и решения измерительной задачи в режиме реального времени.

Проанализирован процесс нелинейного преобразования радиационного сигнала в системе на основе предположения об экспоненциальном распределении интервалов между импульсами информационного потока на выходе детектора излучения. Разработан обобщённый алгоритм синтеза заданной функции преобразования времяимпульсного вычислительного устройства радиоизотопного прибора по её математическому описанию. Для описания функции преобразования, заданной множеством точек, предлагается использовать её аппроксимацию степенным рядом.

Предложенные расчётные формулы проверены моделированием в программе Scilab на конкретном примере линеаризации характеристики радиоизотопного высотомера с заданной таблично градуировочной характеристикой. Полученные результаты подтверждают целесообразность использования времяимпульсных вычислительных устройств для линеаризации характеристики преобразования радиоизотопных приборов в режиме реального времени.

Проведение вычислений по предложенным алгоритмам средствами современной микроэлектроники открывает новые возможности для расширения области применения радиоизотопных приборов в динамических задачах промышленной дефектоскопии, измерения параметров движения объектов, толщины проката и покрытий, в устройствах непрерывного контроля жидких сред.

139-145 147
Аннотация

Совершенствование технологии алмазного точения алюминиевых сплавов имеет важное значение для расширения областей применения металлооптических изделий на основе алюминия в авиационно-космической технике. Целью настоящей работы являлось исследование влияния неоднородностей структуры поверхности исходных подложек из алюминиевого сплава на их оптические и механические характеристики и определение путей повышения качества алюминиевых зеркал-отражателей, изготавливаемых с использованием наноразмерной алмазной лезвийной обработки.

Исследованные зеркала-отражатели изготавливались из алюминиевого сплава АМг2. Оптическая обработка поверхности производилась на прецизионном токарном станке со шпинделем на воздушном подшипнике с использованием специального алмазного резца с радиусом закругления лезвия менее 0,05 мкм. Анализ структуры поверхности подложек из сплава АМг2 проводился методами растровой электронной микроскопии/электронного микрозонда. Контроль качества обработки поверхности изготовленных зеркал-отражателей осуществлялся методом атомно-силовой микроскопии. Исследовались также отражательная способность и лучевая прочность данных образцов.

Показано, что важной проблемой при изготовлении оптических элементов из алюминиевых сплавов является неоднородность структуры исходного материала, связанная с наличием интерметаллидных включений. Термообработка подложек из сплава АМг2 при Т ≥ 380 °С позволяет улучшить качество обработки поверхности и лучевую прочность алюминиевых зеркал как за счёт снятия механических напряжений, так и за счёт частичной гомогенизации исходного материала. Оптимальной является термообработка при максимально допустимой для сплава АМг2 температуре Т = 540 ºС, в результате которой происходит полное исчезновение интерметаллидных включений с повышенным содержанием магния. Применение высокотемпературной термообработки подложек позволяет, по сравнению с неотожжёнными образцами, снизить шероховатость поверхности с 1,5 до 0,55 нм, повысить отражательную способность зеркал на длине волны 1064 нм с 0,89 до 0,92 и повысить лучевую прочность с 3,5 до 5 Дж/см2.

146-155 147
Аннотация

Разработка волновых твердотельных гироскопов (ВТГ) является одним из перспективных направлений развития гироскопических датчиков угловой скорости. ВТГ с позиций технологии изготовления, системы настройки и управления, а также точностных характеристик имеет ряд преимуществ по сравнению с другими видами гироскопов. При разработке ВТГ стремятся уменьшить собственный уход гироскопа, смещения нулевого сигнала, нелинейность масштабного коэффициента в рабочем интервале температур. Однако при создании прибора зачастую не уделяется должного внимания существующим возможностям повышения динамической точности гироскопа за счёт разработки перспективных структурных решений построения контуров регулирования и обработки информации. Решение этой проблемы и являлось целью работы.

С использованием методов теории автоматического регулирования выполнены исследования динамики волнового твердотельного гироскопа с металлическим резонатором и пьезоэлементами в режиме замкнутого контура компенсации кориолисового ускорения. Пьезоэлементы выполняют функции датчиков перемещений и силы.

Предложены и рассмотрены два перспективных структурных решения построения контуров регулирования и обработки информации ВТГ. Установлены соотношения для выбора параметров звеньев этих контуров, обеспечивающих повышение динамической точности гироскопа. В первом случае предложенная структура построения ВТГ позволяет существенно уменьшить динамические погрешности, обусловленные различием масштабного коэффициента ВТГ при различных частотах измеряемой угловой скорости в полосе пропускания. Такая структура построения ВТГ может быть рекомендована при решении измерительной задачи, в которой необходимо точно измерить величину угловой скорости, а фазовое отставание выходного сигнала по отношению к измеряемой угловой скорости имеет второстепенное значение. Во втором случае предложенной структуре построения ВТГ соответствует передаточная функция относительной погрешности измерения с астатизмом второго порядка, а абсолютная погрешность измерения в полосе частот 10 Гц не превышает 0,1 %.

156-165 143
Аннотация

При измерении маломощных оптических сигналов приёмные модули каналов однофотонной связи должны обеспечивать наименьшие потери передаваемой информации. В этой связи целесообразно использовать счётчики фотонов, которые являются высокочувствительными, однако характеризуются ошибками регистрации данных. Поэтому цель работы – исследовать влияние интенсивности регистрируемого оптического излучения при передаче двоичных символов «0» на вероятность стирания этих символов в канале однофотонной связи, содержащем в качестве приёмного модуля счётчик фотонов на базе лавинного фотоприёмника с включением по схеме пассивного гашения лавины.

На основе методики уменьшения потерь информации определены нижний и верхний пороговые уровни зарегистрированных на выходе счётчика фотонов импульсов, а также статистические распределения смеси числа темновых и сигнальных импульсов на выходе счётчика фотонов при регистрации двоичных символов «0» Pst0( N) и двоичных символов «1» Pst1( N), при которых вероятность стирания двоичных символов «0» P(–/0) минимальная.

Экспериментальные результаты показали, что для достижения минимальной вероятности стирания двоичных символов «0» P(–/0) = 0,11·10−2 важно подбирать не только интенсивность используемого оптического излучения J0 , но и напряжение питания лавинного фотоприёмника Uпит , при которых мёртвое время счётчика фотонов минимально, а его квантовая эффективность регистрации максимальна: J0 ≥ 98,94·10-2 отн. ед. и Uпит = 52,54 В.



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


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