MINISTRY OF EDUCATION OF THE REPUBLIC OF BELARUS STATE COMMITTEE ON STANDARDIZATION OF THE REPUBLIC OF BELARUS NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF BELARUS BELARUSIAN NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY BELARUSIAN STATE INSTITUTE OF METROLOGY INSTITUTE OF APPLIED PHYSICS OF THE NATIONAL ACADEMY OF SCIENCES OF BELARUS INSTRUMENTATION ENGINEERING-2016 Proceedings of the 9th International Scientific and Technical Conference November 23–25, 2016 Minsk, Republic of Belarus Minsk BNTU 2016 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО СТАНДАРТИЗАЦИИ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ НАН БЕЛАРУСИ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ-2016 Материалы 9-й Международной научно-технической конференции 23–25 ноября 2016 года Минск, Республика Беларусь Минск БНТУ 2016 УДК 681.2(063) ББК 34.9я431 П75 Редакционная коллегия: д-р техн. наук, профессор О.К. Гусев (председатель); канд. экон. наук, доцент Е.В. Гурина; д-р техн. наук, доцент Н.А. Жагора; д-р техн. наук, профессор М.Г. Киселёв; д-р физ.-мат. наук, доцент М.А. Князев; д-р физ.-мат. наук, профессор Н.В. Кулешов; д-р физ.-мат. наук., профессор А.М. Маляревич; д-р физ.-мат. наук, В.В. Машко; чл.-корр. НАН Беларуси, д-р техн. наук, профессор Ю.М. Плескачевский; д-р техн. наук, доцент П.С. Серенков; д-р техн. наук, профессор В.Л. Соломахо; чл.-корр. НАН Беларуси, д-р техн. наук, профессор С.А. Чижик; д-р физ.-мат. наук, профессор К.В. Юмашев; канд. техн. наук, доцент Р.И. Воробей, канд. техн. наук, доцент А.К. Тявловский (отв. секретарь) Рецензенты: д-р тех. наук, доцент Н.И. Мухуров; д-р тех. наук, проф. Л.М. Лыньков Издание включает материалы 9-й Международной научно-технической конференции «Приборостроение-2016» по направлениям: измерительные системы и приборы, технические средства безопасности; методы исследований и метрологическое обеспечение измерений; физические, физико- математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения; управление производством и подготовка специалистов для приборостроительной отрасли. Материалы конференции могут представлять интерес для научных работников, преподавателей вузов, аспирантов и магистрантов, специалистов реального сектора экономики, занимающихся исследованиями, разработкой и производством приборов и измерительных систем. ISBN 978-985-550-941-8 © Белорусский национальный технический университет, 2016 Пленарные доклады 5 ПЛЕНАРНОЕ ЗАСЕДАНИЕ УДК 681 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ Шкадаревич А.П., Петрович И.П., Рудиков С.И. НТЦ «ЛЭМТ» Минск, Республика Беларусь Одной из впечатляющих тенденций XXI века является все более широкое применение роботизированных систем как военного, так и гражданского назначения. Так, сегодня беспи- лотные летательные комплексы (БПЛА) стано- вятся незаменимыми во многих сферах человеческой деятельности (контроль границы, охрана окружающей среды, помощь в разреше- нии и ликвидации чрезвычайных ситуаций), и, конечно, в области военных технологий: раз- ведка, управление высокоточным огнем и пора- жением целей, самостоятельное выполнение боевых задач. Не менее актуальным является применение наземных робототехнических систем, например, для разминирования, работы в зоне повышенной радиации, в системах безопасности. Постоянно растет число принятых на армейское снабжение автоматизированных бое- вых модулей на основе, как легкого, так и артиллерийского вооружения. Доказали высокую боевую эффективность боевые бронированные машины, способные работать без оператора. Не так давно DARPA (США) анонсировала начало работ по созданию беспилотного боевого само- лета. Одними из ключевых модулей робото- технических комплексов являются оптико- электронные системы, на которые возлагаются следующие функции: - всесуточное и всепогодное обнаружение, распознавание и идентификация целей; - автоматическое или ручное дистанционное слежение за целями; - определение координат (в т.ч. географи- ческих) объектов; - баллистические вычисления и управление огнем вооружения. В данной работе рассматриваются разработки Научно-технического центра «ЛЭМТ» БелОМО в области оптоэлектронных систем для роботизированных комплексов различного назначения. 1. Оптико-электронные боевые модули «QUAD-1» и «QUAD-2» Системы предназначены для автоматического круглосуточного и всепогодного обнаружения и слежения за целями, расчета их траектории, осуществления баллистических вычислений, управления огнем в т.ч. и по движущимся целям по принципу «выстрелил – забыл» в комплексах с четырьмя гранатометами, устанавливаемыми на земле либо на бронированных мобильных платформах Оптико-электронные боевые модули «QUAD-1» (слева) и «QUAD-2» (справа) Диапазон дистанций стрельбы 50 ÷ 700 м Диапазон дистанции измерения дальности лазерным дальномером 50 ÷ 1 000 м Поле зрения телевизионного (tvc) и тепловизионного (tc) каналов 6х8º Дальность распознавания тс объекта типа танк (δт ≥ 50 мк) ≥ 1 000 м Угловая скорость наведения 0,05 ÷ 10 град/сек; Точность наведения 1 мрад Максимальная потребляемая мощность 300 вт (кратковременно) Диапазон рабочих температур -30ºС ÷ +50ºС; 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 6 2. Прицел-дальномер для стрелкового оружия СПД-1 «Булат» Прицел предназначен для осуществления прицельной стрельбы из переносного и стационарного стрелкового оружия: пуле- метов типа ПКМН, ПКП, НСВ «Утес», снайперских винтовок ОСВ-96 и др. Прицел имеет встроенный дальномер и осуществляет корректировку положения прицельной марки в зависимости от дистанции и других вводимых параметров. Система позволяет также осуществлять сопровождение движу- щихся объектов с введением бокового упреждения. Прицел-дальномер СПД-1 «Булат» на крупнокалиберном пулемете НСВ «Утес» Длина волны излучения лазерного дальномера (905±30) нм Диапазон измерения дальностей от 50 до 2000 м Абсолютная погрешность измерения дальност в диапазоне 50 – 2000 м, не более ±2 м Видимое оптическое увеличение 6х Угловое поле зрения, не менее 5° Габаритные размеры (без наглазника), не боле 265х150х155 мм Масса (без элементов питания), не более 3 кг 3. Наблюдательный оптико-электрон- ный и радиолокационный комплекс контроля наземной обстановки (HVS) Комплекс предназначен для контроля наземной обстановки и позволяет вести обнаружение и распознавание целей типа «человек, автомобиль, боевая машина (БМП, БТР, танк)» в дневное и ночное время. Комплекс может использоваться для охраны границ и объектов и размещаться на стационарной платформе (мачте) или на автомобиле. При этом автоматизированное рабочее место оператора может размещать удаленно в пункте наблюдения или в кабине автомобиля Оптико-электронный модуль комплекса контроля наземной обстановки (слева) и его пользовательский интерфейс (справа) Пленарные доклады 7 Телевизионный канал Лазерный дальномер Вид изображения Цветное или черно-белое Рабочая длина волны 905±20 нм Дальность визуального обнаружения Человек – 4 км Автомобиль, катер – 6 км Измерение: дальность до цели размером 2,3х2,3 м по стандарту НАТО От 50 до 5000 м Оптическое увеличение 40х Опорно-поворотная платформа Цифровое увеличение 12х Угол поворота по горизонтали Без ограничения Горизонтальный угол зрения От 60 до 1,6 град. Угол поворота по вертикали От плюс 45 до минус 90 град. Режим «туман» Есть Скорость поворота по горизонтали Не более 40 град./с Тепловизионный канал Напряжение питания 24 VDC Спектральный диапазон 8..14 мкм Интерфейс управления и передачи видео Ethernet Разрешение и тип сенсора 640х480 – неохлаждаемая матрица Габаритные размеры 620 мм х 430 мм х 240 мм Дальность визуального обнаружения Человек – 4 км Автомобиль, катер – 6 км Масса Не более 25 кг 4. Гиростабилизированная оптико- электронная система для беспилотного летательного аппарата ГОЭС-1 Гиростабилизированная оптико-электронная система предназначена для установки на беспилотном летательном аппарате и служит для круглосуточного наблюдения за местностью, поиска, обнаружения и сопровождения объектов и измерения дальностей до обнаруженных объектов. Оптико-электронная система ГОЭС-1 (слева) и беспилотный летательный аппарат «ГРИФ» с установленной системой (справа) Телевизионный канал Вид изображения Цветное или черно-белое Дальность визуального обнаружения Человек – 3 км Автомобиль, катер – 5 км Поле зрения от 57,0°х 46,0° до 1,7°х 1,3° Цифровое увеличение 12х Выходной видеосигнал PAL Захват движущейся цели есть Тепловизионный канал Спектральный диапазон 8..12 мкм Разрешение сенсора 640х480 (неохлаждаемая матрица) Дальность визуального обнаружения Человек – 2 км Автомобиль, катер – 3 км Лазерный дальномер Рабочая длина волны 905±20 нм Измерение дальность до цели размером 2,3х2,3м От 50 до 3000м Точность измерения дальности ±2 м 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 8 УДК 006.91.034(045)(476) РАЗВИТИЕ НОРМАТИВНОЙ ПРАВОВОЙ БАЗЫ В ОБЛАСТИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ Гуревич В.Л. Белорусский государственный институт метрологии Минск, Республика Беларусь Единство измерений - это такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в стране единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы. В Республике Беларусь допущены к применению единицы величин Международной системы единиц (SI), принятой Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ), рекомендованные Международной организацией по законодательной метрологии (МОЗМ). Обеспечение единства измерений требуется для получения достоверных и сопоставимых результатов измерений, используемых в нацио- нальной экономике и торговле, в здравоохране- нии и экологии, в сфере обороны и безопасности, а также для защиты прав и законных интересов граждан, юридических лиц, индивидуальных пред-принимателей и государства от отрица- тельных последствий недостоверных результатов измерений. К основным задачам в сфере обеспечения единства измерений следует отнести: - принятие Концепции развития Государ- ственной метрологической службы (ГМС); - совершенствование нормативных правовых актов; - пересмотр действующих ТНПА по метроло- гии; - развитие национальной эталонной базы с доведением СМС-строк до 250; - развитие системы межлабораторных сличе- ний, в т. ч. в рамках ЕАЭС; - развитие и оптимизация территориальной специализации ГМС (материальная база ЦСМС); - создание Государственной информацион- ной системы в области обеспечения единства измерений, включая ГМС; - развитие международного сотруд-ничества (BIPM, МОЗМ, КООМЕТ, МГС). Решая задачу вхождения Республики Беларусь полноправным членом в мировую систему измерений, необходимо создавать современные национальные эталоны, постоянно совершенствовать теоретические основы измерений, проводить фундаментальные ис- следования. Проводимые работы по разработке и совершенствованию теоретических основ метрологии должны быть направлены: - на совершенствование теории измерений по мере появления открытий и достижений в фундаментальных областях науки - физике, математике, химии, биологии; - на совершенствование теоретических основ системы единиц величин и соответствующих эталонов для воспроизведения этих единиц; - на проведение фундаментальных ис- следований и создание национальных эталонов на основе использования фундаментальных физических констант и стабильных природных эффектов; - на разработку методов передачи размера единиц величин от эталонов рабочим средствам измерений наиболее экономичным, но технически правильным путем; - на разработки в области теории погрешно- стей, в том числе теории случайных величин (погрешностей), методов выявления и исключе- ния систематических погрешностей, способов обработки данных измерений; - на разработки по теории неопределенности и методологии ее применения в практике измере- ний; - на разработку теоретических основ отдель- ных областей измерений; - на исследование и нормирование метро- логических характеристик средств измерений. Разработки новых принципов, методов и тех- ники измерений должны быть направлены на: - методы измерений на основании новых зна- ний о физических величинах и процессах, строении материи; - современные методы измерений с исполь- зованием информационно-измерительных систем для обеспечения безопасности в технике и осу- ществления экологического мониторинга; - методы и средства измерений параметров динамических процессов; - методы испытаний и валидации программ- ного обеспечения, которое реализует функции или свойства законодательно контролируемого средства измерений; Создание и совершенствование научных основ обеспечения единства измерений включает: - формирование идеологии, разработку и реализацию программ по созданию научно- обоснованной национальной эталонной базы; - проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию Пленарные доклады 9 современного и высокоточного измерительного оборудования; - создание автоматизированных и мобильных эталонных средств; - установление научно обоснованных критериев оценки качественных и количествен- ных показателей, разработку методики и технических средств для проведения испытаний и метрологической аттестации средств измерений. Работы по обеспечению единства измерений в Республике Беларусь осущес-твляются на основе Закона Республики Беларусь «Об обеспечении единства измерений» и других нормативных документов. Нормативная база системы обеспечения единства измерений представляет комплекс документов, включающих в себя постановления Совета Министров Республики Беларусь, Государственного комитета по стандартизации Республики Беларусь, технические нормативные правовые акты (ТР, ТКП, ГОСТ, СТБ) и другие документы, определяющие порядок передачи размера единиц величин, порядок проведения испытаний, поверки и калибровки средств измерений и т.д. Данное направление будет реализовано путем разработки новой редакции Закона Республики Беларусь «Об обеспечении единства измерений» (далее – Закон). Необходимость внесения изменений в Закон вызвана вступлением в силу Договора о Евразийском экономическом союзе с целью реа- лизации положений согласованной политики в области обеспечения единства измерений, гар- монизации с документами Международной орга- низации законодательной метрологии D1 «Ос- новные положения для закона по метрологии», D2 «Юридическая квалификация средств изме- рений», D9 «Принципы метрологического надзора», D16 «Принципы обеспечения метроло- гического контроля», D18 «Использование сер- тифицированных стандарт-ных образцов в обла- стях, подвергаемых метрологическому кон- тролю, осуществляемому национальными службами законодательной метрологии. Основ- ные принципы» и др. Этим обусловлена необхо- димость пересмотра целого ряда организаци- онно-правовых форм осуществления деятельно- сти по обеспечению единства измерений. Кроме того, актуальной является задача дальнейшего совершенствования законодательства в области обеспечения единства измерений путем устране- ния имеющихся в нем пробелов и приведения его в соответствие с законодательными актами последнего периода. Это касается правового регулирования сферы обеспечения единства измерений, в том числе: - государственного управления и координации деятельности по обеспечению единства измерений в стране; - создания и хранения эталонов единиц величин Республики Беларусь, реализации системы передачи размеров единиц величин рабочим средствам измерений, а также сличений национальных эталонов с эталонами Международного бюро мер и весов и национальными эталонами других стран под эгидой Международного комитета мер и весов (МКМВ); - изготовления, использования, продажи и импорта средств измерений, стандартных образцов, технических устройств с измерительными функциями; - осуществления государственного надзора за соблюдением метрологических правил и норм (государственного метро-логического надзора). Потребуется гармонизация используемой терминологической системы с международным и региональными документами. Предполагается введение новых структурных элементов (статей): 1) Метрологическая прослеживаемость измерений для документально подтвержденного установления связи свойства эталона единицы величины, средства измерений или результата измерений с национальным эталоном или международным эталоном иностранного государства соответствующей единицы величины, посредством сличения эталонов единиц величин, поверки, калибровки средств измерений, использования сертифицированных стандартных образцов и методик выполнения измерений, прошедших метрологическое подтверждение пригодности или валидацию; 2) Первичная референтная (эталонная) методика (метод) измерений, позволяющая получать результаты измерений без прослеживаемости к национальному эталону соответствующей единицы величины»; 3) Референтная (эталонная) методика (метод) измерений - для оценки правильности изме- рений, выполненных по другим методикам (методам) измерений одних и тех же величин; 4) Государственный (сертифицированный) стандартный образец для установления требова- ний к веществу или материалу, характеризую- щемуся однородностью и стабильностью опре- деленных характеристик с указанием их неопре- деленности и/или погрешностии и прослежи- ваемостью, установленными с использованием методик выполнения измерений, прошедших процедуру метрологического подтверждения пригодности; 5) Уполномочивание в области обеспече- ния единства измерений путем предоставления органом, осуществляющим государственное 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 10 регулирование и управление в области обеспечения единства измерений (Гос- стандартом), права проведения работ в сфере законодательной метрологии (поверка и калибровка средств измерений, государственные приемочные и контрольные испытания, метрологическое подтверждение пригодности методик выполнения измерений) исключительно юридическим лицам ГМС на основе (оценка технической компетентности поверочных лабораторий (регистрация на право поверки) объективных доказательств их компетентности. 6) Проверка квалификации поверочных /калибровочных лабораторий в т.ч. в сфере законодательной метрологии); 7) Проведение метрологической экспер- тизы и валидации (ТНПА, методик измерений и испытаний, программного обеспечения для измерений и средств измерений, результатов сличений эталонов, порядков учета энерго- ресурсов, методов технического обслу-живания средств измерений в здравоохранении и др.); 8) Метрологическое обеспечение техниче- ских систем и устройств с измерительными функциями (испытательное оборудование, меди- цинское оборудование, меры, шаблоны, средства сбора-передачи данных и др.), которые наряду с их основными функциями (воздействующие факторы, терапевтическое воздействие) выпол- няют измерительные функции и/или имеют нор- мированные метрологические характеристики для проведения контроля или воздействий, а также используются при оценке соответствия (сертификация) и различных экспертизах. 9) Государственная регистрация средств измерений, применяемых в сфере законодатель- ной метрологии путем установления админис- тративной процедуры обязательной регистрации средств измерений, применяемых юридическими лицами в сфере законодательной метрологии, для целей планирования развития ГМС и осуществления государственного надзора 10) Единая информационная система в области обеспечения единства измерений, представляющая комплекс взаимосвязанных информационных ресурсов государственной метрологической службы в области обеспечения единства измерений, предназначенный для информирования заинтересованных лиц о дея- тельности, процедурах, задачах и результатах работы государственной метрологической службы. Кроме того, будут продолжены работы по формированию регионального законодательства в сфере обеспечения единства измерений в рамках реализации положений Договора о Евразийском экономическом союзе, а также Со- глашения о взаимном признании результатов испытаний с целью утверждения типа, метроло- гической аттестации, поверки и калибровки средств измерений (СНГ). Действующие технические нормативные правовые акты устанавливают требования к: единицам измерений, допущенным к примене- нию на территории Республики Беларусь; осно- вополагающим правилам Системы обеспечения единства измерений Республики Беларусь; пра- вил проведения работ по государственным испы- таниям, поверке, калибровке и метрологической аттестации средств измерений; требования к средствам измерений и стандартным образцам; требования к методам измерений. Данные работы получат свое развитие в рамках национального технического комитета по стандартизации TK BY 6 «Стандартизация в об- ласти метрологии», секретариат которого ведет БелГИМ. Разработка и пересмотр ТНПА Государствен- ной системы обеспечения единства измерений обеспечат реализацию новой редакции Закона Республики Беларусь «Об обеспечении единства измерений», а также принятие государственных стандартов, гармонизированных с публикациями OIML, ISO, IEC, EN, ILAC, EA, JCGM и устанав- ливающих требования к метрологической про- слеживаемости, неопределенности измерений при оценке соответствия, компетентности пове- рочных лабораторий и др. Пленарные доклады 11 УДК 620.178 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ИНДЕНТИРОВАНИЯ ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Крень А.П., Рудницкий В.А. Институт прикладной физики НАН Беларуси Минск, Республика Беларусь В настоящее время во всем мире непрерывно происходит разработка и увеличение производ- ства конструкционных материалов как метал- лических, так и неметаллических (полимеров, композитов, резин, стекла, керамика и целого ряда других). В то же время, резкое увеличение доли материалов, обладающих уникальными свойствами, во всех без исключения отраслях промышленности требует разработки и создания новых методов и средств их оценки по физико- механическим свойствам и параметрам разрушения. Одним из наиболее перспективных и востребованных методов контроля в последнее время стало инструментальное индентирование, которое получило серьезное развитие за послед- нее десятилетие. Метод давно вышел за рамки обычного измерения твердости и используется при контроле модуля упругости, трещиностойко- сти, параметров ползучести, релаксации, адгезии. Индентирование разделилось на статическое и динамическое, высоко- и низкоскоростное. В работе приводится история возникновения метода и эволюция его развития. Показано, что первая работа в области индентирования появи- лись еще в 1722 году и принадлежала Реамюру. Существенное развитие метода началось в 1881 году благодаря работе Г. Герца, посвященной упругому механическому контакту материалов. Фундаментальные основы теории твердости и процессов индентирования были заложены в 30- 60 гг. прошлого века, после чего началось интенсивное внедрение испытаний на твердость в промышленности. Новый толчок в развитии индентирование получило после того как стало возможным регистрировать весь процесс нагружения – получать диаграмму контактное усилие - глубина вдавливания, включающую активный и пассив- ный этапы нагружения. Данная диаграмма по сути является аналогом зависимости напряже- ние-деформация (σ-ε) - общепринятой расчетной зависимости, используемой в конструкторской практике. Для эффективного применения метода и создания целостной системы научных положений, реализация которых обеспечивает достоверный контроль, был развит системный подход к индентированию, который стал возмо- жен только благодаря решению целого ряда за- дач. В частности, была решена: 1) проблема разработки объективных критериев выбора модели деформирования материалов, 2) проблема оценки влияния условий нагружения и 3) деградации материалов на результаты контроля, 4) приведения результатов контроля к единым условиям нагружения, 5) повышения качества измерений и практические вопросы, связанные с внедрением оборудования. В результате впервые был предложен графоаналитический метод, позволяющий без привлечения дополнительного оборудования, по результатам анализа диаграммы непрерывного ударного вдавливания индентора выделить свойства материала, определяющие ход деформирования и осуществить объективный выбор модели деформирования, оптимальной для расчета физико-механических характери- стик. Получены достаточно общие уравнения, основанные на применении принципа супер- позиции Больцмана, для оценки характеристик материалов учетом влияния на их значения скорости деформации, пригодные для использования в температурном диапазоне от - 150 до + 150 °С. Решение проблемы учета деградации материалов позволило впервые разработать эффективные методы контроля и расчета долговечности полимеров по данным индентирования. Верификация полученных выражений, проведенная путем сравнения с дан- ными испытаний, показала, что определение свойств материалов с производится с приемле- мой для промышленности погрешностью. Наряду с разработкой теоретических основ и алгоритмов определения физико-механических свойств материалов было развито новое направление – применение динамического ин- дентирования для контроля параметров разрушения. Использование модели Гарсона зарождения и роста трещин, а также принципа Леметра, связывающего изменение модуля упругости и поврежденность материала, позволило получить необходимые данные для расчета критического коэффициента интенсив- ности напряжений по формулам линейной механики разрушения Использование теоретических положений на практике позволило создать серию приборов, нашедших широкое применение в промышлен- ности при контроле углеродных композицион- ных материалов, фторопластов, резин, материа- лов, изготовленных по аддитивным технологиям. 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 12 УДК 537.58 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ФОТОСТИМУЛИРОВАННОЙ ЗОНДОВОЙ ЭЛЕКТРОМЕТРИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН Жарин А.Л.1, Петлицкий А.Н.2, Воробей Р.И.1, Гусев О.К.1, Пилипенко В.А.2, Солодуха В.А.2, Тявловский А.К.1 1Белорусский национальный технический университет 2НТЦ «Белмикросистемы» ОАО «Интеграл» Минск, Республика Беларусь Применение в технологии полупроводнико- вых интегральных схем, 3-D приборов, композитных материалов и материалов с модифицированными свойствами требует развития методов контроля приповерхностных слоев материалов с широким диапазоном характеристик, определяющих их применимость в данной технологии, и приборных структур с малой толщиной активных областей. Особенно остро стоит проблема диагностики состояния нескольких верхних атомных слоев поверхности при производстве полупроводниковых прибор- ных структур с субмикронными активными слоями, сенсорных и микроэлектромеханических структур (МЭМС). При производстве полупроводниковых при- борных структур используются диэлектрические, поликристаллические, металлические слои тол- щиной в несколько нанометров, кроме того и глубины залегания активных ионнолегирован- ных слоев не превышают десятков нанометров. Фактически при изготовлении приборов задействован только тончайший верхний слой кремниевой пластины. Однако в процессе производства исходная кристаллографически совершенная кремниевая пластина подвергается большому количеству высокоэнергетических обработок, которые могут существенным образом нарушить совершенство пластины – вызвать генерацию кристаллографических дефектов или изменить примесный состав кремния. Это в свою очередь приводит к деградации характеристик элементов микросхем. Важное значение в контроле технологии интегральных микросхем, особенно на основе субмикронных слоев, имеет не только контроль готовых приборных структур, но и исходных материалов и слоев, используемых в конкретных технологических операциях. Одним из основных параметров, характеризующих качество приповерхностных слоев полупроводниковых пластин является однородность пространствен- ного распределения их электрофизических параметров, например, поверхностного сопро- тивления, по площади пластины. Параметром, напрямую не определяющим качество изготавливаемых приборов, но очень сильно зависящим от параметров кремниевой подложки и качества проведения технологических операций является диффузионная длина или время жизни неравновесных носителей заряда, которые определяются как объемом кремниевой пластины, так и состоянием ее поверхности или границ раздела функциональных слоев. Характерными общими требованиями к подобным методам контроля являются: - высокая чувствительность к изменениям характеристик приповерхностных слоев мате- риалов и приборных структур, связанных с параметрами готовых приборов; - возможность бесконтактного, нераз- рушающего контроля больших площадей (в пределе – всей полупроводниковой пластины, например, диаметром 300 или 200 мм) в сочетании с высоким пространственным локальным разрешением (до единиц и долей мм); - пространственная локализация участков поверхности (приборных структур) с отличными от нормальных значений электрофизических параметров приповерхностных слоев; - бесконтактный, неразрушающий характер контроля, позволяющий возвращать пластины в технологический процесс; - отсутствие специальных операций подго- товки поверхности перед и после проведения контроля. Комплексом характеристик, удовлетворяю- щим этим требованиям, обладает эффект поверхностной фотоЭДС, заключающийся в изменении электростатического потенциала поверхности полупроводника при воздействии на нее оптическим излучением, причем совокуп- ность параметров приповерхностных слоев полупроводниковой структуры, определяющих формирование поверхностной фотоЭДС, зависит от длины волны оптического излучения. Этот эффект обнаружен и описан еще в середине ХХ века, однако его практическое применение до последнего времени сдерживалось недоста- точными характеристиками элементной базы, необходимой для реализации бес-контактных методов измерения поверхностной фотоЭДС, и из-за отсутствия достоверных эксперименталь- ных данных недостаточной проработкой моделей формирования измеритель-ного сигнала. Вели- чина поверхностной фотоЭДС непосредственно связана одновременно со многими физическими параметрами полу-проводникового материала, Пленарные доклады 13 такими как время жизни неравновесных носите- лей заряда, удельное поверхностное сопротивле- ние, наличие и концентрация поверхностных состояний (дефектов) и их энергетический спектр. С одной стороны, это позволяет в близ- ких методиках измерения использовать данный параметр для контроля качества полупроводни- ковых пластин, с другой – затрудняет однознач- ную интерпретацию соответствия измеритель- ного сигнала конкретному параметру материала или приборной структуры. В течение ряда лет в НИЛ полупроводниковой техники БНТУ совместно с НПО «Интеграл» проводятся работы в области исследований и разработки методов и средств визуализации электрофизических параметров полупроводниковых пластин на основе методов зондовой электрометрии, в том числе с исполь- зованием дополнительных неразрушающих воздействий оптическим излучением, коронным разрядом, нагревом. Результатом первого этапа этих исследований явилось создание установки сканирующей зондовой электрометрии «СКАН- 2013» (рисунок 1), реализующей метод сканирующего зонда Кельвина (SKP) [1]. Установка обеспечивает визуализацию дефектов поверхности полупроводниковых пластин на основе анализа пространственного распределе- ния контактной разности потенциалов (КРП) поверхности. Кроме того, установка «СКАН- 2013» обладает ограниченными возможностями по определению электрофизических параметров приповерхностных слоев полупроводника за счет заряжения его поверхности в коронном разряде, что позволяет регистрировать Q-V характери- стику поверхностных структур. Рисунок 1 – Установка сканирующей зондовой электрометрии (SKP) «СКАН-2013» Развитием данной установки является уста- новка фотостимулированной сканирующей зон- довой электрометрии «СКАН-2015» (рисунок 2), дополнительно обеспечивающая визуализацию пространственного распределения поверхност- ной фотоЭДС (режим SPV) [2]. При поочередном освещении поверхности полупроводниковой структуры оптическим излучением с разными длинами волн и одинаковой интенсивностью обеспечивается возможность определения длины диффузии неравновесных носителей заряда Ln на основании выражения [3] ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) 1 2 2 1 1 2 2 1 .P Pn P P V V L V V α λ λ − α λ λ = α λ α λ λ − λ , (1) где α(λ) – коэффициент поглощения на длине волны λ; VP(λ) – фотоЭДС на длине волны λ. Рисунок 2 – Установка фотостимулированной сканирующей зондовой электрометрии (SPV) «СКАН-2015» Существенно, что генерация сигнала поверхностной фотоЭДС происходит в тонком (в пределах глубины проникновения оптического излучения) поверхностном слое, что позволяет контролировать свойства эпитаксиальных слоев независимо от подложки. Проводимые в настоящее время исследования направлены на разработку методов и средств бесконтактного определения параметров легированных слоев кремниевых пластин (JPV), основанных на анализе особенностей спек- трально-пространственных параметров поверх- ностной фотоЭДС путем контроля амплитуды и фазы фотоЭДС модулированного по длине волны и интенсивности луча света. К числу определяемых таким способом параметров отно- сятся сопротивление ионно-легированного или диффузионного слоя, ток утечки p-n перехода и др. Датчик RsL в реализации метода JPV состоит из модулированного по яркости луча света и двух емкостных электродов (рисунок 3). Напря- жение под датчиком в одномерной модели опи- сывается выражением V = A·e-kx, (1) где x – расстояние от датчика до освещенного участка; k = (RsG + iωRsCs) 1/2, Rs – сопротивление слоя в переходе; G – проводимость перехода, позволяющая оценить ток утечки перехода; Cs – емкость подложки; ω = 2πf – круговая частота модуляции оптического излучения. 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 14 Рисунок 3 – Схема бесконтактного определения параметров легированных слоев кремниевых пластин на основе анализа спектрально- пространственных параметров поверхностной фотоЭДС Методика измерения включает простран- ственное сканирование полупроводниковой пластины электрометрическим зондом RsL и расчет значений Rs и I0 по модели (2) формирования поверхностной фотоЭДС в зависимости от параметров освещения и расстояния зонда от освещаемой области. Результатом применения данной методики является карта распределения Rs и токов утечки перехода. Таким образом, на основе методов зондовой электрометрии создается комплекс методов и средств, обеспечивающих бесконтактное неразрушающее определение однородности распределения параметров ионно- легированных и диффузионных слоев на полупроводниковых пластинах, включая длину диффузии или время жизни неравновесных носителей заряда, концентрацию примеси атомов железа или меди на поверхности [4], сопротивление слоя в переходе, ток утечки перехода и др. 1. Воробей, Р.И. Контроль дефектов структуры кремний-диэлектрик на основе анализа пространственного распределения потенциала по поверхности полупроводниковых пластин / Р.И. Воробей, А.Л. Жарин, О.К. Гусев, А.Н. Петлицкий, В.А. Пилипенко, А.С. Турцевич, А.К. Тявлов- ский, К.Л. Тявловский // Приборы и методы измерений. – 2013. –№ 2(7). – С. 67-72. 2. Установка для контроля полупроводниковых пластин методом зонда Кельвина с дополнительными воздействиями / Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА: /Воробей Р.И., Гусев О.К., Жарин А.Л., Петлицкий А.Н., Пилипенко В.В., Тявловский А.К., Тявловский К.Л. / Материалы XIV научно- технической конференции. – М.: ОАО "НПП Пульсар", 2015. – С. 72-75. 3. Тявловский А.К., Пантелеев К.В., Жарин А.Л. Методы зондовой электрометрии для разработки и исследовании свойств перспективных материалов / Перспективные материалы и технологии: монография. В 2 т. Т1. / под ред. В.В. Клубовича – Витебск: Изд- во УО «ВГТУ». – 2015. – 398 с. 4. Воробей Р.И., Жарин А.Л., Микитевич В.А., Тявловский А.К., Тявловский К.Л., Пилипенко В.А., Петлицкий А.Н. Визуализа- ция пространственного распределения примеси железа в кремнии на основе методов зондовой электрометрии / Приборостроение- 2015: материалы 8-й Междунар. научно-техн. конф. В 2 т., Т1. – Минск: БНТУ, 2015. Т. 1 – С. 169-171. Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 15 Секция 1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА БЕЗОПАСНОСТИ УДК 502.656 СИСТЕМА ИНТЕРПОЛЯЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ СТОЧНЫХ ВОД ПРИРОДНО-ПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ Алексеев В.А., Усольцев В.П., Юран С.И. Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова Ижевск, Российская Федерация Современное развитие промышленности, коммунального хозяйства и других видов чело- веческой деятельности связано с необходимо- стью использования чистой и последующего сброса загрязненной воды. Нарушения требова- ний нормативно-технических документов по физико-химическим и микробиологическим показателям питьевой воды отмечены во всех субъектах Российской Федерации. Главными причинами низкого качества чистой воды являются значительная загрязненность водных объектов и малоэффективные технологии под- готовки воды [1, 2]. Основным загрязнителем открытых водое- мов и подземных вод являются сточные воды. Более 90% сточных вод, поступающих через коммунальные сети в поверхностные водные объекты, сбрасываются загрязненными [2]. Среди загрязнителей наиболее распространены нефть и нефтепродукты, кислоты, щелочи, соли разных металлов, сернистые соединения, ам- миак, фенолы, синтетические смолы, болезне- творные микробы и т.д. Учет рисков загрязнения промышленных стоков практически не прово- дится в отраслях, связанных с интенсивным при- родопользованием (металлургия, энергетика, горная, химическая, нефтехимическая промыш- ленность, предприятия строительной индустрии и железнодорожного транспорта и т.д.). В связи с интенсивным хозяйственным осво- ением природно-промышленных территори- альных комплексов появилось много экологи- ческих проблем. Наибольшее воздействие на окружающую среду урбанизированных террито- рий оказывают промышленность, транспорт и население, что определяет большинство количе- ственных и качественных характеристик гидро- логического цикла на городской территории. Содержащиеся в сточных водах загрязняю- щие вещества, попадая в значительных количе- ствах в водоёмы или скапливаясь в почве, могут быстро ухудшать санитарное состояние водоё- мов и атмосферы, способствовать распростране- нию различных заболеваний. Поэтому вопросы очистки, обезвреживания и утилизации сточных вод являются неотъемлемой частью проблемы охраны природы, оздоровления окружающей среды и обеспечения санитарного благоустрой- ства промышленных территориальных ком- плексов. Все сточные воды перед сбросом в во- доем подвергаются очистке от вредных веществ. Для выполнения этих требований применяют механические, химические, биологические, а также комбинированные методы очистки. Чтобы определить состав сточных вод проводится мно- жество различных анализов, как химических, так и санитарно-бактериологических [3]. В настоящее время появилось огромное ко- личество техногенных источников опасности, вследствие чего вероятность катастроф, аварий и сбросов химически опасных веществ в природ- ные водоемы возросла многократно. В связи с этим большое внимание соответствующих служб уделяется контролю, анализу, оперативной оценке состояния водной среды и ее антропоген- ных изменений, обнаружения залповых сбросов загрязнителей сточных вод, способных перевести водоем или процессы очистки в неустойчивое состояние с целью их прогнозирования и свое- временного устранения возможных неблагопри- ятных последствий. При санитарно-эпидемиологическом анализе сточных вод определяется, не превышают ли контролируемые показатели предельно допусти- мых концентраций в данный конкретный момент времени, когда выполняется забор проб, и ничего не гарантируется в промежутках времени между ними, когда производится хранение, проведение анализа и обработка полученных результатов. Кроме этого, загрязнение, вообще, может не по- пасть в пробу или в зону контроля. Существую- щие методы повышения объективности контроля основываются на повышении количества анали- зов и установке большого количества стационар- ных или передвижных станций экологического мониторинга. В России выпускаются станции "САФ", "ГИДРОТЕСТ", Атмосфера-11, "InterANALIT", АНКОС-АМ, СОЭМ, передвижная химико-ра- диометрическая лаборатория АО "НПО Химав- томатика", станция экологического мониторинга ИПЦ "Геокомплекс" и ряд других. Аналогичного назначения станции выпускаются за рубежом, например, "ZEISS" (Германия), "NEOLAB" (Ита- лия). Данные отечественные и зарубежные стан- ции специализируются на оценке определенных 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 16 экологических параметров в промышленной или жилой зоне [4]. Эти методы являются дорогосто- ящими и не обеспечивают достоверного анализа, поскольку сброс может пройти мимо них и не быть идентифицированным. В связи с этим важным является создание эффективных систем быстрого прогноза на осно- вании априорной информации о появлении за- грязнений и математической обработки дина- мики изменений результатов контроля, чему и посвящена работа. Целью работы является создание системы ин- терполяционного контроля загрязнений сточных вод природно-промышленных территориаль- ных комплексовна основе использования эф- фективного метода контроля состояния водной среды при производственных и техногенных авариях в условиях действия помех измерения и неоднозначности существующих моделей дина- мики потоков жидкости. В работе использован инструментальный ме- тод исследования особенностей процессов дви- жения загрязняющих веществ, протекающих в жидкой среде. Для разработки алгоритма работы системы по данным реперных измерений и те- кущих результатов анализа за основу был взят метод стохастической интерполяции, используе- мый как средство решения задач распознавания, идентификации, обучения и адаптации [5]. Если сбросы состоят из крупных твердых или плотных жидких частиц, то, распространяясь в жидкой среде, они под действием силы тяжести начинают спускаться с определенной постоянной скоростью в соответствии с законом Стокса для распределения скоростей по сечению круглой трубы при ламинарном течении жидкости. Гра- фик распределения скоростей по поперечному сечению потока представляет собой параболоид вращения, а сечение параболоида осевой плоско- стью – квадратичную параболу. Для турбулент- ного течения характерно перемешивание жидко- сти, пульсации скоростей и давлений. Есте- ственно, что с течением времени почти все загрязнения, в конечном итоге, скапливаются в нижней части канализационной трубы, причем тяжелые осаждаются в основном под действием гравитационного поля, а легкие – в результате диффузионного процесса. Большое значение в теории распространения загрязнений имеют флуктуации скорости и направление потока [6]. На основании вышеизложенного разработан алгоритм работы, структурная схема системы, рабочие режимы, выбрана элементная база, раз- работана конструкция источников и приемников диспетчерского контроля основных показателей качества природной воды, выбраны места их установки на канализационных коллекторах, предназначенных для отвода очищенной и осветленной воды от крупных очистных соору- жений к природным водоемам. Функциональная схема системы приведена на рис.1, где 1 – загрязнения сточных вод, 2 – си- стема канализации, 3 – универсальный оптоэлек- тронный датчик, 4 – специализированные опто- электронные датчики, 5 – главный процессор, 6 – специализированные контроллеры, 7 – отводы (ответвления) для выделения загрязнений, 8 – основные заслонки, 9 – дополнительные за- слонки, 10 – основные устройства очистки, фильтры, 11 – дополнительные узлы очистки. Рисунок 1 – Функциональная схема системы Проведя математическую обработку результатов контроля, можно выделить информативные факторы изменения оптических характеристик сточных в результате загрязнения, интерполировать их на промежутки между моментами контроля, тем самым повысить достоверность при идентификации наличия загрязнений сточных вод в конкретных ситуациях. Факт изменения оптической плотности при изменении составляющих оптического тракта при появлении загрязнений можно рассматривать как экспериментальное обоснование эффективности интерполяционного контроля загрязнений сточных вод природно- промышленных территориальных комплексов из исследованной группы. 1. ГОСТ 17.1.3.10.83 (СТ СЭВ 3545-82). Охрана природы. Гидросфера. Общие требования к охране поверхностных и подземных вод от загрязнения нефтью и нефтепродуктами при транспортировании по трубопроводу. 2. СанПиН 2.1.5.980-00. Гигиенические треб- ования к охране поверхностных вод, утв. в РФ с 22.06.2000. 3. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды: в 2-х ч. / Л.А. Кульский и др. Киев: Наукова думка, 1980. – 1206 с. 4. Новые методы контроля качества питьевой воды / Б.Е. Рабинович, А.И. Семенов, В.Н. Александров [и др.] // Экология и промышленность России, 2005, N6. – C.14-15. 5. Афанасьев В. Н., Юзбашев М. М. Анализ временных рядов и прогнозирование: Учеб. пособие. – М.: Финансы и статистика, 2001. – 228 с. 6. Гончаров В.Н. Динамика русловых потоков. – Л.:Гидрометеоиздат, 1962. – 374 с. Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 17 УДК 614.84 ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ ОБРАБОТАННОЙ ОГНЕЗАЩИТНЫМИ ПРОПИТКАМИ ДРЕВЕСИНЫ НА ЕЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОНИЦАЕМОСТЬ Антошин А.А.1, Нератова В.В.2, Есипович Д.Л.2, Джежора А.А.3 1Белорусский национальный технический университет 2НИИ ПБ и ЧС МЧС Беларуси Минск, Республика Беларусь 3Витебский государственный технологический университет Витебск, Республика Беларусь В республике Беларусь имеется большое количество объектов, строительным материалом которых является древесина. Древесина представляет собой прочный и од- новременно легкий материал, обладающий хо- рошими теплоизоляционными свойствами, спо- собностью без разрушения поглощать энергию при ударных нагрузках, гасить вибрации. Она легко обрабатывается режущими инструмен- тами, склеивается. Древесина имеет прекрасные декоративные свойства; ей присуща уникальная резонансная способность. Эти природные осо- бенности древесины позволяют использовать ее для производства строительных деталей и кон- струкций. Однако, изделия из древесины имеют ряд не- достатков, которые обусловлены анизотропией свойств, наличием дефектов, способностью усы- хать, разбухать, коробиться и растрескиваться, загнивать и возгораться [1]. Высокая горючесть древесины это свойство, которое существенно уменьшает область ее использования. Одним из основных мероприятий, направленных на сни- жение пожарной опасности конструкций и мате- риалов, а также обеспечение пожарной безопас- ности и огнестойкости зданий и сооружений яв- ляется огнезащита. Существуют серьезные трудности, которые препятствуют широкому использованию древесины с огнезащитной обра- боткой, связанные с контролем качества огнеза- щиты при выполнении строительных работ. Обусловлено это отсутствием методов и средств неразрушающего контроля качества огнезащит- ной обработки древесины. Контроль качества огнезащитной обработки в настоящее время осуществляется следующими методами: классификационным и экспресс-ме- тод. Эти методы являются разрушающими. Как показывают литературный и патентный поиски не инвазивные методы контроля для этих целей не использовались. Для диэлектрической спек- троскопии обработанной древесины и выявления наличия огнезащитной обработки нами были применены меандровые датчики накладного типа [2]. Согласно формуле Лихтенеккера–Ротера, диэлектрическая проницаемость среды, состоя- щей из двух компонентов, зависит от их объем- ного соотношения и описывается формулой lg ε3 = y1 lg ε1 + y2 lg ε2, где, y1 и y2 – объемные доли первого и второго компонентов соответственно. Изменение диэлек- трической проницаемости материала и, следова- тельно, изменение содержание огнезащитного связующего может быть измерено как изменение емкости, когда исследуемый материал находится в поле датчика. Размеры электродов датчика были выбраны таким образом, чтобы проникно- вение электрического поля преобразователя было меньше минимальной толщины контроли- руемых образцов материала и, следовательно, изменение толщины не сказывалось на результа- тах измерений. В представленной работе исследовано влия- ние огнезащитной обработки различными соста- вами сосны разной структуры. Датчик подклю- чался к измерителю иммитанса Е7-20 с возмож- ностью подключения через интерфейс RS-232С и математической обработки результатов измере- ний. Это средство измерений имеет широкий диапазоном рабочих частот (25 Гц ÷ 1 МГц), класс точности 0,1 и высокую скорость измере- ний. Проводились многократные измерения ем- кости датчика для двух огнезащитных составов: КМД-О-2 и ОК-ГФ. Контроль проводился на двух сторонах образцов на частотах от 100 кГц до 1МГц в лаборатории при значениях темпера- туры в помещении от 22,8оС до 25,0оС, давления - от 98,6 кПа до 98,9 кПа и влажности - 42,3% до 46%. В условиях постоянства влажности, темпе- ратуры и геометрических размеров измеряемой области относительное изменение емкости дат- чика практически совпадает с относительным изменением диэлектрической проницаемости. Исследованы 67 образцов размером 150х 60х30 мм, изготовленных из сосны, плотностью от 376 кг/м3 до 620 кг/м3. Образцы подвергалось обработке двумя огнезащитными составами: КМД-О-2 и ОК-ГФ. Состав КМД-О-2 наносился на образцы с расходом 0,33 л/м2 в 3 слоя с интервалом в 2 часа. Состав ОК-ГФ также наносился на образцы с расходом 0,34 л/м2 в 3 слоя с интервалом в 2 часа. Обработка произво- дилась путем нанесения состава кистью на всю поверхности образца. После нанесения образцы подвергались сушке на открытом воздухе при комнатной температуре в течение недели. Поверхность контроля имела разную ориентацию по отношению к годовым кольцам. Структура древесины каждого образца заметно отличалась друг от друга. На рисунке 1 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 18 представлен вид торцов образцов древесины, которые впоследствии подвергались огне- защитной обработке. Образец №6 Образец №10 Образец №21 Образец №22 Образец №31 Образец №34 Образец №47 Образец №48 Образец №60 Образец №67 Рисунок 1 - Вид торца образцов древесины Из рисунка 1 видно, что структура образцов №21 №22 существенно отличается от структуры других образцов шириной годовых колец. Тем не менее измерение электроемкости исходных образцов показало, что структура образца влияла на значение электроемкости незначительно. Полученные результаты представлены в таблице 1. Таблица 1 - Значение емкость исходных образцов древесины № образца Значение емкости (лицевая сторона бруска), пФ Значение емкости (изнаночная сторона бруска), пФ 900 кГц 1 МГц 900 кГц 1 МГц 6 1,26 1,37 1,33 1,43 10 1,2 1,33 1,25 1,38 21 1,24 1,35 1,28 1,38 22 1,24 1,31 1,24 1,32 31 1,29 1,39 1,23 1,35 34 1,26 1,33 1,27 1,44 47 1,26 1,43 1,45 1,55 48 1,3 1,41 1,36 1,48 60 1,43 1,54 1,27 1,36 67 1,31 1,42 1,38 1,49 Изменение диэлектрической проницаемости образцов (ε1обр /ε1) после их обработки огнезащитным составом КМД-О-2 и ОКГ-Ф представлены в таблице 2. Таблица 2 – Влияние огнезащитной обработки древесины на относительное изменение диэлектрической проницаемости материала Огнезащит- ный состав Относительное изменение диэлектрической проницаемости (сторона 1), % Относительное изменение диэлектрической проницаемости (сторона 2), % КМД-О-2 6 100 103 21 104 104 31 100 101 48 104 99 67 106 107 ОКГ-Ф 10 133 140 22 147 130 34 120 137 47 114 113 60 116 121 Из таблицы 2 видно, что при нанесении на древесину огнезащитного состава КМД-О-2, из- менение диэлектрической проницаемости для всех образцов практически одинаково, и не зави- сят от ширины годовых колец. При нанесении огнезащитного состава ОКГ-Ф, изменения ди- электрической проницаемости составили от 114 до 147%. Самое большое изменение диэлектри- ческой проницаемости наблюдалось у образца с широкими годовыми кольцами №22. Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1) структура (ширина годовых колец) не об- работанной огнезащитными составами древе- сины не значительно влияет на диэлектрическую проницаемость; 2) обработка огнезащитными составами КМД-О-2 и ОКГ-Ф привела к различным изме- нениям диэлектрической проницаемости. Диапа- зон относительного изменения диэлектрической проницаемости для огнезащитного состава КМД- О-2 находится в пределах от 99% до 107%, а для огнезащитного состава ОКГ-Ф в пределах от 114% до 147%. 3) При обработке древесины огнезащитным составом ОКГ-Ф на изменения диэлектрической проницаемости существенным образом повлияла структура древесины (ширина годовых колец). 1. Древесиноведение и лесное товароведение / Уголев, Б.Н.: Учебник. - М.: ГОУ ВПО МГУЛ, 2007. - 351с. Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 19 2. Джежора, А.А. Электроемкостные преобразо- ватели и методы их расчета / А.А. Джежора. – Минск: РУП «Издательский дом «Белорусская наука», 2008. - 305с. УДК 621.179.147 ОБ ОДНОМ МЕТОДЕ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗЫ ВНОСИМОГО СИГНАЛА ЦИФРОВЫМ ВИХРЕТОКОВЫМ ДЕФЕКТОСКОПОМ НА БАЗЕ МИКРОСХЕМЫ ИЗМЕРИТЕЛЯ КОМПЛЕКСНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ Баженов В.Г., Глейник К.А. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» Киев, Украина. Вихретоковые методы неразрушающего кон- троля являются очень распространенными мето- дами и при решении многих задач контроля не имеют альтернативы особенно в авиации. Со- временные цифровые дефектоскопы имеют ши- рокие функциональные возможности используют мощные DSP процессоры на базе ПЛИС, но они потребляют много электроэнергии и имеют большую стоимость и большие габариты. В данный момент в мире микроэлектроники появились уникальные микросхемы малогаба- ритных измерителей комплексного сопротивле- ния со встроенным DSP процессором работаю- щих совместно с современными микроконтрол- лерами с помощью последовательного интерфейса И2С. Это позволило авторам пред- ложить новые структуры (рисунок 1) [1-3] циф- ровых вихретоковых дефектоскопов, которые имеют очень малые размеры, малую стоимость, малое потребление электроэнергии (так напри- мер микросхема измерителя комплексного со- противления AD5933 потребляет 15ма). 1-вихретоковый преобразователь; 2-цифровой ключ; 3-фазовращатель; 4-измеритель комплексного сопротивления; 5-опорный генератор; 6-микроконтроллер; 7-пульт управления; 8-дисплей Рисунок 1 – Структурная Схема цифрового дефектоскопа на базе микросхемы измерителя комплексного сопротивления С помощью микроконтроллера 6 задаётся частота и амплитуда сигнала на выходе схемы 4 (AD5933), затем DSP процесор этой схемы через порт I2C выдаёт на микроконтроллер 6 реальную (R) и мнимую (I) составляющие комплексного сопротивления вихретокового датчика 1. В микроконтроллере по известным формулам (1,2) действительная и мнимая составляющие комплексного сопротивления пересчитываются в амплитуду (Magnitude) и фазу (Phase) сигнала. 2 2Magnitude R I= + (1) ( ) I Phase arctg R = (2) Использование общего генератора тактовых сигналов 5 для микроконтроллера 6 и схемы 4 измерителя комплексного сопротивления позво- ляет синхронизировать процесс работы синтеза- тора частоты схемы AD5933 и микроконтрол- лера. Синтезатор частоты в свою очередь син- хронизирует запуск внутреннего 12-ти разрядного АЦП и арифметического устройства (DSP), путём подачи на него кодов выборок опорных сигналов (Sin,Cos) записанных в ПЗУ, которые перемножаются в этом блоке с соответ- ствующими выборками измерительного сигнала с выхода АЦП. После реализации цифровой опе- рации фильтрации в арифметическом блоке по- лучают проекции (Sin,Cos) as и ac формирова- нием квадратурных составляющих сигнала [6,7,8, 9]: 1 1 [ ] [ ], [ ] [ ] АД АДM M s i s c i c j j u j u j u j u jα α = = = =∑ ∑ (3) где [ ]iu j – выборка входного сигнала; [ ], [ ]s cu j u j – синусная и косинусная составля- ющие опорного сигнала, цифровым сигналом. АДM - количество элементов выборки входного сигнала. Синхронизация от одного генератора 5 за- пуска, АЦП и блока опорных сигналов арифме- тического устройства позволила существенно уменьшить погрешности измерения за счет не- кратности частот дискретизации и частоты вход- ного сигнала вихретокового преобразователя [6, 7, 9] Микроконтроллер позволяет полностью автоматизировать процесс измерения и калиб- 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 20 ровки и выводить и документировать требуемый результат измерения в заданных единицах (про- водимости , толщины ) Известно [4,5] , что при контроле например проводимости ферромагнитных проводящих материалов изменяется в основном фаза измеря- емого сигнала, т.е. точность измерения фазовых сдвигов будет определять в этом случае точность измерения проводимости. Однако при измерении малых значений фазы резко возрастает погреш- ность её измерения, что обусловлено тем, что абсолютные значения погрешностей измерения мнимой и действительной частей остаются неизменными. Такие погрешности определя- ются как разрядностью АЦП так и разрядностью блока ДСП [6.7.8], а на краях четвертей измеряе- мого результата на краях четвертей полного фа- зового сдвига (00,900; 900,1800 и т.д.). Малые зна- чения мнимой или действительной части приво- дят к большим относительным значениям погрешности вычисления, которые как нетрудно показать прямо сказываются на погрешности вычислении фазы. Поэтому при получении изме- ряемого результата на краях четвертей полного фазового сдвига предлагается в измерительную цепь вводить дополнительный фазовый сдвиг с помощью фазовращателя 3 чтобы находиться в оптимальной области (например 450), что реали- зуется с помощью размыкания по команде мик- роконтроллера аналогового ключа 2 включен- ного параллельно фазовращателю 3 . Использо- вание микроконтролера позволяет автома- тизировать процесс измерения ,калибровки и окончательной корректировки и выводить требуемый результат измерения в заданных единицах (проводимости, толщины ) Время измерения не превышает 30 мс. В качестве микроконтроллера в разработанном дефек- тоскопе рис.1 используется микроконтроллер АТМЕGA 32. Внешний вид разработанного дефектоскопа представлен на рисунке 2. Рисунок 2 – Внешний вид разработанного дефектоскопа 1. Патент №45908 Украины на полезную модель МПК G01N27/00 Многофункциональный вихретоковый дефектоскоп Баженов В.Г., Климашевская В.М., Глейник К.А.; заявитель и патентообладатель НТУУ «КПІ» Опубл. 25.11.2009р. Бюл.№22 Номер заявки u200907688 від 21.07.2009. 2. Баженов В.Г., Лепеха В.В., Гльойнік К.А., Лепеха В.Л. Цифровий вихрострумовий дефектоскоп. Патент на корисну модель №82342 від 25.07.2013 МПК G01N27/90 (2006.01) Бюл.№14/2013. Номер заявки u201302593 від 01.03.2013. 3. Баженов В.Г., Лепеха В.В., Глейник К.А., Лепеха В.Л. Цыфровий вихретоковий дефектоскоп. Патент Украины на изобретение №107249 от 10.12.2014р МПК G01N27/61; G01N27/90.; заявители и патентообладатели Баженов В.Г., Лепеха В.В., Глейник К.А., Лепеха В.Л. Бюл. 23/ 2014 р. 4. Неразрушающий контроль. В 5кн. Кн.3. Электромагнитный контроль: Практ. Пособие/ В.Г. Герасимов, А.Д. Покровский, В.В.Сухоруков; Под ред. В.В.Сухорукова,-М,; Высш. Шк.,1992.-312с. 5. Дорофеев А.Л., Казаманов Ю.Г. Электромагнитная дефектоскопия.-2-е изд., перераб и доп.- М.: Машиностроение, 1980. – 232. 6. Уолт Кестер. Проектирование систем цифровой и смешаной обработки сигналов. Москва: Техносфера, 2010.-328с. ISBN978-5- 94836-243-4. 7. Айфичер, Эммануил С., Джервис, Барри У. А36 Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание. : Пер. с англ.- М.: Издательский дом «Вильямс», 2008.-992 с.:ил.-Парал. тит. англ. . ISBN978-5- 8459-0710-3. 8. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования,- СПб.: Политехника, 1998.-592с.: ил. . ISBN 5-7325- 0486-9. 9. Steven W. Smith, The Scientist and Engineer`s Guide to Digital Signal Processing. Second Edition, 1999, California Technical Publishing, P.O. Box502407, San Diego, CA92150. Also available at: http://www.dspguide.com. Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 21 УДК 621.317 РЕКОНФИГУРИРУЕМАЯ УНИВЕРСАЛЬНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Баженов В.Г., Богдан Г.А., Грузин С.В. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» Киев, Украина На кафедре приборов и систем неразрушаю- щего контроля (ПСНК) приборостроительного факультета НТУУ «КПИ» разработана реконфигу- рируемая универсальная измерительная система, которая включает в себя: − двухканальную плату АЦП c блоком цифровой обработки сигналов ЦОС; − два блока малошумящих усилителей входных сигналов; − персональный компьютер. Основным блоком которой является двухканальная плата аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) Рис.1. Спроектированная на кафедре ПСНК семислойная двухканальная плата АЦП состоит из двух быстродействующих 14 разрядных микросхем АЦП с частотой дискретизации 100Мгц. Сбор и предварительная обработка информации с этих АЦП осуществляется с помощью микросхемы типа «PLIS» фирмы « XILINX», кроме того на плате имеется две быстродействующих микросхемы ЦАП также управляемых микросхемой «PLIS». Частота дискретизации микросхем ЦАП может достигать 100Мгц. Данные могут накапливаться в быстродействующих накопительных ОЗУ, после чего данные с них могут передаваться через порт USB2 на персональный компьютер/ Рисунок 1 – Двухканальная плата АЦП Диапазон частот входных сигналов АЦП может составлять :0-50МГц. Частоты дискретизации могут выбираться по командам с компьютера: 100МГц, 75МГц, 62.5МГц, 10МГц, 7.5МГц, 6.25МГц, 62.5КГц. Следует отметить, что по желанию оператора эти частоты могут быть изменены путём перепрограммирования PLIS. ОЗУ может накапливать массив данных до 256000 выборок по каждому каналу. На выходах ЦАП имеется возможность синтезировать сигналы любой формы от синусоидальной, радиоимпульсной до самой простейшей- прямоугольной с частотами от единиц герц до 50 МГц, причём частоту можно изменять с очень малой дискретностью (01Гц), можно задавать программно диапазон, дискретность, и скорость изменения частоты, например для автоматического снятия АЧХ или ФЧХ исследуемого объекта. Особо следует отметить, что запуск каждого АЦП, синхронизация работы «PLIS» и следовательно работа синтезаторов частоты происходит от одного высокостабильного опорного генератора, что позволило авторам реализовать прецизионные фазовые измерения на базе этой платы [1,2,3,4,5] как с непрерывными так и радиоимпульсными сигналами. Микросхема «PLIS» платы АЦП может также управлять коэффициентом усиления блока регулируемых высокочастотных усилителей по заданной программе или по командам c пульта компьютера. На плате АЦП имеется резервный разъём, выводы которого могут быть запрограммированы для управления или регулирования по заданной программе другими, вспомогательными блоками. Например: регулируемыми усилителями, в составе блоков временной регулировки усиления (ВРЧ) или автоматической регулировки усиления (АРУ), генераторами зондирующих импульсов и.т.д. Блоки усилителей состоят из двух малошумящих усилителей: − 1-й представляет собой регулируемый плавно сигналами ЦАП высокочастотный (полоса может быть до 100 Мгц). Максимальный коэффициент усиления составляет 55.5дб, диапазон изменения коэффициента усиления составляет 48 дб. Эта пара усилителей может быть использована для организации двухканальной системы временной регулировки чувствительности (ВРЧ) по наперёд заданному закону или системы АРУ при ультразвуковых измерениях.При организации одного канала измерений усилители можно включить последовательно тогда коэффициент усиления может достигать выше 100дб − 2-й представляет собой усилитель с очень большим входным сопротивлением около 10 ТОм. C помощью программного обеспечения LabVIEV, установленного на компьютере, можно производить визуализацию измеряемых процессов (рисунок 2) по следующим программам: − Двухканальный осциллограф; − Анализатор спектра с возможностью задания 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 22 различных оконных функций (Хемминга, Блекмана, Хеннинга и др.) , а также с возможностью запоминания спектров с последующим их вычитанием; − Коррелометр; − Измеритель АЧХ и ФЧХ с возможностью задания диапазона и дискретности изменения частоты; − Двухканальный измеритель-регистратор (самописец) изменений интенсивности принимаемого сигнала по времени с использованием автошкалы как по оси измеряемых значений, так и по оси времени; − Двухканальный генератор-синтезатор частот. Рисунок 2 – Визуализация измеряемых процессов Разработанная реконфигурируемая измери- тельная система позволяет заменить целый парк дорогостоящих измерительных приборов (осо- бенно таких как характериографы, самописцы), позволяет выполнять прецизионные фазовые измерения при исследовании фазочастотных характеристик различных четырёхполюсников, позволяет полностью автоматизировать, доку- ментировать и запоминать весь процесс проведе- ния измерений. − Может быть использована Универсальный лабораторный стенд для ВУЗов − Лаборатории по измерениям, диагностике и контролю дефектов в ЖД транспорте, авиации, нефте и газопроводах, космической промышлен- ности − Системы связи и телекоммуникаций − Геологоразведка − Научно-исследовательские институты и лаборатории − Сервисные центры по ремонту и наладке электронной аппаратуры 1. Айфичер, Эммануил С., Джервис, Барри У. А36 Цифровая обработка сигналов: практический подход, 2-е издание. : Пер. с англ.- М.: Издательский дом «Вильямс», 2008.-992 с. 2. Уолт Кестер. Проектирование систем цифровой и смешаной обработки сигналов. Москва: Техносфера, 2010.-328с. 3. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования,- СПб.: Политехника, 1998.-592с. 4. Steven W. Smith, The Scientist and Engineer`s Guide to Digital Signal Processing. Second Edition, 1999, California Technical Publishing, P.O. Box502407, San Diego, CA92150. Also available at: http://www.dspguide.com or http6//www.analog.com. 5. Цифровий спосіб вимірювання фазового часу проходження радіоімпульсних сигналів. Патент України на винахід №105074 від 10.04.2014 МПК G04F10/00 (2014.01) бюл.№9/2014.Номер заявки а201206917 від 06.06.2012. Баженов В.Г., Богдан Г.А., Грузін С.В. УДК: 621.039 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНДУКТОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ СМЕШЕНИЯ ПОТОКОВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ОБОРУДОВАНИЯ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Баринов А.А.1, Дмитриев С.М.1, Хробостов А.Е.1, Рязанов А.В.1, Главный В.Г.2 1НГТУ им. Р.Е.Алексеева, каф. «Атомные и тепловые станции» Н. Новгород, Россия 2ИТ СО РАН им.С.С. Кутателадзе Новосибирск, Россия Процессы смешения потоков с различной температурой и концентрацией растворенных примесей (поглотителей нейтронов) в ряде слу- чаев значительно влияют на ресурс реакторной установки и ее поведение в переходных и ава- рийных режимах работы. Расчетное моделирова- ние такого вида гидродинамических явлений проводится при помощи трехмерных теплогид- равлических программ, нуждающихся в верифи- кации на основе данных эксперимента. Пространственные кондуктометрические дат- чики являются одним из средств измерения поля концентрации примеси и гидродинамических величин в турбулентном потоке жидкости. Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 23 Проведенная работа по освоению и адаптации метода пространственной кондуктометрии к измерениям в турбулентных потоках теплоносителя позволяет провести исследования смешения потока в элементах масштабных моделей парогенирирующих блоков ЯЭУ. В настоящее время совместными усилиями НГТУ им. Р.Е.Алексеева, ИТ СО РАН им.С.С.Кутателадзе и АО «ОКБМ Африкантов» создана лабораторная база, включающая тестовый кондуктометрический стенд, набор пространственных датчиков различной конструкции и быстродействующую измери- тельную систему ЛАД-36, которая позволяет производить параллельную регистрацию сиг- налов с частотой до 1,8 МГц на 36 каналах [1]. Разработанные датчики имеют сетчатую (рис.1) и стержневую конструкцию, что дает возмож- ность измерять поля концентрации проводящих примесей в каналах и зазорах сложной гео- метрической конфигурации. Кроме того, такие виды измерительных устройств имеют низкую инерционность, что позволяет разрешать широкий диапазон частот турбулентных пульсаций в потоке теплоносителя. (а) (б) Рисунок 1 – Cетчатые кондуктометрические датчики: а – датчик для квадратного канала; б – датчик для круглого канала В настоящее время были проведены эксперименты по смешению потоков с различной концентрацией растворимой соли в каналах круглого и квадратного поперечного сечения. Методика проведения исследований гидро- динамических процессов в круглом канале D=60мм заключалась в следующем: солевой трассер через инжекционный капилляр изокине- тически подавался в центр канала спутно с направлением потока. С помощью сетчатого дат- чика проводился замер проводимости по попе- речному сечению потока, при подаче солевого трассера на различном расстоянии до места установки датчика. В результате экспериментальных замеров при различных местах ввода трассера получены сле- дующие данные: – временные реализации флуктуаций измерительного скаляра от времени для всех ячеек датчика при различных расстояниях от подачи солевого трассера до места установки сетчатого датчика. Из полученных зависимостей определялись средние по времени значения, а также пульсационные составляющие измери- тельного скаляра для каждой ячейки сетчатого датчика. Усредненные значения использовались для построения распределений измерительного скаляра, а на основе пульсационных составляю- щих строились частотно-энергетические спектры сигналов; – построены распределения (картограммы) измерительного скаляра (5) по сечению экспери- ментальной модели при различных положениях инжекционного капилляра, позволяющие судить о наличии характерного для турбулентного по- тока размытия трассера с увеличением расстоя- ния от точки подачи; – построены графики и картограммы ради- альной дисперсии трассера для характерных се- чений экспериментальной модели (рисунок 2). Получено хорошее согласие оценок осред- ненных характеристик потока с данными других исследователей. Форма распределения согласу- ется с теорией Тейлора, согласно которой рас- пределение частиц трассера в спутном турбу- лентном потоке подчиняется модели «случай- ного блуждания» [2]. Обработка данных позволила весьма достоверно оценить временные и геометрические (волновые числа k = 20–75 м-1, размеры 13-50 мм) масштабы вихрей, распреде- ления спектральной плотности энергии турбу- лентности в ядре потока. Промышленную апробацию созданная измерительная система будет проходить на крупномасштабном верификационном исследо- вательском стенде НГТУ им. Р.Е. Алексеева по изучению смешения неизотермических потоков в проточной части модели реактора РИТМ-200 для универсального атомного ледокола (УАЛ). 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 24 Работа выполнена при поддержке Министер- ства образования и науки РФ в рамках договора № 02.G25.31.0124 от 3 декабря 2014 г. (в соот- ветствии с Постановлением Правительства Рос- сийской Федерации от 9 апреля 2010 г. № 218). (а) Рисунок 2 – Дисперсия примеси в турбулент- ном потоке: (a) – картограммы интерполирован- ного осредненного распределения проводимости в сечении 0,5D, (б) – в сечении 5D от места впуска трассера; (в) – осредненные графики рас- пределения измерительного скаляра и аппрокси- мации (на рис. «app») функцией Гаусса; D – гид- равлический диаметр канала; r/R – относитель- ное расстояние по радиусу канала (б) (в) Список использованных источников 1. «Развитие стендовой базы НГТУ им. Р.Е.Алексеева для верификации CFD программ // С.М.Дмитриев [и др.]. – сборник тезисов НТС «Проблемы верификации и применения CFD- кодов в атомной энергетике». – Н.Новгород, 2016. – с.17-18. 2. G. Taylor. The dispersion of matter in turbulent flow through a pipe. Proceedings of the Royal Society of London. – 1954. – P. 446-468. . УДК 681 КОМПЛЕКСНЫЙ СТАТИСТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА АУДИОСИГНАЛОВ В СФЕРЕ ТЕЛЕРАДИОВЕЩАНИЯ Бобрикович А.А., Гусев О.К. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь В основу метода контроля качества передачи звуковых сигналов положено комплексное ста- тистическое оценивание параметров сигнала, определяющих, в конечном итоге, оценку каче- ства его передачи слушателем. В процессе оценки используются наиболее информационно значимые параметры из многочисленных характе- ристик сигнала. По результатам измерений фор- мируется многомерное векторное пространство, определяющее область существования сигнала. Такой подход лежит в основе метода комплексного статистического контроля качества аудиосигналов (МКСК). Комплексный статистический контроль включает в себя комплексный анализ статистик энергетических и спектральных параметров сиг- нала, а также параметров формы сигнала и оценку их изменения в результате передачи сиг- нала по каналам и трактам с адаптивно изменя- ющимися при проведении контроля характери- Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 25 стиками. Статистический контроль дополняется введением шкалирования полученных параметров по известным оценкам качества передачи кон- кретных звучаний и результатам субъективно статистических испытаний (ССИ). Такой подход к оценке качества передачи звуковых сигналов во многих случаях остается единственно воз- можным, так как многообразие возможных по- мех и искажений сигнала в каналах передачи делает малообъективной любую оценку, сфор- мированную вне воспринимающего субъекта или его модели. А корреляция результатов ССИ и МКСК не только выводит на качественно новый уровень сам процесс проведения измерений и представления результатов контроля, но также предполагает дальнейшее стремительное разви- тие данного метода наряду с развитием вычисли- тельной мощности аппаратуры комплексного статистического контроля (АКСК). [2]. В соответствии с МКСК, по результатам ана- лиза изменений статистических характеристик сигнала формируется обобщенная оценка замет- ности изменений сигнала в процентах и «балль- ная оценка» качества передачи по 5-балльной шкале. В качестве измерительного инструмента МКСК используется АКСК, осуществляющий вычисление, построение и анализ статистических характеристик ряда параметров, а также измене- ний этих характеристик на основе сравнения искаженного в канале и исходного сигналов (программно-аппаратный комплекс Spectralab). Полученные оценки отображаются на дис- плее АКСК, на экран также выводится оценка коэффициента передачи канала, сформированная по реальному сигналу. В случае выхода оценки за пределы допуска, для канала данного класса конкретизируются параметры сигнала, опреде- ляющие ее снижение, и предлагаются рекомен- дации по необходимой коррекции характеристик канала передачи. Измерения могут производиться как с выве- дением, так и без выведения канала из эксплуа- тации, возможен также экспресс-контроль канала в процессе эксплуатации по ограниченному набору рекомендуемых параметров. При проведении измерений с выведением канала из эксплуатации АКСК подключается к входу и выходу канала, по которому осуществляется передача специально подготовленной испыта- тельной программы, входящей в комплектацию (базу данных) АКСК. В программу включены сигналы, обеспечивающие наиболее полный кон- троль свойств канала. После приема испытательной программы ап- паратурой комплексного статистического кон- троля (ИП АКСК) на приемной стороне, сравни- вая статистические свойства переданного и при- нятого сигналов, автоматически формирует оценку заметности изменений сигнала и балль- ную оценку качества передачи. При расчетах используется испытательные программы (ИП) из имеющейся базы данных. В случае выхода оценки за пределы допуска для канала данного класса конкретизируются параметры сигнала, определяющие ее снижение, и предлагаются рекомендации по необходимой коррекции характеристик канала передачи. При проведении измерений без выведения канала из эксплуатации, контроль осуществляется с ис- пользованием реального вещательного сигнала, передаваемого по каналу передачи. АКСК под- ключается к входу и выходу канала и производит сбор статистики о свойствах сигнала на длитель- ности, соответствующей интервалу стационарно- сти для данной программы. Длительность интер- вала стационарности определяется в АКСК ав- томатически по отсутствию изменений в статистических свойствах сигнала. Для программ радио это 1...2 часа. Структурная схема органи- зации измерений приведена на рисунке 1. Рисунок 1 – Структурная схема организации измерений без выведения канала из эксплуатации. АКСО – блок аппаратно- программного комплекса Статистические параметры аудиосигналов, использованные в рамках МКСК позволяют определить степень искажения сигнала в канале передачи, и, что не мало важно, результаты возможной коррекции этих искажений. [4]. Результаты исследования эффективности обработки звуковых сигналов с использованием автокорректоров уровня и аудиопроцессоров, применяемых на каналах телерадиовещания приведены на рисунке 2. Рисунок 2 – Результаты предварительной обработки аудиосигналов в канале передачи программ Использовались модель стандартной класси- ческой обработки (АРУР), АП OPTIMOD (ORBAN – США), цифровой ограничитель «ВАРЯГ» и АП «АРГО». Из гистограммы следует, что предваритель- ная обработка звуковых сигналов позволяет по- 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 26 высить относительную среднюю мощность (ОСМ), которая затем уменьшается в канале пропорционально используемой скорости пере- дачи цифрового потока. Объективная оценка изменений звуковых сигналов в каналах передачи, близкая к результа- там объемных ССИ, может быть получена с ис- пользованием статистических распределений определенного количества параметров. При этом важен тот факт, что при соблюдении основных пунктов методики измерений, трудоемкость формирования такой оценки и конечная стои- мость проведения измерений существенно ниже, а точность и повторяемость гораздо выше, чем при проведении ССИ. Рисунок 3 – Результаты измерений ОСМ гармонического сигнала и наложения сигнал/шум На рисунке 3 приведены результаты измере- ний ОСМ гармонического сигнала 1000 Гц и та- кого же сигнала, но с подмешанным розовым шумом мощностью 2% от мощности сигнала. [1]. В результате получается, что введение шумо- вой составляющей четко фиксируется парамет- рами распределения. Поэтому интегральные ста- тистические распределения являются основной альтернативой традиционным измерениям при определении качества передачи в каналах, не сохраняющих форму сигнала, т.е практически всех современных аналоговых и цифровых кана- лов [3]. 1. Попов О. Б. Рихтер С. Г. «Цифровая обработка сигналов в трактах звукового вещания» – М.: Горячая линия – Телеком, 2011. – 306 с. 2. Бобрикович А. А. Гусев О. К. Воробей Р. И. «Метод комплексного статистического контроля качества аудиоаппаратуры»// Сборник тезисов. – Приборостроение 2015. Минск. С. .. 3. Architectural acoustic: Databook / Elsevier Academic Press. – Marshall Long, 2006. – 761 с. 4. Ковалгин Ю. А. Вологдин Э. И. «Аудиотехника» – М.: Горячая линия – Телеком, 2013. – 696 с. УДК 621.384.3: 616.073.65 МОНИТОРИНГ МЕТОДИК УСКОРЕННОЙ ДЕГРАДАЦИИ СВЕТОДИОДОВ ТЕРМОГРАФАМИ С РАЗНОЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ Бумай Ю.А.1, Куклицкая А.Г.1, Бернацкая М.Д.1, Трофимов Ю.В.2, Цвирко В.И.2 1Белорусский национальный технический университет 2РНПУП «Центр светодиодных и оптоэлектронных технологий НАН Беларуси» Минск, Республика Беларусь Разработка методик ускоренной деградации светоизлучающих диодов (СИД) необходима для оценки их качества, чтобы при включении в состав светодиодных излучателей гарантировать долговременную эксплуатацию последних с сохранением спектральных и светотехнических характеристик [1]. Методика ускоренной деградации СИД за счет перегрева излучающего кристалла из-за наличия на поверхности линзы слоя мелкодисперсных частиц моделирует реальные условия эксплуатации светодиодных излучателей в производственных помещениях, при которых на внешней поверхности рассеивателя образуется слой пыли и сажи. При отработке методики проводились модельные эксперименты, в которых на поверхность линзы СИД наносился слой сажи, полученной при сжигании камфары, и исследовались зависимости поверхностного разогрева от величины питающего тока для СИД с монохроматическим излучением - HMHP-E1LG Helio и СИД со сложным спектральным излучением - MX6 Cree cool white (белого свечения). Мониторинг разогрева излучающей поверхности СИД осуществлялся термографами с различной спектральной чувствительностью - ИРТИС-2000 (РФ) и ThermaCAM A325 фирмы FLIR-systems (США). Тепловизор ИРТИС-2000 чувствителен к инфракрасному излучению в диапазоне длин волн 3-5 мкм, спектральный диапазон тепловизора ThermaCAM A325 - 7,5-13 мкм. Кроме различной спектральной чувствительности, указанные термографы характеризуются практически совпадающими температурной чувствительностью, диапазоном измеряемых температур и погрешностью измерения. Мониторинг предполагал регистрацию серии термограмм излучающей поверхности СИД различного свечения при наличии слоя Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 27 камфарной сажи в условиях возрастания тока питания от 10 мА до 500 мА с шагом в 50 мА. Ранее авторами было установлено, что по- верхностная температура СИД со сложным спек- тральным составом излучения, измеренная тер- мографом ThermaCAM A325 существенно выше температуры, зарегистрированной термографом ИРТИС-2000. Расхождение результатов измере- ний достигало десятков градусов Цельсия [2]. Существенное расхождение в значениях тем- пературы, превышающее нормированную по- грешность термографов, свидетельствовало о регистрации в более длинноволновой области излучения, избыточного над тепловым. Это можно объяснить, в частности, наличием флуо- ресценции продуктов горения камфары в данном спектральном интервале, возбуждаемой синей частью спектра излучения СИД [2]. С целью обнаружения влияния флуоресцен- ции продуктов сгорания камфары на показания термографа FLIR Thermocam A325, работающего в длинноволновой области инфракрасного спек- тра (диапазон длин волн 7,5–13 мкм), проведены экспериментальные исследования тепловых ре- жимов однотипных СИД Helio ультрафиолето- вого (HMHP-E1LU), синего (HBHP-E1LB) и зе- леного (HMHP-E1LG) свечения. На рисунке 1 приведены графики зависимо- стей температуры поверхности СИД от силы тока. 1 – синий; 2 – ультрафиолетовый; 3 – зеленый Рисунок 1 – Зависимости температуры поверхности синего, ультрафиолетового и зеленого СИД от силы тока Приведенные результаты хорошо согласу- ются с полученными данными эксперименталь- ных исследований тепловых режимов СИД MX6 Cree белого свечения, в спектре которого име- ются полосы в сине-фиолетовой области спектра (излучение кристалла СИД) и желто-зеленой (излучение люминофора) [2]. Следует отметить, что зарегистрированные термографом ИРТИС-2000 со спектральным диапазоном 3-5 мкм термограммы дают практи- чески совпадающие зависимости разогрева от тока для всех типов СИД, зависимости разогрева от тока для монохроматического СИД зеленого свечения практически совпадают для обоих ти- пов термографов[1,2]. Такая же ситуация наблюдалась при исследо- вании тепловых режимов СИД белого свечения в составе покрытого камфорной сажей светодиод- ного модуля, разработанного в Центр светодиод- ных и оптоэлектронных технологий Националь- ной академии наук Беларуси, термографами с различной спектральной чувствительностью ИРТИС-2000МЕ и ThermaCAM A325, что также свидетельствует о наличии в длинноволновой ИК-области излучения, избыточного над тепло- вым. На рисунке 2 представлена термограмма из- лучающей поверхности светодиодного модуля на основе СИД белого свечения с нанесенной на поверхность камфарной сажей, зарегистрирован- ная термографом Thermocam A325. Рисунок 2 – Термограмма светодиодного модуля, зарегистрированная термографом Thermocam A325 На термограмме отмечены точки, в которых измерена температура. Термограмма излучающей поверхности того же светодиодного модуля, полученная с помо- щью термографа ИРТИС-2000, приведена на рисунке 3. Рисунок 3 – Термограмма светодиодного модуля, зарегистрированная термографом ИРТИС-2000 Термограф Тhermocam A325 зарегистрировал разогрев в области отдельных СИД до 80°С, 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 28 тогда как термограф ИРТИС-2000 показал существенно меньший разогрев – до 60°С. Разница температур в 20°С хорошо согласуется с данными для СИД различного свечения, приведенными выше, с учетом того, что ток питания СИД в составе излучателя, не достигает предельных значений в 300– 500 мА. Таким образом, мониторинг методики ускоренной деградации СИД показал: - результаты измерения температуры излучающей поверхности СИД, покрытой слоем мелкодисперсных частиц, термографами с различной спектральной чувствительностью могут существенно отличаться; - разность измеренных температур значительно превышает пределы нормированной погрешности термографов и может быть обусловлена флуоресценцией продуктов сгора- ния камфары; - измерения температуры светодиодных излучателей со сложным спектральным составом при наличии производственных загрязнений на излучающей поверхности предпочтительно проводить термографами, чувствительными к более коротковолновому инфракрасному излучению. 1. Бумай Ю.А., Доманевский Д.С., Куклицкая А.Г., Трофимов Ю.В., Цвирко В.И. Исследование влияния поверхностного слоя мелкодисперсных частиц производственной пыли и сажи на спектры излучения и нагрев светодиодных осветителей / в сб. Приборостроение-2014 (м- лы 6 МНТК). Минск: БНТУ, 2014. - С. 41-42. 2. Бумай Ю.А., Куклицкая А.Г., Трофимов Ю.В., Цвирко В.И. Исследование тепловых режимов излучающих объектов термо- графами с разным спектральным диапазоном / в сб. Приборостроение-2014 (м-лы 7 МНТК). Минск: БНТУ, 2015. – Т. 1. - С. 55-57. УДК 620.179.14/15 ДАТЧИК ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВЕРТИКАЛЬНЫХ И НАКЛОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ СТАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ Бусько В.Н. Институт прикладной физики НАН Беларуси Минск, Республика Беларусь При использовании магнитного метода эф- фекта Баркгаузена (МЭБ) с целью исследования, неразрушающего контроля (НК) и диагностики ферромагнитных материалов и изделий приме- няются различные типы магнитошумовых пре- образователей Баркгаузена (ПБ), или датчиков, накладного типа. Большинство из них работают в условиях, когда их необходимо держать в ру- ках или крепить на поверхности исследуемого материала механическим способом, что является не всегда удобным или практически невозмож- ным. Кроме того, из-за невозможности удержи- вать датчик длительное время вручную или при контроле крупногабаритных конструкций, а также в труднодоступных зонах снижается до- стоверность и эффективность измерений и кон- троля. Для повышения эффективности проведения исследований и НК сложных, крупногабаритных и труднодоступных элементов стальных кон- струкций предлагается использовать датчик, об- щий вид которого и пример установки на верти- кальную поверхность крупногабаритного обь- екта представлены на рисунке 1. 1–корпус датчика; 2-П-образный магнитопровод; 3-намагничивающая катушка; 4-контролируемое изделие; 5–индикаторная катушка; 6–постоянные магниты; 7–сигнальный кабель; 8–измерительный блок Рисунок 1 – Общий вид и пример установки датчика на вертикальную плоскость конструкции (образца) Сущность предлагаемого датчика состоит в том, что он снабжен двумя постоянными полосо- выми магнитами 6 [1] (рисунок 2), расположен- ными и закрепленными на противоположных Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 29 сторонах магнитопровода 2 П-образной формы и соосно с полюсами магнитопровода, выполнен- ного из магнитномягкого феррита, обладающего высокой магнитной проницаемостью. Намагни- чивающая катушка 3 для создания в участке кон- тролируемого изделия 4 магнитного поля распо- ложена на центральном плече П-образного маг- нитопровода. Индикаторная катушка 5, предназначенная для регистрации интенсивности магнитного шума, помещена в ферритовый сер- дечник броневого типа и расположена посере- дине между полюсами магнитопровода. Все эле- менты датчика расположены в корпусе 1. Рисунок 2 – Взаиморасположение постоянных магнитов, индикаторной и намагничивающей катушек, полюсов магнитопровода датчика (вид снизу) Длина L, ширина b и толщина d постоянных магнитов должны быть соизмеримы с габари- тами датчика и свободно размещаться в корпусе. При этом магнитное поле от постоянных магни- тов незначительно влияет на величину магнит- ного шума, измеряемого магнитошумовым ана- лизатором 8 с помощью сигнального кабеля 7. Магнитное поле, создаваемое постоянными маг- нитами в данном случае выполняет роль надеж- ного фиксатора и своеобразного крепления и удерживает ПБ на поверхности элемента сталь- ной конструкции, расположенной вертикально, наклонно относительно земли или имеет вогну- тые или выпуклые контролируемые участки (ри- сунок 1). Магнитный материал постоянных маг- нитов выбирается из условия, чтобы их суммар- ная магнитная энергия W обеспечивала удержание ПБ на поверхности изделия, находя- щегося в любом пространственном положении. В свою очередь W зависит от химического состава материала магнитов, размеров, способа изготов- ления и направления намагничивания, а также габаритов и массы датчика. Так, датчик может устанавливаться на любую вертикальную и наклонную плоскость поверхно- сти образца при длительных исследованиях или испытаниях. С помощью длинного шеста может быть установлен на боковую стенку крупногаба- ритного контролируемого изделия (нефтеналив- ные резервуары, газгольдеры, опоры моста, башни, балки и пр.), которое может находиться высоко над землей, на участок, где необходимо провести измерения. Установленный и удерживаемый таким обра- зом на объекте контроля датчик позволяет суще- ственно расширить функциональные возможно- сти использования магнитошумовых преобразо- вателей. Для проведения исследований и осуществле- ния НК стальных изделий и элементов конструк- ций с выпуклыми или вогнутыми поверхностями индикаторная катушка должна быть располо- жена на упругом элементе в виде пружины, рас- положенной посередине между полюсами маг- нитопровода. Таким образом, появляется возможность про- водить измерения магнитного шума и осуществ- лять контроль практически на любых (наклон- ных, вертикальных, угловых) поверхностях раз- личных элементов стационарных стальных конструкций, находящихся в удаленных и труд- нодоступных для контроля зонах, когда отсут- ствует возможность или затруднен доступ при измерении сигнала с помощью оператора. 1. Патент на изобретение РБ 2113, МПК G01 N27/72. Магнитошумовой преобразователь / Бусько В.Н.; заяв. – «ИПФ НАН Беларуси» //Аф. Бюлл. № 3, 2005. - С. 99-100. УДК 535.2:616-71 УГЛОВАЯ ЭЛЛИПСОИДАЛЬНАЯ ОТРАЖАТЕЛЬНАЯ ФОТОМЕТРИЯ Венцурик А.В., Безуглый М.А. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт им. И. Сикорского» Киев, Украина Развитие лазерных и компьютерных техноло- гий способствовал внедрению оптических мето- дов в различные сферы неразрушающего кон- троля, начиная от исследования рассеивающих сред и материалов в технике и заканчивая диа- гностикой состояния тканей и органов в биоло- гии и медицине. Продолжая изучение свойств и возможностей эллипсоидальной фотометриче- ской аппаратуры [1], в данной работе проведен ряд практических экспериментов, позволяющих 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 30 с позиций оптики светорассеяния по новому взглянуть на взаимодействие оптического излу- чения с мутными средами. В работе рассмотрены особенности реализа- ции усовершенствованного метода эллипсои- дальной рефлектометрии, который позволяет осуществлять исследования оптических свойств рассеивающих сред при различных углах паде- ния и энергетических характеристиках зондиру- ющего оптического излучения. Для практиче- ской реализации метода была разработана экспе- риментальная установка [2], которая в качестве измерительного ядра использует эллипсоидаль- ный рефлектор с характерным продольным па- зом для ввода оптического излучения под раз- личными (изменяемыми) углами. Также уста- новка имеет механизм микрометрической регулировки высоты, что позволяет работать с различными толщинами исследуемых сред, и юстировочные приспособления для достижения горизонтальности базовой лини и соосности ре- флектора, вспомогательной оптической системы и ПЗС камеры. Изменение энергетических харак- теристик падающего излучения достигается пу- тем регулировки мощности универсального ис- точника питания лазерных полупроводниковых излучателей соответствующей длины волны (650 нм (красный) 532 нм (зеленый) илм 405 нм (си- ний) при номинальной мощности 5 мВт каждого из них), разработанного авторами. Для получения фотометрических изображе- ний использованы средства ПЗС фотометрии, что и в работах [2, 3]. На основании механизма обработки изобра- жений при эллипсоидальной фотометрии [3] была усовершенствована методика анализа фо- тометрических изображений при угловой ре- флектометрии, основными отличительными структурными элементами зонного анализа ко- торых являются эллипсы коллимированного по- тока и направленного отражения, а также эллип- тическое кольцо малоуглового рассеянья. Для получения искомых значений оптических параметров сред был применён сравнительный метода отсчета. В качестве эталонов выступили плоскопараллельные пластины молочного стека МС-20 толщиной 3, 5 и 10 мм с априори равно- мерным распределением рассеивающих центров и осесимметричным характером анизотропии рассеянья. В качестве исследуемых образцов была вы- брана мышечная ткань свиньи и курицы различ- ных толщин. Ткань была отделена перпендику- лярно направлению размещения волокон для обеспечения минимально возможных отклоне- ний величины фактора анизотропии рассеянья при последующем численном эксперименте ме- тодом статистического моделирования Монте- Карло [4] и выдержана в нормальных условиях в физиологическом растворе 0.9% NaCl на протя- жении 30 минут. В результате были получены группы фотометрических изображений на различных длинах волн при различных углах наклона лазерного модуля с шагом 2.50, наиболее характерные из которых приведены на рисунках 1–4. а) б) в) г) д) е) Рисунок – 1 Фотометрические изображения рассеянного излучения на длине волны 532 нм образцами мышечной ткани свиньи толщиной 3.6±0.26 мм при углах наклона падающего излучения: 600 (а); 500 (б); 450 (в); 400 (г); 300 (д); 200 (е) а) б) в) г) д) е) Рисунок 2 – Фотометрические изображения рассеянного излучения на длине волны 405 нм мышечной ткани курицы толщиной 3.2±0.49 мм при углах наклона падающего излучения 600 (а); 500 (б); 450 (в); 400 (г); 300 (д); 200 (е) Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 31 а) б) в) г) д) е) Рисунок – 3 Фотометрические изображения рассеянного излучения на длине волны 650 нм мышечной ткани курицы толщиной 3.2±0.49 мм при углах наклона падающего излучения 600 (а); 500 (б); 450 (в); 400 (г); 300 (д); 200 (е) а) б) в) г) д) е) Рисунок 4 – Фотометрические изображения рассеянного излучения на длине волны 405 нм молочным стеклом МС-20 толщиной 10 мм при углах наклона падающего излучения:600 (а); 500 (б); 450 (в); 400 (г); 300 (д); 200 (е) На основании полученных фотометрических изображений построены графики изменения уровня освещенности отдельных зон изображе- ния в зависимости от угла падения лазерного излучения, которые хорошо коррелируют с вы- численными значениями оптических параметров исследуемых сред и тканей. В то же время, ана- литические закономерности, которые могут лечь в основу построения прогностических моделей оценки характера рассеянья оптического излуче- ния мутной средой, остаются не выясненными. Авторы считают, что решение данной задачи находиться в плоскости построения адекватной модели взаимодействия оптического излучения с рассеивающей одно- или многослойной средой при корректном использовании начальных дан- ных, которые содержат параметры лазерного излучения и угол наклона, с высокой точностью. Помимо программной и модельной задачи перед авторами стоит также задача создания опытного образца системы, реализующей пред- ложенный принцип. Сферой применения угло- вой эллипсоидальной рефлектометрии, помимо области оптической биометрии рассеивающих сред и тканей, может стать и область исследова- ния непрозрачных лакокрасочных и диэлектри- ческих покрытий. 1. Bezuglyi, M.A. Ellipsoidal reflectors in biomedical diagnostic / M.A. Bezuglyi, N.V. Bezuglaya // Proc. SPIE. - 2013. - P. 9032. 2. Венцурик, А.В. Установка для кутової еліпсоїдальної рефлектометрії / А.В. Венцурик // Збірник тез доповідей конференції «Погляд в майбутнє приладобудування», Київ, НТУУ «КПІ». 2016. - С.121. 3. Безуглый, М.А., Обработка изображений при эллипсоидальной фотометрии / М.А. Безуглый, Н.В. Безуглая, А.Б. Сами- ляк // Приборы и методы измерений. - 2016; № 7(1). – С. 67-76. 4. Безуглая, Н.В. Особенности анизотропии светорассеяния волокнистыми биологи- ческими тканями / Н.В. Безуглая, М.О. Безгулый, Г.С. Тымчик // Вестник НТУУ «КПИ». Серия «Приборостроение». - 2015. - № 2(50). – C. 169-175. УДК 535.317:532.527 ВИХРЕВАЯ ГАЗОВАЯ ЛИНЗА Виленчиц Б.Б., Попов В.К., Шаронов Г.В. Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко БГУ Минск, Республика Беларусь Для проведения оптического экспресс – ана- лиза параметров газовых выбросов промышлен- ных производств и технических средств с высо- ким пространственным разрешением различ- ными методами и устройствами требуется периодическая перефокусировка зондирующего светового пучка. В условиях длительной эксплу- атации таких устройств применения для этой 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 32 цели стеклянных линз неэффективно, так как их поверхности будут загрязняться, что приведет к снижению точности и надежности измерений. В этих условиях целесообразно использовать газо- вые линзы. Газовые линзы, достаточно подробно и все- сторонне описанные в литературе, могут быть созданы различными способами. Из публикаций видно, что наиболее рациональными для массо- вого пользования являются термогидродинами- ческие газовые линзы. Однако характеристики последних, например, зависят от ориентации в пространстве, что снижает возможности их при- менения в данном случае. Для эффективной реа- лизации устройств бесконтактного экспресс-ана- лиза, обладающих повышенным пространствен- ным разрешением, разработаны газовые линзы, основанные на применении вихревого эффекта. Вихревой эффект Ранка-Хилша представляет собой сложный газодинамический процесс и обуславливает перераспределение температуры в поперечном сечении неизотермического закру- ченного турбулентного потока вязкого сжимае- мого газа. Устройство, в котором реализуется такой эффект, называется трубой Ранка-Хилша или вихревой трубой [1]. Однако, если учесть, что показатель преломления газа приближенно прямо пропорционален давлению и обратно про- порционален температуре, то вихревой поток, реализующийся в вихревой трубе, с осесиммет- ричными полями температуры и давления, име- ющими высокие радиальные градиенты, может быть использован для разработки средств гене- рации, управления, диагностики и передачи ла- зерного излучения. Известно несколько конструкций вихревых труб [1]. В наших экспериментах использовались модифицированные конструкции двухсторон- него варианта прямоточной вихревой трубы. Исследования оптических характеристик вихре- вой системы осуществлялись в трех режимах: в момент подачи в нее воздуха (1-й нестационар- ный режим), при стационарном режиме подачи и в момент отключения подачи воздуха (2-й неста- ционарный режим). На рисунке 1 приведены зависимости фокус- ного расстояния (при стационарном режиме по- дачи воздуха в вихревую трубу) от длины вихре- вой зоны (при давлении газа на входе 1,5 кг/см2) для трех размеров кольцевых шайб дросселя, посредством которых менялось гидравлическое сопротивление и, тем самым, соотношение рас- ходов потоков горячего и холодного воздуха. На рисунках 2 – 4 показаны распределения интенсивности и их денсинтограммы в попереч- ном сечении светового пучка для трех упомяну- тых режимов его формирования газодинамической системой. Для всех режимов длина вихревой зоны 1в лежит в пределах 4 - 5 калибров. Рисунок 1 – Зависимость фокусного расстояния от длины вихревой зоны Рисунок 2 – Распределение интенсивности в сечении пучка – первый нестационарный режим Рисунок 3 – Распределение интенсивности в сечении пучка – стационарный режим Рисунок 4 – Распределение интенсивности в сечении пучка – второй нестационарный режим В момент пуска вихревой трубы наблюдалась фокусировка светового потока с равномерным распределением интенсивности по сечению све- тового пятна (рисунок 2). Время наблюдаемого Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 33 эффекта составляло 7 – 8 с. В период стационар- ного режима работы этой же вихревой трубы наблюдалось перераспределение интенсивности по сечению светового пятна и формирование светового пучка с провалом интенсивности, когда периферийное кольцо имеет большую ин- тенсивность, чем центральная часть пятна. Ме- няя режим работы вихревой трубы, можно ре- гулировать величину интенсивности централь- ной части пятна (рисунок 3). Отключив подачу воздуха в вихревую трубу, получаем устойчивое распределение интенсивности светового пятна, когда все лучи пучка резко концентрируются в периферийном кольце (рисунок 4). Время суще- ствования наблюдаемого эффекта продолжалось в течение 45 – 90 с. Во всех приведенных экспериментах макси- мальная интенсивность периферийного свето- вого кольца наблюдалась в пределах r/rk = 0,55 - 0,85 (где rk – внутренний радиус перемещаемой трубы), что соответствует границе раздела сво- бодного и вынужденного вихрей. Появление этой границы раздела происходит в момент пе- рестройки свободного вихря (для которого ха- рактерен закон потенциального течения) в вы- нужденный вихрь (для которого характерен за- кон вращения твердого тела). В результате перестройки вихря возникает центробежный поток кинетической энергии и центростреми- тельный поток тепла, обусловленные разностью статических температур. Если учесть зависи- мость показатель преломления газа от давления и температуры и рассмотреть по отдельности две вихревые зоны, то можно предположить для мо- мента отключения подачи воздуха в вихревую трубу следующее: для периферийной высоко- температурной зоны высокого давления – фактор давления преобладает над температурой – наблюдаем фокусировку на периферии; для осе- вой низкотемпературной зоны низкого давления – фактор температуры преобладает над давле- нием – наблюдаем расфокусировку в центре. То- гда максимум интенсивности световых лучей наблюдается в периферийном кольце (рисунок 4). Для стационарного режима работы вихревой трубы, как и для момента отключения подачи в нее воздуха, наблюдаем фокусировку пучка на периферии, а соотношения между давлением и температурой для периферийной высокотемпера- турной зоны высокого давления остаются преж- ними. Однако в осевой (центральной) зоне про- исходит одновременно фокусировка и дефокуси- ровка (фактор давления соизмерим с температурным). Поэтому можно регулировать величину интенсивности центральной части пятна посредством дросселя (рисунок 3). В момент пуска вихревой трубы еще не про- исходит формирование и разделение свободного и вынужденного вихрей с четкой границей раз- дела между ними и плотность воздушного по- тока в осевой зоне будет выше, чем в перифе- рийной зоне. В этом случае наблюдаем фокуси- ровку светового потока с равномерным распределением интенсивности по сечению све- тового пятна (рисунок 2). Результаты проведенных исследований сви- детельствуют об оригинальных возможностях, обеспечиваемых термооптическими характери- стиками вихревых систем. Вихревые системы могут быть пригодны для формирования разных профилей интенсивности (с провалом в центре, кольцевых) световых пучков диаметрами от 0,003 до 0,056 м. Системы могут фокусировать и дефокусировать пучки излучения упомянутых размеров в широком спектральном диапазоне (от УФ до ИК) в широком интервале фокусных рас- стояний: 0,3 – 800м. 1. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. – Москва: Машино- строение, 1969. – 183 с. УДК 004.451(075) МЕТОД МОДЕЛИРОВАНИЯ УГРОЗ ИНФОРМАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ОС РВ Волосатова Т.М. Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана Москва, Российская Федерация Введение. Материалы публикации содержат основные результаты анализа основных направ- лений развития бортовых ЭВМ и операционных систем реального времени. На основе проведен- ного анализа определены основные аспекты ин- формационной безопасности бортовых вычисли- тельных средств авионики и, в частности ОС РВ. Учитывается, что для бортовых вычислительных средств (БВС) авионики вопросы информацион- ной безопасности необходимо рассматривать параллельно с вопросами надежности аппарат- ных компонент БВС. При анализе учтены БВС жёсткого реального времени. Область примене- ния таких вычислительных средств - бортовые системы управления, системы аварийной за- щиты, регистраторы аварийных событий. Такие БВС не допускают задержек реакции. Ситуация, в которой обработка событий происходит за 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 34 время, большее предусмотренного, в системе жёсткого реального времени считается фаталь- ной ошибкой. При возникновении такой ситуа- ции операционная система прерывает операцию и блокирует её, чтобы, насколько возможно, не пострадала надёжность и готовность остальной части БВС. 1. Аналитический обзор доступной литературы. Цель и задачи исследований. В процессе подготовки рукописи проведен анали- тический обзор доступных источников [1-7], позволивший установить, что для разработки средств обеспечения информационной безопас- ности (ИБ) бортовых вычислительных средств авионики необходима строгая и хорошо форма- лизованная модель угроз. Известные подходы к ее построению основаны на вербальных оценках и обобщении мнений экспертов. При этом не- возможно ограничить область адекватности тео- ретически возможными атаками, то есть обеспе- чить необходимую полноту модели. Кроме того, такие модели не учитывают лавинообразно нарастающие сбои и отказы (эффект «домино). Таким образом, целью настоящей публикации является описание разработанной методики формирования модели угроз ИБ БВС. При этом необходим учет функционирования БВС при лавинном нарастании последствий атак. Анализ показал, что основными требованиями к опера- ционным системам реального времени, приня- тым для эксплуатации в авионике являются: − Детерминированное предсказуемое пове- дение при различных нагрузках на систему, необходимое в ответственных приложениях и системах повышенной готовности; − высокая «живучесть», чтобы при отказе какой-либо части программного обеспечения другая часть продолжала нормально функциони- ровать; − соответствие различным отраслевым, наци- ональным и международным стандартам; − требования по надежности - вероятность сбоя в программе должна быть меньше вероят- ности сбоя аппаратных средств; требования по безопасности и секретности данных, в системе должны быть предусмотрены средства защиты от несанкционированного до- ступа Для достижения поставленой цели решались следующие задачи: − Анализ состава бортовых вычислительных средств летательного аппарата (ЛА) с учетом перспектив и динамики их развития. − Анализ атак на ИБ БВС, возможность которых ограничена физической реализуемо- стью. − Выявление условий возникновения спро- воцированных лавинных сбоев и отказов. 2. Основные результаты исследований. Модель угроз информационной безопасности программно - аппаратных средств строится пу- тем экспертного перечисления угроз, например: − угрозы утечки по техническим каналам; − угрозы несанкционированного доступа (НСД). Вышеперечисленные угрозы включают в себя: − угрозы, реализуемые в ходе загрузки операционной системы, направлены на перехват паролей или идентификаторов, модификацию программного обеспечения базовой системы ввода/вывода (BIOS), перехват управления за- грузкой; − угрозы, реализуемые после загрузки операционной системы и направленные на вы- полнение несанкционированного доступа с при- менением стандартных функций операционной системы или какой-либо прикладной программы; − угрозы внедрения вредоносных программ; − угрозы типа «Отказ в обслуживании»; − угрозы выявления паролей; − угрозы удаленного запуска приложений; − угрозы инициализации недокументирован- ных возможностей программ - приложений. На основе анализа известных методов по- строения моделей угроз информационным си- стемам, рассмотренных в [8], в настоящей пуб- ликации предлагается метод, основанный на применении нечетких автоматов. Как известно, при табличном описании модели угроз на основе экспертных оценок строится матрица инциден- ции, устанавливающая связь «атака – послед- ствие» (таблица 1). Таблица 1. Атаки Последствия атак Q1 Q2 … Qk … Q1 i … Q1 j А1 P11 P12 P11 А2 P11 P22 …. … … … … … Аn Pn1 Pn2 А1 1 P11 1 P11 2 А1 2 … … … … … … А1 m P11 m В таблице 1 Рij – нечеткое отношение пере- хода. Рассмотрим автомат с четким входом i(t) и зависимым от времени нечетким отношением перехода δ(t). Пусть s(t) - нечеткое состояние автомата в момент времени t на конечном мно- жестве состояний S = {s1, …, sn} и il— оценка зна- чения i(t). Состояние автомата в момент времени t определяется min-max композицией: 𝜇𝑠(𝑡+1) (𝑠𝑘) = = 𝑠𝑢𝑝𝑚𝑖𝑛 (𝜇𝑠(𝑡) �𝑠𝑗� ,(𝜇𝛿(𝑡) �𝑠𝑥,, 𝑖𝑙𝑠𝑗�) , или аналогично ей. Обучение направлено на Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 35 изменение нечеткой матрицы переходов: 𝜇𝛿(𝑡) �𝑠𝑘 , 𝑖𝑙𝑠𝑗� = 𝜇𝛿(𝑡−1) �𝑠𝑘 , 𝑖𝑙𝑠𝑗�, 𝑗 ≠ 𝑘, 𝜇𝛿(𝑡) �𝑠𝑘, 𝑖𝑙𝑠𝑗� = 𝑎𝑘𝜇𝛿(𝑡−1) �𝑠𝑘 , 𝑖𝑙𝑠𝑗� + + (1 − 𝑎𝑘)𝜆𝑘 (𝑡), где 0 < ak < 1, 0 < 𝜆𝑘 (𝑡) < 1, k = 1, … ,n. Кон- станта 𝜆𝑘 определяет скорость обучения. Начало работы автомата возможно без априор- ной информации 𝜇𝑠(0) (𝑠𝑘) = 0 или 1, а также с априорной информацией 𝜇𝑠(0) (𝑠𝑘) = 𝜆𝑘 (0). Ве- личина 𝜆𝑘 (𝑡) зависит от оценки функ- ционирования автомата. Доказано, что имеет место сходимость матрицы переходов, независимо от того, есть ли априорная информа- ция, т.е. 𝜇𝑠(0) �𝑠𝑗� может быть любым значением из интервала [0, 1]. Модель обучения формиру- ется следующим образом. Предполагается, что классификатор имеет в распоряжении множество дискриминантных функций нескольких пере- менных. Система адаптируется к лучшему реше- нию. Лучшее решение выделяет множество дис- криминантных функций, которые дают минимум последствий среди множества дискриминантных функций для данного множества образцов атак. Структурная схема нечеткого конечного авто- мата приведена на Рис.1. При создании модели угроз ОС РВ такое представление удобно ис- пользовать путем применения известных мето- дов каскадной и параллельно – последовательной композицией однотипных автоматов [9]. Рисунок 1 – Схема автомата, реализующего модель, либо структурную часть модели угроз. А – вектор атак, Q – вектор последствий реализации угрозы Заключение. Предложенный метод формирова- ния моделей угроз ИБ ОС РВ позволяет: − Формализовать и обобщать экспертные оценки с помощью нечетких переменных ал- гебры логики. − Строить наращиваемую формализованную модель угроз. − Учитывать возникновение возможных «ла- винных» атак. − Обратная связь, отображенная на Рис.1. учитывает лавинные атаки, когда последствия атаки в одном программном модуле становятся новой атакой. 1. Интернет – ресурс: www.aviasafety.ru/crash- stat , последний доступ – 25.12.2013. 2. Интернет-ресурс: Воздушный кодекс РФ от 19.03.1997 N 60-ФЗ / Консультант Плюс,www.consultant.ru/popular/air/. Послед- ний доступ 25.12.2016. 3. Ефанов В.Н. Открытые архитектуры в концепции авионики пятого поколения // Бодрунов С.Д. - Мир авионики. – 2004. – № 5. – С. 20–28. 4. Интернет-ресурс: Е.В. Книга, Принципы организации вычислительных систем пер- спективных летательных аппаратов/ www.elektropribor.spb.ru/cnf/kmu2013/text/63.d ocx. последний доступ 15.04.2016. 5. Зыль С. Операционная система реального времени QNX: от теории к практике. — 2-е изд. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. — 192 с. — ISBN 5-94157-486-Х. 6. Зыль С. QNX Momentics. Основы примене- ния. — СПб.: БХВ-Петербург, 2004. — 256 с. — ISBN 5-94157-430-4. 7. Евгенов А.В. Направления развития интегри- рованных комплексов бортового оборудова- ния самолетов гражданской авиации. / Авиа- космическое приборостроение. – 2003. – № 3. – С. 48–53. 8. Чичварин И.Н. Структурное моделирование угроз информационной безопасности систем автоматизированного проектирования / Вест- ник МГТУ. Серия Приборостроение – 2013, - №3. - С.58-75. 9. Алгебраическая теория автоматов, языков и полугрупп/Пер. с англ.; Под ред. М. Арбиба. – М.: Статистика, – 1975. – 335 с. 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 36 УДК 681.51: 617.57-77 ОСОБЕННОСТИ БИОНИЧЕСКОГО ПРОТЕЗИРОВАНИЯ ВЕРХНИХ КОНЕЧНОСТЕЙ Вонсевич К.П., Безуглый М.А. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт им. И. Сикорского» Киев, Украина В сложной структуре последствий локальных и глобальных мировых военных конфликтов, травматизма на производстве, врождённых ано- малий, дизваскулярности, неоплазии и бытовых травм разного рода, одним из самых значимых факторов выступает утеря конечностей. Так, со- гласно статистике, показанной в статье [1], в следствии приведённых выше первопричин, в наиболее продуктивном возрасте – от 16 до 54 лет, происходит ампутации рук, ног и их отдель- ных частей, в том числе и фаланг конечности. Для преодоления последствий ампутаций, в случаях, где это возможно, могут использоваться несколько медицинских техник, среди которых наиболее продуктивными можно считать транс- плантацию и протезирование. Как известно, протез – это устройство, кото- рое может эстетически или функционально за- менить ампутированную часть тела человека. Среди различных вариантов протезных решений, наиболее доскональным и перспективным реше- нием является технология бионического проте- зирования. Бионический протез – это комплекс- ное устройство, с помощью которого человек может исполнять ряд движений и функций, не- обходимых в повседневной жизни, а процесс управления им происходит в следствии анализа биологических сигналов непосредственно от ампутанта. Для изготовления и проектирования каче- ственного бионического протеза исследователю необходимо обеспечить выполнение целого ряда критериев, таких как: наличие достаточного ко- личества степеней свободы, возможность интуи- тивного управления, внешнее сходство устрой- ства с здоровой конечностью, максимальная энергонезависимость и габаритные размеры. Более того, учитывая среду применения данного типа устройств, для его дальнейшей медицин- ской имплементации разработчику необходимо придерживаться ряда требований и критериев, присущих медицинским изделиям, в частности – по токсичности используемых в изготовлении материалов и веса готового устройства. Фактически, проектируя бионические про- тезы верхних конечностей, исследователи ре- шают целый ряд проблем, связанных с особенно- стями конструкции приборов, системой управле- ния, наличием тактильной обратной связи, источником питания и другими факторами, ко- торые в конечном счёте и формируют выходные характеристики пробора и, как следствие, его стоимость. Исходя из этого, можно утверждать, что каж- дая отдельная модель бионического протеза яв- ляется уникальным устройством, с наличием или отсутствием тех или иных функций, но основные функциональные блоки, присущие системам бионических протезов, остаются унифицирован- ными. Пример обобщённой схемы бионического протезного устройства приведен на рисунок 1. Рисунок 1 – Обобщённая схема бионического протезного устройства верхней конечности Каждый из описанных функциональных бло- ков имеет свою значимость в обеспечении кор- ректной работы системы, и должен учитывать не только технико-конструктивные трудности, воз- никающие в подобном типе устройств, но и от- дельные анатомические особенности конечности и специфичность функционирования опорно- двигательного аппарата и нервной системы че- ловеческого организма. По состоянию на сегодняшний день, суще- ствует множество исследований в области био- нического протезирования верхних конечностей, где используются различные типы конструкций и систем управления, которые базируются на использовании различных методов измерения биологического сигнала. Наиболее распростра- нённым методом организации системы управле- ния бионическим протезным устройством явля- ется использование в качестве управляющего сигнал, полученный методом электромиографии. Возвращаясь к обобщённой схеме биониче- ского протезного устройства верхних конечно- стей, при проектировании системы измерения сигнала, важно учитывать не только его очень низкую амплитуду, но и шумовую составляю- щую. Электромагнитное излучение, артефакты движения конечности, дрейф измерительных Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 37 датчиков, температурные колебания и артефакты в следствии работы сердечного органа [2] – это лишь часть помех, которые должны быть отсе- чены от полезного сигнала, при измерении элек- тромиограммы для дальнейшего её использова- ния в протезировании. Кроме того, не менее важной особенностью измерения миограм при протезировании является использования поверхностных измерительных электродов разных типов (активных, пассивных, сухих, гелиевых и.т.д), а также их местораспо- ложение на здоровой части конечности. В зависимости от тех типов движений, кото- рые в теории должен восполнять протез верхней конечности, основными группами мышц, иссле- дуемыми при бионическом протезировании яв- ляются: flexor pollicis longus, extensor pollicis lon- gus, flexor carpi uninaris, flexor carpi radialis, flexor palmaris longus extensor, carpi ulinaris [3] и.т.д. Говоря о системе обработки зарегистриро- ванной информации, важно учитывать довольно сложную форму получаемого сигнала, а также особенности его распознавания и классифика- ции. Так, измеренный, усиленный и отфильтро- ванный сигнал электромиограммы имеет в своей структуре несколько фаз и ряд определённых характеристик. При проектировании систем об- работки миографического сигнала, после записи миограммы, исследователи прежде всего обеспе- чивают её анализ с помощью разнообразных математических методов (вейвлет преобразова- ния, преобразования Фурье и.т.д). Этот процесс происходит путём выделения характеристиче- ских особенностей (таких как авторегрессионные коэффициенты, временные, частотные характе- ристики и.т.д.) передаточной функции, которые в дальнейшем могут использоваться для класси- фикации измеренного сигнала в соответствии с типом исполняемого движения. Классификация ЕМГ сигналов и дальнейшее машинное обучение проектируемой системы – один из наиболее сложных этапов в изготовле- нии бионических протезных устройств. Для реа- лизации этой задачи, исследователями, в основ- ном, используются отдельные уже наработанные математические методы и техники, с возможно- стью их комбинационного применения и введе- нием определённых изменений. К таким методам можно отнести метод опорных векторов, методы нечёткой логики, нейро-нечётной логики, штуч- ных нейронных сетей и.т.д. Обеспечение же проектируемого протеза си- стемой обратной связи, так же возможно путём комбинации различных решений, например – на основании датчиков давления, ультразвуковых датчиков, вибро-моторов и других конструктор- ских идей, связанных со сбором и передачей так- тильной информации к телу пользователя. Учитывая мобильность рассматриваемых устройств и их функциональное предназначение, не менее важным остается вопрос обеспечения питания в бионических протезах, где габаритные размеры и емкость используемых источников питания должны обеспечивать энергонезависи- мость протеза хотя бы на 5 часов беспрерывной работы. Итак, исходя из проанализированной инфор- мации, авторами было определено основные особенности проектирования бионических про- тезов верхних конечностей, которые будут ис- пользованы в дальнейшем построении собствен- ного устройства. Авторами был выделен метод электромио- графии, как основной и наиболее распространён- ный метод организации систем управления био- нических протезов, который и будет использован в качестве базиса при проектировании собствен- ного инженерного решения. Для упрощения процесса проектирования и изготовления протеза авторами планируется ис- пользование готовой системы измерения элек- тромиографического сигнала, с последующим построением математической модели его вери- фикации, в зависимости от типа используемых в исследовании движений верхней конечности. Основной целью разработки нового устрой- ства является создание бионического протезного решения, для использования его в случаях ча- стичной ампутации пальцев рук и возможной дальнейшей организацией системы вибро-так- тильной обратной связи. 1. Clement, R.G.E. Bionic prosthetic hands: A review of present technology and future aspirations // The Surgeon. – 2011. – № 9. – С. 336-340. 2. Rubanna H.C, Mamun B.I.R, Mohd A.B.M.A. Surface Electromyography Signal Processing and Classification Techniques // Sensors. – 2013. – № 13. – C. 12431-12466. 3. Balbinot A, Schuck A.J, Favieiro G.W. Decoding Arm Movements by Myoelectric Signal and Artificial Neural Networks // Intelligent Control and Automation. – 2013. – № 4. – C. 87-93. 9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016» 38 УДК 621.382 МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ С УПРАВЛЯЕМЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ Воробей Р.И., Гусев О.К., Свистун А.И., Тявловский К.Л., Шадурская Л.И., Костина Г.А., Буйневич М.В. Белорусский национальный технический университет Минск, Республика Беларусь Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) некоторых измерительной системы должны быть чувствительны как к мощности оптического из- лучения, так и к его спектральному диапазону (длины волны максимума спектральной плотно- сти). При этом, например, для диагностики им- пульсных плазменных разрядов должно обеспе- чиваться быстродействие фотоприемника на наносекундном уровне. Применение традицион- ных фотоприемников обеспечивает пригодность, основанного на нем оптического метода диагно- стики, в ограниченной области параметров кон- тролируемого объекта. В любом случае сущ- ность оптических методов сводится к регистра- ции абсолютной и относительной интенсив- ностей спектральных линий, полуширины, формы контуров спектральных линий и т.п. Результаты моделирования ФЭП с много- зарядными примесями показывают, что на зависимости времени жизни основных и неосновных носителей заряда от плотности мощности оптического излучения существуют две области линейной рекомбинации, разделен- ной областью нелинейной рекомбинации. Зависимости, связывающие конструктивные и выходные параметры ФЭП (рисунок 1) харак- теризуют возможность управления границами поддиапазонов линейности ФЭП с глубокими примесями, т.е. динамическим диапазоном за счет целенаправленного изменения концентра- ции глубокой акцепторной примеси. Автомати- ческая перезарядка уровней примеси в разных зарядовых состояниях глубокой многозарядной примеси при увеличении плотности мощности оптического сигнала приводит к формированию двух поддиапазонов энергетической характери- стики фотоприемника. Первый поддиапазон со- ответствует линейной рекомбинации при низких плотностях мощности оптического излучения, меньших некоторого порогового значения РL, а второй поддиапазон линейности энергетической характеристики наблюдается при высоких плот- ностях мощности оптического излучения боль- ших РH. При изменении мощности оптического излу- чения происходит изменение концентрации за- рядовых состояний примеси с разными энерги- ями ионизации и автоматическое переключение между уровнями по мере их заполненности соот- ветственно мощности оптического излучения. Результатом является расширение динамиче- ского диапазона чувствительности фотоприем- ника. Рисунок 1 – Зависимость границ поддиапазонов энергетической характеристики ФЭП от концентрации примеси акцепторной природы Параметрами ФЭП в линейных областях энергетической характеристики можно управ- лять как на стадии изготовления фотоприёмной структуры, так и в уже готовой структуре ис- пользуя, например, дополнительные воздей- ствия. Так положение границ областей PL и PH можно синхронно изменить на несколько деся- тичных порядков при изменении концентрации примеси (Ge(Cu)) от 1012 до 1015 cm-3 (рисунок 1). Положение конкретной энергетической характе- ристики ФЭП внутри пространства обобщенных характеристик определяется типом материала полупроводника и примеси. Структура многофункционального датчика в общем случае может включать совокупность одного или нескольких конструктивно объеди- ненных чувствительных элементов, размещен- ных в зоне действия нескольких физических ве- личин, а также формирующих соответствующие сигналы посредством преобразовательных (пере- даточных) функций. Целесообразно воспользо- ваться физической интеграцией процессов внутри объема чувствительного элемента, при- няв за основу полупроводниковую поверх- Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности 39 ностно-барьерную структуру (ПБС) МФД, например, металл-полупроводник-металл (с про- слойкой окисла, глубокими и мелкими примес- ными центрами). Как среда, в которой возможны хранение и обработка информации ПБС содержит три физи- чески различимых и электрически связанных области (поверхность – область пространствен- ного заряда (ОПЗ) – объем), границы которых, представляющие собой статические неоднород- ности, могут служить средством выявления диффузионно-дрейфовых потоков носителей заряда, создаваемых внешними воздействиями. Основой применения объемно перезаряжае- мых светом и электрическим смещением струк- тур является изменение времени жизни и по- движности неравновесных носителей заряда в результате их перераспределения по уровням рекомбинации и прилипания многозарядной примеси. Например, одноэлементная МФД структура МФД с расширенным и переключае- мым диапазоном энергетической характеристики работает следующим образом: при изменении мощности оптического излучения происходит изменение концентрации зарядовых состояний примеси с разными энергиями ионизации и ав- томатическое переключение между уровнями по мере их заполненности, соответственно мощно- сти оптического излучения. Результатом явля- ется расширение динамического диапазона чув- ствительности фотоприемника и реализация ав- томатического переключения передаточной характеристикой фоточувствительности. Одно- временно с переходом от одной линейной обла- сти к другой происходит и изменение быстро- действия фотоприёмника на основе полупровод- ника с многозарядной примесью акцепторного типа. Изменяя интенсивность излучения из области собственного поглощения можно управлять кон- центрацией примеси в различных зарядовых со- стояниях с разными уровнями энергии иониза- ции. В зависимости от плотности мощности оп- тического сигнала (дополнительного из области собственного поглощения, или основного) реа- лизуются различные зарядовые состояния много- зарядной примеси и, соответственно, спектраль- ные характеристики с максимумами на длине волны λ1 или λ2 (рисунок 2), переключаемые под воздействием управляющего излучения с длиной волны λ0. Управление уровнем интенсивности P управляющей подсветки позволяет регулировать вид спектральной характеристики. Изменение интенсивности управляющей подсветки на длине волны λ0 позволяет изменять относительную чувствительность фотоприемного устройства к излучению в диапазоне длин волн λ1…λn из об- ласти примесного поглощения. При мощности управляющего излучения λ0 P
PВ работает уровень Е1 и фотоприемное
устройство чувствительно к излучению с длиной
волны λ2. Таким образом, за счет изменения ин-
тенсивности управляющей подсветки из области
собственного поглощения включается спек-
тральная чувствительность одной и той же фото-
чувствительной области фотоприемного устрой-
ства либо к спектральной области λ1, либо – λ2,
причем при работе с интенсивностью управляю-
щего излучения P>PВ существенно расширяется
динамический диапазон чувствительности фото-
приемного устройства.
Рисунок 2 – Переключение спектральной
зависимости одноэлементного ФЭП
Для реализации оперативного управления ви-
дом спектральной характеристики при использо-
вании традиционных фотоприемников понадо-
билось бы использование в одном устройстве
нескольких фотоприемников, каждый с оптиче-
ским фильтрующим элементом, настроенным на
различные области спектра, светоделительное
устройство и схему объединения электрических
сигналов. Такие многофункциональные ФЭП
могут использоваться в мультиволновых каналах
связи, что позволит при тех же характеристиках
канала связи сократить число фотоприемников.
При этом чувствительность системы (энергети-
ческий запас) даже несколько повысится за счет
исключения светоделительных элементов из оп-
тического тракта канала связи.
Многофункциональные датчики можно при-
менить и в различных оптических схемах обра-
ботки сигнала, например, схеме синхронного
оптического детектора, реализующего передачу
и информационного и опорного сигнала синхро-
низации одним оптическим сигналом, причем
информационный сигнал передается, например,
параметром "мощность оптического сигнала", а
сигнал синхронизации – параметром "длина
волны оптического сигнала". При этом в обоих
каналах используются МФД с переключаемыми
характеристиками энергетической и спектраль-
ной чувствительности.
λ0 λ
J P2
P1
λ1 λ2
1
2
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
40
УДК 621.382
ШИРОКОДИАПАЗОННЫЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В СИСТЕМАХ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
Воробей Р.И., Гусев О.К., Свистун А.И., Тявловский К.Л., Шадурская Л.И.,
Костина Г.А., Буйневич М.В.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Многие задачи в физике, медицине, метроло-
гии, технической диагностике решаются путем
регистрации изображений областей, находя-
щихся в рассеивающих оптическое излучение
средах. Поэтому актуальными задачами исследо-
ваний в области технической диагностики явля-
ются как изучение методов формирования тести-
рующего оптического излучения, так и методов
регистрации параметров источников излучения и
параметров вторичного излучения диагностиру-
емой среды, с учетом гетерогенности свойств
объектов контроля. Важной задачей при разра-
ботке принципов построения систем оптической
диагностики является оценка возможностей пер-
вичных преобразователей системы диагностики
на основе широкодиапазонных фотоэлектриче-
ских преобразователей. В основе оптических
методов диагностики лежат как определенные
модели исследуемого объекта, так и модели оп-
тического сигнала и процессов формирования
оптических характеристик такого сложного объ-
екта, каким является, например, неоднородная
нестационарная плазма. Одной из основных про-
блем при разработке методов оптической диа-
гностики и интерпретации диагностических дан-
ных является сложный характер распростране-
ния света в биотканях. Аналитически эта задача
не может быть решена в общем случае в силу
сложной структуры биотканей. Они являются
существенно более мутными средами, чем туман
– оптически неоднородные поглощающие среды.
За счет многократного рассеяния и поглощения
при распространении в биоткани лазерный пучок
уширяется в поперечном направлении и затухает
– в продольном. Формируется значительный
поток излучения в обратном направлении (об-
ратное рассеяние). Основными рассеивателями
биотканей являются клеточные мембраны, ядра,
митохондрии и гранулы меланина в клетках. Оп-
тическая диагностика широко применяется при
контроле состояния технических объектов и
сложных систем, в том числе, в режиме «реаль-
ного времени». Особенно, применение методов
оптической диагностики целесообразно в проти-
воположных случаях, когда необходимо макси-
мально исключить влияние средств измерения на
объект контроля (невозмущающие методы диа-
гностики), или в случае, когда сам объект кон-
троля представляет опасность для измерительной
аппаратуры и оператора (человека). Например,
метод оптической диагностики используется при
стендовой отработке ракетного двигателя и ос-
нован на измерении спектра излучения факела
двигателя, выделении в спектре линий химиче-
ских элементов, уносимых с элементов кон-
струкции двигателя или присутствующих в каче-
стве загрязнений в топливе, внутридвигательных
полостях и в стендовых системах, и оценки сте-
пени износа и загрязнений. Важной областью
климатологических исследований является мо-
ниторинг оптического состояния атмосферы. Для
мониторинга высотного распределения компо-
нентов атмосферы предназначены лидары. Ли-
дары для исследования озона и аэрозоля в стра-
тосфере составляют основу сети NDSC (Network
for the Detection of Stratospheric Change). Техни-
ческие требования к лидарным системам преду-
сматривают обеспечение измерений оптических
характеристик аэрозольного слоя, и обратного
рассеяния аэрозоля.
Типовые фотоэлектрические преобразователи
(ФЭП) характеризуются относительно низким
динамическим диапазоном (40-50 дБм) энергети-
ческой характеристики. При этом, для ряда ме-
тодов изменения мощности оптических сигналов
достигают 106-107, а в ряде случаев паразитная
засветка от объекта контроля или источника те-
стирующего воздействия превышает и эту вели-
чину. Диапазоны преобразования существующих
фотоэлектрических преобразователей являются
недостаточными, что приводит к необходимости
в одном диагностическом приборе использовать
несколько измерительных преобразователей од-
ного типа с различными диапазонами. Указан-
ные проблемы могут быть решены при исполь-
зовании широкодиапазонных фотоэлектрических
и измерительных преобразователей [1], позволя-
ющих преобразовывать широкодиапазонные
измерительные сигналы без переключения ин-
формационных каналов систем оптической диа-
гностики.
Еще одной задачей при построении систем
оптической диагностики является восстановле-
ние образа «по прецеденту», заключающееся в
построении алгоритма восстановления на основе
эталонной пары «идеальное изображение - иска-
женное изображение» и его использование для
других сигналов того же класса. Общая схема
преобразования данных (рисунок 1) состоит из
двух этапов «обучение» и «обработка» изобра-
жений (образов).
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
41
а)
б)
1 – модель системы искажений;
2 –формирование признаков; 3 – классификатор;
4 – оценка погрешности
Рисунок 1 – Схема преобразования образов в
системе оптической диагностики: а) обучение;
б) обработка
Для построения таких систем возможно ис-
пользование как дискретных координатно-чув-
ствительных приборов, так и аналоговых прибо-
ров с протяженной фоточувствительной поверх-
ностью. К последним можно отнести
позиционно-чувствительные линейные фотопри-
емники, фоторезисторы, полупроводниковые
сканисторы, а также полупроводниковые фото-
диоды с продольным фотоэффектом. Для многих
приложений применение аналоговых фотопри-
емников предпочтительно с точки зрения высо-
кой разрешающей способности, быстродействия,
простой технологии изготовления.
В ряде случаев системы оптической диагно-
стики используют анализ излучения на различ-
ных длинах волн. Многофункциональные широ-
кодиапазонные детекторы (МФД) позволяют
путем инжекции носителей заряда (изменение
интенсивности управляющей подсветки на длине
волны λ0, или инжекция через дополнительный
электрод) в фоточувствительную область позво-
ляет изменять относительную чувствительность
фотоприемного устройства к излучению в диапа-
зоне длин волн λ1…λn из области примесного
поглощения. При этом реализуется возможность
управления видом спектральной характеристики
МФД, выполненного в одном объеме полупро-
водникового материала, расширение спектраль-
ного и динамического диапазона, исключение
оптических фильтрующих элементов для форми-
рования требуемого вида спектральной характе-
ристики при использовании нескольких фото-
приемников.
Например, при использовании в качестве од-
ноэлементного фотоприемника с многозарядо-
выми примесями структуры Ge(Cu) реализуется
переключение вида спектральной характерис-
тики, определяемой включением зарядовых
состояний на различных энергетических уровнях
(сдвиг красной границы спектральной
чувствительности на 4 мкм). Переключение
производится за время порядка постоянной
времени рекомбинации (10-5-10-8 с), в зависимос-
ти от материала МФД и уровня оптического
сигнала.
1
2
λ1
λ2
Выход
λ0
Рисунок 2 – Одноэлементный фотоприемник
с управлением характеристик по оптическому
каналу
Процессы формирования сигнала МФД свя-
заны с изменением эффективного времени жизни
и подвижности с уровнем инжекции. Зависи-
мость времени жизни основных τn и неосновных
τp носителей заряда от уровня возбуждения для
германия и кремния, легированного глубокими
примесями с несколькими многозарядными
уровнями, характеризуется диапазоном измене-
ния до четырех порядков величины.
Фотоприёмники оптико-электронных систем
контроля и диагностики должны обладать не
только высокой чувствительностью, но и устой-
чивостью к оптическим перегрузкам, особенно в
оптических системах с использованием лазеров,
характеризующимися большими плотностями
мощности оптического излучения.
Свойства одноэлементных фотоэлектриче-
ских преобразователей на основе собственных
полупроводников с малой концентрацией глубо-
ких примесей, формирующих несколько зарядо-
вых состояний, позволяют реализовывать ориги-
нальные способы измерения не только парамет-
ров оптического сигнала, но и перемещений, сил,
давления, их производных, обладающие повы-
шенной помехозащищенностью, линейностью
выходных характеристик и другими полезными
эксплуатационными свойствами.
1. Гусев, О.К. Проектирование и управление
метрологическими характеристиками
фотоэлектрических преобразователей на
основе полупроводников с многозарядными
примесями / О.К.Гусев, А.И.Свистун,
Л.И.Шадурская, Н.В.Яржембицкая // Датчики
и системы. 2011. № 1. – С. 19-23.
2. Гусев О.К. и др. Фотоприёмное устройство,
управляемое подсветкой. Патент № 15840 РБ,
МПК H 01L 31/16.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
42
УДК 621.382
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
Воробей Р.И., Гусев О.К., Свистун А.И., Тявловский К.Л., Шадурская Л.И.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Современные тенденции развития информа-
ционных технологий и обработки измерительной
информации связаны с развитием функциональ-
ной электроники и применением распределен-
ных информационно-измерительных систем. Для
последних характерна децентрализация первич-
ной обработки данных путем "интеллектуализа-
ции" датчиков. Внесение "интеллекта" в первич-
ные преобразователи возможно различными спо-
собами, среди которых одним из перспективных
является создание функциональных датчиков,
работающих на принципах интеграции физиче-
ских процессов в чувствительном элементе.
Например, разработка принципов действия мно-
гофункциональных фотоэлектрических датчиков
(МФД) основана на использовании неравновес-
ных электронных процессов в полупроводнико-
вых структурах, протекающих при комбинации
факторов внешних воздействий (электрическое и
магнитное поле, свет, температура, давление и
др.) и систематизации их особенностей.
Структура многофункционального датчика в
общем случае может включать совокупность
одного или нескольких конструктивно объеди-
ненных чувствительных элементов, размещен-
ных в зоне действия нескольких физических ве-
личин, а также формирующих соответствующие
сигналы посредством преобразовательных (пере-
даточных) функций. Целесообразно воспользо-
ваться физической интеграцией процессов
внутри объема чувствительного элемента, при-
няв за основу полупроводниковую поверх-
ностно-барьерную структуру (ПБС) МФД,
например, металл-полупроводник-металл (с про-
слойкой окисла, глубокими и мелкими примес-
ными центрами).
Как среда, в которой возможны хранение и
обработка информации ПБС содержит три физи-
чески различимых и электрически связанных
области (поверхность – область пространствен-
ного заряда (ОПЗ) – объем), границы которых,
представляющие собой статические неоднород-
ности, могут служить средством выявления
диффузионно-дрейфовых потоков носителей
заряда, создаваемых внешними воздействиями.
Преобразование входной физической (чаще
неэлектрической) величины в выходной сигнал
датчика (напряжение, ток) осуществляется через
протекание определенного физического процесса
в объеме чувствительного элемента. Такое пре-
образование отличается тем, что на входе дей-
ствуют одновременно несколько физических
величин, изменение даже одной из которых со-
провождается протеканием целого ряда физиче-
ских явлений. Таким образом, преобразователь-
ная (передаточная) характеристика датчика явля-
ется сложной функцией параметров хi,
исследуемого (на входе) процесса и параметров z
измерительного сигнала. Выбор структуры мно-
гофункционального датчика зависит от условий
формирования и измерения передаточной харак-
теристики, способа ее экспериментальной реали-
зации с учетом выявленных особых точек харак-
теристик чувствительности и особенностей из-
мерительного сигнала.
Исследования базовых структур на основе
полупроводников с собственной проводимостью
с глубокими многозарядными примесями пока-
зывают, что основой создания оптоэлектронных
многофункциональных датчиков являются нели-
нейные фотоэлектрические явления в поверх-
ностно-барьерных структурах, легированных
глубокими примесями. Основой применения
объемно перезаряжаемых светом и электриче-
ским смещением структур является изменение
времени жизни и подвижности [1] неравновес-
ных носителей заряда в результате их перерас-
пределения по уровням рекомбинации и прили-
пания многозарядной примеси.
Например, для МФД на основе германиевого
диода Шоттки с длиной компенсированной ме-
дью базой (ДШДБ) исследовались вольтампер-
ные характеристики (ВАХ) темнового тока и
полного тока при освещении излучением с дли-
ной волны λ = 1,5 мкм. При этом наблюдалось S-
образное переключение тока, несколько ква-
зиустойчивых по току состояний и внутреннее
усиление сигнала (до 106 раз). В работе ДШДБ
используется двойная инжекция (неосновных
носителей заряда через барьер металл-полупро-
водник, основных носителей – из омического
электрода) и (τ, µ) – механизм инжекционного
тока. S-образное переключение наступает после
накопления в базе диода определенной величины
заряда Q неравновесных дырок, для генерации
которых в приборе имеется три возможных фи-
зических канала: инжекция через контакт, фото-
возбуждение в полупроводнике и фотоэмиссия
из металла, управляемая соответственно напря-
жением и светом. Поскольку величина Q опреде-
ляется обоими компонентами экспозиции Н =
I×t (и интенсивностью света I и временем воз-
действия t, т.е. выдержкой), а также зависит от
прикладываемого напряжения V, то время пере-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
43
ключения tпер прибора из высокоомного в низко-
омное состояние, интенсивность света и напря-
жение, приложенное к диоду, оказываются
функционально связанными параметрами. Это
позволяет при заданном значении V получить
функциональную зависимость tпер = f(I), а при
фиксированном значении I – однозначную связь
между временем переключения и приложенным
смещением tпер = ϕ (V).
Используя разные величины смещения при-
бора, можно "запрограммировать" время пере-
ключения на определенное значение освещенно-
сти (при данной длине волны) и использовать
таким образом МФД в качестве фотореле для
отключения исполнительного устройства при
достижении заданной экспозиции.
Большим разнообразием передаточных ха-
рактеристик отличаются явления перезарядки
глубоких центров на границах раздела и в при-
поверхностной ОПЗ полупроводника, где проис-
ходит дополнительное расщепление энергетиче-
ских уровней. Процессом перезарядки поверх-
ностных электронных состояний на границах
раздела и глубоких примесей в ОПЗ свойственны
модуляция параметров приповерхностного по-
тенциального барьера [2] (в первую очередь, ши-
рина и высота). Изменение ширины потенциаль-
ного барьера существенно влияет на протекание
тока в тех структурах, где превалирует туннель-
ный механизм переноса, а изменение высоты
барьера влияет на величину тока надбарьерной
эмиссии. Создание МФД на основе ПБС с моду-
ляцией высоты барьера предполагает введение в
ОПЗ полупроводника глубоких центров с асси-
метричными сечениями захвата для электронов и
дырок. Захват фотовозбужденных дырок на глу-
бокие уровни в ОПЗ вызывает уменьшение вы-
соты потенциального барьера. Поэтому такие
структуры, в отличие от обычных диодов и дио-
дов Шоттки, приобретают фоточувствительность
на прямой ветви ВАХ [2]. На основе базовой
структуры разработаны модифицированные ди-
оды Шоттки с компенсацией ОПЗ примесью
меди, формирующей глубокую примесь акцеп-
торного типа с несколькими зарядовыми состоя-
ниями. Наряду с высокой чувствительностью,
управляемой напряжением и приемлемым быст-
родействием (∼ 1 мкс) такие чувствительные
элементы обладают расширенной областью
спектральной чувствительности, поскольку ра-
ботают в режиме примесного фотоэффекта.
Поверхностно-барьерные структуры с двумя
потенциальными барьерами с глубокими много-
зарядными примесями в ОПЗ, сформированные с
противоположных сторон приборной структуры,
и образующие два встречно включенных диода
Шоттки разделенных длинной базой, демонстри-
руют немонотонную зависимость выходного
сигнала от длины волны λ, интенсивности света
I, величины приложенного напряжения V и гео-
метрического смещения ∆z, спроецированного
изображения от фронтальной к тыльной плоско-
сти структуры. Такая структура представляет
собой по существу функциональный преобразо-
ватель, в котором взаимосвязь четырех парамет-
ров I, λ, V, ∆z дает возможность функциональ-
ного выражения одной физической величины
через другую (или совокупность нескольких ве-
личин) и использования прибора в качестве фо-
топриемника для определения и сравнения ин-
тенсивностей излучения в разных спектральных
диапазонах, детектора длины волны монохрома-
тического излучения, фотоприемника в опто-
электронных системах приема и передачи ин-
формации, координатночувствительного эле-
мента.
Таким образом, одноэлементные чувстви-
тельные элементы, физические процессы в кото-
рых связаны с явлениями перезарядки глубоких
многозарядных примесей как в объеме, так и в
ОПЗ полупроводника, характеризуются большим
разнообразием передаточных характеристик чув-
ствительности к одному или нескольким физиче-
ским факторам. Это позволяет реализовать мно-
гопараметрические измерительные преобразова-
тели на базе одноэлементного МФД с одним
измерительным каналом.
Многообразие характеристик оптоэлектрон-
ных многофункциональных датчиков гораздо
шире приведенных примеров. Накопленные экс-
периментальные данные и теоретические модели
дают основание рассматривать ПБС с глубокими
многозарядными примесями в качестве единой
физической и технологической основы для со-
здания многофункциональных датчиков неэлек-
трических величин.
1. Гусев, О.К. Проектирование и управление
метрологическими характеристиками фото-
электрических преобразователей на основе
полупроводников с многозарядными при-
месями / О.К. Гусев, А.И. Свистун,
Л.И. Шадурская, Н.В. Яржембицкая //
Датчики и системы. 2011, № 1. – С. 19-23.
2. Гусев, О.К. Управление высотой
потенциального барьера в приборных
структурах на основе полупроводников с
глубокими примесями / О.К. Гусев,
Л.И. Шадурская, Н.В. Яржембицкая // Мате-
риалы и структуры современной электро-
ники: сб. научн. тр. IV Международной
научной конференции, Минск, 23-24 сентября
2010 г., БГУ; редкол.: В.Б.Оджаев [и др.]. –
Минск, 2010. – С. 116-118.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
44
УДК 544.22:544.08
ОДНОЭЛЕКТРОДНЫЕ ГАЗОВЫЕ ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ КОМПОЗИЦИИ WO3—In2O3
Гайдук Ю.С.1, Гуляева Н. М.2, Савицкий А.А.1, Соколов А.В.3
1Белорусский государственный университет
2НП ОДО «Фармэк»
3 Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси
Минск, Республика Беларусь
Традиционно полупроводникове газовые дат-
чики имеют двухэлектродную конструкцию, при
которой газочувствительный материал нанесён
между парой металлических электродов (Pt, Au,
Ni и т.д.), а третий металлический электрод
(обычно Pt) используется для нагрева подложки.
Известное распространение получили также дат-
чики, имеющие в своей конструкции лишь один
электрод (рисунок 1). На тонкой Pt-проволоке
(20÷50 мкм) сформирована спираль (обычно 7 –
13 витков), на которой при нагревании постоян-
ным током наносят коллоидный раствор гидрок-
сидов определённых металлов или их компози-
ций. После отжига при повышенной температуре
вокруг спирали формируется цилиндрическая
или шаровидная капсула.
В первом приближении относительный от-
клик одноэлектродного газового датчика опреде-
ляется по уравнению
,
(1)
где RPt и RMeO – сопротивление платиновой спи-
рали и полупроводниковой металлооксидной
капсулы, соответственно, а RMeО(air) и RMeO(gas) –
сопротивление оксида металла на воздухе,
и в атмосфере, содержащей определяемый
газ. [1].
Методика эксперимента. Вольфрамовая
кислота осаждалась из 1,23M р-ра вольфрамата
натрия 12M р-ром азотной кислоты.
(Na2WO4×2H2O капельно добавляли к раствору
HNO3 при интенсивном перемешивании). Терми-
ческое разложение H2WO4×H2O при температу-
рах выше 200 °С приводит к образованию WO3.
Оксид индия In2O3 получали осаждением
9,24 М р-ром аммиака гидрооксида индия из
0,78 М р-ра In(NO3)3×4,5H2O, последующий от-
жиг ксерогеля при 200 – 800 °С приводил
к получению нанокристаллического In2O3. Оксид
галлия получали аналогичным образом после
растворения металлического галлия в разб. азот-
ной кислоте. Золи WO3, In2O3 и Ga2O3 смешива-
лись в необходимых пропорциях.
Чувствительные элементы (ЧЭ) одноэлек-
тродных датчиков, представляющие собой сфор-
мированную на спирали из Pt-проволоки кера-
мическую капсулу, изготавливали по методике,
использованной ранее [2]. ЧЭ после формирова-
ния отжигали при 140 мА в течение 3 ч.
Исследовались датчики, содержащие
в качестве ЧЭ керамический материал на основе
WO3—In2O3 (3 % мас. In2O3), и WO3—In2O3 (5 %
мас. WO3), а также тройной композиции In2O3–
Ga2O3 (4 % мас.)–WO3 (5 % мас.)
Чувствительность (сенсорный отклик) S, мВ,
определяли по формуле S = U0 – Ug, где U0
напряжение на выводах датчика при нагреве
спирали постоянным током 11 – 201 мА на
воздухе, Ug – при воздействии анализируемой
газовой смеси. Потребляемая мощность по
формуле P = U × I.
1-корпус, 2-токоподводы, 3-Pt-электрод,
4 - нагревательный элемент в виде спирали,
5-керамическая капсула (ЧЭ),
6 - газопроницаемый колпачок
Рисунок 1 – Схема одноэлектродного
(керамического) сенсора
Рентгенографические исследования компози-
ции образцов WO3—In2O3 при различных темпе-
ратурах отжига проводились при помощи ди-
фрактометра ДРОН-3 (Cо-Кα1–излучение).
Обсуждение результатов. В указанных усло-
виях отжига и эксплуатации ЧЭ датчиков пред-
ставляли собой наногетерофазный материал, со-
стоящий из моноклинной WO3 (PDF 87–2404) и С–
In2O3 (PDF 6–416). Образование примесных фаз
соединений и твёрдых растворов на основе WO3 и
In2O3 не обнаружено.
ЧЭ из чистых In2O3 и WO3 в составе газовых
датчиков с рабочей температурой до 350 °С де-
монстрирует определённую чувствительность к
газам окислительной и восстановительной при-
роды, в т.ч. к СH4, C3H8, CO, NO2 (рисунок 2а),
однако такие датчики не селективны между ука-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
45
занными газами, и обладают сравнительно высо-
кой мощностью. С целью повышения электро-
проводности и снижения мощности одноэлек-
тродных датчиков на основе In2O3 индия
применяют допирование другими оксидами,
обычно оксидом галлия [2].
ЧЭ одноэлектронных датчиков из чистого
WO3 обладает очень малой чувствительностью
ко всем исследованным газовоздушным смесям
(сигналы не превышают 10 – 12 мВ).
На рисунке 2 представлена чувствительность
к газовым смесям одноэлектродных датчиков на
основе In2O3. Датчики, содержащие в своём со-
ставе чувствительные элементы на основе чи-
стых WO3 и In2O3 демонстрируют определённую
чувствительность к СН4 и СО (Smax = 50 % и 10 %
соответственно для WO3, Smax = 80 % и 90 % для
In2O3). Введение в состав газочувствительного
слоя на основе In2O3 добавки оксида вольфрама
WO3 приводит к существенному увеличению
чувствительности к обоим газам, причем к СН4
в наибольшей степени (к СО – в 2 раза, к СH4 – в
4 раза).
1 – 0,1 % об. CН4/N2, 2- 0,1 % об. CO/N2;3 – In2O3,
10 ppm NO2/воздух
Рисунок 2 – Зависимость чувствительности
датчика In2O3 от мощности
Использование смешанной оксидной компо-
зиции WO3 + 3 % мас. In2O3 в качестве материала
для формирования ЧЭ полупроводниковых од-
ноэлектродных газовых датчиков позволяет де-
тектировать СO, СH4 и NO2. Время достижения
максимального сигнала не превышало 30 с для
0,1 % об. СH4 в азоте, 60 с для 0,3 % об. СО в
воздухе и в азоте с быстрым временем возврата
(до 10 с). Сигналы выше наблюдаемых для чи-
стого In2O3 и смещены к меньшим рабочим тем-
пературам ЧЭ, что сопровождается снижением
потребляемой мощности. Максимальная чувс-
ствительность ЧЭ на основе In2O3 и WO3+3 %
мас. In2O3 к 10 – 50 ppm NO2 в воздухе наблюда-
ется при 80 – 100 мВт, к 9,8 ppm CH4 в воздухе –
при ≈ 200 мВт, к 0,3 % мас. СО в азоте и в воз-
духе – при 200 ÷ 250 мВт (рисунок 3).
1- 0,3 % об. CО/N2; 2– 0,3 % об. CО/воздух ; 3 –
10 ppm NO2 /воздух
Риунок. 3 – Зависимость чувствительности
датчика на основе In2O3–WO3 (5 %)–– Ga2O3(4 %)
и композиции In2O3—5 % мас. WO3 от мощности
Введение добавки Ga2O3 (4 % мас.) в состав
композиции In2O3–WO3 (5 %) приводит
к дальнейшему увеличению газовой чувстви-
тельности ко всем исследованным гахзовоздуш-
ным смесям, и в особенности к 10 ppm NO2. Та-
ким образом, введение в состав оксида индия
добаки WO3 (5% мас.), и, особенно совместное
введенние добавок оксида вольфрама (5 % мас.)
и Ga2O3 (4 % мас.) позволяет изготавливать дат-
чики, обладающие высокой чувствительноситью
к низким концентрациям диоксида азота. Чув-
ствительность таких датчиков к 10 ppm NO2 ока-
зывается заметно выше, чем для исследованных
ранее и рекомендованных для практического
применения в целях обнаружения диоксида азота
в атмосфере на уровне ПДК и ниже одноэлек-
тродных датчиков на основе композиций In2O3–
Ga2O3-Fe2O3 и In2O3–Ga2O3–ZnO.
1. Korotchenkov, G. Practical aspects in design of
one-electrode semiconductor gas sensors: Status
report / Г. Коротченков // Sens. and Actuators
B. Сhem. – 2007. – Vol. 121. – P. 664 – 678.
2. Савицкий А.А., Гайдук Ю.С., Гуляева Н.М.,
Таратын И.А. Одноэлектродные газовые
датчики для детектирования диоксида азота:
«Менделеевские чтения – 2016»: материалы
республиканской научно-практической кон-
ференции по химии и химическому
образованию, 26 февраля 2016 г. / редкол.:
Ступень Н.С. (под об. ред.) [и др.]. – Брест,
БрГУ им. А.С.Пушкина, 2016 – с. 230. С. 67 – 72.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
46
УДК 620.179.11
АНАЛИЗ ВИЗУАЛИЗИРОВАННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
Гусев О.К.1, Жарин А.Л.1, Тявловский А.К.1, Тявловский К.Л.1, Воробей Р.И.1, Мухуров Н.И.2
1Белорусский национальный технический университет
2ГНПО «Оптика, оптоэлектроника и лазерная техника»
Минск, Республика Беларусь
Задачей исследования являлось обеспечение
контроля электрофизических свойств поверхно-
сти и качества элементов прецизионных сеток с
высоким пространственным разрешением на
основе использования средств зондовой элек-
трометрии. Контроль осуществляется на основе
бесконтактных измерений пространственного
распределения электрического потенциала (кон-
тактной разности потенциалов, КРП) исследуе-
мой поверхности и определения статистических
характеристик такого распределения. В качестве
измерительного преобразователя используется
сканирующий электрометрический зонд Кель-
вина, результаты контроля представляются в
виде визуализированной карты распределения
электрофизических параметров с кодированием
их значений условными индексными цветами.
Значение измеряемой контактной разности по-
тенциалов определяется разностью значений
работы выхода электрона (РВЭ) зонда и поверх-
ности образца в данной точке поверхности. По-
скольку РВЭ является высокочувствительным
параметром по отношению к любым нарушениям
структуры поверхности, выявление на визуали-
зированном изображении отклонений локальных
значениях этого параметра от средних для дан-
ной поверхности позволяет неразрушающим
способом выявлять и локализовать дефекты по-
верхностей, в том числе прецизионных [1].
Примеры визуализированных изображений
пространственного распределения электрофизи-
ческих свойств прецизионных поверхностей
элементов прецизионных сеток для сенсорных
устройств (датчиков потока космической
плазмы), полученных с помощью разработанной
методики, приведены на рисунках 1-3. В соот-
ветствии с методикой контроля, при анализе
изображений используются гистограммы рас-
пределения значений КРП, вид которых для ука-
занных изображений приведен на рисунках 4-6.
На основании теоретического моделирования
и сопоставления экспериментально полученных
результатов исследования пространственного
распределения электрофизических свойств пре-
цизионных поверхностей с данными других ме-
тодов исследования (измерений поверхностной
микротвердости, износостойкости, металлогра-
фического исследования и др.) [2-4] были сфор-
мулированы критерии анализа получаемых визу-
ализированных изображений, краткая суть кото-
рых сводится к следующему:
Рисунок 1 – Визуализация распределения
электрофизических свойств образца № 1
Рисунок 2 – Визуализация распределения
электрофизических свойств образца № 7
Рисунок 3 – Визуализация распределения
электрофизических свойств образца № 14
1. Более высоким качеством обладают по-
верхности, характеризующиеся большей одно-
родностью распределения электрофизических
свойств (меньшей полушириной гистограммы
распределения). Из приведенных примеров
наибольшим качеством характеризуется поверх-
ность образца № 14 (полуширина гистограммы
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
47
распределения 5 мВ), а наименьшим - № 1 (по-
луширина гистограммы распределения 23 мВ).
Рисунок 4 – Гистограмма распределения
электрофизических свойств образца № 1
Рисунок 5 – Гистограмма распределения
электрофизических свойств образца № 7
Рисунок 6 – Гистограмма распределения
электрофизических свойств образца № 14
2. Наибольшей механической прочностью и в
целом лучшими механическими свойствами, при
прочих равных условиях, обладают поверхности
с наиболее низкими значениями контактной раз-
ности потенциалов, что соответствует наиболь-
шим значениями работы выхода электрона и по-
верхностной энергии. В данном случае
наибольшую микротвердость поверхности
демонстрирует образец № 14, характеризую-
щийся средним значением КРП поверхности
179 мВ.
3. Наличие второй моды в гистограмме рас-
пределения значений контактной разности по-
тенциалов указывает на наличие значимых по
площади дефектных областей на соответствую-
щей поверхности образца.
4. На визуализированных изображениях рас-
пределения электрофизических свойств поверх-
ности можно с высокой степенью достоверности
выделить следующие основные типы дефектов:
а) Плавное изменение значений контактной
разности потенциалов к краю или определенной
(как правило, крупной по площади) области об-
разца указывает на неравномерность формирова-
ния покрытия поверхности. В приведенных при-
мерах данный дефект в различной степени
наблюдается на всех трех образцах.
б) Локальные изменения значений контакт-
ной разности потенциалов, как правило, в сто-
рону их повышения, указывают на загрязнение
поверхности адсорбированными инородными
атомами или молекулами. В частности, лучеоб-
разные расходящиеся линии на визуализирован-
ном изображении образца № 1 могут являться
следами течения капель жидкости при промывке
и/или просушке поверхности.
в) Локальные понижения значений контакт-
ной разности потенциалов, прослеживаемые на
обеих (верхней и нижней) поверхностях образца,
отражают остаточные механические напряжения
и/или пластические деформации в материале
образца. В частности, в числе приведенных при-
меров данный дефект прослеживается вдоль
продольной оси образца № 7.
1. Жарин А.Л., Зондовая электрометрия как
метод визуализации потенциального рельефа
поверхности функциональных материалов /
А.Л. Жарин, О.К. Гусев, Р.И. Воробей,
А.К. Тявловский, К.Л. Тявловский,
А.И. Свистун, А.В. Дубаневич // Актуальные
проблемы физики твердого тела: сб. докл.
Междунар. Научн. конф. / под ред.
Н.М. Олехновича. – Мн.: Ковчег, 2013. –
С. 274-276.
2. Пантелеев К.В., Свистун А.И., Жарин А.Л.
Диагностика локальных изменений
пластической деформации по работе выхода
электрона. // Приборы и методы измерений.
2015, № 1 (10). – С. 56-63.
3. Шаронов Г.В., Жарин А.Л., Мухуров Н.И.,
Пантелеев К.В. Контроль металлических
поверхностей, обработанных алмазным
наноточением, по работе выхода электрона //
Приборы и методы измерений. 2015,
№ 2 (10). – С. 196-203.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
48
4. Пантелеев К.В., Свистун А.И., Жарин А.Л.
Экспериментальные исследования
локализации деформации в металлах по
топологии работы выхода электрона /
Перспективные материалы и технологии:
Материалы 4-го междунар. симпозиума. –
Витебск, ВГТУ. 2015. – C. 270-273.
УДК 681
УРАВНЕНИЯ ДИНАМИКИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО
ДАТЧИКА ГРАВИТАЦИОННЫХ МОМЕНТОВ С НЕСИММЕТРИЕЙ
Джилавдари И.З.1, Ризноокая Н.Н.1, Инсарова Н.И.2
1Белорусский национальный технический университет
2УО «Белорусский государственный медицинский университет»
Минск, Республика Беларусь
Гравиинерциальные датчики (ГИД), такие как
линейные и угловые акселерометры, сейсмо-
графы а также гравитационные градиентометры,
обладающие максимально возможной чувстви-
тельностью, обычно построены на основе упруго
подвешенной подвижной массы (ПМ), соверша-
ющей повороты относительно корпуса в преде-
лах малого угла вокруг фиксированной оси под
действием измеряемых сигналов [1-3]. Такие
ГИД должны иметь малую собственную частоту,
и низкий уровень шумов. Требуемый уровень
шумов и чувствительности могут обеспечить
емкостные датчики. В последнее время большое
внимание уделяется резонансным датчикам, в
которых электростатическое поле используется
для уменьшения крутильной жесткости подве-
сов.
Цель данной работы состоит в анализе в ли-
нейном и нелинейном приближениях динамики
ГИД с дифференциальной электростатической
системой съема полезного сигнала.
Описание электрической схемы датчика.
Общую схему датчика (рисунок 1) с дифферен-
циальной емкостной системой считывания сиг-
налов, можно назвать «трехслойной». Предпо-
ложим, что, вследствие технологических по-
грешностей, в системе нарушена симметрия, так
что между емкостями конденсаторов выполня-
ются соотношения С'1=С'3=С0 и С'2=С'4=(1+γ)С0,
где γ - параметр несимметрии электростатиче-
ской системы датчика. Учитывая, что емкости
С'1 и С'3, как и емкости С'2 и С'4, соединены па-
раллельно, введя обозначения γ1=1+γ и 2С0=Сs,
можно свести трехслойную схему к эквивалент-
ной «двухслойной» схеме, показанной на ри-
сунке 2. При анализе «двухслойной» схемы бу-
дет учтено наличие резисторов и дополнитель-
ных источников постоянного напряжения.
1 – проводящая ПМ, 2 – непроводящая пластина,
3 – электроды.
В центре показан упругий торсион
Рисунок 1 – «Трехслойная» схема
дифференциального датчика
Можно показать, что в схеме на рисунке 2
зависимость емкостей конденсаторов от угла
наклона ПМ дается формулами :
( )
ϕ+ϕ
ϕ
=ϕ
m
msCC1 , ( ) ϕ−ϕ
ϕγ
=ϕ
m
msCC 12 ,
0
02
h
S
Cs
ε
= , (1)
1
20 ln
a
a
L
h
m =ϕ ; 21
L
ra −= ;
22
L
ra += . (2)
Рисунок 2 – Эквивалентная «двуххслойная»
схема дифференциального датчика
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
49
Вывод формул динамики электростатиче-
ского ГИД. Полагаем, что момент силы трения
Mω пропорционален скорости вращения ПМ, т.е.
dt
d
DM
ϕ
=ω 0 . Тогда, учитывая связи между
направлениями моментов сил трения, сил инер-
ции, сил упругости и электростатических сил,
уравнение движения ПМ будет иметь вид
( )tM
C
qq
k
dt
d
D
dt
d
I
ms
z =ϕγ
γ−
−ϕ+
ϕ
+
ϕ
1
2
11
2
2
02
2
2
1
(3)
Составив уравнения электрического баланса
(уравнения Кирхгофа) в схеме на рисунке 2,
выразив токи, текущие через оба конденсатора, в
виде dt
dq
I 11 =
и dt
dq
I 22 =
, получим два уравнения
2
2
2
12
2
2
1
1
1
21
1
1 ,
VV
dt
dq
R
dt
dq
dt
dq
R
C
q
VV
dt
dq
R
dt
dq
dt
dq
R
C
q
+−=+
−+
+−=+
−+
. (4)
В частности, в статическом случае (при
отсутствии тока) на основании формул (4) и при
ϕ=0 заряды в конденсаторах могут быть
вычислены по формулам:
( )111 VVCqq ss −=≡ , ( )2122 VVCqq ss −γ−=≡
.
(8)
С точки зрения теории дифференциальных
уравнений система уравнений (3) - (4) является
«жесткой», что в нашем случае проявляется в
том, что при численном решении число шагов и
время расчета неограниченно растут при умень-
шении значений сопротивлений резисторов. Ре-
шение таких систем требует специальных алго-
ритмов, однако теория оценки точности решения
в общем случае еще не разработана.
Для аналитических исследований динамики
датчика линеаризируем систему (3) – (4), сведя
ее к одному линейному дифференциальному
уравнению четвертого порядка. Будем считать,
что заряды конденсаторов содержат соответ-
ствующие постоянные qs и переменные состав-
ляющие qv:
vs qqq 111 += , vs qqq 222 += . (9)
Сохраняя постоянные члены, а также члены,
линейные по 21 и, vv qqϕ , исключая члены, содер-
жащие произведения этих трех параметров,
получим искомые линейные уравнения для заря-
дов vq1 и vq2 , которые для краткости запишем их
матричном виде:
( )
( )
−=
+
+
+
+
+
tK
tK
q
q
p
q
q
dt
d
p
q
q
dt
d
p
q
q
dt
d
p
q
q
dt
d
p
v
v
v
v
v
v
v
v
v
v
2
1
2
1
0
2
1
1
2
1
2
2
2
2
1
3
3
3
2
1
4
4
4
, (5)
где коэффициенты, представленные в
соответствующих матрицах, даются формулами
( )
( ) ( )
( )
( )
( )
dt
tdM
bb
bb
PtM
b
b
tK
tK
1
2111
1221
1
21
1
2
1
2
1
τ+τγ
τ+τγ
+
+
+⋅
γ
=
;
zIap 124 γ= ; 01213 DaIap z γ+= ;
+
−
γ++=
Pk
Pk
aDaIp z 12012 ;
;
2
;
2
21
2
1
2
21
20
21
1
211
2
11
211
2
211
2101
γ
ϕ
−=
τγ
τ
τγ+
τγ+γ
ϕ
−+=
b
b
C
kp
P
bbba
bbba
C
kaDp
ms
ms
1211 γτ+τ=a ;
2
212 τ−ττ=a ; 2
2
1
2
21
msC
bb
P
ϕ
−γ
= .
В этих формулах введены следующие
обозначения:
sRC=τ , ( ) sCRR 11 +=τ , ( ) sCRR 22 +=τ ,
( )11 VVCb s −= , ( )22 VVCb s −= ,
( ) ( )
m
tM
tM
ϕ
=1
.
Пренебрегая малыми слагаемыми,
содержащими τi, найдем, что динамика датчика
описывается формулой
( ) )6(
2
2
2
2
1
2
21
1
21
1
2
1
2
1
2
21
2
2
1
0
2
1
2
2
ϕ
−γ
+⋅
γ
−=
=
γ
ϕ
−+
+
ms
v
v
msv
v
v
v
z
C
bb
tM
b
b
q
q
b
b
C
k
q
q
dt
d
D
q
q
dt
d
I
Уравнение (6) представляет собой линейное
дифференциальное. Из его вида можно сразу
установить некоторые особенности динамики
датчика, описываемой нелинейной системой
уравнений (3) – (4). В частности, видно, что
устранить влияние несимметрии датчика можно,
реализовав условие b1= γ1
1/2b2. В этом случае
уравнения для зарядов q1 и q2 совпадают между
собой. Также видно, что последнее слагаемое,
стоящее в квадратной скобке правой части (6) и
ответственное за появление фонового сигнала в
выходном сигнале датчика, пропадает.
1. Liu H., Pike W. T., Dou G. Design, fabrication
and characterization of a micro-machined gravity
gradiometer suspension // ratio. – 2014. – V. 1. –
Р. 3.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
50
2. Pike W. T. et al. Design, fabrication and testing
of a micromachined seismometer with NANO-G
resolution // Solid-State Sensors, Actuators and
Microsystems Conference, 2009.
TRANSDUCERS 2009. International. – IEEE,
2009. – Р. 668-671.
УДК 535-3, 535.314
СКАНЕР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ В ОБРАТНО-РАССЕЯННЫХ
РЕНТГЕНОВСКИХ ЛУЧАХ
Дудчик Ю.И., Хилько Г.И., Кучинский П.В., Новик А.Н., Новик М.И., Белый И.В.,
Крекотень О.В.
Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем
им. А.Н. Севченко» Белорусского государственного университета
Минск, Республика Беларусь
Рентгеновские лучи широко используются
для просвечивания изделий и материалов с це-
лью определения внутренних неоднородностей.
Комплекс аппаратуры для просвечивания содер-
жит источник рентгеновских лучей и цифровую
ПЗС-камеру или фотопленку. Объект располага-
ется между источником и камерой, изображение
получается за счет того, что различные участки
объекта по-разному поглощают рентгеновские
лучи. Такое изображение называется теневым. В
ряде случаев получить теневое изображение за-
труднительно из-за невозможности поместить
камеру или фотопленку в требуемом месте за
объектом. Поэтому, как дополнение к извест-
ному методу получения теневого изображения
объектов, в последние годы разрабатывается
методика получения изображения объектов с
использованием обратнорассеянных рентгенов-
ских лучей, регистрируемых детектором, распо-
лагаемым со стороны источника излучения. Пре-
имущества такой методики получения информа-
ции об объекте очевидны, поэтому разработка
рентгеновского сканера, работающего на основе
обратнорассеянного излучения, является акту-
альной проблемой.
Нами разработан рентгеновский сканер на ос-
нове обратнорассеянного рентгеновского излуче-
ния. Сканер содержит рентгеновскую трубку,
механическое сканирующее устройство для фор-
мирования рентгеновского пучка и детектор для
измерения интенсивности обратнорассеянных
рентгеновских лучей. Сканирующее устройство
содержит коллиматор рентгеновских лучей, кото-
рый перемещается в двух направлениях, и таким
образом формирует рентгеновский пучок в задан-
ном месте на объекте. Точность позиционирова-
ния рентгеновского луча на исследуемом объекте
при его удалении от источника излучения на
расстояние 500 мм составляет 1-3 мм. Частота
перемещения рентгеновского луча по исследуе-
мому объекту составляет не менее 1000 точек в
секунду. При поле сканирования 100х150 точек
время сканирования составляет 15-20 секунд.
В качестве источника излучения в сканере ис-
пользовался переносной рентгеновский аппарат
РЕЙС 25 с напряжением на трубке 21 кВ и током
92 мкА. Интенсивного обратнорассеянного рент-
геновского пучка измерялась счетно-вычисли-
тельным устройством, состоящим из сцинтилля-
ционного детектора на основе монокристалла
NaI(Tl) и фотоэлектронного умножителя [1,2].
Управление сканером и обработка информации
может осуществляться двумя способами: on-line
(то есть подчиняясь командам компьютера) так и
off-line (при помощи микроконтроллера). Про-
граммное обеспечения разработано на базе С++.
Разработаны алгоритмы и программы управления
работой сканирующего устройства.
Для проведения исследований с обратнорассе-
янным рентгеновским излучением собран макет
стенда, фотография которого показанна на
рисунке 1, структурная схема стенда показана на
рисунке 2.
1 – рентгеновская трубка, 2 – сканирующее
устройство, 3 – сцинтилляционный детектор,
4- объект, 5 - рентгеновская ПЗС-камера
Рисунок 1 – Фотография стенда (вид сверху)
Макет содержит рентгеновскую ПЗС-камеру
Photonic Science, которая позволяет визуализиро-
вать рентгеновский пучок в месте расположения
объекта и определять размер пучка с использова-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
51
нием программного обеспечения камеры. С ис-
пользованием макета проведены исследования по
определению интенсивности обратнорассеянного
рентгеновского излучения при облучении образ-
цов из различных материалов.
Рисунок 2 – Структурная схема стенда
В качестве образцов использовались:
− свинцовая пластина с прорезями в виде ре-
шетки, толщина пластины составляла 200 мкм,
ширина прорезей - 2 мм, расстояние между проре-
зями - 2 мм;
− решетка из пластмассы, толщиной 1,5 мм,
ширина прорезей - 3 мм, расстояние между проре-
зями - 3 мм, фотография решетки показана на
рисунке 3.
Образцы размещалась на расстоянии 160 мм от
источника рентгеновского излучения.
Рисунок 3 – Фотография решетки
из пластмассы
Сканирование исследуемых объектов рентге-
новским лучом проводилось в режиме on-line
пошагово. Для регистрации интенсивности обрат-
норассеянного рентгеновского излучения исполь-
зовалось электронно-вычислительное устройство
ЭВУ-1-4, предел измерения 1000 импульсов в
секунду, время счета составляло 1 секунду. При
последующей фиксации луч смещался в продоль-
ном направлении на 1 мм.
На рисунках 4 и 5 показаны зависимости ин-
тенсивности обратнорассеянного рентгеновского
излучения от положения рентгеновского пучка на
образце.
Сравнивая результаты, приведенные на рисун-
ках 4 и 5 можно сделать вывод о том, что интен-
сивность обратнорассеянного рентгеновского
пучка от пластмассы в несколько раз выше, чем от
свинца. Это хорошо известный факт [1], который
широко используется при досмотре с целью выяв-
ления скрытых объектов, содержащих материалы
с небольшим порядковым номером, которые
трудно выявить методом теневого изображения.
Рисунок 4 – Зависимость интенсивности
обратнорассеянного рентгеновского излучения
от положения рентгеновского пучка
на свинцовой пластине с прорезями
Рисунок 5 – Зависимость интенсивности
обратнорассеянного рентгеновского излучения
от положения рентгеновского пучка
на пластмассовой пластине с прорезями
Проведенные исследования показали, что раз-
работанный сканер позволяет сканировать об-
разцы со скоростью около 1000 точек в секунду
при точности позиционирования пучка на объекте
около 1 мм.
Благодарности
Работа поддержана Белорусским республикан-
ским фондом фундаментальных исследований,
проект Ф16Р-070.
1. В.А.Забродский. Применение обратно-
рассеянного рентгеновского излучения в
промышленности. – М.: Энергоатомиздат,
1989. – 120 с.
2. Физика визуализации изображений в
медицине: Т. 1: Пер. с англ. / Под ред.
С. Уэбба. – Мир, 1991.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
52
УДК 620.179.11
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКОГО ЗОНДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ
ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОЙ ФОТОЭДС
Жарин А.Л.1, Тявловский А.К.1, Тявловский К.Л.1, Воробей Р.И.1, Гусев О.К.1,
Пилипенко В.А.2, Петлицкий А.Н.2
1Белорусский национальный технический университет
2ОАО «ИНТЕГРАЛ» – управляющая компания холдинга «ИНТЕГРАЛ»
Минск, Республика Беларусь
В качестве базового метода измерений при
контроле распределения поверхностной фото-
ЭДС рассматривается метод вибрирующего кон-
денсатора, известный как метод Кельвина-Зис-
мана [1]. Для регистрации сигнала поверхност-
ной фотоЭДС в состав зарядочувствительного
измерительного преобразователя, дополнительно
введен импульсный источник оптического излу-
чения, обеспечивающего возбуждение контроли-
руемой оптоэлектронной структуры. Зарядочув-
ствительный измерительный преобразователь
обеспечивает бесконтактное измерение вели-
чины возникающего при этом нескомпенсиро-
ванного заряда на поверхности полупроводнико-
вой пластины. Импульс оптического излучения
обеспечивает возбуждение электронов в валент-
ной зоне полупроводника, что приводит к их пе-
реходу в зону проводимости при условии, что
энергия квантов оптического излучения превы-
шает ширину запрещенной зоны хотя бы для од-
ной из структур в освещенной области. Переход
электронов в зону проводимости приводит к раз-
делению зарядов в полупроводнике: в зоне про-
водимости возникает избыток отрицательно за-
ряженных электронов, а в валентной зоне – из-
быток положительно заряженных дырок.
Различие в подвижности электронов и дырок
приводит к их пространственному разделению,
следствием чего является возникновение в об-
разце электрического поля, формирующего зна-
чение потенциала поверхности, которое зависит
от свойств и характеристик исследуемой поверх-
ности в зоне воздействия оптическим излуче-
нием.
Для улучшения помехозащищенности (по-
вышения отношения сигнал-шум) предлагается
использовать модуляцию оптического излучения
в сочетании с фазовым (синхронным) детектиро-
ванием измерительного сигнала. Определение
ряда параметров легированных слоев
полупроводниковых пластин, в частности, опре-
деление примеси металлов (железа, меди и др.)
требует анализа спектральной зависимости по-
верхностной фотоЭДС, в связи с чем освещение
поверхности должно осуществляться оптическим
излучением нескольких (не менее 2) длин волн.
Таким образом, структурная схема электромет-
рического зонда для контроля пространствен-
ного распределения поверхностной фотоЭДС
должна включать две связанных подсистемы:
подсистему генерации модулированного оптиче-
ского излучения нескольких длин волн и подси-
стему регистрации сигнала поверхностной
фотоЭДС. Данные подсистемы различаются по
характеру взаимодействия с поверхностью
полупроводниковой пластины: воздействие
оптическим излучением изменяет зарядовое
состояние поверхности полупроводника (эффект
поверхностной фотоЭДС), тогда как
электрометрический зонд, находящийся по
статическим потенциалом, близким к потенциалу
поверхности, не оказывает какого-либо влияния
на последнюю и является только устройством
регистрации. В обоих случаях взаимодействие с
поверхностью является полностью
неразрушающим и обратимым.
Предлагаемая структурная схема электромет-
рического зонда для контроля пространствен-
ного распределения поверхностной фотоЭДС
приведена на рисунке 1. Блоки (узлы) 1–7 струк-
турной схемы составляют подсистему регистра-
ции сигнала поверхностной фотоЭДС, блоки 9–
13 – подсистему генерации модулированного
оптического излучения нескольких длин волн,
блок 8 – устройство управления, согласующее
работу указанных подсистем. В соответствии со
стандартной системой обозначений, тонкими
сплошными линиями на схеме показаны линии
электрической связи, прерывистой – линии ме-
ханической связи, широкими стрелками – линии
передачи цифровых данных (цифровые шины
данных).
Регистрация сигнала поверхностной
фотоЭДС осуществляется сеточным
электрометрическим зондом 1, подключенным
ко входу трансимпедансного предварительного
усилителя 2. Принцип работы
электрометрического зонда Кельвина-Зисмана
предполагает модуляцию тока в цепи
динамического конденсатора, представленного
системой электрометрический зонд –
поверхность, для чего в традиционной методике
измерения используется модуляция зазора между
обкладками динамического конденсатора за счет
механической вибрации зонда. В приведенной
схеме модуляция зазора обеспечивается приво-
дом вибрации 3. С учетом того, что оптическое
излучение также является модулированным, сиг-
нал поверхностной фотоЭДС будет иметь пере-
менную составляющую, что также способно
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
53
обеспечить модуляцию тока в цепи измеритель-
ного конденсатора. При достаточной мощности
переменной составляющей сигнала поверхност-
ной фотоЭДС это позволяет исключить механи-
ческую модуляцию зазора. В связи с этим, необ-
ходимость наличия в структурной схеме привода
вибрации 3 должна быть определена в ходе экс-
периментальных исследований.
hν
11 12
10 9
1
2
3
4
5 6
7
8
13
Внешний
интерфейс
1 – сеточный электрометрический зонд;
2 – трансимпедансный предусилитель сигнала;
поверхностной фотоЭДС; 3 – привод вибрации
электрометрического зонда;
4 – фазовый детектор; 5, 6 – источники опорных
напряжений; 7 – аналого-цифровой
преобразователь; 8 – микроконтроллер;
9 – модулятор; 10 – коммутатор;
11, 12 – источники оптического излучения;
13 – совмещенный световод
Рисунок 1 – Структурная схема
электрометрического зонда для контроля
пространственного распределения
поверхностной фотоЭДС
Повышение отношения сигнал-шум обеспе-
чивается применением синхронного (фазового)
детектирования сигнала, для чего в структурную
схему введен фазовый детектор 4. В качестве
сигналов синхронизации используются электри-
ческий сигнал привода вибрации электрометри-
ческого зонда 3 и сигнал модулятора оптиче-
ского излучения 9 (в случае реализации схемы
невибрирующего зонда используется только вто-
рой сигнал). Детектированный сигнал преобра-
зуется в цифровой вид в реальном масштабе
времени с помощью быстродействующего ана-
лого-цифрового преобразователя (АЦП) 7. Реа-
лизуемый метод бесконтактных измерений элек-
трического потенциала с неполной компенса-
цией [2] предусматривает двукратную
регистрацию измерительного сигнала при пооче-
редной подаче на вход компенсации предвари-
тельного усилителя двух различных значений
компенсирующего напряжения U1 и U2 с после-
дующим вычислением истинного значения по-
тенциала на основе математического выражения.
Генерацию напряжений U1 и U2 обеспечивают
два источника опорных напряжений 5 и 6. Выбор
источника компенсирующего напряжения и син-
хронную с выбором регистрацию оцифрованных
значений измерительного сигнала обеспечивает
микроконтроллер 8, выполняющий также функ-
ции устройства управления блоками структурной
схемы электрометрического зонда и связи с
внешними устройствами посредством цифрового
интерфейса.
В качестве источников оптического излуче-
ния 11 и 12 предполагается использовать свето-
излучающие диоды или светодиодные лазеры.
При необходимости количество источников мо-
жет быть увеличено. Преимущества светодиод-
ных источников излучения заключаются в высо-
кой монохроматичности излучения, простой
схеме управления мощностью излучения путем
задания рабочего тока и малой инерционности
источника. Это позволяет осуществлять модуля-
цию оптического излучения путем модуляции
управляющего (питающего) напряжения либо
тока без применения механических затворов-
прерывателей. В качестве источника такого мо-
дулирующего напряжения используется модуля-
тор 9, представляющий собой генератор импуль-
сов. Выбор длины волны излучения осуществля-
ется путем коммутации модулированного
напряжения на соответствующий источник оп-
тического излучения с помощью коммутатора
10. Работой коммутатора управляет микро-
контроллер 8, что позволяет синхронизировать
измерения поверхностной фотоЭДС с моментами
освещения поверхности полупроводниковой
пластины излучением выбранной длины волны
или при затемнении (в последнем случае выходы
коммутатора блокируются по сигналу
микроконтроллера). Доставку оптического излу-
чения к поверхности полупроводниковой пла-
стины в области выполнения измерений обеспе-
чивает совмещенный световод 13, волокна вход-
ной стороны которого равномерно распределены
между всеми используемыми источниками опти-
ческого излучения.
1. Жарин А.Л. Метод контактной разности
потенциалов и его применение в трибологии. –
Минск: Бестпринт, 1996. – 240 с.
2. Способ измерения контактной разности
потенциалов: заявка на патент ЕА
201500105/26 : МПК G01R 19/00, G01N 27/00
(2014.01) / О.К. Гусев, Р.И. Воробей,
А.Л. Жарин, А.И. Свистун, А.К. Тявловский,
К.Л. Тявловский, К.В. Пантелеев,
А.В. Дубаневич; дата публ.: 21.01.2015.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
54
УДК 621.38
МОДЕРНИЗАЦИЯ АППАРАТА ИМПУЛЬСНОЙ ИНДУКЦИОННОЙ ТЕРАПИИ СЕТА-Д
Жидкевич В.И.1, Матышев С.А.2
1Витебский государственный медицинский университет
2Институт технической акустики НАН Беларуси
Витебск, Республика Беларусь
Одним из старейших лечебных и профилак-
тических направлений медицины является фи-
зиотерапия, включающая в себя множество раз-
делов, одним из которых является магнито-им-
пульсная терапия.
Аппараты серии Сета-Д, выпускаемые НПФ
«Диполь» (г. Витебск, Республика Беларусь),
предназначены для бесконтактного воздействия
низко- и среднечастотным импульсным магнит-
ным полем интенсивностью от 0,2 до 1,2 Тл и
используются при заболеваниях и травматиче-
ских повреждениях периферической и централь-
ной нервной, сердечно-сосудистой, опорно-дви-
гательной, пищеварительной и мочеполовой си-
стем [1,2]. Внешний вид аппарата представлен на
рисунке 1.
Рисунок 1 – Внешний вид прибора Сета-Д
Однако аппарат Сета-Д имеет ряд недостат-
ков:
− малая информативность прибора, поскольку
7-сегментный индикатор не дает четкой инфор-
мации о режиме работы, времени процедуры и
величине поля;
− устаревший дизайн передней панели;
− устаревшие 7-сегментные индикаторы;
− громоздкость подключения сегментного ин-
дикатора.
Модернизация аппарата, направленная на
устранение вышеперечисленных недостатков,
состоит в установке LCD дисплея в паре с управ-
ляющим микроконтроллером.
Целью настоящей работы являлась разра-
ботка платы управления для аппарата импульс-
ной индукционной терапии Сета-Д.
Для этого необходимо:
− выбрать тип конструкции печатной платы;
− разработать принципиальную электриче-
скую схему;
− подобрать детали для схемы;
− проанализировать расположение элементов
схемы для устранения возможных наводок и
шумов;
− сделать разводку платы.
На рисунке 2 представлена функциональная
схема модернизированного аппарата.
Рисунок 2 – Функциональная схема
Проектирование печатных плат представляет
трудоемкий, но очень важный процесс. Для того
чтобы обеспечить функционирование электрон-
ной аппаратуры, необходимы не только схемо-
технические решения, функциональная точность,
надежность, но и учет влияния внешней среды,
конструктивных, эксплуатационных требований
и т. п.
Разработка платы заключается в создании
электрической схемы, оценке её эффективности,
разводке платы [3,4]. На рисунке 3 представлена
электрическая схема блока управления микро-
контроллера. Согласно ГОСТ при разработке
печатной платы необходимо соблюдать мини-
мальное расстояние между элементами платы,
ширину дорожек, размеры сторон печатной
платы и многое другое. Данная схема разрабаты-
валась в соответствии с требованиями ГОСТ
10317-79, ГОСТ 25347-82, ГОСТ 23751-86.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
55
Рисунок 3 – Принципиальная электрическая
схема блока управления (микроконтроллера)
В настоящее время на рынке присутствует
огромное число микроконтроллеров разнообраз-
ной архитектуры, от различных производителей
(Intel, Atmel, TI, Microchip и т.д.). Кроме этого,
контроллеры программируются с помощью раз-
личных программ компиляции, часть из которых
предназначена для коммерческого использова-
ния, что еще больше осложняет выбор. В резуль-
тате проведенного анализа нами был выбран
простой, надёжный и дешёвый контроллер от
компании Atmel: ATmega8 в pdip корпусе [5-8].
Выбор данного контроллера обоснован следую-
щими соображениями: контроллер достаточно
прост и многофункционален; стоимость кон-
троллера достаточно низкая, значит, его внедре-
ние не сильно скажется на общей стоимости
прибора.
Рисунок 4 – Чертеж платы управления прибора
Микроконтроллер ATmega8 выполнен по
технологии CMOS, 8-разрядный, микропотреб-
ляющий, основан на AVR-архитектуре RISC.
Выполняя одну полноценную инструкцию за
один такт, ATmega8 достигает производительно-
сти 1 MIPS на МГц, позволяя достигнуть опти-
мального соотношения производительности к
потребляемой энергии.
В качестве изменений в схему прибора вклю-
чен новый контроллер с дисплеем для отображе-
ния информации. Нами был выбран символьный
дисплей LCD20х4, отображающий достаточно
символов для показа нужной пользователю ин-
формации. На рисунке 4 приведен чертеж платы
управления прибора.
Схема собрана на базе контроллера ATmega8.
Напряжение питания - 5 вольт от стабилизиро-
ванного источника. В схеме используется под-
ключение LCD дисплея по 4-битной шине.
Разработана электрическая схема платы для
аппарата импульсной индукционной терапии
Сета-Д. Сделана разводка платы. Разработанная
плата позволит сделать аппарат Сета-Д более
конкурентоспособным на рынке медицинских
изделий. Также это конструкторское решение
делает прибор более информативным, понятным
пользователю.
1. Аппарат импульсной индукционной терапии
Сета-Д. Технический паспорт. – 2011.– С. 5-9.
2. Инструкция по эксплуатации прибора СЕТА-
Д. – 2011 г. – С. 8-9, 14-16.
3. Баранов, В.Н. Применение микроконт-
роллеров AVR: схемы, алгоритмы,
программы / В. Н. Баранов. – 2004. – С. 160-
163.
4. Шпак, Ю. А. Программирование на языке C
для AVR и PIC микроконтроллеров /
Ю.А. Шпак. – Киев. – 2006. – С. 69-74,
163-167.
5. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://elm-chan.org.
6. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://habrahabr.ru.
7. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://avrlab.com.
8. Datasheet ATMEL AVR ATmega8. –
[Электронный ресурс]. – Режим доступа:
http://www.atmel.com/Images/Atmel-2486-8-bit-
AVR-microcontroller-Tmega8_L_datasheet.pdf.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
56
УДК 621.326
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ
СИГНАЛЬНЫХ ФОНАРЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Журавок А.А., Сернов С.П.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Требования, предъявляемые к сигнальным
фонарям транспортных средств, постоянно
ужесточаются. Это продиктовано
необходимостью повышения безопасности
дорожного движения [1].
Одним из способов улучшения характеристик
безопасности является реализация адаптивных
функций в сигнальных фонарях. Адаптивный
фонарь способен изменять свои характеристики
на основе анализа данных об условиях эксплуа-
тации. Можно предложить следующие направле-
ния адаптации:
− увеличение яркости свечения при увеличе-
нии внешней освещенности и снижение яркости
при снижении внешней освещенности в пределах
допустимых норм. Позволяет повысить замет-
ность сигналов в ясную солнечную погоду и из-
бежать ослепления других участников дорож-
ного движения в темное время суток;
− увеличение яркости свечения по мере
загрязнения светоиспускающей поверхности
фонаря. Позволяет сохранить заметность сигна-
лов фонаря даже при снижении светопропуска-
ния корпусом фонаря;
− увеличение яркости свечения стоп-сигнала
или включение импульсного режима при высо-
ких значениях ускорения. Позволяет повысить
заметность стоп-сигнала при экстренном тормо-
жении транспортного средства.
Вторым фактором, повышающим безопас-
ность, является управление светотехническим
оборудованием транспортных средств с помо-
щью центрального блока управления автомобиля
(ECU – Electronic Control Unit) [2]. В этом случае
все команды передаются в фонарь в цифровом
виде по помехозащищенному каналу – CAN
(Controller Area Network) шине [3]. Помимо по-
вышения надежности передачи команд это поз-
воляет осуществлять более точную диагностику
неисправностей фонаря. Фонарь сам уведомляет
ECU о выходе из строя того или иного сигнала. В
результате чего ECU может своевременно уве-
домить водителя о неисправности.
Таким образом, современный сигнальный
фонарь транспортного средства является слож-
ным электронным устройством, которое обла-
дает адаптивными и интеллектуальными функ-
циями. На этапах разработки, отладки и испыта-
ний такого устройства необходимо применять
специализированное отладочное оборудование и
программное обеспечение. Оно должно осу-
ществлять следующие функции:
− предоставлять возможность управления
изделием с персонального компьютера;
− эмулировать CAN шину транспортного
средства;
− эмулировать внешние воздействия, такие
как изменение внешней освещенности, ускоре-
ния, светопропускания корпуса;
− наглядно отображать состояние изделия, в
том числе ошибки и сбои;
− сохранять на жестком диске подробную ин-
формацию о принятых и отправленных сообще-
ниях между изделием и управляющим компью-
тером (логгирование протокола обмена).
Эта задача решается путем разработки и
дальнейшего применения программно-аппарат-
ного комплекса для испытания сигнальных фо-
нарей. Он представляет собой программное
обеспечение, работающее на управляющем пер-
сональном компьютере и устройство сопряже-
ния, позволяющее подключить фонарь к управ-
ляющему компьютеру.
В состав устройства сопряжения входят сле-
дующие микросхемы:
− MCP2515 – контроллер CAN шины. Обеспе-
чивает интерфейс между фонарем и устройством
сопряжения. Осуществляет эмуляцию CAN
шины транспортного средства.
− FT232RL – преобразователь интерфейсов
USB-UART. Применяется для связи с ПК по ин-
терфейсу USB.
− Atmega 328 – контроллер, отвечающий за
прием команд от управляющего компьютера,
формирования команд для фонаря и управление
микросхемой MCP2515. Этот микроконтроллер
содержит в себе соответствующую специальную
программу.
Таким образом, устройство сопряжения поз-
воляет управлять фонарем с любого персональ-
ного компьютера через порт USB и при этом
осуществляет эмуляцию CAN шины.
Управляющая программа разработана для
операционной системы Windows. Программа
осуществляет прием команд от пользователя,
передачу команд фонарю через устройство со-
пряжения, получение и обработку информации
от фонаря, отображение состояния фонаря на
экране компьютера.
Для подключения к устройству сопряжения
программа использует виртуальный COM-порт,
создаваемый драйвером микросхемы FT232RL.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
57
Программа формирует пакеты данных, анало-
гичные тем, которые передаются в фонарь бло-
ком ECU транспортного средства.
Так как универсального протокола взаимо-
действия транспортных средств с сигнальными
фонарями нет, существуют только общие реко-
мендации, то каждый производитель может вно-
сить в него существенные вариации. Чтобы
обеспечить гибкость испытательному комплексу,
все специфические реализации протоколов
скрыты общим программным интерфейсом. Это
позволяет реализовывать новые протоколы про-
стым добавлением соответствующего драйвера
без вмешательства в остальной код программы.
Для взаимодействия с пользователем про-
грамма предоставляет оконный графический
интерфейс (рисунок 1).
Рисунок 1 – Пользовательский интерфейс
управляющей программы
Программа позволяет включать и выключать
отдельные сигналы (опции) фонаря в любой по-
следовательности. При этом сразу же происхо-
дит передача управляющей команды фонарю.
При получении от фонаря информации о состоя-
нии сигналов это состояние отображается на
схематичном изображении фонаря. В случае воз-
никновения ошибки или неисправности на изоб-
ражении фонаря отображается значок неисправ-
ности на соответствующей опции. Также все
действия и состояния выводятся в текстовом
виде для возможности дальнейшего анализа.
Кроме ручного режима управления, преду-
смотрены программы автоматического тестиро-
вания. При их активации осуществляется авто-
матическое включение и выключение сигналов
по заранее заданным программам.
Важной функцией является возможность
эмуляции внешних условий. В нормальном ре-
жиме работы, фонарь анализирует данные, по-
ступающие от датчиков освещенности (внешние
условия освещения), акселерометра (ускорение
транспортного средства) и датчика приближения
(степень светопропускания корпуса фонаря).
Однако эти воздействия затруднительно досто-
верно воссоздать в условия тестирования фо-
наря. Например, невозможно одновременно под-
вергать фонарь ускорению и производить изме-
рение распределения силы света. Кроме того,
задавать условия внешней освещенности сложно
в условия измерений (темная комната). Измере-
ние характеристик фонаря в условиях загрязне-
ния светоиспускающей поверхности является
отдельной задачей. Здесь необходимо нормиро-
вать характер загрязнения, разработать способ
его нанесения и так далее.
Для решения этой проблемы в протокол
управления фонарем были введены дополни-
тельные команды, позволяющие принудительно
установить значения внешних параметров и иг-
норировать показания датчиков в тестовом ре-
жиме. При этом предприняты меры защиты от
случайного включения тестового режима во
время эксплуатации устройства. Тестовый режим
позволяет измерить светотехнические и электри-
ческие характеристики фонаря во всех возмож-
ных режимах работы. В настоящее время это
режим «день/ночь» для внешней освещенности,
присутствие/отсутствие загрязнения, 3 уровня
ускорения (<2g, 2..4g, >4g). Дополнительно есть
возможность отключения режима мигания для
указателя поворота, что позволяет измерять его
светотехнические характеристики.
С целью осуществления анализа ошибок и
отладки изделия, управляющая программа осу-
ществляет запись на жесткий диск компьютера
всех отправленных команд и принятых сообще-
ний с привязкой ко времени.
Применение такого программно-аппаратного
комплекса позволило ускорить и упростить раз-
работку и отладку программного обеспечения
фонаря (прошивки), измерить светотехнические
характеристики фонаря во всех возможных ре-
жимах работы, а также провести ряд презентаций
и демонстраций изделия. В дальнейшем он мо-
жет быть использован для осуществления кон-
троля качества готовых изделий на производстве,
где будет активно использован режим автомати-
ческого тестирования.
1. Сернов С.П. Современное состояние
автомобильной светотехники с несменными
источниками света на основе светодиодных
технологий / С.П. Сернов, Д.В. Балохонов,
Т.В. Колонтаева // Наука и техника. – 2012. –
№3. – С.36-41.
2. Road vehicles — Controller area network
(CAN) – Part 1: Data link layer and physical
signalling // ISO 1 1898-1:2003.
3. Tractors and machinery for agriculture and
forestry // ISO 11783-7:2012.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
58
УДК 681.786
ПРИМЕНЕНИЕ ЛЧМ-МОДУЛЯЦИИ В ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ
Зайцев Е.А.1, Левицкий А.С. 1, Сидорчук В.Е.2
1Институт электродинамики НАН Украины
2Киевский национальный торгово-экономический университет
Киев, Украина
Мониторинг воздушного зазора между стато-
ром и вращающимся ротором гидрогенератора в
процессе эксплуатации позволяет по отклонению
текущего значения величины зазора от нормы
судить об эксцентриситете ротора, искажении
формы ротора или статора и износе подшипни-
ков [1]. Таким образом, построение систем мо-
ниторинга воздушного зазора является актуаль-
ной научно-технической проблемой обеспечения
безопасной и бесперебойной работы гидрогене-
раторов.
Как известно [2], контроль воздушного зазора
может осуществляться с помощью оптических
систем. Принимая во внимание труднодоступ-
ность и тяжелые условия эксплуатации датчиков,
авторами предлагается для передачи и приема
оптического излучения использовать оптоволо-
конные линии. В данном случае чувствительная
часть системы оптического контроля реализо-
вана на основе 2-х лазерных датчиков. Датчики
размещены на одной стороне сердечника статора
на расточке под углом 900 друг к другу, а сред-
ства обработки отнесены на некоторое необхо-
димое расстояние, обеспечивающее низкий уро-
вень внешних неблагоприятных воздействий
(электромагнитные поля, температура и т.д.).
Разработанная структурная схема, реализующая
систему оптического контроля, представлена на
рис.1. На схеме приняты следующие обозначе-
ния: МСЧ – малогабаритный двухканальный
синтезатор частоты, Гт – тактовый генератор, ЛИ
– лазерный излучатель, СМ – смеситель, АЦП –
аналого-цифровой преобразователь, ЦСП – циф-
ровой сигнальный процессор, КК – оптическая
ячейка Керра, ЛЗ – оптическая линия задержки,
Л – линза, ПЗ – полупрозрачное зеркало, ОР –
оптический разветвитель, ОВ – оптоволокно, ОА
– оптический адаптер, ЭВМ – электронно-вы-
числительная машина, ОВЛ – оптоволоконная
линия, ОС – оптический сенсор.
900
1350
450
1800
2700
2250
3150
00
Статор
Ротор
ЛЗКК1 ПЗЛИ Л1 ОР
ФП1
ФП2
ФП3
КК3
КК2
КК4
Л2
Л3
СМ2
СМ1
СМ3МСЧ
Гт АЦП1АЦП2АЦП3
ЦСП ЭВМ
ОВЛ1
ОВЛ2
ОВ1
ОВ2
ОВ3
ОА
ОC
Рисунок 1 – Структурная схема оптической системы контроля воздушного зазора
Принцип работы предложенной схемы
основан на использовании линейного изменения
частоты модуляции (ЛЧМ-модуляции) лазерного
зондирующего излучения. В этом случае
значение частоты модуляции зондирующего
сигнала изменяется по линейно-ступенчатому
закону в течение длительности цикла измерения
(рис.2.б). Значение частоты модуляции
определяется выходным напряжением МСЧ в
качестве которого использовано две микросхемы
AD9954 [3]. Параметры выходного напряжения
МСЧ задаются через управляющие коды ЦСП
[4]. При этом напряжения, получаемые на
выходах СМ2 и СМ3 в результате перемножения
зондирующего и эхо-сигналов, соответствуют
разнице частот между сигналами и прямо
пропорциональны расстояниям от оптических
сенсоров до измеряемых полюсов ротора или
межполюсного пространства (рис.2.а).
Модуляционное напряжение с одного из
выходов МСЧ подается на лазерный излучатель
(ЛИ) с выхода которого лазерный поток через
ячейку Керра (КК1), используемую в качестве
оптического управляемого ЦСП оптического
затвора при калибровке системы, поступает на
оптическую линию задержки (ЛЗ), формирую-
щую необходимую задержку зондирующего
излучения для формирования начального
значения разносной частоты между
зондирующим и эхо-сигналами. С выхода ЛЗ
часть оптического излучения через
полупрозрачное зеркало (ПЗ) поступает на
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
59
измерительные оптические сенсоры (ОС) через
оптический разветвитель (ОР), оптоволокно
(ОВ1) далее оптический адаптер (ОА) и волокон-
ную линию (ОВЛ1). Остальная часть оптического
излучения поступает на калибровочный канал,
состоящий из оптической ячейки Керра (КК2),
фотоприемника (ФП1), смесителя (СМ1) и АЦП1.
Код с выхода АЦП1 передается в ЭВМ при
помощи ЦСП для дальнейшей обработки.
Отраженное модулированное лазерное
излучение через приемное оптоволокно (ОВЛ1)
поступает на измерительный канал через
оптический адаптер (ОА). С выхода ОА
оптическое излучение в измерительном канале
через приемную линзу (Л2) и ячейку Керра (КК3)
попадает на фотоприемник (ФП2). С выхода
фотоприемника информационный сигнал в виде
напряжения поступает на смеситель (СМ2).
Временная диаграмма, соответствующая форме
напряжения на выходе ФП2, приведена на
рис.2.в. С выхода ФП2 сигнал поступает на
АЦП2 с выхода которого цифровые данные по-
ступают в ЭВМ для дальнейшей статистической
обработки. Второй канал, размещенный под
углом 900 к первому, работает аналогичным
образом уже рассмотренному.
Рисунок 2 – Временные диаграммы
Для проверки принципа работы
предложенной структурной схемы была
разработана и выполнена в среде графического
программирования NI LabView [5] имитационная
модель лазерной системы мониторинга
воздушного зазора, при помощи специальных
модулей, входящих в состав LabView, а также
простейших арифметических операций. При
проведении исследований работы системы на ос-
нове разработанной модели был разработан мо-
дуль, имитирующий появление полюсов ротора
и межполюсного пространства над оптическим
сенсором. Временная диаграмма сигнала
разработанного модуля в декартовой системе
координат показана на рис.2.а. Временная
диаграмма изменения частоты зондирующего
сигнала изображена на рис.2.б. Временная
диаграмма, соответствующая изменению
частоты эхо-сигнала, показана на рис.2.в. На
рис.2.д приведены результаты работы
программно-математических средств статистиче-
ского анализа дискретных отчетов информацион-
ных эхо-сигналов. Для анализа полученных ин-
формационных сигналов применялось
скользящее преобразование на основе быстрого
преобразования Фурье с размещением
полученных спектрограмм в режиме «водопад».
Полученные "пики" спектральных составляющих
обозначенные 1 соответствуют полюсам, а 2
соответствуют межполюсному пространству.
При этом значении частоты "пики" спектральной
составляющей имеет прямую зависимость от
заданного в модели воздушного зазора до
полюса и до "дна" межполюсного пространства.
В результате проведенных исследований на
разработанной имитационной модели были пока-
заны работоспособность предложенной
структуры и принципы работы волоконно-
оптической системы мониторинга воздушного
зазора гидрогенераторов на основе
использования ЛЧМ-модуляции.
1. Левицький А.С, Федоренко Г.М., Грубой О.П.
Контроль стану потужних гідро- та
турбогенераторів за допомогою ємнісних
вимірювачів параметрів механічних дефектів. –
Київ: Ін-т електродинаміки НАН України,
2011. – 242 с.
2. Куликов Д.В., Аникин Ю.А., Двойнишни-
ков С.В., Меледин В.Г. Лазерная технология
определения геометрии ротора под
нагрузкой // Электрические станции. – 2010. –
№7. – С. 39–43.
3. Manual AD9854 400 MSPS, 14-Bit, 1.8 V
CMOS, Direct Digital Synthesizer Reference
Manual [Electronic resource].
4. Зайцев Е.А. Исследование погрешности
установки частоты синтезаторов частотно-
фазовых систем с использованием LABVIEW //
Технічна електродинаміка. – 2014. – №2. –
C. 84-88.
5. Тревис Дж., Кринг Дж. LabVIEW для всех:
Пер. с англ. – М.: ДМК Пресс, 2010. – 880 с.
6. Андерсон, Т. Статистический анализ
временных рядов // Монография: пер. с англ. под
ред. Ю. К. Беляева – М.: Мир. – 1976. – 757 с.
ftest(t)
Полюс 1 Полюс 2 Полюс 3 Полюс 4
D(t)
fsign(t)
t
t
t
а
б
в
t
д
f´sign(t)
1
2
t
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
60
УДК 621.792.4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА РАКУРСОВ ПРИ ЗАПИСИ
И ВОСПРОИЗВЕДЕНИИ ОБЪЕМНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ
Зайцева Е.Г., Кислюк А.А.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Воспроизведение информации в виде объем-
ного оптического изображения является удоб-
ным, а часто и необходимым инструментом ана-
лиза многомерных сигналов, независимо от того,
являются ли они синтезированными или исхо-
дящими от реального объекта. При воспроизве-
дении записанного или синтезированного изоб-
ражения могут иметь место как потери инфор-
мации, так и появление ложной информации.
Целью настоящего исследования является опре-
деление условий, исключающих эти факторы
при воспроизведении объемного изображения.
Системы воспроизведения объемного изоб-
ражения можно разделить на 2 группы: стерео-
скопические и формирующие объемные модели.
Подробный обзор упомянутых методов пред-
ставлен в [1,2].
Принцип формирования изображений первой
группы заключается в создании на экране двух
смещенных относительно друг друга изображе-
ний, причем каждое из них должно быть види-
мым только для одного соответствующего ему
глаза наблюдателя. Общим их недостатком явля-
ется расхождение расстояний аккомодации и
конвергенции, в результате чего в мозг наблюда-
теля от глазных мышц, управляющих соответ-
ствующими процессами, поступают рассогласо-
ванные между собой сигналы, что небезопасно
для здоровья. Вследствие данного недостатка
наиболее перспективными следует считать си-
стемы второй группы, воспроизводящие объем-
ные изображения.
В системах второй группы в пространстве об-
разуются элементы, являющиеся источником
излучения, которые наблюдаются одновременно
двумя глазами. Соответственно работа мышц
зрительного анализатора осуществляется согла-
сованно, как и при наблюдении реального объ-
екта, что обеспечивает условия восприятия, ана-
логичные естественным.
Часть этих систем предусматривает необхо-
димость механического перемещения элементов
во время воспроизведения изображения. Вре-
менная суммация изображений при этом не яв-
ляется естественной для зрительного восприя-
тия. Другая часть систем для воспроизведения
объемных изображений не требует механиче-
ских перемещений и включает системы с много-
слойными экранами. Последние системы доста-
точно сложны с точки зрения технической реа-
лизации.
Ко второй группе систем относятся также си-
стемы, основанные на принципе интегральной
фотографии. Традиционная система включает
линзовую матрицу, формирующую при записи
совокупность изображений объекта в различных
ракурсах на светочувствительном материале
(фотопластинка). Идентичная матрица с обрабо-
танной фотопластинкой воспроизводит объем-
ное изображение в виде оптической модели.
Использование вместо традиционного свето-
чувствительного материала цифровой светочув-
ствительной матрицы при записи и дисплея при
воспроизведении /может, ссылка на что-то/ поз-
воляет записывать и соответственно воспроизво-
дить не только фотографические, но и видео-
изображения. При этом между записью и вос-
произведением изображения появляется
промежуточный этап обработки и передачи циф-
ровой информации. Такое отделение процесса
записи и воспроизведения обеспечивает возмож-
ность воспроизводить в виде оптической модели
не только оптическую информацию в видимом
человеку спектральном диапазоне, но и в других
спектральных диапазонах, а также синтезиро-
ванную информацию. Расширение области при-
менения интегрального метода требует сформи-
ровать требования к качеству информации, вос-
производимой с его помощью. Исходя из
вышеизложенного, очевидно, что традиционное
название метода «интегральная фотография»
становится узким вследствие расширения его
возможностей и области применения, поэтому в
дальнейшем будет использоваться будет исполь-
зоваться термин «интегральный метод», подра-
зумевающий способ воспроизведения через оп-
тические элементы множества плоских изобра-
жений объекта, в результате которого в
пространстве формируется объемное изображе-
ние объекта. При этом воспроизводимые изоб-
ражения могут быть получены при как при за-
писи многомерной информации, так и синтези-
рованных помощью компьютерных программ.
Задачей настоящего исследования явилось
обоснование требований к количеству ракурсов
воспроизводимого объекта при использовании
интегрального метода на основании условия от-
сутствия искажений изображения при использо-
вании линзовых элементов без ограничения их
поля зрения и отсутствия прерывистости при
изменении точки зрения в процессе рассматри-
вания объемного изображения.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
61
Рассмотрим условие отсутствия искажений
изображения при использовании линзовых эле-
ментов без ограничения их поля зрения.
На рисунке 1 изображена схема построения
изображения точки объекта A элементом O лин-
зовой матрицы на плоскости BC светочувстви-
тельной матрицы, причем точка А расположена
на перпендикуляре к плоскости матрицы, про-
ходящем через точку пересечения осей симмет-
рии матрицы. В дальнейшем эту точку будем
для краткости называть центром матрицы. Необ-
ходимо иметь в виду, что это частный случай
расположения точек объекта, в общем случае
необходимо учитывать и две другие координаты
расположения точек, лежащих на расстоянии 𝑧
от линзовой матрицы.
Рисунок 1 – Схема построения изображения
точки объекта линзовым элементом матрицы
Линза O строит изображение объекта A в
точке В, причем точка В на рисунке 1 совпадает
с границей линейного размера стороны ВЕ эле-
ментарного кадра. В дальнейшем под элемен-
тарным кадром будем понимать часть плоскости
на светочувствительной матрице, внутри кото-
рого линза строит изображение. Этот размер
при постоянном размере кадров совпадает с ша-
гом кадров 𝑡, причем
𝑡 = Шматр
𝑛
, (1)
где Шматр – линейный размер светочувствитель-
ной матрицы в выбранном направлении; 𝑛 –
количество кадров, помещающихся на матрице в
этом направлении.
Условие отсутствия искажений при использо-
вании линзовых элементов без ограничения их
поля зрения в соответствии с рисунком 1 озна-
чает, что изображение точки А элементом линзо-
вой матрицы должно находиться в пределах гра-
ниц линейного размера ВЕ стороны элементар-
ного кадра, то есть
∆ ≤ 𝑡
2
, (2)
где ∆ – расстояние от пересечения светочувстви-
тельной матрицы оптической осью линзового
элемента (центральная точка элементарного
кадра) до изображения В точки А объекта на
этом кадре.
Из подобия прямоугольных треугольников на
рисунка 1 следует, что
∆
𝑚
= 𝑝+ ∆
𝑧 + 𝑚 , (3)
где 𝑚 – расстояние от задней главной плоскости
линзового элемента до светочувствительной
матрицы; 𝑧 – расстояние от точки A до плоско-
сти линзовой матрицы; 𝑝 – расстояние от центра
матрицы до оси линзового элемента.
Из формулы (3) следует:
∆ = 𝑚∗ 𝑥
𝑧
(4)
Очевидно, что ∆ принимает максимальное
значение для последнего кадра на матрице, соот-
ветствующего последнему ракурсу. Тогда с уче-
том формулы линзы
1|𝑧| + 1|𝑚| = 1𝐹, (5)
где 𝐹 -фокусное расстояние линзы, выражений
(1-4) получим формулу для расчета максималь-
ного количества ракурсов 𝑛max
𝑛max= 𝑍− 𝐹 𝐹 + 1 (6)
для четного числа кадров на матрице и
𝑛max= 𝑍− 𝐹 𝐹 (7)
для нечетного числа кадров.
Из формул (6,7) следует, что для точек лежа-
щих на оси, проходящей через центр матрицы,
максимальное число возможных ракурсов растет
с расстоянием между матрицей о объектом и па-
дает с ростом фокусного расстояния линзовых
элементов.
1. Emerging Technologies for 3D Video: Creation,
Coding, Transmission and Rendering //Frederic
Dufaux, Beatrice Pesquet-Popescu, Marco
Cagnazzo. May 2013.- 518 p. – Mode of access:
http://eu.wiley.com/WileyCDA/WileyTitle/produ
ctCd-1118355113.html - Date of access:
04.09.2016.
2. Three-Dimensional Imaging, Visualization, and
Display Editors: Javidi, Bahram, Okano, Fumio,
Son, Jung-Young (Eds.) – Mode of access:
https://www.springer.com/us/book/97803877933
44 - Date of acces: 04.09.2016.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
62
УДК 621.3.049.77: 681.586
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ФИЗИЧЕСКИХ
И ХИМИЧЕСКИХ ЛАБОРАТОРИЙ
Здоровцев С.В., Кушнеров Д.П., Паршков А.В., Сушко В.А.
Открытое акционерное общество «МНИПИ»
Минск, Республика Беларусь
Модульный принцип построения аппаратно-
программных информационно-измерительных
комплексов и систем обеспечивает техническую
и информационно-функциональную совмести-
мость и взаимозаменяемость модулей, упрощает
техническое обслуживание и повышает точность
и надежность их функционирования [1]. Как
правило, в одной системе объединяют
технические средства для измерения, контроля
различных характеристик: физических величин,
технических параметров и т.п.
Модульное построение информационно-из-
мерительных систем предусматривает следу-
ющий набор элементов: модуль центрального
процессора, дополнительные модули памяти,
модули интерфейса, модули расширения си-
стемы и рамы для размещения блоков элемен-
тов. [2] В этом случае каждой процедуре при-
сваивается имя, и она оформляется в виде
стандартного программного модуля, выполня-
ющего четко определенную функцию. Мо-
дульное построение системы имеет и другое
преимущество. Пользуясь одним и тем же общим
набором модулей, можно в принципе построить
из них различные структуры, соответствующие
решению разных задач. При этом необходимо
учитывать ряд особенностей при решении
измерительных задач, основным из которых
является необходимость учета динамики
реализации модулей и вызова в оперативную
память соответствующих массивов в целом или
их частей. Время обмена с внешней памятью при
модульном построении системы складывается из
времени обмена при вызове модулями
необходимых информационных массивов, а
также времени записи и считывания
промежуточных результатов работы системы
модулей.
Структурная схема аппаратно-программного
комплекса (АПК) с использованием модулей
функциональных интеллектуальных датчиков
(ФИД), представлена на рисунке 1.
Основными преимуществами такого АПК яв-
ляются:
− возможность избирательного подключения
датчиков системы в зависимости от решаемых
задач;
− возможность реализации многоканального
режима работы системы в реальном времени;
− возможность наращивания функциональных
модулей и программно-аппаратных средств си-
стемы;
− возможность изменения конфигурации си-
стемы в зависимости от требований потребителя.
Рисунок 1 – Структурная схема АПК
с использованием модулей ФИД
В работе представлены результаты разра-
ботки АПК на базе персонального компьютера
(ПК), предназначенного для проведения измере-
ний при выполнении физических и химических
экспериментов (рисунок 2).
Рисунок 2 – АПК на базе ПК
В состав АПК входят:
– персональный компьютер Intel Pentium G
2.8 ГГц с характеристиками: объем ОЗУ не менее
2 Гбайт, разрешение экрана монитора не менее
10254х746 пикселей, наличие порта USB,
− комплект модулей ФИД (цифровые дат-
чики) различного функционального назначения,
− специальное ПО ″DIGITAL
LABORATORY″ на базе ОС Windows XP SP3,
Windows Vista, Windows 7 SP1; платформа Mi-
crosoft .NET Framework 4;
− специальное ПО для цифровых датчиков
«Digital Sensors».
Комплект модулей ФИД обеспечивает изме-
рение ряда физических величин:
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
63
− температуры и влажности воздуха (- 55 0С –
+ 125 0С ; 10 % – 100 %);
− давления (0 – 100 кПа);
− ускорения (- 4 – + 4 g);
− индукции магнитного поля (- 0,8 –
+ 0,8 мТл);
− освещенности (0 – 65535 лк);
− расстояния (0,04 – 4,0 м);
− угловой скорости (0 – 2000 град/с) ;
− угла поворота (0 – 360 град);
− температуры (- 40 0 С – + 1100 0 С);
− электропроводности растворов (0 –
10 мСм/см)
− объема газа с контролем температуры (0 –
30 мл/мин; - 20 0 С – + 80 0 С );
− оптической плотности растворов в спек-
тре:зеленый – 525 нм; желтый – 590 нм (0 – 4,81
ед. оптической плотности)
На рисунке 3 показана виртуальная панель
выбора режимов работы АПК.
Рисунок 3 – Виртуальная панель выбора
режимов работы АПК
На рисунке 4 представлены фрагменты
образов сенсорных модулей при различных
режимах работы АПК.
Разработанный АПК позволяет решать ком-
плексные измерительные задачи при выполнении
физических и химических экспериментов в
научных и учебных лабораториях. Разработанное
ПО дает возможность обеспечивать математиче-
скую обработку полученных данных и их отоб-
ражение на экране ПК в виде гистограмм, графи-
ков, таблиц. АПК позволяет реализовывать
функции, необходимые для эффективного про-
цесса обучения – обеспечение автоматизирован-
ного сбора и обработки данных, выполнение
экспериментов с несколькими сериями замеров с
использованием различных сенсорных модулей,
позволяющих производить измерения различных
параметров. Предложенное техническое реше-
ние повышает точность и наглядность выполне-
ния естественнонаучных экспериментов, предо-
ставляет дополнительные возможности по авто-
матической обработке данных и анализу
полученных результатов.
а
б
в
Рисунок 4 – Фрагменты образов сенсорных
модулей при различных режимах работы АПК:
а) измерение температуры и влажности воздуха;
б) измерение угловой скорости и угла поворота;
в) измерение объема газа с контролем
температуры с отображением динамики
изменения параметров во времени
1. Кычкин, А.В. Модель синтеза структуры
автоматизированной системы сбора и
обработки данных на базе беспроводных
датчиков // Автоматизация и современные
технологии. – 2009. - № 7. – С.15 – 20.
2. Крюков, В.В. Информационно-измеритель-
ные системы / В.В. Крюков. Владивосток:
ВГУЭС, 2000. – 102 с.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
64
УДК 614.841.34
СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ПАРАМЕТРОВ
СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ОГНЕСТОЙКОСТЬ
Ивлев Ю.П., Черневич О.В., Лущик А.П., Штых А.А.
Учреждение «Научно-исследовательский институт пожарной безопасности
и проблем чрезвычайных ситуаций» МЧС Республики Беларусь
Минск, Республика Беларусь
При проведении испытаний на огнестойкость
по ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строитель-
ные. Методы испытаний на огнестойкость. Об-
щие требования» и ГОСТ 30247.1-94 «Конструк-
ции строительные. Методы испытаний на
огнестойкость. Несущие и ограждающие
конструкции» при определении предельного
состояния конструкции по потере несущей спо-
собности строительных конструкций использу-
ются прогибомеры «6ПАО» и теодолиты
«4Т30П» с линейкой.
Прогибомер «6ПАО» представляет собой ме-
ханическое аналоговое устройство с двумя
стрелками и шкалами, показывающими отклоне-
ние от заданного уровня в миллиметрах, и позво-
ляет определить скорость нарастания деформа-
ции и прогиб при испытании горизонтальных
строительных конструкций. Во время проведе-
ния испытаний при определении прогибов
стрелки прогибомеров вращаются по часовой
стрелке. Помимо прогибов наблюдается побоч-
ное явление, называемое «выгиб», когда стрелка
прибора вращается в обратном направлении, тем
самым сбивая показания прогибомеров. Испыта-
телю приходится постоянно наблюдать за при-
бором и точно фиксировать значения прогибов и
«выгибов», а после испытаний по формулам
определять значения контролируемых показате-
лей.
При проведении испытаний на огнестойкость
вертикальных строительных конструкций ис-
пользуются металлическая линейка, прикрепля-
емая к испытываемому образцу, и теодолит, с
помощью которого фиксируется отклонение от
заданного уровня.
Процесс подготовки к испытаниям строи-
тельной конструкции при оценке несущей спо-
собности достаточно трудоемкий и требует вы-
сокой точности установки измерительных при-
боров.
Для минимизации времени при подготовке к
испытаниям, увеличения точности измерений,
автоматизации процесса измерения при опреде-
лении прогибов и скорости нарастания предель-
ных деформаций создан аппаратно-программный
комплекс определения прогибов строительных
конструкций при их испытаниях на огнестой-
кость [1] (далее – АПК).
АПК включает комплект датчиков определе-
ния линейного перемещения (прогиба) до 300
мм, автоматизированную систему сбора данных
с датчиков с 4-проводной линией в количестве 7
штук, компьютер с установленным программ-
ным обеспечением. АПК в автоматическом ре-
жиме обеспечивает опрос датчиков прогиба,
сбор и хранение полученных данных на жестком
диске компьютера, построение зависимостей
прогиба от времени и скорости нарастания де-
формации от времени с дискретностью по оси
ординат 5 секунд, по оси абсцисс 5 мм.
Для измерения угла наклона и получения
форматированных электрических сигналов сов-
местно с НИИ радиоматериалов разработан дат-
чик угла наклона ДУН-01К. Датчик предназна-
чен для определения положения поверхности
строительной конструкции во время испытания и
пересчета угла наклона в линейный прогиб, пре-
образования величины прогиба в цифровой код и
передачи его по стандартному цифровому ин-
терфейсу в компьютер.
В электрической схеме датчика ДУН-01 ис-
пользованы микросхемы, обеспечивающие тем-
пературный диапазон работы от -40 до +125°С:
чувствительный элемент – микромеханический
акселерометр американской фирмы Analog
Devices типа ADXL 213E и микропроцессор аме-
риканской фирмы Microchip типа PIC18F2420
ISO. В качестве базового интерфейса обмена
данными между ДУН и компьютером установлен
интерфейс CAN. Тип материала корпуса выбран
из нержавеющей стали 12НХ18Ю. Для вывода из
высокотемпературной зоны разъемного соедине-
ния смонтирован стационарный кабель МГТФЭС
4х0,12 ТУ РБ 101149747.008-2004. Длина кабеля
может составлять от 2 до 6 м. На таком расстоя-
нии от печи располагается ответное разъемное
резьбовое электрическое соединение типа РС-4
АВО.364.030, необходимое для подключения
датчиков к системе сбора данных и передачи их
на компьютер. Кроме того, кабель защищен ме-
таллорукавом диаметром 10 мм из оцинкованной
стали, что существенно улучшает механические
и температурные свойства электрического со-
единения датчика.
Разработанное совместно с БНТУ программ-
ное обеспечение ПО «Прогиб-300» предназна-
чено для решения следующих задач:
– организации автоматизированного опроса с
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
65
комплекта датчиков прогиба;
– автоматизированного сбора данных на ком-
пьютер через адаптер связи;
– хранения собранных данных на жестком
диске компьютера;
– визуализации полученных данных на экране
монитора;
– организации ведение базы данных заявите-
лей и строительных конструкций.
Для работы ПО необходим компьютер, сов-
местимый с IBM PC, под управлением операци-
онной системы Windows ХР\7.
Нормальное отображение рабочих и инфор-
мационных окон программ обеспечивается при
минимальном разрешении экрана 1024×768 в
режиме мелкого шрифта.
Для работы ПО суммарный объем оператив-
ной и дисковой памяти должен быть достаточ-
ным для размещения удвоенного суммарного
объема файлов базы данных, но не менее 256 МБ
ОЗУ и не менее 500 МБ свободного места на
жестком диске. Частота процессора – не менее
800 МГц для работы с Windows ХР.
ПО «Прогиб-300» поставляется на оптиче-
ском диске СD-ROM.
Ввод идентификационных данных об испы-
тываемой строительной конструкции осуществ-
ляется по следующим позициям:
– наименование заявителя на проведение ис-
пытаний;
– наименование испытываемой строительной
конструкции;
– габариты строительной конструкции;
– время проведения испытаний, мин.
Обеспечивается автоматическое сохранение
файлов с результатами испытаний в соответ-
ствующие каталоги.
Осуществлена калибровка АПК и поверка
средств измерения, Свидетельство о калибровке
№109 от 19.06.2012.
Натурные испытания с использованием раз-
работанного АПК проводились на испытательно-
исследовательском полигоне НИИ ПБиЧС МЧС
Беларуси на установке по экспериментальному
определению огнестойкости горизонтальных
строительных конструкций. Испытания прово-
дились на железобетонной плите перекрытия 170
П8-Э1-1 размером 4570×2980×160 мм. Прогиб
строительной конструкции определялся с помо-
щью прогибомера 6ПАО, установленного в гео-
метрическом центре измеряемой конструкции с
необогреваемой стороны, и ДУН-01, установ-
ленных на исследуемой конструкции, согласно
эксплуатационной документации. После вклю-
чения горелок печи снимались показания про-
гиба строительной конструкции (плита перекры-
тия 170 П8-Э1-1) с интервалом 10 минут в тече-
ние 60 минут или до достижения конструкцией
одного из предельных состояний. Результаты
натурных испытаний представлены в таблице.
Таблица 1 – Результаты натурных испытаний
Минута
испытаний
Показания, мм
прогибомер
6ПАО
АПК
2 1 0,9
10 27 27
20 65,5 64
30 91 94
40 109 111
45
Обрыв
натяжного
элемента
прогибомера
из-за
образования
продольной
трещины на
строительной
конструкции
123
Максимальное отличие показаний прогибо-
метра 6ПАО и значений, полученных на АПК в
процессе проведения испытаний, зафиксировано
на 30 и 40 мин и не превышало 3 мм.
АПК определения прогибов строительных
конструкций при их испытаниях на огнестой-
кость внедрен на испытательно-исследователь-
ском полигоне НИИ ПБиЧС МЧС Беларуси и
используется при проведении натурных испыта-
ний по определению предела огнестойкости.
Внедрение АПК позволило увеличить точ-
ность измерений при проведении испытаний,
автоматизировать процесс измерения при опре-
делении прогибов и скорости нарастания пре-
дельных деформаций. Созданный АПК позво-
ляет в автоматическом режиме измерять скоро-
сти нарастания деформаций и прогибы, строить
графики отклонений контролируемых величин
от заданных, анализировать соотношения проги-
бов и «выгибов», исключить человеческий фак-
тор ошибки, повысить уровень точности
измерений.
1. Ивлев Ю.П., Черневич О.В., Лущик А.П.,
Штых А.А. Аппаратно-программный ком-
плекс определения прогибов строительных
конструкций при их испытаниях на огнестой-
кость // Чрезвычайные ситуации: предупре-
ждение и ликвидация. – 2012. – № 2(32). – С. 60-69.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
66
УДК 621:53.08
ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
ПО НАПРАВЛЕНИЮ «МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ»
Исаев А.В., Кривицкий П.Г., Голубев А.А., Безлюдов А.А.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Целью современного образования является не
только предоставление знаний, но и обучение
навыкам их эффективного профессионального
применения, включая, помощь в преодолении у
будущих специалистов определенных страхов и
предубеждений в освоении некоторых, доста-
точно сложных и специфических областей тех-
ники и технологий. Такой областью является,
например, программируемая электроника, сов-
мещающая в себе цифровую электронную тех-
нику и технологии ее программирования. Разра-
батываемый электронный комплекс должен по-
мочь в решении этих задач.
Для этого комплекс должен выполнять две, в
какой-то мере противоположных, задачи. Первой
и основной целью разработки является построе-
ние системы, имеющей максимально широкие
возможности для создания законченных
устройств при минимальных затратах времени и
материальных ресурсов. Вторая цель - это фор-
мировать комплекс, работа с которым не требо-
вала максимально глубоких знаний в электро-
нике и программировании.
Конечно, в настоящее время на рынке при-
сутствует большое количество отладочных плат
для различных программируемых систем, но все
они или очень простые – что-то вроде поморгай
светодиодом, или очень узконаправленны в при-
менении. А, следовательно, построить на таких
отладочных платах что-либо законченное очень
затруднительно.
Оценив минимальные требования к буду-
щему комплексу, была разработана его струк-
тура, которая представлена на рисунке 1.
В качестве управляющего программируемого
устройства выбрана плата ARDUINO NANO [1],
основанная на достаточно «укомплектованном»
микроконтроллере семейства AVR –
AtMega328PU [2]. Данный микроконтроллер
имеет в своем составе 22 цифровых порта ввода-
вывода, 8 линий встроенного, 10-разрядный
АЦП, три аппаратных таймера с функцией 8-
разрядного ШИМ, развитую систему приоритет-
ных прерываний и полный набор встроенных
последовательных интерфейсов. На самой плате
находится преобразователь интерфейсом «USB
to UART», который совместно с загрузчиком
ARDUINO позволяет загружать программы и
отслеживать работоспособность системы без
применения дополнительных аппаратных
средств. Кроме этого, такой подход решал во-
прос и электропитания, т.к. система питается от
USB-порта.
Дополнительно комплекс разбит на три
блока: блок цифрового и аналогового ввода, блок
индикации и блок датчиков.
В общем виде лабораторный комплекс полу-
чил вид, представленный на рисунке 2.
Рисунок 1 – Структура лабораторного комплекса
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
67
Блок ввода позволяет осуществлять ввод
информации в микроконтроллер следующими
способами:
− с помощью кнопок, коммутируя на выбран-
ные цифровые порты логический «0» (цифровая
клавиатура);
− с помощью кнопок, коммутируя на выбран-
ные аналоговые порты определенные уровни
напряжений - аналоговая клавиатура;
− посредством изменения внешней времязада-
ющей цепи цифровых портов (сенсорная клавиа-
тура);
− с помощью переменного резистора, выдавая
на выбранные аналоговые порты определенные
уровни напряжений.
Блок индикации позволяет формировать
информацию о состоянии системы и включает в
себя:
− набор светодиодов, для организации отсле-
живания работы портов в различных режимах –
постоянно включенное состояние, мигающее
состояние, вывод ШИМ;
− 2-строчный, 16-символьный ЖКИ на основе
контроллера HD44780;
− набор из двух семисегментных светодиод-
ных индикаторов с общим катодом.
Блок датчиков содержит набор цифровых
схем различного назначения с различным типом
представления информации – аналоговый вывод,
посредством стандартных интерфейсов I2C, SPI,
1-Wire.
Для дополнительной защиты лабораторного
комплекса здесь была реализована система неза-
висимого питания, т.е. питание на все элементы
системы подается неявно, что не дает возмож-
ность учащимся по незнанию или не опытности
вывести их из строя.
Следует отметить, что такое построение си-
стемы является «открытым» для подключения к
микроконтроллеру любых других устройств
(микросхем), а также допускает использование
различных процессорных плат в зависимости от
специфики конкретных решаемых задач. Это
позволяет, кроме непосредственно выполнения
комплекса лабораторных работ, реализовывать
различного типа системы в рамках курсового
проектирования путем добавления в систему
дополнительных внешних управляющих
устройств, таких как шаговых двигателей, TFT-
экранов, различного типа беспроводных приемо-
передатчиков и др.
1. Техническая документация // электронный
ресурс http://arduino.ru/Hardware/Ardu-
inoBoardNano.
2. Техническая документация: ATmega328 //
электронный ресурс http://www.atmel.com/
Images/Atmel-42735-8-bit-AVR-Microcontrol-
ler-ATmega328-328P_datasheet.pdf.
Рисунок 2 – Верхняя рабочая панель лабораторного комплекса
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
68
УДК621:53.08
32-РАЗРЯДНЫЙ МИКРОКОНТРОЛЛЕР STM32 И ARDUINO IDE
Исаев А.В., Кривицкий П.Г., Голубев А.А., Безлюдов А.А.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
В настоящее время программируемая элек-
троника все больше смещается из области
8-разрядных систем к 32-разрядным. Аппаратная
часть устройств на основе микроконтроллеров
(МК) развивается стремительными темпами. Од-
нако сформировавшиеся навыки программиро-
вания существенно сдерживают процесс разра-
ботки программно-аппаратных устройств, в ко-
торых, как правило, затраты на разработку
программной части многократно превышают
стоимость проектирования и изготовления аппа-
ратуры. Становятся востребованными средства,
позволяющие упростить и ускорить разработку
встроенных программ даже ценой неоптималь-
ного использования аппаратных средств МК.
Один из примеров этому – платформа програм-
мирования Arduino IDE. Будучи по-настоящему
уникальной, позволяющая создавать проекты
буквально за минуты, эта платформа привлекает
начинающих разработчиков всего мира.
Прогресс нельзя остановить, разработчики
это понимают и начинают осваивать 16- и 32-
разрядные микроконтроллеры, так как 8-битные
микроконтроллеры, на которых основано немало
«ардуино-плат», не всегда могут справиться с
поставленными задачами. Это проявляется и в
том, что на рынке все чаще появляются модули с
32-х разрядными микроконтроллерами семейства
STM32, по всем внешним признакам адаптиро-
ванным к платформе Arduino IDE.
Сравним основные параметры микро-
контроллеров в двух изделиях, примерно равных
по цене (в 2 бел.руб): STM32 плате (с МК
STM32F103C8T6) и её аналоге – Arduino PRO
Mini (с МК AtMega328PU).
Параметр STM32F103C8T6 AtMega328PU
Рабочая частота,
МГц
72 16
Flash память
программ, Кбайт
64 32
Оперативная
память, Кбайт
20 2
АЦП, разрядов 12 10
АЦП, скорость
преобразования,
выб./с
2 000 000 500 000
ШИМ 16-битный 8-битный
Напряжение
питания, В
2 … 3.6В 2.7 ... 5
Наряду с очевидным превосходством по
основным параметрам ядра, первый МК имеет в
разы больше встроенных периферийных
устройств: аппаратных интерфейсов I2C, SPI,
UART, USB, DMA, часы реального времени.
Всё это в сумме делает данную первую плату
крайне привлекательной во всём, кроме одного
—STM32 для изучения с «нуля» является суще-
ственно более затратным по времени и объему
информации [1,2]. А вот если подружить STM32
с Arduino IDE [3], то порог вхождения опуска-
ется до крайне низкого уровня. Но для этого
необходимо провести несколько не сложных
действий.
Приступим к подготовке платы, для работы с
Arduino IDE. Первое что необходимо сделать —
залить в микроконтроллер специальный загруз-
чик, который позволит прошивать плату через
USB-порт. Для этого необходимо выполнить
следующие действия.
1. Перевести джампер BOOT0, в положение
«1».
2. Подключить плату к USB<>UART пере-
ходнику (например на базе микросхемы
CH340G) по следующей схеме.
Контакты CH340G Контакты STM32
RXD A9
TXD A10
VC 5V
GND G
где A10/A9 выводы PA10/PA9 на плате STM32 -
первый аппаратный USART.
3. Установить загрузчик памяти программ
микроконтроллеров семейства STM32. Для
этого:
• Скачать с сайта производителя st.com,
установить и запустить Windows-приложение
Flash Loader Demonstrator [4];
• выбрать номер последовательного COM-
порта переходника;
• разрешить аппаратную очистку памяти
подключенного микроконтроллера;
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
69
• выбрать из представленного перечня
подключенный микроконтроллер, в который
будет запрограммирован загрузчик;
• по закладке «Download to device» из про-
екта STM32duino-bootloader выбрать загрузчик
«generic_boot20_pc13.bin»;
• по кнопке «Next» завершить загрузку за-
грузчика в микроконтроллер.
4. Скачать STM32 ядро для среды разработки
Arduino IDE и распаковать содержимое архива в
папку «Документы\Arduino\hardware»;
5. Из папки от имени администратора устано-
вить драйвера на плату (файл
«install_drivers.bat»).
6. Перевести джампер «BOOT0», в положение
«0» и подключить плату к компьютеру через
USB-кабель. Плата должна определиться в дис-
петчере устройств как «Maple DFU» или «Maple
Serial (COM*)»
Теперь можно приступить непосредственно к
настройке приложения Arduino IDE:
1. Запустить среду разработки Arduino, и пе-
рейти к выбору платы по вкладке Инструменты -
> Плата -> Boards Manager.
2. Установить ядро для платы Arduino Due,
для чего выбрать последнюю версию и нажать
«Install».
3. Задать режимы загрузки программ по меню
Инструменты -> Плата -> «Generic
STM32F103C», дальше Variant: «STM32F103C8
(20k RAM. 64k Flash)», Upload Method:
«STM32duino bootloader», Порт — номер COM-
порта платы
После этого плата готова к работе (прошивке
и программированию) в среде разработки
Arduino IDE.
Выполненная адаптация МК STM32F103x8 к
работе в Arduino IDE позволяет получить не-
сложное в программировании, но существенно
более функциональное и быстродействующее
целевое устройство.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
70
1. Техническая документация: STM32F103x8 //
электронный ресурс http://www.st.com/
content/st_com/en/products/microcontrollers/stm
32-32-bit-arm-cortex-mcus/stm32f1-series/stm32
f103/ stm32f103c8.html.
2. Техническая документация: Справочное
руководство STM32F101xx, STM32F102xx,
STM32F103xx. ред. 16, ноябрь 2015, 1137 с. //
электронный ресурс http://www.st.com/
resource/en/reference_manual/cd00171190.pdf.
3. Техническая документация: STM32 ядро для
среды разработки Arduino IDE
Arduino_STM32 // электронный ресурс https://
github.com/rogerclarkmelbourne/Arduino_STM32.
4. Техническая документация: Flash Loader
Demonstrator // электронный ресурс
http://www.st.com/resource/en/data_brief/flasher
-stm32.pdf.
УДК 535.3+528.88
АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС «КАЛИБРОВКА» ДЛЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ
НАЗЕМНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
Катковский Л.В., Станчик В.В., Крот Ю.А., Беляев Ю.В., Доморацкий А.В.,
Силюк О.О., Литвинович Г.С.
Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем
им. А.Н. Севченко» Белорусского государственного университета
Минск, Республика Беларусь
В ходе работ по программе «Мониторинг-
СГ» (тема «Калибровка») был разработан и изго-
товлен аппаратно-программный комплекс
(АПК), включающий серию спектральных при-
боров, предназначенных для оснащения назем-
ных полигонов с целью калибровки авиакосми-
ческих средств дистанционного зондирования
Земли (ДЗЗ), верификации и повышения надеж-
ности дешифрирования данных ДЗЗ путём инте-
грации данных космического, авиационного и
наземного сегментов.
АПК «Калибровка» включает пять спектро-
радиометров, покрывающих в совокупности
спектральный диапазон 0,4 – 2,5 мкм и позволя-
ющих измерять угловые зависимости спектров
отражения подстилающих поверхностей, пря-
мого и рассеянного атмосферой солнечного из-
лучения.
АПК конструктивно состоит из следующих
модулей:
1) Фотоспектрорадиометр ФСР высокого раз-
решения на диапазон 400 - 900 нм, снабженный
цифровой покадровой видеосистемой и синтезом
изображений и спектров и предназначенный для
измерения спектральных отражательных харак-
теристик всех типов природных поверхностей
полигонов (тестовых площадок) в наземных
условиях и с борта авиационных носителей.
2) Двухканальный модульный спектрорадио-
метр ДМС 400-900 нм, предназначенный для
одновременного измерения яркости отраженного
излучения от подстилающей поверхности и
освещенности (потока) падающего излучения с
верхней полусферы.
3) Портативный модульный спектрорадио-
метр на область 800-1500 нм ПСР-700 для изме-
рения спектральных отражательных
характеристик поверхностей.
4) Портативный модульный спектрорадио-
метр на область 1200-2500 нм ПСР-1300 для из-
мерения спектральных отражательных характе-
ристик поверхностей.
Перечисленные четыре прибора предназна-
чены для измерения в наземных стационарных
условиях (а также с вышек и подвижных
средств) спектральных характеристик отражения
тестовых участков природных, искусственных и
антропогенных объектов
5) Сканирующий солнечный спектрополяри-
метр на область 350-950 нм ССП-600 для изме-
рения прямого солнечного и рассеянного атмо-
сферой под различными углами излучения.
6) Комплект специальных насадок для
обеспечения измерений:
• коэффициентов спектральной яркости,
• поляризационных характеристик,
• спектрального альбедо;
7) Специальное программное обеспечение
(СПО) управления, хранения и обработки дан-
ных.
На протяжении последних двух лет прово-
дятся натурные испытания приборов ФСР, ДМС,
ПСР-700, ПСР-1300 и ССП-600. при измерениях
спектральных характеристик объектов на назем-
ном уровне. Полигонами для проведения натур-
ных испытаний являются Курский аэрокосмиче-
ский полигон (2015-2016 гг.) (рис.1), острова
Курильской гряды (2015 г., острова Итуруп,
Уруп, Чирпой, Симушир, Ушишишир, Шиа-
шконтан, Чиринкотан, Харимкотан, Онекотан,
Атласова), территория полуострова Камчатка
(2016 г., подножия вулканов Ильинский, Хо-
дутка, Ксудач) Данные полигоны обладают объ-
ектами с приемлемыми характеристиками для
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
71
проведения спектральных измерений. А именно,
на данных полигонах присутствуют протяжен-
ные, однородные объекты. Особенностью под-
стилающих поверхностей на островах Куриль-
ской гряды и полуострова Камчатка является
отсутствие антропогенных факторов, влияющих
на их оптические характеристики. В качестве
объектов для проведения измерений на Курском
аэрокосмическом полигоне в основном были вы-
браны участки с/х культур, а также естественной
растительности в Центрально-черноземном запо-
веднике.
Рисунок 1 – ПСР-700, ПСР-1300, ДМС
и управляющий компьютер, установленные
на безтеневом полевом штативе (кронштейне),
Предварительные натурные испытания АПК
«Калибровка» (Курск, май 2016 г.)
Натурные испытания АПК на тестовых поли-
гонах и проведение измерений на наземном
уровне позволили определить степень надежно-
сти и стабильности системы при проведении из-
мерений. Основные измерения были проведены в
режиме одиночного кадра.
Полигонные измерения позволят создать базы
сопряженных спектральных данных, фотоизоб-
ражений объектов и их биогеофизических харак-
теристик. Также полигонные исследования на
трех уровнях позволят решить важнейшую за-
дачу пространственной интеграции элементов
ландшафтов при различном пространственном
разрешении систем ДЗЗ.
На рисунках 2-3 представлены некоторые ре-
зультаты натурных испытаний.
а) – фото
б) – спектр ПСР-1300
в) спектр ДМС
Рисунок 2 – Степь косимая выпасаемая, Курский
аэрокосмический полигон, 2016 год
а) – фото
б) – Спектр, ФСР
Рисунок 3 – О. Атласова Курильской гряды,
вулканические гравистые пески с редкой
слабоокатанной галькой, 2015 год
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
72
УДК 614.842
КОНСТРУКЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ЛАЗЕРНОГО
ДЫМОВОГО-ГАЗОВОГО СО ПОЖАРНОГО ИЗВЕЩАТЕЛЯ
Кицак А.И.1, Лущик А.П.1, Есипович Д.Л.1, Волков С.А.1, Конон В.Н.2, Кавальчук И.В.2,
Протасевич О.А.2, Третьяк И.Б.3
1Учреждение «Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных
ситуаций» МЧС Республики Беларусь
2Закрытое акционерное общество «Запспецтехсервис»
3Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Введение. В настоящее время широкое при-
менение для обнаружения возгораний находят
мультикритериальные пожарные извещатели [1].
Данный класс извещателей обеспечивает макси-
мальную достоверность обнаружения пожара
благодаря комплексному анализу состояния кон-
тролируемой среды по различным пожароопас-
ным факторам. Непременным компонентом
мультикритериального извещателя является де-
тектор дыма - один из наиболее скоростных
средств обнаружения возгорания. В качестве
него используется, как правило, традиционный
оптический дымовой извещатель на основе реги-
страции излучения, рассеянного частицами
дыма.
Недавно предложена оптическая схема то-
чечного дымового извещателя [2], включающая
два независимых канала обнаружения дыма: ка-
нал обнаружения дыма по уровню увеличения
интенсивности излучения, рассеянного части-
цами дыма, и дополнительный канал - по уровню
уменьшения интенсивности излучения, прошед-
шего через дым. Наличие в точечном извещателе
«линейного» канала контроля состояния среды
позволяет эффективно обнаруживать наряду со
«светлыми» также «черные» дымы, состоящие в
основном из частиц, поглощающих излучение.
Предложенная схема позволяет также отказаться
от традиционной для точечных оптических ды-
мовых извещателей дымовой камеры, что улуч-
шает заход дыма в извещатель и существенно
уменьшает время обнаружения пожара.
Целью настоящей работы являлась разра-
ботка и изготовление опытного образца точеч-
ного двухканального дымового пожарного изве-
щателя малой инерционности, повышенной чув-
ствительности к черным дымам и высокой
помехоустойчивости.
Оптическая схема опытного образца ды-
мового пожарного извещателя. На рисунке 1
представлена структура оптической схемы изго-
товленного опытного образца дымового пожар-
ного извещателя.
Принцип работы опытного образца дымо-
вого пожарного извещателя. Принцип работы
опытного образца двухканального дымового
пожарного извещателя согласно представленной
на рисунке 1 оптической схеме состоит в
следующем.
1 – полупроводниковый лазер; 2 – прозрачная
пластинка; 3,8,9 – приемники излучения; 4,6 –
линзы; 5,9 – светофильтры; 7 – диафрагма; 11 –
датчик СО газа
Рисунок 1 – Структура оптической схемы
опытного образца дымового пожарного
извещателя
В отсутствие дыма излучение лазерного ис-
точника попадает только на опорный приемник 3
и сигнальный приемник 8. Диаметр отверстия
диафрагмы 7 подбирается примерно равным или
меньше диаметра пятна фокусировки, сформиро-
ванного линзой 6 в отсутствие дыма. По сигна-
лам, формируемым опорным и сигнальным при-
емниками, осуществляются контроль интенсив-
ности излучения источника и корректировка
чувствительности приемной схемы электронного
блока регистрации проходящего излучения при
уменьшении интенсивности излучения лазера.
При появлении дыма часть излучения источ-
ника из области фокусировки рассеивается ча-
стицами дыма в сторону линзы 6 и приемника
излучения 10. Линза 6 формирует в плоскости
входного отверстия диафрагмы 7 изображение
пятна фокусировки как в проходящих, так и рас-
сеянных лучах. Основная часть рассеянного ча-
стицами дыма излучения распространяется под
большими углами к оси источника излучения и
не попадает в отверстие диафрагмы. Через от-
верстие проходит и регистрируется приемником
8 в основном не рассеянное дымом излучение.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
73
Интенсивность этого излучения уменьшается с
увеличением плотности дыма. При достижении
определенной скорости падения сигнала на вы-
ходе приемника 8 и постоянстве сигнала на вы-
ходе приемника 3 появляется сигнал «Тревога».
Приемник 10 регистрирует излучение только
рассеянное частицами дыма. Его интенсивность
растет с увеличением плотности дыма. При до-
стижении определенной скорости роста сигнала
на выходе приемника 10, а также постоянстве
сигнала на выходе приемника 3 формируется
также сигнал «Тревога».
Для повышения устойчивости работы изве-
щателя при воздействии частиц не дымового
происхождения в опытном образце установлен
датчик СО газа. Как известно, данный газ выде-
ляется при горении большинства веществ. С уче-
том работы детектора СО газа извещатель вы-
дает сигнал «Пожар» только тогда, когда одно-
временно с сигналом «Тревога» по одному из
дымовых каналов регистрируется появление СО
газа в концентрации, превышающей заданный
уровень 40 ppm.
Технические характеристики опытного
образца дымового пожарного извещателя.
Время реакции извещателя на появление дыма ~
1 с. Минимальное пороговое значение оптиче-
ской плотности дыма, обнаруживаемого в канале
регистрации рассеянного излучения ~ 0,05 дБ/м.
Минимальное пороговое значение оптической
плотности дыма, обнаруживаемого в канале ре-
гистрации проходящего через дым излучения ~
0,9 дБ/м. Основной причиной, ограничивающей
чувствительность «линейного» канала обнару-
жения дыма, является нестабильность мощности
излучения источника, которая составляла ~
0,25%.
Испытания. Испытания опытного образца
точечного дымового пожарного извещателя на
обнаружение тестовых очагов пожара проводи-
лись одновременно с тестовыми испытаниями
традиционного точечного дымового извещателя.
В ходе испытаний получены следующие резуль-
таты
Тестовый очаг пожара ТП-1 (горение древе-
сины) опытный образец извещателя обнаружил
через 3 мин. 46 с после поджога очага. При этом
наличие СО газа зарегистрировано датчиком СО
газа на 3 мин. 25 с. горения очага. Обычный из-
вещатель отреагировал на ТП-1 через 5 мин. 55 с.
Тестовый очаг пожара ТП-2 (тление древе-
сины) первым обнаружил обычный дымовой
извещатель на 18 мин 33 с тления древесины.
Через 23 с опытный образец извещателя обнару-
жил наличие СО газа. Сигнал «Пожар» он подал
на 19 мин.16 с.
Тестовый очаг пожара ТП-3 (тление хлопча-
тых фитилей) опытный образец извещателя об-
наружил через 1 мин. 10 с после поджога очага.
Обычный извещатель сработал на 2 мин. 16 с.
Тестовый очаг пожара ТП-4 (горение пенопо-
лиуретана) обнаружен опытным образцом изве-
щателя через 1 мин. 17с после поджога очага.
Через 12 с сигнал «Пожар» подал обычный ды-
мовой извещатель.
Тестовый очаг пожара ТП-5 (горение n-геп-
тана) опытный образец извещателя обнаружил
через 3 мин. 50 с после поджога n-гептана. При
этом наличие дыма было обнаружено каналом
регистрации проходящего излучения на 2 мин.
30 с горения n-гептана. Наличие СО газа было
зарегистрировано на 3 мин. 40с. Обычный дымо-
вой извещатель не среагировал на горение n-геп-
тана до конца его выгорания.
Заключение. Проведенные испытания опыт-
ного образца лазерного дымового-газового СО
пожарного извещателя подтвердили его малую
инерционность и высокую чувствительность к
различным видам дымов, в том числе к «чер-
ным» дымам.
Использование датчика СО газа и логической
схемы «И» для формирования сигнала
«ПОЖАР», когда одновременно регистрируются
факторы возгорания по одному из дымовых ка-
налов и каналу СО газа, исключает возможность
ложного срабатывания извещателя при воздей-
ствии помеховых частиц в отсутствие дыма.
1. Антошин А.А., Василевский А.Г.,
Олифер Г.И. Принципы работы мультикрите-
риальных технических средств обнаружения
пожара . – Материалы 7-ой Международной
научно-технической конеренции «Приборо-
строение» Минск – 2014. – С. 26-28.
2. Кицак, А.И., Лущик А.П., Есипович Д.Л.,
Гамезо А.М. Извещатель пожарный оптиче-
ский дымовой – Патент BY №9045 на полез-
ную модель– 2012.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
74
УДК 51-73
МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРЕВА МИКРОМЕХАНИЧЕСКОГО
ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ГАЗОВОГО СЕНСОРА
Козлова Т.А., Шелухин К.А., Хатько В.В.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Моделирование процессов теплообмена в га-
зовых сенсорах на основе тонких диэлектриче-
ских мембран играет большую роль при оптими-
зации конструкции сенсора с целью достижения
им минимальной потребляемой мощностью.
Объектом исследования были выбраны тонко-
пленочные газовые сенсоры, изготовленные по
технологии микрообработки кремниевых подло-
жек с использованием диэлектрических мембран
на основе оксида/нитрида кремния и/или оксида
алюминия В настоящей работе проведено моде-
лирование тепловых характеристик данного сен-
сора. В качестве изменяемых параметров для
моделирования выбраны геометрические раз-
меры платинового нагревателя: его ширина и
толщина.
Конструкция газового сенсора включает
кремниевую подложку, содержащую диэлектри-
ческую мембрану расположенную в центре под-
ложки имеющую размеры 1350×1350×1 мкм.
Моделирование проводилось на трех типах мем-
бран: анодированом оксиде алюминия (АОА);
нитрид кремния (Si3N4) – анодированный оксид
алюминия; оксид кремния – нитрид кремния –
анодированный оксид алюминия. Платиновый
нагреватель представлял собой меандр с толщи-
ной изменяемой от 0,1 до 0,5 мкм и шириной
дорожки 10, 15, 20 мкм (рисунок 1). На нагрева-
тель сенсора подавалось напряжение от 0,1 до
0,6 В.
Рисунок 1 – Вид полупроводникового газового
сенсора сверху
Расчет потребляемой мощности нагревателя
газового сенсора выполнен на основе конечно-
элементное моделирование процесса распро-
странения тепла по конструкции сенсора. Сетка
конечных элементов состояла из 28708 элемен-
тов домена, 28792 граничных элементов и 874
краевых элементов. Свободные треугольные
элементы использовались для разбиения под-
ложки и металлизации. Для нагревателя и мем-
браны использовались структурированные трёх-
слойная и пятислойная сетки, соответственно.
На рисунке 2 и 3 представлены результаты
расчета максимальной температуры нагрева од-
нослойной мембраны из анодного оксида алю-
миния в зависимости от толщины нагревателя
(при напряжении 0,5 В) и напряжения прило-
женного к нему (толщина нагревателя
d = 0,4 мкм).
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
100
200
300
400
500
600
700
800
Те
м
пе
ра
ту
ра
, о
С
Толщина нагревателя, мкм
1
2
3
Рисунок 2 – Зависимость максимальной
температуры нагрева однослойной мембраны
от толщины нагревателя при напряжении 0,5 В
(1, 2 и 3 соответствуют ширине нагревателя 10,
15 и 20 мкм)
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
Те
м
пе
ра
ту
ра
, о
С
Напряжение, В
1
2
3
Рисунок 3 – Зависимости максимальной
температуры нагрева однослойной мембраны
от напряжения при толщине нагревателя 0,4 мкм
(1, 2 и 3 соответствуют ширине нагревателя 10,
15 и 20 мкм)
На рисунке 4 показаны результаты модели-
рования распределения температуры нагрева в
однослойной мембране при ее толщине 0,4 мкм
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
75
и напряжении на нагревателе в 0,5 В в зависимо-
сти от разной ширины шагревателя.
а)
б)
в)
Рисунок 4 – Распределения температуры нагрева
в однослойной мембране при ширине
нагревателя 10(а), 15(б) и 20(в) мкм
Анализ представленных на рисунках 2-4 ре-
зультатов моделирования показывает, что опти-
мизация геометрии платинового нагревателя
позволяет получить сенсоры с потребляемой
мощностью в диапазоне 20-26 мВт при постоян-
ном нагреве с рабочей температурой 540-560 оС.
Мощность, подаваемая на нагреватели, состав-
ляет 19,8; 22,7; 25,9 мВт соответственно при их
ширине в 10, 15 и 20 мкм и при напряжении пи-
тания в 0,5 В.
Не менее важным в нашем моделировании
характеристик однослойной мембраны с плати-
новым нагревателем различной геометрии явля-
ется оценка напряжений по Мизесу, позволяю-
щие судить о том, что пластичный материал
начинает повреждаться в местах, где напряжение
по Мизесу становится равным предельному
напряжению (рисунок 5).
а)
б)
в)
Рисунок 5 – Распределения напряжений Мизеса
в однослойной мембране при ширине
нагревателя 10(а), 15(б) и 20(в) мкм
Таким образом, на основе полученных ре-
зультатов можно сделать следующие выводы:
− увеличение ширины дорожки, при одинако-
вой толщине и поданном напряжении, увеличи-
вает максимальную температуру нагрева газо-
вого сенсора;
− температура нагрева сенсора в диапазоне
приложенных напряжений от 0,1 до 0,4 В изме-
няется нелинейно, что, по-видимому, связано с
тем, что часть энергии идет на прогрев мем-
браны;
− разработанная в данной работе модель явля-
ется полезным инструментом для проектирова-
ния полупроводниковых газовых сенсоров раз-
личного назначения с энергопотреблением ме-
нее 1мВт.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
76
УДК 681.723.078: 681.775.078: 681.777.078
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
НА ОСНОВЕ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛИЗА
Кожевников Д.А., Нупрейчик А.О., Фёдорцев Р.В., Старосотников Н.О.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Современные тенденции развития областей
науки посвященных изучению далеких космиче-
ских объектов вызывает необходимость своевре-
менной реакции технических средств, которые
будут обеспечивать точность анализа. В связи с
далеким расположением всех вызывающих инте-
рес объектов, важными становятся не только
возможности пространственного разрешение
оптического изображения, но и поиск методов,
способствующих более детальному изучению
объектов космоса. Подавляющая часть исследу-
емых объектов имеют малые угловые размеры,
менее сотых и тысячных долей угловых секунд,
так что определение формы далеких объектов не
представляется возможным – нельзя отличить
звезду от галактики или туманности. Главным
методом анализа такого рода объектов стал спек-
тральный анализ. Анализом спектральных линий
излучения и поглощения звезд и других небес-
ных тел можно установить химический состав,
температуру, наличие магнитного поля и другие
важные параметры. Для разных небесных тел
характерно особое распределение энергии по
спектру, которое принято называть спектром
звезды. Максимум спектрального распределения
зависит от температуры звезды – чем она горя-
чее, тем на меньшие длины волн приходится
максимум. Из этого следует зависимость: горя-
чие звезды по цвету являются голубыми, а хо-
лодные – желтые и красные. Современные до-
стижения спектроскопии позволяют вести иссле-
дования по всему электромагнитному диапазону
спектра, однако в условиях наблюдения с по-
верхности Земли накладываются ограничения в
виде непрозрачности земной атмосферы для раз-
ных участков спектра. Таким образом, земные
наблюдение ограничены диапазоном спектра в
300-1000 нм и некоторыми областями после 1000
нм для которых атмосфера прозрачна. С учетом
этого в настоящее время практикуется использо-
вание некоторых областей спектра для получе-
ния полной и точной информации о состоянии
исследуемых объектов.
При детальном изучении непрерывных спек-
тров звезд заметны многочисленные темные ли-
нии поглощения. Они образуются при переходах
между энергетическими уровнями различных
атомов и ионов вещества на поверхности звезд.
Каждый переход характеризуется определенной
длиной волны. Однако в наблюдаемых спектрах
значения длин волн не совпадает с данными,
полученными в лабораторных наблюдениях. Это
несовпадение вызвано относительным движе-
нием звезд и Земли. Смещение достаточно
строго определяется и описывается эффектом
Доплера. Согласно эффекту Доплера, при при-
ближении регистрируемой звезды к Земле, линии
в её спектре смещаются в синюю область спек-
тра, в обратных условиях смещение происходит
в красную область спектра. Величина смещения
z зависит от скорости звезды вдоль линии визи-
рования 𝜗:
𝑧 = 𝜗
𝑐
= 𝜆 − 𝜆0
𝜆0
,
где с = 3 ∙ 108 м/с – скорость света в вакууме.
Так, изучая смещение линий в спектрах звезд и
других небесных тел относительно их лабора-
торных положений, можно получить качествен-
ную информацию о лучевых скоростях звезд, о
скоростях расширения их звездных оболочек
(звездный ветер, взрывы Новых и Сверхновых
звезд). Также существует зависимость возраста
звезд от их размера и температуры. Зависимость
проста и может быть объяснена тем, что в более
горячих звездах химическая реакция протекает
более интенсивно и звездный материал исполь-
зуется с большей скоростью.
Спектральными классами называется класси-
фикация звёзд по спектру излучения. Первая
классификация звёздных спектров была предло-
жена в конце 20-го столетия. После уточнения и
дополнения она получила название Гарвардской
спектральной классификации звёзд [1]. В данной
классификации выстраивается зависимость не-
скольких показателей от температуры объектов
(таблица 1). При движении по этому ряду слева
направо кроме изменения цвета звезды также
уменьшается её температура.
Современные методики анализа главным об-
разом основаны на фильтрации шумов получае-
мых сигналов.
Изучением объектов ближнего и дальнего кос-
моса занимаются все крупные исследовательские
станции под руководством космических
агентств: NASA, ESA, Роскосмос. Используются
разные технические средства фиксации излуче-
ния включая наземные установки и выведенные
на орбиту аппараты. В NASA в настоящий мо-
мент активна миссия «ASCENDS» по фиксиро-
ванию СО2 и О2 с использованием лазерной уста-
новки для дистанционного зондирования. В ка-
честве обработки используется метод на основе
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
77
КИХ-фильтра [2]. Роскосмос готовится к запуску
орбитальной астрофизической обсерватории
«Спектр-РГ» на которой установлены спектро-
скопы «eRosita» (Германия) и «ART-XC» (Рос-
сия), которые совместно охватывают диапазон от
0,3 кэВ до 30 кэВ [3].
Как указано ранее, во многом чистота и каче-
ство обработанного сигнала зависит от про-
граммной фильтрации шумов. Однако в связи с
отдельной вторичной обработкой сигналов ис-
ключается возможность высокоточного соотно-
шения их между собой.
Таблица 1. Гарвардская спектральная классификация звёзд
ИК-спектроскопия позволяет добиваться вы-
соких показателей определения спектральных
линий длинноволнового излучения. В инфра-
красном диапазоне можно получить данные об
объектах, скрытых от нас в видимом диапазоне
за толщей пыли и газа. Кроме того, изучение
галактик с большими z может производиться
только в ИК-диапазоне из-за сдвига в него ос-
новных характерных спектральных линий. Также
для анализа межзвездного пространства и атмо-
сферы земли используется терагерцовое излуче-
ние [4], которое представляет собой участок
спектра между инфракрасным и сверхвысокочас-
тотным диапазонами. Терагерцовое излучение
можно использовать для исследования и детек-
тирования объектов с колебательными и враща-
тельными переходами в молекулах, свободных
носителях в полупроводниках и т.д.
Авторы данной работы предлагают использо-
вать программное и техническое объединение
отдельных обсерваторий (наземных и орбиталь-
ных) в связанные комплексы. Через систему
коммуникационных спутников получаемые дан-
ные предполагается посылать на Землю для об-
работки информации высокопроизводительным
компьютером. Отличие от существующих схем
заключается в том, что обработка данных с на-
земных и орбитальных станций будет произво-
дится одним компьютером с одновременной
синхронизацией двух полученных спектров. При
взаимной юстировке используемых спектраль-
ных приборов с оцененной погрешностью можно
добиться малых отклонений между измеряе-
мыми данными. При использовании постепен-
ного ослабления сигнала через поглощение од-
нородной средой можно получать градуировоч-
ные зависимости с последующим вычитанием
шумов. Подобные комплексы могут представ-
лять собой уже готовые обсерватории для кото-
рых экспериментально будет оценена погреш-
ность измерения и передачи данных. Так, совме-
стная обработка данных полученных вне
атмосферы Земли, из нескольких слоев атмо-
сферы и поверхности Земли может выделять
более «чистые» данные для последующей про-
граммной корреляции. В качестве модели обра-
ботки может использоваться метод Савицкого-
Голея или вейвлет-преобразование.
1. Chui С. An Introduction to Wavelets / С. Chui.
New York: Academic Press, 1992. – 412 p.
2. Campbell, Joel F. Pseudorandom Noise Code-
Based Technique for Cloud and Aerosol
Discrimination Applications / Campbell, Joel
F. – Orlando: SPIE Defense, Security, and
Sensing, 2011. – 5 p.
3. Комаров И.А. Фундаментальные космические
исследования / Федеральная космическая
программа России на 2016 – 2025 годы /
И.А. Комаров. М.: ТАСС, 2016. – 6 с.
4. Щеглов П.В. Проблемы оптической
астрономии / П.В. Щеглов. – М.: Наука,
1980.–272 с.
Класс Температура,
К
Истинный
цвет
Видимый
цвет
Масса,
(масс
Солнца)
М
Радиус,
(радиусов
Солнца)
R
Светимость,
(светимостей
Солнца)
L
Линии
водорода
O 3*104 – 6*104 голубой голубой 60 15 1 400 000 слабые
B 1*104 – 3*104 бело-голубой бело-голубой 18 7,0 20 000 средние
A 75*102 – 1*104 белый белый 3,1 2,1 80 сильные
F 6*103 – 75*102 жёлто-белый белый 1,7 1,3 6,0 средние
G 5*103 – 6*103 жёлтый жёлтый 1,1 1,1 1,2 слабые
K 35*102 – 5*103 оранжевый жёлто-
оранжевый
0,8 0,9 0,4 очень
слабые
M 2*103 – 35*102 красный оранжево-
красный
0,3 0,4 0,04 очень
слабые
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
78
УДК 681.785
ПРОГРАММНО-АПАРАТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС TIME CATCHER
Кольчевская М.Н., Кольчевская И.Н.
Государственное учреждение образования «Гимназия № 38»
Минск, Республика Беларусь
Обычная цифровая камера может приме-
няться как регистрирующий или измерительный
прибор. Достоинства применения цифровых
камер: использование обычного компьютера,
лёгкая адаптация к условиям измерений и иссле-
дований, совместимость с любыми измеритель-
ными устройствами, т.е. низкой стоимости соз-
дания новых измерительных устройств и ком-
плексов.
Любая измерительная система, построенная
на базе персонального компьютера, состоит из
трёх основных элементов: источник сигнала,
аналого-цифровые преобразователи (АЦП), про-
граммное обеспечение. Единственным ограниче-
нием на пути использования компьютера в об-
ласти измерений и регистрации аналоговых сиг-
налов является то, что компьютер не способен
принимать аналоговые данные, так как является
полностью цифровым устройством. Научная
идея состоит в применении в качестве АЦП циф-
ровой камеры, которая преобразует аналоговый
сигнал от измерительного или регистрирующего
прибора в цифровой вид, пригодный для приёма
его компьютером. Преимущества компьютери-
зированной системы перед аналоговыми измери-
тельными приборами существенны: огромная
вычислительная мощность; неограниченные
возможности обработки и анализа данных; ши-
рокие возможности по представлению данных
удаленным пользователям; удобство и универ-
сальность хранения данных; настраиваемый
пользовательский интерфейс; возможность об-
новления и модернизации.
Цель работы состоит в применении цифровых
камер совместно с компьютером в качестве ком-
пьютеризированного измерительного програмно-
аппаратного комплекса для применения в каче-
стве бесконтактного визуализатора долговре-
менных физических процессов.
Разработано программного обеспечения на
языке программирования Delphi для считывания,
обработки изображений, полученных цифровой
Web-камерой «Time Catcher», для распознавания
измерительной информации. Программа «Time
Catcher», предназначена для получения изобра-
жений в заданном промежутке времени с задан-
ным интервалом. Базовый алгоритм работы про-
граммы и внешний вид рабочего окна показан на
рисунке1. Общий принцип работы системы за-
ключается в следующем: при работе таймера
программа формирует файл изображения в bmp
и jpg форматах и файл формата JSON, содержа-
щий описание файла изображения. Далее файлы
передаются по ftp соединению на обработчик
JSON формата сайта xOptics.by, который разби-
рает данный запрос и составляет динамическую
страницу. Взаимодействие между базой данных
MySQL и файловой системой сервера формирует
итоговый объект в формате JSON, в котором
будут находиться переданные данные после вы-
полнения модулей и происходит сжатие данных
с помощью gzip – утилита сжатия и восстановле-
ния файлов, использующая алгоритм DEFLATE.
После сжатия объект поступает в браузер, где
отображаются результаты эксперимента.
а
б
Рисунок 1 – Алгоритм (а) и внешний вид (б)
программы «Time Catcher»
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
79
Основные характеристики программы:
период съёмки: от 1 с.
разрешение получаемого кадра: 640х480
счётчик отснятых кадров
возможность выбора папки или интернет
ресурса для сохранения
прекращение работы: по истечению
заданного интервала времени
отображение информации в сетях
интернет
Очень часто требуется долгое и рутинное на-
блюдение за объектом исследования, в связи с
медленно изменяющимися его характеристи-
ками. Для наблюдения и регистрации парамет-
ров долговременных процессов, установления их
закономерностей была использована программа
Time Catcher. Собраны установки и проведены
наблюдения за несколькими долговременными
процессами. и для установления законов и зако-
номерностей. Изменение разрешения и светового
диапазона наблюдения может осуществляться
добавлением в стандартным web-камерам опти-
ческих объективов, люминофоров и др.
Собраны установки, проведены эксперимен-
тальные исследования и оцифрованы данные
долговременных процессов роста луковицы,
плавления льда, горения (рисунок 2), дневной
освещенности и др.
В ходе работы программно-аппаратного ком-
плекса выявились некоторые технические осо-
бенности: при длительной работе программы, и
большой частоте получения кадров, мы полу-
чаем большое количество снимков, соответст-
венно жёсткий диск компьютера должен иметь
необходимое количество свободного простран-
ства. Полученные снимки в процессе обработки
необходимо сортировать, например, отсеять
кадры с плохой освещённостью. Причин этому
несколько: солнце, дополнительный источник
освещения и т.д. Не всегда возможно снимать
объект в помещении с постоянной освещённо-
стью, значит требуется коррекция освещенности.
Для этого необходим алгоритм сортировки
снимков. Для этой цели применялся простейший
алгоритм, анализирующий интегральную осве-
щенность снимка и выполняющий удаление
снимков с низкой освещенностью. Кроме этого,
алгоритм сортировки применялся для отбора
каждого N кадра с целью монтирования видео
ряда. Вследствие плавного изменения дневной
освещенности яркость получаемого изображения
изменяется от кадру к кадру. Если полученные
кадры использовать для монтажа в видео ряд, то
на итоговом видео получится негативный эффект
“мерцания” картинки. Чтобы избежать этого
необходимо снимать объект в помещении с по-
стоянной освещённостью, что к сожалению не
всегда возможно, или применять алгоритмы вы-
равнивания снимков по яркости.
а
б
Рисунок 2 – Фотография экспериментальной
установки по исследованию процесса горения (а)
и графики зависимости положения фронта
пламени от времени и расчет скорости горения
методом наименьших квадратов (б)
В этой работе презентуются разработанный
программно-аппаратный комплекс «Time
Catcher», демонстрируются результаты экспери-
ментального применения комплекса и обсужда-
ются результаты его развития.
1. Шарыгин М. “Сканеры и цифровые камеры”.
– БХВ-Петербург, 2001.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
80
УДК 535.34
МИКРОСКОПИЯ НА ОСНОВЕ ПРЕЛОМЛЯЮЩИХ РЕНТГЕНОВСКИХ ЛИНЗ
Кольчевский Н.Н.1, Петров П.В.1, Хилько Г.И.2, Дудчик Ю.И.2
1Белорусский государственный университет
2Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем
им. А.Н. Севченко» Белорусского государственного университета
Минск, Республика Беларусь
Микроскоп – прибор для получения сильно
увеличенных изображений объектов (или дета-
лей их структуры). Структуру любого объекта
(препарата) можно различить, если разные его
частицы по-разному поглощают и отражают свет
либо отличаются одна от другой (либо от среды)
показателями преломления. Эти различия обу-
славливают разницу амплитуд или фаз световых
волн, прошедших через разные участки препа-
рата от чего, в свою очередь, зависит контраст-
ность изображения. В зависимости от свойств
изучаемого объекта и задач исследования суще-
ствуют различные методы наблюдения, дающие
несколько отличающиеся изображения объекта.
Благодаря малой длине волны рентгеновского
излучения рентгеновский микроскоп может дос-
тигать дифракционного разрешения порядка не-
скольких десятков нм и по теоретической вели-
чине разрешения занимает промежуточное зна-
чение между оптическим и электронным
микроскопами.
Типы микроскопов определяются либо обла-
стью применения, либо методом исследования. В
зависимости от метода исследования микро-
скопы можно разделить на биологические (лю-
минесцентные, инвертированные) и металлогра-
фические (поляризационные).
Измерительные микроскопы используют для
точных измерений линейных размеров объекта.
При этом возможны два способа измерений:
1) измеряется величина изображения объекта
в фокальной плоскости окуляра с помощью
шкалы или винтового окулярного микрометра, а
затем по известному значению увеличения мик-
роскопа вычисляется измеряемое расстояние на
объекте;
2) микроскоп используется для наводки на
объект, а расстояния измеряются по относитель-
ному перемещению микроскопа и объекта.
По способу формирования изображений раз-
личают проекционный, контактный, отражатель-
ный и дифракционный рентгеновские микро-
скопы; по принципу регистрации рентгеновский
микроскоп может быть изображающим, обра-
зующим действительное или теневое изображе-
ние объекта, или сканирующим (растровым).
Сканирующий микроскоп регистрирует излуче-
ние от одного элемента объекта, находящегося
на оптической оси микроскопа, а полное изобра-
жение (растр) создаётся при последовательном
перемещении объекта относительно оси микро-
скопа с помощью прецизионного механизма
(пьезотрубки). Преимущества последнего спо-
соба регистрации – независимость разрешения от
полевых аберраций оптической системы и, сле-
довательно, отсутствие ограничений на величину
поля зрения, а также меньшая радиационная на-
грузка на объект исследования.
Рисунок 1 – Основные методы наблюдения
и способы формирования изображений
в микроскопии
Обычно микроскоп имеет двухступенчатую
систему увеличения, образованную объективом
и окуляром. В оптическую схему микроскопа
входят также элементы, необходимые для осве-
щения объекта.
Важным являются параметры, характерные
для определенных устройств, например для фо-
кусирующих устройств существенными оказы-
ваются фокусное расстояние, величины аберра-
ции и др. Для целей микроскопии необходимо
использовать источники с минимальным разме-
ром излучающего пятна и низкой расходимости.
Для расчетов оптических систем на основе
преломляющих линз будут взяты параболическая
Be CRL (compound refractive lens) и эпоксидная
микрокапиллярная линзы.
Параболические линзы изготавливают мето-
дом прессования либо фотоанодного травления.
Два выпуклых параболоида, направленные точно
друг на друга, продавливают лист (например
алюминия, бериллия), формируя, таким образом,
одну линзу. Большое число таких линз, располо-
женных в контейнере, представляло собой пре-
ломляющую рентгеновскую линзу. В методе
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
81
фотоанодного травления (пластины кремния),
регулируют фотоанодный ток, управляя профи-
лем образующегося канала. Идея микрокапил-
лярной линзы основана на том, что капля жидко-
сти в капилляре под действием естественных сил
поверхностного натяжения принимает двояко-
вогнутую сферическую форму и может быть ис-
пользована как фокусирующая рентгеновское
излучение преломляющая линза.
Геометрические и рентгенооптические харак-
теристики Be параболической и микрокапилляр-
ной линз показаны в таблице 1.
Таблица 1 – Параметры эпоксидной
микрокапиллярной и Be CRL линзовой системы
Параметр
Микрока-
пиллярная
линза
Be CRL
Энергия фотонов Ef, КэВ 9,25 9,25
Коэффициент поглощения
μ, см-1
3,8 1,5
Энергия плазменных
колебания Ep,эВ
23.6 26.1
Декремент показателя
преломления δ
3,11E-06 3,98E-06
Радиус кривизны R, мкм 50 50
Число микролинз N 161 29
Толщина микролинзы
d,мкм
50 1000
Длина линзы, мм 27 60
Апертура RA, мкм 50 225
Фокусное расстояние
Fтеория, см
4,8 21.7
Пропускание центральной
части линзы Т, %
4.7 1.4
Рассмотрим оптическую систему из двух пре-
ломляющих линз – Be CRL и микрокапиллярной
преломляющей линзы. Преломляющие линзы
характеризуются конечным числом преломляю-
щих элементов (микролинз) определенным фо-
кусным расстоянием и расстоянием между её
главными плоскостями. Отдельную преломляю-
щую линзу будем считать однокомпонентной. В
однокомпонентной системе толщины линз и воз-
душные промежутки между ними могут счи-
таться коррекционными параметрами. В первом
приближении однокомпонентную систему будем
считать тонкой фокусирующей линзой, расстоя-
ние между главными плоскостями которой равно
нулю.
Оптическая система, состоящая из двух фоку-
сирующих линз, может быть рассчитана после-
довательным построением изображения пред-
мета первой линзой. Полученное изображение
объекта является предметом для второй линзы.
Результаты расчета изображения в прибли-
жении геометрической оптики для однолинзовой
системы показаны на рисунке 2, 3.
R=0мкм R=10мкм R=30мкм
Рисунок 2 – Изображения медной сетки
с периодом 10 мкм и толщиной 50 мкм,
полученное с помощью микрокапиллярной
линзы в зависимости от размера источника
Разрешение оптической системы рассчитыва-
ется численным методом с использованием двух
точечных источников излучения и расчётом рас-
пределения интенсивности в фокальной плоско-
сти.
Рисунок 5 – Распределение интенсивности
в фокальной плоскости при освещении
микрокапиллярной линзы двумя точечными
источниками, разнесенных на 9 и 1 мм
В работе будут представлены результаты
численного моделирования рентгенооптических
свойств двухлинзовых систем, позволяющих
формировать изображения объектов и направ-
ленные микропучки. Обсуждаются основные
методы наблюдения и способы формирования
изображений в рентгеновской микроскопии с
использованием многоэлементных преломляю-
щих линз.
1. Yu. I. Dudchik, N.N. Kolchevsky, F.F.Komarov.
Microcapillary X-ray lens as a novel design of
the refractive lens // SPIE Proceedings. -
Vol.4766. - 2002.
2. Asadchikov V.E., Kolchevsky N.N., «X-ray
microscopy for analysis tracking membrane and
biologic objects»,\\ High technology and
membrane, №3(27), 2005.
3. Kolchevsky N.N. « Optical system of the two
refractive X-ray lenses »\\ symposium
«Nanophysics and nanoelectronics» Niznii
Novgorod- 2006.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
82
УДК 621.375.826
ЦИФРОВОЙ МАЛОГАБАРИТНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП
Кривицкий П.Г., Матюшевский В.М., Оксенчук И.Д.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Цифровой малогабаритный лазерный гиро-
скоп (далее ЦМЛГ) разрабатывается для навига-
ционных систем космического применения в
соответствии договором на создание научно-
технической продукции программы Союзного
государства «Мониторинг-СГ».
ЦМЛГ предназначен для использования в
системах стабилизации и управления средствами
дистанционного зондирования Земли и про-
граммно-моделирующих комплексов лаборатор-
ной отработки обеспечивающих систем космиче-
ских средств в качестве датчика угловых пере-
мещений.
В процессе выполнения проекта ОАО «Сер-
пуховский завод Металлист» разработает конст-
рукцию и технологию производства малогаба-
ритного кольцевого лазера (МКЛ), аналоги кото-
рого на территории Союзного государства в
настоящее время не выпускаются.
БНТУ имеет значительный опыт создания
электроники обеспечения кольцевых лазеров,
лазерных гироскопов и навигационных систем на
их основе [1-3]. На базе МКЛ разрабатывается
лазерный гироскоп нового поколения. ЦМЛГ
(рисунки 1-2) имеет функционально закончен-
ную, моноблочную конструкцию, включающую
в себя все необходимые системы обеспечения и
вторичные источники питания.
Как видно на рисунке 2, электроника ЦМЛГ
включает две небольшие размещенные «этажер-
кой» печатные платы. Верхняя плата – цифровой
блок контроллера на базе 32-разрядного микро-
контроллера (МК) семейства STM32, нижняя –
аналоговые системы обеспечения МКЛ. В кор-
пусе под платами размещается МКЛ блоками
питания и поджига разряда.
Рисунок 1 – Внешний вид ЦМЛГ
Рисунок 2 – ЦМЛГ без верхней крышки
Блок контроллера включает МК, ПЛИС,
внешний интерфейс RS-422, вспомогательные
подсистемы питания.
Системы обеспечения предназначены для вы-
работки питающих МКЛ напряжений, токов и
сигналов, обеспечивающих его функционирова-
ние.
Для стимуляции разряда в активных проме-
жутках МКЛ и поддержания разрядного тока
используется система поджига и накачки. Она
содержит блок поджига разряда (БПР), стабили-
заторы тока разряда (СТР) (по одному на анод) и
высоковольтный источник анодного питания.
БПР обеспечивает напряжение зажигания га-
зоразрядных промежутков МКЛ с малым давле-
нием рабочей смеси, которое в 2…5 раз превы-
шает напряжение горения.
СТР предназначен для автоматического зада-
ния выбранных анодных токов МКЛ и их стаби-
лизации, а также для выдачи в МК информации о
токах разряда в газоразрядных промежутках
МКЛ. для задания и поддержания необходимого
тока разряда в анодном промежутке.
Использование СТР не снимает необходимо-
сти стабилизировать напряжение источника пи-
тания разряда, но в этом случае стабилизатор
высокого напряжения будет играть дополни-
тельную роль ограничителя напряжения на регу-
лирующем элементе СТР.
Схемы питания разрядных промежутков соз-
дают на катоде МКЛ высокое отрицательное
напряжение, затрудняющее включение стабили-
затора тока в катодную цепь. Это приводит к
необходимости применения стабилизаторов для
каждого анода в отдельности. Другой причиной
использования анодных СТР является то, что при
изготовлении не могут быть сформированы два
абсолютно одинаковых анодных канала, что
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
83
приведет к различию анодных токов если зада-
вать только суммарный катодный ток. В СТР
предусмотрен цифровой выход наличия разряда
в стабилизируемом канале. Он используется для
автоматизации процесса поджига, повышения
надежности и сокращения времени готовности
ЦМЛГ к работе. При пропадании разряда в лю-
бом из каналов МК включает БПР и восстанав-
ливает разряд.
Система регулировки периметра (СРП)
предназначена для вывода рабочей моды на
центр контура усиления и поддержания с посто-
янства длины периметра МКЛ при изменениях
его температуры и давления окружающей среды.
СРП обеспечивает нестабильность длины пери-
метра не хуже 10-9.
Выходной каскад ДПК представляет собой
высоковольтный дифференциальный усилитель с
ограниченной полосой пропускания, что повы-
шает его устойчивость и позволяет снизить по-
требляемый ток.
Система частотной "подставки" предна-
значена для возбуждения и поддержания требуе-
мой амплитуды механических угловых автоко-
лебаний МКЛ. Она состоит из вибропривода и
драйвера вибропривода (ДВП).
ДВП предназначен для создания угловых ко-
лебаний виброподвеса МКЛ на его резонансной
частоте и управления по заданному алгоритму
этими колебаниями со стабилизацией их ампли-
туды.
Вибропривод является составной частью
МКЛ и предназначен для преобразования перио-
дического электрического напряжения в кру-
тильные колебания моноблока. Вибропривод
МКЛ представляет собой деталь, вырезанную из
единого куска металла электроэрозионным мето-
дом. Его форма оптимизируется так, чтобы, имея
высокую жесткость по отношению к линейным
ускорениям, он допускал упругие изгибные ко-
лебания. Роль движителя выполняют пьезокера-
мические пластины, наклеенные на плоские
стойки, одни концы которых зафиксированы на
основании, а вторые образуют крестовину. С ней
связана другая крестовина, предназначенная для
крепления моноблока.
Пары пьезокерамических пластин на стойках
электрически соединены так, что при расшире-
нии одной из них вторая сжимается и наоборот.
При этом стойки изгибаются, а крестовина и,
следовательно, моноблок закручиваются по от-
ношению к основанию.
Система съема информации предназначена
для преобразования сигналов биений с информа-
ционных фотодиодов МКЛ в электрические сиг-
налы, согласованные по уровню и форме с ин-
формационным каналом контроллера ЦМЛГ, а
также формирования дополнительных информа-
ционных сигналов об интенсивности генерации,
прохождении МКЛ нулевого положения и тем-
пературе моноблока в характерных точках.
Усилитель-формирователь сигнала биений
(УФБ) предназначен для усиления преобразова-
ния двух токовых сигналов с двухплощадочного
фотоприемника канала биений, усиления их до
необходимого уровня и формирования цифровых
сигналов для дальнейшей обработки контролле-
ром ЦМЛГ.
Датчик нулевого положения (Д0) предна-
значен для формирования сигнала стробирова-
ния момента съема информации с МКЛ. Строби-
рующий импульс должен вырабатываться при
прохождении кольцевым лазером определенного
(фиксированного) углового положения, при этом
интеграл по угловому перемещению, связанному
с колебательным движением вибропривода, за
такт съема информации с высокой степенью точ-
ности равен нулю.
Усилитель-формирователь канала интен-
сивности (УФИ) предназначен для получения
информации с МКЛ о положении моды относи-
тельно центра контура усиления активной среды.
Данная информация используется МК для вы-
бора оптимальной моды и выдачи информации
на ЦАПы драйверов пьезокорректоров (ДПК)
для поддержания длины периметра МКЛ и ста-
билизации его на оптимальной моде.
Проведены испытания макета ЦМЛГ с КЛ-3
т.к. МКЛ находится в процессе разработки. Ис-
пытания показали успешное функционирование
электронных блоков и подтвердили правиль-
ность реализованных в разработке технических
решений.
1. Зуйков И.Е., Кривицкий П.Г., Оксенчук И.Д.
Цифровой лазерный гироскоп. – Материалы
3-й МНТК «Современные методы и приборы
контроля качества и диагностики состояния
объектов». – Могилев, 2009, – С.246-248.
2. Зуйков И.Е., Кривицкий П.Г., Оксенчук И.Д.
Адаптивная бесплатформенная инерциальная
навигационная система. – Пятый белорусский
космический конгресс 25–27 октября 2011
года. Материалы конгресса. Том 1. – ОИПИ
НАН Беларуси, Минск – С.247-251.
3. Зуйков И.Е., Кривицкий П.Г. Блок
обеспечения кольцевого лазера на основе
микроконтроллера STM32F407. – Материалы
5-й МНТК Приборостроение-2012, – Мн.:
БНТУ, 2012 – С. 72-74.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
84
УДК 621.373.826
ПЕРЕСТРАИВАЕМЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ОПТОВОЛОКОННЫХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
Ксенофонтов М.А.1, Поляков А.В.2
1Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем
им. А.Н. Севченко» Белорусского государственного университета
2Белорусский государственный университет
Минск, Республика Беларусь
Для создания квазираспределенных воло-
конно-оптических датчиков с использованием
WDM-технологии на основе таких систем как,
например, рециркуляционные измерительные
системы [1,2], необходимо разрабатывать специ-
альные перестраиваемые высокостабильные ис-
точники излучения. В данной работе в качестве
такого источника описан перестраиваемый воло-
конный кольцевой лазер. В измерительных сис-
темах данный источник может заменить большое
число отдельных полупроводниковых лазеров.
В качестве источника излучения используется
двухволновой перестраиваемый кольцевой воло-
конный лазер, подобный [3]. Лазер имеет одно-
направленную кольцевую архитектуру, вклю-
чающую в себя оптический изолятор, направ-
ленный ответвитель, легированное эрбием
волокно, полупроводниковый оптический усили-
тель, резонансный волоконный фильтр Фабри –
Перо, оптический полосовой перестраиваемый
фильтр и два волоконных резонатора (рису-
нок 1).
1 – волоконный эрбиевый оптический усилитель,
2 – Y-образный оптический разветвитель,
3 – оптический изолятор, 4 – два контроллера
поляризации, 5 – резонансный волоконный
фильтр Фабри-Перо, 6 – первый волоконный
резонатор, 7 – два X-образных разветвителя,
8 – второй волоконный резонатор,
9 – полупроводниковый оптический усилитель,
10 – оптический полосовой перестраиваемый
фильтр
Рисунок 1 – Функциональная схема
перестраиваемого волоконного кольцевого
лазера
Предлагаемое устройство работает сле-
дующим образом. Излучение со сплошным спек-
тром, пройдя через оптический изолятор и кон-
троллер поляризации, на выходе резонансного
волоконного фильтра Фабри –Перо преобразу-
ется в излучение только на резонансных частотах
резонатора Фабри – Перо. Генерация каждой
длины волны в одномодовом режиме в виде про-
дольной моды обеспечивается двумя волокон-
ными резонаторами, связанных с основным
кольцом X-образными разветвителями. Далее
после установления линейной поляризации кон-
троллером поляризации происходит предвари-
тельное усиление излучения полупроводнико-
вым оптическим усилителем. Селекция двух
длин волн и перестройка в заданном спектраль-
ном диапазоне осуществляется перестраиваемым
оптическим полосовым фильтром. Излучение на
двух выделенных длинах волн усиливается воло-
конным эрбиевым оптическим усилителем и с
помощью Y-образного разветвителя выводится
из лазера.
Основным элементом резонансного воло-
конного фильтра Фабри –Перо является отрезок
одномодового оптического волокна с торцами,
имеющими форму линзы, на которые напылено
полупрозрачное зеркальное покрытие с высоким
коэффициентом отражения. Свободная область
спектра fr рассчитывается по формуле
0/(2 )rf c n l= , (1)
где l – длина резонатора; с – скорость света в
вакууме; а выражение для ширины резонансной
кривой по уровню –3 дБ имеет вид
1
2r
c R
f
nl R
−
∆ =
π
, (2)
где R – коэффициент отражения полупрозрач-
ного зеркала по интенсивности света.
При длине фильтра Фабри – Перо l = 1 мм и
R = 0,7 согласно (1) и (2) fr = 100 ГГц и
∆fr = 11,4 ГГц.
В качестве перестраиваемого полосового
фильтра используется волоконный интерферен-
ционный фильтр, в котором выбор длины волны
осуществляется при изменении угла наклона
плоскости фильтра, его линейного перемещения
или вращения автоматически с помощью элек-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
85
тронного привода со скоростью установки пара-
метров фильтра не более нескольких миллисе-
кунд. Перестраиваемый оптический фильтр ком-
пании DiCon имеет следующие параметры:
диапазон перестройки 1525–1565 нм, ширина
полосы пропускания 200 ГГц (1,6 нм), разреше-
ние по длине волны 0,05 нм, типовые вносимые
потери 1,5 дБ, максимальный уровень обратного
отражения –50 дБ. Ширины полосы пропускания
перестраиваемого фильтра достаточно, чтобы
пропустить выделенный с помощью резонанс-
ного фильтра Фабри – Перо диапазон, содержа-
щий две длины волны. Таким образом, в воло-
конном кольцевом лазере генерируются две
длины волны, разнесенные на 100 ГГц (0,8 нм).
Путем перестройки полосового фильтра выбира-
ется та пара мод резонатора Фабри – Перо, кото-
рая и будет генерироваться. Перестройка явля-
ется ступенчатой с шагом 200 ГГц в рамках
спектрального диапазона, равного 40 нм.
Генерация двухволновых сигналов при нали-
чии только волоконного эрбиевого оптического
усилителя является нестабильной, поскольку
одна длина волны может монопольно захватить
всю инверсию населенности при усилении сла-
бых (порядка –30 дБм) сигналов. Чтобы этого
избежать, необходимо осуществлять предвари-
тельное усиление, что достигается использова-
нием полупроводникового оптического усили-
теля. Применение одного только полупроводни-
кового усилителя не обеспечивает достаточного
усиления для достижения приемлемого отноше-
ния сигнал/шум. Использовалась квантовораз-
мерная гетероэпитаксиальная структура полу-
проводникового усилителя на основе InGaAsP-
InP, излучающая на длине волны 1530–1565 нм.
Ширина мезаполоски составляла 3 мкм, длина
резонатора 1000–1600 мкм. На переднюю и зад-
нюю грани активного элемента нанесены много-
слойные просветляющие покрытия. Активный
элемент оптического усилителя смонтирован на
медном теплоотводе, который в свою очередь
помещен на термоэлектрический холодильник,
управляемый схемой термостабилизации. Излу-
чение с задней и передней граней активного эле-
мента усилителя вводится в одномодовый свето-
вод с микролинзой на торце, на поверхность ко-
торой нанесено просветляющее покрытие с
коэффициентом отражения < 0,05 %. Макси-
мальное отношение сигнал/шум наблюдалось
при токе накачки 150 мА, при этом коэффициент
усиления равнялся 17 дБ при мощности входного
сигнала –15 дБм и коэффициент усиления
уменьшался до 8 дБ при возрастании входной
мощности до –3 дБм. Волоконный эрбиевый оп-
тический усилитель состоит из отрезка волокон-
ного световода длиной 10 м, легированного эр-
бием, двух оптических изоляторов, расположен-
ных на входе и выходе усилителя,
полупроводникового лазера накачки с мощно-
стью излучения 100 мВт на длине волны 980 нм,
модулятора тока накачки лазера, устройства
температурного контроля лазера и 980/1550
WDM-разветвителя. Основные характеристики
эрбиевого усилителя: коэффициент усиления
11 дБ, выходная мощность излучения 12 дБм,
спектральная полоса усиления 35 нм в диапазоне
длин волн 1535–1570 нм, коэффициент шума 4–
6 дБ.
Период обращения сигналов по основному
кольцу составляет 325 нс. К этому кольцу с по-
мощью X-образных оптических разветвителей с
коэффициентом деления 10 : 90 присоединены
два волоконных резонатора длиной 6 м и 0,85 м.
Длины резонаторов подобраны таким образом,
чтобы предотвратить биения, возникающие
среди многих продольных мод основного кольца
и увеличить отношение сигнал/шум. В резуль-
тате при отводе 10 % мощности излучения в эти
резонаторы регистрируемое отношение сиг-
нал/шум составляет более 30 дБ (рисунок 2).
а)
б)
а – ВР1 и ВР2 отключены; б – включены оба
резонатора–ВР1 и ВР2
Рисунок 2 – Влияние дополнительных
волоконных резонаторов ВР1 и ВР2 на спектр
генерации кольцевого волоконного лазера
В качестве контроллера поляризации исполь-
зуется поляризатор полированного типа, в кото-
ром часть оболочки, почти до самого сердечника,
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
86
удалена полировкой и на обработанную поверх-
ность напылен металл – алюминий или серебро.
Среди мод, электрические составляющие кото-
рых перпендикулярны или параллельны метал-
лической поверхности, на моды с перпендику-
лярной составляющей приходится основная доля
потерь поглощения. Для снижения потерь мод с
параллельной составляющей между отполиро-
ванной поверхностью волокна и металлом сфор-
мирован буферный слой (CaF2), обладающий
более низким коэффициентом преломления, чем
оболочка. В результате коэффициент затухания
поляризатора для перпендикулярных компонен-
тов составляет 45 дБ и вносимые потери для па-
раллельных составляющих не превышают 1 дБ.
Работа оптического изолятора основана на
эффекте Фарадея. В качестве материала для эле-
мента Фарадея используется монокристалл YIG
железо-иттриевого граната с большой постоян-
ной Верде, прозрачный на длине волны более
1,2 мкм. Кроме того, в конструкцию изолятора
входят поляризатор, магнит для создания маг-
нитного поля, оптический анализатор. Изолятор
имеет следующие параметры: центральная длина
волны 1550 ± 50 нм, прямые потери 0,6 дБ, ко-
эффициент развязки 28 дБ. Вывод излучения из
кольцевого лазер обеспечивается Y-образным
разветвителем с коэффициентом деления мощ-
ности 50 : 50.
Таким образом, в волоконном кольцевом ла-
зере генерируются две длины волны, разнесен-
ные на 100 ГГц (0,8 нм) с шириной линии гене-
рации 11,4 ГГц по уровню –3 дБ. В результате
длину волны излучения лазера можно перестраи-
вать в диапазоне 40 нм в пределах длин волн от
1525 до 1565 нм с шагом 1,6 нм, при этом коле-
бания мощности во всем диапазоне не превы-
шает 2,5 дБм. Волоконный лазер соединяется с
измерительной частью посредством LiNbO3 на-
правленным ответвителем с потерями переклю-
чения 3 дБ, принцип действия которого поясня-
ется на рисунок 3.
Рисунок 3 – Принцип функционирования LiNbO3
направленного ответвителя
Излучение лазера поступает в волоконный
световод, являющийся измерительным чувстви-
тельным элементом датчика, в тот промежуток
времени, когда на управляющем входе с присут-
ствует импульс от блока регенерации. Выходная
мощность излучения кольцевого волоконного
лазера составляет 4,5 мВт. Преимуществом та-
кого источника излучения является существенно
более высокая мощность излучения по сравне-
нию с широкополосными светодиодами.
В квазираспределенных оптоволоконных из-
мерительных системах в качестве спектрально-
селективных элементов предлагается использо-
вать волоконные решетки Брэгга (ВРБ), пред-
ставляющие собой сформированные в волокне
участки с периодическим изменением показателя
преломления. Особенностью таких решеток яв-
ляется то, что в зависимости от величины пе-
риода происходит отражение на одной опреде-
ленной длине волны, а для других длин волн
решетка будет прозрачной. Так, для длины
волны излучения BGλ = 1550 нм; длины ре-
шетки 5 мм; амплитуды модуляции наведенного
показателя преломления для ВРБ 7,5⋅10–4; диа-
метра сердцевины волокна 9 мкм; среднего пока-
зателя преломления сердцевины 1,468; показа-
теля преломления оболочки оптического волокна
1,4638; ширина спектра отражения ВРБ состав-
ляла 0,6 нм по основанию, а коэффициент отра-
жения на резонансной длине волны равнялся
0,97. При этом затухание соседних с централь-
ным лепестков составляет около 10 дБ. В резуль-
тате, комбинация перестраиваемого кольцевого
лазера и волоконного световода, в котором
сформированы волоконные решетки Брэгга с
различными периодами, позволяет получать ин-
формацию от более чем 20 точек измерения
вдоль одного волоконно-оптического тракта.
1. Ксенофонтов М.А., Поляков А.В. Устройство
измерения концентрации кислорода //
Фотоника. – 2010. – №4. – С. 44–48.
2. Поляков А.В. Волоконно-оптическая система
скважинной термометрии рециркуляционного
типа // Известия Вузов. Приборостроение. –
2012. – Т.55, №9. – С.84–90.
3. Shilong Pan, Xiaofan Zhao, and Caiyun Lou
Switchable single-longitudinal-mode dual-
wavelength erbium-doped fiber ring laser
incorporating a semiconductor optical amplifier
// Optics Letters. – 2008. –Vol. 33, № 8. – 764–
766.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
87
УДК 621.317.681.2:621.317.799
НОВЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ, СОЗДАННЫЕ ОАО «МНИПИ»
Кухаренко Н.А., Фирман М.Г.
Отрытое акционерное общество «МНИПИ»,
Минск, Республика, Беларусь
Государственная научно-техническая про-
грамма «Радиоэлектроника-2» выполнялась в
период 2011 – 2015 гг. ОАО «МНИПИ» являлось
головным исполнителем 2 подпрограмм этой
ГНТП: «Радиоэлектронная аппаратура общепро-
мышленного применения» и «Радиоэлектронная
и оптоэлектронная аппаратура специального и
двойного применения».
Всего в рамках двух подпрограмм создано 85
объектов новой техники.
Разработка приборов и средств изменений –
одно из основных направлений работ в рамках
указанных подпрограмм. ОАО «МНИПИ» - ос-
новной разработчик и один из основных изгото-
вителей средств измерений в рамках указанной
программы.
В 2011 – 2015 годах предприятием были раз-
работаны 26 типов средств измерений различных
величин.
Разработаны и в 2016 году освоены в произ-
водстве четыре типа универсальных цифровых
вольтметров:
настольного сервисного вольтметра В7-77/1
класса 0,04%;
системного вольтметра класса 0,01% В7-89 с
расширенными функциональными возможно-
стями;
системных вольтметров В9-91, В7-91/1 класса
0,03 %.
Эти вольтметры от ранее освоенных в произ-
водстве приборов аналогичного класса отлича-
ются более жесткими условиями эксплуатации,
меньшей стоимостью, более широкими функ-
циональными возможностями.
Разработан и освоен в производстве универ-
сальный калибратор Н4-201, обеспечивающий
калибровку и поверку электроизмерительных
приборов среднего и повышенного класса точно-
сти в диапазоне напряжений до 1000 В и силы
тока до 50 А. Калибратор по сравнению с выпус-
кающимся в настоящее время прибором Н4-101
обладает большей точностью воспроизведения
(0,015% на постоянном напряжении), более ши-
роким диапазоном частот воспроизводимого
переменного напряжения (до 100 кГц). Как и
прибор Н4-101, этот калибратор обеспечивает
свои характеристики в сравнительно широком
диапазоне рабочих температур, что позволяет
применять его непосредственно в местах экс-
плуатации поверяемой техники. По сравнению с
калибраторами зарубежного производства Н4-
201 отличается существенно более низкой стои-
мостью при оптимальном наборе функциональ-
ных возможностей и метрологических характе-
ристик.
В период 2011 – 2015 гг. разработаны и ос-
воены в производстве три типа новых анализато-
ров иммитанса: Е7-28 (диапазон частот от 25 Гц
до 10 МГц, класс точности 0,1%), Е7-29 (диапа-
зон частот от 50 Гц до 15 МГц, класс точности
0,2%, жесткие условия эксплуатации), Е7-30
(диапазон частот от 25 Гц до 3 МГц, класс точ-
ности 0,1%).
Для метрологического обеспечения произ-
водства и эксплуатации измерителей иммитанса
и других средств измерений параметров цепей на
переменном токе создан и освоен в производстве
набор мер электрического сопротивления Н2-2.
Набор состоит из 10 мер (0 Ом, 1, 10 Ом, … 1
МОм, ∞) и обеспечивает передачу размера еди-
ницы сопротивления на переменном токе при
частотах до 10 МГц с погрешностью
(0,03…0,3)%.
Созданы четыре типа цифровых двухканаль-
ных осциллографов:
С8-52 – диапазон частот до 120 МГц, жесткие
условия эксплуатации, цветной графический
дисплей со светодиодной подсветкой;
С8-53, С8-53/1 – диапазон частот до 100 МГц,
малые габариты и масса (3,5 кг);
С8-54 – диапазон частот до 200 МГц, 400
Мвыб/с в каждом канале, жесткие условия экс-
плуатации, цветной TFT ЖК дисплей.
Все перечисленные осциллографы обеспечи-
вают более 20 видов автоматических цифровых
измерений, работоспособны при питании от сети
и от аккумулятора.
Перечень разработанных и выпускаемых
предприятием электронно-счетных частотомеров
в 2015 году дополнился новым прибором Ч3-96.
Этот частотомер также предназначен для приме-
нения в сравнительно жестких условиях эксплуа-
тации. Диапазон частот от 0,01 Гц до 3,2 ГГц. По
равнению с ранее разработанными в ОАО
«МНИПИ» частотомерами он имеет более широ-
кие функциональные возможности, более совер-
шенное программное обеспечение для внутри-
приборной обработки сигналов и результатов
измерений.
Разработаны и освоены в производстве че-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
88
тыре типа измерительных преобразователя тем-
пературы и влажности, обеспечивающие преоб-
разование измеряемых величин в нормированное
значение постоянного напряжения или силы тока
– ПИТ01, ПОВТ01, ПОВТ01А, ПОВТ2. Эти пре-
образователи применяются в настоящее время в
ряде метеорологических комплексов, а также при
испытаниях технических средств.
В 2011 – 2016 гг. предприятием был создан и
освоен в производстве также ряд приборов,
предназначенных для использования для органи-
зации учебного процесса и оборудования лабо-
раторий в высших и средних учебных заведе-
ниях, в том числе:
– комплекс учебный лабораторный КУЛ-1,
совмещающий в одном конструктиве 4,5-разряд-
ный мультиметр, генератор-частотомер и четы-
рехканальный источник питания;
– комплект приборов для демонстрации опы-
тов и проведения лабораторных работ, состоя-
щий из демонстрационного мультиметра-тес-
тера, демонстрационного осциллографа-генера-
тора, демонстрационного СВЧ приемника-
передатчика и высоковольтного источника на-
пряжения;
– программно-аппаратный комплекс с ком-
плектом датчиков для кабинетов физики;
– программно-аппаратный комплекс с ком-
плектом датчиков для кабинетов химии.
В выполнении заданий ГНТП «Радиоэлектро-
ника-2» приняли участие более 20 организаций
промышленности, отраслевой, академической и
вузовской науки.
Начиная с 2016 года, выполняется новая
ГНТП «Радиоэлектроника-3», цели и задачи ко-
торой аналогичны целям и задачам завершенной
программы. Участие в выполнении этой про-
граммы учреждений образования и науки будет
способствовать решению одной из основных
задач программы – повышению конкурентоспо-
собности и научно-технического уровня продук-
ции отечественного приборостроения.
УДК 620.179.14
АНАЛИЗ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ ИМПУЛЬСНОГО
ВИХРЕТОКОВОГО КОНТРОЛЯ
Куц Ю.В., Лысенко Ю.Ю., Дугин А.Л.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»
Киев, Украина
Вихретоковый неразрушающий контроль
(ВТНК) широко применяется в различных областях
науки и техники благодаря высокой эффективности
и надежности получаемых решений задач дефекто-
скопии, контроля качества материалов и изделий,
определения параметров и характеристик объектов
контроля (ОК) различного назначения и в различ-
ных предметных областях. С целью улучшения и
усовершенствования методов и средств ВТНК ис-
следуют и применяют новые вихретоковые преоб-
разователи (ВТП), имеющие более сложную конст-
рукцию, совершенствуют способы возбуждения
вихревых токов, применяют новых методы обра-
ботки информационных сигналов ВТП и т.д.
Сегодня наибольшее развитие получили ме-
тоды ВСНК, ориентированные на использование
гармонических сигналов для возбуждения вихре-
вых токов в ОК. В этом случае электрофизические
характеристики материалов и геометрические
параметры ОК определяются через такие пара-
метры информационных сигналов ВТП как ам-
плитуда и фазовый сдвиг. Анализ информацион-
ных сигналов ВТП и интерпретация результатов
контроля усложняется за счет действия ряда ме-
шающих факторов, среди которых наиболее опас-
ными являются зазор между ВТП и ОК, вариация
электромагнитных свойств металла, кривизна и
шероховатость поверхности ОК, внешние и аппа-
ратурные шумы и помехи различной природы [1].
Чаще всего ВТНК реализуется за счет возбуж-
дения вихревых токов гармоническими сигналами
одной частоты, что теоретически допускает опре-
деление двух параметров системы ВТП-ОК. Пара-
метры и характеристики ОК определяют через их
воздействие на амплитуду и фазовый сдвиг сигнала
ВТП относительно сигналов возбуждения вихре-
вых токов. Для расширения функциональных воз-
можностей ВТНК рассматривают применение дру-
гих режимов возбуждения вихревых токов и осу-
ществляют поиск и анализ других информативных
параметров (ИП). Один из таких направлений ис-
следования связан с использованием импульсного
режима возбуждения в ОК вихревых токов. Со-
вершенствование методов обработки сигналов им-
пульсного ВТНК связано с поиском новых ИП
сигналов ВТП, повышением достоверности кон-
троля, поиском способов уменьшения влияния
различных мешающих факторов, действующих в
системе ВТП – ОК, реализацией многопараметро-
вого контроля, и расширением функциональных
возможностей ВТНК. Таким образом, развитие
методов и средств импульсного ВТНК является
важным направлением развития этого вида кон-
троля.
Анализ современных исследований импульс-
ного ВТНК показывает, что в качестве ИП наибо-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
89
лее часто используют пиковое значение амплитуды
сигнала – в дефектоскопии однослойных конструк-
ций с целью увеличения глубины проникновения
вихревых токов [2], дефектоскопии многослойных
конструкций [3], дефектоскопии отверстий клепоч-
ных соединений в авиастроении [4]. Известны сис-
темы с комбинированным использованием гармо-
нического и импульсного режимов возбуждения
электромагнитного поля [5]. В таком случае при
обработке информационного сигнала ВТП исполь-
зуют дополнительные ИП сигналов ВТП - затуха-
ние и положения во времени точки пересечения
нулевого уровня этим сигналом.
В докладе рассмотрены экспериментальные
результаты решения задачи дефектоскопии и
дефектометрии алюминиевых листов. Было вы-
полнено сканирование ОК с моделями трещин
разной глубины и реализацией в режиме им-
пульсного возбуждения ВТП. В качестве ОК
была использована алюминиевая пластина с
трещинами разной глубины (от 0.1 мм до 3мм) и
шириной раскрытия 1мм (рисунок 1).
Разработанная система ВТНК включала на-
кладной трансформаторный мульти дифференци-
альный ВТП, цифровой осциллограф (вертикаль-
ное разрешение 12 бит, частота выборки 500 МГц,
динамический диапазон 60 МГц), цифровой ин-
терфейс, персональный компьютер с необходимым
программным обеспечением (Matlab). На первич-
ную катушку ВТП поступал возбуждающий им-
пульсный сигнал от генератора, встроенного в
цифровой осциллограф, амплитуды В 5=U ,
периодом повторения мкс 50=пT , продолжитель-
ностью нс 175=τ . Сигнал со вторичной обмотки
ВТП представлял собой затухающие гармониче-
ские колебания. Колебания вызывались индуктив-
ностью катушек ВТП и их межвитковой емкостью
(рисунок 2). Информационный сигнал поступал на
цифровой осциллограф для аналого-цифрового
преобразования и передавался в персональный
компьютер для дальнейшей обработки.
Используемое ПО реализует методику обра-
ботки сигналов ВТП с анализом сигнала во вре-
менной области на основе использования преоб-
разования Гильберта [6]. Такая методика дает
возможность использовать в качестве ИП зату-
хание сигнала ВТП и его частоту. В работах [7,
8] показано, что эти параметры можно использо-
вать для оценки удельной электропроводности
материала ОК, его диаметр, толщину диэлектри-
ческого покрытия.
В данной работе совместно с используемыми
ранее ИП рассматривалось и пиковое значение
амплитуды информационного сигнала. По ре-
зультатам сканирования ОК (рисунок 3а) с ша-
гом 0.1мм было получено набор сигналов ВТП, и
которых были выделены максимальные пиковые
значение амплитуды. Распределение пиковых зна-
чений напряжения на поверхности ОК представ-
лено на рисунке 3б. Из анализа этого распределе-
ния видно, что появление трещины в ОК приводит
к существенному увеличению амплитуды напря-
жения непосредственно возле нее, но уменьшению
над самой трещиной.
Используя зависимость амплитуды от глубины
трещины можно в некоторых случаях расширить
задачу дефектоскопии – оцениванием глубины
трещин. Таким образом, ВТНК с импульсным
возбуждением в сочетании с цифровой обработ-
кой информационных сигналов на основе дис-
кретного преобразования Гильберта может суще-
ственно дополнить известные методы за счет воз-
можности анализа таких параметров сигналов как
частота собственных колебаний, пиковое значе-
ние амплитуды, декремент сигнала и временное
положение характерных точек сигнала. В докладе
приведены методика и показана ее реализация на
примере обработки сигналов импульсного ВТНК
для задачи контроля алюминиевой пластины с
Рисунок 3 – Исследуемый образец (а)
и распределение пиковых значений
напряжения ВТП (б)
а)
б)
Рисунок 2 – График участка сигнала ВТП
Рисунок 1 – Исследуемый образец
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
90
трещинами различной глубины.
1. Тетерко А.Я. Селективна вихрострумова
дефектоскопія / А.Я. Тетерко, З.Т. Назарчук;
НАН України. Фіз.-мех. ін-т ім. Г.В.Карпенка.
– Л., 2004. - 247 c.
2. Cadeau T. Pulsed eddy current probe desing
based on transient circuit analysis / T.J. Cadeau,
T.W. Krause // Review of Quantitative NDE. –
2009. – vol. 28. – pp. 327-334.
3. Неразрушающий контроль. Кн. 3.
Електромагнитный НК / Под ред. В.В. Сухо-
рукова – М.: Высшая школа, 1992, – 320с.
4. Yang G. Pulsed Eddy-Current Based Giant
Magnetoresistive System for the Inspection of
Aircraft Structures / G. Yang, A. Tamburrino,
L. Udpa, S. Udpa // IEEE Trans. Magn. – 2010. –
vol. 46, no. 3. – pp. 910-917.
5. Vasic D. Pulsed Eddy-Current Nondestructive
Testing of Ferromagnetic Tubes / D. Vasic,
V. Bilas, D. Ambrus // IEEE Trans. Instrum.
Meas. – 2004. – vol. 53, no. 4. – pp. 1289-1294.
6. Методика обработки сигналов в системах
импульсной вихретоковой дефектоскопии:
материалы VІІІ Междунар. научн.-техн. конф.
«Приборостроение - 2015», 25 - 27 ноября
2015 г., Минск, Республика Беларусь / БНТУ
ПБФ — Минск, 2015. — Т. 1, 322 с.
7. Lysenko I. Improvement of the Eddy Current
Method of Non-Destructive Testing with Pulsed
Mode Excitation [Electronic resource] /
I. Lysenko, Y. Kuts, O. Dugin, A. Protasov //
The e-Journal of Nondestructive Testing. – 2016.
– № 7, Vol. 21. – Access mode:
http://www.ndt.net.
8. Лисенко Ю. Ю. Застосування накладних
перетворювачів в імпульсному
вихрострумовому контролі / Лисенко Ю. Ю.,
Куц Ю. В., Протасов А.Г., Дугін О.Л. // Вісник
НТУУ «КПІ». Приладобудування : збірник
наукових праць. – 2016. – Вип. 52. – С. 58–63.
УДК 621.317.799:621.382
МЕТОД УПРАВЛЕНИЯ МАТРИЧНЫМ КОММУТАТОРОМ
Лисенков Б.Н., Грицев Н.В.
Открытое акционерное общество «МНИПИ», Минск, Республика Беларусь
Матричные коммутаторы широко приме-
няются в автоматизированных системах измере-
ния и контроля параметров полупроводниковых
приборов (ПП). Они используются для выбора
тестируемого ПП и подключения к нему источ-
ников и измерителей электрических сигналов.
Основу матричного коммутатора составляют
ключи, расположенные в перекрестиях строк (A,
B, C, D, …) и колонок (1, 2, 3, 4,…) коммутатора.
Замыкание определенных ключей обеспечивает
подключение измерительных приборов, каждый
из которых присоединен к определенной строке, к
интересующему электроду ПП, присоединенному
к одной из колонок.
В простейшем случае, при тестировании
двухполюсника (диода), присоединенного к ко-
лонкам 2 и 4 коммутатора, с помощью источника
тока, присоединенного к его строкам А и В, и
измерителя напряжения, присоединенного к его
строкам С и D, блок управления замыкает ключи
А2, В4 и С2, D4, которые выбирает оператор на
основании измерительной схемы, представленной
на рис. 1, при формировании теста.
При контроле трех- и четырехполюсников
подготовка программы тестирования в части
управления матричным коммутатором сущест-
венно усложняется. Это связано с тем, что для
каждого теста составляется измерительная схема,
отображающая связи множества (до 8ми) измери-
тельных приборов с электродами тестируемого
ПП. На основании такой схемы определяют, в
каких узлах матрицы должны быть замкнуты
ключи при выполнении данного теста
Источник
тока
Измеритель
напряжения
A
B
C
D
КОММУТАТОР
1 2 3 4 5 6 48
Рисунок 1 – Измерительная схема для
матричного коммутатора при тестировании
диода: × –замкнутые узлы
С целью исключения возможных ошибок
при определении узлов матричного
коммутатора, которые должны быть замкнуты
в выбранном тесте, сложные измерительные
схемы необходимо определенным образом
визуализировать и документировать.
Современные матричные коммутаторы
снабжены устройствами индикации, которые
отображают все узлы матричного коммутатора
и позволяют выделить, светом или цветом,
узлы с замкнутыми ключами. При этом,
известные устройства индикации состояния
матричного коммутатора весьма сложны и
громоздки с точки зрения решаемой задачи.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
91
Их выполняют либо на светодиодах,
расположенных в узлах матрицы, изображенной
на передней панели коммутатора, причём
количество светодиодов соответствует числу уз-
лов коммутатора, либо на базе графического дис-
плея, занимающего большую часть площади пе-
редней панели [1].
Устройство отображения состояния матрич-
ного коммутатора позволяет повысить достовер-
ность тестирования ПП, но практически не влияет
на оперативность управления, так как основное
время в этом процессе занимает составление и
анализ измерительных схем для множества
тестов.
При тестировании ПП с помощью программи-
руемых измерителей параметров полупроводни-
ковых приборов (ИППП), или анализаторов
вольтамперных характеристик (ВАХ), построен-
ных на основе источников-измерителей (ИИ) уже
не требуется подключения к электроду ПП одно-
временно нескольких измерительных приборов.
Каждый ИИ формирует тестирующий сигнал (ток
или напряжение) подаваемый на электрод ПП и
одновременно измеряет сигнал-отклик (напряже-
ние или ток), возникающий на этом электроде [2].
Благодаря возможности выбора типа форми-
руемого и измеряемого сигналов, ИИ может рас-
сматриваться как самостоятельная ступень ком-
мутации, которая обеспечивает подключение к
электроду ПП источника и измерителя электриче-
ских сигналов и выбор типа каждого из них (тока
или напряжения). Поэтому в системе измерения,
включающей программируемый ИППП или ана-
лизатор ВАХ и матричный коммутатор, требова-
ния к функциональным возможностям матрич-
ного коммутатора существенно снижаются и ме-
тод задания состояния коммутатора в
формируемом тесте, может быть упрощен.
Программируемые ИППП и анализаторы
ВАХ, обеспечивают отображение измерительной
схемы выбранного теста. Это позволяет упро-
стить конструкцию, используемого вместе с та-
кими приборами, матричного коммутатора, за
счет исключения громоздкого индикатора его
состояния, который, в этом случае, будет избы-
точным.
Например, в ИППП-1 измерительная схема
представлена в виде таблицы, где указаны вид и
параметры тестирующего и измеряемого сигналов
для каждого электрода ПП вместе с наименова-
нием этого электрода [2]. В ИППП-3 измеритель-
ная схема представлена в виде условного обозна-
чения (диод, биполярный или полевой транзи-
стор, тиристор) с указанием каналов прибора,
подключенных к каждому электроду. При этом,
вид тестирующего и измеряемого сигналов уже
определен согласно выбранному условному обо-
значению ПП [3].
Метод управления разработан для
матричного коммутатора входящего в состав
автоматизированного измерительного
комплекса (АИК), структурная схема которого
приведена на рис. 2. АИК предназначен для
измерения и контроля параметров группы ПП,
которая представлена в виде обобщенного
объекта тестирования с множеством выводов
(рис. 2). В качестве такого объекта можно
рассматривать либо тестовый модуль на
полупроводниковой пластине, либо группу
ПП в отдельных корпусах, либо группу ПП в
одном многовыводном корпусе.
Модуль
коммутации
1
1-12
2
13-24
3
25-36
4
37-48
Источник-
измеритель
1
2
3
4
Источник-
измеритель
Источник-
измеритель
Источник-
измеритель
КОММУТАТОР
A
B
C
D
A
B
C
D
A
B
C
D
A
B
C
D
A
B
C
D
ПК
Модуль
коммутации
Модуль
коммутации
Модуль
коммутации
О
Б
Ъ
Е
КТ
Т
Е
С
ТИ
Р
О
В
А
Н
И
Я
ИЗМЕРИТЕЛЬ
Рисунок 2 – Структурная схема АИК
АИК содержит компьютер, управляющий
с помощью матричного коммутатора выбором
объекта тестирования из множества ПП,
подключенных к колонкам коммутатора, и
работой измерителя в процессе тестирования
выбранного ПП. Измеритель включает четыре
ИИ, которые подключены к строкам A, B, C, D
матричного коммутатора.
Матричный коммутатор состоит из
четырех модулей коммутации, каждый из
которых содержит по четыре строки A, B, C, D
и двенадцать колонок. Соответствующие
строки модулей, как показано на рисунке 2,
соединены между собой. В результате
образуется матричный коммутатор 12×4=48, в
котором количество колонок определяется
суммой колонок всех модулей.
Предлагаемый метод управления
матричным коммутатором в составе АИК
включает следующие операции:
- выбор типа ПП (диод, транзистор, и д.р.),
в соответствии с которым на дисплее АИК
отображается измерительная схема
формируемого теста;
- установку типа тестирующего и измеря-
емого сигналов по каждому электроду ПП;
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
92
- установку в произвольном порядке сущест-
венных параметров формируемого теста и номе-
ров колонок матричного коммутатора, соответст-
вующих каждому из электродов выбранного ПП,
согласно измерительной схеме на дисплее АИК;
- переход к формированию следующего теста.
Метод не предполагает выполнения таких
операций, как составление и анализ измеритель-
ной схемы формируемого теста для определения
узлов коммутатора которые должны быть замк-
нуты в этом тесте. Это способствует повышению
оперативности формирования последовательно-
сти тестов при программировании АИК и сущест-
венно упрощает конструкцию коммутатора.
1. Каталог Keithley – Tektronix 2014.
издание 2 [электронный ресурс]. – Режим
доступа: http: //www.tektronix.ru /. – Дата
доступа 24.06.2016.
2. Измеритель параметров полупро-
водниковых приборов ИППП-1. Руководство
по эксплуатации. УШЯИ.411251.003 РЭ.
часть первая. – 47 с.
3. Измеритель параметров полупро-
водниковых приборов ИППП-3. Руководство
по эксплуатации. УШЯИ.411251.005 РЭ.
часть первая. – 41 с.
УДК 531.385
ИНФОРМАЦИОННО ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ МОРСКИХ ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ
ИЗМЕРЕНИЙ С САМОНАСТРОЙКОЙ ПАРАМЕТРОВ ГИРОСТАБИЛИЗАТОРА
Малютин Д.М.
ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет»
Тула, Российская Федерация
Известно [1], что в случае гармонической
качки среднее за период значение погрешности
гравиметра из-за ускорений и наклонов гироста-
билизатора (ГС) может быть выражено через
амплитудную и фазовую частотные характери-
стики передаточной функции ГС и определяется
зависимостью:
( ) ( ) ( )( )21 1 cos2
og W A Yξ< δ >= ω ω , (1)
где oWξ – амплитуда горизонтального ускорения
качки; ( )A ω – значение амплитудно-частотной
характеристики ГС на частоте качки; ( )Y ω –
значение фазовой частотной характеристики ГС
на частоте качки.
Среднее значение погрешности гравиметра,
обусловленной наклонами ГС, определяется за-
висимостью:
( )22 14
og g< δ >= − α , (2)
где g – ускорение свободного падения; oα – ам-
плитуда наклонов ГС.
Из приведенных зависимостей (1), (2) сле-
дует, что при установке гравиметра на ГС для
уменьшения погрешностей гравитационных из-
мерений необходимо обеспечить высокую точ-
ность стабилизации платформы относительно
горизонта и добиться близости к нулю значения
косинуса сдвига фазы между горизонтальными
ускорениями качки и наклонами платформы.
Эффективность выполнения этих требований в
свою очередь обусловлена структурой построе-
ния ГС.
Структурная схема контура коррекции инди-
каторного ГС с контуром самонастройки пара-
метров корректирующего устройства представ-
лена на рисунке 1.
Сигнал с выхода акселерометра поступает на
вход устройства измерения спектра, в котором
определяется преобладающая частота
качки ωК [2].
Рисунок 1 – Структурная схема контура
коррекции индикаторного ГС с контуром
самонастройки параметров : КА – коэффициент
передачи акселерометра, Т2,Т3, К2, ξ – параметры
корректирующего устройства контура
коррекции, КГ – коэффициент передачи
гироскопа по управляющему воздействию
В соответствии со значением преобладающей
частоты качки управляющее устройство (УУ)
изменяет постоянную времени Т4 апериодиче-
ского звена c передаточной функцией
4
4
1
W ( )
1
p
T p
=
+
таким образом, чтобы фазовый
сдвиг между горизонтальными ускорениями и
отклонением платформы был точно равен -270
град. Постоянная времени Т4 определяется ис-
ходя из условия самонастройки:
K
K
K
K T
T
arctgTarctgtg
T
ω
ω
ξω
ω
−
++−
=
1)(
2
)(90
2
2
2
3
4
(3)
Например, при настройке системы на частоту
качки 10,785K c
−ω = постоянная времени
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
93
Т4 = 0,123 с; при 10,658K c
−ω = , Т4 = 0,176 с; при
10,5188K c
−ω = , Т4 = 0,284 с. Определение
постоянной времени Т4 дополнительного
апериодического звена с точностью 3% при oWξ
= 1 м/с2 приводит к появлению значений
погрешности <δg1>, указанных в таблице 1.
Погрешность <δg2> пренебрежимо мала.
Таблица 1 – Погрешности гравиметра из-за уско-
рений и наклонов гиростабилизатора (ГС)
1,K c
−ω A(ωК) Y(ωК), град 1
g< δ > ,
мГал
0,785 1,4⋅10-5 -269,75 0,00224
0,658 2,38⋅10-6 -269,79 0,0041
0,5188 4,87⋅10-5 -269,815 0,01
Применим для обеспечения фазового сдвига -
270 град между горизонтальными ускорениями
качки и ошибкой стабилизации на частоте качки
основания вместо апериодического звена с
постоянной времени Т4 звено с передаточной
функцией:
( ) =pW4 1.
1/
4
4
+
+⋅
pT
lpT
, (4)
где Т4- переменная постоянная времени звена (4),
а l – переменный параметр звена (4).
Управляющее устройство (УУ) изменяет
постоянную времени Т4 и параметр l звена (4)
таким образом, чтобы фазовый сдвиг между
горизонтальными ускорениями и отклонением
платформы был точно равен - 270 град. Условие
самонастройки в этом случае запишется в виде
2
3 2
2
4
2
90 ( ) (5)
1 ( )
1 sin
1 sin
1
K
K
K
K
T
Q arctg T arctg
T
Q
l
Q
T l
ξ ω
ω
ω
ω
∆ = − ° + − −
+ ∆ =
− ∆
=
Передаточная функция ГС морского
гравиметра с такой системой коррекции имеет
вид
4
3
2 2 2
5 4 3 3 42 4 2 2 4 4 2 4
3
0
1
( 1)( 1)
( )
(6)
( ) 2 2
(1 ) ( ) 1o
o o o
T
T p p
p g l
k gT TW p T T T T T T T Tp
p p p T p
k g k g k g k g l l
+ +
=
+ +
+ + + + + + +ξ
α
ξ ξ
Использование для создания небольшого отри-
цательного фазового сдвига звена с передаточ-
ной функцией (4), позволяет обеспечить на соот-
ветствующих частотах в окрестности преобла-
дающей частоты качки меньшие значения
амплитудно – частотной характеристики переда-
точной функции ГС (6) и значения фазовой час-
тотной характеристики передаточной функции
ГС (6) в окрестности преобладающей частоты
качки на соответствующих частотах ближе к
– 270 град по сравнению со случаем применения
дополнительного апериодического звена с пере-
даточной функцией 4 4W ( ) 1/ ( 1)p T= + , а
следовательно уменьшить систематическую
составляющую измерения ускорения силы тяже-
сти гиростабилизированным гравиметром из-за
совместного влияния горизонтальных ускорений
и наклонов ГС.
Высокую эффективность применения гиро-
стабилизированного гравиметра с самонастрой-
кой параметров ГС, имеющего передаточную
функцию ГС (6), по сравнению с гиростабили-
зированным гравиметром без самонастройки
параметров ГС с передаточной функцией ГС (7)
3
2
4 3 22 2 2
3
0 0 0
1( )
, (7)
( ) 2 1
1
T pp
W p T T
g p p p T p
K g K g K g
ξ
α
ξ
+
=
+ + + +
где 0 2À ÃK K K K= иллюстрируют графики
ошибок гиростабилизированного гравиметра
(рисунок 2).
1gδ< > (м/с
2)
Рисунок 2 – Графики ошибок
гиростабилизированного гравиметра
с передаточной функцией (6) и передаточной
функцией (7)
Кривая, выполненная штриховой линией, со-
ответствует гиростабилизированному гравиметру
с самонастройкой параметров ГС (парметры сис-
темы выбраны в соответствии с преобладающей
частотой качки 1с-1), а кривая, выполненная
сплошной линией, соответствует гиростабилизи-
рованному гравиметру без самонастройки пара-
метров ГС.
1. Ривкин С. С., Береза А. Д. Гироскопическая
стабилизация морских гравиметров. – М.:
Наука, 1985. – 176 с.
2. Малютин Д.М. Гиростабилизатор морского
гравиметра с самонастройкой параметров /
Изв. вузов. Приборостроение. 2003.Т46., №9,
с.18-23.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
94
УДК 004.056.55
МЕТОД И СРЕДСТВО ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ АТМОСФЕРНЫХ
И КВАНТОВЫХ КРИПТОГРАФИЧЕСКИХ ЛИНИЙ СВЯЗИ С ПОДВИЖНЫМИ ОБЪЕКТАМИ
Медведев Н.В., Чичварин Н.В.
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Москва, Российская Федерация
Введение. Материалы публикации содержат
основные результаты исследований пространст-
венной стабилизации в атмосферных (FSO) и
квантовых линиях связи. Известны экспери-
менты по обмену секретным ключом по кванто-
вому каналу между наземной станцией и самоле-
том. Результаты испытания были представлены
в докладе на конференции QCrypt в Сингапуре,
кратко о них пишет New Scientist. Обмен
осуществлялся между передатчиком, установ-
ленным на движущемся самолете и приемником,
который находился на крыше исследователь-
ского центра. Сообшается, что стабилизация
луча лазера осуществялась системой зеркал. В
предлагаемых материалах предлагается более
простое и надежное решение на основе системы,
во многом аналогичной тепловой головке само-
наведения.
1. Аналитический обзор доступной лите-
ратуры. Цель и задачи исследований. Целью
исследований явился поиск технического реше-
ния для простой и надежной системы стабилиза-
ции приемной станции лазерных линий связи.
Для достижения поставленной цели решались
следующих задач:
• Разработка (выбор) оптической системы.
• Разработка математической модели системы
стабилизации оптической оси.
2. Основные результаты исследований.
Аналитический обзор доступной литературы [1 -
11] позволил залючить следующее:
• Любая FSO содержит в своем составе ту
или иную подсистему стабилизации лазерного
луча. В случае стационарных систем ее наличие
обусловлено колебаниями тех или иных опор для
установки приемопередающих станций.
• Квантовые линии связи нуждаются в
подсистеме стабилизации в еще большей сте-
пени.
• Подавляющее большинство подсистем про-
странственной стабилизации выполняются в
виде стабилизированных зеркал.
• Точное отслеживание луча осуществляется
с помощью устройств, содержащих ПЗС. Собст-
венно устройства реализуют алгоритм трейкинга.
В этих устройствах не предусмотрено слежение
за источником излучения.
Во многих случаях (и, в частности в мобиль-
ных линиях FSO) именно слежение за подвиж-
ными источниками излучения является настоя-
тельно необходимым. В настоящей работе пред-
лагается применить гиростабилизированную
оптическую систему для решения задач стабили-
зации оптической оси и слежения за источником
излучения. Попутно предлагается применить
известные способы пространственной фильтра-
ции для повышения помехозащищенности. По
результатам аналитического обзора выбрана
вращающиеся оптическая система, являющаяся
одновременно трехстепенным гироскопом с
внутренним кардановым подвесом. Пусть поло-
жение главной оси трехстепенного гироскопа
z относительно корпуса (система координат
𝑥𝑘 ,𝑦𝑘 , 𝑧𝑘 определяется углами 𝛼 и 𝛽. Уравнения
движения гироскопа имеют вид [12]:
𝐽1?̈? + 𝐻?̇? cos𝛽0 = 𝑀1; (1)
𝐽2?̈? − 𝐻?̇? cos𝛽0 = 𝑀2, (2)
где H = CΏ - кинетический момент ( C - осевой
момент инерции ротора, Ώ - угловая скорость
ротора); 𝐽1 – приведенный момент инерции гиро-
скопа к оси вращения наружной рамки; 𝐽2 – при-
веденный момент инерции гироскопа к оси вра-
щения внутренней рамки; 𝛽0 – начальное фикси-
рованное значение угла поворота наружной
рамки.
𝑏1 ,𝑏2, – коэффициенты демпфирования (тре-
ния в подшипниках карданового подвеса). Левую
и правую части уравнения (4) умножим на 𝑖 = √− 1 и сложим уравнения (1) и (2) почленно,
пренебрегая демпфированием:
𝐽 𝑑2 𝜀� 𝑑𝑡2 + 𝐻 𝑑 𝜀� 𝑑𝑡 cos𝛽0 = 𝑀 , (3)
где 𝜀 ̅ − комплексный угол Эйлера.
Такая запись уравнений (1) и (2) позволяет
называть управление системой стабилизации
одноканальным. Если пренебречь нутационным
движением гироскопа (коническими колеба-
ниями оси гироскопа), т.е. положить вторую
производную от углов Эйлера, равной нулю, то
уравнения гироскопа приобретает простой вид: 𝐻?̇? cos𝛽0 = 𝑀1;
𝐻?̇? cos𝛽0 = 𝑀2.
Уравнение (3) принимает вид
𝐻
𝑑 𝜀�
𝑑𝑡 cos𝛽0 = 𝑀 . (4)
То есть, скорость прецессии пропорциональна
приложенному моменту. Таким образом, если
обеспечить автоматическое наведение оси гиро-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
95
скопа, совпадающей с оптической осью ОС на
неподвижный источник излучения наземной
станции и возможно измерение угловой скоро-
сти линии визирования, и следовательно, слеже-
ние за источником излучения передающей стан-
ции.. Для этого необходимо обеспечить обрат-
ную связь, т.е. M = M(𝜀 ̅) .
Объектив оптической системы (т.е. трехсте-
пенного гироскопа) формирует «точечное» изо-
бражение источника, который находится в прак-
тической бесконечности, т.е на расстоянии,
большем 100 фокусных (до 50 мм). Следова-
тельно, на расстоянии, большим, чем 1000 м.
изображение источника рассматривается, как
пятно (т.н. пятно рассеяния). Структурная схема
ОС приведена на рисунке 1. Следует отметить,
что для уменьшения демпфирования и ампли-
туды нутаций карданов подвес выполнен внутри
оптической системы.
1 – защитный мениск; 2 – главное зеркало,
3 – контрзеркало, 4 – блок светоделения;
5 – фотоприемник; 6 – лавинный фотодиод;
эт – электронный тракт; мд – моментные датчики
управления движением гироскопа (то есть
оптической системы)
Рисунок 1 – Схема приемной части,
устанавливаемой на мобильном объекте
Модулятор – анализатор изображения (МАИ)
(рисунок 2) решает следующие задачи:
• Селектирует изображение цели от фонов
(задача анализа).
• Модулирует излучение во времени – осуще-
ствляет амплитудно – фазовую модуляцию.
• Кодирует положение изображения источ-
ника в полярной системе координат. Амплитуда
кодирует величину рассогласования между ли-
нией визирования и оптической осью ОС. фаза –
направление рассогласования.
Диск вращается с угловой скоростью враще-
ния оптической системы (гироскопа). Происхо-
дит пространственно – временная модуляция
потока от цели и фона (сектора и полудиск по-
следовательно «наезжают» и «съезжают» с изо-
бражений цели и фона).
Рисунок 2 – Модулятор системы стабилиза-
ции (МАИ). 1-вращающийся диск, 2-изображе-
ние источника излучения
Если изображение 2 находится в центре, ос-
циллограмма сигнала на выходе МАИ имеет вид
(рисунок 3). В отсутствии фона, когда изображе-
ние цели находится в положении 2, сигнал на
выходе МАИ имеет вид (рисунок 4).
Таким образом происходит и пространствен-
ная селекция изображений в плоскости анализа.
Амплитуда сигнала от протяженного фона на-
много меньше амплитуды сигнала от источника
передающей станции.
Модуляция излучения и кодирование зна-
чений координат излучателя. В отсутствии
фона, когда изображение источника находится в
положении 1, сигнал на выходе МАИ имеет вид
(рисунок 3). Переменная составляющая сигнала
равна нулю и управляющее воздействие на гиро-
привод отсутствует.
Рисунок 3 – Сигнал на выходе МАИ в отсутствие
рассогласования
Рисунок 4 – Сигнал на выходе МАИ при
рассогласовании, соответствующем случаю 2
на рисунке 2
При смещении изображения цели возникает
переменный сигнал (Рис.4.). Очевидно, что при
произвольном смещении изображения цели про-
исходит соответствующий фазовый сдвиг. Идеа-
лизированная зависимость амплитуды сигнала от
величины рассогласования (пеленгационная ха-
рактеристика имеет вид (рисунок 5). Условно
показан резкий переход от линейного участка до
насыщения. В случае, когда диаметр пятна рас-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
96
сеяния настолько мал, что пятно допустимо счи-
тать точечным, мгновенному рассогласованию
соответствует формирование максимальной ам-
плитуды сигнала U(Ф).
Рисунок 5 – Пеленгационная характеристика.
U(Ф) – амплитуда сигнала – величина рассогла-
сования, Ф – угол рассогласования
При «точечном» изображении источника из-
лучения передающей станции пеленгационная
характеристика является строго нелинейной и
оптическая ось ОС находится в автоколебатель-
ном режиме, что по принципу Понтрягина обес-
печивает максимальную скорость слежения за
источником.
Уравнение управляющего сигнала 𝑈(𝑟,Ф) на
выходе МАИ имеет вид:
𝑈(𝑟,Ф) = 𝐴(𝑟)𝐹(2𝜋𝑣𝑡𝑡 + 𝑢(Ф)) , (6)
где r–величина рассогласования, Ф −
направление рассогласования (фаза сигнала).
Формула для вычисления потока на выходе МАИ
имеет вид
𝐹(𝑟,Ф) = ∫ ∫ 𝐸(𝑟 − 𝑙,𝛼)𝐻(𝑙,Ф)𝑙𝑑𝑙𝑑ФФ𝑚𝑎𝑥0𝑅0 , (7)
где r – величина расстояния от центра МАИ до
условного центра изображения, Ф −
угол рассогласования,𝐸(𝑟 ,Ф) – распределение
облученности в плоскости изображения ОС. Так
одновременно производится стабилизация поло-
жения оптической оси при колебаниях носителя,
пространственная фильтрация и измерение угло-
вой скорости линии визирования для последую-
щего слежения за положением источника излу-
чения передающей станции в поле зрения ОС
приемной станции.
Вторым аспектом настоящей публикации яв-
ляется вопрос о передаче сообщений с помощью
FSO с применением методов квантовой крипто-
графии. При использовании рассматриваемой
оптической системы (Рис.1) возможны по мень-
шей мере три способа реализации квантовой
линии:
• С применением лазерного излучения одно-
временно и для традиционной линии связи и для
передачи ключа с применением квантовой крип-
тографии. При этом при шифровке используются
классические криптографические алгоритмы.
• С применением двухлучевой схемы приемо-
передающих станций. Излучение двух лазеров
распространяется коаксиально. Излучение пер-
вого лазера используется для решения задачи
пространственной стабилизации, а второго – для
реализации квантовой линии связи.
• Путем применения одноканального излуча-
теля и для обеспечения пространственной стаби-
лизации и для передачи данных по квантовому
протоколу.
Реализация каждого из трех способов воз-
можна за счет снабжения оптической системы
блоком светоделителения (рисунок 1, позиция 4).
Заключение. Описанное техническое пред-
ложение позволяет достаточно просто и надежно
решить задачу стабилизации линий атмоферной
и квантовой линий связи, постренных как раз-
дельно, так и коаксиально.
1. Милинкис Б., Петров В. Атмосферная лазер-
ная связь. Информост - Радиоэлектроника и
Телекоммуникации №5(18), 2001.
2. Серопегин В.И. Беспроводные системы пере-
дачи данных локального, городского и регио-
нального масштабов. Технология и средства
связи, 1999, № 4, с. 72-77.
3. Гиносян Ю.А. Новые технологии беспровод-
ного доступа. Технология и средства связи,
1999, № 4, с. 38-39.
4. Клоков А.В. Беспроводные ИК-технологии,
истинное качество "последней мили". Техно-
логия и средства связи, 1999, № 5, с. 40-44.
5. Кулик Т. К., Прохоров Д.В. Методика сравни-
тельной оценки работоспособности лазерных
линий связи. Технология и средства связи,
2000, № 6, с. 8-18.
6. Кулик Т.К., Прохоров Д.В., Сумерин В.В.,
Хюппенен А.П. Особенности применения
оптических линий связи. Лазер информ, 2001,
вып. 9-10 (216-217), с. 1-6.
7. Феер К. Беспроводная цифровая связь: ме-
тоды модуляции. — Пер. с англ. // Под. ред.
В. И. Журавлёва. — М.: Радио и связь, 2000.
8. Официальный сайт: http://www.iec.ch, Interna-
tional Electrotechnical Commission (IEC),
“Amendment 2 (2001),” Safety of Laser Prod-
ucts—Part 1: Equipment Classification, Re-
quirements, and User's Guide , IEC 60825-1
(IEC, 2001). New classification standard adopted
as of 1 March 2001. (последний доступ –
10.08.2016.).
9. Официальный сайт: http:// www.photonicsdirectory.com,
The Photonics Directory (Laurin Publishing,
Pittsfield, Mass., 2002), (последний доступ –
10.08.2016).
10. D. Sliney and M.Wolbarsht, Safety with Lasers
and Other Optical Sources (Plenum, New York,
1980).
11. U.S. Center for Devices and Radiological Health
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
97
(CDRH), Laser Product Performance Stand-
ard, Code of Federal Regulations,Vol. 21, Sec-
tion 1040 (21 CFR 1040) (CDRH, Washington,
D.C., 2002).
12. Бесекерский В.А., Фабрикант Е.А. Динамиче-
ский синтез систем гироскопической стаби-
лизации. – Л.: Судостроение, 1968. – 348 с.
13. Официальный сайт: www.krdu-
mvd.ru/_files/kafedra_ib/17.pdf, «Технические
средства и методы защиты информации», (по-
следний доступ – 10.08.2016.).
14. Charles H. Bennett, Francois Bessette, Gilles
Brassard, Louis Salvail, and John Smolin, «Ex-
perimental Quantum Cryptography», J. of Cryp-
tography 5, 1992.
УДК 681.2.08
МАЛОГАБАРИТНЫЙ АНАЛОГОВЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ КОНТАКТНОЙ РАЗНОСТИ
ПОТЕНЦИАЛОВ
Микитевич В.А., Пантелеев К.В., Жарин А.Л.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Измеритель контактной разности потенциа-
лов (КРП) представляет собой электрометр с
динамическим конденсатором, отличительной
особенностью которого являются существенно
уменьшенные размеры и емкость динамического
конденсатора. Если в обычных электрометрах с
динамическим конденсатором площадь пластин
составляет величину порядка нескольких квад-
ратных сантиметров, то в случае измерителей
КРП практический интерес представляют раз-
меры не более 1 мм. Измерители уменьшенных
размеров представляют особый интерес для ска-
нирующих систем, например, для сканирующего
зонда Кельвина, а также для систем контроля
различных технологических процессов, напри-
мер, при трении. При этом измерительный сиг-
нал с динамического конденсатора чрезвычайно
мал, порядка минимально разрешимых с точки
зрения современной аналоговой электроники.
Кроме того, динамический конденсатор для
электрометров представляет собой закрытую,
полностью экранированную систему, что в слу-
чае измерений КРП сделать практически невоз-
можно. Поэтому к измерителям КРП предъявля-
ются повышенные требования как с точки зрения
собственных шумов и защиты от внешних наво-
док, так и с точки зрения тщательной проработки
механического и схемотехнического дизайна.
Целью работы являлась разработка функцио-
нальных структур и схемотехнического дизайна
аналоговых измерителей КРП с использованием
современной электронной базы, отличающихся
от аналогов малыми габаритами, высокой чувст-
вительностью и помехозащищенностью.
Структурная схема разработанного измери-
теля КРП приведена на рисунке 1. Входной кас-
кад состоит из конденсатора, образованного по-
верхностями измерительного электрода М1 и
заземленного измеряемого образца М2, и вход-
ного высокоомного предусилителя. Под дейст-
вием электромеханического модулятора одна из
пластин конденсатора вибрирует на частоте соб-
ственного механического резонанса относи-
тельно измеряемой поверхности М2.
Электрическая емкость при периодическом
изменении расстояния между обкладками дина-
мического конденсатора также периодически
изменяется со временем. При достаточно боль-
шом сопротивлении резистора RН заряд не будет
успевать полностью стекать с обкладок конден-
сатора за период изменения емкости, что вызовет
появление на инвертирующем входе предусили-
теля 4 переменного потенциала. Усиленный сиг-
нал с предусилителя поступает на вход фазочув-
ствительного детектора 6. Далее выпрямленное
напряжение через интегратор 7 подается на не
инвертирующий вход предусилителя 4 для ком-
пенсации КРП, тем самым обеспечивается отри-
цательная обратная связь автокомпенсации из-
меряемой величины.
Рисунок 1 – Структурная схема аналогового
измерителя контактной разности потенциалов:
М1, М2 – поверхности зонда и измеряемого
образца, соответственно; 1 – модулятор вибра-
ции; 2 – фазосдвигатель; 3 – формирователь сиг-
нала; 4 – преобразователь ток-напряжение;
5 – инструментальный усилитель; 6 – фазочувст-
вительный детектор с коммутируемыми
ключами; 7 – интегратор; UКРП – выходной
сигнал контактной разности потенциалов.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
98
При переходе потенциала компенсации Uкомп
через значение, равное КРП, фаза переменного
сигнала с частотой ω вследствие изменения по-
лярности пластин конденсатора изменяется на
180 градусов. Фазочувствительный детектор на-
строен таким образом, чтобы его выходное на-
пряжение понижалось при фазе переменного
сигнала, соответствующей превышению потен-
циалом компенсации значения КРП, и возрастало
в обратном случае. При равенстве потенциала
компенсации Uкомп величине КРП заряд на изме-
рительном динамическом конденсаторе будет
скомпенсирован. В этом случае сигнал на выходе
инструментального усилителя отсутствует, а
значение потенциала компенсации поддержива-
ется интегратором. При нарушении равенства
Uкомп = UКРП конденсатор зарядится и на нем поя-
вится переменный потенциал, в зависимости от
фазы которого, фазочувствительный детектор
формирует потенциал компенсации таким обра-
зом, чтобы равенство Uкомп = UКРП восстанови-
лось. Таким образом, измеритель непрерывно
отслеживает изменение КРП между эталонным и
измеряемым образцами по фазе, значение КРП
может быть измерено или записано с помощью
соответствующего внешнего регистратора.
Для возбуждения механических колебаний
эталонного образца возможно использование
механических, электромагнитных, электростати-
ческих и пьезоэлектрических модуляторов.
Электростатические и пьезоэлектрические моду-
ляторы не получили широкого распространения
при измерениях КРП. Их недостатком является
высокое переменное напряжение, требующееся
для их работы, что создает значительный уро-
вень помех, а также низкая механическая проч-
ность, что затрудняет их использование в усло-
виях повышенных вибраций. При построении
измерителя КРП использован электромеханиче-
ский модулятор. Для обеспечения высокой ам-
плитудно-фазовой стабильности используется
модернизированный генератор с мостом Вина.
Захват и поддержание частоты механического
резонансного колебания осуществляется без тра-
диционно используемого датчика колебаний.
Учитывая предельно малые сигналы с изме-
рительного динамического конденсатора, пред-
варительный усилитель выполнен по схеме пре-
образователя ток-напряжение на базе современ-
ных инструментальных усилителей с
фемтоамперными входными токами. Примене-
ние во входном каскаде измерителя второго опе-
рационного усилителя позволяет отказаться от
традиционного разделительного конденсатора и
позволяет уменьшить постоянную времени цепи
автокомпенсации, тем самым повысить скорость
одного измерения КРП.
Питание предусилителя выполнено с «пла-
вающей землей», что позволяет сохранить соот-
ношения потенциалов компонентов зонда неиз-
менными при изменении напряжения компенса-
ции в широком диапазоне.
Фазовый детектор-интегратор выполнен на
основе противофазно коммутируемых с частотой
модуляции КРП электронных ключей и интегра-
тора. Двухполупериодное фазовое детектирова-
ние позволяет в значительной степени повысить
чувствительность. Фазовое детектирование
также позволяет подавлять помехи и наводки с
частотами, отличными от частоты модуляции.
Для уменьшения влияния электромагнитных
наводок и шумов, а также устранения микрофон-
ного эффекта (детектирования паразитной КРП
между исследуемой поверхностью и подводя-
щими проводами, вибрирующими вместе с эта-
лонным образцом), предварительный усилитель
вместе с эталонным образцом смонтирован на
гибкой печатной плате (материал платы – фторо-
пласт армированный керамикой AR350 фирмы
ARLON). Конец платы механически соединен с
вибратором. Внешний вид платы предусилителя
КРП вместе с зондом приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Внешний вид платы предусилителя
контактной разности потенциалов
Модулятор и фазовый детектор-интегратор
размещены на отдельной плате (рисунок 3), на
которой также смонтирована развязка по пита-
нию. Питание генератора осуществляется непо-
средственно от внешнего двуполярного источ-
ника ±12В, а остальная схема питается напряже-
нием ±8В от встроенных микромощных
стабилизаторов напряжения.
Рисунок 3 – Плата модулятора и фазового
детектора-интегратора (совместно с платой
предусилителя образует законченный
электронный блок измерителя КРП)
Остальные электронные узлы, также разме-
щены в непосредственной близости к предвари-
тельному усилителю на общем заземленном ос-
новании. При этом соблюдено следующее пра-
вило: блоки генератора, вырабатывающие
сигналы возбуждения для колебательной сис-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
99
темы динамического конденсатора размещены на
верхней части основания. Заземленное основание
играет также роль электромагнитного экрана.
При этом основное подавление помех обеспечи-
вается за счет фазового детектирования сигнала,
а экранирование играет вспомогательную роль.
Основными преимуществами разработанного
измерителя КРП по сравнению с аналогами явля-
ется существенно уменьшенные размеры, отно-
сительная простота и не высокая себестоимость,
улучшенное соотношение сигнал/шум. В сово-
купности это имеет высокое значение для при-
менения разработанных измерителей системах
сканирования потенциала поверхности, а также
при контроле различных технологических про-
цессов.
УДК 614.842
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ЭВАКУАЦИЕЙ ПРИ ПОЖАРЕ
Мисюкевич Н.С.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Логика зонирования объекта следует из необ-
ходимости реализации планов эвакуации. План
эвакуации является документом, который невоз-
можно грамотно составить вне логики управле-
ния процессом эвакуации. Получается, что план
эвакуации является составной частью докумен-
тации системы пожарной сигнализации, опове-
щения о пожаре и управления эвакуацией (СПС-
СОУЭ). Определив понятия и логические связи
можно достичь понимания, что СПС-СОУЭ
предназначена для обеспечения своевременной
эвакуации путем реализации планов эвакуации.
Основным условием для выделения зон зву-
кового и речевого оповещения является акусти-
ческая изоляция от других зон этого назначения.
Соблюдение требований по максимально допус-
тимой неравномерности звукового поля (10 дБ)
диктует необходимость размещения оповещате-
лей на определенном расстоянии. Существенное
влияние на распространение звука оказывают
акустические характеристики строительных кон-
струкций. В виду этого реальное расстояние и
характер изменения звукового давления сущест-
венно отличается от данных, представленных в
технических нормативных правовых актах
(ТНПА). Целесообразно определять условия рас-
пространения звука используя соответствующее
измерительное оборудование (шумомеры). Учи-
тывая, что конструкция дверей и перегородок,
как правило, снижает звуковое давление более 10
дБ, оповещатели следует устанавливать во всех
помещениях возможного пребывания людей.
Критерием безопасности эвакуации является
соблюдения соотношения
,р н ct t t≤ − (1)
где tр – расчетное время эвакуации; tн – необхо-
димое время эвакуации; tc – время свободного
развития пожара до начала эвакуации.
Возможность объединения нескольких поме-
щений в одну зону управления эвакуацией опре-
деляется вышеприведенным соотношением. Об-
щими мотивами выделения помещения или
группы помещений в отдельную зону может
служить сочетание следующих факторов:
− в зоне требуется оповещение отличное от
соседних зон;
время начала оповещения для зоны является
индивидуальной величиной, зависящей от места
возникновения пожара;
− зона оповещения выделена в здании архи-
тектурно-строительными элементами.
С учетом изложенного, дадим определение
зоны оповещения. Зона оповещения – часть про-
странства в помещении, помещение или группа
помещений в здании, для которых характерно
выделение архитектурно-строительными элемен-
тами, необходимость индивидуальных видов
сигналов (текстов) оповещения и (или) отличное
от соседних зон время начала оповещения.
Если этаж имеет два и более эвакуационных
выхода, то с учетом необходимости движения в
сторону, противоположную очагу горения и воз-
можности блокирования одного из них ОФП,
этаж следует разделять на две и более зоны опо-
вещения.
При совпадении пространственного располо-
жения зон функционирование СПС-СОУЭ упро-
щается, к этому стоит стремиться. Несколько зон
контроля опасных факторов пожара могут объе-
диняться в одну зону эвакуации при соблюдении
условия (1). Они являются зависимыми от резуль-
татов расчета безопасных условий (1) эвакуации.
Зоны оповещения и управления эвакуацией могут
соответствовать зонам контроля ОФП, а могут и
объединяться.
Проектирование путей эвакуации или проверка
их соответствия при реконструкции зданий прямо
связана с проектированием и функционированием
СОУЭ. Выделение зон оповещения и грамотная
разработка алгоритмов оповещения позволяют ор-
ганизовать безопасную вынужденную эвакуацию
путем управления процессом эвакуации, в отличие
от увеличения ширины эвакуационных путей, кото-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
100
рое обычно требуется при одновременном опове-
щении и эвакуации всех находящихся в здании лю-
дей. Чем больше объем здания, тем более актуальна
эта задача.
Возможность ограничивать концентрацию
людских потоков на общих путях эвакуации: в
коридорах, холлах, фойе, лестничных клетках и
вестибюлях, достигается управлением людскими
потоками с использованием принципа их разде-
ления на зоны оповещения и неодновременно-
стью оповещения о пожаре.
При слиянии людских потоков увеличивается
интенсивность движения, плотность потока и
уменьшается скорость движения. Для обеспече-
ния беспрепятственности движения необходимо
чтобы интенсивность движения оставалась ниже
максимальной. Если при расчете будет получено
значение интенсивности движения за пределами
начальных участков выше максимальной, необ-
ходимо ее уменьшить для обеспечения беспре-
пятственного движения. Задача снижения интен-
сивности движения может быть решена увеличе-
нием ширины путей эвакуации или за счет
разделения здания на зоны оповещения и за-
держки начала оповещения определенных зон в
зависимости от места возникновения пожара.
Использование результатов расчета необхо-
димого и расчетного времени эвакуации позво-
ляет прогнозируемо регулировать плотность
людского потока на путях эвакуации и грамотно
управлять процессом эвакуации, регулируя
время задержки оповещения. Задержка оповеще-
ния, сформированная таким образом, что часть
людского потока из зоны управления эвакуацией
попадает на общий путь эвакуации после его
освобождения другими людьми, позволяет орга-
низовать движение без слияния потоков, увели-
чения плотности и обеспечить формирование
непрерывного людского потока при его докрити-
ческой плотности, избегая задержек процесса
эвакуации (при превышении критической плот-
ности потока). Превышение критической плот-
ности потока на горизонтальных участках, даже
при наличии пространства для накопления лю-
дей, приведет к резкому снижению скорости эва-
куации.
Управление эвакуацией должно осуществ-
ляться одновременно:
− включением эвакуационного освещения и
световых указателей направления эвакуации;
− обеспечением открывания всех дверей эва-
куационных выходов;
− передачей по системе оповещения специ-
ально разработанных текстов, направленных на
предотвращение паники и других явлений, ус-
ложняющих процесс эвакуации (скопление лю-
дей в проходах и т.п.);
– трансляцией текстов, содержащих информа-
цию о необходимом направлении движения.
Важным фактором, который следует учиты-
вать, являются психологические особенности лю-
дей. Человек, оставив вещи в гардеробе, будет
стремиться их получить на выходе из здания. Це-
лесообразно проектировать маршрут движения
эвакуирующихся с учетом пропускной способно-
сти гардероба и путей эвакуации в зоне его распо-
ложения. Кроме того, следует учитывать сложив-
шуюся привычку использовать определенные
пути эвакуации. Во время вынужденной экстрен-
ной эвакуации следует увеличивать численность
обслуживающего пер сонала для исключения за-
держек потока людей. С учетом этих особенно-
стей возможна задержка оповещения отдельных
зон для обеспечения безопасной эвакуации людей
из здания. Запасные пути эвакуации можно задей-
ствовать при невозможности использования ос-
новных или для обеспечения необходимого вре-
мени эвакуации. При этом следует предусматри-
вать дополнительные сигналы оповещения для
обращения внимания людей на необходимость
использования запасных путей эвакуации.
При формировании речевых сообщений целе-
сообразно акцентировать внимание на месте об-
наружения ОФП для более быстрого получения
оперативным персоналом ответной реакции. Для
этого в зоне пожаре для эвакуации включать
соответствующую фонограмму, например: «По-
жар в зоне расположения помещения. Покиньте
зону, используя основной путь эвакуации. Свя-
житесь с оперативным персоналом по вызыв-
ному устройству». В отличие от этой ситуации
для других зон формировать фонограмму типа:
«Пожар на объекте. Покиньте здание, руково-
дствуясь планом эвакуации и световыми сигна-
лами направления движения».
Фонограммы включаются на расчетное время
движения в конкретной зоне, затем фонограмма в
этой зоне отключается и включается фонограмма
следующей зоны. С одной стороны, это позволяет
оценивать людям степень опасности ситуации
(успевают ли они двигаться с заданной скоро-
стью), место возникновения пожара (в данной
зоне или другой) и необходимость связаться с
оперативным персоналом. С другой стороны, бо-
лее эффективно действовать оперативному персо-
налу в случае ложного сигнала о пожаре, умень-
шая нарушения привычной жизнедеятельности
(образа деятельности) людей путем отмены эва-
куации, и объективно оценивать учебные трени-
ровки по эвакуации, как службе безопасности, так
и эвакуирующимся. Полученная информация по-
зволяет оперативно проводить корректирующие
мероприятия.
Оценка безопасности эвакуации людей путем
анализа соответствия расчетного и необходимого
времени эвакуации из помещений показывает,
что возможность предварительного уведомления
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
101
о необходимости эвакуации обслуживающего
персонала объекта, а затем людей, находящихся
в зоне оповещения, в одном из помещений кото-
рой произошел пожар, существует, как правило,
в течение не более 1 мин. В виду этого, подтвер-
ждение достоверности факта пожара с использо-
ванием обслуживающего персонала возможно
лишь для включения системы оповещения дру-
гих (соседних с зоной пожара) зон. Наиболее
неблагоприятная ситуация для эвакуации людей
складывается при появлении ОФП в коридоре.
УДК 614.842
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ РАСЧЕТА БАЛЛОННЫХ УСТАНОВОК ГАЗОВОГО
ПОЖАРОТУШЕНИЯ
Мисюкевич Н.С., Мисюченко И.Р.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Проектирование установок газового пожаро-
тушения в Республике Беларусь осуществляется
по ТКП 45-2.02-190-2010 [1], который несет в
себе справочную информацию параметров газо-
вых огнетушащих веществ. Данный технический
нормативный правовой акт (ТНПА) дает только
методику расчетов массы газовых огнетушащих
веществ (ОТВ) для газовых установок пожаро-
тушения при тушении объемным способом. Для
проектирования газовых установок пожароту-
шения с хранением огнетушащих составов в мо-
дулях при переменной температуре окружающей
среды справочной информации ТНПА и мето-
дики расчета установок с изотермическими ем-
костями недостаточно.
Для проектирования требуется разработка па-
раметров и методики расчета установок на ос-
нове газовых огнетушащих веществ (в том числе
использующих галлоны 114В2, 13В1, диоксид
углерода и углекислотно-хладоновый состав).
Для расчетов в зависимости от поставленной
цели могут приниматься различные варианты
гидравлического расчета распределительной
сети установок. Для проектирования баллонных
установок газового пожаротушения требуется
расширить методику расчета. В ТНПА не опи-
саны принципы формирования проточной части
трубопроводной разводки. Важную роль при
проектировании имеет гидравлический расчет.
Данный расчет в практике других стран вклю-
чает в себя два этапа. На первом этапе прово-
дится предварительный расчет в целях форми-
рования проточной части распределительной
сети. На втором этапе расчетным путем оцени-
вается соответствие спроектированной разводки
требованиям ТНПА по продолжительности по-
дачи огнетушащего вещества. Необходимо раз-
работать методику расчета параметров, отсутст-
вующих в настоящее время в ТНПА.
Определена цель, позволяющая ликвидиро-
вать пробелы нормативного регулирования во-
просов проектирования установок газового по-
жаротушения: разработать методику расчета
баллонных установок газового пожаротушения.
Для достижения указанной цели поставлены
следующие задачи:
− определить параметры гидравлического рас-
чета;
− исследовать однофазное и двухфазное тече-
ние газовых составов в проточной части трубо-
проводной разводки;
− составить перечень параметров, необходи-
мых и достаточных для расчета установок на
основе газовых огнетушащих веществ (в том
числе на основе галонов);
определить критерий оптимизации расчета
клапана сброса избыточного давления.
Исходя из технической и экономической эф-
фективности [2] определены объекты целесооб-
разного применения газового пожаротушения. К
ним относятся:
− помещения, оснащенные компьютерной и
другой дорогостоящей оргтехникой;
− помещения, морские суда, самолеты и т.п.
(с установленным чувствительным или уникаль-
ным дорогостоящим технологическим оборудо-
ванием);
− помещения, оснащенные коммутационным,
телевизионным и другим оборудованием крити-
чески важных объектов информационной сферы;
− места значительного хранения
информационных, культурных и денежных
средств, архивы, библиотеки и т.п. объекты;
− помещения с взрывопожароопасной средой,
такие как газоперекачивающие станции, дизель-
генераторы, нефтеналивные комплексы и т.п.;
− объекты, имеющее высокое насыщение
электрической проводкой, дорогостоящей элек-
тронной техникой, культурно-историческими
ценностями;
− другие объекты, содержащие уничтожаемое
пожаром имущество по стоимости существенно
превышающей установку и содержание автома-
тизированной системы пожаротушения, когда
применение других огнетушащих веществ несо-
вместимо с задачей их защиты.
Принцип действия установки газового пожа-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
102
ротушения основан на снижении концентрации
кислорода за счет вытеснения его в зоне реакции
негорючим газом, который выпускается систе-
мой, снижении температуры, химическом инги-
бировании реакции горения. Тушение данной
системой возможно на самой ранней стадии
возгорания, что фактически гарантирует защиту
имущества охраняемого объекта от порчи (унич-
тожения) огнем.
В результате обобщения зарубежного опыта
сформулированы принципы и определена по-
следовательность расчета параметров баллон-
ных установок газового пожаротушения. При
проектировании установки осуществляется про-
ектный расчет. В этом случае на основании из-
вестной массы газового состава, геометрических
длин трубопроводов, взаимного расположения
защищаемых помещений и модулей (станции
пожаротушения) рассчитывают диаметры трубо-
проводов и время подачи газового состава в по-
мещение. Проводят расчеты при различных
значениях этих параметров, в результате чего
определяют оптимальный вариант проточной
части распределительной сети, при котором время
подачи ОТВ в защищаемое помещение соответ-
ствует требованиям ТНПА.
Поверочный расчет проводят в том случае, ко-
гда проточная часть установки пожаротушения
(длины и диаметры трубопроводов) не может
быть изменена. Для этого по известным данным
о количестве ОТВ, длинам и диаметрам трубо-
проводов определяется расчетное время вы-
хода ОТВ в защищаемое помещение. Измене-
ние времени подачи ОТВ в защищаемое помеще-
ние в этом случае достигается только изменением
давления в модулях и коэффициентов их запол-
нения.
Кроме того, поверочный расчет использу-
ется в качестве второй части при проведении
проектного расчета.
Определены необходимые исходные данные
для проектного и проверочного расчетов.
Для проектного расчета необходима:
− схема разводки трубопроводов с указа-
нием направлений, длин отдельных участков
трубопроводов, модулей (батарей), распредели-
тельных устройств и насадков;
− масса огнетушащего вещества, необходимая
для создания нормативной огнетушащей кон-
центрации в защищаемых помещениях с учетом
вида пожарной нагрузки, негерметичности и
других параметров, характеризующих помеще-
ние;
− нормативное время подачи огнетушащего
вещества;
− коэффициенты загрузки модулей (балло-
нов);
− рабочее давление в модулях (баллонах);
− температура эксплуатации модулей (бата-
рей) в защищаемых помещениях.
Исходными данными для поверочного расчета
являются:
- схема разводки трубопроводов с указанием
длин отдельных участков, их площадей попереч-
ных сечений, модулей (ба тарей), распредели-
тельных устройств и насадков (в том числе пло-
щадей поперечных сечений);
− масса ОТВ, необходимая для создания
нормативной огнетушащей концентрации в
защищаемом помещении;
− коэффициенты загрузки модулей
(баллонов);
− давление в модулях (баллонах);
− средняя температура эксплуатации модулей
(батарей).
1. Пожарная автоматика зданий и сооружений.
Строительные нормы проектирования. ТКП
45-2.02-190-2010 (02250). Введ. 01.01.2011.
[Электронный ресурс] / Нац. фонд ТНПА. –
Минск, 2015. Режим доступа: http://tnpa.by. –
Дата доступа: 10.09.2016.
a. Пожарная безопасность. Общие требования.
ГОСТ 12.1.004-91. Введ. 01.07.1992.
[Электронный ресурс] / Нац. фонд ТНПА. –
Минск, 2015. Режим доступа: http://tnpa.by. –
Дата доступа: 10.09.2016.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
103
УДК 628.74
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ПОЖАРА В ПОМЕЩЕНИИ С РАЗНЫМИ УСЛОВИЯМИ
ЕСТЕСТВЕННОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ
Невдах В.В., Антошин А.А.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Выбор пожарных извещателей для проекти-
руемых систем пожарной сигнализации обычно
осуществляется на основе нормируемых значе-
ний параметров, характеризующих их чувстви-
тельность к тому или иному обнаруживаемому
ими фактору пожара, который обеспечивает вы-
полнение критериев достижения целей проекти-
руемых систем [1]. Известно, что пожарные из-
вещатели имеют разную чувствительность к од-
ному и тому же фактору пожара (например, к
дыму) при пожарах разных классов. Поэтому,
для построения эффективной системы противо-
пожарной защиты объекта необходимо иметь
классификацию пожаров по степени их пожар-
ной опасности и способам обнаружения таких
пожаров.
В качестве признака классификации пожаров
по степени их опасности можно использовать
критическую продолжительность пожара, в те-
чение которой достигается предельно допусти-
мое значение опасного фактора пожара в уста-
новленном режиме его изменения, величину
пространства, на которое распространяется пла-
менное горение, либо скорость роста тепловыде-
ления. Все эти признаки присутствуют при по-
жарах в помещениях с естественной
вентиляцией [2].
В настоящей работе проведено компьютерное
моделирование развития пожара в помещении с
разными условиями естественной вентиляции.
Моделирование пожара осуществлялось с помо-
щью программы FDS, в которой численно
решаются модифицированные уравнения Навье-
Стокса для тепломассопереноса при горении в
выбранные моменты времени для каждой ячейки
пространства в прямоугольной системе
координат [3, 4]. Результаты моделирования
отображались программой визуализации
Smokeview и представлялись в виде таблиц с
численными значениями контролируемых
параметров пожара. С помощью специального
графического интерфейса PyroSim в расчетной
сетке, состоящей из кубических ячеек с ребром
0.1 м, была создана модель помещения – ком-
наты с внутренними размерами 5×4.6×2.4 м,
имеющая выходную дверь размерами 0.9×2 м,
ведущую в коридор (см. рисунок 1). В комнате
располагалась мебель из горючего материала –
диван, три кресла разных размеров, коврик. В
качестве горючего материала был выбран поли-
уретан, динамика горения которого и изучалась
при различных условиях вентиляции. Поджи-
гающим источником (burner) служила плоская
поверхность площадью 0,01 м2 с тепловыделе-
нием 10 кВт, которая помещалась на поверхно-
сти дивана. Дверь была разделена по высоте на 4
одинаковые части, которые могли открываться
независимо и создавать различные условия по
высоте расположения вентиляционного отвер-
стия и по его площади. Для этой же цели исполь-
зовалась и часть стены над дверью.
На рисунке 1 представлены зависимости теп-
ловыделения пожара в комнате с различными
условиями вентиляции через выходную дверь.
Видно, что пожар в помещении с открытой две-
рью развивается с наибольшей скоростью тепло-
выделения и после 800-й секунды выходит на
квазистационарный режим с тепловыделением
~ 4000 кВт.
Рисунок 1 - Зависимости тепловыделения пожара
в комнате от времени при открытой двери (1),
закрытой двери (2) и при открытой двери
начиная с 470 с (3)
В отсутствие естественной вентиляции –
дверь в помещении закрыта – развитие пожара
начинается более чем на 100 с позже, и распро-
странение пламенного горения полностью пре-
кращается примерно на 475-й секунде из-за не-
достатка кислорода. Если на этапе затухания
пожара (на 470-й секунде) дверь открывается, то
приток свежего кислорода через дверной проем
обеспечивает развитие пожара сначала с боль-
шей скоростью тепловыделения, чем при откры-
той двери, а затем пожар выходит на тот же ква-
зистационарный режим тепловыделения
~ 4000 кВт, что и пожар в помещении с открытой
дверью.
Рисунок 2 иллюстрирует различия в дина-
мике тепловыделения пожаров в комнате с вен-
тиляционными отверстиями, площадь которых
меньше площади двери и которые располагались
на разной высоте над уровнем пола. Видно, что
величина тепловыделения при пожаре и скорость
его нарастания определяется, в основном, пло-
щадью вентиляционного отверстия.
0
2000
4000
0 200 400 600 800 1000 1200
Время, с
Т
еп
ло
вы
де
ле
ни
е,
к
В
т
1 2 3
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
104
Рисунок 2 – Зависимости тепловыделения
пожара от времени в комнате с вентиляцией
через: верхнюю половину двери (1), отверстие
над дверью (2), отверстие на высоте 1 м (3),
отверстие от уровня пола (4)
Из рисунков 1 и 2 видно, что во всех случаях
реализуется сценарий пожара, контролируемого
окислителем. При площади вентиляционных
отверстиях, меньших, чем площадь дврьного
проема, режим пожара с квазистационарным
тепловыделением не реализуется на временах
моделирования – 20 минут.
На рисунках 3 и 4 показаны для сравнения
картины распространения пламенного пожара в
комнате с различными условиями вентиляции в
разные моменты времени.
а
b
Рисунок 3 – Картины распространения пламен-
ного пожара в комнате с вентиляцией через
открытую верхнюю половину дверного проема
на 700 c (a) и 1200 с (b)
Из рисунков 4 (b, c) видно, что даже этап по-
жара с максимальным тепловыделением, реали-
зуемый в рассматриваемой модели помещения с
максимальной естественной вентиляцией через
открытую дверь, не является этапом полного
охвата помещения пламенем.
а
b
c
Рисунок 4 – Картины распространения пламен-
ного пожара в комнате с вентиляцией через
открытую дверь на 700 c (a) и 1200 с (b) и (c)
Таким образом, в работе проведено компью-
терное моделирование пожара в помещении с
разными условиями естественной вентиляции.
Показано, что во всех случаях пожар протекает
по сценарию пожара, контролируемого окисли-
телем, степень опасности пожара определяется
условиями вентиляции и при используемых
параметрах помещения наиболее опасный этап
пожара – этап полного охвата помещения
пламенем – не достигается.
1. Антошин А.А. Актуальность изменения идео-
логии проектирования СПА. Эффективные
технические средства обнаружения пожара в
помещении. Технологии безопасности,
№4(37) 2014, с. 13-15.
2. Drysdale D. An Introduction for Fire Dynamics.
Third edition. Willey, 2011. – 551 p.
3. Fire Dynamics Simulator (Version 5) Technical
Reference Guide Volume 1: Mathematical
model, NIST Special Publication 1018-5 /
K. McGrattan [et al.]. –Gaithersburg, MA, 2009.
– 94 p.
4. Fire Dynamics Simulator (Version 5). User’s
Guide, NIST Special Publication 1019-5 /
K. McGrattan [et al.]. Gaithersburg, MA, 2009.–
176 p.
0
500
1000
1500
0 200 400 600 800 1000 1200
Время, с
Т
еп
л
ов
ы
де
л
ен
и
е,
к
В
т
1
2
3
4
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
105
УДК 535:621.375
ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА ND:YAG С ПОПЕРЕЧНОЙ ДИОДНОЙ
НАКАЧКОЙ И ПАССИВНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
Орехов К.А., Кулешов Н.В.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Существующие на данный момент лазерные
излучателя для дальнометрических систем, рабо-
тающие без охлаждения, обладают рядом недос-
татком: низкая энергия выходного излучения,
высокая расходимость, и значительные габарит-
ные размеры. Все это накладывает ряд ограниче-
ний на дальность и точность измерения, а также
возможность использования в приборах с габа-
ритным ограничением.
В рамках исследования произведено теорети-
ческое и экспериментальное моделирование ла-
зерного излучателя с диодной накачкой, рабо-
тающего без системы охлаждения как активного
элемента, так и системы накачки, обеспечиваю-
щего расходимость на уровне дифракционной
при энергии в импульсе 190 мДж и длительности
импульса 4-8 нс. В системе задается лишь стар-
товая температура базовой поверхности излуча-
теля, полный цикл работы 8 минут при частоте
следования импульсов 2 Гц. Лазерный излуча-
тель построен по схеме с перестраиваемым ква-
зителескопическим резонатором. Резонатор об-
разован плоским выходным зеркалом, вогнутым
глухим зеркалом и отрицательной плоско-вогну-
той линзой. Линза предназначена для пере-
стройки резонатора на границу устойчивости,
что обеспечивает минимальную расходимость на
выходе резонатора (рисунок 1).
Рисунок 1 – Схема резонатора:
1 – глухое зеркало; 2 – четвертьволновая пла-
стинка; 3 – электрооптический затвор;
4 – рассеивающая линза; 5 – матрицы лазерных
диодов; 6 – активный элемент; 7 – выходное зер-
кало
На рисунке 2 приведена теоретическая зави-
симость размера перетяжки внутри резонатора в
зависимости от радиуса глухого зеркала и фо-
кусного расстояния внутрирезонаторной линзы.
Кроме того продольное перемещение линзы
обеспечивает согласование размера нулевой
моды резонатора с диаметром активного эле-
мента.
Рисунок 2 –Зависимость радиуса моды внутри
резонатора от разности радиуса кривизны
глухого зеркала и фокусного расстояния
внутрирезонаторной линзы:
1 – R = 10 м; 2 – R = 5 м
В качестве глухого выбрано зеркало с радиу-
сом кривизны 10 м и коэффициентом отражения
99.95 %, фокусное расстояние отрицательной
линзы составляет 10 м, коэффициент отражения
выходного зеркала 25 %. В качестве активного
элемента использовался кристалл Nd:YAG диа-
метром 5 мм и длиной 100 мм.
Второй задачей при построении излучателя
является разработка системы накачки (квантрон)
с высоким кпд оптического преобразования, и
равномерным распределением поглощения энер-
гии накачки внутри активного элемента. Кван-
трон должен обладать высокой теплоемкостью,
чтобы обеспечивать стабильную работу в тече-
нии всего рабочего цикла. С этой целью было
проведено теоретическое моделирование одно-
сторонней, двусторонней и трехсторонней сис-
тем накачки. В качестве оптимальной выбрана
схема трехсторонней накачки с тремя клиновид-
ными концентраторами с золотым напылением
(рисунок 3).
Рисунок 3 – Распределение поглощенной
энергии накачки в активном элементе
при трехсторонней системе накачки
с клиновидными концентраторами
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
106
На основании модели, разработан квантрон. В
качестве элементов накачки использовались мат-
рицы лазерных диодов в количестве 21, каждая
мощностью 500 Вт. Компоновка матриц по спек-
тральным характеристикам производилась в слу-
чайном порядке, разброс центральной волны
излучения матриц 806-809 нм. В качестве мате-
риала корпуса квантрона использовался дюраль.
Крепление активного элемента в квантроне осу-
ществляется посредством клея Эласил в цен-
тральной его части. Клей выполняет как функ-
цию крепления активного элемента, так и функ-
цию теплопереноса. Моделирование в
программной среде ANSYS показало, что за пол-
ный рабочий цикл при таком типе крепления
активного элемента, его нагрев не превысит 15⁰С [1].
Рисунок 4 –Зависимости выходной энергии
лазера от энергии накачки в режиме
моноимпульса
На базе теоретической модели разработана
экспериментальная модель лазерного излучателя.
В качестве модулятора добротности использо-
вался кристалл DKDP с пропусканием 92%. На
рисунке 4 приведена экспериментальная зависи-
мость энергии на выходе лазерного излучателя
от накачки в режиме активной модуляции доб-
ротности.
При энергии накачки в 0.93 Дж энергия на
выходе излучателя составила 195 мДж при дли-
тельности импульса 6.6 нс. Расходимость на вы-
ходе излучателя не превысила 0.7 мрад. Даль-
нейший рост энергии накачки приводит к мини-
мальному увеличению выходной энергии и росту
расходимость излучения. При стартовой темпе-
ратуре 18⁰С за полный рабочий цикл в 8 минут
изменение расходимости не наблюдается. При
температуре запуска в 20⁰С наблюдается рост
расходимости в пределах 0.08 мрад, при темпе-
ратуре запуска 23⁰С наблюдается значительный
рост расходимости и изменения модового со-
става в течении цикла работы, что связано со
смещением спектра излучения матриц и пере-
распределением поглощенной энергии накачки
внутри активного элемента. Оптимальной с
точки зрения стабильности параметров излуче-
ния является работа матриц накачки с пиком
излучения в пределах 804-806 нм, так как, с уче-
том ширины спектра излучения 2.5 нм, эффек-
тивный коэффициент поглощения энергии на-
качки изменяется в пределах 10%.
1. Орехов К.А.Моделирование лазерного
излучателя на основе Nd:YAG с пассивным
охлаждением для измерения расстояний. –
Приборы и методы измерений. 2016. – Т. 7,
№ 1. – С. 50-57
УДК 681.2.08
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО СИГНАЛА ОТ ПОТЕНЦИАЛА
КОМПЕНСАЦИИ В МЕТОДЕ КЕЛЬВИНА–ЗИСМАНА
Пантелеев К.В., Свистун А.И., Жарин А.Л.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Динамический конденсатор Кельвина–Зис-
мана широко применятся в устройствах различ-
ного назначения: сканирующие зонды Кельвина
(Scanning Kelvin Probe), устройства контроля
поверхности при различных воздействиях (меха-
ническая обработка, трение, температура, ад-
сорбция/десорбция и т.д.), датчики газов и жид-
костей и др. Принципы их построения доста-
точно хорошо проработаны. Однако остаются и
недостатки. К их числу относятся: высокая пре-
дельная погрешность, длительное время одного
измерения и низкая чувствительность.
В методе Кельвина–Зисмана поверхности эта-
лонного и измеряемого образца образуют кон-
денсатор, между которыми измеряют контакт-
ную разность потенциалов (КРП). Одна из об-
кладок (как правило, эталонная) колеблется под
действием электромеханического вибратора.
Вследствие различия работ выхода электрона
материалов обкладок конденсатора, он будет
иметь заряд пропорциональный КРП:
𝑄 = 𝐶 φ1 − φ2
𝑒
= 𝐶𝑈КРП, (1)
где: С – электрическая емкость конденсатора,
φ1 и φ2 – работа выхода электрона поверхностей
эталонного и измеряемого образца, соответст-
венно, e – заряд электрона, 𝑈КРП – КРП.
Периодические изменения емкости создают
переменный ток в цепи динамического конден-
сатора:
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
107
𝑖(𝑡) = 𝑈КРП 𝑑𝐶(𝑡)𝑑𝑡 . (2)
Измерительная процедура заключается в по-
даче на одну из пластин внешнего постоянного
потенциала Uкомп для компенсации КРП.
В случае полной компенсации переменный
ток уменьшается до нуля (3), а по значению
внешнего компенсирующего потенциала опреде-
ляют КРП.
𝑖(𝑡) = (𝑈КРП + 𝑈комп)𝑑𝐶(𝑡)𝑑𝑡 = 0. (3)
В современных измерительных системах, по-
тенциал компенсации вырабатывается автомати-
чески с помощью специальных приборов (фазо-
вые детекторы (Lock-in) и интеграторы). Как и в
любой следящей системе, точность измерения
КРП зависит от постоянной времени цепи обрат-
ной связи, которая включает интегратор. На
практике время установления нулевого сигнала
достигает несколько секунд. Скорость измерения
имеет существенное значение в системах скани-
рования потенциала поверхности.
Кроме того определение нулевой амплитуды
сигнала 𝑖(𝑡) = 0, сопряжено с целым рядом по-
грешностей (собственные шумы, электромагнит-
ные наводки, паразитные динамические конден-
саторы, образованные зондом и конструктив-
ными элементами), которые в совокупности
определяют чувствительность зонда.
Сj – паразитные динамические конденсаторы,
образованные вибрирующим зондом и
элементами измерителя
Рисунок 1 – Функциональная схема установки
для исследования параметров компенсационной
зависимости измерительного сигнала
от потенциала компенсации
Если рассматривать динамический конденса-
тор Кельвина-Зисмана, как идеальный, то урав-
нение (3), описывающее переменный ток в цепи,
можно представить в виде линейной функции:
𝑖(𝑡) = 𝑎 + 𝑏𝑈комп, (4)
где 𝑎 = 𝑈крп d𝐶d𝑡 , 𝑏 = d𝐶d𝑡 .
В этом случае, задача определения нулевой
амплитуды сигнала сводится к решению про-
стого линейного уравнения.
Исследования в рамках модели
формирования зависимости выходного сигнала
от потенциала компенсации проводили на
специально разработанном макете,
функциональная схема которого приведена на
рисунке 1. Макет включает динамический
конденсатор, источник постоянного потенциала
компенсации и имитатор КРП. Подавая
поочередно фиксированные значения потенциала
компенсации (B1…Bn) на одну из обкладок
измерительного динамического конденсатора,
можно построить зависимость переменного
сигнала на выходе от потенциала компенсации,
т.е. Uвых = f (Uкомп) (рисунок 2).
Рисунок 2 – Схематичное представление
компенсационная зависимость выходного
сигнала от потенциала компенсации (а)
при фазовом (б) и амплитудном (в)
детектировании
Исследования показали (рисунок 2), что при
использовании фазового детектирования выход-
ной сигнал линейно уменьшается с приближе-
нием напряжения компенсации Uкомп к КРП UКРП
(ветвь a). В идеальном случае, ветвь а пересекает
ось абсцисс в точке (Uкомп + UКРП = 0). При даль-
нейшем повышении напряжения компенсации,
полярность пластин конденсатора изменяется на
противоположную, и, соответственно, фаза вы-
ходного сигнала изменяется на 180о (ветвь б).
В случае амплитудного детектирования
(ветвь в) выходной сигнал после достижения
нуля линейно возрастает, и компенсационная
зависимость приобретает характерный V-образ-
ный вид. Таким образом, ветви б и в зависимости
симметричны относительно оси абсцисс. Полу-
чить идеальную V-образную компенсационную
зависимость практически невозможно (рисунок
2). В окрестности точки компенсации из-за влия-
ния паразитных факторов соотношение сиг-
нал/шум становится меньше единицы. Таким
образом, существует область неопределенности
и значительная погрешность.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
108
Следует учитывать, что вклад в соотношение
сигнал/шум будут вносить как постоянные по-
грешности (собственные шумы, различные элек-
тромагнитные наводки и др.), не зависящие от
точки компенсации, так и зависящие от потен-
циала компенсации составляющие погрешность
от паразитных КРП [1]. Тогда минимальное зна-
чение Un (рисунок 2) до которого можно ском-
пенсировать выходной сигнал и, следовательно,
погрешность измерения КРП будет являться
функцией от потенциала компенсации.
Для экспериментального уточнения зависи-
мости минимальной погрешности от потенциала
компенсации необходимо построить функцию
Un = f (Uкомп). Это удобно сделать с помощью
дополнительного источника постоянного потен-
циала, имитирующего КРП (рисунок 1). При
этом для исключения влияния паразитных элек-
тромагнитных наводок, измерение Un необхо-
димо осуществлять на частоте модуляции емко-
сти динамического конденсатора.
Результаты моделирования для измеритель-
ной установки КРП с коэффициентом преобразо-
вания совместно с коэффициентом усиления (КА
= 200) приведены на рисунке 3. Минимальная
погрешность составила 1 мВ при потенциале
компенсации 100 мВ.
Настоящая методика может быть использо-
вана непосредственно при построении измери-
тельных установок КРП, когда требуется прора-
ботка схемотехнического дизайна и взаимного
расположения элементов конструкции зонда. В
частности, по известной зависимости
Un = f (Uкомп) может быть уменьшено влияние
паразитных динамических емкостей и
последовательное устранение электромагнитных
наводок. Также можно зафиксировать потенциал
компенсации в области минимальной
погрешности и компенсировать выходной сигнал
с помощью дополнительного источника
постоянного потенциала.
Рисунок 3 – Зависимость некомпенсируемого
сигнала от потенциала компенсации
С другой стороны, зная параметры линейной
зависимости выходного сигнала от потенциала
компенсации в режиме «большого», когда соот-
ношение сигнал/шум высоко, можно методом
линейной аппроксимации вычислить нулевую
амплитуду сигнала. В этом случае погрешность
от неполной компенсации может быть полно-
стью исключена и, следовательно, исключена
область неопределенности, имеющаяся в тради-
ционных установках для измерения КРП по ме-
тоду Кельвина-Зисмана.
1. Жарин, А.Л. Метод контактной разности по-
тенциалов и его применение в трибологии. –
Мн.: Бестпринт, 1996. – С. 235.
УДК 681.2.08
УПРАВЛЕНИЕ РАССТОЯНИЕМ МЕЖДУ ОБКЛАДКАМИ ДИНАМИЧЕСКОГО
КОНДЕНСАТОРА В МЕТОДЕ КЕЛЬВИНА–ЗИСМАНА
Пантелеев К.В., Тявловский А.К., Жарин А.Л.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Динамический конденсатор Кельвина–Зис-
мана, является одним из наиболее чувствитель-
ных методов измерения контактной разности
потенциалов (КРП) между поверхностями эта-
лонного и измеряемого образца. Хорошо из-
вестно, что на КРП оказывают существенное
влияние изменения химического и фазового со-
става, атомарные дефекты, деформационные
процессы в материале поверхностного слоя, де-
сорбция и адсорбция атомов и молекул из окру-
жающей среды. Поэтому измерения пространст-
венного распределения поверхностного потен-
циала находят широкое применение в практике
фундаментальных и прикладных исследований.
Пространственное разрешение метода в ос-
новном ограничивается размером эталонной по-
верхности зонда. Как правило, ее поперечные
размеры не превышают 1 мм. Емкость динамиче-
ского конденсатора при этом мала и, соответст-
венно, мал ток в цепи. Из-за влияния ряда пара-
зитных факторов, уменьшается и чувствитель-
ность измерений. В тоже время, погрешность
измерения КРП методом Кельвина-Зисмана
сильно зависит от расстояния между поверхно-
стями зонда и измеряемым образцом [1]. Это
связано с перераспределением соотношения сиг-
нал/шум. Для компенсации данного эффекта
расстояние между обкладками динамического
конденсатора должно быть минимально допус-
тимым и неизменным во всем цикле сканирова-
ния поверхности.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
109
Известны несколько способов управления
расстоянием между обкладками измерительного
динамического конденсатора [2]. Как правило,
они предусматривают использование дополни-
тельных контрольно-измерительных приборов.
Это накладывает соответствующие ограничения
на метод. В настоящей работе на основе метода
цифрового измерения КРП [3], предложен новый
способ управления расстоянием.
Ток в цепи динамического конденсатора опи-
сывается уравнением
𝑖(𝑡) = (𝑈КРП + 𝑈комп)𝑑𝐶(𝑡)𝑑𝑡 , (1)
где UКРП – КРП между поверхностями зонда и
измеряемого образца, Uкомп – потенциал компен-
сации, С – электрическая емкость конденсатора.
Модуляция расстояния между обкладками
динамического конденсатора описывается гар-
моническим законом
𝑑(𝑡) = 𝑑𝑜 + 𝑑𝑚𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡), (2)
где d0 – расстояние между обкладками динамиче-
ского конденсатора; dm – амплитуда вибрации;
⍵ – циклическая частота вибрации,
Тогда временная зависимость электрической
емкости динамического конденсатора будет опи-
сываться выражением
𝐶(𝑡) = 𝜀𝑆
𝑑(𝑡) = 𝜀𝑆𝑑𝑜 + 𝑑𝑚𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡) , (3)
где ε – диэлектрическая проницаемость среды,
S – площадь эталонной поверхности динамиче-
ского конденсатора.
С учетом (3) выражение (1) примет вид
𝑖(𝑡) = (𝑈КРП + 𝑈комп) 𝜀𝜔𝑆𝑑𝑚𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡)(𝑑𝑜 + 𝑑𝑚𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡))2. (4)
Как отмечалось ранее, динамический конден-
сатор подвержен влиянию ряда паразитных фак-
торов. Наиболее существенно и практически не
устранимо влияние паразитных динамических
конденсаторов, образованных вибрирующим
зондом и конструктивными элементами измери-
тельной головки. В этом случае паразитный сиг-
нал имеет ту же частоту ⍵ и близкую по порядку
величины амплитуду Um, что и полезный сигнал.
Тогда потенциал, приложенный к динамиче-
скому конденсатору для компенсации КРП, бу-
дет определяться выражением
𝑈(𝑡) = 𝑈комп + 𝑈𝑚𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡). (5)
С учетом (5) выражение (4) примет вид
𝑖(𝑡) = (𝑈КРП + 𝑈комп) 𝜀𝜔𝑆𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡)(𝑑𝑜 + 𝑑𝑚𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡))2 + (6)
+�𝑈комп + 𝑈𝑚𝑗�𝜀𝜔𝑆 𝜕𝜕(𝑡) � 𝜀𝑆𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡)𝑑𝑜𝑗 + 𝑑𝑚𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑡)�,
где индекс j относится к элементам конструкции
измерительной головки, Umj – паразитная КРП;
d0j – расстояние между эталонной поверхностью
динамического конденсатора и j-им элементом.
Полагая, что d0 и d0j >> dm, выражение (6) по-
сле дифференцирования может быть упрощено
до вида
𝑖(𝑡) = �𝑈комп + 𝑈крп�𝜀𝜔𝑆 𝑑𝑚
𝑑𝑜
2 +
(7) +(𝑈комп + 𝑈𝑚𝑗)𝜀𝜔𝑆 𝑑𝑚
𝑑𝑜𝑗
2
.
В выражении (7) первое и второе слагаемое
описывают амплитуды полезного и суммарного
паразитного сигнала с динамического конденса-
тора, соответственно. Можно показать, что воз-
никающая при изменении расстояния между
поверхностями зонда и измеряемого образца
дополнительная погрешность связана с перерас-
пределением соотношения полезного и суммар-
ного паразитного сигналов.
В соответствии с выражением (7), изменение
расстояния d0 приводит к соответствующему
изменению амплитуды выходного сигнала. Эта
зависимость положена в основу предлагаемого
способа управления расстоянием между зондом
и поверхностью измеряемого образца в методе
цифрового измерения КРП.
Цифровой метод измерения КРП (рисунок 1)
подробно описан в работе [3]. Он основан на
математическом вычислении параметров ком-
пенсационной зависимости измерительного сиг-
нала от потенциала компенсации при поочеред-
ном определении амплитуд сигнала А1 и А2 при
заданных значениях потенциалов компенсации
В1 и В2, соответственно. Далее КРП рассчитыва-
ется из уравнения прямой, проходящей через две
несовпадающие точки А1(В1) и А2(В2).
Рисунок 1 – Принцип цифрового измерения
контактной разности потенциалов по методу
Кельвина–Зисмана.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
110
При изменении расстояния Δd = d0⍺ – d0β (ри-
сунок 2) между поверхностями эталонного и из-
меряемого образца (рисунок 2) изменяются ам-
плитуды измерительного сигнала A1 и А2. При
этом КРП и, следовательно, потенциал компенса-
ции остаются неизменными.
В этом случае разность между тангенсами уг-
лов наклона зависимости измерительного сиг-
нала от потенциала компенсации находится в
обратной зависимости от изменения расстояния
Δd между обкладками динамического конденса-
тора:
𝑡𝑔𝛼 − 𝑡𝑔𝛽 = 𝜀𝜔𝑆𝑑𝑚 � 1𝑑𝑜𝛼2 − 1𝑑𝑜𝛽2 �, (8)
где ⍺ и β – углы наклона компенсационной зави-
симости от расстояния между обкладками кон-
денсатора d0⍺ и d0β, соответственно.
В цифровом методе измерения КРП измене-
ние расстояния Δd рассчитывается одновременно
со значением КРП в едином измерительном
цикле.
Предложенный способ позволяет измерять
геометрический профиль поверхности непосред-
ственно в процессе сканирования потенциала
поверхности, а также осуществлять автопод-
стройку расстояния d0 и автоподвод измеритель-
ного зонда к поверхности измеряемого образца.
Рисунок 2 – Принцип цифрового определения
изменения расстояния между поверхностями
эталонного и измеряемого образцов
по параметрам компенсационной зависимости
1. Wicinski, M. Lateral resolution in scanning Kel-
vin probe microscopy / M. Wicinski,
W. Burgstaller, A. W. Hassel // Corrosion
Science. – 2016. – Vol. 104. – P. 1–8.
2. Blott, B.H. A two frequency vibrating capacitor
method for contact potential difference meas-
urement / B.H. Blott, T.J. Lee // Journal of
Physics E: Scientific Instruments. – 1969. –
Vol. 2, № 9. – P. 785–788.
3. Пантелеев К.В. Цифровой измеритель
контактной разности потенциалов / К.В. Пан-
телеев, А.И. Свистун, А. К. Тявловский,
А.Л. Жарин // Приборы и методы измерений.
– 2016. – Т. 7, № 2. – С. 136–144.
УДК 681.2.08
ИЗМЕРЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ
ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ПОЛИМЕРНЫХ
МАТЕРИАЛОВ ЦИФРОВЫМ ЗОНДОМ КЕЛЬВИНА
Пантелеев К.В.1, Дубаневич А.В.1, Жарин А.Л.1, Кравцевич А.В.2, Шашура Л.И.2
1Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
2Гродненский филиал «Научно-исследовательский центр проблем ресурсосбережения» ГНУ «Институт
тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН Беларуси»
Гродно, Республика Беларусь
Традиционно, в случае высокоомных мате-
риалов, зонд Кельвина применяют для измерения
эффективной поверхностной плотности заряда.
Этот параметр является интегральным, т.е. со-
держащим информацию о суммарном поверхно-
стном и объемном потенциале (заряде). На прак-
тике особый интерес представляет их разграни-
чение, которое при отсутствии априорной
информации о природе потенциала провести
крайне трудно.
Дополнительную информацию о том является
ли потенциал поверхностным или объемным
можно получить в случае контролируемой ста-
тической электризации.
В общем случае механизмы статической
электризации могут быть связаны с непосредст-
венным осаждением или внедрением в объем
поверхностного слоя заряженных частиц при
воздействии ионными пучками и/или электриче-
скими разрядами. Другим механизмом является
внешнее и внутреннее трение, например, при
деформации твердого тела. Естественный техни-
ческий характер последних вызывает самостоя-
тельный практический интерес, например, при
производстве и эксплуатации электретов, изоля-
торов аэрокосмической аппаратуры, композитов
на основе полимеров для пищевой промышлен-
ности и т.д.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
111
Применение зонда Кельвина в качестве диаг-
ностического и аналитического инструмента при
исследовании электростатического поверхност-
ного потенциала диэлектриков является весьма
перспективным. Так при работе совместно со
сканирующими системами (Scanning Kelvin
Probe) зонд Кельвина позволяет поучить инфор-
мацию о пространственном распределении по-
тенциала по относительно большой площади
поверхности с микрометровым пространствен-
ным разрешением.
Метод Кельвина основан на измерении кон-
тактной разности потенциалов (КРП), возни-
кающей в воздушном зазоре конденсатора, обра-
зованного измеряемой поверхностью и эталон-
ным зондом. Традиционный метод является
нулевым, что требует подачи на эталонный обра-
зец потенциала компенсации, равного потен-
циалу измеряемой поверхности. В случае стати-
ческой электризации, потенциал на диэлектрике
может достигать значительных величин, дохо-
дящих до десятков и сотен вольт. В этом случае
скомпенсировать высоковольтную КРП оказыва-
ется трудно выполнимым. Поэтому ранее приме-
нение традиционного зонда Кельвина для изме-
рения электростатического потенциала высоко-
омных материалов было ограничено [1].
В настоящей работе разработан новый метод
и алгоритмы измерения КРП. Для его реализации
используется микропроцессорный зонд Кельвина
[2], разработанный в НИЛ ПТ БНТУ.
Метод так называемого «цифрового» измере-
ния позволяет определять КРП в широком диапа-
зоне возможных потенциалов измеряемого об-
разца, что делает его применимым для исследо-
вания электростатического потенциала
высокоомных материалов. При этом на эталон-
ный образец подаются потенциалы компенсации
разумной величины, не превышающие 10 вольт.
Суть метода заключается в математическом
вычислении нулевого уровня сигнала из прямой
ветви компенсационной зависимости, проходя-
щей через точку, равную КРП (рисунок 1). Для
определения параметров компенсационной зави-
симости выходного сигнала, микропроцессору
достаточно задать, как минимум, два различных
напряжения компенсации (B1 и B2), определить
соответствующие амплитуды переменных вы-
ходных сигналов (А1 и А2) при заданных напря-
жениях компенсации, и далее из уравнения пря-
мой, проходящей через две не совпадающие
точки, вычислить потенциал компенсации при
нулевом уровне сигнала.
Рисунок 1 – Схематичное представление
метода измерения высоковольтного
электростатического потенциала (до нескольких
сотен вольт) микропроцессорным зондом
Кельвина
Предложенный метод обладает рядом пре-
имуществ по сравнению с традиционным мето-
дом измерения КРП:
– зонд Кельвина работает в области «боль-
ших» сигналов, когда соотношении сигнал/шум
высоко. Это априори повышает точность изме-
рения КРП, а также исключает область неопре-
деленности, имеющуюся в традиционных анало-
говых зондах Кельвина.
– выходной сигнал в виде массива точек мо-
жет быть обработан в режиме реального времени
средствами DSP (Digital Signal Processor) для
дополнительного подавления шумов и паразит-
ных гармоник, а также для статистического вы-
числения амплитуды (среднеквадратического
значения или амплитудного значения спектраль-
ной линии сигнала после FFT (Fast Fourier
Transform)). Что в значительной степени позво-
ляет повысить точность определения параметров
компенсационной зависимости и, следовательно
точность измерения КРП.
– отсутствует необходимость определения
нулевого уровня сигнала и интеграции, для авто-
компенсации измеряемой величины, что значи-
тельно уменьшает время измерений и исключает
погрешности следящей системы и аналого-циф-
рового преобразования КРП.
Измерительный цикл для случая измерения
электростатического заряда состоит из двух по-
следовательных определений амплитуды выход-
ного сигнала при первом и втором значениях
напряжения компенсации с последующим вы-
числением КРП. При этом напряжения компен-
сации и модуляция периодических колебаний
измерительного зонда задаются микроконтрол-
лером с помощью соответствующего драйвера.
Обобщенный алгоритм приведен на рисунке 2.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
112
Рисунок 2 – Измерительный алгоритм
микропроцессорного зонда Кельвина
Результаты экспериментальных исследований
приведены на рисунках 3 и 4. В качестве опыт-
ных образцов использованы сополимер этилена с
винилацетатом (СЭВА) и композит на основе
СЭВА с содержанием в качестве проводящей
фазы 5 мас.% углеродного наноматериала
(УНМ). Образцы полученны в НИЦПР НАН Бе-
ларуси.
Рисунок 3 – Топология распределения
электростатического потенциала
у образца СЭВА
Рисунок 4 – Топология распределения
электростатического потенциала
у композиционного образца
на основе СЭВА с УНМ
У образца СЭВА, характеризующегося ди-
электрическими свойствами, электростатический
потенциал находится в диапазоне от 200 до 280
мэВ. У композиционного образца СЭВА, напол-
ненного УНМ (в качестве внутреннего антиста-
тика), электростатический потенциал значи-
тельно ниже и находится в диапазоне от 0 до – 80
мэВ.
Следует отметить, что неоднородность рас-
пределения пространственного заряда может
характеризовать не только электрофизические
свойства полимеров, но и неравномерность рас-
пределения частиц проводящей фазы УНМ в
композиционном материале.
1. Subrahmanyam A. The Kelvin Probe for Surface
Engineering: Fundamentals and Design /
A. Subrahmanyam, S. Kumar. – USA: CRC
Press, 2010. – 200 p.
2. Пантелеев К.В. Цифровой измеритель
контактной разности потенциалов / К.В. Пан-
телеев, А.И. Свистун, А. К. Тявловский,
А.Л. Жарин // Приборы и методы измерений.
– 2016. – Т. 7, № 2. – С. 136–144.
УДК 621.316.825
ТЕРМОРЕЗИСТИВНАЯ СИСТЕМА СВЧ ВАТТМЕТРА НА ОСНОВЕ ОКСИДНЫХ
НИОБИЕВЫХ НАНОСТОЛБИКОВ
Плиговка А.Н., Луферов А.Н., Горох Г.Г.
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Минск, Республика Беларусь,
Современные терморезистивные элементы
используются в качестве чувствительного эле-
мента калориметрической системы преобразова-
ния СВЧ мощности. Такая система может быть
применена в составе эталонного измерителя
мощности (ваттметра) [1].
В основу работы системы положен принцип
преобразования мощности СВЧ сигнала в тепло-
вую энергию с последующим измерением вели-
чины изменения сопротивления терморезистора,
которая пропорциональна падающей на него
мощности СВЧ сигнала.
В работах [2, 3] методом магнетронного на-
пыления, электрохимического анодировании и
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
113
химического травления были изготовлены и опи-
саны терморезистивные элементы на основе ок-
сидных ниобиевых наностолбиков. Система пре-
образования на их основе представляет собой
выносной блок, соединенный с измерительным
прибором (вольтметром), и содержит (рисунок
1а) два тонкостенных никелевых волновода W1 и
W2, обращённых медью в нагрузочных частях
Н1 и Н2. Волноводы впаяны в латунный
корпус К1.
а
б
а – конструкция преобразователя;
б – объемная клиновидная поглощающая
нагрузка
Рисунок 1 – Калориметрический
преобразователь СВЧ мощности
Волноводы имеют размеры поперечного се-
чения 2,4х1,2 мм и используются в диапазоне
частот 78,33-118,1 ГГц.
Преобразуемая мощность подается на волно-
вод W2. Волновод W1 является опорным, и
мощность СВЧ в него не поступает. Волновод
W1 можно использовать для целей термокомпен-
сации изменения температуры окружающей
среды. На основной волновод W2 наклеен эпок-
сидным клеем со слюдяной прокладкой экспери-
ментальный терморезистор T1. Внутри основ-
ного волновода W2 расположена объемная кли-
новидная поглощающая нагрузка (рисунок 1б).
Основной волновод W2 проходит через тек-
столитовую трубку Т, приклеенную эпоксидной
смолой и укрепленную винтами к корпусу К3, и
заканчивается фланцем Ф, к которому присоеди-
няется выходной фланец объекта измерения.
Волноводы W2 и W1, впаянные в латунный кор-
пус К1, вместе с тепловым экраном представ-
ляют собой волноводный компенсатор, который
заключен в дюралюминиевый стакан С, установ-
ленный внутри дюралюминиевого корпуса К2.
Корпус К2 на опорах О1 и О2 установлен на
плите ПЛ внутри кожуха К3.
Для измерения параметров терморезистивной
системы используется следующее оборудование:
1. Генератор сигналов высокочастотный
программируемый Г4-161;
2. Ваттметр поглощаемой мощности М534;
3. Аттенюатор поляризационный;
4. Вольтметр В7-34А.
Для привязки значения сопротивления термо-
резистора к уровню падающей мощности была
собрана схема, состоящая из генератора, атте-
нюатора и ваттметра поглощаемой мощности. На
генераторе был выставлен максимальный уро-
вень мощности. Частота выходного сигнала
равна 95 ГГц. Значение ослабления аттенюатора
установлено в положение 0 дБ. При помощи
ваттметра поглощаемой мощности была изме-
рена величина мощности входного сигнала СВЧ.
Для измерения сопротивления терморези-
стора в зависимости от уровня входной СВЧ
мощности к выходу аттенюатора была подклю-
чена исследуемая преобразовательная система,
содержащая экспериментальный терморезистив-
ный элемент. Управляя ослаблением аттенюа-
тора измерялась падающая на систему мощность,
и при помощи вольтметр измерялось значение
сопротивления терморезистора.
Из рисунка 2 видно, что показания ваттметра
достигают величины в 90% от максимальной за
период 15,5 секунд, и 99% за период 40 секунд.
Исходя их этих данных, применение такого типа
системы в ваттметрах СВЧ общего назначения
является затруднительным. Однако можно сде-
лать вывод о возможности применения таких
терморезистивных чувствительных элементов в
приёмных преобразователях для эталонных пре-
цизионных ваттметров, и установок хранения
единицы мощности [4].
Может быть предложена следующая струк-
турная схема построения эталонного прецизион-
ного ваттметра, использующего чувствительный
элемент в форме терморезистора на основе ок-
сидных ниобиевых наностолбиков (рис. 3).
Для реализации такой системы преобразова-
ния используются два тонкостенных никелевых
волновода толщиной 0,05 мм. Волноводы впаяны
в латунный корпус. Пассивная термостабилиза-
ция обеспечивается алюминиевыми оболочками,
окружающими корпус, и заполнением внутрен-
него пространства корпуса теплоизоляционным
наполнителем. Элементы электрической схемы
установлены на волноводных насадках и на пе-
чатной плате [2]. На основной и вспомогатель-
ный волноводы наклеены эпоксидным клеем со
слюдяной прокладкой терморезисторы и рези-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
114
стивные нагреватели, представляющие собой
диски диаметром 2,5 и толщиной 0,1-0,15 мм.
Выводы элементов припаяны к контактам на
печатной плате. Внутри основного волновода
расположена объемная клиновидная поглощаю-
щая нагрузка. Основной волновод проходит че-
рез текстолитовую трубку, посаженную на эпок-
сидной смоле и укрепленную винтами к корпусу,
и заканчивается соединительным фланцем, к
которому присоединен входной волноводный
переход [4].
а
б
Рисцнок 2 – Зависимость поглощаемой
мощности от времени отклика преобразователя
при подаче на вход ваттметра мощности СВЧ
величиной 10 мВт на частоте 95 ГГц (а) и
сопротивления терморезистора от входной
мощности ваттметра (б)
Рисунок 3 – Распределение температурного
поля в конструкции сенсора на двухслойной
мембране
Построение такой системы должно базиро-
ваться на терморезисторах с линейной характе-
ристикой преобразования в максимально широ-
ком диапазоне температуры с целью расширения
динамического диапазона измерителя мощности,
чем и обладают терморезисторы на основе ок-
сидных ниобиевых наностолбиков (рис. 2, б).
Уникальность терморезисторов на основе нио-
биевых оксидных наностолбиков заключается в
возможности изменять их морфологию, нано-
геометрию и состав путем корректировки усло-
вий формирования, тем самым получая требуе-
мые электрофизические характеристики.
1. Vopalens M. et al. // Sensors and Actuators A.
123, 303. (2005).
2. А.Н. Плиговка и др. / В сб. науч. ст. Наност-
руктуры в конденсированных средах. Ин-т
тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова НАН
Беларуси, Минск. (2015). С. 120.
3. А.Н. Плиговка и др. / В сб. тез. докл. V
Всероссийского конгресса молодых ученых.
Ин-т тепло- и массообмена, Санкт-
Петербург. (2016).
http://openbooks.ifmo.ru/ru/file/3197/3197.pdf.
4. Гусинский А.В. и др. // Метрология и приборо-
строение. 3, 12 (2010).
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
115
УДК 535.37
СПЕКТРАЛЬНЫЕ И ЦВЕТОКОНТРАСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИЗУАЛИЗАТОРОВ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОСНОВЕ РАСТВОРОВ КРАСИТЕЛЕЙ,
СОДЕРЖАЩИХ КИСЛОТНЫЕ ДОБАВКИ
Попечиц В.И.
Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем
им. А.Н. Севченко» Белорусского государственного университета
Минск, Республика Беларусь
Растворы органических красителей в органи-
ческих и неорганических растворителях, а также
в полимерных матрицах обладают интенсивными
полосами поглощения в оптической области
спектра, что указывает на возможность их при-
менения в качестве визуализаторов ионизирую-
щих излучений [1, 2].
При воздействии ионизирующего излучения
на растворы красителей происходит их необра-
тимое обесцвечивание, вызванное взаимодейст-
вием молекул красителей с кислородсодержа-
щими радикалами и ион-радикалами, образую-
щимися в результате радиолиза растворителей
[3, 4]. Многокомпонентные растворы красителей
при воздействии ионизирующего излучения мо-
гут изменять цвет, что позволяет визуально оп-
ределить величину радиационной дозы, исполь-
зуя предварительно построенную цветовую гра-
дуировочную шкалу [5 – 8].
В данной работе исследовано влияние ки-
слотных добавок (на примере ортофосфорной
кислоты – H3PO4) на спектральные и цветокон-
трастные характеристики трехкомпонентных
растворов органических красителей, используе-
мых в качестве визуализаторов рентгеновского и
гамма излучения. В качестве растворителя ис-
пользовалась дистиллированная вода, в которой
растворялись два красителя: один поглощал свет
в длинноволновой области видимого диапазона
длин волн, другой – в коротковолновой. Пока-
зано, что кислотные добавки позволяют умень-
шить время облучения растворов для регистра-
ции радиационной дозы и улучшить цветокон-
трастные характеристики растворов.
Первоначально была исследована химическая
стойкость ряда двухкомпонентных водных рас-
творов красителей, перспективных для использо-
вания в качестве компонентов визуализаторов
ионизирующих излучений. Концентрация рас-
творов красителей составляла 3,5·10-5 моль/л. К
15 мл водного раствора красителя данной кон-
центрации добавлялось 2 мл ортофосфорной
кислоты. Спектры поглощения растворов краси-
телей, содержащих кислотную добавку, записы-
вались через определенные промежутки времени
на спектрофотометре РV 1251 "Solar". Чтобы
исключить фотохимическую деструкцию краси-
телей, растворы хранились в полной темноте,
при комнатной температуре.
Для исследования влияния ортофосфорной
кислоты на спектральные и цветоконтрастные
характеристики облученных растворов были
приготовлены трехкомпонентные водные рас-
творы красителей. Смешивались 10 мл водного
раствора красителя, поглощающего в длинно-
волновой области видимого спектра (концентра-
ция 3,5·10-5 моль/л), и 10 мл водного раствора
красителя, поглощающего в коротковолновой
области, такой же концентрации. В полученный
трехкомпонентный раствор добавлялись 4 мл
воды или 4 мл ортофосфорной кислоты, соответ-
ственно. Облучение трехкомпонентных раство-
ров, содержащих и не содержащих кислотную
добавку, проводилось в пластиковых кюветах на
рентгеновской установке «Дрон 2М», при мощно-
сти тока, проходящего через рентгеновскую
трубку, 200 Вт (напряжение – 20 кВ, ток – 10
мА), при этом соблюдался одинаковый способ
установки кювет, для того, чтобы обеспечивать
одинаковые условия облучения каждого рас-
твора. Облучение производилось в течение 15
минут. Затем на спектрофотометре РV 1251 "So-
lar" записывались спектры поглощения облучен-
ных растворов.
В качестве примера на рис. 1 приведены зави-
симости интенсивности максимумов спектров
поглощения водных растворов некоторых краси-
телей, содержащих кислотную добавку, от вре-
мени хранения, из которого видно, что по хими-
ческой стойкости к кислотной добавке красители
можно условно разделить на три группы: отно-
сительно стойкие – концентрация исходного
красителя со временем уменьшается незначи-
тельно (кривые 1, 2), среднестойкие (кривые 3,
4), не стойкие (кривые 5, 6). Для приготовления
визуализаторов ионизирующих излучений на
основе многокомпонентных растворов красите-
лей, активированных кислотными добавками,
следует использовать красители первой группы.
В качестве примера на рис. 2 представлены
спектры поглощения двух облученных трехком-
понентных растворов, содержащих и не содер-
жащих кислотную добавку. Из рис. 2 видно, что
скорость радиационной деструкции красителей в
растворах, содержащих добавку ортофосфорной
кислоты возрастает. Это можно объяснить при-
сутствием в растворе анионов, которые при ра-
диолизе раствора образуют кислородсодержащие
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
116
радикалы и ион-радикалы, обладающие высокой
химической активностью. Взаимодействие по-
следних с молекулами красителей приводит к
нарушению π–электронной цепи сопряжения и
смещению полос поглощения этих продуктов
реакции в УФ-область спектра, что способствует
уменьшению интенсивности длинноволновых
полос поглощения растворов в видимой области
спектра.
Рисунок 1 – Зависимость нормированной
интенсивности поглощения в максимуме
длинноволновой полосы (D/D0) водного раствора
метилового оранжевого (1), кислотного желтого
светопрочного (2), эозина натрия (3),
малахитового зеленого (4), кислотного алого (5),
кислотного ярко голубого (6) с добавлением
ортофосфорной кислоты от времени хранения
раствора в темноте
300 400 500 600 700 800
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
D
λ,нм
1
2
Рисунок 2 – Спектры поглощения
трехкомпонентного водного раствора кислотного
алого (λmax = 525 нм) и метиленового голубого
(λmax = 670 нм) после облучения рентгеном (1),
с добавлением ортофосфорной кислоты (2)
Полученные экспериментальные данные по-
зволили сделать вывод о том, что скорость необ-
ратимой радиационной деструкции красителей в
водных растворах возрастает при добавлении в
растворы ортофосфорной кислоты. Причем это
возрастание скорости радиационной деструкции
зависит от химической природы красителя, т.е.
разное для каждого красителя. Следовательно,
подбором красителей и добавлением в растворы
ортофосфорной кислоты можно улучшить цвето-
контрастные характеристики облученных рас-
творов, что важно при применении трехкомпо-
нентных растворов красителей в качестве детек-
торов радиационной дозы, в частности при
проведении неразрушающего радиационного
контроля материалов и изделий.
1. Степанов, Б.И. Введение в химию и техноло-
гию органических красителей / Б.И. Степа-
нов – М.: Химия, 1977. – 448 с.
2. Бахшиев, Н. Г. Введение в молекулярную
спектроскопию / Н.Г.Бахшиев // – Л.: Изд.
ЛГУ, 1987. – 215 с.
3. Попечиц, В. И. Спектрально-люминесцент-
ные характеристики гамма-облученных рас-
творов трикарбоцианиновых красителей /
В.И.Попечиц // Вестник БГУ. Сер. 1. 2002.
№ 3. С. 33 – 37.
4. Попечиц, В.И. Влияние гамма-облучения на
спектры поглощения растворов кислотных
красителей /В.И.Попечиц // Журнал приклад-
ной спектроскопии. – 2003. – Т. 70, № 1. –
С. 34 – 37.
5. Попечиц, В. И. Визуализаторы ионизирую-
щего излучения на основе многокомпонент-
ных растворов красителей / В.И.Попечиц //
Проблемы инженерно-педагогического обра-
зования в Республике Беларусь: Материалы
VI Междунар. науч.-практ. конф. в 2 ч. –
Минск, 2012. Ч. 2. С. 128 – 133.
6. Попечиц, В. И. Дефектоскопия материалов и
изделий с помощью многокомпонентных рас-
творов красителей / В.И.Попечиц // Достиже-
ния физики неразрушающего контроля:
Сборник научных трудов Междунар. научно-
технической конф., посвященной 50-летию
Института прикладной физики НАН Беларуси
/ Институт прикладной физики. – Минск,
2013. – С. 284 – 289.
7. Попечиц, В. И. Визуализаторы ионизирую-
щего излучения на основе многокомпонент-
ных растворов красителей / В.И.Попечиц //
Материалы, оборудование и ресурсосбере-
гающие технологии: Материалы Междунар.
науч.-технич. конф. (Могилев, 24-25 апр.
2014). Могилев, 2014. С. 147 – 148.
8. Попечиц, В. И. Влияние пероксида водорода
на цветостойкость растворов органических
красителей / В.И.Попечиц // Вестник БГУ.
Сер. 1. 2015. № 1. С. 17 – 21.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
117
УДК 531.385
ИНДИКАТОРНЫЙ ГИРОСТАБИЛИЗАТОР НА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОМ ГИРОСКОПЕ
Распопов В.Я.
ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет»
Тула, Российская Федерация
Волоконно-оптические гироскопы (ВОГ) по
параметрам точности, массе, габаритам, потреб-
ляемой энергии и динамическим характеристи-
кам [1] остаются широко применяемыми датчи-
ками угловой скорости при построении индика-
торных гиростабилизаторов (ИГС) [2].
Предпочтительно использование ВОГ, построен-
ных по схеме с замкнутым контуром [3].
На рис. 1 приведена структурная схема ВОГ с
замкнутым контуром.
Рис. 1. Структурная схема одноосного ВОГ
с замкнутым контуром
Структурная схема отображает последова-
тельные преобразования входного сигнала (угло-
вая скорость Ω) в выходной сигнал (напряжение
𝑈вых). Коэффициент передачи первого звена
называется масштабным коэффициентом опти-
ческого контура и определяется Kмок:
1
мок рад/с,/2
−λπ= cLDK ,
где L, D – длина оптоволокна и диаметр
оптоволоконного контура;
λ, с - длина волны и скорость света.
Коэффициент преобразования фазы Саньяка в
мощность излучения K0 (Вт/рад), поступающего
на фотоприёмник, зависит от мощности излуче-
ния излучателя, от потерь в оптическом тракте и
его поляризационных характеристик. Фотопри-
ёмник, как устройство преобразования сигнала,
характеризуется чувствительностью KФП (А/Вт) и
коэффициентом усиления KУ. Передаточная
функция синхронного детектора может быть
представлена апериодическим звеном первого
порядка:
,
1
1
)(
СД
СД +
=
sT
sW (1)
где TСД – постоянная времени (TСД<1/ωC);
ωC – частота среза разомкнутой системы.
После интегратора с коэффициентом пере-
дачи KИ в прямой цепи формируется выходное
напряжение Uвых, которое содержит информацию
об измеряемой угловой скорости вращения Ω.
Контур обратной связи замыкается через фазо-
вый модулятор, на который подается пилообраз-
ное напряжение, формируемое в электронном
блоке с коэффициентом передачи KП. Фазовая
амплитуда пилообразной модуляции автомати-
чески поддерживается у значения 2π, а фаза
Саньяка компенсируется пилообразным сигна-
лом с частотой fк:
fк = DΩ/nПλ,
где Ω – измеряемая угловая скорость;
nП – показатель преломления используемого во-
локна.
Коэффициент передачи фазового модуля-
тора:
рад/В,/ФМ ππ= UK ,
Uπ – полуволна напряжения.
Передаточная функция ВОГ в соответствии с
рис. 1 и с учётом (1) приводится к форме:
( )
,
12
1)(
)(
)(
ВВ
22
В
МВ
МОКПЦСД
МОКПЦвых
ВОГ
+ξ+
=
=
++
=
Ω
=
TsT
K
KKssT
KK
s
sU
sW
(2)
где ИСДУФП0ПЦ KKKKKK = – коэффициенты
передачи прямой цепи;
ПФМОС KKK = – коэффициент передачи обрат-
ной связи;
ОСПЦ
СД
В KK
T
T = ;
ОСПЦСДВ 2
1
KKT=ξ ;
ОСмокМВ KKK = – масштабный коэффициент
ВОГ, определяемый по формуле:
.
2
ПФМ
МВ KKc
LD
K
λ
π
= (3)
В предположении независимости работы
каналов стабилизации, на рис. 2 приведена
структурная схема ИГС с ВОГ [2].
Рис.2. Структурная схема гиростабилизатора с
ВОГ по одному каналу
(Kдс1, Kу1 – коэффициенты передач двигателя
и усилителя в цепи стабилизации)
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
118
Передаточная функция гиростабилизатора в
соответствии с рис. 2. и с (2) имеет вид:
( )
( )[{
( ) ( )]}.2
2
12
)(
)(
У1ДС1МВВРВВ
2
РВВВ
32
В
ВВ
22
В
Р
KKKbsbTA
sbTATsATs
TsT
sM
s
++ξ++
++ξ+
÷+ξ+=
α
(4)
Из (4) следует, что в установившемся режиме
гиростабилизатор с ВОГ, как и с любым другим
датчиком угловой скорости, имеет дрейф со ско-
ростью:
( )У1ДС1МВРДР KKKbM +=ω=α .
Имея в виду температурную зависимость ве-
личины KМВ [4], следует ожидать и зависимость
дрейфа гиростабилизатора от температуры.
Предположим, что все звенья в цепи стабили-
зации безинерционные, за исключением плат-
формы и рамы, тогда для качественной оценки
поведения гиростабилизатора с ВОГ на качаю-
щемся основании можно применить отношение:
( )
( ) Р2РМВР2
Р
2
Р
2
)(
)(
hisKiKbAs
hsJi
s
s
+++
+
−=
γ
α
(5)
где А – момент инерции ИГС относительно оси
подвеса;
РJ – осевой момент инерции двигателя
стабилизации;
i – коэффициент передачи редуктора;
РР ,hb – коэффициенты вязкого трения в осях
подвеса платформы ИГС и в подшипниках ро-
тора двигателя;
РK – коэффициент передачи по каналу
стабилизации;
γ – угол качки основания;
α – угол поворота платформы ИГС.
Отношение (5) можно использовать для
предварительного частотного анализа поведения
гиростабилизатора на качающемся основании.
1. Лукьянов, Д.П., Распопов, В.Я., Филатов, Ю.В.
Прикладная теория гироскопов. Учебник.-
СПб.: ГНЦ РФ – ОАО «ЦНИИ «Электропри-
бор», 2015. – 315 с.
2. Распопов, В.Я. Теория гироскопических сис-
тем. Гиростабилизаторы. Тула: Издательство
ТулГУ, 2016. – 388с.
3. Интерферометрические волоконно-оптиче-
ские гироскопы с линейным выходом. При-
луцкий, В.Б. и др.//Сб. материалов XI Санкт-
Петер-бургской Международной конферен-
ции по интегрированным навигационным
системам. – СПб., 2004. – С. 129-136.
4. Распопов, В.Я. Микромеханические приборы.- М.:
Машиностроение, 2007.- 399 с.
УДК.628.984
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЩНЫХ СВЕТОДИОДОВ
Савкова Т.Н., Кравченко А.И., Колесник Ю.Н.
Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого
Гомель, Республика Беларусь
Изменение принципов конструирования све-
товых осветительных приборов с использова-
нием светодиодов (СД) продиктовано физиче-
скими процессами полупроводников. Одним из
основных способов создания надёжных и эффек-
тивных светодиодных проборов основан на па-
раллельном планировании тепловых, электриче-
ских, оптических и спектральных свойств источ-
ника освещения [1].
Важнейшая проблема при проектировании
световых приборов с СД – обеспечение требуе-
мого теплового режима СД. Большинство пара-
метров СД, в основном определяющие их пре-
восходство над другими источниками света –
срок службы и световая отдача – сильно зависят
от температуры активной области. Превышение
температуры « p-n» – перехода ведёт к уменьше-
нию светового потока и ускоренной деградации
кристалла. На температуру перехода влияет путь
распределения тепла между переходом и окру-
жающей средой (определяется тепловым сопро-
тивлением), мощность рассеивания светодиода,
температура окружающей среды, а также ток
питания [2,3].
Существует несколько способов определения
температуры активной области светодиодов.
Методы, основанные на зависимости прямого
напряжения светодиода от температуры [4] – [8],
являются косвенными, контактными, требующие
калибровочных измерений.
По методу [9], температура « p-n» – перехода
определяется по смещению спектрального мак-
симума излучения в область коротких длин волн
при повышении температуры. Данный способ
характеризуется большой погрешностью из-за
наличия шумов и возможной интерференции в
спектре излучения СИД. Отличительной особен-
ностью метода [10], является определение зави-
симостей длины волны от температуры для за-
данных точек в выбранной длинноволновой
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
119
части спектра излучения светодиода.
Еще один метод основан на применении ра-
мановской спектроскопии, с помощью которой
может быть определена температура различных
слоев структуры [11]. Для светодиодов, у кото-
рых в качестве подложки используется сапфир,
температура может быть определена с помощью
оптического измерения длин волн линий, излу-
чаемых хромом (Cr3+), который находится в
подложке в виде примеси [12].
Целью данной работы является разработка
метода определения тепловых характеристик
мощных светодиодов (СД): мощности тепловых
потерь, температуры « p-n» – перехода, тепло-
вого сопротивления и т.д.
Определение тепловых характеристик СД
проводились с использованием эксперименталь-
ной установки (рис.1), основными элементами
которой являются: калориметр, микроконтрол-
лер, блок питания и персональный компьютер.
Рисунок 1 – Блок–схема экспериментальной
установки для определения тепловых
характеристик СД: МК – микроконтроллер,
БП – блок питания, СД – светодиод (ARPL–
3W6000), ПК – персональный компьютер
В калориметр устанавливали радиатор в
форме усечённой сферы из металла с высокой
теплопроводностью с закреплённым на нём СД.
Съёмная крышка калориметра имела технологи-
ческое отверстие для вывода светового излуче-
ния СД. Измерение температуры осуществлялось
термопарами, установленными на излучающей
поверхности, корпусе и подложке СД, радиаторе,
а также на корпусе калориметра.
Управление блоком питания, измерение ЭДС
термопар, первичная обработка результатов из-
мерений, а также передача этих данных в ПК
осуществлялась программируемым микрокон-
троллером «Arduino».
Измерения температуры проводились при то-
ках от 0,1 – 1,0 А через « p-n» – переход СД.
По измеренным температурам элементов по-
верхности СД, радиатора и калориметра на осно-
вании закона Стефана–Больцмана и формулы
Ньютона определялась энергия теплового излу-
чения и энергия, уносимая конвекционным пото-
ком. В целом, энергия тепловых потерь ««p-n» –
переход – окружающая среда» при установлен-
ном токе в условиях стационарного режима за
время измерения определилась соотношением:
CBSJТ QQQQQ +++= ′ , (1)
где JQ ′ , SQ , BQ и CQ – тепловые потери энергии с
поверхности линзы, корпуса, подложки СД и
радиатора.
Тепловая энергия, приходящая от активной
области (АО) и рассеиваемая поверхностями
линзы и корпуса СД (других элементов) на ос-
новании закона Фурье в условиях стационарного
режима определяется соотношениями:
tTT
d
S
Q JJ
JJ
JJJ
JJ ⋅−⋅
⋅
= ′
′
′′
′ )(
λ
(2)
и
,)( tTT
d
S
Q SJ
JS
SJS
JS ⋅−⋅
⋅
=
λ
(3)
где
JJ
′λ и JSλ – теплопроводность среды, запол-
няющей пространство между активной областью
и поверхностями линзы и корпуса СД; JS ′ и SS –
площадь поверхностей линзы и корпуса СД; JJd ′
и JSd – средние расстояния от АО СД до
поверхности линзы и корпуса;
,JT JT ′ и ST –
температуры « p-n» – перехода, поверхности
линзы и корпуса, соответственно; t – время изме-
рения. Записав эти соотношения для двух токов
1I и 2I , после несложных вычислений, получим
температуры АО 1JT
и 2JT :
122221 JJJJ TTnTnT ′′ +⋅−⋅=
и
12
212211
2 nn
TnTnTT
T JSSJJ −
⋅−⋅+−
= ′′ , (5)
где
2
1
1
J
J
Q
Q
n = и .
2
1
2
S
S
Q
Q
n =
Рассчитанные величины энергии (мощности)
тепловых потерь и температуры АО СД позво-
ляют определить ряд составляющих
теплового
сопротивления СД, энергетический выход, энер-
гию и мощность светового излучения. Так, для
токов А35.01 =I и А7.02 =I через « p-n» – пере-
ход СД (ARPL–3W6000): мощности тепловых
потерь составили – 0.67 и 1.65Вт; мощности све-
тового излучения – 0.41 и 0.75Вт; энергетическая
эффективность – 38% и 31%; температуры АО –
85 и 149 0С; тепловое сопротивление «АО – ок-
ружающая среда» – 84 и 730С/Вт, соответст-
венно. Погрешность определения тепловых па-
раметров СД составила порядка 10%.
Таким образом, предложен калориметриче-
ский метод определения тепловых характеристик
мощных светодиодов, который может быть ис-
пользован для контроля их качества, а также при
проектировании осветительных устройств.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
120
1. Менжини, М. Разработка надежных
светодиодных источников освещения /
М. Менжини, Г. Менжессо, Э. Занони, М. Да
Лаго, Н. Тривеллин // Полупроводниковая
светотехника, – 2013, №5, – С. 61–64.
2. Миранович, В. Мощные светодиоды:
особенности применения, проблемы и методы
решения на примере светодиодов компании
Prolight Opto Technology / В. Миранович,
И. Филоненко // Электронные компоненты, –
2007, №6, – С. 45–49.
3. Xi Y. Junction–temperature measurement in
GaN ultraviolet light–emitting diodes using
diode forward voltage method / Y. Xi,
E.F. Shubert // Appl. Phys. Lett. – 2004. –
Vol. 85. – P. 2163.
4. Y. Xi, J. – Q. Xi, Th. Gessmann, J.M. Shah,
J.K. Kim, E.F. Schubert, A.J. Fisher,
M.H. Crawford, K.H.A. Bogart, A.A. Allerman.
Appl. Phys. Lett., 86, 031 907 (2005).
5. Пат. US 2010/0004892 А1 /Ming-Te LIN,
Knang–Yu Tai, Jyh–Chen Chen, Farn–Shiun
Hwu. Method for Measuring PN–Junction
Temperature of Light–Emitting Diode; опубл.
14.01.2009. Бюл. № 12/353, 294.
6. Пат. US 2011/0031903 А1 / V.N. Hoang,
R. Surdeanu, P. Bracken, B. Bataillou, D.V. Ste-
enwinekel. System and method for estimating the
junction temperature of a light emitting diode;
опубл. 27.01.2009. Бюл. № 12/863, 744.
7. Пат. US 2010/0315019 / G. Hoogzaad, Schmitz,
H. M. Wilhelmus, R. Surdeanu. Led driver
circuit and method, and system and method for
estimating the junction temperature of a light
emitting diode; опубл. 27.01.2009. Бюл.
№ 12/863, 740.
8. Пат. US 2009/0306912 А1 / J.-C. Chen,
F.–S. Hwu, G.–J. Sheu, K.–C. Chen, F.–L. Lin.
Method of measuring LED junction temperature;
опубл. 20.08.2008. Бюл. № 12/194, 591.
9. Пат. US 2008/0205482 A1 / D. Cao, Z. –H. Lin.
Method and testing equipment for LEDs and
Laser diodes; опубл. 23.02.2007. Бюл.
№ 11/678, 243.
10. Патент № 2011147653/ А.Н. Пихтин,
С.А. Тарасов, Е.А. Менькович. Способ
определения температуры активной области
светодиодов; опубл. 23.02.2007. Бюл. №
11/678, 243.
11. Kuball M. Self-Heating effects at high Pump
Currents in Deep UV LED /M. Kuball,
S. Pajasingam, A. Sarua et al. // Appl.Phys.Lett.
2003. Vol. 82. P. 124.
12. Winewisser C. In-situ temperature measurements
via ruby R-lines of sapphire substrate based
InGaN light emitting diodes during operation /
C. Winewisser, J. Schneider // J. Appl. Phys.
2001. Vol. 89. – P. 3091.
УДК 531.31
БЕСПЛАТФОРМЕННАЯ ИНЕРЦИАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА НА ОСНОВЕ
ПРЕЦИЗИОННЫХ МИКРОМЕХАНИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
Сапегин А.Н., Норенко М.В.
Национальный технический университет Украины
«Киевский политехнический институт им. И. Сикорского»
Киев, Украина
В современной технике наблюдается большой
рост различных робототехнических средств, бес-
пилотных подвижных объектов. Миниатюрность
объектов не позволяет использовать классиче-
ские типы систем для решения задач ориентации,
навигации и управления, поэтому построение и
исследование микромеханических чувствитель-
ных элементов и систем является особенно акту-
альным в настоящее время [1].
Технологии микроэлектромеханических сис-
тем (МЭМС) непрерывно развиваются и каждым
годом какие, точность становится больше.
Уменьшение размеров и требований к питанию
датчиков делает их более универсальными в ис-
пользовании. Еще одно из преимуществ МЭМС
технологий является то, что выходной сигнал
цифровой, что в свою очередь улучшает качество
и скорость обработки данных. Но несмотря на
преимущества подобные датчики проигрывают в
точности классическим волоконно-оптическим и
лазерным гироскопом.
Одной из передовых компаний разрабаты-
вающих МЭМС технологии является Sensonor –
норвежский производитель и разработчик инер-
циальных датчиков и датчиков давления. С 2009
года компания сосредоточилась на выпуске
МЭМС гироскопов, а основную линейку продук-
тов составили гироскопы ST202, STIM210 [4] и
инерциальных измерительный модуль STIM300,
который представлен на рисунке 1.
Несмотря на размеры 39мм на 45мм на 22мм
STIM 300 содержит в себе 3 гироскопа, 3 акселе-
рометра и 3 инклинометра, которые приближа-
ются по точности к волоконно-оптическим гиро-
скопам. Датчик устойчив к воздействиям маг-
нитного поля и удара, частота обновление
данных 2000 Гц и имеет цифровой выход RS422
со скоростью передачи 1,84 Mbit c.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
121
Рисунок 1 – Инерциальных измерительный
модуль SIM300
К основным характеристикам STIM 300 отно-
сятся:
• Температурный диапазон -40 +85 ° C
• Диапазон гироскопа ± 400 ° / с
• Дрейф гироскопа 0,15 ° / √h
• Дрейф акселерометра 0,07 м / с / √h
• Нестабильность нуля гироскопа 0,5 ° / час
• Нестабильность ноль акселерометра 0,05 mg
• Диапазон акселерометра ± 10g.
STIM 300 нашел свое место в системах ори-
ентации беспилотных аппаратов, системах сбора
портативных целевых транспортных средств, в
системах стабилизации и при автоматизирован-
ном производстве в промышленности.
В работах [1] и [2] были всесторонне иссле-
дованы возможности построения бесплатфор-
менной системы ориентации основываясь ис-
ключительно на микромеханических инерциаль-
ных датчиках таких как гироскопы и
акселерометры. В частности, работа [1] посвя-
щена описанию исследования, которое прово-
дила компания Analog Devices – лидер в совре-
менной микроэлектронике. Целью исследований
было сравнение инерциальных навигационных
систем, построенных на волоконно-оптических
гироскопах с инерциальным измерительным мо-
дулем модели ADIS16485. При чём цена первой
системы была около 30000$, а МЭМС датчики
всего 1000$. В итоге было установлено, что в
гражданском применении, для решения задачи
ориентации и навигации в городе, точности
ADIS16485 более чем достаточно. Отметим, что
технические характеристики ADIS16485 на по-
рядок хуже, чем STIM300. Эти результаты гово-
рят о том, что в ближайшее время точносные
характеристики МЭМС инерциальных измери-
тельных модулей позволят использовать их и в
прецизионных навигационных системах.
Открытым и острым в таком случае встаёт
вопрос алгоритмического обеспечения Бесплат-
форменной инерциальной системы ориентации
(БИСО). Эта задача имеет двоякий характер. С
одной стороны, нужно определится с алгорит-
мом определения и моделирования ориентации
движущегося объекта, а с другой стороны разра-
ботка достаточно точных алгоритмов их числен-
ного интегрирования.
Наиболее распространённым является ис-
пользование кватернионного уравнения ориента-
ции. Считается, что оно записывается в наиболее
простой для вычислительной машины форме и
не вырождается при сложных эволюциях движе-
ния объекта. Однако, использование кватерни-
онной алгебры заставляет проводить постоянные
преобразования кватерниона ориентации в мат-
рицу направляющих косинусов, или текущие
угла ориентации. Эта задача требует привлече-
ния дополнительных вычислительных потоков и
уменьшает быстродействие вычислителей.
Вторая часть алгоритмического обеспечения
БИСО заключается в организации процессов
численного интегрирования соответствующего
уравнения ориентации. Здесь тоже наблюдается
неоднозначность. Ранее разработанные алго-
ритмы численного интегрирования создавались
под аналоговые сигналы классических инерци-
альных чувствительных элементов – кольцевых
лазерных и волоконно-оптических гироскопов.
Их применение для современных микромехани-
ческих систем вызывает некоторые затруднения.
Вместе с тем, широко используемые МЭМС дат-
чики всё ещё достаточно грубые, поэтому для
них используют элементарные алгоритмы чис-
ленного интегрирования такие как метод тре-
угольника, или трапеции.
В работах [2], и [4] представлены результаты
исследований алгоритма работы бесплатформен-
ной инерциальной навигационной системы. В
качестве чувствительных элементов для созда-
ния БИСО использовался довольно грубый
инерциальный измерительный модуль МАХ
21105 производства Maxim Integrated. МАХ
21105 представляет из себя 3-осевые микромеха-
нические гироскопы и акселерометры, созданные
на едином кристалле. Была построена программ-
ная модель бесплатформенной системы ориента-
ции [4]. Модель включала в себя алгоритм ори-
ентации на основе кинематического уравнения
Пуассона и алгоритмов численного интегрирова-
ния Рунге-Кутты второго и четвёртого порядков.
Результаты исследования представлены на ри-
сунке 2.
Риунок 2 – Погрешности алгоритмов
интегрирования методами Рунге–Кутта
0 1 2 3 4 5 6
0
1
2
Погрешность алгоритма RK41
Время, с
У
го
л,
г
ра
д.
0 1 2 3 4 5 6
0
1
2
Погрешность алгоритма RK21
Время, с
У
го
л,
г
ра
д.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
122
Использование уравнения Пуассона позво-
лило напрямую использовать проекции угловых
скоростей вращения основания, полученных с
гироскопов, что значительно упростило как про-
граммную модель, так и разработку алгоритмов
интегрирования. Выбор алгоритмов Рунге-Кутты
был продиктован их распространённостью и дос-
таточно высокой точностью.
В целом программная модель позволяет ис-
пользовать различные типы чувствительных
элементов и является универсальной. Она позво-
ляет проводить исследования прецизионных
МЭМС датчиков при различных законах
движения.
1. Ярема А.Д. Выбор датчиков угловой скорости
для бесплатформенной инерциальной сис-
темы навигации / Погляд у майбутнє Прила-
добудування: ІХ науково-практична конфере-
нція студентів та аспірантів Збірка тез /
НТУУ «КПИ». – Киев, 2016 С. 25-26.
2. Сапегин А.М., Бугаёв Д.В. Программная мо-
дель бесплатформенной системы ориентации
на базе инерциального измерительного мо-
дуля МАХ21105 // Вісник Інженерної акаде-
мії України. – 2016. – Вип. 1. – С.119-122.
3. Система моніторингу стану технічного облад-
нання на базі інерціального вимірювального
модуля STIM210 / Я.О. Ярема, О.М. Сапегін //
Методи та засоби неруйнівного контролю
промислового обладнання : збірник тез допо-
відей 5-ї науково-практичної конференції
студентів і молодих вчених, 24-25 листопада
2015 р., м. Івано-Франківськ. – 2015. –
С. 239–241.
4. Свідоцтво № 64218 України про реєстрацію
авторського права на твір. Комп’ютерна про-
грама «Мікромеханічна безплатформова сис-
тема орієнтації» [Текст] Сапегін О.М., Бу-
гайов Д.В., Півторак Д.О. (Україна); заявник
та власник Сапегін О.М., Бугайов Д.В.,
Півторак Д.О. - № 64703; заявл. 23.12.2015;
зареєстровано 26.02.2016 р. в Державному
реєстрі свідоцтв про реєстрацію авторського
права на твір.
УДК 624.94
ДЕТАЛИ ВТОРИЧНОЙ ОПТИКИ АДАПТИВНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ
СВЕТОДИОДОВ
Сернов С.П., Балохонов Д.В.
Белорусский национальный технический университет
Минск, республика Беларусь
Светодиоды являются современным источни-
ком света с высокой эффективностью преобразо-
вания электрической энергии в световую, по-
этому в настоящее время все больше транспорт-
ных средств оснащаются оптическими
системами светосигнального назначения со све-
тодиодами в качестве основного источника
света. Кроме того, номенклатура выпускаемых
светодиодов постоянно расширяется, что делает
расчет деталей вторичной оптики для какого-
либо определенного наименования светодиодов
нецелесообразным: из-за крайне быстрой сме-
няемости поколений светодиодов приходится
постоянно разрабатывать новые детали вторич-
ной оптики с одинаковой функциональностью.
Из-за этого целесообразным является разра-
ботка такой детали вторичной оптики, чтобы она
позволяла использовать различные типы свето-
диодов с похожим распределением силы света и
одинаковым световым потоком.
Для разработки подобной детали вторичной
оптики необходимо соблюсти следующие усло-
вия:
Условие квазиточечности источника света –
источник света (светодиод) должен иметь такие
размеры, чтобы его можно было считать точеч-
ным по отношению к детали вторичной оптики,
что позволяет значительно упростить расчеты.
Если источник света имеет сравнительно
большой размер (например, светодиоды фирмы
Philips типа LHC1, изготовленные по технологии
COB с диаметром излучающей поверхности 18
мм), то его можно разделить на области и при-
менять данный принцип к ним при расчете не-
симметричной детали вторичной оптики.
Условие охвата источника света – источник
света должен быть охвачен деталью вторичной
оптики так, чтобы световой поток источника
использовался как можно полнее.
С учетом данных условий, а также все воз-
растающих требований к равномерности за-
светки излучающей поверхности светосигналь-
ных изделий транспортных средств наиболее
перспективной формой детали вторичной оптики
будет асферическая неизображающая охваты-
вающая линза с развитой задней отражающе-
пропускающей поверхностью, схема профиля
которой приведена на рисунке 1.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
123
Рисунок 1 – Приблизительная форма профиля
неизображающей охватывающей линзы
с развитой задней поверхностью
(пояснения в тексте)
За счет своей отражающей части 2 данная де-
таль обеспечивает надежное освещение цен-
тральной области стандартного распределения
силы света, в то же время создавая достаточно
равномерную засветку периферии излучающей
поверхности. Потери на отражение невелики, так
как применяется принцип полного внутреннего
отражения. Рассеивание света также незначи-
тельно, так как источник света 3 находится срав-
нительно далеко от рабочих поверхностей (вы-
полняется условие квазиточечности).
За счет своей пропускающей части рабочей
поверхности 1 данная деталь вторичной оптики
засвечивает периферические области стандарт-
ного распределения силы света. Даже если усло-
вие квазиточечности нарушается (или выполня-
ется не полностью), то есть наблюдается значи-
тельное угловое рассеяние света, световой поток
источника света не теряется, так как у стандарт-
ного распределения силы света граничные углы
составляют как минимум 20 градусов от оптиче-
ской оси.
Побочным эффектом от рассеяния света явля-
ется почти равномерное освещение практически
всей области стандартного распределения силы
света, что позволяет удовлетворить требования
по перепадам освещенности, одновременно
обеспечивая видимость оптической системы
практически со всех необходимых углов. При
этом этот полезный эффект наблюдается как при
использовании практически точечных источни-
ков света, так и при использовании источников
света значительного размера.
Кроме этого, описанный подход позволяет
«перемешать» свет источника и уменьшить цве-
товой растр, что является практически необхо-
димым условием надежной работы светосиг-
нального оборудования белого цвета свечения.
Принципы конструирования, описанные
выше, были частично (не полностью выполнено
условие охвата источника света) реализованы в
конструкции детали вторично оптики нецилинд-
рической формы для выполнения функции габа-
ритного огня заднего комбинированного фонаря
транспортного средства, общий вид которой
приводится на рисунке 2.
Рисунок 2 – Общий вид детали вторичной
оптики для выполнения функции фонаря
полного габарита
Данная деталь вторичной оптики имеет цен-
тральную часть 1 осесимметричной формы, ко-
торая обеспечивает засветку периферической
части стандартного распределения силы света и
работает на пропускание. Благодаря рассеянию
света, засветка получается равномерной. Цен-
тральная часть стандартного распределения силы
света освещается периферической частью 2 де-
тали вторичной оптики, одновременно обеспечи-
вая визуализацию периферической части детали
вторичной оптики.
Распределение силы света разработанной де-
тали вторичной оптики полностью соответствует
Правилам ЕЭК ООН №7 для габаритных огней
транспортных средств.
Следует отметить, что ввиду расчета формы
детали вторичной оптики модифицированным
методом накопительного суммирования частич-
ных световых потоков ее форма является техно-
логичной и пригодна для литья под давлением, а
толщина детали не превышает четырех милли-
метров, что делает ее массу малой и позволяет
быть устойчивой к вибрациям.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
124
УДК 621.317.43
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ.
ЧАСТЬ 1. МЕТОДИКА
Скурту И.Т., Ерошенко А.С., Брановицкий И.И.
Институт прикладной физики НАН Беларуси
Минск, Республика Беларусь
Измерение количества витков в обмотках на
каркасе, а также контроль наличия короткозамк-
нутых витков являются значимыми стадиями в
цикле производства трансформаторов малой
мощности.
Востребованная в настоящий момент точ-
ность измерения количества витков составляет
порядка 0.1 % (один виток на тысячу). При этом
в пределах одной операции технологического
контроля требуется определять наличие коротко-
замкнутых витков, в катушках с диаметром про-
вода от 0.18 мм с затрачиваемым на одну об-
мотку временем не более 10 секунд.
Точное измерение количества витков в об-
мотках сопряжено со многими известными
сложностями магнитных измерений:
-обеспечение однородного магнитного потока
в зоне измерения;
-устранение остаточной намагниченности ра-
бочего ферромагнитного тела;
-учет полей рассеяния, способных влиять на
результаты измерения;
-отстройка от температурного смещения ра-
бочей точки.
Помимо этого, для обеспечения темпов кон-
вейерного производства необходимо выдержи-
вать баланс между скоростью и точностью изме-
рений. Для обеспечения скорости предпочти-
тельнее использовать открытую магнитную цепь
в виде вертикального стержня с нанесенными на
него намагничивающими и измерительными
обмотками.
Среди подходов к измерению количества
витков можно выделить балансные (разностные)
и абсолютные (прямого подсчета) методы.
Распространенная реализация балансного ме-
тода основана на встречном включении обмотки
с точно известным количеством витков (комму-
тируемые секции с сотнями, десятками и едини-
цами витков) и испытуемой обмотки. В условиях
открытой магнитной цепи такой подход может
приводить к ошибке до ± 5 витков на тысячу.
Основной источник ошибки – потоки рассеяния.
Для оценки их влияния достаточно провести
простой эксперимент: на катушку с числом вит-
ков 1000 доматывается один дополнительный
виток (с отводом от тысячи). Катушка помеща-
ется на однородно намагниченный стержень (ес-
тественно, речь идет о центральном его участке
со степенью однородности порядка 0.03 %). Обо-
значим сигнал напряжения с секции в 1000 вит-
ков, как S1000, а сигнал с секции в 1001 соответ-
ственно S1001. Следует отметить, что 1000 витков
намотаны на катушку в восемь слоев. Имеем:
S1001 – S1000 ≠ S1000 / 1000 (1)
Отличие левой и правой части выражения (1)
может составлять от 15 до 30 % (в зависимости
от габаритов катушки и уровня электромагнит-
ных помех). При этом:
S1001 / S1000 = 1.001 (2)
Точность выполнения равенства (2) состав-
ляет уже около 0.015 – 0.03 %.
Выражение (1) показывает, что аддитивная
компенсация (в балансном методе при открытой
магнитной цепи) крайне неустойчива к накопле-
нию ошибки по слоям катушки. Тем не менее
при использовании в качестве ядра измерения
величины (2) можно обеспечить требуемую точ-
ность.
Ошибки количества витков, возникающие
при намотке обмоток, делятся на две основных
категории:
1) технологическая недомотка/перемотка,
составляющая несколько единиц витков и вы-
званная нечасто происходящими сбоями в работе
оборудования;
2) ошибки программирования намоточного
станка, вызванные человеческим фактором –
количество витков при этом может отличаться от
номинала в разы.
Величина (2) сохраняет свою информативную
значимость и стабильность в каждом из этих
случаев. В первом случае, она позволяет точно,
до витка измерить отклонение от номинала, во
втором – однозначно указать на необходимость
перемотки.
Использование такого подхода наиболее эф-
фективно для серийного контроля больших пар-
тий однотипных катушек.
Для этого проводится эталонирование типа
катушки. В качестве эталона выбирается ка-
тушка, измерения на которой в составе готового
изделия (трансформатора) полностью подтвер-
ждают требуемые его характеристики. Измере-
ния в составе готового изделия чувствительны к
отклонению витков в 0.1%.
В базу данных заносятся отношения сигна-
лов, индуцируемых на каждой из обмоток эта-
лонной катушки к сигналу с тысячевитковой
эталонной обмотки, помещенной и зафиксиро-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
125
ванной на рабочем ферромагнитном стержне.
Такой подход является разновидностью абсо-
лютного метода.
Фактически под отношением сигналов с раз-
личных обмоток подразумевается отношение их
интегралов (по абсолютному значению), что эк-
вивалентно отношению максимумов соответст-
вующих потокосцеплений.
Интегрирование сигналов улучшает воспро-
изводимость результатов измерений и устойчи-
вость метода к помехам. Также это устраняет
влияние потоков рассеяния, поскольку результи-
рующее отношение (2) уже включает в себя ин-
формацию о противопотоке для конкретного
типа (один каркас может соответствовать сотням
номенклатурных намоточных позиций).
Создание рабочей зоны однородного распре-
деления потока накладывает строгие требования
к общей длине стержня вне зависимости от ме-
тода создания однородности. Для открытой цепи
она должна быть как минимум в три раза больше
длины намотки катушки.
Обеспечение однородного распределения с
помощью многокатушечных схем (катушки с
синхронной запиткой) выравнивания потока об-
наруживает значительную неустойчивость к ос-
таточной намагниченности стержня, а также к
эффектам пространственной (по длине стержня)
фазовой неоднородности (специфичной для кон-
кретного материала стержня). Для борьбы с по-
следней целесообразно обеспечивать однород-
ность с помощью одной обмотки, нанесенной
равномерно по всей длине стержня. При этом
равномерное распределение потока устанавлива-
ется в стержне на тех участках периода сигнала,
в течение которых материал находится в насы-
щении. Упомянутое выше интегрирование сиг-
налов позволяет отстроиться от необходимости
следить за уровнем потока, т.к. всегда обеспечи-
вает доступ к максимальному его значению, га-
рантированно находящемуся на участке насыще-
ния.
Отдельного рассмотрения заслуживает ста-
бильность рабочей точки, положение которой на
серии последовательных однотипных измерений
подвержено релаксационным и температурным
процессам. На рисунке 1 представлено поведе-
ние сигналов S1000 и S1001 на серии из двухсот
измерений, непрерывно следующих одно за дру-
гим (продолжтельность одного измерения со-
ставляет 5-7 секунд).
Рисунок 1 – зависимость сигналов S1000 и S1001
(в условных интегральных единицах) от номера
измерения
Видно, что величина (2) позволяет компенси-
ровать дрейф рабочей точки. Тем не менее, для
снижения влияния быстрой смены режимов пе-
ремагничивания, в особенности при переходах с
одной частоты на другую, следует периодически
(раз в смену) проводить размагничивание
стержня на частоте 50 Гц.
Детектирование короткозамкнутых витков
основано на зависимости их электромагнитного
поведении от частоты. Если в катушке с тысячей
витков замкнуть один виток, то результатом из-
мерения на низкой частоте (десятки Герц) будет
999 витков. Если виток разомкнуть и на этой же
частоте провести измерения на той же катушке,
но с помещенным на нее искусственно изготов-
ленным КЗ-витком, показания составят 1000. На
высокой частоте (единицы – десятки килогерц)
наличие КЗ-витка любого вида приводит к сни-
жению показаний на два-три и более витка (в
зависимости от диаметра проволоки и частоты).
Эталонирование типа катушки позволяет учесть
высокочастотную ЭДС самоиндукции, наводи-
мую в незамкнутых витках. Магнитные мате-
риалы с аморфной и нанокристаллической
структурой хорошо подходят для создания рабо-
чих стержней.
Разработанный метод позволяет отстроиться
от распространенных проблем магнитных изме-
рений и обеспечить высокоточный контроль ко-
личества витков в обмотках, совмещенный с
проверкой на короткозамкнутые витки для
больших партий однотипных катушек.
S100
S100
Nизм
Sед
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
126
УДК 621.317.43
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ОБМОТОК ТРАНСФОРМАТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ.
ЧАСТЬ 2. ПРИБОР
Скурту И.Т., Ерошенко А.С., Брановицкий И.И.
Институт прикладной физики НАН Беларуси
Минск, Республика Беларусь
На рисунке 1 представлен общий вид кон-
трольно-диагностического прибора тестер кату-
шек (ТК).
1– большая измерительная платформа; 2 – ЭВМ;
3 – малая измерительная платформа;
4 – усилитель мощности
Рисунок 1 – Общий вид контрольно-
диагностического прибора ТК
Тестер катушек ТК предназначен для опреде-
ления количества витков в обмотках на каркасе
без сердечника, а также для определения нали-
чия в обмотках короткозамкнутых (КЗ) витков.
Количество витков в обмотке: от 1 до 10 000
с точностью 0.1 %, но не менее 1 витка;
Наличие КЗ-витка в обмотке, намотанной
проводом с диаметром не менее 0.18 мм: да/нет
с чувствительностью 1 КЗ-виток на 10 000 ис-
правных.
Номенклатурный ряд испытуемых обмоток
таков, что высота намотки у большинства кату-
шек позволяет испытывать их на стержне малой
длины (300 мм). Как уже упоминалось в первой
части данного доклада длина стержня должна
превышать длину намотки минимум в три раза,
поэтому для более крупных катушек предназна-
чена вторая платформа с длиной стержня 1000
мм. Следует отметить, что большая платформа
позволяет испытывать и катушки с высотой на-
мотки до 600 мм за счет того, что для таких
крупных катушек требования к однородности
потока в стержне менее строгие, за счет ограни-
чения по количеству витков (300-400).
Для того, чтобы испытания конкретного типа
катушки стали возможными, данный тип необ-
ходимо внести в базу данных программы. Вво-
дится название типа катушки и выбирается соот-
ветствующая платформа. Если высота намотки
катушки превышает 250 мм, следует снять с
платформы цилиндрическую подставку. При
размещении катушек на платформах следует
центрировать катушки по нанесенным на плат-
формы линиям центровки – это важно для обес-
печения высокой точности и повторяемости ре-
зультатов измерений. Затем выбирается подхо-
дящий корпус. Далее добавляются обмотки
катушки. Задается метка (имя) обмотки и коли-
чество витков в ней. В дальнейшем автоматизи-
рованные измерения количества витков будут
происходить в том порядке, в котором были до-
бавлены обмотки.
После добавления нового типа катушки необ-
ходимо провести его калибровку (эталонирова-
ние). Для типов, не прошедших калибровку, про-
ведение испытаний невозможно. Эталонная ка-
тушка выбирается из числа катушек с
наилучшими результатами испытаний на заво-
дском оборудовании, а также по регламентируе-
мым параметрам готового изделия (ток холо-
стого хода и др.).
Эталонная катушка устанавливается на соот-
ветствующую платформу (платформа должна
быть подключена к измерительному блоку), к
первой обмотке в списке подключаются измери-
тельные зажимы типа “крокодил” после чего
запускается процесс определения калибровочных
коэффициентов для обмоток катушки.
Тестер катушек комплектуется тремя тесто-
выми катушками с номиналом 1000 витков и
различными габаритами, служащими для перио-
дической проверки его работоспособности. Про-
верка происходит на малой платформе.
При несовпадении количества измеренных
витков в тестовых катушках с реальным проис-
ходит завершение тестового измерения. В этом
случае, необходимо выполнить принудительное
размагничивание и выполнить тест повторно.
На рисунке 2 представлен вид главного окна
управляющей прибором программы. Цифрами
обозначены: 1 – главное меню программы
(включает пункты “О программе”; “Сохранить
результат”; “Тестирование установки”; “Размаг-
ничивание”; “Калибровка каналов”; “Выход”); 2
– список занесенных в базу типов катушек; 3 –
список обмоток выбранного (текущего) типа
катушки; 4 – кнопка запуска типизированного
измерения; 5 – индикатор наличия/отсутствия
короткозамкнутых витков (красный цвет – соот-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
127
ветствует наличию витка, зеленый - отсутствию);
6 – группа кнопок для работы с исходными дан-
ными (катушки и корпуса); 7 – панель быстрого
измерения без типа; 8 – статусная строка – в ней
отображаются сообщения о состоянии текущих
операций.
Рисунок 2 – Главное окно программы
На рисунке 3 представлен вид вспомогатель-
ного окна программы для работы с корпусами.
Цифрами обозначены: 1 – список корпусов; 2 –
список выбора платформы (большая или малая);
3 – параметры корпуса; 4 – группа кнопок для
основных операций с корпусами; 5 – кнопка под-
тверждения и завершения работы с базой
корпусов.
Рисунок 3 – Интерфейс работы с корпусами
На рисунке 4 представлен внешний вид окна
добавления нового типа катушки. Цифрами
обозначены: 1 – поле ввода типа катушки; 2 –
список выбора платформы (большая или малая);
3 – список обмоток катушки; 4 – список выбора
корпуса; 5 – поля ввода параметров обмотки; 6 –
группа кнопок для основных операций с
обмотками; 7 – кнопки подтверждения и отмены
работы с базой катушек.
Рисунок 4 – Окно добавления нового типа
катушки
После проведения измерения имеется воз-
можность сохранить результаты текущего изме-
рения в отдельный текстовый файл. Кроме того,
каждое проведенное измерение фиксируется в
общий архив.
Созданный в ИПФ НАН Беларуси прибор
«ТК» позволяет обеспечить высокоточный кон-
троль количества витков в обмотках на каркасе
без сердечника, совмещенный с проверкой на
короткозамкнутые витки для больших партий
однотипных катушек. В настоящее время прибор
проходит период тестовой эксплуатации на
МЭТЗ им. В.И. Козлова.
УДК 535.31:681.25-027.31:620.179.1.082.5.05
УСТАНОВКА ОПТИЧЕСКОЙ КОГЕРЕНТНОЙ ТОМОГРАФИИ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ МИКРОЭЛЕКТРОНИКИ И МЕДИЦИНЫ
Смирнов А.Г., Рыжевич А.А., Ясинский В.М., Лепченков К.В.
Институт физики НАН Беларуси
Минск, Республика Беларусь
Первые патенты по методу оптической коге-
рентной томографии (ОКТ) были поданы в 1995 -
1997 годах. С тех пор в мире зарегистрированы
более 1000 патентов и заявок. Пик подачи патен-
тов зафиксирован в 2012 - 2013 годах, в послед-
ние годы число заявок снизилось вдвое, но оста-
ется достаточно высоким, что говорит об акту-
альности данного научно-технического
направления.
В рамках задания 1.14 ″Разработать и изгото-
вить установку оптической когерентной томо-
графии для исследований в области микроэлек-
троники и медицины (ОКТЭМ)″ подпрограммы
″Приборы для науки″ Государственной научно-
технической программы ″Эталоны и научные
приборы″ в 2014-2015 годах в Институте физики
НАН Беларуси была разработана и создана уста-
новка ОКТЭМ. Разработчикам удалось продви-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
128
нуться сразу по нескольким направлениям разви-
тия ОКТ: улучшение пространственного разре-
шения при одновременном увеличении объема
сканирования (на основе использования новых
широкополосных источников света, адаптивной
оптики); повышение чувствительности и быст-
родействия (чувствительные детекторы, быстро-
действующая электроника), миниатюризация,
мобильность и гибкость ОКТ зондов; расшире-
ние контрастно - селективных возможностей
ОКТ с целью распознавания типа неоднородно-
стей или типа тканей по морфологии и функцио-
нальным свойствам, в том числе с использова-
нием гибридных оптоакустических, поляризаци-
онно-чувствительных и спектроскопических
технологий. Последняя задача была выбрана в
качестве приоритетной для проекта ОКТЭМ,
поскольку предполагалось, что информативность
метода, контраст и селективность изображений
могут быть улучшены путем значительного рас-
ширения спектрального диапазона (от 700 до
1400 нм), а также добавлением поляризацион-
ного контраста. Традиционно системы ОКТ оп-
тимизируются для двух спектральных диапазо-
нов, вблизи длины волны 800 нм (офтальмоло-
гия, кардиология) и 1300 нм (дерматология,
промышленные применения) со спектральной
шириной до 160 нм. Системы с рабочим диапа-
зоном от 700 до 1400 нм, как показал анализ
патентов, литературы и коммерческих продук-
тов, еще не создавались.
Типичный ОКТ сигнал позволяет дифферен-
цировать ткани по пространственному распреде-
лению и структуре неоднородностей. Однако
этого зачастую недостаточно для определения
функционального состояния и распознавания
типа биологических тканей. Для большей селек-
тивности ОКТЭМ и повышения контраста разра-
ботанная система была дополнена спектроскопи-
ческим сравнительным абсорбционным анали-
зом, который даст возможность определять
степень поражения тканей, их насыщение кро-
вью и кислородом, и обеспечит более полную
информацию для понимания биологических
процессов. Анализ изменения поляризационных
свойств рассеянного излучения, в том числе,
деполяризации, может использоваться в качестве
дополнительного контрастного механизма, на-
пример, для обнаружения дислокаций и микро-
дефектов и связанных с ними механических на-
пряжений в полупроводниковых пластинах.
Широкий круг планируемых для установки
задач определил ее модульность. Установка
ОКТЭМ реализована в виде набора активных и
пассивных аппаратных модулей, что позволяет
легко настраивать установку под конкретное
приложение. Компоновка модулей установки
показана на рисунке 1. Модуль управления спек-
тром излучения (1) состоит из: собственно ла-
зерного источника NKT Photonics (1.1); источ-
ника бесперебойного питания, обеспечивающего
энергоснабжение всего оборудования установки
суммарной мощностью 1000 Вт в нормальном
режиме без ограничения времени и в течение не
менее 1 минуты после отключения напряжения в
силовой сети; электронного контроллера (1.3)
для коммутации электронно-оптико-механиче-
ских блоков и модулей установки ОКТЭМ; блока
управления генерируемым спектром (1.4). Ин-
терферометр (2) с подстраиваемой компенсацией
дисперсии состоит из оптических и механиче-
ских деталей, закрепленных винтами на метал-
лической плите толщиной 10 мм и накрытых
кожухом. Модуль контроля входного и выход-
ного состояний поляризации светового пучка
(поляризационный модуль) (3) установлен
внутри модуля проекционной оптики (оптиче-
ской головки) (4). В состав оптической головки
(4) входят объектив головки, сканирующая сис-
тема, микроскоп, образованный объективом (4.1)
и линзой, CCD - камера для визуального наблю-
дения увеличенного изображения поверхности
образца и формирования изображения внутрен-
них слоев образца, система подсветки образца,
трансляционная платформа (4.6), обеспечиваю-
щая точную подводку фокусной плоскости объ-
ектива (4.1) к поверхности исследуемого объ-
екта, с шаговым двигателем (4.7).
Рисунок 1 – Состав установки ОКТЭМ
(пронумерованные позиции описаны в тексте)
Модуль регистрации оптических сигналов (5)
состоит из спектрометра на диапазон 650 - 650
нм и спектрометра (5.3) на диапазон 950 - 1400
нм. На виброустойчивой платформе (6), выпол-
ненной в виде вертикально ориентированной
стойки, неподвижно закреплены блоки (1), (2),
(5) и персональный компьютер (7), состоящий из
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
129
системного блока (7.1), монитора (7.2), а также
клавиатуры (7.3) и мыши (7.4). Оптическая го-
ловка (4) адаптером (8.3) крепится на отдельный
стол (8) с жестким металлическим каркасом, с
возможностью грубого ручного вертикального
перемещения оптической головки посредством
перестраиваемой по высоте опоры (8.1) с целью
предварительной подстройки наблюдаемой по-
верхности объекта под фокусное расстояние
объектива головки (4.1). На горизонтальной по-
верхности стола (8) установлен 2D транслятор
(8.2) на базе моторизованных актуаторов, управ-
ляемых через контроллеры персональным ком-
пьютером (7).
Согласно протоколу приемочных испытаний
установка ОКТЭМ имеет следующие характери-
стики. Рабочий спектральный диапазон от 700 до
1400 нм разбит на два спектральных поддиапа-
зона (от 700 до 950 нм и от 950 до 1400 нм) с
возможностью переключения между ними. По-
перечное разрешение в воздухе по критерию
Рэлея не хуже 10 мкм в спектральном интервале
700-900 нм и не хуже 12 мкм в спектральном
интервале 900-1400 нм. Продольное разрешение
в воздухе по критерию Рэлея не хуже 6 мкм в
спектральном интервале 700-900 нм и не хуже
15 мкм в спектральном интервале 900–1400 нм.
Область сканирования не менее
10мм х 10 мм х 6 мм разбивается на зоны разме-
ром не менее 2 мм х 2 мм х 1,5 мм с возможно-
стью переключения между ними. Время про-
дольного сканирования, А-сканирования, (попе-
речного сканирования, В-сканирования) не более
0,1(50) мс при фиксированном положении фо-
куса и глубине (длине) сканирования не более
1 (10) мм. Максимальная глубина проникновения
излучения в толщу материала, скорость сканиро-
вания, а также контраст изображения зависит от
исследуемого объекта. При необходимости
повышения контраста изображения объекта, а
также увеличения размеров сканируемой области
время продольного (поперечного) сканирования
увеличивается. Габаритные размеры приборной
части платформы установки в виде
виброустойчивой стойки не превышают
1000 x 1000 x 2100 мм; габаритные размеры
выносной части платформы в виде столика с
оптической головкой составляют не более
1000 x 1000 x 1800 мм.
Созданная установка ОКТЭМ по своим тех-
ническим характеристикам и функциональным
возможностям соответствует современному ми-
ровому научно-техническому уровню. В отличие
от имеющихся аналогов установка охватывает
спектральный поддиапазон 750-1400 нм и полно-
стью перекрывает окно прозрачности биологиче-
ских тканей в ИК диапазоне, что позволяет ис-
пользовать установку для научных исследований
в медицине в таких областях, как офтальмология,
дерматология и кардиология. Широкий спек-
тральный диапазон и высокое пространственное
разрешение позволяют подобрать оптимальный
режим для получения высокого контраста на
конкретном исследуемом объекте, а также про-
водить селективную диагностику патогенных
тканей не только по их морфологии, но и по
спектрально-поляризационным характеристикам,
что в перспективе позволит создать эффективные
методики диагностики различных заболеваний.
Высокое пространственное разрешение, высокая
скорость сканирования и бесконтактный харак-
тер метода делают возможным также использо-
вать установку для контроля качества изделий из
полупроводниковых и диэлектрических материа-
лов в микроэлектронике и контроля технологи-
ческих процессов их изготовления.
УДК 621.3.029.64
БЕСПРОВОДНОЙ ДАТЧИК НА БАЗЕ МОДУЛЯ ESP8266
Соломатина О.А., Павловский А.М., Лакоза С.Л.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»
Киев, Украина
На сегодняшний день активно развиваются
беспроводные технологии передачи данных.
Это предопределяется удобством их использо-
вания, низкой стоимостью и приемлемой пропу-
скной способностью. Исходя из динамики раз-
вития современных электронных устройств,
можно сделать вывод о том, что по количеству и
распространению, беспроводные технологии в
ближайшее время полностью заменят провод-
ные в сферах коммутации и передачи данных
между устройствами общего пользования.
В последние годы, лидирующие позиции
среди беспроводной передачи данных заняли
устройства, работающие по стандартам IEEE
802.11 (Wi-Fi) и IEEE 802.15.1 (Bluetooth) [1,2].
Это связано с появлением на рынке большого
количества доступных модулей беспроводной
передачи данных и микроконтроллеров. Еще
одной причиной является популяризация кон-
цепции IoT (Интернета вещей). В рамках данной
концепции, бытовые приборы подключаются к
единой домашней сети, которая предоставляет
возможность удаленного управления каждым
устройством, а также, такой подход значительно
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
130
повышает уровень безопасности. Такие системы
широко распространены в системах “умного
дома”.
С распространением концепции IoT, появи-
лось понятие беспроводных датчиков, которые
являются неотъемлемой составляющей домаш-
ней сети или сети умного дома. Беспроводные
датчики – это устройства, объединяющие в еди-
ном корпусе первичный преобразователь и мо-
дуль передачи данных. Эти устройства целесо-
образны как с экономической точки зрения, так
и с технической. Отсутствие проводов позво-
ляет уменьшить габаритные размеры устройств
за счет удаленного размещения обрабатываю-
щих элементов, упрощается установка на под-
вижных объектах, в системах, где проводная
передача тяжело реализовывается, или вообще
невозможна. Отсутствие громоздких коммуни-
кационных разъемов, кроме уменьшения массо-
габаритных характеристик, повышает надеж-
ность и долговечность приборов и информаци-
онных систем в целом.
Применение беспроводных датчиков акту-
ально для удаленного контроля и мониторинга
данных, так как возможна организация мобиль-
ного доступа к информации через Интернет или
иные программные продукты в режиме реаль-
ного времени.
На сегодняшний день наиболее распростра-
ненным модулем Wi-Fi технологии является
модуль ESP8266 фирмы Espressif - это мощное и
недорогое устройство, которое поддерживает
полноценную работу в сети Wi-Fi. Модуль под-
держивает разные режимы эксплуатации (пере-
датчик или точка доступа), кроме того, в зави-
симости от сферы применения, модуль выпус-
кается в различных модификациях (мощность
антенны, количество портов ввода/вывода и
др.), что значительно упрощает и расширяет
сферы его применения.
Как было замечено ранее, стандартная схема
беспроводного датчика представляет собой под-
ключение, или объединение на одной плате,
чувствительного элемента, управляющего мик-
роконтроллера (МК) и модуля беспроводной
связи. В модуле ESP8266 управляющий МК и
модуль приема/передачи объединены на одной
печатной плате, а в некоторых модификациях, в
едином металлическом корпусе, который также
выполняет функции радиатора (рисунок 1).
Рисунок 1 – Модуль ESP8266
Такая схема значительно упрощает общую
конструкцию самого беспроводного датчика.
ESP8266 управляется 32 битным МК Xtensa
LX106 с тактовой частотой 80 МHz. Для под-
ключения чувствительных элементов, модуль
имеет (в зависимости от модификаций) до 16
портов ввода/вывода с наиболее распространен-
ными интерфейсами: SPI, I2C, I2S, UART, 10-bit
АЦП. Это позволяет без дополнительных согла-
сующих устройств подключить большинство
современных датчиков. Также, необходимо от-
метить, что модуль ESP8266 может управляться
и от внешнего МК, таким образом, давая воз-
можность модификации беспроводных датчиков
построенных по стандартной схеме.
Для подтверждения эффективности исполь-
зования модуля ESP8266 в концепции IoT и
беспроводных датчиках был разработан макет-
ный образец, функциональная схема которого
представлена на рис.2.
На вход интегрального стабилизатора 2 по-
дается напряжение +5В от блока питания 1. Не-
обходимые напряжения для питания электрон-
ных компонентов подаются на Wi-Fi-модуль
ESP8266 (блоки 3, 4 и 5), микроконтроллер
ATmega328 (блоки 6, 7 и 8), чувствительный
элемент (ЧЭ) акселерометр GY-61 ADXL335
(блок 9). МК 3 ESP8266 создает точку доступа,
и после подключения клиента 11 и получения
запроса, посылает запрос через последователь-
ный интерфейс 5 к МК 6 ATmega328. После
получения запроса, МК 6 ATmega328 считывает
значение с ЧЭ 9. Сигнал от ЧЭ принимается
АЦП 7 и обрабатывается МК 6, после переда-
ется через последовательный интерфейс 8 на
приемное устройство 5 модуля ESP8266. Полу-
ченные данные, готовятся к передаче на МК
ESP8266 3 и передаются передатчиком 4. Пере-
данные данные принимаются Wi-Fi модулем 10
принимающего устройства-клиента 11. После
подключения клиент 11 получает javascript-при-
ложение, которое регулярно опрашивает модуль
и отображает данные в реальном времени.
При разработке программного обеспечения
использовалось Arduino IDE, что существенно
ускоряет и упрощает процесс настройки макета
[3].
После сборки и отладки макетного образца,
были проведены экспериментальные исследова-
ния, которые подтвердили стабильность канала
обмена данными и отсутствие потери пакетов.
Было установлено, что эффективное расстояние
передачи находится в пределах 15-20 м (при
одной несущей железобетонной стене), что дос-
таточно для реализации домашних сетей. Также,
были произведены модификации макета, что
позволило отказаться от управляющего МК
ATmega328 и передавать данные от ЧЭ непо-
средственно на МК ESP8266 (блок 3). Это в
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
131
свою очередь позволило уменьшить стоимость
датчика более чем в 2 раза по сравнению с пер-
воначальной конструкцией и в 2-4 раза по срав-
нению с существующими аналогами [1].
Таким образом, была показана возможность
и эффективность создания беспроводных датчи-
ков с использованием модуля беспроводной
передачи данных ESP8266 для применения в
домашних сетях в пределах концепции IoT.
Такой подход делает возможным реализа-
цию систем умного дома не прибегая к исполь-
зованию специализированного оборудования,
что в конечном счете, приводит к повышению
уровня безопасности.
Рисунок 2 – Функциональная схема беспроводного датчика на базе модуля ESP8266
1. Обзор современных технологий бес-
проводной передачи данных в частотных
диапазонах ISM (Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi)
и 434/868 МГц [Электронный ресурс] –
Режим доступа: http://www.wireless-
e.ru/articles/technologies/2011_4_6.php
2. Фрайден Дж. Современные датчики
[Справочник] / Дж. Фрайден. – Москва:
Техносфера, 2005. – 592 с..
3. Arduino IDE for ESP8266 [Электронный
ресурс] – Режим доступа:
http://www.devacron.com/arduino-ide-for-
esp8266
УДК 621.382
СПЕКТРОСКОПИЯ НЕЛИНЕЙНОСТЕЙ ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК
В ДИАГНОСТИКЕ КАЧЕСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Сопряков В.И., Полхутенко С.А.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Контроль статической вольтамперной харак-
теристики (ВАХ) полупроводниковых нелиней-
ных элементов и ее параметров является распро-
страненной формой операционного контроля и
контроля готовой продукции, так как он является
неразрушающим и может быть реализован про-
стыми методами и средствами. На ВАХ полу-
проводниковых приборов оказывают влияние
химические дефекты, неоднородности распреде-
ления электрофизических параметров материала,
микро- и макродефекты структуры, состояние
поверхности и качество контактов. Эти факторы
определяют надежность прибора, однако их
влияние на ВАХ может быть незначительным и
не может быть обнаружено по ее виду.
Измерение и запись кривой второй производ-
ной ВАХ I"(U) позволяет решить задачу разре-
шения ее тонкой структуры и определения фак-
торов, влияющих на надежность. В зависимости
от типа прибора и ветви ВАХ, в которой прово-
дится контроль, получаемая информация может
носить как качественный, так и количественный
характер.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
132
Известно, что амплитуда второй гармоники
(U2) переменного тока низкой частоты в режиме
малого сигнала в цепи нелинейного элемента
пропорциональна I"(U). Для измерения I"(U)
разработана установка модуляционного диффе-
ренцирования ВАХ, в которой реализован метод
детектирования гармоник. Установка позволяет
измерять и записывать на двухкоординатный
потенциометр ВАХ и ее вторую производную в
диапазонах 0…2,0 В и 0…1000 В. Чувствитель-
ность в режиме измерения второй гармоники
составляет 1 мкВ при отношении сигнал-шум,
равном трем.
Измерительная схема представляет последо-
вательное соединение исследуемого диода и ма-
лого измерительного сопротивления. При изме-
рении I"(U) в измерительную схему подается
постоянное напряжение, промодулированное
малым переменным напряжением с частотой 300
Гц. Амплитуда модуляции и величина измери-
тельного сопротивления регулируются с целью
достижения оптимального разрешения и помехо-
устойчивости. Сигнал с измерительного сопро-
тивления подается на режекторный фильтр, се-
лективный усилитель, настроенный на частоту
второй гармоники и синхронный детектор.
Для силовых диодов большой площади каче-
ство кремния имеет определяющее значение, так
как при высоких обратных смещениях p-n пере-
хода может возникать неоднородное распределе-
ние тока и температуры по площади и неустой-
чивость его протекания. Информацию о неодно-
родности распределения тока по площади несет
структура ВАХ перед участком лавинного элек-
трического пробоя. Ток при этом протекает в
местах скопления дислокаций, включенный вто-
рой фазы, неоднородностей удельного сопротив-
ления.
Значения напряжений возрастания I"(U) со-
ответствуют началу линейных участков ВАХ,
связанных с отдельными микроплазмами. На
рисунке 1 показаны I"(U) в предпробойной об-
ласти потенциально ненадежного силового
диода. Такая техника может быть использована и
для контроля стабилитронов.
Рисунок 1
Особенности структуры ВАХ, в частности
наличие линейных участков, можно описать в
рамках модели суперпозиции малых максимумов
тока It и фоновой компоненты ВАХ (штриховая
линия на рисунке 2). В сильно легированных p-n
переходах с концентрацией мелких примесей
1019…1021 см-3 эти максимумы связаны с избы-
точным туннельным током, протекающим через
глубокие уровни дефектов.
Рисунок 2
Принимая максимум избыточного тока в виде
нормального распределения, получена формула
для обработки экспериментальных кривых I"(U)
,)R/4(115,0 222 UUUI пtmtm ∆= и
где Itm – значение избыточного тока в макси-
муме, U2tm – разность между значениями фоно-
вой и сигнальной кривых U2 = f(U), Uп – ампли-
туда напряжения переменного тока на образце,
Rи – значение измерительного сопротивления.
Предельное разрешение максимума избыточного
тока составляет 0,003…0,01 от значения фоно-
вого тока.
Энергетическое положение глубокого уровня
однозначно связано с напряжением минимума на
кривой I"(U), а его концентрация пропорцио-
нальна значению Itm. На рисунке 3 приведен
пример разрешения структуры ВАХ методом
двойного дифференцирования.
Рисунок 3 – ВАХ и I"(U) диода на основе сильно
легированного GaAs при Т = 77 К
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
133
Рисунок 4 – Вторые производные ВАХ
кремниевого диода с концентрацией мелкой примеси
1017 см-3 и глубокой примесью золота (Т = 77 К)
Нелинейности ВАХ p–n-переходов с
концентрацией мелких примесей 1016…1018 см-3 и
менее могут отражать наличие глубоких
примесей (рисунок 4), либо особенности
технологии, вносящей высокие концентрации
структурных дефектов, например ионной
имплантации, которая для бракованных
элементов дает картину, сходную с рисунком 4.
УДК 681.723.078, 681.775.078, 681.777.078
МЕТОД СНИЖЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ШУМОВ ФОНОВОГО СИГНАЛА ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ
КООРДИНАТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ЦЕНТРА ТЯЖЕСТИ ИЗОБРАЖЕНИЯ В ОЭП
Старосотников Н.О., Фёдорцев Р.В.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
В связи с совершенствованием технологии
создания фотоприёмников, в схемах работы
оптико-электронных приборов (ОЭП), таких как
цифровые автоколлиматоры [1], микроскопы,
системы астроориентации [2], пеленгаторы [3],
фотоприёмник выступает не только в виде
регистрирующего устройства, но и в качестве
отсчётного, поскольку его элементы – пиксели –
имеют высокую точность пространственной
периодичности. Таким образом, точность работы
данных ОЭП зависит от точности определения
координат энергетического центра тяжести
изображения, формируемого на фотоприёмнике
ОЭП [4]. Одним из факторов, оказывающим
существенное влияние на выходные параметры
системы, являются шумы электронного тракта
ОЭП.
Для ПЗС матриц работающих в видимом
спектральном диапазоне на точность
регистрации измерительного сигнала
значительное влияние (по уровню значимости),
оказывают: дробовый шум темнового тока, шум
считывания, фотонный (дробовый) шум. В
КМОП матрицах дополнительно присутствует
геометрический шум. Носители заряда в
фотоприёмнике могут иметь свободную
генерацию и в отсутствие внешней засветки.
Поэтому различают две составляющие дробового
шума: шум, создаваемый фотогенерированными
зарядами (фотонный), и шум темнового сигнала
[5].
Часто на фотоприёмник поступает не только
основной измерительный сигнал, но и фоновый,
который в свою очередь приводит к появлению
дополнительных шумов, которые способствуют
увеличению погрешности определения
координат энергетического центра тяжести
измерительного сигнала.
Для экспериментального определения
степени влияния шумов электронного тракта на
точность определения координат
энергетического центра тяжести изображения
тест-объекта, использовались две модели
цифровых видеокамер:
– CV-M2CL, JAI, в качестве фотоприёмника
используется ПЗС матрица Kodak KAI-2020;
– Genie HM1400 XDR CR-GM01-H1400, в
качестве фотоприёмника используется Teledyne
DALSA КМОП матрица.
Схема эксперимента заключалась в
проецировании круглого тест-объекта,
подсвечиваемого осветителем со светодиодом
LXML-PL01-0030, на фотоприёмник. Величина
сигнала в изображении тест-объекта была такой,
что генерировала 70% электронов от величины
потенциальной ямы в пикселе фотоприёмника.
За счёт случайных составляющих, в основном
шумов фотоприёмника и электронного тракта,
изображение тест-объекта на фотоприёмнике не
было статичным. Влияние температурного
дрейфа пикселей фотоприёмника сводилось к
минимуму за счёт его термостабилизации
(предварительный прогрев в течение 1,5 – 2
часов), которая позволила на 13,5135 пикселя
уменьшить полученные значения; а во время
съёмки – за счёт введения калибровочного
коэффициента, в значения координат
энергетического центра тяжести изображения
тест-объекта.
Съёмка проводилась с кадровой частотой 0,83
кадров/секунду (100 снимков в течение 2 минут).
Кадры снимались через равные промежутки вре-
мени. По каждому кадру определялись
координаты энергетического центра тяжести
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
134
изображения тест-объекта (Cx и Cy) в долях
пикселя по формуле [6]
,
1 1
,
1 1
N M
n m
n m
N M
n m
n m
I n
Cx
I
= =
= =
⋅
=
∑∑
∑∑
,
,
1 1
,
1 1
N M
n m
n m
N M
n m
n m
I m
Cy
I
= =
= =
⋅
=
∑∑
∑∑
,
где ,n mI – величина сигнала в пикселе ,n m ;
,N M – число столбцов и строк фрагмента
фотоприёмника яркостей принятого для расчёта
(на 10 пикселей больше размера изображения
тест-объекта с каждой стороны); ,n m –
порядковые номера пикселей по столбцам и
строкам фотоприёмника.
С помощью данной формулы для
определения координат энергетического центра
тяжести производится непосредственно оценка
координат изображения тест-объекта, а также
осуществляется интерполяция результатов
измерений дискретной матричной структурой
фотоприёмника на внутренние точки интервалов
дискретизации. При этом погрешность
определения координат энергетического центра
тяжести изображения тест-объекта будет
меньше, чем интервал дискретизации
фотоприёмника, то есть оценка производится на
субпиксельном уровне. Определялось
относительное смещение координат
энергетического центра тяжести изображения
тест-объекта на фотоприёмнике.
Рисунок 1 – Профиль сигнала E в части n строки фотоприёмника с частью изображения тест-объекта
Среднеквадратическое отклонение (СКО) ко-
ординаты энергетического центра тяжести изо-
бражения тест-объекта серии кадров составило
для:
– CV-M2CL, JAI – 0,0375 пикселя;
– Genie HM1400 XDR CR-GM01-H1400 –
0,0373 пикселя.
Полученные результаты являются практиче-
ски идентичными для двух цифровых видеока-
мер.
Рассмотрим суть способа на примере профиля
E в части n строки фотоприёмника с частью изо-
бражения тест-объекта, представленного на ри-
сунке 1. Метод заключается в фильтрации за-
шумлённого фонового сигнала: сигнал меньше
определённого значения, принимается равным
величине порога шумов. Величина порога шумов
определяется таким образом, чтобы отфильтро-
вать все значения зашумлённого фонового сиг-
нала в области расчёта. Таким образом, фильтру-
ется не только зашумлённый фоновый сигнал, но
и края изображения тест-объекта, что ведёт к
несущественному снижению точности определе-
ния координат энергетического центра тяжести
тест-объекта для оптимального отношения сиг-
нал/шум более 9. При низком отношении сиг-
нал/шум менее 9 необходимо при расчётах энер-
гетического центра тяжести использовать значе-
ния интенсивности в квадрате, что приводит к
уменьшению фильтрации краёв изображения
тест-объекта. Оптимальное отношение сиг-
нал/шум установлено экспериментально.
Применив способ уменьшения влияния шу-
мов фонового сигнала, заключающийся во вве-
дении величины порога шумов, значения ниже
которого принимаются нулевыми, были полу-
чены следующие СКО серии кадров:
– CV-M2CL, JAI – 0,0106 пикселя;
– Genie HM1400 XDR CR-GM01-H1400 –
0,0037 пикселя.
Таким образом, для цифровой камеры CV-
M2CL, JAI улучшение составило ~ 3 раза, а для
цифровой камеры Genie HM1400 XDR CR-
GM01-H1400 – ~ 1 порядок.
1. Старосотников Н.О., Фёдорцев Р.В. Высоко-
точный цифровой автоколлиматор для изме-
рения малых углов. 7-я международная сту-
денческая научно-техническая конференция
«Новые направления развития приборострое-
ния». Минск, Изд-во «Техническая литера-
тура» БНТУ, 2014. – С. 244.
2. Аванесов Г.А., Кондратьева Т.В., Никитин
А.В. Исследование смещения энергетиче-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
135
ского центра изображений звёзд относи-
тельно геометрического центра на ПЗС мат-
рице и коррекция методической ошибки. //
Всероссийская научно–техническая конфе-
ренция «Современные проблемы определения
ориентации и навигации космических аппара-
тов». Таруса, 22-25 сентября 2008. Сборник
трудов. ИКИ РАН, 2009. – С. 421-446.
3. Савинков В.В. Исследование и разработка
алгоритмов обработки сигналов в оптико-
электронных пеленгаторах: автореферат дис.
кандидата технических наук: 05.11.07 / Са-
винков В. В.; [Место защиты: Моск. гос. техн.
ун-т им. Н.Э. Баумана] Москва, 2007. – 16 c.
4. Старосотников Н.О., Фёдорцев Р.В. Оценка
точности определения координат энергетиче-
ского центра тяжести тест-объекта коллима-
тора в схемах контроля оптико-электронных
приборов с матричными фотоприёмниками.
Наука и техника. 2015, №5. С. 71-76.
5. Ляшко О.М. Проектирование оптико-
электронных приборов наблюдения: учебно-
методическое пособие / О.М. Ляшко. –
Минск: БНТУ, 2009. – 77 с.
6. Методы компьютерной обработки изображе-
ний / Под ред. В.А. Сойфера. – 2-е изд., испр.
– М.: Физмалит, 2003. – 784 с.
УДК 621.373.8:375
ОПТИМИЗАЦИЯ ВХОДНЫХ И ВЫХОДНЫХ ПАРАМЕТРОВ АДАПТИВНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ
СИСТЕМЫ ТЕЛЕСКОПА
Стасилович В.А., Фёдорцев Р.В.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
В идеальном случае (при отсутствии атмо-
сферных искажений) телескоп с объективом
диаметром в 1 м дает угловое разрешение около
0,1′, а с объективом в 5 м дает разрешение в
0,02′. Однако влияние оптических неоднородно-
стей атмосферы Земли таких как: рефракция,
турбулентность, поглощающие излучение газы и
аэрозоли существенно снижают эти показатели.
В результате на фотографиях, полученных теле-
скопами, угловой размер мельчайших деталей
составляет 2–3′; на лучших обсерваториях он
изредка составляет 0,5′.
Пассивный метод борьбы с атмосферными
искажениями заключается в том, что обсервато-
рии строят на вершинах гор, обычно на высоте
2–3 км, выбирая при этом места с наиболее про-
зрачной и спокойной атмосферой.
Тем не менее, наиболее эффективным счита-
ется применение адаптивных оптических систем
способствующих выравниванию волнового
фронта путём введения в конструкцию телеско-
пов управляемых оптических элементов, обеспе-
чивающих уменьшение влияния нерегулярных
искажений и неоднородностей атмосферы за счёт
постоянной коррекции входного сигнала по сис-
теме обратной связи.
Адаптивные оптические системы предназ-на-
чены для решения двух основных задач:
• повышения предела разрешающей спосо-
бности наблюдательных приборов;
• концентрации оптического излучения на
приёмнике или мишени.
Среди существующих адаптивных оптиче-
ских компонентов линейной фазовой коррекции
волнового фронта различают:
• активные системы первого и второго по-
рядка, построенные на базе гибких сплошных
деформируемых зеркал или составных зеркал с
когерентной апертурой;
• управляемые фазовые транспаранты.
Форму зеркала корректируют различными
методами: посредством пресса, при помощи
электростатического поля или изменением рас-
положения частей сегментного зеркала при по-
мощи пъезоэлементов. В каждом из случаев при-
сутствует система обратной связи, которая иг-
рает важнейшую роль в определении наклона
пучка. В качестве системы обратной связи ис-
пользуют датчик интерференционного типа и
типа Шака-Гартмана, а также их модификации.
Действие интерференционных датчиков ос-
новано на когерентном сложении двух световых
волн и формировании интерференционной кар-
тины с зависящей от измеряемого волнового
фронта интенсивностью. При этом, в качестве
второй (опорной) световой волны может исполь-
зоваться волна, полученная из исследуемого из-
лучения путём пространственной фильтрации.
Датчик типа Шэка-Гартмана состоит из мат-
рицы микролинз и расположенного в их
фокальной плоскости фотоприёмника [1]. Каж-
дая линза обычно имеет размеры от 1 мм и
меньше (рисунок 1). Линзы датчика разделяют
исследуемый волновой фронт на субапертуры
(апертура одной микролинзы), формируя в фо-
кальной плоскости совокупность фокальных
пятен. Положение каждого из пятен зависит от
локального наклона волнового фронта пучка,
пришедшего на вход датчика. Измеряя попереч-
ные смещения фокальных пятен, можно вычис-
лить средние углы наклонов волнового фронта в
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
136
пределах каждой из субапертур. По этим вели-
чинам вычисляется профиль волнового фронта
на всей апертуре датчика.
Системы адаптивной оптики на основе
деформируемых зеркал применяются в
оптических и инфракрасных телескопах
наземного базирования для динамической
коррекции атмосферных искажений (рисунок 2).
В частности, широко известна RTAC (Real-Time
Atmospheric Compensation) Дж. Харди,
разработанная компанией Jtek (США) и
установленная в Kennedy Space Center [2].
Рисунок 1 – Общая схема датчика волнового
фронта типа Шака-Гартмана
Униморфные (полупассивный-биморф) зер-
кала представляют собой тонкие пластины, изго-
товленные из пьезоэлектрического материала, на
которой особым образом расположены
электроды. Пластина присоединена к подложке,
на передней поверхности которой сформирована
оптическая поверхность. При приложении
напряжения к электродам пьезоэлектрическая
пластина сжимается (или расширяется), что при-
водит к изгибу оптической поверхности зеркала.
Особое пространственное расположение элек-
тродов позволяет формировать сложные рельефы
поверхности.
Рисунок 2 – Схема телескопа с применением
адаптивной оптической системы
Скорость управления формой адаптивного
зеркала позволяет использовать его для компен-
сации динамических аберраций в режиме
реального времени.
Высокая стоимость коммерческой реализации
рассмотренных выше адаптивных оптических
систем ограничивает область их практического
применения, на данный момент они использу-
ются преимущественно в больших профессио-
нальных телескопах с диаметрами зеркал от 6 м.
В полупрофессиональных и любительских теле-
скопах с диаметрами зеркал от 80 до 500 мм кор-
рекция волнового фронта не предусматривается.
Естественно, используя такой телескоп, количе-
ство наблюдаемых объектов, а также качество
получаемых изображений значительно ниже, чем
в обсерваториях. Перспективным является на-
правление применения адаптивных оптических
систем в малогабаритных переносных любитель-
ских телескопах.
В конце 1960-х годов на основе эмпириче-
ских исследований в работах Колчинского, Та-
тарского, Фрида были сформулированы атмо-
сферные ограничения астрономических системы.
Результаты были получены для модели Колмо-
горова-Обухова спектра флуктуаций показателя
преломления [3]:
Φ𝑛(𝜒, ℎ) = 0.033𝐶𝑛2(ℎ)𝜒−113 , 1𝐿0 ≪ 𝜒 ≪ 1𝑙0,
где 𝐶𝑛
2(ℎ) – структурный параметр показателя
преломления атмосферы, h – текущая высота на
подстилающей поверхностью в атмосфере, 𝜒 –
волновое число для турбулентных неоднородно-
стей, 𝐿0, 𝑙0 – внешний и внутренний параметр
для турбулентности.
На основе решения задачи распространения
оптических волн в случайно-неоднородных сре-
дах показано. Что структурная функция фазы на
расстоянии ρ подчиняется закону “5/3”:
𝐷𝑠(𝜌) = 2,91𝑘2 � 𝑑ℎ𝐶𝑛2(ℎ)𝜌53∞
0
,
где 𝑘 = 2𝜋
𝜆
, λ – длина волны излучения.
Исходя из приведенного выражения, стано-
вится очевидным, что при наблюдении в зенит на
длине волны около 500 нм радиус когерентности
составляет всего 100 мм.
Но, если учесть тот факт, что наблюдения
производятся чаще всего не в зените, а при неко-
тором наклоне оси визирования, получается, что
световой поток преодолевает большее расстоя-
ние. И при наблюдении по углом 20 градусов к
горизонту световой поток преодолевает более 10
км плотных слоёв атмосферы и более 270 км
слоёв, влияющих на наблюдения. Следовательно,
при наблюдении наклонного пучка атмосферные
явления имеют ещё больший вес и радиус коге-
рентности светового потока значительно умень-
шается.
Эмпирические данные показывают, что, рас-
согласованность когерентности уже оказывает
существенное влияние для случая, когда радиус
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
137
зеркала составляет всего 0,01 от радиуса коге-
рентности [4]. Следовательно, даже при исполь-
зовании телескопов с небольшими диаметрами
зеркал – любительских телескопов, атмосферные
явления вносят существенный отпечаток в фор-
мирование изображения. Как следствие приме-
нение адаптивных оптических систем позволило
бы существенно улучшить качество получаемого
изображения.
1. Hardy, J.W., Lefebvre, J.E., Koliopoulos, C.L.
Real-time atmospheric compensation. Optical
Society of America, Journal, vol. 67, Mar. 1977,
PP. 360-369.
2. Полещук А.Г., Седухин А.Г., Трунов В.И.,
Максимов В.Г. Датчик Гартмана на основе
многоэлементных амплитудных масок с апо-
дизированными апертурами. Журнал «Ком-
пьютерная оптика» Вып. №4. Том 38. 2014.
С.695–703.
3. А. Вирт, Т. Гонсировский. Адаптивная оп-
тика: Согласование атмосферной турбулент-
ности. Журнал «Фотоника». Вып. №6, 2007. –
С.10-15.
4. В.П. Лукин, Адаптивное формирование опти-
ческих изображений в атмосфере. Конферен-
ции и Симпозиумы. Новосибирск, УФН.
Т.176, №9. – 2006. – С.1000 – 1006.
УДК 620.179:534.6 (043.3)
СИСТЕМА ИМПУЛЬСНОГО ИМПЕДАНСНОГО КОНТРОЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Суслов Е.Ф.
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»
Киев, Украина
Современную аэрокосмическую отрасль не-
возможно представить без композиционных ма-
териалов (КМ). На сегодняшний день композиты
широко используются в конструкциях самолетов
и вертолетов, как военного, так и гражданского
назначения. КМ широко применяются в таких
высоконагруженных элементах как: крыло, гори-
зонтальное и вертикальное хвостовое оперение,
поверхности управления (рули высоты, направ-
ления, элероны, закрылки), интерцепторы, хво-
стовые балки, элементы несущего и рулевого
винтов, люки, шасси и т.д.
Технологический процесс производства ком-
позиционных элементов конструкции чувствите-
лен к ошибкам, которые в свою очередь, ведут к
появлению дефектов и неоднородностей струк-
туры готового изделия. Часто дефекты материала
вызывают изменения физико-механических ха-
рактеристик изделия в целом и уменьшают его
прочностные показатели ниже предельно допус-
тимых уровней.
Для неразрушающего контроля композитов
используется большое количество методов, од-
нако, на практике предпочтение отдается тем,
которые являются наиболее простыми в реализа-
ции. Таковым является акустический импеданс-
ный метод. Данный метод использует влияние
дефекта на смену механического импеданса сис-
темы объект контроля – первичный преобразова-
тель. Он является одним из основных средств
неразрушающего контроля на территории стран
СНГ и Европы, используется при контроле сэн-
двич-панелей с сотовым заполнителем, много-
слойных конструкций, выполненных из ПКМ,
металлов и других материалов и их сочетаний.
[1]. Импедансный метод внесен в руководств по
технической эксплуатации ряда летательных
аппаратов как базовый для периодического кон-
троля сотовых конструкций на наличие отслое-
ний внешней обшивки от сотового заполнителя.
Дефектоскопы на его основе прошли межведом-
ственные испытания, внесены в ведомственных
реестров авиационных администраций и реко-
мендованы для проведения контроля композит-
ных агрегатов на транспортных и пассажирских
самолетах ИЛ-76, ИЛ-86, ИЛ-96-300, ТУ-204,
ТУ-214, ЯК 42 и АН-124 «Руслан» [2]. На само-
летах Airbus ИМ метод применяется в качестве
дополнительного при контроле элементов на
основе КМ с сотовым заполнителем.
Принцип действия метода основан на изме-
нении механического импеданса зоны взаимо-
действия между преобразователем и объектом
контроля. Эти изменения влияют на амплитуду,
фазу и частоту выходного электрического сиг-
нала первичного преобразователя. Кроме того,
различия физико-механических характеристик
контролируемой зоны, может приводить к изме-
нению формы огибающей информационного
сигнала.
Существует два типа дефектоскопов, реали-
зующих импедансный метод – с непрерывным и
импульсным возбуждением. Приборы с непре-
рывным возбуждением имеют сравнительно вы-
сокую мощность, что усложняет создание их
мобильных версий. Таким образом, наиболее
распространенные дефектоскопы имеют им-
пульсный вид возбуждения. Пиковая амплитуда
сигнала может быть достаточно просто измерена
как в импульсном, так и непрерывном режиме
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
138
возбуждения преобразователя. Задача определе-
ния частоты и фазы сравнительно просто реша-
ется для непрерывного режима работы, но значи-
тельно усложняется для импульсного. Использо-
вание амплитуды сигнала как информативного
параметра распространено в современных импе-
дансных дефектоскопах, однако этот параметр
имеет низкую устойчивость к воздействию слу-
чайной составляющей, источниками которой
могут быть как неоднородность структуры ОК и
фрикционные шумы преобразователя, так и
электромагнитные помехи. Уменьшение влияния
случайной составляющей можно достичь ис-
пользованием интегральных характеристик сиг-
налов.
Применение спектрального анализа к инфор-
мационного сигнала импедансного преобразова-
теля также имеет некоторые ограничения. Ос-
новная проблема заключается в ограничении
разрешения полученного спектра, что обуслов-
лено малой продолжительностью результирую-
щего радиоимпульса преобразователя. Длина
принятого импульса также изменяется в зависи-
мости от материала, из которого выполнен ОК.
Например, для реализации спектральной плотно-
сти сигнала, полученного с помощью распреде-
лительно-совмещенного преобразователя для
образца, который представляет собой сэндвич-
панель толщиной 7 мм с пенопластовым запол-
нителем ПС4-40 и обшивкой на основе стекло-
ткани Э3-125, продолжительность радиоимпуль-
сов составляет примерно 41016 −⋅ с. Это позво-
ляет получить разрешающую способность 640,61
Гц на отсчет. Несмотря на значительную доброт-
ность принимающего пьезоэлемента, полученная
величина может быть недостаточной для оценки
влияния механического импеданса на резонанс-
ную частоту преобразователя. Таким образом,
актуальной является задача создания и внедре-
ния новых методов обработки сигналов, полу-
чаемых от первичных преобразователей дефек-
тоскопов.
В работе предполагается расширить перечень
информативных параметров, которые использу-
ются для принятия диагностических решений, за
счет фазовых характеристик сигнала, а также
характеристик формы, его огибающей. Для ре-
шения этих задач было использовано преобразо-
вание Гильберта (ПГ).
Результатом преобразования Гильберта дей-
ствительного сигнала )(tx , определенного во
временной области, является его Гильберт-образ
)(
~
tx , также определен во временной области.
Сумма исходного и полученного сигналов пред-
ставляет собой так называемый «аналитический»
сигнал )(tz . Принимая за основу )(tz , можно
получить амплитудную огибающую выходного
сигнала )(tA и его «мгновенную» фазу )(tθ как
функции времени. В процессе обработки )(tθ
преобразуется в фазовую характеристику сиг-
нала Ф(t). В работе предлагается использовать
Ф(t) для расчета дополнительных информатив-
ных параметров.
Для оценки влияния дефекта на фазочастот-
ные характеристики информационного сигнала
можно выполнить интегрирование фазовой ха-
рактеристики на выбранном интервале T и ис-
пользовать полученную величину Fa как инфор-
мативный параметр:
∫Φ=
2
1
)(
t
t
dttFa . (1)
Точка 1t может быть принята за нулевой от-
счет реализации фазовой характеристики, в то
время, как 2t может быть выбрана эксперимен-
тально, исходя из обеспечения максимальной
чувствительности при наименьшем количестве
случайных выбросов, вызванных резкими скач-
ками фазы вследствие неэффективной работы
алгоритма развертки на основе выражения (1)
при увеличении уровня шума.
В качестве информативного параметра, ха-
рактеризующего степень отличия фазовых ха-
рактеристик, полученных из дефектной и безде-
фектной областей объекта контроля, предлага-
ется использовать параметр Fb :
[ ]dtttFb
t
t
∫ Φ−Φ=
2
1
)()( 12 . (2)
Расчет данного параметра можно проводить
следующим образом. На первом этапе от безде-
фектной области ОК получаем реализацию ин-
формационного сигнала, для которого рассчиты-
ваем эталонную фазовую характеристику )(1 tΦ .
Далее рассчитываем разницу между )(1 tΦ и
)(2 tΦ той, которую получаем из текущей об-
ласти сканирования. Отличие полученной разно-
стной характеристики будет тем больше, чем
больше отличаются физико-механические харак-
теристики контролируемой зоны.
Для проведения экспериментальных исследо-
ваний был разработан прототип импульсного
импедансного дефектоскопа. Разработанная сис-
тема состоит из стандартного раздельно-совме-
щенного преобразователя РС-1 производства
ООО «Вотум», Москва, РФ, универсального
АЦП Acute 1201 (Acute LTD, Тайвань), генера-
тора возбуждения преобразователя, усилителя и
персонального компьютера. В качестве плат-
формы разработки программного обеспечения
была использована NI LabView. Данный подход
позволил значительно ускорить процесс созда-
ния прототипа.
Использование предложенных информатив-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
139
ных характеристик позволило расширить пере-
чень измеряемых параметров сигнала, по кото-
рым возможно принимать диагностические ре-
шения. Испытания прототипа дефектоскопа
показало, что предложенные параметры позво-
ляют обеспечить более высокий уровень досто-
верности, чем традиционные [3].
1. Ланге Ю.В. Акустические низкочастотные
методы неразрушающего контроля много-
слойных конструкций. – М.: Машиностроение,
1991. – 272 с.
2. Азаров Н.Т., Сырбу В.Н. Контроль клееных
сотовых конструкций самолетов импедансным
дефектоскопом ДАМИ-С. / Н.Т. Азаров,
В.Н. Сырбу // В мире неразрушающего кон-
троля. – 2003. – №3. – С. 16 – 29.
3. Eremenko V. Using Hilbert Transform for
Signal Processing in Mechanical Impedance
Analysis / I. Lysenko, A. Protasov, E. Suslov,
[Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://www.wcndt2016.com/portals/wcndt/bb/P172.
pdf (10.09.2016).
УДК 681.121.4(035)
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СХЕМА ТЕПЛОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ УРОВНЯ ВОДЫ
Ташматов Х.К., Музафаров А.Р.
Ташкентский государственный технический университет
Ташкент, Республика Узбекистан
В данной работе предлагается разработанная
измерительная схема и основные элементы из-
мерительной схемы теплового преобразователя
уровня воды и обосновывается, что тепловые
преобразователи являются одним из перспектив-
ных, благодаря высокой чувствительности, точ-
ности и надежности.
Тепловые преобразователи уровня характери-
зуется наличием следующих основных элемен-
тов: теплопровода (ТП); нагревательного эле-
мента (НЭ); термочувствительного элемента
(ТЧЭ) и измерительной схемы (ИС).
Именно сочетание в конструкциях тепловых
преобразователи уровня различных вариантов
теплопровода, нагревательного элемента, термо-
чувствительного элемента и измерительной
схемы позволяет получить тот или иной принцип
построение. С целью создания различных вари-
антов основных элементов преобразователи
уровня нами были разработаны морфологиче-
ские таблицы основных элементов [1].
На основании анализа принципов построение
тепловых преобразователей уровня можно сде-
лать вывод о возможности разработки различных
конструкций, в которых имеют место различные
сочетания вышеуказанных основных элементов:
ТП, ПЭ, ТУЭ и ИС [2].
Терморезистор постоянно находиться в на-
гретом состоянии, это состояние является рабо-
чим эксплуатационным состоянием терморези-
стора. Температура, до которой разогревается
терморезистор, выбирается и определяется ис-
ходя из температурной характеристики терморе-
зистора [3]. Надежность сигнализатора обеспечи-
вается простотой измерительной цепи, которая
представляет собой электронное реле, работаю-
щее в элементарном режиме «да» - «нет».
Терморезисторный преобразователь уровня
жидкости [4] содержит теплопровод 1, нагрева-
тельным элемент 2, терморезистор 3 и измери-
тельную схему, состоящего из мостовой схемы 4,
усилителя 5 и реле 6 (см. рис.1).
Терморезисторный уровнемер жидкости ра-
ботает следующим образом: при включении ис-
точника постоянного тока 7 терморезистор 4
начинает нагреваться нагревательным элементом
10 до определенной температуры. Терморезистор
выходит в рабочий нагретый режим за время не
более 10 сек.
Рисунок 1 – Измерительная схема теплового
преобразователя уровня воды для систем
индикации и управления насосом воды:
1-теплопровод; 2-нагревательный элемент;
3-терморезистор; 4-мостовая схема;
5-дифференциальный усилитель; 6-реле;
7-источник питания; 8-насос; 9-индикатор.
По достижении рабочей температуры сопро-
тивление терморезистора изменяется настолько,
что поступают импульсы на дифференциальный
усилитель 5, цепь реле 6 замыкается и переходит
в режим «да», и подается сигнал, который вклю-
чает насос, который подает жидкость, а свето-
диод индикатора 9 загорается. При касании жид-
костью преобразователя уровня благодаря раз-
ным коэффициентам теплоотдачи жидкости αж и
газа αг (изначально окружавшего преобразова-
тель), последний резко меняет свое сопротивле-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
140
ние, электронное реле мгновенно размыкается и
переходит в режим «нет», о чем свидетельствует
гаснущий светодиод индикатора 9 и выключен-
ный насос 8.
Основные элементы измерительной схемы.
Усилитель напряжения. Выходное напря-
жение с мостовой схемы необходимо усилить.
Для этого используем микросхему операцион-
ного усилителя К140УД15.
Рисунок 2 – Микросхема операционного
усилителя К140УД15
Технические характеристики усилителя
Uu.n1 , В +15
Uu.n2 , В -15
Ιnоm ,мА, не более 12
IB.У, мА, не более 9
Uсм,мВ, не более ±7.5
IВХ,мкА, не более ± 1.7
КО.С.СФ,ДБ, не более 60
UВЫХ, В 12
RВХ, кОм, не более 4
RВЫХ, кОм, не более . 700
Схема управления.
Рисунок 3 – Схема управления устройством:
1 – дешифратор; 2, 3 – оптроны; 4 – индикатор;
5 – источник питания
Основные данные ИВ – 18
Цвет свечения зелёный
Яркость индикатора, кд/м2, не менее:
одного цифрового разряда 900
служебного разряда 200
Напряжение накала, В 85±10
Ток накала, мА 50
Напряжение анода – сегмента, В 45
Ток анодов – сегментов суммарный, мА
для девяти разрядов 50
Скважность 10± 1
Минимальная наработка, ч 10000
Срок хранения, лет, не менее 4
Блок питающих напряжений.
Выбор оптимального источника питания для
теплового уровнемера жидкости – ответственная
задача, поэтому, прежде всего следует опреде-
лить необходимое и достаточное качество его
выходного напряжения.
Источник питания должен обеспечить пита-
ние для аналоговых микросхем:
К140УД15: +15В….-15
КР590КН1 +15В…-15В
К1113ПВ1А +5 В….-15 В
КМ1816ВЕ751А: +5 В
К555ИД18 +5 В
Выберем трансформатор ТПТ259 127 / 220 –
50, мощностью 31 В·А с бролевым сердечником
ШМЛ 25*32 и напряжением вторичных обмоток
5; 10; 1. 34 В.
Для выпрямления напряжения используем
диодный мост КУ401Г (Ιпотmax = 0,5 А).
При стабилизации напряжения питания будем
использовать:
Для Uпит1 = +15В – микросхему К142ЕН48.
Для Uпит2 = -15 В – микросхему К142ЕН1.
Для Uпит3 = +9 В − стабилитрон КС190Г.
(Ιст3 = 10 мА).
Для Uпит4 = +5 В – стабилитрон КС156А.
(Ιст4 = 5 мА)
Определим номиналы сопротивлений: R1 и R2
R1 = 1.3 кОм.
Из номинального ряда возьмём
R2 = 400 Ом.
Конденсаторы С1, С2, С3, С4 возьмём по
100 мкФ.
Рисунок 4 – Источник питания для теплового
уровнемера жидкости
Заключение.
1. На основе анализа существующих методов
и приборов контроля уровня воды, показано, что
тепловые методы являются одним из перспек-
тивных, благодаря высокой чувствительности,
точности и надежности [6].
2. Разработана методика проектирования
конструкций ТПУ, представляющие собой по-
следовательность систематизации требований,
выбора структуры, расчета, выбор основных
элементов и измерительной схемы [7].
3. Доказано, что возможности дальнейшего
развития и совершенствования тепловых измери-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
141
тельных преобразователей позволяют надеяться,
что приборы, основанные на базе данного ме-
тода, в ближайшие годы найдут широкое приме-
нение в схемах контроля и регулирования раз-
личных технологических процессов гидроэнер-
гетических установок.
1. Ташматов Х.К. Проектирование тепловых
преобразователей уровня и расхода
жидкостей// Химическая технология.
Контроль и управление. -Ташкент, 2009.-
№4.- С. 37-40.
2. Ташматов Х.К., Азимбаев Н.М. Тепловые
преобразователи для систем контроля и
управления уровнем воды в гидро-
технических установках// Химическая
технология. Контроль и управление. -
Ташкент, 2011.- №2.- С. 60-61.
3. Суханова Н.Н., Суханов В.И., Юровский А.Я.
Полупроводниковые термопреобразователи с
расширенным диапазоном рабочих темпера-
тур //Датчики и системы.- М.: 1999. – №7. –
С. 65-68.
4. Ташматов Х.К. Тепловой преобразователь
уровня воды//Датчики и системы.- М.: 2006.-
№3. – С. 41-42.
5. Котюк О.М. Датчики в современных измере-
ниях. Издательство: Радио и связь, 2006.
6. Ташматов Х.К. Математические модели
тепловых датчиков уровня жидкости //
Химическая технология. Контроль и
управление. – Ташкент, 2009. -№3. – С. 43-46.
7. Tashmatov Kh., Mamatkulov D., Mirzokhidov J.
Delelopment of thermal converters direction of
flow and gas and liquid flow// The advanced
science open access journal – China, June 2013.
ISSN 2219-746X.
УДК 769.02
РАЗРАБОТКА АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ПОВЫШЕНИЯ СПОРТИВНОЙ
РАБОТОСПОСОБНОСТИ
Усольцев А.В.
Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова
Ижевск, Российская Федерация
Непрерывный рост уровня спортивных ре-
зультатов требует значительного увеличения
объема и интенсивности тренировочных нагру-
зок. Объем тренировочных нагрузок в спорте
высших достижений, особенно в бодибилдинге,
давно близок к предельно возможному [1]. Акту-
альной проблемой современного спорта высших
достижений является необходимость обеспече-
ния состояния стойкой суперкомпенсации энер-
горесурсов при недопустимости истощения ре-
зервов функций систем организма спортсмена и
сохранении его психологического и физического
здоровья [2,3]. С одной стороны, в ходе трениро-
вок обеспечивается рост тренированности спорт-
смена, а с другой – проводится профилактика
переутомления, перенапряжения, травм и забо-
леваний в ходе тренировочного процесса.
Поиски новых путей повышения спортивной
работоспособности, по мнению специалистов,
прежде всего обусловлены низкой эффективно-
стью легально используемых сегодня в спорте
средств и методов повышения работоспособно-
сти. Существующими способами, в т. ч. миро-
выми, решения проблемы повышения спортив-
ной работоспособности является использование
исключительно фармакологических средств. Из-
за низкой эффективности легально используе-
мых сегодня в спорте средств и методов повы-
шения работоспособности привлекает внимание
использование допинговых средств, что вызы-
вает проблемы участи спортсменов высшей кате-
гории в престижных соревнованиях. Любое нов-
шество, ограничивающее использование фарма-
кологических средств, исключающее использо-
вание допинга и обеспечивающее качественный
рост эффективности в данном направлении ак-
тивно востребовано. При этом физиологически
обосновывается необходимость комплексного
подхода в решении данной проблемы с примене-
нием широкого спектра средств и методов кли-
нической медицины. Более тридцати лет в меди-
цинской практике для этих целей применяются
низкоэнергетические лазерные терапевтические
аппараты. Терапевтическая эффективность ла-
зерного излучения настолько эффективна, что
было принято Решение Комитета по охране здо-
ровья и спорту Государственной Думы от
24.01.2002 № 63 «О квантовой медицине и пер-
спективах её развития в Российской Федерации».
В литературных источниках рассмотрены
эффекты и механизмы действия низкоэнергети-
ческого лазерного излучения на организм чело-
века, эффективность влияния низкоэнергетиче-
ского лазерного излучения на показатели работо-
способности спортсменов. Представлены
результаты исследований по оценке влияния
курсовых доз лазерной стимуляции на отдельные
показатели работоспособности спортсменов.
Приведены законы адаптации, в соответствии с
которыми реализуются эффекты любых воздей-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
142
ствий на организм человека. Известно, что сего-
дня созданы технологии комплексной подго-
товки квалифицированных атлетов, разработаны
и производятся современные портативные лазер-
ные терапевтические аппараты для спорта и
спортивной медицины. Тем не менее, в настоя-
щее время, в отечественном спорте, в том числе
спорте высоких достижений, квантовые методы
лечения применяются редко, в основном не для
подготовки спортсменов к соревнованиям и вос-
становления работоспособности после них, а для
лечения травм и ряда сопутствующих заболева-
ний [4].
Для различных видов спорта, разных спорт-
сменов, характерен явный недостаток репрезен-
тативных статистических данных о спаде спор-
тивной работоспособности, появлении травм,
предболезненных состояний и синдромов, появ-
ление которых, в общем случае, носит случай-
ный характер. В реальных условиях тренировок,
при наличии большое количество влияющих
факторов, обычно нельзя проводить активные
эксперименты, поэтому данные обычно пред-
ставляют собой результаты наблюдения за про-
исходящим процессом в течение длительного
времени, которые, тем не менее, приблизительны
из-за возрастных изменений и изменений спор-
тивного мастерства. Известны методы последо-
вательного лазерного воздействия на сосудисто-
нервные сплетения, при этом мощность, частота,
начало и окончание воздействия выбираются
субъективно. Влияние низкоинтенсивного лазер-
ного излучения проявляется на клеточном
уровне, поэтому оперативно определить резуль-
тативность его воздействие очень сложно. Необ-
ходима разработка четких, объективных, универ-
сальных рекомендаций по моментам и времени
применения лазерных методов. Поэтому акту-
альным является создание предпосылок плано-
мерного роста спортивных результатов спорт-
смена на протяжении всей спортивной карьеры с
достижением пика спортивной формы в строго
установленные сроки, за счет применения в ка-
честве эффективного средства восстановления и
повышения спортивной работоспособности низ-
коэнергетического лазерного излучения, разра-
ботки четких, объективных, универсальных ре-
комендаций по выбору длины волны, мощности,
частоты лазерного излучения, моментам и вре-
мени применения.
Даже при масштабном применении лазерного
излучения для лечения и профилактики широ-
кого круга заболеваний в медицинской практике
отсутствуют рекомендации по его индивидуаль-
ному применению. В тоже время, в медицинской
литературе отмечается, что лазерная терапия до
конца не разработана, имеются "белые пятна", а
математические расчеты дозы лазерного воздей-
ствия не всегда совпадают с клиническими эф-
фектами. Основными показаниями в медицине
для применения лазерной терапии являются бо-
левые синдромы, нарушение микроциркуляции,
нарушение иммунного статуса, аллергические
проявления, заболевания воспалительного харак-
тера, необходимость стимулирования восстано-
вительных процессов в тканях и регуляторных
механизмов организма. Для реализации лазерной
терапии выпускаются два типа низкоэнергетиче-
ских лазеров: газовые гелий – неоновые и
твердотельные полупроводниковые [5]. Наибо-
лее популярны полупроводниковые лазеры,
работающие в инфракрасном спектре, используе-
мые как для воздействия на зоны, так и для реф-
лексотерапии и внутрисосудистого воздействия
на кровь.
Эффективность лазерного воздействия зави-
сят от дозы, которая выражается в джоулях. Бо-
лее точным физическим критерием дозы явля-
ется плотность дозы или энергетическая облу-
ченность на поверхности ткани.
Для восстановления и повышения спортивной
работоспособности важное значение имеет время
воздействия лазерного излучения на организм
спортсмена, однако научных рекомендаций по
его заданию нет. Отсутствует методика расчета
появления рецидивов во время реабилитации.
На основании вышеизложенного разработан
аппаратно-программный комплекс, позволяю-
щий повысить спортивную работоспособность
на основании анализа изменения спортивной
активности спортсмена. Использование меди-
цинских рекомендаций, приведенных в специ-
альной литературе, результатов исследований по
оценке влияния курсовых доз лазерной стимуля-
ции, периодичности воздействия лазерного излу-
чения на показатели работоспособности спорт-
сменов, позволяет оптимизировать вероятно-
стно-временные характеристики спортивной
активности спортсмена. Полученные аналитиче-
ские выражения не противоречат результатам
математического моделирования и результатам
опытного применения [6,7]. Согласованность
теоретического и статистического распределения
проверена с использованием критерия согласия,
«критерия χ2» Пирсона.
Полученные результаты позволят повысить
объективность и эффективность выбора восста-
новительных режимов лазерного излучения, мо-
ментов начала и продолжительности лазерного
воздействия, когда в тканях организма спорт-
смена первично происходят положительные био-
энергетические, биохимические и другие фи-
зико-химические изменения. Полученные ре-
зультаты могут использоваться для повышения
результативности тренировочных нагрузок в
атлетических видах спорта, для повышения эф-
фективности восстановления организма после
чрезмерных нагрузок при ликвидации последст-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
143
вий катастроф, аварий, несчастных случаев на
производстве.
1. Подготовка к соревнованиям. Бодибилдинг.
Опубликовано admin Мар 6, 2011:
http://www.allbest.ru/
2. Валеев, Н. М. Дифференцирование методики
восстановления работоспособности травми-
рованных легкоатлетов на этапе спортивной
реабилитации / Н. М. Валеев, Н. В. Швыгина
// Теория и практика физической культуры. –
2007. – №1. – С. 49–54.
3. Гаткин, Е.Я. Методы быстрого восстановле-
ния спортсмена между стартами в день со-
ревнований / Е.Я. Гаткин [и др.] // I Всерос-
сийский конгресс с международным участием
«МЕДИЦИНА ДЛЯ СПОРТА–2011»: мате-
риалы конгресса. – Москва, 19–20 сентября
2011. М., 2011. – С.127–129.
4. Потемкин, Л.А. Медико-биологическое обес-
печение и квантовая медицина спорта выс-
ших достижений / Л.А. Потемкин. – М., 2001.
– 135 с.
5. Москвин С.В., Пономаренко Г.Н. Лазерная
терапия аппаратами серии «Матрикс» и
«Лазмик». – М.–Тверь, 2015. – 208 с.
6. Усольцев А.В. Оптимизация финансовых
затрат на тренировочный процесс при подго-
товке спортсмена к соревнованиям / Молодые
ученые – ускорению научно- технического
прогресса в XXI веке: материалы IV Всерос-
сийской научно-технической конференции
аспирантов, магистрантов и молодых ученых
с международным участием (20 – 21 апреля
2016 года),- Ижевск: Издательство ИжГТУ
имени М.Т. Калашникова, 2016 С. 507 -511.
7. Усольцев А.В. Система контроля усталости
спортсмена в процессе тренировки / Новые
направления развития приборостроения: ма-
териалы 9-й Международной научно- техни-
ческой конференции молодых ученых и сту-
дентов (20 − 22 апреля 2016 года Минск, Рес-
публика Беларусь). – Минск: БНТУ, 2016. –
С. 158.
УДК 681.2
ВИРТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЛАЗЕРОВ ДЛЯ ОБРАБОТКИ
БИОМАТЕРИАЛОВ
Усольцева А.В.
Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова
Ижевск, Российская Федерация
Трудно переоценить роль лазера в нашей
жизни. На практике насчитывается более десятка
сотен областей использования лазеров, от меди-
цины до космических полётов и термоядерного
синтеза. Наиболее массовой областью использо-
вания лазерной техники является лазерная обра-
ботка материалов, в которой в большинстве слу-
чаев используется тепловое воздействие лазер-
ного излучения. Хотя список применения лазера
очень длинный, он продолжает увеличиваться.
Исключительно широкое использование лазеров
объясняется их уникальными свойствами [1,2].
Применение лазеров в биологии и медицине
основано на использовании широкого круга яв-
лений, связанных с разнообразными проявле-
ниями взаимодействия света с биологическими
объектами.
Состояние поверхности при лазерной абля-
ции определяют основные характеристики ла-
зерного воздействия, от которых зависит эффек-
тивность восстановления и внешний вид полос-
тей, разрезов, отверстий и т.д. Наличие
различных включений или пустот на поверхно-
сти биоматериала приводит к кардинальному
улучшению биосовместимости, ускорению адап-
тации организма к инородному телу, позволяет
значительно снизить вероятность его отторже-
ния, позволяет предотвратить воспалительные
процессы [3].
Постоянно возрастающие объёмы лазерных
технологий, увеличивающееся количество видов
биоматериалов существенно осложняют решение
вопросов минимизации рисков и осложнений,
автоматизации управления в крупных медицин-
ских центрах. Вопросы совершенствования
структуры системы управления автоматизиро-
ванными технологическими процессами лазер-
ной обработки биоматериалов требуют дальней-
шего изучения и обобщения. Первостепенное
значение имеет разработка теоретических и ме-
тодических основ технологического использова-
ния лазеров для обработки биоматериалов с уче-
том состояния поверхности при лазерной абля-
ции [4].
Существование корреляционных связей ме-
жду параметрами лазерного излучения и дру-
гими параметрами, характеризующими техноло-
гию лазерной обработки, является предпосылкой
получения поверхности биоматериала с задан-
ными характеристиками. Предлагаемый подход
достаточно перспективен, так как, в этом случае
состояние поверхности будет функционально
связано с параметрами лазерной обработки.
Для проблемно – ориентированного автома-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
144
тизированного управления параметрами поверх-
ности система физических процессов при лазер-
ной обработке представлена в виде системы
внутренних моделей из последовательной цепи
модельных блоков, предназначенных соответст-
венно для идентификации вида биологического
материала, длины волны, мощности лазерного
излучения, скорости движения лазерного луча.,
разрешающей способности, частоты импульсов,
диаметра сфокусированного лазерного излуче-
ния на материале. угла падения лазерного луча.
Каждый блок снабжается моделью (информаци-
онным процессором), входными данными и воз-
можностями адекватного представления резуль-
татов на выходе. Входными данными каждого
модельного блока могут служить: либо измери-
тельные и статистические данные (из баз данных
и знаний, экспертных систем), либо результаты
модельных расчетов, поступающие с выхода
предыдущего блока, либо те и другие одновре-
менно, причем с весовыми вкладами, учиты-
вающими уровень неопределенности в каждом
из них.
Для построения математической модели ис-
пользованы известные методы математического
представление реальности.
Внутренняя модель организована иерархиче-
ски и содержит несколько уровней пространст-
венной, временной организации, специализиро-
ванных, соответствующих конкретному мате-
риалу, или универсальных, охватывающие все
возможные случаи практической реализации.
Параллельно предусмотрено несколько уровней
иерархии параметров модели, отвечающих раз-
ной степени детальности модельного представ-
ления процессов, например, может детализиро-
ваться как модель реакции определенной аппара-
туры управления на появление неоднородностей
биоматериала. Если модель функционирует пра-
вильно, то чем выше уровень, тем более надеж-
ная информация в нем накапливается. В модели
постоянно будет происходить фоновый процесс,
отвечающий за согласование разных уровней
представления информации.
На основании разработанных моделей с уче-
том ранее приведенных исходных данных сфор-
мированы требования к аппаратуре адаптивного
контроля, выделены информативные параметры,
заданы начальные условия, диапазон изменения
рабочих характеристик, установлены научно
обоснованные требования к конструкторско –
технологическим решениям, контрольно – изме-
рительной аппаратуре, лазерной установке, оп-
ределен алгоритм работы, разработаны струк-
турная, функциональная и принципиальная
схемы системы.
Используя практический опыт управления ла-
зерными технологическими установками обра-
ботки биоматериалов в реальном масштабе вре-
мени [5,6,7], для оперативного управления тех-
нологическими процессами, получения точных
исходных данных, проверки адекватности мате-
матической модели, разработана виртуальная
система.
Функционирование системы управления ла-
зерным технологическим процессом обработки
биоматериалов осуществляется следующим об-
разом. На начальном этапе формируется архив на
основании базы данных изменения состояние
поверхности биологических материалов при ла-
зерной абляции, наличия функционально- корре-
ляционных связей между характеристиками по-
верхности и параметрами лазерного излучения.
Далее, на основании полученных статистических
материалов, задаются рабочие режимы лазерной
обработки, контролируются характеристики по-
верхности, при отклонении результатов от за-
данных производится коррекция.
Учитывая микроструктуру, химический со-
став и физико–механические характеристики
биоматериалов для проведения исследований
выбрана лазерная установка на углекислом газе
СО2. Анализ изменений состояния поверхности
проводился при изменении мощности лазерного
излучения от 2 до 12 Вт, скорости движения ла-
зерного луча от 10 до 180 см/сек., разрешающей
способности от 100 до 1000 dpi., частоты им-
пульсов излучения от 500 до 1000 Гц, диаметра
сфокусированного лазерного луча на материале
от 0, 05 до 1, 0 мм. угла падения лазерного луча
от 00 до 450, и комбинации этих режимов.
Проведенные исследования показали, что,
для достижения заданного состояния поверхно-
сти биологических материалов при разработке
основ технологического использования лазеров
для обработки биоматериалов с помощью разра-
ботанных теоретических и методических основ
перспективно использование виртуальной сис-
темы, учитывающей существование функцио-
нально- корреляционных связей между парамет-
рами, характеризующими технологию лазерной
обработки и состояние поверхности.
1. Emmelmann С. / Introduction to Industrial.Laser
Materials Processing, Rofin-Sinar. Hamburg.
1998, p. 180.
2. Laser materials processing: User's Handbook
Manual. / Sc. Edit. Panchenko V.Ya. //Bulgaria,
Plovdiv, 2001.
3. Новые интеллектуальные материалы и конст-
рукции. Свойства и применение. М.: Техно-
сфера, 2006. -224 с.
4. Kozlovskaya N.A., Krokhin O.N.,
Zavestovskaya I.N. Ultrashort laser pulses abla-
tion of the transparent materials // Proc. Of 4th
Int. Conf. FPPT, April 2009. Kathmandu, 2000.
5. Черных М.М., Усольцева А.В., Усольцев В.П.
Методика определения режимов работы ла-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
145
зерной установки при гравировании изделий
из кожи. // XVII Всероссийская научно-прак-
тическая конференция и смотр-конкурс твор-
ческих работ по направлению подготовки
«Технология художественной обработки ма-
териалов»: сборник научных трудов. - Ир-
кутск: ИрГТУ, 2015.- С 400-407
6. Усольцева А.В., Черных М.М., Усольцев В.П.
Исследование лазерного гравирования изде-
лий из кости // «Молодые ученые – ускоре-
нию научно – технического прогресса в ХХI
веке. Сборник материалов II Всероссийской
научно-технической конференции аспиран-
тов, магистрантов и молодых ученых с меж-
дународным участием (Ижевск, 22 – 23 ап-
реля 2015 г.), – Ижевск: Издательство ИжГТУ
имени М.Т. Калашникова, 2015. – С 713 –
721.
7. Усольцева А.В., Усольцев В.П. Особенности
лазерного гравирования изделий из кожи //
«Приборостроение в ХХI веке – 2014. Инте-
грация науки, образования и производства:
Сборник материалов Х Всероссийской на-
учно-технической конференции с междуна-
родным участием (Ижевск, 12 – 14 ноября
2014 г.), – Ижевск: Издательство ИжГТУ
имени М.Т. Калашникова, 2015. – С 522 –
524.
УДК 620.179.14
ВЛИЯНИЕ ВАРИАЦИЙ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТИ ВЕРХНЕГО СЛОЯ
ДВУХСЛОЙНОГО ОБРАЗЦА НА ФАЗУ ВНОСИМОЙ ЭДС НАКЛАДНОГО
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Чернышев А.В.
Институт прикладной физики НАН Беларуси
Минск, Республика Беларусь
При контроле вихретоковым толщиномером
толщины верхнего слоя двухслойной структуры,
состоящей из проводящего немагнитного покры-
тия, расположенного на проводящем основании
(подложке), наиболее эффективным является
контроль, основанный на измерениях фазы ϕ
вносимой ЭДС накладного преобразователя [1].
Фаза зависит от параметров преобразователя,
частоты тока возбуждения и от удельных элек-
трических проводимостей покрытия σ1 и основа-
ния σ2, а также относительной магнитной прони-
цаемости основания µ2, если оно магнитное. На
практике обычно наблюдаются вариации вели-
чин σ1, σ2, µ2 при перемещении от точки к точке
на поверхности контролируемого объекта или
при переходе от одного объекта контроля к дру-
гому. Это приводит к вариациям величины ϕ при
неизменном значении толщины покрытия d, то
есть вызывает определенную погрешность при
измерениях толщины покрытия вихретоковым
методом.
В докладе приведены результаты численных
расчетов зависимости фазы вносимой ЭДС изме-
рительной катушки преобразователя от d, полу-
ченные при различных значениях σ1 и при фик-
сированных величинах σ2 и µ2. Расчет проведен
по аналитическим выражениям работы [2].
Схема расположения катушек поля возбуждения
и измерительной накладного вихретокового пре-
образователя, находящегося над двухслойным
объектом контроля, показана на рисунке 1.
Сначала расчет проведен при значении σ1 =
= 5,291 МСм/м (что примерно соответствует
электропроводности хрома, обозначим это
значение как σ10), σ2 = 11,5 МСм/м и µ2 = 100,
что примерно соответствует электропроводности
и относительной магнитной проницаемости
никеля. Амплитудное значение тока
возбуждения принято равным 1А, радиусы обоих
витков равны 0,002 м, расстояние h от витка поля
возбуждения до поверхности объекта контроля
составляет 0,001 м, измерительный виток
расположен на середине этого расстояния.
Расчеты проведены при двух различных частотах
F тока возбуждения преобразователя. Сле-
дует отметить, что расчетные данные находятся
в соответствии с экспериментальными.
Рисунок 1 – Витки над проводящей
двухслойной средой:
1 – измерительный виток, 2 – виток поля
возбуждения, 3 – проводящее покрытие,
4 – проводящая магнитная подложка
Рассмотрим результаты расчетов, полученные
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
146
при частоте тока возбуждения преобразователя
F=300 кГц, они представлены на рисунке 2 кри-
вой 1. По вертикальной координатной оси ука-
заны не значения ϕ, а абсолютное значение раз-
ности ϕ - φCu, где φCu – фаза вносимой ЭДС при
расположении того же преобразователя (при
прежнем значении F) над полупространством из
меди электропроводность меди принята равной
58,1 МСм/м. Абсолютное значение разности ϕ -
φCu обозначено Δφ. Цифрой 2 на рисунке 2 обо-
значена зависимость Δφ от d, полученная при
величине σ1, превышающей значение σ10 на
20%, а цифрой 3 - зависимость Δφ от d, получен-
ная при величине σ1, меньшей значения σ10 на
20%. Из рисунка 2 видно, что при указанных
вариациях σ1 относительно значения σ10 вариа-
ции Δφ максимальны при максимальном значе-
нии d и достигают при этом примерной той же
величины 20%. Для вихретокового толщиномера
наибольшую важность имеет вопрос выяснения
влияния вариаций величины σ1 на погрешность
определения толщины верхнего слоя d. Из ри-
сунка 2 видно, что и в этом случае вариации ве-
личины σ1 относительно σ10 на 20% в сторону
уменьшения или увеличения приводят к возник-
новению относительной погрешности ∆d при
определении d, (относительно истинного значе-
ния, определяемого из зависимости, представ-
ленной кривой 1 на рисунке 2), примерно равной
20%.
1 - σ1 = 5,291 МСм/м; 2 - σ1 = 6,3492 МСм/м;
3 - σ1 = 4,2328 МСм/м
Рисунок 2 – Зависимость Δφ от d при F=300 кГц
Теперь рассмотрим результаты расчета ана-
логичных зависимостей Δφ от d, полученных при
F=5,8 МГц. Они приведены на рисунке 3.
1 - σ1 = 5,291 МСм/м; 2 - σ1 = 6,3492 МСм/м;
3 - σ1 = 4,2328 МСм/м
Рисунок 3 – Зависимость Δφ от d при F=5,8 МГц
Из сравнения рисунков 2 и 3 видно, что при
F=5,8 МГц чувствительность φ к толщине верх-
него слоя наблюдается только для относительно
малых d (ввиду скин-эффекта). Из рисунка 3
видно, что при толщинах d, превышающих 150
мкм, увеличение σ1 относительно значения σ10
на 20% приводит к уменьшению Δφ примерно на
12%. Уменьшение же σ1 относительно σ10 на
20% приводит к увеличению Δφ примерно на
16%. В интервале толщин покрытия 50÷80 мкм
вариации величины σ1 относительно значения σ10
на 20% в сторону уменьшения или увеличения
приводят к возникновению относительной по-
грешности ∆d примерно равной 16% (истинное
значение толщины d находят из кривой 1 на ри-
сунке 3).
Из приведенных результатов видно, что на-
личие вариаций электропроводности верхнего
слоя двухслойного образца приводит к возник-
новению погрешности определения толщины
этого слоя измерением величины Δφ, которая
может оказаться больше допустимой для кон-
тролируемой детали. Уменьшить эту погреш-
ность можно посредством измерения и после-
дующего учета, при анализе измеренного значе-
ния φ, электропроводности верхнего слоя. Для
этого необходимо провести измерения φ на такой
относительно высокой частоте, чтобы на резуль-
таты не оказало влияние присутствие у двух-
слойного объекта контроля проводящей под-
ложки.
Рассмотрим на конкретном примере, пред-
ставленном на рисунке 3, с какой точностью
надо проводить такие измерения. Из рисунка
следует, что при F=5,8 МГц и d ≥ 200 мкм нали-
чие подложки не оказывает влияния на резуль-
таты измерений φ (вихревые токи с такой глу-
бины не приводят к заметному влиянию на фазу
вносимой ЭДС преобразователя). При этом уве-
личение σ1 на 20% относительно эталонного зна-
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
147
чения σ10 приводит к изменению φ на 0,35°.
В разрабатываемых нами толщиномерах дос-
тигается возможность измерения φ с точностью
0,1° при частотах сигнала до 8 МГц. Из вышеска-
занного следует, что по измерениям φ можно
зафиксировать отклонения величины σ1 от σ10,
составляющее 20%/3,5≈5,7%. Как было показано
выше, при F=5,8 МГц увеличение σ1 на 20% от-
носительно σ10 приводит к возникновению по-
грешности определения d, равной 16%. Следова-
тельно, в рассматриваемом случае увеличение σ1
на 5,7% (то есть то, что мы можем зафиксировать
при измерениях φ прибором) приведет к по-
грешности определения d, равной 4,6%. Достиг-
нуть уменьшения указанной погрешности изме-
рения d возможно лишь за счет повышения точ-
ности измерения фазы вносимой ЭДС
вихретокового преобразователя.
1. Рубин А.Л., Пахомова В.Г., Реакция ферро-
магнитного полупространства с немагнитным
слоем на датчик накладного типа // Дефекто-
скопия. – 1974. − №3. – С. 36-40.
2. Соболев В.С., Шкарлет Ю.М. Накладные и
экранные датчики. - Новосибирск: Наука,
1967. – 144 с.
УДК 53.088.6
ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПО КРЕНУ ОБЪЕКТОВ
Шведов А.П., Лихошерст В.В.
Тульский государственный университет
Тула, Российская Федерация
Интерес представляет задача измерения угло-
вой скорости крена малоразмерных объектов,
вращающихся с большой угловой скоростью по
углу крена.
На малогабаритных объектах в диапазоне уг-
ловых скоростей свыше 2000 – 4000 градусов/с
целесообразно использовать измерительную
схему, реализуемую с помощью двух встречно
направленных акселерометров, разнесенных от-
носительно оси вращения [1].
Погрешность определения угловой скорости с
помощью двух акселерометров обусловлена по-
грешностью самих датчиков, а также погрешно-
стью установки датчиков относительно продоль-
ной оси изделия.
Вопросы, связанные с компенсацией погреш-
ности коэффициента передачи, уровня нулевого
сигнала, нелинейности подробно изложены в
работе [2], поэтому их рассматривать не будем.
Учет погрешностей перекрестной чувстви-
тельности и рассогласования осей осуществля-
ется за счет применения акселерометров, оси
чувствительности которых ориентированы пер-
пендикулярно к измерительным.
Можно показать, что в данном случае важна
лишь взаимная ориентация осей, а не их распо-
ложение относительно корпуса, так как в про-
тивном случае, при наличии поперечных вибра-
ций, в сигнале угловой скорости будут наблю-
даться существенные пульсации. Поэтому при
определении отклонения осей одну из осей дат-
чика будем считать совпадающей с одной из
осей связанной системы координат (рисунок 1).
Рисунок 1 – К определению углов
рассогласования осей датчиков
В этом случае показания датчика 1 и 2 свя-
заны с проекциями ускорения на оси связанной
системы координат по выражениям:
( ) ( )
( ) ( )
β−α
β
+
β−α
β
=
β−α
α
−
β−α
α
=
,
cos
cos
cos
sin
,
cos
sin
cos
cos
Д2Д2
Д2Д2
YZY
YZZ
aaa
aaa
γ
+γ=
=
,
cos
,
1Д
1Д
1Д
Y
ZZ
ZZ
a
tgaa
aa
где aY, aZ – проекции ускорения на оси Y и Z свя-
занной системы координат; aYД2, aZД2 – проекции
ускорения на оси чувствительности датчика 1 YД2
и ZД2; aYД1, aZД1 – проекции ускорения на оси чув-
ствительности датчика 2 YД1 и ZД1;
Определение углов α, β, γ реализуется по од-
ной из методик, описанных в [2].
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
148
При установке акселерометров возможно
смещение датчиков, обусловленное рядом при-
чин, и не совпадение осей датчиков с линией,
соединяющей центры масс чувствительных
элементов акселерометров (рисунок 2).
Рисунок 2 – Схема расположения
акселерометров относительно оси вращения
после калибровки
В этом случае угловая скорость вращения
объекта ω и измеряемая угловая скорость ωИ свя-
заны соотношением
β
α
⋅
−
ω=ω
cos
cos
2
12
И r
xx
. (1)
В общем случае после сборки системы неиз-
вестными оказываются координаты x2 и x1, ра-
диус установки акселерометров r, а также углы α
и β, однако, согласно (1), их суммарное влияние
можно учесть с помощью некоторого масштаб-
ного коэффициента k:
,ДК k⋅ω=ω где β
α
⋅
−
=
cos
cos
2
12
r
xx
k .
В свою очередь, коэффициент k легко опре-
деляется путем сопоставления измеренной и ис-
тинной угловой скорости крена в процессе ка-
либровки.
Случайная составляющая ν погрешности ак-
селерометров в большинстве случаев представ-
ляет собой нормально распределенную центри-
рованную случайную величину с среднеквадра-
тическим отклонением σ.
Несложно показать, что в этом случае угловая
скорость, измеряемая системой, при компенса-
ции систематических погрешностей акселеро-
метров определяется выражением
r
ν
+ω=ω 2ДК .
Учитывая, что систематическая составляю-
щая в ωДК скомпенсирована, представим его виде
,ДК ωνωω +=
где νω– случайная погрешность ωДК.
Тогда плотность распределения вероятности
p(νω) случайной величины νω определяется вы-
ражением
( ) ( )[ ]
( )[ ]
−≥
−≥
++
−+
+
−+
−
+
=
ων
ων
σ
ωων
σ
ωων
σπ
ων
ν
ω
ω
ω
ωω
ω
при,0
при,
2
exp
2
exp
2
2
)(
2
222
2
222
r
rr
p
(2)
Анализ зависимости математического ожида-
ния случайной величины νω от угловой скорости
показывает, что она зависит от угловой скорости
и снижается при ее увеличении.
Из-за наличия ненулевого математического
ожидания νω, помимо погрешности масштабного
коэффициента k, в выходном сигнале ωИ будет
наблюдаться постоянная составляющая погреш-
ности (рисунок 3) и угловую скорость вращения
изделия можно представить в виде
( )nk −ω=ω И , (3)
где n – смещение нулевого сигнала, обусловлен-
ное математическим ожиданием случайной ве-
личины νω;
k – масштабный коэффициент.
Рисунок 3. Влияние случайной погрешности
акселерометров на точность измерения угловой
скорости крена: (1 – ∆ω(ω); 2 – линейная
аппроксимация в диапазоне угловых скоростей
1000÷1300 º/с; 3 – линейная аппроксимация
в диапазоне угловых скоростей 1300÷2500 º/с;
4 – линейная аппроксимация в диапазоне
угловых скоростей 2500÷7200 º/с)
Из рисунка 3 видно, что зависимость ∆ω от ω
нелинейна. Однако для рабочего диапазона из-
мерительной схемы измерения (от 2000 до 7200
º/с) она может быть аппроксимирована с помо-
щью трех прямых. То есть может рассматри-
ваться как линейная в трех диапазонах частот, а
значения коэффициентов k и n для выражения (3)
в этих диапазонах можно считать постоянными.
Секция 1. Измерительные системы и приборы, технические средства безопасности
149
Таким образом, для компенсации погрешно-
сти угловой скорости ωИ достаточно определить
значение коэффициентов k и n для диапазонов
частот: 1000÷1300 º/с, 1300÷2500 º/с и
2500÷7200 º/с.
Коэффициенты для данных диапазонов опре-
деляются путем снятия показаний схемы для
двух значений угловой скорости из каждого диа-
пазона.
Распределение случайной величины νω в диа-
пазоне угловых скоростей от 1000º/с и выше
близко к нормальному. Следовательно, при ин-
тегрировании νω будет наблюдаться погрешность
аналогичная погрешности при интегрировании
нормально распределенной случайной величины.
Погрешность ∆ при интегрировании нормально
распределенной случайной величины определя-
ется неравенством:
tτσ≤∆ сл , (3)
где σсл – СКО некоторой нормально распреде-
ленной случайной величины; t – время интегри-
рования; τ – шаг дискретизации системы.
В свою очередь, σсл может быть определено
по плотности распределения вероятности (2).
Следует отметить, что погрешность, определяе-
мая выражением (3), носит случайный характер и
не может быть скомпенсирована на этапе калиб-
ровки системы.
Таким образом, величину ∆ следует рассмат-
ривать как оценку максимальной точности дан-
ного метода измерения.
1. Лихошерст В.В. Датчик крена вращающихся
по крену объектов / В.В. Лихошерст,
В.Я. Распопов, А.П. Шведов // XXIII Санкт-
Петербургская международная конференция
по интегрированным навигационным
системам. Сборник материалов / глав. ред.
академик РАН В.Г. Пешехонов. – СПб.: ГНЦ
«Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», 2016. –
С. 220 – 223.
2. Аш, Дж. Датчики из мерительных систем:
В 2-х книгах. Кн. 2. – М.: Мир, 1992. – 424 с.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
150
Секция 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
ИЗМЕРЕНИЙ
УДК 006.9:534.27.08 (045)(476)
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГАЗОАНАЛИТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
Ананьин В.Н., Мирончик А.М., Мохнач М.В.
Белорусский государственный институт метрологии
Минск, Республика Беларусь
В настоящее время эталон единицы количе-
ства вещества моль по принятому определению
не реализован. В газоаналитических измерениях
используются относительные единицы: молярная
доля и массовая доля компонентов в газовых
смесях, выраженные в процентах (%) или в мил-
лионных долях (млн-1) [1].
Достоверность и прослеживаемость к едини-
цам SI результатов измерений содержания ком-
понентов в газовых средах обеспечивается в Рес-
публике Беларусь национальной системой един-
ства газоаналитических измерений,
фундаментом которой является комплекс нацио-
нальных эталонов:
Национальный эталон единицы
молярной доли компонентов в газовых смесях
НЭ РБ 13-04 – диапазон воспроизведения еди-
ницы молярной доли компонентов (водорода,
оксида углерода, диоксида углерода, метана,
пропана, кислорода, сероводорода, метилмеркап-
тана, этилмеркаптана) в азоте от 0,001 % до
99,90 %, относительная расширенная неопреде-
ленность от 10 % до 0,01 % (k = 2, P = 0,95);
Национальный эталон единицы
молярной доли компонентов природного газа
в газовых смесях НЭ РБ 16-08 – диапазон вос-
произведения единицы молярной доли компо-
нентов природного газа (метана, этана, пропана,
изобутана, нормального бутана, изопентана,
нормального пентана, неопентана, нормального
гексана, диоксида углерода, азота, кислорода,
водорода, гелия) от 0,0001 % до 99,0 %, относи-
тельная расширенная неопределенность от 10 %
до 0,03 % (k = 3, P = 0,99);
Национальный эталон единицы
молярной доли атмосферных экологически
опасных компонентов НЭ РБ 18-10 – диапазон
воспроизведения единицы молярной доли ком-
понентов (диоксида серы, оксида азота, диоксида
азота, сероводорода, диоксида углерода) в азоте
от 0,0001 % до 30,0 %, относительная расширен-
ная неопределенность от 5 % до 0,5 % (k = 3,
P = 0,99);
Национальный эталон единиц моляр-
ной и массовой концентрации компонентов
сжиженных углеводородных газов НЭ РБ 22-
13 – диапазон воспроизведения единицы моляр-
ной доли компонентов (пропилена, пропана, изо-
бутана, нормального бутана, изопентана, нор-
мального пентана от 0,10 % до 99,0 %, относи-
тельная расширенная неопределенность от 2,5 %
до 0,5 % (k = 2; Р = 95 %); диапазон воспроизве-
дения единицы массовой доли указанных выше
компонентов от 0,10 % до 99,0 %, относительная
расширенная неопределенность от 3,0 % до 0,5 %
(k = 2; Р = 95 %).
Более подробная информация о метрологиче-
ских характеристиках национальных эталонов
размещена на официальном сайте БелГИМ
www.belgim.by.
В состав комплекса эталонов входит:
аналитическое оборудование для анализа ис-
ходных газов и сертификации эталонных газовых
смесей (ЭГС) и рабочих эталонов – государст-
венных стандартных образцов состава газовых
смесей (ГСО): газовые хроматографы с различ-
ными детекторами (пламенно-ионизационными,
пламенно-фотометрическими, термокондукто-
метрическими, масс-селективным), оптико-аку-
стические и электрохимические газоанализа-
торы, кулонометрические гигрометры;
гравиметрическое газосмесительное оборудо-
вание на базе масс-компараторов КА10-3/Р
(«Mettler-Toledo») и ССЕ 40К3 («Sartorius») и
установок смешивания газов для воспроизведе-
ния единицы молярной доли статическим грави-
метрическим методом согласно [2];
комплект чистых газов и ЭГС в баллонах под
давлением;
технические средства для подготовки балло-
нов к заполнению и гомогенизации полученных
газовых смесей.
Размер единицы молярной (массовой) доли
компонентов воспроизводится национальными
эталонами путем приготовления ЭГС в баллонах
под давлением наиболее точным гравиметриче-
ским методом согласно [2] с последующей вери-
фикацией компонентного состава приготовлен-
ных ЭГС согласно [3].
ЭГС предназначены для хранения и передачи
рабочим эталонам единицы молярной (массовой)
доли компонентов и применяются в качестве
эталонов сравнения при проведении междуна-
родных сличений национальных эталонов.
Метрологические характеристики националь-
ных газовых эталонов Республики Беларусь под-
тверждены результатами международных сли-
чений в рамках региональной метрологической
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
151
организации КООМЕТ, зарегистрированных в
международной базе данных КСDB [4] Между-
народного бюро мер и весов:
COOMET.QM-K3 «Автомобильные газы»,
2005 г.;
COOMET.QM-K1.а «Оксид углерода в азоте»,
2008 г.;
COOMET.QM-K23.b «Природный газ», 2008
г.
COOMET.QM-S1 «Дополнительные сличения
первичных эталонов содержания компонентов в
газовых средах: NO в азоте (50 мкмоль/моль)»,
2013 г.
COOMET.QM-K76 «Ключевые сличения пер-
вичных эталонов содержания компонентов в га-
зовых средах: SO2 в азоте (100 мкмоль/моль)»,
2013 г.
COOMET.QM-S5 «Дополнительные сличения
национальных эталонов в области анализа газо-
вой смеси CO2, CO, C3H8 в азоте (автомобильные
газы)», 2014 г.
КООМЕТ № 488/RU-a/10 «Сличения эталон-
ных методов измерений объемной теплоты сго-
рания природного газа», 2015 г.;
COOMET.QM-S3 «Дополнительные сличения
эталонных газовых смесей: «загрязнители атмо-
сферного воздуха: СО в азоте, 5 мкмоль/моль»,
2016 г.
Результаты сличений подтверждают заявлен-
ные характеристики национальных эталонов и
прослеживаемость воспроизводимой ЭГС еди-
ницы молярной доли к эталонам национальных
метрологических институтов ведущих стран
мира [4].
От ЭГС размер единицы в соответствии с по-
верочными схемами [5, 6] передается рабочим
эталонам – ГСО 0-го, 1-го и 2-го разрядов, что
обеспечивает метрологическую прослеживае-
мость ГСО, выпускаемых в БелГИМ, к междуна-
родным эталонам.
В год производится свыше 2000 экземпляров
ГСО в баллонах под давлением для более чем
400 предприятий и организаций Республики Бе-
ларусь.
ГСО предназначены для выполнения работ по
обеспечению единства и требуемой точности
измерений в соответствии с [7] в системе мони-
торинга атмосферного воздуха, воздуха рабочей
зоны, в энергетике, на транспорте, в жилищно-
коммунальном хозяйстве, санитарии и медицине,
нефтехимической, газоперерабатывающей и га-
зотранспортной отраслях промышленности Рес-
публики Беларусь.
В перспективе развития работ в области мет-
рологического обеспечения газоаналитических
измерений планируется расширение номенкла-
туры компонентов и диапазона молярной доли,
воспроизводимых эталонами, а также освоение
динамического объемного метода для воспроиз-
ведения единицы молярной доли нестабильных
компонентов, обладающих высокой реакционной
и адсорбционной способностью, в соответствии с
[8].
В четвертом квартале 2014 г. начат выпуск
ГСО состава аммиак – азот/воздух 2-го разряда.
Диапазон сертифицированных значений объем-
ной доли аммиака (0,001-1,5) %, относительная
расширенная неопределенность сертифициро-
ванного значения (10-5) %.
1. ТР 2007/003/BY Единицы измерений, допу-
щенные к применению на территории Рес-
публики Беларусь.
2. СТБ ИСО 6142-2003 Анализ газов.
Приготовление калибровочных газовых
смесей. Гравиметрический метод.
3. СТБ ИСО 6143-2003 Анализ газов. Методы
сравнения для определения и проверки со-
става газовых смесей для калибровки.
4. Key and supplementary comparisons // Bureau
International des Poids et Mesures [Electronic
resource]. – 2013. – Mode of access :
http://kcdb.bipm.org/appendixB/KCDB_ApB_s
earch.asp.
5. СТБ 8022-2004 Система обеспечения един-
ства измерений Республики Беларусь. Госу-
дарственная поверочная схема для средств
измерений содержания компонентов в газо-
вых смесях.
6. ГОСТ 8.578-2014 Государственная система
обеспечения единства измерений. Государ-
ственная поверочная схема для средств из-
мерений содержания компонентов в газовых
средах.
7. ТКП 8.005-2012 (03220) Система обеспече-
ния единства измерений Республики Бела-
русь. Стандартные образцы. Основные по-
ложения. Порядок разработки, утверждения,
регистрации и применения.
ISO 6145-7:2009 Gas analysis – Preparation of
calibration gas mixtures using dynamic volumet-
ric methods – Part 7: Thermal mass-flow con-
trollers.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
152
УДК 620.179:534.6 (043.3)
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ МУЛЬТИНОМИАЛЬНОЙ
ЛОГИСТИЧЕСКОЙ РЕГРЕССИИ
Бем О.Т.1, Еременко В.С.2, Суслов Е.Ф.2
1Национальный авиационный университет
2Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»
Киев, Украина
Широким классом сигналов, которые несут
информацию о состоянии исследуемого объекта
являются импульсные сигналы с локально сосре-
доточенными информативными параметрами.
Наиболее известными методами идентификации
таких сигналов являются следующие:
1. Методы основанные на измерении ампли-
тудно-временных параметров: амплитуды и дли-
тельности импульса, длительности фронтов, ско-
рости нарастания и спада и т. д.
2. Методы основанные на оценивании инте-
гральных характеристик – центра массы им-
пульса, коэффициентов подобия, корреляцион-
ной функции .
3. Методы разложения по базисным функ-
циям (Фурье, Хартли, вейвлет-преобразование ).
4. Методы структурного анализа, которые
предполагают сегментацию сигнала на последо-
вательность отдельных фрагментов, отражаю-
щих чередование элементарных событий иссле-
дуемого процесса .
5. Методы представления сигалов в фазовом
пространстве, т.е. пространстве, образованном
конечным набором параметров состояний .
6. Эвристические методы, в частности методы
основанные на применении нейросетевых техно-
логий.
7. Стохастические методы, в частности обу-
чаемые на эталонных выборках вероятностные
дискриминативные модели.
Вероятностные дискриминативные модели
мультиномиальной логистической регрессии
(МЛР) имеют следующие: вероятностная оценка
принадлежности сигнала к каждому из возмож-
ных предусмотренных классов; малое количе-
ство настраиваемых параметров модели, относи-
тельно других вероятностных методов; получе-
ние удовлетворительных оценок при
невыполнении предположения о распределениях
параметров в классе плохо выполняются (что
случается при нерепрезентативных выборках);
возможность использовать в качестве информа-
ции для обучения оценки сигналов, полученные
любыми другими методами идентификации.
Основной принцип МЛР-модели заключается
в том, что используя теорему Байеса, при услов-
ном выполнении ряда предположений (незави-
симость наблюдений, распределения признаков в
каждом классе, признаки описываются с помо-
щью семейства экспоненциальных распределе-
ний, и др.), апостериорную вероятность
)|( XyP k попадания объекта (вектора информа-
тивных параметров сигнала X ) в k -й
предусмотренный моделью класс сигналов
можно выразить через нормирующую экспонен-
циальную функцию:
,;
)exp(
)exp(
)()|(
)()|(
)|(),(
1
0
1
1
Xwxwwa
a
a
yPyXp
yPyXp
XyPXws
T
kk
K
k
kkK
j
j
k
K
j
jj
kk
kk
⋅=+==
=
⋅
⋅
==
∑
∑
∑
=
=
=
где )|( kyXp – условная плотность распределе-
ния признаков в классе k ; )( kyP – априорная
вероятность класса k (доля объектов этого
класса во всей обучающей выборке); K – количе-
ство всех классов к которым можно отнести сиг-
нал; w – коэффициенты при признаках.
Модель МЛР для пяти классов включает в
себя четыре уравнения, каждое из которых рас-
считывает отношение вероятностей отнесения
объекта соответствующего класса к базовому
классу (№1). В качестве признаков для расчета
модели было взято амплитуды и длительности
сигналов для отрицательной и положительной
полуволн импульса (рис. 1).
Рисунок 1 – Показательные сигналы
для разных классов
Таким образом, вектор параметров для каж-
дого объекта (сигнала) состоял из четырех ком-
понент: амплитуда отрицательной полуволны
(А_у); длительность отрицательной полуволны
(Д_у); амплитуда положительной полуволны
(А_о); длительность положительной полуволны
(Д_о). В качестве обучающего множества было
использовано 250 «эталонных» сигналов на каж-
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
153
дый класс. Таким образом обучающая выборка
для пяти классов состояла из 1250 векторов. Рас-
пределение амплитуд отрицательной и положи-
тельной полуволны для всей выборки представ-
лено на рис. 2.
Рисунок 2 – Плотности
распределения амплитуд полуволн
Модель МЛР обучалась на одной половине
данных, вторая же часть данных использовалась
для валидации, такой подход дает возможность
оценить обобщающую способность модели. Ре-
зультатом обучения модели есть рассчитанные
весовые коэффициенты приведенные в Табл.1,
каждый столбик которой отвечает за отдельный
класс.
Таблица 1 – Рассчитанные коэффициенты
для модели МЛР по каждому классу сигналов
№1 №2 №3 №4
0w 114.06 93.68 16.49 -222.6
1w -66.20 -121.3 -98.7 -43.07
2w 0.087 0.085 0.085 0.089
3w -12.84 4.079 -112.8 -58.08
4w -0.102 -0.056 0.057 0.255
Рассчитанные значения коэффициентов и
признаков формируют исходное уравнение по
которому рассчитывается апостериорная веро-
ятность для данного класса )|( XyP k . После
подсчета вероятностей для всех классов (сумма
которых равна единице для каждого объекта),
как правило, объект относят к тому классу, веро-
ятность которого максимальна. Результаты иден-
тификации сигналов по валидационной (тесто-
вой) выборке представлены в (Табл.2).
Подходом для оценки распознавания классов
был выбран «один против всех», а в качестве
оценок качества модели были использованы
оценки среднго квадратического отклонения
(СКО) и средней перекрестной энтропии (СПЭ)
(табл.3).
( )∑ −+= i ii
yyСКО 2
NP
1
;
−+
+
= ∑∑
−
−
+
+
)()(
)1ln()ln(
N P
1
i
i
i
i yyСПЭ
,
где P и N – правильно и ложно идентифициро-
ванные объекты; y
– оцененная вероятность;
}1;0{∈y – фактическая вероятность.
Таблица 2 – Результаты полученного МЛР
моделью вердикта классификации
№1 №2 №4 №4 №5
∑
мо-
дели
№1 125 0 0 0 0 125
№2 0 111 19 0 0 130
№3 0 14 103 3 0 120
№4 0 0 3 122 0 125
№5 0 0 0 0 125 125
∑
эта-
лон
125 125 125 125 125 625
δ 0 14 22 3 0 39
Ошибки модели связаны с пересечением рас-
пределений информативных параметров для раз-
ных классов.
Таблица 3 –Оценки эффективности МЛР
методом «один против всех»
СКО СПЭ
№1 0.0004 0.000017
№2 0.1703 0.089755
№3 0.1946 0.120752
№4 0.0941 0.031294
№5 0.0001 0.000010
Исходя из полученных результатов можно
сделать вывод о достаточно удовлетворительной
идентификации импульсных сигналов методом с
использованием МЛР модели. Преимуществом
предложенного метода есть возможность одно-
временного использования любых данных и оце-
нок, характеризующих сигнал (объект), что спо-
собствует обоснованному отбору информатив-
ных признаков, на основании одной целостной
модели. Вероятностные, а не строго категори-
альные оценки улучшают интерпретируемость
результатов, и формируют основу для оценки
рисков.
1. Cristopher M. Bishop Pattern recognition and
machine learning. Singapore: Springer – 2006,
P.197,204,209.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
154
УДК 621.396.67
АЛГОРИТМ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕННЫХ СИСТЕМ
ПО ИЗМЕРЕНИЯМ НА СФЕРИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
БудайА.Г., Гринчук А.П., Громыко А.В.
Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем
имени А.Н. Севченко Белорусского государственного университета»
Минск, Республика Беларусь
Эффективное решение существующих и пер-
спективных задач, стоящих перед современной
радиолокацией как гражданского, так и военного
назначения, возможно только с использованием
активных фазируемых антенных решеток (АФАР),
работающих в многолучевом режиме с электрон-
ным сканированием диаграммы направленности
(ДН). Последнее достигается формированием в
каждый момент времени в излучающем раскрыве
определенного вида амплитудно – фазового рас-
пределения (АФР), обеспечивающего необходи-
мые амплитудное распределение и наклон фазо-
вого фронта. При этом накладываются дополни-
тельные требования на сохранение формы ДН,
высокого коэффициента усиления антенны, незна-
чительного роста боковых лепестков, что обеспе-
чивает помехоустойчивость системы в целом.
Таким образом, все основные функциональные
параметры РЛС определяются законом формиро-
вания АФР, погрешностями установки амплитуды
и фазы на каждом элементе АФАР, динамиче-
скими параметрами изменения АФР. Поэтому
разработка алгоритмов, методов измерения изме-
рительных комплексов для прямых измерений
АФР на некоторой поверхности, в непосредствен-
ной близости от раскрыва является актуальной.
Как правило, конструктивно АФАР пред-
ставляют собой двумерную решетку, в узлах
которой располагаются излучающие антенные
элементы, каждый из которых подключен к
приемо-передающему модулю (ППМ), причем
расстояние между антенными элементами по
двум координатам в апертуре раскрыва должно
составлять половину длины наиболее короткой
волны в рабочем диапазоне частот. Это условие
обеспечивает высокие технические характери-
стики АФАР в целом и накладывает жесткие
ограничения на габариты каждого одноканаль-
ного модуля.
В настоящее время оптимальной и наиболее
перспективной конструкции ППМ сантиметро-
вого диапазона длин волн, удовлетворяющей в
том числе и стоимостным требованиям, выбрана
следующая: многоканальный ППМ, комплекси-
рованный с печатными антенными элементами.
Указанная конструкция является универсальной
и может использоваться как для аналоговых
АФАР с формированием амплитудно – фазового
распределения (АФР) в апертуре с использова-
нием управляемых аттенюаторов и фазовращате-
лей, так и для цифровых решеток (АЦАР) с пря-
мым цифровым синтезом АФР.
Наиболее распространенными являются че-
тырех и восьми канальные ППМ, хорошо укла-
дывающиеся в двумерную двоичную матрицу. В
качестве антенных элементов используются раз-
личные типы печатных антенн. Такие антенны
имеют малые габариты, конструктивно и техно-
логически хорошо согласуются с конструкцией и
технологией изготовления СВЧ печатных плат
модулей. Кроме того, изготовление таких антенн
фотолитографическим способом гарантирует
максимально высокую повторяемость конфигу-
рации антенн, а, значит, и их электромагнитных
характеристик. Несмотря на то, что современные
пакеты программ позволяют с высокой степенью
достоверности рассчитывать пространственные
характеристики излучения как отдельно взятых
печатных антенн, так и с учетом их взаимного
влияния в двумерной антенной решетке, а также
ППМ в целом, при разработке и оптимизации
АФАР необходим этап физического моделиро-
вания, в том числе и печатных антенн, что пред-
полагает их изготовление и измерение их про-
странственных характеристик (диаграмм направ-
ленности ДН, коэффициента усиления КУ и др.).
Таким образом, на всех этапах разработки и
создания АФАР, а также в процессе эксплуата-
ции необходимо проведение измерений основ-
ных характеристик как изделия в целом, так и
отдельных элементов. Наиболее полную инфор-
мацию об указанных характеристиках дают из-
мерения в ближней зоне, достоверность и эффек-
тивность которых в значительной степени зави-
сят от выбора поверхности измерения.
Поскольку используемые антенные элементы, а
также отдельные приемо-передающие модули (в
том числе с числом каналов не более 8) являются
слабонаправленными, наиболее рационально
производить измерения на сферической поверх-
ности, охватывающей антенну. Однако, в отли-
чие от восстановления характеристик по измере-
ниям на планарной и цилиндрической поверхно-
стях, где используется эффективные алгоритмы
БПФ, обработка результатов измерения на сфе-
рической поверхности требует традиционного
интегрирования с привлечением присоединен-
ных функций Лежандра и сферических функций
Хамнкеля.
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
155
Решение уравнения Максвелла в сферической
системе координат для комплексных амплитуд
тангенциальных составляющих вектора электри-
ческого поля позволяет представить электромаг-
нитное поле ),,( rE ϕθτ
на поверхности сферы
радиуса r, охватывающей излучающую систему
в виде разложения φ по векторным сферическим
функциям (гармоникам) [1] :
∑ ⋅+⋅∑=
+
−==
n
nm
mnmnmnmn
N
n
NBMArE
1
),,( ϕθτ
Векторные сферические функции mnmn NM
, и
комплексные коэффициенты mnmn BA , выража-
ются через полиномы Лежандра )(θmnP , сфери-
ческие функции Ханкеля )(kzZ n и тангенциаль-
ные составляющие вектора E на сферической
поверхности радиуса r0(r0-радиус сферы, на ко-
торой производится измерение) [2]. Число N
определяется радиусом минимальной сферы,
охватывающей измеряемый объект. Тангенци-
альные составляющие поля Еφ Еθ на сфере лю-
бого радиуса (как больше, так и меньше r0 ) рас-
считываются по формулам, содержащим Фурье
преобразование по координате φ. В тоже время
полиномы Лежандра ( )θcosmnP можно предста-
вить в виде конечного ряда Фурье:
( ) ( )( )
( ) ,
!!2
!2
cos
0
22 ∑
=
−−
−
=
n
k
knjmn
k
mj
n
m
n eCemnn
n
P θ
π
θ
где mn
kC - постоянные коэффициенты, являю-
щиеся результатом алгебраических процедур.
Таким образом, интегрирование по координате
θ также сводится к преобразованию Фурье, что
позволяет использовать при расчетах тангенци-
альных составляющих поля на поверхности про-
извольного радиуса эффективный алгоритм
БПФ.
Разработанное на основании представленного
алгоритма программное обеспечение позволяет,
используя результаты измерений на сферической
поверхности радиуса r0, рассчитывать поле в
векторном виде на сферической поверхности
произвольного радиуса R. При R>>λ амплитуда
рассчитанного поля определяет пространствен-
ную диаграмму направленности исследуемого
объекта. Восстановление амплитудно-фазового
распределения на сфере минимального радиуса
позволяет проводить дефектоскопию антенных
элементов путем сравнения теоретических рас-
четов с результатами обработки эксперимен-
тальных данных, оптимизировать конструкцию
отдельного антенного элемента и линейки ан-
тенных элементов, учитывать влияние конструк-
тивных элементов модуля, а при наличии защит-
ных покрытий (панелей, укрытий, обтекателей)
определить степень их влияния, однородность
характеристик, провести их дефектоскопию (де-
струкция материала, накопления влаги и др.).
1. Никольский В.В. Электродинамика и
распространение радиоволн.- М.-1978.
2. Арфкен Г. Математические методы в
физике.-М.-1970.
УДК 621.382
МЕТОДИКА НА ОСНОВЕ МЕТОДА ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОФИЛЕЙ РАСТЕКАНИЯ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА
В ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ И СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ
Бумай Ю.А.1, Васьков О.С. 1, Кононенко В.К.1, Нисс В.С.1, Керенцев А.Ф.2, Петлицкий А.Н.2,
Рубцевич И.И.2
1Белорусский национальный технический университет
2ОАО Интеграл
Минск, Республика Беларусь
1 Методика исследования профилей
растекания теплового потока
Детальные исследования тепловых характе-
ристик полупроводниковых приборов проведены
методом тепловой дифференциальной релакса-
ционной спектрометрии ТРДС, хорошо зареко-
мендовавшим себя при анализе тепловых пара-
метров внутренних элементов гетеролазеров,
светодиодов и транзисторов [1].
Релаксационный метод основан на анализе
переходных электрических процессов, связанных
с разогревом полупроводникового прибора про-
ходящим через него током. Из временной зави-
симости температуры перехода при нагреве пря-
мым током находятся дискретный и дифферен-
циальный спектры теплового сопротивления Rth
прибора, значения тепловой емкости Cth и посто-
янной времени тепловой релаксации τ. Диффе-
ренциальный спектр определяется на основе
производных высшего порядка динамического
теплового импеданса и соответствует модели
Фостера, а дискретный – модели Кауера. Два
вида спектров (непрерывной и дискретный) теп-
лового сопротивления используются для анализа
и уточнения компонентов теплового сопротив-
ления в рамках электротепловой модели Фостера
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
156
и более физически точной модели Кауера. Вре-
менные зависимости изменения напряжения на
p-n переходе, которые дают возможность анализа
путей прохождения теплового потока по элемен-
там структуры, измеряются при помощи импе-
данс - спектрометра тепловых процессов [2],
разработанного в БНТУ.
В случае одномерного распространения теп-
лоты в полубесконечной пластине от верхней
части транзистора к теплоотводу распределение
температуры T(x, t) по глубине следует закону [3]
2
a
( , ) exp
4
P x
T x t
S tt
α −
= ⋅ απκ
, (1)
где α – коэффициент температуропроводности, κ
– коэффициент теплопроводности. Здесь P −
подводимая тепловая мощность, которая рассеи-
вается через активную площадь сечением Sа. Ко-
эффициент α = κ/сpρ, где cp – удельная теплоем-
кость, ρ – плотность, для Si величина сpρ состав-
ляет 1.69 Дж/см3∙К. Так как при этом
κ = 1.49 Вт/см К, то имеем α = 0.88 см2/с. Таким
образом, нагрев поверхности кристалла следует
закону
a
2
( )
P t
T t
S
α
∆ = ⋅
πκ
, (2)
и время корневого закона изменения темпера-
туры р–п перехода при импульсном электриче-
ском возбуждении транзистора охватывает дли-
тельности порядка 0.1–1 мс [4]. Это позволяет
определить активную площадь транзистора Sа в
зависимости от мощности импульса возбужде-
ния P.
Этот вывод следует из решения нестационар-
ного уравнения теплопроводности [3]. На на-
чальном участке нагрев активной области при-
бора прямо пропорционален √𝑡:
th2( )
PR t
T t∆ = ⋅
π τ
, (3)
где постоянная тепловой релаксации
( )2th a pR S cτ = κ ρ , а Rth − тепловое сопротивле-
ние активного слоя площадью Sa. Для Si посто-
янная тепловой релаксации составляет величину
порядка τ ≈ 3 мс и начальный участок нагрева
соответствует временам t ≤ 0.4τ [4].
Для определения распределения площади
теплового потока от поверхности кристалла до
внешнего терморадиатора использованы
величины e (тепловой эффузии) или величины
α = κ/ρcp (температуропроводности) для
слоистых компонентов полупроводникового
прибора. Если использовать соотношение между
тепловыми характеристиками Rth и Cth слоистых
компонентов структуры в виде
, (4)
то можно определить изменение активной
площади Sa при распространении теплоты вдоль
диода от p-n перехода к подложке, теплоотводу и
окружающей среде. Послойные значения
компонентов теплового сопротивления Rth и
тепловой емкости Cth, можно установить из
анализа дискретного спектра теплового
сопротивления измеряемой структуры [1].
Как известно [5], тепловая эффузия
e=κ/α1/2=(κρсp)
1/2 прямо связана с κ и α, поэтому
ее экспериментальное значение задается, как
, (5)
где Sa
* - эффективная площадь
полупроводниковой структуры, зависящая от
особенностей конфигурации прибора и
определяемая размерами слоев и площадью чипа
Sch, а также коэффициентом его заполнения γ.
2 Экспериментальная часть
Значения активной площади ряда транзисто-
ров находились по методике начального корне-
вого участка разогрева полупроводниковых при-
боров. Границы временного корневого участка
возбуждения типичных мощных транзисторов
соответствуют практически временам 0.1−2 мс.
Растекание теплового потока в кристалле
определяющего его активную площадь зависит
от особенностей конфигурации полупро-
водникового прибора и определяется размерами
слоев и площадью чипа Sch, а также
коэффициентом его заполнения γ, который
составляет практически 0.4–0.7.
На рисунке 1 представлены профили распре-
деления площади теплового потока для пары
мощных МОП транзисторов типа КП7209, полу-
ченные по разработанной методике и, для срав-
нения, фотоизображение области посадки кри-
сталла под припоем.
Рисунок 1 - Профили распределения теплового
потока в транзисторах 17n и-23n типа КП7209
металлокерамическом корпусе ТО-254 с разным
качеством посадки кристаллов
и фото-изображения припоя под кристаллом
Видно, что в образце 23n происходит
большее чем в 17n сужение теплового потока Sa в
th th 2 2 2
a a
1
/
p
R C
S c S
α
= =
κ κρ
* *
th th a/ /e C R S=
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
157
области посадки, что коррелирует с видимой
площадью дефектов на фото припоя.
На рисунке 2 представлены профили распре-
деления сечения теплового потока в мощных
светодиодах Cree XPG и Cree XPE с разной пло-
щадью кристалла. Видно, что на начальном уча-
стке, где растекание тепла определяется разме-
рами кристалла светодиода активная площадь
теплового потока коррелирует с геометрической
площадью кристалла для обоих образцов. На
участках, близких к внешнему корпусу прибо-
ров, уровни сечения тепловых потоков обоих
образцов выравниваются, из-за одинаковой кон-
струкции и тепловых параметров образцов.
Рисунок 2 – Профили распределения сечения
теплового потока в шкале времени для мощных
светодиодов компании Cree с разной площадью
кристалла Sch для Cree XPG – 2 мм
2 и Cree
XPE – 1 мм2
1. Васьков, О.С. Диагностика технологиче-
ских характеристик мощных транзисторов с по-
мощью релаксационного импеданс-спектрометра
тепловых процессов / О.С. Васьков [и др.] // Изв.
вузов. Материалы электрон. техники. – 2014,
№ 1. – С. 47–52.
2. Бумай, Ю.А. Релаксационный импеданс-
спектрометр тепловых процессов / Ю.А. Бумай
[и др.] // Электроника инфо. – 2010, № 3. –
C. 58–59.
3. Stout, R. P. Accuracy and time resolution in
thermal transient finite element analysis / R.P. Stout,
D.T. Billings // 2002-Int-ANSYS-Conf-91. –
http://ansys.com/staticassets/ANSYS/.
4. Vaskou, A.S. Thermal characterization of
light-emitting sources of Cree types / A.S. Vaskou
[et al.] // Proc. 12th Int. Conf. on Laser and Fiber-
Optical Networks Modeling, LFNM*2013. Sudak,
2013. P. 79–81.
5. Zakgeim, A.L. Comparative Analysis of the
Thermal Resistance Profiles of Power Light-Emit-
ting Diodes Cree and Rebel Types / A.L. Zakgeim,
A.E. Chernyakov, A.S. Vaskou, V.K. Kononenko,
V.S. Niss // EuroSimE 2013: 14th International Con-
ference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics
Simulation and Experiments in Microelectronics and
Microsystems. – 2013. – №01. – Р. 1/7-7/7.
УДК 621.78.062.2
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ
УГЛЕРОДА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПРОЦЕССА ГАЗОВОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ
Виленчиц Б.Б., Попов В.К.
Институт прикладных физических проблем им. А.Н. Севченко
Белорусского государственного университета
Минск, Республика Беларусь
Углеродный потенциал процесса газовой
цементации равновесия обычно регулируется
кислородными датчиками. Для коррекции сиг-
нала этого датчика, его показания сравниваются
с фольговой пробой. Для этого науглерожива-
ется тонкая железная фольга и в ней измеряется
содержание углерода, которое должно быть
равно углеродному потенциалу, измеренному
датчиком кислорода.
Предлагаемый метод для экспресс-определе-
ния содержания углерода в фольге основан на
гармоническом анализе вихревых токов [1] и
реализован в небольшом автоматизированном
устройстве, которое является надежным и про-
стым в использовании. С помощью этого уст-
ройства содержание углерода в тонкой желез-
ной фольге может быть получено с точностью
лучше, чем 0,03 % и за время менее 2 секунд в
диапазоне от 0 - 1,2 % массового содержания
углерода. Это эффективный инструмент для
быстрого контроля качества печных цементаци-
онных атмосфер и коррекции показаний кисло-
родного зонда.
Для качественной цементации необходимо,
контролировать концентрацию углерода на по-
верхности детали. Это косвенно делается с по-
мощью кислородных зондов. На основе изме-
ренного парциального давления кислорода и
химических условий равновесия цементацион-
ной атмосферы вычисляется углеродный потен-
циал. Поскольку цементация осуществляется
при высокой температуре (900 - 950 °С) в аг-
рессивной и пыльной среде, сигнал датчика
кислорода дрейфует. Для корректировки харак-
теристик датчика используют тонкую (50 мкм)
железную фольгу, которую размещают на ко-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
158
роткий промежуток времени, 10 - 30 мин, в печ-
ную атмосферу, чтобы углерод диффундировал
в фольгу по достижении равновесного состоя-
ния со средой. Равновесная концентрация угле-
рода в фольге равна углеродному потенциалу,
рассчитанному по парциальному давлению ки-
слорода в атмосфере [2]. В лабораторных усло-
виях концентрация углерода в железной фольге
измеряется гравиметрическим методом или из-
мерением содержания углекислого газа при ее
полном сжигании. Первый метод должен быть
сделан очень тщательно, чтобы исключить
влияние обработки образца при измерении веса.
Отпечатков пальцев, пыль, копоть следует избе-
гать. Для второго метода эти факторы сказыва-
ются на результате не так сильно, а основными
недостатками являются большая стоимость и
необходимость в квалифицированном персо-
нале. Настоящий метод измерения лишен ука-
занных недостатков.
Для неразрушающего определения характе-
ристик материалов электромагнитное тестиро-
вание было успешно использовано во многих
приложениях [2]. Измерительный эффект осно-
ван на взаимосвязи между состоянием мате-
риала и его электрических и магнитных свойст-
вах. При науглероживании фольги ее структуру
определяют содержание углерода и условия
охлаждения. Поскольку обычно скорость охла-
ждения небольшая, то структуру фольги опре-
деляют феррит, перлит и цементит в зависимо-
сти от содержания углерода. Электромагнитные
свойства фольги зависят от содержания в ней
углерода. Эти свойства могут быть измерены
электромагнитными методами. Для количест-
венного определения магнитных свойств ис-
пользуется гармонический анализ электромаг-
нитного поля вихревых токов. Информация о
магнитных свойствах ферромагнитного мате-
риала содержится в высших гармониках сиг-
нала. Эти гармоники зависят от формы магнит-
ного гистерезиса, которая связана со структурой
материала. Не существует фундаментальной
теории, описывающей связь между магнитными
свойствами и микроструктурой ферромагнит-
ных материалов, и в каждом конкретном случае
следует экспериментально доказывать значи-
мость такой корреляции. Типичная схема уст-
ройства содержит электромагнитную катушку,
создающую переменное электромагнитное поле,
которое взаимодействует с образцом ферромаг-
нитной фольги и возбуждает в нем вихревые
токи, зависящие от характеристик материала
фольги. Эти токи создают вторичное электро-
магнитное поле, которое противоположно
первичному.
Рисунок 1 – Блок-схема устройства
Магнитные свойства материала описываются
характерной кривой гистерезиса. Эта переда-
точная функция генерирует более высокие гар-
моники исходного синусоидального сигнала.
Преобразованный таким образом сигнал регист-
рируется приемной катушкой и разлагается на
спектральные составляющие с помощью Фурье-
преобразования. Низшая частота равна частоте
исходного сигнала. Более высокие гармоники
вызваны нелинейностью характеристики кривой
гистерезиса. На рисунке 1 показана блок-схема
устройства. На каждой стороне фольги нахо-
дятся по три катушки. Рядом с катушками пе-
редачи и приема расположены компенсацион-
ные катушки. При этой конфигурации достига-
ется оптимальное для исследования гомогенное
распределение поля в фольге и достигается ми-
нимальная чувствительность к возмущающим
воздействиям, таким как изменение расстояния,
краевой эффект или влияние наклона плоскости
фольги. Полученное распределение поля и рас-
положение катушек показаны на рисунке 2.
Рисунок 2 – Распределение магнитного поля
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
159
Рисунок 3 – Профили концентрации
углерода при разных условиях охлаждения
фольги
Для количественного определения содержа-
ния углерода в фольге, образцы фольги иссле-
довались на содержание углерода лабораторным
методом измерения. При этом важно учесть
возможные ошибки, возникающие при способе
извлечения фольговых образцов из печи. Неко-
торые возможные ошибки демонстрируются на
рисунке 3.
Когда образцы фольги охлаждаются на воз-
духе, происходит окисление и изменение по-
верхностной концентрации углерода. Охлажде-
ние в цементирующем газе имеет эффект даль-
нейшей цементации и приводит к более
высокому содержанию углерода. К тому же за-
частую не достигается однородная концентра-
ция углерода по всей толщине фольги. Так что
лучший способ извлечения фольги - выдержать
ее достаточно долго в атмосфере цементации и
медленно охладить в инертном газе.
Предлагаемым методом были обработаны
70 образцов фольги с параллельным определе-
нием содержания углерода лабораторным мето-
дом. Результаты статистической обработки
представлены на рисунке 4. Коэффициент кор-
реляции оставляет 97,5% со стандартным от-
клонением 0,06 % С.
Рисунок 4 – Экспериментальная оценка
точности и достоверности результатов
измерений
При строгом соблюдении рекомендаций по
извлечению фольги из печной атмосферы стан-
дартное отклонение возможно еще снизить.
Экспериментально определенная точность ме-
тода измерения достаточно высока для контроля
углеродного потенциала в процессах
цементации и может быть увеличена в
дальнейшем.
1.Rose, E.; Mayr, P.: Analyse von
PVD/CVD-Verschleißschutzschichten mit
der Glimmentladungsspektroskopie
(GDOS)// HTM – 1986- № 3, S.127.
2.Klümper-Westkam p,H.; Mayr, P.;
Reimche, W.; Feiste, K.L.; Bernhard, M.;
Bach, F.-W.: Bestimmung des
Kohlenstoffgehaltes in
Aufkohlungsfolien// HTM - 2002- № 5, S.
364-372.
УДК 006.91.034:537.811 (045)(476)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЭТАЛОН ЕДИНИЦЫ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НЭ РБ 26-15
Волынец А.С., Галыго А.В.
Республиканское унитарное предприятие «Белорусский государственный институт метрологии»
Минск, Республика Беларусь
Введение
Плотность потока энергии (далее – ППЭ) —
физическая величина, численно равная потоку
энергии через малую площадку единичной пло-
щади, перпендикулярную направлению потока.
Средства измерений ППЭ применяются в про-
мышленности, экологии, медицине, обороне,
научных исследованиях, транспорте и связи. В
Республике Беларусь измерения ППЭ в первую
очередь проводятся центрами гигиены и эпиде-
миологии при осуществлении контроля уровня
электромагнитного поля на соответствие требо-
ваниям стандартов системы безопасности труда,
санитарных правил и норм, устанавливающих
предельно допускаемые уровни воздействия
электромагнитных излучений на людей. Кроме
того средства измерений ППЭ находят примене-
ние при проведении мониторинга уровней элек-
тромагнитных полей на местности и осуществ-
лении контроля за использованием радиочастот-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
160
ного спектра инспекциями, при проведении
сертификационных испытаний продукции испы-
тательными лабораториями, при проведении
исследований по обеспечению защиты информа-
ции спецслужбами [1].
Состав и принцип работы эталона
Эталон предназначен для воспроизведения,
хранения и передачи размера единицы ППЭ в
свободном пространстве. Единица ППЭ является
производной от основных единиц, поэтому при
ее воспроизведении используются средства из-
мерений, заимствованные из поверочных схем
для средств измерения длины и частоты, кроме
того осуществлена взаимосвязь эталона единицы
ППЭ с исходным эталоном единицы мощности
электромагнитных колебаний ИЭ РБ 19-10.
Принцип действия эталона основан на ме-
тоде эталонной антенны, в соответствии с кото-
рым значение ППЭ определяется с помощью
эталонного измерителя ППЭ, а при передаче
размера единицы ППЭ используется метод за-
мещения эталонного преобразователя на иссле-
дуемый.
Эталон построен по блочному принципу. В
состав эталона входят следующие основные
блоки:
а) излучающий блок эталона;
б) измерительный блок эталона;
в) устройство юстировки и перемещения из-
лучающих модулей;
г) устройство юстировки и перемещения из-
мерительных модулей;
д) экранированная безэховая камера
2,3х2,3х4,8 м;
e) модифицированная экранированная полу-
безэховая камера Frankonia SAC – 3 Plus;
д) управляющая персональная электронно-
вычислительная машина (ПЭВМ) с прикладным
программным обеспечением.
Источником сигнала служит широкополос-
ный генератор сигналов с диапазоном рабочих
частот от 0,3 до 39,65 ГГц. Регулировка ППЭ
электромагнитного поля по уровню осуществля-
ется регулировкой выходной мощности генера-
тора. В диапазоне частот от 0,3 до 1,0 ГГц в ка-
честве излучающей антенны используется широ-
кополосная дипольная антенна П6-62 с низким
значением коэффициента усиления. Для созда-
ния электромагнитного поля большой ампли-
туды в данном диапазоне частот в высокочастот-
ный тракт между генератором и измерительным
мостом включается усилитель мощности
Schaffner CBA 9433. В диапазоне частот от 1,0 до
18,0 ГГц излучателем является рупорная антенна
ETS 3115, подключаемая к генератору через на-
правленный ответвитель №05 или мост измери-
тельный в зависимости от диапазона частот. В
диапазоне частот от 18,0 до 25,86 ГГц к генера-
тору через направленный ответвитель №03 под-
ключается рупорная антенна П6-63, в диапазоне
частот от 25,86 до 39,65 ГГц – рупорная антенна
П6-64 через направленный ответвитель №01. В
целях контроля и обеспечения стабильности
уровня мощности эталонного электромагнитного
поля во вторичное плечо направленного ответви-
теля подключается измеритель мощности РМ 2 с
термоэлектрическим преобразователем.
В состав измерительного блока входят иден-
тичные излучающим эталонные измерительные
антенны, к выходу которых подключаются к
термоэлектрические преобразователи измерителя
мощности РМ2. Крепление антенн осуществля-
ется в устройствах юстировки и перемещения
излучающих и измерительных модулей внутри
экранированной безэховой камеры с помощью
комплекта адаптеров для крепежа измеритель-
ных и излучающих антенн. Устройство юсти-
ровки и перемещения измерительных модулей,
изготовленное из диэлектрического материала,
позволяет в автоматическом режиме выполнять
изменение расстояния между антеннами, осуще-
ствлять поперечное перемещение, вращение ан-
тенны по азимуту и вокруг своей оси.
В состав эталона входят две безэховые ка-
меры, предназначенные для исключения переот-
ражений электромагнитных волн от стен и кон-
структивных неоднородностей, а также защиты
обслуживающего персонала от электромагнит-
ного излучения [2].
Эталон функционирует следующим образом.
Эталонные излучающие и измерительные ан-
тенны соответствующего диапазона устанавли-
ваются в экранированной безэховой камере на
расстоянии l, м, друг от друга. На эталонную
излучающую антенну с генератора сигналов че-
рез направленный ответвитель подается сигнал
требуемой частоты и мощности Рг. Эталонное
значение ППЭ
этП , Вт/м
2, создаваемого излу-
чающей антенной, определяется эталонной изме-
рительной антенной с подключенным к ней из-
мерителем мощности по формуле
эт
эт
эт S
Р
П = , (1)
где этР – мощность сигнала на выходе эталон-
ной измерительной антенны, Вт;
этS – эффективная площадь эталонной измери-
тельной антенны, м2.
Затем эталонная измерительная антенна за-
меняется на исследуемую антенну или измери-
тель ППЭ. Измеритель ППЭ подключается непо-
средственно к ПЭВМ через интерфейс Ethernet,
RS-232 или USB в зависимости от типа интер-
фейса, используемого измерителем ППЭ для
передачи данных. С генератора на излучающую
антенну подается сигнал мощности Рг, при этом
стабильность мощности сигнала контролируется
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
161
измерителем мощности РМ2, включенным во
вторичный канал направленного ответвителя
излучающего тракта. В случае изменения уровня
выходной мощности генератора выполняется его
корректировка. Далее производится регистрация
показаний исследуемого измерителя ППЭ либо
измерителя мощности, подключенного к выходу
исследуемой измерительной антенны.
Если исследуемым средством измерений яв-
ляется измеритель ППЭ, относительная погреш-
ность измерения δ определяется по формуле
%100⋅
−
=
эт
этизм
П
ППδ , (2)
где измП - значение ППЭ, измеренное исследуе-
мым измерителем ППЭ, Вт/м2.
Если объектом исследования является изме-
рительная антенна, эффективная площадь иссле-
дуемой антенны эфS , м2,рассчитывается по фор-
муле
эт
этизм
эф Р
SР
S
⋅
= , (3)
где измР - мощность сигнала на выходе
исследуемой антенны, измеренный измерителем
мощности, Вт;
этР - мощность сигнала на выходе эталон-
ной антенны, Вт;
этS - эффективная площадь эталонной ан-
тенны, м2.
Эталон обеспечивает воспроизведение еди-
ницы плотности потока энергии со среднеквад-
ратическим отклонением результатов измерений
не более 10 % при числе измерений n=5 и неис-
ключенной систематической погрешностью от
±10 % до ±30 % в зависимости от диапазона час-
тот и значения плотности потока энергии [3].
При оценке неисключенной систематической
составляющей погрешности учтены следующие
составляющие: погрешность измерения мощно-
сти измерителем мощности РМ на выходе эта-
лонной измерительной антенны, погрешность
эффективной площади эталонной измерительной
антенны; погрешность за счёт рассогласования в
тракте между измерительной антенной и измери-
телем мощности; погрешность за счёт переотра-
жений между излучающей и измерительной ан-
теннами; погрешность из-за неплоскостности
электромагнитного поля в месте сличения ан-
тенн; погрешность замещения измерительной
антенны на эталонную антенну; погрешность из-
за непостоянства электромагнитного поля за
время измерений; погрешность из-за переотра-
жений электромагнитных полей от стен безэхо-
вой камеры и др.
Заключение
Эталон обеспечивает потребности респуб-
лики при проведении метрологического кон-
троля средств измерений ППЭ и измерительных
антенн, эксплуатируемых отечественными пред-
приятиями, используется в научных и исследова-
тельских работах. В перспективе совершенство-
вание эталона связано с исследованиями харак-
теристик эталона с целью снижения
неисключенной систематической погрешности,
расширением динамического диапазона единицы
плотности потока энергии, проведением между-
народных сличений.
1. Создание и совершенствование эталонной
базы в области радиочастотных электро-
магнитных измерений. В.А. Тишенко,
М.В. Балаханов, В.И. Лукьянов. – Менделеево:
ФГУП «ВНИИФТРИ», 2013. – 198 с.
2. Правила хранения и применения нацио-
нального эталона единицы плотности потока
энергии электромагнитного поля.
3. Паспорт национального эталона единицы
плотности потока энергии электромагнитного
поля.
УДК 658
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СМК СТРОИТЕЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ
Врублевская Е.А., Спесивцева Ю.Б.
Белорусский национальный технический университет,
Минск, Республика Беларусь
КПД-1 ОАО «МАПИД» является одним из
основных поставщиков услуг в строительстве
нашей страны. В настоящее время перед пред-
приятием поставлена задача актуализации и со-
вершенствования СМК, которая должна соответ-
ствовать требованиям СТБ ISO 9001 с учетом
изменений новой версии.
Одним из основных инструментов совершен-
ствования СМК является оценка результативно-
сти, поскольку она позволяет принимать реше-
ния на основе фактов. Имеющаяся на предпри-
ятии методика имела ряд недостатков, поэтому
была разработана новая версия, учитывающая
лучшие стороны разных подходов.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
162
Комплексная оценка результативности СМК
(𝑅СМК) рассчитывается из полученных оценок
результативности процессов, удовлетворенности
потребителей и совершенствования СМК:
𝑅СМК = 𝑦потр + 𝑅проц + 𝑅общ3 ,
где 𝑦потр – оценка удовлетворенности потре-
бителя, %;
𝑅проц – общая оценка результативности
процессов СМК, %;
𝑅общ – общая оценка совершенствования
СМК, %.
При определении удовлетворенности потре-
бителя, предлагается выставить оценку по каж-
дому из влияющих факторов. Первым шагом
осуществляется построение матрицы частот
предпочтений, с использованием сгруппирован-
ных ответов потребителей по графе «Значи-
мость».
Результаты оценок значимости критериев и
группирование их по значимости:
- наиболее значимые факторы: качество ока-
занных услуг, уровень обслуживания (коэффи-
циент значимости 𝑘𝑖
уд=0,4), наличие
квалифицированного обслуживающего персо-
нала, конкурентоспособные цены, соблюдение
выполнения установленных требований
(𝑘𝑖
уд=0,3);
- факторы средней значимости: приемлемое
время исполнения заказа, оперативность реаги-
рования на запросы (𝑘𝑖
уд =0,2);
- наименее значимые факторы: простота пер-
воначального заказа (𝑘𝑖
уд=0,1).
Полученные значения представляют собой
весовые коэффициенты для факторов с точки
зрения предпочтений потребителей.
Следующим шагом в оценке удовлетворенно-
сти потребителя является выставление клиентом
оценки каждому фактору согласно предложен-
ной шкале удовлетворенности:
- 5 – результат превзошел ожидания потреби-
теля;
- 4 – потребитель удовлетворен услугой;
- 3 – потребитель частично удовлетворён ус-
лугой;
- 2 – потребитель больше не удовлетворен,
чем удовлетворен услугой;
- 1 – потребитель полностью не удовлетворен
услугой.
После анкетирования, которое должно прово-
диться раз в год проводится анализ полученных
оценок. Для каждого фактора рассчитывается
среднее значение удовлетворенности 𝑢ср𝑖:
𝑢ср𝑖 = ∑𝑢𝑖𝑗𝑛 ,
где uij – значение балльной оценки i-го фак-
тора j-м потребителем;
n – количество опрошенных потребителей.
Используя полученные коэффициенты зна-
чимости факторов и среднее арифметическое
значение удовлетворенности по каждому фак-
тору, получим оценку удовлетворенности потре-
бителей:
𝑦потр = �15 ∙�𝑘𝑖уд ∙ 𝑢ср𝑖� ∙ 100 %,
где 𝑘𝑖
уд – весовой коэффициент значимости
фактора;
𝑢ср𝑖 – среднее значение удовлетворенности по
каждому фактору;
1
5
– переводной коэффициент.
Результативность СМК зависит от результа-
тивности каждого из процессов, входящих в со-
став СМК. Критерий оценки показателя содер-
жит плановое значение показателя процесса,
выраженное в измеримых единицах, а также тре-
бование по условиям оценки фактического зна-
чения показателя.
В расчетах использованы имеющиеся в отче-
тах о функционировании СМК показатели ре-
зультативности процессов.
Общий показатель результативности рассчи-
тывается как среднее арифметическое показате-
лей результативности всех процессов ОАО
«МАПИД»:
𝑅проц = �𝑘𝑖пр ∙ 𝑅𝑖𝑚
𝑖=1
,
где 𝑅𝑖 – оценка результативности функции-
онирования i-го процесса;
𝑘𝑖
пр – весовой коэффициент оценки процесса;
𝑚 – количество процессов в организации.
Коэффициенты весомости i-го процесса (𝑘𝑖
пр)
СМК рассчитывается как соотношение числа
корректирующих мероприятий для i-го процесса
(КМ𝑖) на общее число корректирующих
мероприятий для всех процессов:
𝑘𝑖
пр = 1 − КМ𝑖
∑ КМ𝑖
𝑚
𝑖=1
.
Подход позволяет оценить те процессы СМК,
на которые необходимо выделить наибольшее
количество ресурсов для достижения поставлен-
ных целей. Процессы, в отношении которых не
определены корректирующие мероприятия,
имеют коэффициент весомости равный 1.
Расчет результативности каждого процесса
СМК осуществляется исходя из запланирован-
ных и реализованных целей каждого процесса:
𝑅𝑖 = ЦреалЦзапл ∙ 100%,
где 𝑅𝑖 – результативность i-го процесса;
Цреал – количество реализованных целей по
i-ому процессу;
Цзапл – количество запланированных целей по
i-ому процессу.
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
163
Потенциально возможно, что значение ре-
зультативности одного из рассматриваемых про-
цессов превышает 100%. В этом случае необхо-
димо использовать значение 100%.
Повышение результативности – один из
принципов совершенствования СМК, и это не-
маловажный пункт для анализа результативности
СМК.
Оценку выполнения корректирующих и пре-
дупреждающих мероприятий по результатам
аудитов определяем из соотношения
𝑅КиПМ = 𝑁выпол𝑁общ ∙ 100%,
где 𝑅КиПМ – оценка результативности выпол-
нения корректирующих и предупреждающих
действий, %;
𝑁выпол – количество выполненных мероприя-
тий;
𝑁общ – общее количество запланированных
мероприятий.
Помимо корректирующих и предупреждаю-
щих мероприятий, проведенных по результатам
аудиторских проверок, второй составляющей
оценки результативности совершенствования
СМК является выполнение предложений по со-
вершенствованию СМК:
𝑅соверш = 𝑘реал𝑘предл ∙ 100%,
где 𝑅соверш – оценка результативности реали-
зации предложений по совершенствованию
СМК, %;
𝑘реал и 𝑘предл – количество реализованных и
предложенных мероприятий соответственно.
Третьей составляющей является оценка ре-
зультативности СМК за предыдущий отчетный
период – 𝑅СМК
′ .
Общая оценка совершенствования СМК бу-
дет выглядеть как среднее арифметическое по-
лученных трех составляющих:
𝑅общ = 𝑅КиПМ + 𝑅соверш + 𝑅СМК′3 .
Для оценки результативности используется
шкала:
- СМК функционирует результативно и не
требует разработки каких-либо действий, если
𝑃СМК = 100 %;
- СМК функционирует результативно, но тре-
бует разработки предупреждающих действий,
если 𝑥1 < 𝑃СМК < 100 %;
- СМК функционирует результативно, но тре-
бует разработки незначительных корректирую-
щих действий, если 𝑥2 < 𝑃СМК < 𝑥1;
- СМК функционирует недостаточно резуль-
тативно и требует разработки значительных кор-
ректирующих действий, если 𝑥3 < 𝑃СМК < 𝑥2;
- СМК функционирует нерезультативно и
требует вмешательства высшего руководства,
если 0% < 𝑃СМК < 𝑥3.
Величины 𝑥1, 𝑥2, 𝑥3 устанавливаются при раз-
работке СМК и должны находится в диапазоне
от 0 до 100%. В рамках деятельности ОАО
«МАПИД» были установлены для величин 𝑥1,
𝑥2, 𝑥3 значения 93%, 80%, 53% соответственно.
Применение рекомендуемых оценок результа-
тивности для СМК позволяет определить степень
воздействия, необходимого для корректировки.
Сравнительный анализ двух методик показал,
что старая версия методики не корректно отра-
жала результативность СМК ОАО «МАПИД» –
каждый год наблюдался рост результативности.
Такая тенденция отражает политику на мотиви-
рование сотрудников для достижение целей про-
цессов. Однако, такой подход не учитывал удов-
летворенность потребителя, а данный показатель
для организации, предоставляющей строитель-
ные услуги, является очень важным. Также по-
литика постоянного улучшения, проводимая
высшим руководством, не находила отражения в
результатах оценки результативности, что не
позволяло корректно судить о тенденции совер-
шенствования СМК ОАО «МАПИД».
УДК 664
АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА САХАРНОЙ СВЕКЛЫ
Габец В.Л.1, Зубеня А.А.2
1Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
2ОАО «Скидельский сахарный комбинат»
Скидель, Республика Беларусь
Республика Беларусь является страной с раз-
витым аграрным сектором и обладает большим
потенциалом для увеличения производства
сельскохозяйственной продукции для
перерабатывающей отрасли, высокое качество
которой обеспечивает ей конкуренто-
способность на внутреннем рынке и рынках
соседних государств. В Беларуси
функционирует сложившаяся система
обеспечения качества и безопасности продуктов
питания. Для реализации мероприятий по
гармонизации национальных норм с ре-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
164
комендациями Всемирной организации здраво-
охранения (ВОЗ), Продовольственной и
сельскохозяйственной организации ООН (ФАО)
необходимо знать и учитывать основные прин-
ципы их формирования в странах-участниках
Всемирной торговой организации (ВТО). Это
позволит создать эффективный механизм регу-
лирования качества и безопасности сельскохо-
зяйственной продукции и продукции перераба-
тывающих отраслей, что обеспечит
необходимое высокое качество продуктов
питания, облегчит процедуру вступления
Республики Беларусь в ВТО. Кроме того,
производители ставят задачи по расширению
сбыта продукции на внешнем рынке в странах
ближнего и дальнего зарубежья, поэтому
требования стран-импортеров к такой
продукции обязаны учитываться при производ-
стве. Законы, ориентированные на внутренний
рынок страны, могут также непреднамеренно
повлиять на практику ведения бизнеса,
принятую в компаниях, действующих за
пределами государственных границ страны. Во
многих
случаях компании, продукция которых
предназначена для реализации на внешнем
рынке, вносят изменения в технологию
производства, чтобы привести эту продукцию в
соответствие с нормативами импортирующих
стран, даже если операции, выполняемые
компанией, полностью соответствуют
отечественному законодательству.
Мировое сообщество при устранении техни-
ческих барьеров в торговле стремится к реализа-
ции принципа «один стандарт, одно испытание,
одна оценка соответствия или испытаний одна-
жды принимается везде». Данный принцип во
многом отражен в ряде положений ЕС,
сущность которых заключается в четком
разделении обязательных и добровольных
требований к показателям качества продукции,
гармонизации требований стандартов,
технических регламентов и т. д.
Законодательство по контролю продуктов пита-
ния в странах ЕС имеет трехуровневую струк-
туру: европейские регулирующие положения
(решения, директивы); национальные регули-
рующие положения (законы, положения); регио-
нальное законодательство (законы, положения,
служебные предписания). В ЕС наиболее
важные показатели безопасности
сельскохозяйственной продукции и продукции
перерабатывающих отраслей определены в
постановлениях и директивах и направлены на
охрану здоровья населения, интересов
потребителя (предотвращение фальсификаций и
мошенничества при реализации продуктов
питания), защиту животных, растений и
окружающей среды. Регулирующие положения
европейского законодательства определяют кон-
кретные рамки применения национального и
регионального законодательства. Они доста-
точно гибки и позволяют осуществлять собст-
венное толкование национальных
регулирующих положений в любой стране,
являющейся членом ЕС, не противореча при
этом европейскому законодательству. В странах
ЕС постоянно разрабатываются новые
директивы, дорабатываются перечни
контролируемых веществ, устанавливаются
максимально допустимые уровни (МДУ) их
содержания в тех или иных продуктах питания
или в сырье.
В ЕС получила развитие и продолжает со-
вершенствоваться система сертификации произ-
водств сельхозпродукции. Сегодня невозможна
реализация сельскохозяйственной и пищевой
продукции на рынке ЕС без наличия на
предприятии подтвержденной системы
управления качеством и безопасностью на
основе принципов НАССР (Hazard Analysis and
Critical Control Point, что в переводе означает
анализ рисков и критические точки контроля),
которые являются ключевым элементом
семейства международных стандартов ISO
22000. Предприятия по производству пищевых
продуктов обеспечивают безопасность своей
продукции и проводят собственный контроль.
Функционирование системы самоконтроля
предприятий проверяется государственным
органом.
Автоматизация технологического процесса
для комплексной оценки качества экстракта са-
харной свеклы при производстве сахара на заво-
дах республики должна способствовать обеспе-
чению безопасности выпускаемой проукции.
В производственной лаборатории ОАО
«Скидельский сахарный комбинат» установлена
автоматизированная система для оптимизации
лабораторных анализов, который работает по
актуальным стандартам Международной
Комиссии по Единым Методам Анализа Сахара
(ICUMSA).
Система осуществляет весь спектр анализов
(сырье, промежуточные и конечные продукты)
для сахарного производства, а именно - анализ
сырых, промежуточных и конечных продуктов
сахарной промышленности на поляризацию;
Brix; кажущуюся чистоту; опционально на pH;
проводимость золы; цвет раствора, влажность
сахара и отражённый цвет.
Автоматизированная система включает ком-
плекс с вычислительным устройством для авто-
матического анализа сахарной свеклы на саха-
розу (Z), калий (К), натрий (Na) и альфа-амино-
кислотный азот.
Автоматизированная система представляет
собой компьютеризированную лабораторную
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
165
систему для контроля качества и анализа сахар-
ной свеклы в соответствии с официальными ме-
тодами ICUMSA. Содержание сахара,
оценённое по измерениям на поляриметре, не
отражает реальный выход сахара, поскольку
такие образующие мелассу ингредиенты
свеклы, как калий, натрий и альфа-амино азот
не учитываются в расчётах. Сахарные заводы
могут использовать данную систему и
дополнительные системы для оценки стоимости
сырья, для улучшения качества поставляемой
сахарной и, таким образом, увеличивать
прибыльность производства из года в год.
Материалом проб является масса-экстракт
сахарной свеклы, произведенной по методу «хо-
лодной дигестации»: Масса сахарной свеклы
разбавляется в соотношении 26 гр / 177 мл с ба-
зисным раствором ацетата свинца. Смесь разме-
шивается для экстрагирования растворимых со-
ставных частей и дальнейшей фильтрации.
Фильтрат должен быть свободным от веществ,
обусловливающих помутнение.
Для достижения хорошей точности замера,
базисный раствор ацетата свинца не должен со-
держать мешающие концентрации калия и на-
трия. Осветляющее средство должно быть
достаточно чистым и растворенным в
дистиллированной или деминерализированной
воде.
Основные технические характеристики к са-
харной свекле как к сырью для выработки
сахара должны характеризовать не только ее
пригодность к переработке, но и для хранения.
Введение в стандарт на свеклу требований к
показателям физического состояния
обусловлены тем, что примеси подвяленных,
цветушных, подмороженных и сильно
механически поврежденных корнеплодов
вызывают не только ослабление к устойчивости
ее к хранению, но и приводят к затруднениям в
технологическом процессе переработки.
Абсолютное большинство сахарных заводов
работает на сахарной свекле. И даже при выборе
оптимального режима переработки и рациональ-
ной организации производства технологические
качества свеклы определяют характер и размеры
потерь сахарозы – и, как следствие, выход кри-
сталлического сахара.
Выход сахара (и хранимость свеклы) зависит
от количественного элементного состава:
сколько в сырье содержится калия (К), натрия
(Na) и альфа-амино-азота, являющихся силь-
ными мелассообразователями. Большая концен-
трация альфа-амино-азота приводит к термиче-
скому разложению сахарозы, нарастанию цвет-
ности, повышению кислотности соков и
продуктов – а значит, к уменьшению сроков
хранения свеклы и снижению количества
готового продукта.
Аналитическое исследование свеклы при
приеме ее в переработку и закладке на хранение
помогает определить эффективность технологии
производства на различных стадиях. Используя
эти данные специалисты завода могут вырабо-
тать технико-экономическую модель производ-
ства и сформировать комплекс рекомендаций по
оптимизации режимов хранения и переработки.
Сахарные заводы могут использовать
автоматизированную систему для улучшения
качества поступающего для переработки сырья.
Если платить за свеклу не по весу брутто, а в
зависимости от содержания сахарозы и
редуцирующих веществ, то хозяйствам,
производящим сахарную свеклу хорошего
качества, дается дополнительный стимул. И
появляется объективная причина отказать в
поставках тем, кто снабжает свеклой низкого
качества – или хотя бы платить по спра-
ведливости меньше. А агротехнические пред-
приятия, занимающиеся выращиванием семян,
могут использовать автоматизированную сис-
тему для создания лучших сортов сахарной
свеклы с высоким содержанием сахарозы.
УДК 625.7.08
МЕТОД КОМПЕНСАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ
ГЕОРАДАРНОАКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ ПРОЧНОСТИ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ
Громыко А.В., Романов А.Ф., Ходасевич А.И., Чернобай И.А.
Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем
имени А.Н. Севченко» Белорусского государственного университета
Минск, Республика Беларусь
Разработанный авторами георадарно-
акустический метод измерений прочности
дорожных покрытий основан на измерении
модуля упругости E слоев дорожного покрытия
путем измерения скоростей распространения 1υ ,
2υ , …, nυ акустических колебаний в каждом
слое покрытия по параметрам распространения
радиолокационных сигналов, отраженных от
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
166
границ слоев дорожных покрытий [1-4]. Модуль
nE определяется с учетом плотности nρ
контролируемого покрытия, также определяемой
по скорости акустических колебаний:
2
nnnE υρ ⋅= . (1)
Измерения скорости распространения
акустических колебаний реализуется по
временам распространения 1PT , 2PT , …, PnT
акустических волн, определяемым по моментам
выделения фазоамплитудных флуктуаций
отраженных радиолокационных сигналов от
каждой границы между слоями, вибрирующей в
соответствии со сдвигом фаз, вызванным
распространением акустических волн от
излучателя через контролируемые покрытия. На
основании полученных результатов для времен
распространения вычисляются скорости
распространения акустических волн в первом,
втором, третьем … и n-м слоях:
1P
1
1 T
l
=υ ;
1P2P
2
2 TT
l
−
=υ ;…;
1PnPn
n
n TT
l
−−
=υ , (2)
где 1l , 2l ,…, nl - толщины каждого слоя,
измеряемые посредством отраженных
радиолокационных сигналов по следующим
формулам:
1
10
1
2
tc
l
ξ
= ;
2
120
2
2
)tt(c
l
ξ
−
= ;…;
n
1nn0
n
2
)tt(c
l
ξ
−−= , (3)
где 0c – скорость распространения
электромагнитной волны в вакууме; 1t , 2t , …,
nt – отметки времени в наносекундах,
измеряемые радиолокационным сигналом от
момента времени излучения радиолокационного
импульса до момента его приема при отражении
от каждой границы между слоями дорожной
одежды; 1ξ , 2ξ , …, nξ – величины
диэлектрической проницаемости слоев.
Однако проведенные испытания показали,
что метод наряду с его перспективностью имеет
определенные ограничения за счет внешних
помех, связанных со скоростью сканирования
автомобильной дороги. Поэтому предложен
эффективный метод компенсации динамических
погрешностей георадарноакустических измере-
ний, дающий возможность компенсировать
влияния случайных и повторных отражений
радиолокационных сигналов от любых
конструктивных элементов, случайных и
систематических неоднородностей, вариации
диэлектрических проницаемостей от разных
элементов конструкций и т.п., находящихся в
слоях автомобильной дороги. Компенсация
базируется на адаптивном принципе обработки
сигналов, позволяющем измерять, накапливать и
сдвигать во времени информацию об изменя-
ющихся характеристиках объекта контроля на
величину автоматически регулируемой
задержки с целью постоянной поддержки в
измерительной системе наивысшей эффектив-
ности компенсации для получения максимально
возможной точности измерения [5].
Компенсация динамических погрешностей
измерений и обеспечение высокой
помехоустойчивости при достаточно большой
скорости сканирования автомобильной дороги
достигается применением опорного, радиолока-
ционного сигнала. Это осуществляется
следующим образом.
Адаптивная обработка сигналов георадарноа-
кустических измерений является основой метода
компенсации динамических погрешностей. Су-
щественным методическим приемом реализации
метода является то, что осуществляют предвари-
тельное опорное зондирование покрытий авто-
мобильной дороги импульсными радиолокаци-
онными сигналами и по разности между момен-
тами формирования шумовых фазоамплитудных
флуктуаций отраженных радиолокационных
сигналов от каждой границы между слоями,
формируют и запоминают комплексный опор-
ный (шумовой) георадарноакустический про-
филь, который представляется в виде
ш
ni
1i
ш )j(G)t(P ϖ∑
=
=
= , (4)
где ni = – количество границ между слоями
дорожных одежд; G – функция интенсивности
сигнала; ϖj – комплексный спектр частот,
перекрывающий диапазон резонансных частот
дорожных покрытий от 1i = до ni = .
Измерение и запоминание шумового
георадарноакустического профиля )t(Pш
осуществляют по ходу сканирования перед
основным зондированием покрытий
автомобильной дороги импульсными
радиолокационными сигналами. В процессе
основного зондирования по разности моментов
формирования фазоамплитудных флуктуаций,
отраженных радиолокационных сигналов от
каждой границы между слоями, находящихся
под воздействием акустических волн,
формируют основной георадарноакустический
профиль )t(Po :
o
ni
1i
o )j(G)t(P ϖ∑
=
=
= , (5)
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
167
где o)j(G ϖ – функция интенсивности
основного сигнала в диапазоне частот ϖ .
Затем опорный (шумовой) георадарно-
акустический профиль )t(Pш , соответствующий
выражению (4), преобразуют в цифровой вид с
оптимизированными весовыми коэффициентами.
Этот профиль )t(Pш по логике определения
весового вектора с минимизацией погрешности
измерений задерживают на время )n(τ в
соответствии с выражением (3), причем время
задержки )n(τ равно времени движения
мобильного транспортного средства от центра
опорного зондирования до центра основного
зондирования. Параллельно формируют
основной георадарноакустический профиль
)t(Po , соответствующий выражению (5),
причем его также преобразуют в цифровой вид с
теми же весовыми коэффициентами, затем из
профиля )t(Po непрерывно вычитают опорный
шумовой георадарноакустический профиль
)t(Pш , причем полученный разностный геора-
дарноакустический профиль является искомым
измерительным профилем )t(Pи :
∑∑∑
=
=
=
=
=
=
=−=
ni
1i
и
ni
1i
ш
ni
1i
oи )(G)(G)j(G)t(P ϖϖϖ . (6)
Полученный измерительный профиль,
соответствующий выражению (6), обрабаты-
вается согласно методики, позволяющей
определять скорости распространения
акустических волн в слоях дорожных покрытий..
Для этого из )t(Pи с учетом полученной по
формулам (3) толщины 1l , 2l ,…, nl каждого
слоя, измеренного посредством определения
разности времен 1PT , 2PT , …, PnT
распространения отраженных от границ слоев
радиолокационных сигналов с поправкой на
диэлектрическую проницаемость слоя,
вычисляют и определяют по формулам (2)
скорости 1υ , 2υ , …, nυ распространения
акустических волн в каждом слое дорожной
одежды. По полученным величинам скорости
распространения акустических волн уточняют
плотность материала слоев и вычисляют по
формулам (1) модуль 1E , 2E , …, nE в каждом
из этих слоев, по которым оценивают и
определяют их прочности.
1. Чернобай, И.А. Совершенствование геора-
дарной технологии для определения качества ав-
томобильных дорог / А.В. Громыко, А.Ф. Ро-
манов, А.И. Ходасевич, И.А. Чернобай // Ма-
териалы 4-й Международной научно-техниче-
ской конференции «Приборострое-ние-2011». –
Минск, 2011. – С.295-296.
2. Чернобай, И.А. Георадарноакустическая
аппаратура экспресс-контроля качества
покрытий автомобильных дорог / А.Ф. Романов,
А.И. Ходасевич, И.А. Чернобай // Достижения
физики неразрушающего контроля: сб. научн. тр.
/ Под ред. Н.П. Мигуна. – Минск, 2013. – 380 с.
С. 296-304.
3. Чернобай, И.А. Функционирование геора-
дарноакустического комплекса по определению
прочности слоев автомобильных дорог /
А.Ф. Романов, А.И. Ходасевич, И.А. Чернобай //
Достижения физики неразрушающего контроля:
сб.научн.тр. / Под ред. Н.П.Мигуна. – Минск,
2013. – 380 с. С. 305-311.
4. Чернобай, И.А. Исследование точности
функционирования георадарноакустического
аппаратурного комплекса по определению проч-
ности дорожных покрытий / А.В. Громыко,
А.Ф. Романов, А.И. Ходасевич, И.А. Чернобай //
Материалы третьей Международной научно-
практической конференции «Прикладные
проблемы оптики, информатики, радиофизики и
физики конденсированного состояния». – Минск,
28-29 апреля 2015. – С. 208-213.
5. Теоретическое обоснование и реализация
метода компенсации динамических погрешно-
стей георадарноакустических измерений с разра-
боткой аппаратурного комплекса для монито-
ринга покрытий автомобильных дорог: отчет о
НИР (заключ.) / НИУ «Институт прикладных
физических проблем им. А.Н. Севченко» БГУ;
рук. И.А. Чернобай; исполн.: Ходасевич А.И.,
Романов А.Ф., Громыко А.В., Лисименко И.Ф.,
Позняк Н.К. [и др.]. – Минск, 2015. – 82 с. –
№ ГР 20143701.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
168
УДК 681.785.554
РАЗРАБОТКА ПРОЦЕДУРЫ СПЕКТРАЛЬНОЙ КАЛИБРОВКИ МОНОХРОМАТОРА
ИЗОБРАЖЕНИЯ С ВЫЧИТАНИЕМ ДИСПЕРСИИ
Гулис И.М., Купреев А.Г., Демидов И.Д.
Белорусский государственный университет
Минск, Республика Беларусь
Подход к получению мультиспектральных
изображений пространственной области, пред-
ложенный в работе [1], основывается на вычита-
нии дисперсии при обратном прохождении через
ту же оптическую систему. Спектральная фильт-
рация обеспечивается пространственным выде-
лением части дисперсионного изображения про-
тяженного входного окна и устранением посред-
ством вычитания дисперсии суперпозиции
пространственно-спектральной информации.
Преимуществами подхода являются взаимная
независимость пространственного и спектраль-
ного разрешения, повышенный спектральный
контраст [2], при разработке схемных решений
могут быть использованы простые оптические
элементы (сферические и плоские зеркала, пло-
ская отражательная дифракционная решетка),
разработан малоаберрационный вариант оптиче-
ской системы.
Как показано в [2], границы спектрального
интервала, в котором точка объекта изобража-
ется системой, зависят от положения этой точки
в проекции на направление дисперсии, причем
смещение интервала является линейной функ-
цией координаты. Для полного охвата спек-
трального интервала может потребоваться серия
измерений при различных положениях (углах
наклона) дифракционной решетки. Таким обра-
зом, в результате будет зарегистрирован массив
данных вида ( '', '', )A x y α , где x′′, y′′ – коорди-
наты точки на детекторе, α – угол поворота ди-
фракционной решетки. Для практических целей
необходимо иметь возможность получить из
этого массива спектральную информацию для
набора точек (x0, y0) входного окна 0 0( , , )I x y λ .
При этом спектральное разрешение не будет
превышать
0cos
cam
b
d
kf
β
λ∆ = ∆ , (1)
где b – постоянная решетки, k – порядок
дифракции, Δd – ширина отверстия в маске в
направлении дисперсии, fcam – фокусное рас-
стояние камерного объектива монохроматора.
Отсчет координат в плоскости объекта и изо-
бражения проводится от осевого луча, который
проходит через центры объективов, падает на
дифракционную решетку под углом α0, а
дифрагирует под углом β0.
В первом приближении можно считать, что
при регистрации сигнала 0 ( , , )I x y λ на
детекторе он модулируется функцией про-
пускания системы ,( '', '', , , )x y x yψ λ α и
функцией пропускания детектора ( , , )x yξ λ .
,
0
( '', '', , , )
( , , ) ( , , )
( '', '', ) x y x y
x y I x y
A x y ψ λ α
ξ λ λ
α ⋅
⋅
=
.
(2)
Чтобы из этого массива данных получить
оценку оригинальной пространственно-спек-
тральной информации, необходимо использовать
калибровочную функцию κ, которая отображает
каждую точку куба данных ( '', '', )A x y α в точку
куба данных 0 0( , , )I x y λ
0 0: ( '', '', ) ( , , )x y x yκ α λ→ . (3)
В пренебрежении искажениями изображения
входного окна на детектор функция κ учитывает
только описанное выше соотношение между
положением спектральной полосы и координа-
той точки на детекторе
( '', )xλ κ α= . (4)
При существенной величине аберраций (в
том числе, дисторсии) необходимо использовать
более общий вид (3), включающий вторую
пространственную координату.
Для построения калибровочной функции
можно воспользоваться полученными в [2] со-
отношениями для границ выделяемой спек-
тральной полосы:
1
2
' ''
' ''
b q
x x qC
kq p
b q
x x qC
qk p
λ
λ
≥ + +
≤ + +
, (5)
где
0cos
colfp
α
= ,
0cos
camfq
β
= , C = sinα0+sinβ0, fcol –
фокусное расстояние коллиматорного объектива
монохроматора.
Отсюда следует, что калибровочная функция
может быть представлена в виде
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
169
( )( )0 0
0
sin 1 cos sin cos
' ''cos ,m
cam col
b
k
b b
x x
kf kf
λ α ψ ψ α
α
= + −
+ +
(6)
где x′m – координата центра отверстия маски в
промежуточной плоскости изображения, также
для удобства вместо угла β0 введен угол
0 0ψ α β= − . Этот угол является параметром сис-
темы (угол между оптической осью системы пе-
ред падением на дифракционную решетку и по-
сле дифракции), поэтому более предпочтителен
для использования в калибровочных расчетах.
Формула получена при рассмотрении в качестве
длины волны λ центральной длины волны спек-
тральной полосы. При калибровке определить
положение центра спектральной полосы воз-
можно только для полос, которые целиком по-
мещаются на детекторе, то есть при достаточно
узкой щели в промежуточной плоскости изобра-
жения. К примеру, при численном моделирова-
нии процедуры калибровки использована ре-
шетка с b = 1200 штр./мм, ширина маски состав-
ляет 0.33 мм, при этом ширина изображения на
детекторе при монохроматическом излучении с λ
= 500 нм составляет 0.9 мм. В первом приближе-
нии можно считать, что расширение отверстия в
маске не приведет к искажениям калибровочной
функции, так что можно использовать получен-
ные результаты для измерений при другой ши-
рине.
При проведении реальных измерений углы и
координаты в формуле (6) могут быть измерены
с ограниченной точностью. Поэтому представ-
ляет интерес возможность их приблизительного
задания с последующей корректировкой посред-
ством процедур нелинейной аппроксимации. В
таком случае можно ввести следующие пара-
метры: αp – базовый угол падения на дифракци-
онную решетку, x′′p – базовая координата в плос-
кости детектора, 'm
cam
b
B x
kf
= , так что формула
(6) примет вид
(sin( )(1 cos )
sin cos( ))
cos( )( '' ).
p
p
p p
col
b
k
B
b
x x
kf
λ α α ψ
ψ α α
α α
= + + −
− + + +
+ + +
(7)
Представляет интерес получение величин
параметров αp, ψ, x′′p, B при проведении калиб-
ровки, включение их в калибровочную функ-
цию и дальнейшее использование при обра-
ботке результатов измерений. При таком под-
ходе устраняется необходимость точного
измерения углов α (фактически, угла поворота
дифракционной решетки) и ψ в системе, что
представляет собой достаточно трудоемкую за-
дачу при массовом изготовлении спектральных
приборов.
Получение величин указанных параметров
может быть проведено посредством построения
нелинейной регрессии с оценкой разброса ре-
зультатов при помощи МНК. В общем виде для
данной процедуры желательно использование
весовых коэффициентов или параметризации
для уравнивания вкладов отдельных парамет-
ров в общий результат.
На первом этапе была проведена оценка
вклада слагаемых в формуле (6) и влияния оши-
бок измерения угловых величин и линейных ко-
ординат на результат оценки длины волны.
Вклад первого слагаемого существенно прева-
лирует, что будет учтено при построении рег-
рессии. Была построена нелинейная регрессия,
позволяющая восстановить только параметры
x′′p, B при фиксированных параметрах αp, ψ.
1. Гулис, И. М. Двойной монохроматор
изображения с вычитанием дисперсии
/ И. М. Гулис, А. Г. Купреев, А. Г. Костюке-
вич // Вестник Белорусского государст-
венного университета. Серия 1. – 2011. –
№ 2. – С. 19–23.
2. Гулис, И. М. Спектральная селекция в мо-
нохроматоре изображения с вычитанием
дисперсии / И. М. Гулис, А. Г. Купреев
// Вестник Белорусского государственного
университета. Серия 1. – 2014. – № 3. –
С. 3–7
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
170
УДК 621.373.826:535.54
Nd3+:Ca10Li(VO4)7 ЛАЗЕР С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
Демеш М.П., Гусакова Н.В., Кисель В.Э., Ясюкевич А.С., Кулешов Н.В.
НИЦ Оптических материалов и технологий, Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Одной из важных проблем лазерной физики
является генерация лазерного излучения в виде
импульсов предельно малой длительности. Ре-
шение этой проблемы открывает пути создания
лазеров, обладающих высокой интенсивностью
излучения. Другим обстоятельством, мотиви-
рующим развитие лазеров ультракоротких им-
пульсов, является необходимость измерения
предельно коротких интервалов времени, что
позволяет исследовать различные быстропроте-
кающие процессы и создавать лазерные стан-
дарты частоты. Также перспективно применение
таких лазеров в медицине (оптическая когерент-
ная томография) и прецизионной обработке ме-
таллов.
Кристаллы твердых растворов на основе ва-
надата кальция Ca9Ln(VO4)7 (Ln = La
3+, Y3+, Gd3+,
Lu3+, Bi3+) и Сa10A(VO4)7 (A = Li, K) [1] с ионами
РЗЭ привлекательны как активные среды для
получения импульсов ультракороткой длитель-
ности, что связано с уширением их спектральных
линий и, соответственно, полос усиления. Пер-
воначально интерес к данным кристаллам был
обусловлен их нелинейно-оптическими свойст-
вами. Однако, исследование спектроскопических
свойств данных кристаллов показало их перспек-
тивность как активных сред твердотельных лазе-
ров [1-3].
Кристалл Nd:Ca10Li(VO4)7 относится к триго-
нальной сингонии, пространственная группа
симметрии – R3с. В оптическом отношении эти
кристаллы являются одноосными, причем опти-
ческая ось совпадает с осью симметрии третьего
порядка (ось с). Концентрация ионов неодима
составляет 9,2·1019 см-3.
В докладе представлены основные спектро-
скопические характеристики новой активной
среды – кристалла Nd:Ca10Li(VO4)7 и первые ре-
зультаты экспериментального получения лазер-
ной генерации на этом материале.
С точки зрения получения лазерной генера-
ции наибольший интерес представляет переход
4F3/2 →
4I11/2 в области 1 мкм. На рис. 1 представ-
лены спектры сечений поглощения σabs и стиму-
лированного испускания σem кристалла
Nd:Ca10Li(VO4)7 для σ – поляризации, так как они
имеют более высокие значения чем для π поля-
ризации. Значение сечения поглощения в макси-
муме полосы составляет 8,2·10-20 см2, а стимули-
рованного испускания – 6,4·10-20 см2.
Измеренное время жизни верхнего лазерного
уровня 4F3/2 равняется 140 мкс. Близкое к этому
значение имеет и радиационное время жизни,
рассчитанное по методу Джадда-Офельта [1].
Это свидетельствует о том, что квантовый выход
люминесценции близок к единице.
780 795 810 825 840
0
2
4
6
8
σ a
bs
, 1
0-2
0 c
м2
Длина волны, нм
1040 1060 1080 1100 1120
0
2
4
6
σ e
m
, 1
0-
20
c
м2
Длина волны, нм
Рис. 1 Спектры сечений поглощения и стиму-
лированного испускания кристалла
Nd:Ca10Li(VO4)7 (σ – поляризация)
Для проведения эксперимента была собрана
экспериментальная установка лазера с полусфе-
рическим резонатором, расчет которого проводился
методом ABCD матриц. Мощность усиленного
спонтанного излучения на длине волны ≈ 1 мкм,
регистрировалась при помощи фотоприемника
G5851 (HAMAMATSU) с усилителем за выход-
ным зеркалом резонатора. Выходная мощность
регистрировалась измерителем мощности 3А-Р
(Ophir). Для накачки использовался 25 Вт лазер-
ный диод FocusLigth с длиной волны
802 нм, излучение которого фокусировалось в
перетяжку диаметром 450 мкм. В схеме лазера
входное зеркало с радиусом кривизны 1000 мм
имело диэлектрическое покрытие, обеспечи-
вающее высокое пропускание для излучения на
длине волны накачки (≈ 802 нм) и высокое отра-
жение (> 99,9%) на длине волны генерации
1065 нм. В качестве выходных использовались
плоскопараллельные зеркала с коэффициентами
пропускания 1,5% и 5% на длине волны генера-
ции. Активный элемент представлял собой плос-
копараллельную пластину толщиной 0,7 мм и
был закреплен на медном теплоотводе. Темпера-
тура активного элемента поддерживалась на
уровне 15°С с помощью элемента Пельтье. На
рабочие поверхности элемента были нанесены
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
171
просветляющие покрытия как на длине волны
накачки, так и на длине волны генерации. В ходе
экспериментов был реализован режим свободной
генерации. При этом длительность импульса
накачки равнялась 2 мс, а частота следования
импульсов – 1 Гц. Наибольшая выходная мощ-
ность лазера 0,75 Вт была получена при пропус-
кании выходного зеркала 1,5%. Эксперимен-
тально определенные выходные характеристики
лазера представлены на рисунке 2. Дифференци-
альная эффективность составила при этом 40,7%.
1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
P o
ut
, W
Pabs, W
OC = 1,5 % η = 38,6 %
OC = 5 % η = 40,7 %
Рис. 2. Выходные характеристики лазера
на кристалле Nd:Ca10Li(VO4)7
Спектр лазерного излучения представлен на
рисунке 3 для Тос = 5 %. Длина волны, соответст-
вующая максимуму спектра генерации, соста-
вила 1065,2нм.
1060 1062 1064 1066 1068 1070
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
И
нт
ен
си
вн
ос
ть
, о
тн
.е
д
Длина волны, нм
∆λ = 1,66 nm
λmax= 1065,2 nm
Рис. 3. Спектр генерации лазера в режиме
свободной генерации
На рисунке 4 представлено распределение
энергии в пятне излучения. Качество пучка со-
ставляло М2 ≈ 1,1.
Рис. 4. Пространственный профиль излучения
на длине волны 1065 нм
При переходе к непрерывному режиму ра-
боты лазера уменьшалась эффективность генера-
ции с последующим ее срывом. Такое поведение
мы связываем с влиянием термолинзы на устой-
чивость резонатора. При увеличении мощности
накачки происходило разрушение активного
элемента. Это можно объяснить остаточными
послеростовыми напряжениями в кристалле. В
дальнейшем планируется проведение экспери-
ментов после высокотемпературного отжига вы-
ращенных кристаллов для снятия механических
напряжений.
Таким образом, исследованы основные ла-
зерные спектроскопические характеристики но-
вого лазерного материала Ca10Li(VO4)7:Nd и
впервые на этом кристалле был реализован ре-
жим генерации. Определены направления даль-
нейших исследований лазерных характеристик
данного кристалла.
1. Loiko P.A., Yasukevich A .S., Gulevich A. E.
at al. Growth, spectroscopic and thermal proper-
ties of Nd-doped disordered Ca9(La/Y)(VO4)7
and Ca10(Li/K)(VO4)7 crystals // Journal of
Luminescence, 2013, vol. 137, pp. 252-258.
2. M.B. Kosmyna, B.P. Nazarenko, et al.
Ca10Li(VO4)7:Nd
3+, a promising laser material:
growth, structure and spectral characteristics of a
czochralski-grown single crystal // Journal of
Crystal Growth, 2016, vol. 445 pp. 101-107.
3. M.B. Kosmyna, B.P. Nazarenko, et al. Growth
and spectroscopy of new laser crystals
Ca10Yb0,3K0,1(VO4)7 // Functional Materials,
2012, vol. 19, pp. 552-554.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
172
УДК 621.317.39:536.53
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА НЕТКАНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Джежора А.А.1, Рубаник В.В.2
1Витебский государственный технологический университет
2 ГНУ «ИТА» НАН Беларуси,
Витебск, Республика Беларусь
Нетканые материалы широко используются в
повседневной жизни, медицине, легкой про-
мышленности. Им присущ целый ряд уникаль-
ных свойств по сравнению с традиционными
тканями из хлопка и льна. Они обладают более
высокими барьерными свойствами для микроор-
ганизмов, имеют более высокий коэффициент
воздухопроницаемости, и т.д. Структура нетка-
ных материалов характеризуется сложным ие-
рархическим строением и представляет собой
статистический ансамбль микро и макроэлемен-
тов, различных по своим физико-химическим
свойствам, размерам и форме расположения во-
локон. Задачей является не только создание тех-
нологий получения волокнисто-пористых не-
тканых материалов с прогнозируемыми свойст-
вами, но и разработка неразрушающих не
инвазивных методов и средств диагностирова-
ния структуры нетканых материалов, контроль
ее на различных стадиях создания изделий из
них. Наиболее важными показателями качества
материалов являются упругие и деформацион-
ные показатели, такие как разрывная нагрузка
образца Рр, напряжение при разрыве рσ ,
относительное удлинение при разрыве рε .
Сравнивая эффективность и технические воз-
можности различных методов и средств нераз-
рушающего контроля, можно констатировать,
что среди большого многообразия методов и
средств контроля: электромагнитного, микрора-
диоволнового, ультразвукового, теплового, оп-
тического наиболее эффективным и экономич-
ным является электроемкостный метод контроля
[1]. Он характеризуется высокой чувствительно-
стью, точностью, малым уровнем мощности,
быстродействием, низкой себестоимостью. Элек-
троемкостной метод контроля позволяет осуще-
ствлять диагностику прочностных и деформаци-
онных свойств материалов и изделий, изучать
структуру контролируемых объектов в широком
частотном диапазоне.
Разнообразие конструктивных и схемотехни-
ческих решений, применяемых в электроемкост-
ном методе контроля, вызвано многообразием
объектов контроля, функционально техническим
назначением средств измерения и требованиями,
предъявляемыми к метрологическим, эксплуата-
ционно-техническим характеристикам. Непре-
рывное повышение этих требований: точности,
разрешающей способности, воспроизводимости,
стабильности обуславливает необходимость
дальнейшего совершенствования конструкций
емкостных датчиков, схем их подключения и
технологий изготовления с учетом успехов в
области микроэлектроники, компьютерных тех-
нологий.
В настоящее время проектирование электро-
емкостных датчиков полностью полагается на
численные методы.
В ГНУ «ИТА» НАН Беларуси был создан па-
кет программ, не уступающих их зарубежным
аналогам, а часто и превосходящий их по точно-
сти результатов расчета, по требованиям к ма-
шинному ресурсу, по длительности расчета.
Численный метод расчета полей электроемкост-
ных датчиков основан на использовании инте-
гральных уравнений Фредгольма первого рода
совместно с методом зеркальных отображений
[2].
Новый концептуальный подход в теории рас-
чета электроемкостных датчиков позволил
улучшить чувствительность датчиков к контро-
лируемым параметрам, поднять силу сигнала
(рабочей емкости датчика). С помощью меанд-
рового экранированного накладного измеритель-
ного конденсатора в плоскости контролируемых
образцов создавалось плоскопараллельное поле.
Расчетная картина электрического поля пред-
ставлена на рисунке 1.
Датчик был выполнен на подложке из теф-
лона (ε = 2,1) толщиной 2 мм, его металлизация
составила 0,5, ширина электродов 2 мм, их тол-
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
173
щина 30 μм, погонная длина электродов соста-
вила l =140 мм. К датчику подключался измери-
тель иммитанса Е7-20 с возможностью подклю-
чения через интерфейс RS-232С и математиче-
ской обработки результатов измерений. Это
средство измерений имеет широкий диапазоном
рабочих частот (25 Гц ÷ 1 МГц), класс точности
0,1 и высокую скоростью измерений.
Исследованиям подвергались образцы искус-
ственной кожи «NUBUK». Они представляет
собой нетканый армированный материал с по-
лиуретановым покрытием. В состав нитей входят
полиэфирные волокна - лавсан. Механические
свойства ИК NUBUK изучались с помощью
разрывной машины ИП 5158-5 на образцах
прямоугольной формы 180х20 мм с рабочей ча-
стью 100х20 мм со скоростью перемещения
нижнего зажима 70 мм/мин. Образцы выкраива-
лись в двух направлениях вдоль (В) и поперек
(П) основы. Линейные размеры образцов опре-
делялись по ГОСТ 17073-71 [3] с помощью ме-
таллической измерительной линейки (ГОСТ 427-
75) с ценой деления 1 мм и толщиномера типа ТР
10-60 (ГОСТ 11358-7) с точностью 0,01 мм при
давлении измерительной площадки на образец
4,9-14,8 кПа. Масса элементарных проб
измерялась на весах Nagema тип 34.003 с по-
грешностью не более 0,01 г. За результат опре-
деления поверхностной плотности образца при-
нимали значение округленное до 1 г/м2. Поверх-
ностная плотность образца, но не материала в
целом, позволяет косвенно оценить однород-
ность ИК вдоль и поперек рулона.
Все образцы сканировались меандровым эк-
ранированным накладным измерительным кон-
денсатором в направлении основы материала и
поперек. В качестве измеряемого параметра
бралась емкость накладного измерительного
конденсатора, так как она является интегральной
характеристикой и наиболее полно отражает
прочностные и деформационные свойства кон-
тролируемых образцов. Было установлено:
- материал NUBUK практически не обладает
дисперсией диэлектрических свойств в частот-
ном диапазоне 10 кГц ÷ 1 МГц;
- ему присуща слабая анизотропия диэлек-
трической проницаемости в плоскости мате-
риала. Коэффициент анизотропии диэлектриче-
ской проницаемости не превышает 1,07;
- нетканый слой вносит в структуру мате-
риала беспорядок.
Результаты предварительных исследований
физико-механических свойств образцов ИК
NUBUK приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Показатели физико-
механических свойств материала NUBUK
№
Т
ол
щ
ин
а,
м
м
П
ов
ер
хн
ос
тн
ая
п
ло
тн
ос
ть
,
г/
м
2
Ра
зр
ы
вн
ая
н
аг
ру
зк
а
Р
Р
, Н
О
тн
ос
ит
ел
ьн
ое
у
дл
ин
ен
ие
пр
и
ра
зр
ы
ве
ε
р,
%
Зн
ач
ен
ие
е
м
ко
ст
и,
п
ф
Зн
ач
ен
ие
е
ко
ст
и,
п
ф
в п в п в п в п
1 1,38 614 634 321 444 25 32 0,604 0,600
2 1,35 593 555 376 273 19 26 0,638 0,634
3 1,37 593 586 329 263 25 24 0,620 0,598
4 1,36 579 603 288 252 24 27 0,601 0,600
5 1,40 559 559 372 406 25 28 0,623 0,602
6 1,54 631 634 414 337 35 28 0,647 0,626
Ее анализ позволяет сделать следующие
выводы:
1) несмотря на архаичный характер строения
материала NUBUK между емкостью датчика и
разрывной нагрузкой Pp в направлении основы
существует взаимосвязь:
Pp= 9418,6Cв
2
- 9510,1Cв + 2619,9;
R2 ≈ 0,86;
2) определение деформационных свойств нетка-
ных материалов требует дополнительных иссле-
дований с накоплением статистических данных
об электрических параметрах на более предста-
вительной выборке образцов материала.
1. Xiaobei B. Li, Sam D. Larson, Alexei S.
Zyuzin, and Alexander V. Mamishev “Design
Principles for Multichannel Fringing Electric
Field Sensors,” IEEE SENSORS JOURNAL,
VOL. 6. № 2 , 2006. pp. 434 – 440
2. А. А. Джежора Модель накладного измери-
тельного конденсатора / А.А. Джежора,
В.В. Рубаник // Весцi НАН Беларусi. Серыя
фiзiка-тэхнiчных навук. – 2010, N 3. –
С. 99-103
4. ГОСТ 17073-71 Кожа искусственная. Метод
определения толщины и массы 1 м2. – введ.
01.07.72. – Минск: Белстандарт, 1996. – 15 с.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
174
УДК: 621.317.39.084.2
ДАТЧИК КОНТРОЛЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Джежора А.А.1, Чернов Е.А.1, Свистунов Б.Л.3, Царенко Ю.В.2
1Витебский государственный технологический университет
2ГНУ «Институт технической акустики» НАН Беларуси
Витебск, Республика Беларусь
3Пензенский государственный технологический университет
Пенза, Российская Федерация
Для контроля уровня нефтепродуктов широко
используют однопараметровые датчики уровня
топлива (ДУТ) [1] различных модификаций.
Принцип их работы основан на линейной зави-
симости емкости коаксиального конденсатора от
высоты уровня жидкого диэлектрика. Емкость
ДУТ определяется целым рядом параметров:
диэлектрической проницаемостью топлива, ди-
электрической проницаемостью паров над уров-
нем топлива, высотой уровня топлива, геометри-
ческими параметрами самого конденсатора. Так
как диэлектрическая проницаемость топлива
определяется сортностью топлива, температурой
топлива, наличием присадок, сторонних добавок,
абсорбированной влаги, то погрешность опреде-
ления уровня топлива посредством однопарамет-
рового ДУТ велика и может достигать десятка
процентов.
Этого недостатка лишен двухпараметровый
датчик уровня жидких сред [2, 3]. Конструктивно
датчик представляет собой составной коаксиаль-
ных цилиндрический конденсатор рис.1.
При создании математической модели дат-
чика каждый из четырех электродов рассматри-
вался в виде соосных бесконечно тонких цилин-
рических эквипотенциальных поверхностей с
различной плотностью заряда σs(Rs,t). Такой
подход позволил учесть реальные геометриче-
ские размеры электродов, их толщину и исследо-
вать характер распределения поля вне межэлек-
тродного зазора. В силу этого, поверхностная
плотность заряда для каждой из эквипотенци-
альных поверхностей электродов цилиндриче-
ского датчика является функцией одной пере-
менной t вдоль оси OZ σs(Rs,t). В качестве исход-
ного выражения при составлении интегральных
уравнений использовалась зависимость для
потенциала:
0 1
1 1
σ( )
4πε εM MNs
V s ds
r
= ∫ , (1)
где σ(s) – поверхностная плотность заряда на
электродах, s – поверхность интегрирования.
С учетом того, что расстояние в цилиндриче-
ской системе координат между точкой наблюде-
ния ( ,α , )M MM r z и переменной точкой
( ,α , )N NN r t определяется:
2 2 2
2 1( ) 2 cos(α α )MN M N M Nr t z r r r r= − + + − − , (2)
для электродов цилиндрического датчика,
расположенного в двухслойной среде,
1
2
ε , 1,
ε(z)
ε , 2,
при z h q
при z h q
> =
= < =
(3)
система интегральных уравнений примет вид
2π
0
0 0
α
σ ( , ) 4πε ε
m
s
L
s s s q m
MN
d
R t R dt V
r
=∫ ∫ , (4)
где Rs – радиусы внутренних и внешних по-
верхностей цилиндрических электродов, εq– ди-
электрическая проницаемость среды, в которой
находятся электроды либо часть электродов, Vm -
потенциалы на электродах, s = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8;
m=1,2
Решение системы интегральных уравнений
осуществлялось метод Крылова–Боголюбова.
Для дискретизации функций σ ( , )s sR t цилиндри-
ческие поверхности электродов разбивались на
кольца, в пределах которых поверхностная плот-
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
175
ность заряда принимала постоянные значения.
Исходя из найденных дискретных значений σi рассчитывалась емкость датчика. Ошибка рас-
чета емкостей датчика численным методом не
превосходила 1%. Несколько выше ошибка рас-
чета емкостей с помощью классического анали-
тического выражения. Но и эта ошибка не пре-
вышала 1%. Этот факт говорит о том, что в слу-
чаях, когда межэлектродные зазоры датчика R3–
R2, R5–R4 и R7–R6 на порядок меньше длин ци-
линдрических электродов
1
l и
2
l , с достаточно
высокой степенью точности для решения прямых
и обратных задач может быть использовано ана-
литическое выражение емкости цилиндриче-
ского конденсатора πε ε0 1 12 (ln )s sl R R .
Емкость датчика C1 определяется глубиной
погружения электродов в жидкость h – (l2 – l1),
емкость C2 определяется глубиной погружения –
h . Различия в глубинах погружения позволяет
определять диэлектрическую проницаемость
контролируемой жидкости через разность
нормированных емкостей C1(h)/C1(0), C2(h)/C2(0),
а затем определить глубину погружения
электродов h в контролируемую жидкость.
Глубина погружения электродов h зависит
только от дного неизмеряемого параметра –
диэлектрической проницаемости газообразной
среды ε1. Колебания ε1 незначительны и могут
быть усредненным (ε1≈1,0006).
Так как глубина погружения электродов в
жидкость описывается аналитическими выра-
жениями, то рассмотреный датчик может
выполнять калибровку самостоятельно, в
независимости от диэлектрической прони-
цаемости жидкости. Для всех исследуемых
жидкостей (дизельное топливо, подсолнечное и
рапсовое масла) ошибка расчета уровня не
превышала 1,5 мм. В зоне краевого эффекта,
когда h = l2 – l1 = 100мм, ошибка определения
уровня составила 2,0 мм.
Аналитические выражения, связывающие
показатели детонационной стойкости с
электрическими параметрами топлив [4],
позволяют определять детонационную стойкость
топлив.
Конструкция двухпараметрового датчика
уровня топлива имеет ряд преимуществ:
- двухпараметровый датчик содержит в себе
два датчика с различгой глубиной погружения
электродов в жидкость h и
h – (l2 – l1);
- датчик позволяет контролировать
диэлектрические свойства жидких сред, а значит
позволяет проводить оценку сортности топлива;
- датчик не требует калибровки, он
осушествлет ее самостоятельно;
- он имеет такие же размеры как и
однопараметровый датчик уровня топлива.
1. Боднер, В.А. Авиационные приборы. - М.:
Машиностроение, 1969. - 467 С.
2. Джежора, А. А. Двухпарметровый датчик
уровня жидкости / А.А. Джежора, В.В. Рубаник
// Приборы и методы измерений. – 2012. –
№ 1(4). – С. 56-61.
3. Мастепаненко М.А. Информационно-
измерительная система непрерывного контроля
уровня топлива в емкостях: автореф. дис. …
канд. техн. наук / М.А. Мастепаненко. –
Волгоград, 2014. –20 С.
4. Силов Е. А. Приборы и методы импедансных
измерений детонационной стойкости
углеводородных топлив: автореф. дис. … канд.
техн. наук / Е.А. Силов. – Самара, 2011. – 16 c.
УДК 006.032.531.7
НОРМАТИВНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ МИКРОГЕОМЕТРИИ
ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ
Дмитерчук Е.А., Соколовский С.С.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Поскольку первые методики измерения ше-
роховатости появились в начале 1930-х годов,
измерение текстуры поверхностей было осно-
вано на профильных методах измерения, т.е. по
сути на 2D-профилометрии и использовании
главным образом контактных измерительных
приборов, по крайней мере, до двух последних
десятилетий. И лишь в начале 1980-х годов на-
чали появляться более совершенные приборы
для измерения шероховатости топографическим
методом, такие как 3D-профилометры [1].
Первая важная работа по методологии 3D-из-
мерения текстуры поверхности была проведена в
рамках европейской программы под руково-
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
176
дством профессора Стаута из Бирмингемского
университета. Эта программа, которая выполня-
лась в период с 1990 по 1993 год, закончилась
публикацией известного издания «BlueBook», и
определением так называемых 14 бирмингем-
ских параметров [2]. Окончательный доклад по-
служил в качестве справочного материала для
почти всех производителей измерительных при-
боров, предназначенных для контроля парамет-
ров текстуры поверхностей, в течение 90-х
годов.
Результаты данной научно-исследовательской
работы были, затем, транспонированы для даль-
нейшего изучения в другую европейскую про-
грамму, называемую программой SurfStand. Она
выполнялась в период с 1998 по 2001 год кон-
сорциумом университетов и промышленных
партнеров во главе с профессором Л. Блантом.
Последняя программа закончилась публикацией
«GreenBook», её итоги кроме всего прочего со-
держали предлагаемую структуру для будущих
стандартов ИСО. Результаты программы были
представлены ISO в январе 2002 года в ходе
Мадридской встречи и официально переданы в
технический комитет TC213, чтобы начать про-
цесс стандартизации.
В июне 2002 года TC213 проголосовал за соз-
дание новой рабочей группы [TC213/ N499] и
поставил перед ней задачу разработки будущих
международных стандартов, регламентирующих
вопросы измерения параметров текстуры по-
верхностей. К концу 2005 года группой был раз-
работан первый стандарт этой серии, которому
был присвоен номер ISO 25178.
Сегодня параметры профиля и топографиче-
ские параметры поверхностей определены в не-
скольких международных стандартах, а боль-
шинство национальных или отраслевых стандар-
тов практически полностью им соответствуют в
главном, за исключением некоторых локальных
частных отличий.
В течение долгого времени был известен и
широко использовался только один параметр
профиля, обозначаемый как Ra (среднее арифме-
тическое отклонения профиля) или CLA (среднее
арифметическое отклонение профиля от средней
линии) или даже AA (среднеарифметическое).
Потом появились параметры RMS или Rq, Rz и
Rmax, а позже многие другие параметры [3].
На сегодняшний момент параметры профиля
разделены на три группы в зависимости от типа
профиля, для которого они вычисляются: 1) па-
раметры P вычисляются для основного профиля;
2) параметры R рассчитываются для профиля
шероховатости; 3) параметры W рассчитываются
для профиля волнистости.
ISO 4287 - Термины, определения и пара-
метры текстуры поверхности
Это основной стандарт для параметров про-
филя в системе ISO GPS. Он определяет условия
и содержит определения общих параметров.
Амплитудные параметры
Rt, полная высота профиля: высота между
самой глубокой впадиной и самым высоким пи-
ком на длине оценки. Этот параметр соответст-
вует параметру Rmax из ГОСТ 2789.
Rp, максимальная высота пика профиля: вы-
сота самого высокого пика от средней линии,
определяется на длине выборки.
Rv, максимальная глубина впадины на про-
филе: глубина самой глубокой впадины от сред-
ней линии, определенной на длине выборки.
Rz, максимальная высота профиля. Эквива-
лента данному параметру в ГОСТ 2789 нет, этот
параметр не соответствует параметру Rz (высота
неровностей профиля, определяемая по 10 точ-
кам) из ГОСТ 2789.
Ra, среднее арифметическое отклонение оце-
ночного профиля: определяемый по длине вы-
борки Rа используется в качестве глобальной
оценки амплитуды шероховатости на профиле.
Параметр идентичен параметру Rа из ГОСТ
2789.
Rq, среднеквадратичное отклонение оценоч-
ного профиля: соответствует стандартному от-
клонению распределения высоты, определенной
на длине выборки. Rq обеспечивает ту же ин-
формацию, что и Ra.
Rsk, асимметричность оцениваемого про-
филя: асимметрия распределения высот, опреде-
ляется на длине выборки. Этот параметр имеет
важное значение, поскольку он дает информа-
цию о морфологии поверхности текстуры. Тем
не менее, этот параметр не дает никакой инфор-
мации об абсолютной высоте профиля, в отличие
от Ra. Эквивалента данному параметру в ГОСТ
2789 нет.
Rku, островершинность оцениваемого про-
филя: распределение остроты высот, определя-
ется на длине выборки. Эквивалента данному
параметру в ГОСТ 2789 нет.
Rc, средняя высота профиля: определяется на
длине оценки. Он аналогичен параметру геомет-
рических узоров R в ISO 12085 и в этом смысле
его следует рассматривать в качестве параметров
отличительных признаков (ISO 25178). Эквива-
лента данному параметру в ГОСТ 2789 нет.
Шаговые параметры
Rsm, средняя ширина элемента профиля, оп-
ределяемая на длине оценки. Этот параметр со-
ответствует параметру Sm из ГОСТ 2789.
Гибридные параметры
R∆q, среднеквадратичное наклон оценочного
профиля, определяемый на длине выборки.
Rpc, количество пиков на единицу длины.
Данный параметр характеризует плотность пи-
ков на единицу длины.
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
177
Функциональные параметры
Rmr, относительный коэффициент смятия.
Этот параметр в определенной степени соответ-
ствует параметру tp – относительной длине
профиля (опорная) по ГОСТ 2789.
ISO 12085 - Параметры геометрических
узоров
Этот стандарт является международной вер-
сией французского стандарта, установленного
CNOMO, консорциумом с участием
PSAPeugeotCitroen и Renault, в течение 80-х и 90-
х годов. Метод нормирования текстуры основан
на графической сегментации профиля в геомет-
рические узоры, которые затем рассчитываются
по параметрам высоты и ширины. Оригинально-
стью и преимуществом этого метода является то,
что была установлена корреляция между значе-
ниями параметров и функциональными требова-
ниями. Это обычно называют французским ме-
тодом геометрических узоров или R&W пара-
метрами.
Недостатком этого подхода является его не-
стабильность, поскольку он основан на харак-
терных признаках поверхности вместо матема-
тической модели.
ISO 13565-2 и ISO 13565-3 - Поверхности с
послойным распределением функциональных
свойств.
Эта серия стандартов специально направлена
на стратифицированную структуру поверхности,
получаемую постадийно. Первая часть этой се-
рии, ISO 13565-1, определяет специальный
фильтр двойного прохода, который обеспечивает
своего рода устойчивость к глубоким искаже-
ниям, которые являются общими в стратифици-
рованных слоях. Рассматриваемые стандарты
определяют набор параметров, называемых Rk
параметрами, которые являются производными
от графического построения на кривой Аббота-
Фаерсторма. Параметры Rk должны рассчиты-
ваться только тогда, когда кривая Аббота имеет
S-образную форму, в противном случае графиче-
ское построение может дать сбой и значения
параметров не будут информативными.
ASMEB46.1
Этот американский стандарт сегодня соответ-
ствует стандартам ISO в большей мере, чем пре-
дыдущие версии, за исключением некоторых
отличий. Основное различие состоит в длине
выборки и усредненных параметрах. В соответ-
ствии с требованиями ASME, все параметры
профиля определяются и рассчитываются по
длине оценки.
VDA 2006
Этот стандарт немецкой автомобильной про-
мышленности объединяет параметры, опреде-
ленные в ISO 4287 и ISO 13565 и вводит не-
сколько правил, которые отличаются от ISO. Ос-
новное различие касается использования
фильтров микронеровностей λs, которые здесь
исключены. Он также вновь вводит параметр
Rmax который когда-то был частью ISO 4287 и
является хорошим дополнением к Rz.
VDA 2007
Этот стандарт определяет специальные пара-
метры для оценки периодических поверхностей,
особенно в области сопрягаемых поверхностей.
Их, как правило, называют доминантами волни-
стости. Он определяет три параметра, вычисляе-
мых после применения специального нулевого
полосового фильтра:
1) WDSm, горизонтальная волнистость.
2) WDC, средняя высота волнистости
элементов профиля.
3) WDT, общая высота волнистости про-
филя.
1. Стаут K. et al., The development of methods for
the characterization of roughness in three
dimensions /европейскийдокладEUR 15178N,
1993.
2. Вайтхаус, Д.Дж. Handbook of surface
metrology//Институтфизическихизданий,
Бристоль, 1994.
3. Ф. Блатэйрон New 3D Parameters and Filtration
Techniques for Surface Metrology // Digital
Surf, France, 2006.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
178
УДК 621.791
ВОПРОСЫ ПСИХОФИЗИЧЕСКОГО ВОСПРИЯТИЯ ОБЪЕКТОВ В ОБЛАСТИ
ЭКСПЕРТНОГО ОЦЕНИВАНИЯ
Иванова Н.Н.
Белорусский национальный технический университет,
Минск, Республика Беларусь
На практике существуют два закона
зависимости интенсивности раздражителя от
силы ощущений при экспертном оценивании:
- закон Фехнера: интенсивность ощущения
прямо пропорциональна логарифму
интенсивности раздражителя;
- закон Стивенсона: интенсивность ощущения
прямо пропорциональна степенной зависимости
от интенсивности раздражителя
Интенсивность раздражителя есть ни что
иное, как степень выраженности оцениваемого
свойства объекта, и проявляется через изменение
величины оцениваемого свойства, а сила
ощущений выражается оценкой эксперта этого
свойства.
Подробный анализ данной предметной
области показал, что Фехнер использовал шкалу
разности (вопрос «на сколько свойство одного
объекта отливается от свойства другого?», а
Стивенсон – шкалу разности и отношений («на
сколько/во сколько?»), таким образом можно
предположить, что при комбинации различных
методов экспертного оценивания на выходе
могут получаться различные законы восприятия
экспертом оцениваемого объекта (как
логарифмические, так и степенные).
Особый интерес также представляет
исследование относительных методов
экспертного оценивания, так как данные методы
находят широкое применение в области
экспертного оценивания объектов, как например
метод анализа иерархий (метод Саати).
Эксперимент был проведен по методике,
описанной в [1] и включал в себя опрос
экспертов 4 методами УКСП, РКСП, УКСО,
РКСО.
На рисунках 1-2 представлены некоторые
результаты эксперимента: по оси ОХ
нормализованные средние значение экспертных
оценок по каждой фигуре и по ОY –
нормализованные действительные значения
оцениваемых параметров.
Можно сделать вывод, что при оценке разно-
сти свойств объектов (вопрос: «на сколько свой-
ство одного объекта больше свойства другого?»),
оценки будут изменяться по логарифмической
зависимости (закон Фехнера). При оценке отно-
шения свойств объектов (вопрос: «во сколько
свойство одного объекта больше свойства дру-
гого?») оценки будут изменяться при изменении
уровня качества объектов по степенной зависи-
мости (закон Стивенсона).
Рисунок 1 – Результаты оценивания по методу
РКСП (оценка разности)
Рисунок 2 – Результаты оценивания по методу
РКСП (оценка отношения)
Кроме того, зная функциональную связь ме-
жду интенсивностью ощущения и вызвающего
его раздражителя, можно учитывать это как ме-
тодическую составляющую в комплексной
оценке неопределенности методов экспертного
оценивания.
Для более детального исследования гипотезы
о законе психофизического восприятия в экс-
пертном оценивании и определения степени до-
верия к экспертным оценкам определялась через
значение рассеяния результатов экспертного
оценивания, полученных в процессе реализации
эксперимента.
Степень доверия к экспертным оценкам, по-
лученным тем или иным методом, определялась
через значение среднего квадратического откло-
нения (далее – СКО) результатов экспертного
оценивания, полученных в процессе реализации
модельного эксперимента. Эксперимент для ка-
ждого метода (i, i = 1…8) и каждого уровня оце-
ниваемой величины (j, j = 1…15) проводился в
соответствии с иерархическим планом (рису-
нок 3), рекомендуемым СТБ ИСО 5725-2
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
179
Рисунок 3 – Схема расчета СКО методов
экспертного оценивания
СТБ ИСО 5725–3 допускает использование
методики дисперсионного анализа ANOVA для
определения оценок составляющих суммарной
дисперсии воспроизводимости метода. В нашем
случае дисперсионный анализ был проведен при
помощи программного обеспечения Excel.
Для каждого фигуры (в нашем случае круг) была
составлена матрица с нормализованными оценки пло-
щади фигуры каждым экспертом в 2-ух турах. С
помощью надстройки Excel «Анализ данных»
нами был проведен дисперсионный анализ
значений матрицы (таблица 1).
Таблица 1 – Матрица оценок площади
первого круга
Эксперты
№ тура
Эксперт 1 Эксперт 2
Тур 1 0,0011 0,0019
Тур 2 0,0014 0,0015
Результаты дисперсионного анализа значений
матрицы представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты дисперсионного
анализа оценок экспертов для первого круга
Источник вариации
Значение
среднего
квадрата MS
Между группами, MSэффект 0,000020
Внутри групп MSошибка 0,000023
В данной таблице представлены компоненты
дисперсии, вызванной межгрупповым разбросом
(средним квадратом эффекта или MSэффект) и
компоненты дисперсии, обусловленной
внутригрупповым разбросом (средним
квадратом ошибки или MSошибка). В нашем случае
значения MSэффект и MSошибка соответственно
являются аналогами межгрупповой и
внутригрупповой дисперсии.
На основании проведенного анализа методов
попарного сравнения типа «на сколько?» и «во
сколько?» составлен рейтинг методов
экспертного оценивания, представленный на
рисунках 4-5.
Рисунок 4 – Рейтинг методов парного
сравнения типа «на сколько?»
Рисунок 5 – Рейтинг методов парного
сравнения типа «во сколько?»
Можно сделать вывод, что более «бедная»
информативно шкала разности (интервалов) дает
более достоверные результаты, чем
информативно «богатая» шкала отношений.
По результатам расчетов внутригрупповой и
межгрупповой дисперсий можно сделать
выводы:
- вклад внутригрупповой составляющей
дисперсии (дисперсии каждого эксперта (тур 1 –
тур 2)) в СКО метода, в целом больше чем вклад
межгрупповой составляющей дисперсии при
случайном предъявлении объектов, т.е. в
рандомизированных методах (дисперсии группы
экспертов (эксперт 1 – эксперт 2));
- в методах парного сравнения типа «во
сколько?» дисперсия резко возрастает на этапах
оценки последних фигур, в связи с тем, что в
«относительных» методах оценки экспертов
подчиняются закону геометрической прогрессии.
Используемые источники
1.Серенков П.С., Романчак В.М., Гиль Н.Н.
Повышение достоверности методов
экспертного оценивания в рамках системы
менеджмента качества. Метрология и
приборостроение №6 – Минск, 2015. – 18 с.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
180
УДК 621.791
ВОПРОСЫ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ СООТВЕТСТВИЯ МЕДИЦИНСКИХ ИЗДЕЛИЙ В СТРАНАХ
ЕВРОПЕЙСКОГО СОЮЗА
Иванова Н.Н., Чувашева Е.В., Якушик Е.А.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Согласно Директиве 93/42/ЕЕС медицинское
оборудование — изделия медицинской техники,
назначение которых — обеспечить оптималь-
ные условия для больного, а также для меди-
цинского персонала при проведении мероприя-
тий лечебно-диагностического характера и по
уходу за больными.
Медицинское оборудование включает в себя
медицинские столы, кресла, средства транспор-
тировки больных, стерилизационное оборудова-
ние, тележки, подъемники, столики, кровати,
медицинские шкафы, светильники, моечное и
дезинфекционное оборудование.
Авторами была рассмотрена классификация
медицинского оборудования согласно Дирек-
тиве 93/42/ЕЕС и выделены следующие класси-
фикационные группы:
- кратковременное (непрерывно использу-
ется в течение не более 60 минут).
- краткосрочное (непрерывно используется в
течение не более 30 дней).
- долгосрочное (непрерывно используется в
течение более 30 дней).
- инвазивное (которые полностью или час-
тично вводятся внутрь тела человека либо через
естественное отверстие в теле, либо через по-
верхность тела).
- хирургическое (которые вводятся в тело
через поверхность тела с помощью или при хи-
рургической операции).
- имплантируемое (которое предназначено
для полного ввода в тело человека или замены
любой эпителиальной поверхности или поверх-
ности глаза посредством хирургического вме-
шательства, и которое должно оставаться на
месте после завершения процедуры).
- активное (которое использует для своей
работы источники электроэнергии).
Все медицинские изделия подразделяют в
зависимости от степени потенциального риска
их применения в медицинских целях на четыре
класса. Классы имеют обозначения 1, 2а, 2б и 3.
Каждое медицинское изделие может быть
отнесено только к одному классу:
1) к классу 1 - медицинские изделия с низ-
кой степенью риска;
2) к классу 2а - медицинские изделия со
средней степенью риска;
3) к классу 2б - медицинские изделия с по-
вышенной степенью;
4) к классу 3 - медицинские изделия с высо-
кой степенью риска.
Медицинские изделия для диагностики (in
vitro) могут быть отнесены к классам 1, 2а, 2б
или 3 в зависимости от потенциального риска
результатов их использования.
В зависимости от присеваемого медицин-
скому изделию класса риска, отличаются воз-
можные для применения схемы подтверждения
соответствия согласно Приложениям (Annex)
Директивы. Неправильный выбор схемы под-
тверждения соответствия, а также класса риска
медицинского изделия значительно усложняет
процедуру подтверждения соответствия.
При классификации медицинских изделий
учитывают их функциональное назначение и
условия применения.
При классификации медицинских изделий
учитывают следующие критерии:
1) длительность применения медицинские
изделия;
2) инвазивность медицинские изделия;
3) наличие контакта с человеческим телом
или взаимосвязи с ним;
4) способ введения медицинские изделия в
тело человека (через анатомические полости
или хирургическим путем);
5) применение для жизненно важных орга-
нов и систем (сердце, центральная система кро-
вообращения, центральная нервная система);
6) применение источников энергии.
Кроме того, с Директивой 93/42/ЕЕС связано
порядка 1500 гармонизированных Европейских
стандартов, что усложняет понимание требова-
ний и составления классификации медицинских
изделий. Также, необходимо учитывать, что
медицинское оборудование, как правило, попа-
дает под несколько Директив, как минимум три
- Директива по медицинскому оборудованию,
Директива по низковольтным системам, Дирек-
тива по электромагнитной совместимости. В
организации, выпускающей медицинское обо-
рудование, в обязательном порядке должна
быть внедрена система менеджмента каче-
ства ISO 13485. Внедрение данной системы
качества позволяет уже на стадии проектирова-
ния продукции избежать ошибок, которые мо-
гут повлечь к выпуску продукции, с не
соответствующими заявленными параметрами и
могут причинить вред здоровью и окружающей
среде.
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
181
Для первоначальной (предварительной) оценки
процедуры сертификации СЕ по медицинскому
оборудованию, необходимо предоставить следую-
щую информацию:
-подробное описание изделия,
-чертежи, схемы изделия,
-копии протоколов испытаний,
-перечень применявшихся гармонизированных
стандартов (европейские стандарты) Европейского
Союза, если применялись,
-контактные данные ответственного лица
В рамках работы над данной темой был со-
ставлен алгоритм, позволяющий путем ответов
на простые вопросы выйти на класс риска меди-
цинского изделия. Часть алгоритма представлена
в таблице 1.
Таблица 1 – Алгоритм определения класса риска
медицинского изделия
№
пункта
№
правила
Вопрос
Ответ
Вывод
обозна-
чение
класса
переход
к
пункту
1 1 Является ли
медицинское
изделие (далее –
МИ) инвазив-
ным?
Да
Нет
-
-
9
2
2 2 Предназначено
ли МИ для хра-
нения органов,
частей органов
или хранения
или введения в
организм паци-
ента крови,
других жидко-
стей, газов, паров
или тканей?
Да
Нет
-
-
3
4
3 2 Используют ли
МИ совместно с
МИ класса 2а и
более высокого
класса?
Да
Нет
2а
2а
32
32
4 3 Предназначено
ли МИ для изме-
нения биологи-
ческого или
физико-химиче-
ского состава и
свойств крови,
других физиоло-
гических жидко-
стей или
жидкостей, кото-
рые должны
поступать в
организм?
Да
Нет
-
-
5
6
Окончание таблицы 1
5 3 Заключается ли
действие МИ
только в фильт-
рации, обработке
на центрифуге
или газо- или
теплообмене?
Да
Нет
2а
2б
32
32
6 4 Соприкасается
ли МИ с повреж-
денной кожей?
Да
Нет
-
1
7
32
7 4а Используют ли
МИ как механи-
ческий барьер,
для компрессии
или для аб-
сорбции эксуда-
тов?
Да
Нет
1
-
32
8
8 4б
4в
Используют ли
МИ преимуще-
ственно для ран,
которые можно
вылечить только
посредством
вторичного
заживления?
Да
Нет
2б
2а
32
32
9 5 Является ли
инвазивное МИ
хирургическим?
Да
Нет
-
-
15
10
10 5 Предназначено
ли МИ для при-
соединения к
активному МИ
класса 2а и более
высокого класса?
Да
Нет
2а
-
32
11
11 5а Предназначено
ли инвазивное
МИ для кратко-
временного
применения?
Да
Нет
1
-
32
12
…
Таким образом, в рамках работы над данной те-
мой была изучена классификация медицинских из-
делий, требования Директивы 93/42/ЕЕС, а также
предложен алгоритм, помогающий определить класс
риска медицинского изделия, классификационное
правило и схему подтверждения соответствия. Дан-
ный алгоритм необходим для организаций, которые
сбираются экспортировать производимые медицин-
ские изделия в Европейский союз.
1. 93/42/EEC Medical Devices Directive
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
182
УДК 535
СОЛНЕЧНЫЙ СПЕКТРОПОЛЯРИМЕТР ССП-600
Катковский Л.В., Мартинов А.О., Крот Ю.А., Бручковская С.И., Ломако А.А., Силюк О.О.,
Станчик В.В., Хомицевич А.Д.
Научно-исследовательское учреждение «Институт прикладных физических проблем
имени А.Н. Севченко» Белорусского государственного университета
Минск, Республика Беларусь
В ходе работы по проекту «Мониторинг-СГ»
союзного государства «Россия-Беларусь» отде-
лом аэрокосмических исследований НИИПФП
им. А. Н. Севченко БГУ был изготовлен экспе-
риментальный образец Аппаратно-программного
комплекса (АПК) «Калибровка» [1], предназна-
ченного для наземных и авиационных измере-
ний.
Задача АПК «Калибровка» состоит в одно-
временном использовании различных способов
спектрометрии: комплексирование спектрора-
диометров различных спектральных диапазо-
нов; регистрация изображений спектрометри-
руемого объекта с пространственной привязкой
поля зрения спектрорадиометра к изображению;
географическая привязка снимаемых объектов;
одновременная съемка спектров отражения под-
стилающей поверхности и освещающего
излучения с высоким спектральным
разрешением; возможность измерения
коэффициентов спектральной яркости
(КСЯ) и спектрального альбедо; регистрация
спектрально-угловых зависимостей рассеянного
в атмосфере излучения Солнца в большом числе
спектральных каналов [2]. АПК «Калибровка»
объединяет в своем составе пять спектральных
приборов, покрывающих в совокупности спек-
тральный диапазон 0,4 – 2,5 мкм и позволяющих
измерять угловые зависимости спектров отраже-
ния подстилающих поверхностей, прямого и рас-
сеянного атмосферой солнечного излучения. В
докладе представлен входящий в АПК солнеч-
ный спектрополяриметр ССП-600.
Рисунок 1 – ССП-600
ССП-600 предназначен для измерения пря-
мого солнечного и рассеянного атмосферой под
различными углами излучения в диапазоне 350-
650 нм. Изготовленный макет ССП-600 (рисунки
1-2) включает в себя полихроматор с приемни-
ком излучения на ПЗС линейке с 3648 элемен-
тами. Перед проекционным объективом разме-
щена бленда, уменьшающая в 1000 раз уровень
паразитной засветки. ССП-600 снабжен визиром
для наведения поля зрения на соответствующие
участки неба с помощью поворотного крон-
штейна треноги.
Рисунок 2 – Сборный чертеж ССП-600
Технические характеристики ССП-600:
Проекционный объектив «МС Гелиос 44–
3М»
Фокусное расстояние, мм 58,0
Угол поля зрения, ° 40
Диспергирующий элемент вогнутая
голографическая
дифракционная
решетка
Число штрихов, штр/мм 315
Рабочий спектральный
диапазон, нм
330 – 1050
Спектральное разрешение, нм 1,2 – 2,0
Приемник излучения ПЗС линейка
фирмы Toshiba
TCD 1304DG
Число рабочих элементов
приемника
3648
Была проведена калибровка ССП-600 по
спектральной плотности энергетической яркости
и калибровка по длинам волн на метрологиче-
ском комплексе «Камея-М» (рисунки 3-4). В це-
лях верификации проведенных калибровок, ап-
робации аппаратуры, а также получения атмо-
сферных данных проводились измерения
спектров атмосферы по следующей схеме (рису-
нок 5). В безоблачный день установленный на
крыше здания на высоте 30 м над уровнем земли
ССП регистрировал спектры (рисунок 6) с опре-
деленным шагом по углу в альмукантарате
Солнца и в плоскости солнечного вертикала.
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
183
Рисунок 3 – Градации яркости
фотометрической сферы
Рисунок 4 – Отклик ССП-600 в отсчетах
АЦП для одной из градаций яркости
фотометрической сферы
Рисунок 5 – Методика проведенного
эксперимента
AB – направление на Солнце; круглые
маркеры – точки регистрации спектров в
плоскости альмукантарата; квадратные маркеры
– точки регистрации спектров в плоскости
солнечного вертикала.
Рисунок 6 – Спектр АЦП неба
Проведены сравнения измеренных спектров и
рассчитанных для условий измерений по извест-
ным программам расчета переноса излучения.
Измеренные спектры будут использованы для
решения обратной задачи для определения пара-
метров аэрозольной атмосферы над г. Минском.
Наряду с измерениями отраженного подсти-
лающей поверхностью излучения другими спек-
трорадиометрами АПК «Калибровка» эти данные
обеспечивают наземную информацию для по-
летных калибровок спутниковых сенсоров.
1. Разработка комплекса наземной
спектральной аппаратуры для
обеспечения полетных калибровок
спутниковых съемочных систем /
Б.И. Беляев [и др.] // Шестой Белорусский
космический конгресс: Материалы
конгресса. В 2 т. (28-30 октября 2014
года, Минск). – Минск: ОИПИ НАН
Беларуси, 2014. – Т.1. – С. 234-237.
2. Беляев, Б.И. Анализ спектральных
данных дистанционного зондирования
водных поверхностей / Б.И. Беляев [и др.]
// Тринадцатая Всероссийская открытая
конференция "Современные проблемы
дистанционного зондирования Земли из
космоса", Сборник тезисов докладов
конференции. Москва, ИКИ РАН, 16-20
ноября 2015.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
184
УДК 006.91.015.5(045)(476)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ
МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДТВЕРЖДЕНИЯ ПРИГОДНОСТИ
МЕТОДИК ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ
Крышнев М. М.
Белорусский государственный институт метрологии
Минск, Республика Беларусь
На сегодняшний день практически на каждом
предприятии измерения являются неотъемлемой
составляющей производства, контроля и оценки
продукции. Для этих целей, большинство пред-
приятий прибегают к созданию собственных
лабораторий, и стремятся повысить уровень до-
верия к результатам испытаний со стороны по-
требителя. Для этого лаборатория не может
обойтись без утвержденной в установленном
порядке методик выполнения измерений (далее -
МВИ). В связи с этим, все большее внимание
уделяется процедурам и методам подтверждения
пригодности МВИ.
Для практически всех количественных МВИ
при подтверждении пригодности проводится
эксперимент по оцениванию показателей точно-
сти. При оценке показателей точности данных
МВИ необходимо установить значения оценки
смещения и стандартного отклонения в различ-
ных условиях прецизионности, которая достига-
ется посредствам изменения факторов, вносящих
изменчивость в результат измерения. Поэтому
при подтверждении пригодности МВИ лабора-
ториям приходится проводить значительное ко-
личество измерений в рамках эксперимента по
оцениванию показателей точности. Из этого сле-
дует, что весомый вклад в стоимость данного
эксперимента вносят затраты, связанные с ис-
пользованием образцов при измерениях и амор-
тизацией оборудования, поэтому у лабораторий
существует потребность в обоснованном и целе-
сообразном сокращении количества измерений
при проведении эксперимента по оцениванию
показателей точности, что повлечет за собой
снижение стоимости самого эксперимента,
уменьшение трудоемкости и времени на выпол-
нение работ по подтверждению пригодности
МВИ.
При оценке показателей точности МВИ в об-
щем случае используется серия стандартов СТБ
ИСО 5725. При оценке показателей прецизион-
ности наиболее часто используются иерархиче-
ские планы: план с полной группировкой и план
со ступенчатой группировкой. Согласно СТБ
ИСО 5725-3 n-факторный эксперимент с полной
группировкой требует получения 2n-1 результа-
тов измерений от каждой лаборатории, что мо-
жет оказаться чрезмерным требованием для ла-
бораторий. Это главный аргумент в пользу плана
со ступенчатой группировкой. Этот план требует
меньшего количества результатов, чтобы полу-
чить такое же количество стандартных отклоне-
ний, хотя анализ является более сложным и име-
ется большая неопределенность в оценках стан-
дартных отклонений из-за меньшего количества
результатов измерений.
Алгоритм повышения эффективности метро-
логического подтверждения пригодности МВИ
путем обоснованного сокращения количества
измерений в плане эксперимента по оценке пока-
зателей точности МВИ состоит из восьми этапов:
этап 1: Планирование эксперимента путем
составление полного иерархического плана экс-
перимента по оценке показателей точности;
этап 2: Проведение эксперимента по оценке
показателей точности по полному иерархиче-
скому плану;
этап 3: Обработка экспериментальных дан-
ных по полному иерархическому плану;
этап 4: Составление иерархического плана со
ступенчатой группировкой, используя данные
полученные в ходе математической обработки
результатов эксперимента по полному иерархи-
ческому плану;
этап 5: Проведение эксперимента по оценке
показателей точности, используя план со ступен-
чатой группировкой;
этап 6: Обработка экспериментальных дан-
ных для иерархического плана со ступенчатой
группировкой;
этап 7: Сравнение показателей точности двух
планов;
этап 8: Использование иерархического плана
со ступенчатой группировкой для оценивания
показателей точности других аналогичных МВИ.
Данный метод может применяться в строго
указанных пределах, так как значение дисперсии
повторяемости и воспроизводимости увеличива-
ется при использовании плана со ступенчатой
группировкой.
Осуществление оценки метрологических ха-
рактеристик методик, проверку приемлемости и
контроль стабильности результатов измерений
является трудоемким и сложным процессом,
который требует от сотрудников лаборатории
соответствующей квалификации и знания в об-
ласти математической статистики и теории веро-
ятности. Помимо сложных статистических рас-
четов, при которых необходимо использовать
табличные значения статистических функций и
приписанных характеристик методик, необхо-
димо вести множество контрольных карт, при
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
185
этом отслеживая состояние каждой из них, и по-
стоянно уточнять нанесенные на карты кон-
трольные пределы. С этой целью многие лабора-
тории применяют специализированные компью-
терные программы, основными недостатками
которых является их высокая стоимость и огра-
ниченность в применении, и поэтому возникает
необходимость создания программного прило-
жения которое:
- при создании не требовала знаний в области
программирования;
- имело бы возможность максимального рас-
пространения на рабочих местах операторов;
- создавалось по рекомендациям пользо-
вателей.
Решением данной задачи стало создание про-
граммного приложения в пакете Microsoft Office,
который широко используется при работе с элек-
тронными документами.
Программное приложение представляет со-
бой электронную книгу с поддержкой макросов
(формат .xlsm) в программе MS Excel.
В ячейках записаны формулы, которые позво-
ляют обработать информацию и построить ло-
гику вычислений. Также предоставляется воз-
можность экспортировать полученные резуль-
таты в текстовый документ, который
впоследствии можно редактировать. На рисунке
1 представлены модули приложения по обра-
ботке экспериментальных данных.
М
од
ул
и
пр
ил
ож
ен
ия
п
о
об
ра
бо
тк
е
эк
сп
ер
им
ен
та
ль
ны
х
да
нн
ы
х
1
"Оценивание наличия статистических
разбросов и выбросов"
2
"Определение показателей точности
МВИ"
3
"Оценивание устойчивости МВИ
к воздействию влияющих факторов"
4
"Оценивание стабильности СКО
в повседневных измерениях"
5
"Оценивание стабильности
правильности в повседневных
измерениях"
6
"Оценивание неопределенности
результатов измерений"
7
"Определение аналитических
характеристик МВИ"
Рисунок 1 - Модули приложения по обработке
экспериментальных данных
Первый модуль приложения по обработке
экспериментальных данных разработан для
оценки наличия разбросов и выбросов в выборке
по критерию Кохрена и Граббса согласно
СТБ ИСО 5725-2-2002.
Второй модуль приложения по обработке
экспериментальных данных позволяет определя-
ять показатели точности: правильность (оценку
смещения) и прецизионность (оценки дисперсии
в условиях повторяемости, воспроизводимости и
в промежуточных условиях прецизионности) для
полного и ступенчатого иерархического плана
согласно СТБ ИСО 5725-3-2002 и
СТБ ИСО 5725-4-2002.
Третий модуль приложения по обработке
экспериментальных данных используется для
оценки значимости влияния факторов и проверки
устойчивости (робастности) метода к изменению
факторов с помощью метода дисперсионного
анализа и метода регрессионного анализа.
Четвертый и пятый модуль приложения по
обработке экспериментальных данных представ-
ляет собой контрольные карты с рассчитывае-
мыми границами, применяемые для оценивания
стабильности среднеквадратического отклонения
результата измерений в условиях прецизионно-
сти, и правильности. Данные карты разработаны
согласно рекомендациям СТБ ИСО 5725-6-2002.
Шестой модуль приложения по обработке
экспериментальных данных разработан для
оценки неопределенности результатов измере-
ний. При разработке данного модуля использо-
валось "Руководство по выражению неопреде-
ленности измерения".
Седьмой модуль приложения по обработке
экспериментальных данных применяется для
определения аналитических характеристик таких
как: предел обнаружения, предел количествен-
ного определения, линейность и чувствитель-
ность метода.
Данное приложение позволяет графически
интерпретировать результаты, редактировать и
печать отчеты, обеспечивает гибкость (возмож-
ность переналадки под себя, для удовлетворения
потребностей лаборатории), простоту в исполь-
зовании.
Таким образом, в связи с всеобщим внедре-
нием компьютеризации практически во все об-
ласти человеческой деятельности, организации,
занимающейся проведением измерений, испыта-
ний и контроля, необходимо постоянно повы-
шать эффективность своей работы, для того
чтобы обеспечить непрерывное развитие и фи-
нансовую стабильность, что, в свою очередь,
является подтверждением актуальности данной
темы.
1. Серия стандартов СТБ ИСО 5725-2002 Точ-
ность (правильность и прецизионность) мето-
дов и результатов измерений. Часть 2, 3, 4, 6.
2 Руководство по выражению неопределенно-
сти измерения: Перевод с англ. под науч. ред.
проф. Слаева В.А. – ГП ВНИИМ им.
Д.И. Менделеева, С.-Петербург, 1999. - 134 с.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
186
УДК 542.61
ОПЫТ ОРГАНИЗАЦИИ СЛИЧИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С ЦЕЛЬЮ ОЦЕНКИ
КВАЛИФИКАЦИИ ИСПЫТАТЕЛЬНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ
Матюш И.И.1, Савкова Е.Н.1, Гайдаш Е.А.2
1Белорусский национальный технический университет
2Частное предприятие «ЛабГарант»
Минск, Беларусь
Межлабораторные сличения как инструмент
подтверждения компетентности (проверки ква-
лификации) аккредитованных испытательных
лабораторий приобретают все большую актуаль-
ность, поскольку позволяют оценить характери-
стики функционирования участников по заранее
установленным критериям.
В настоящее время в Республике Беларусь
более трех тысяч аккредитованных испытатель-
ных лабораторий. Для обеспечения регулярных
межлабораторных сличений создаются провай-
деры проверки квалификации - организации,
которые несут ответственность за все задачи по
разработке и выполнению программы проверки
квалификации. Одно из таких предприятий – ЧП
«ЛабГарант», на базе которого осуществлялись
работы по организации межлабораторных сличи-
тельных испытаний грунтов. Были привлечены
17 аккредитованных лабораторий. В ходе испы-
таний определялись параметры грунтов – влаж-
ность, плотность, коэффициент фильтрации,
грансостав.
По результатам нескольких туров межлабора-
торных сличений в достаточной степени верно
можно судить о стабильности функционирова-
ния системы измерений того или иного участ-
ника (лаборатории). В случае выявления выбро-
совых значений критериев оценки в ходе про-
верки участникам могут быть предложены
корректирующие действия. Нормативные доку-
менты, действующие в этой области также пред-
лагают различные способы графической интер-
претации результатов расчетов, что упрощает
понимание положения того или иного участника
по отношению к другим (рисунок 1).
Как видно из рисунка 1 значения количест-
венного показателя z участников I и L выходят за
границы интервала значений [-2;+2]. Согласно
СТБ ISO 13528 данные результаты следует ин-
терпретировать как предупреждающий сигнал.
Выбросовыми считаются значения количествен-
ного показателя z’ выходящие за границы интер-
вала значений [-3;+3].
Выбор статистик функционирования, значе-
ния которых будут использоваться в выводах,
зависит от того, какие данные были предостав-
лены участниками в ходе проверки квалифика-
ции.
Рисунок 1. Столбиковая диаграмма
количественного показателя z, рассчитанного
для участников A,B,C,D,G,H,I,J,L в ходе первого
тура межлабораторных сличений (измеряемая
величина – удельное сопротивление грунта)
Исходя из блок-схемы алгоритма действий по
применению статистических методов при реали-
зации программы проверки квалификации при-
веденной в СТБ ISO 13528 в случае с участни-
ками A,B,C,D,G,H,I,J,L из восьми предлагаемых
для вычисления статистик функционирования
были рассчитаны количественные показатели z.
Количественный показатель z вычисляется по
формуле: z = (x − X)/𝜎�,
где x – результат заявленный участником;
X – приписанное значение;
𝜎� − стандартное отклонение для оценки
квалификации.
В качестве приписанного в данном случае
было использовано согласованное значение от
экспертных лабораторий. CТБ ISO 13528 предла-
гается также вариант, когда приписанное значе-
ние определяется как робастное среднее. Его
можно использовать в расчетах и в дальнейшем
считать их корректными только в случае, когда
количество участников достаточно велико.
Стандартное отклонение для оценки квалифика-
ции может быть также получено разными спосо-
бами до или после проведения проверки квали-
фикации. Так, стандартное отклонение для
оценки квалификации 𝜎� при оценке характери-
стик функционирования участников на основа-
нии обработки результатов измерения удельного
сопротивления грунта не было определено до
проведения проверки квалификации, было рас-
-Основной
-Основной
-Основной
-Основной
-Основной
-Основной
Основной
Основной
Основной
Основной
Основной
Основной
Основной
A B C D G H I J L
Y
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
187
считать робастное стандартное отклонение ре-
зультатов s∗ (пункт 6.6 СТБ ISO 13528) по алго-
ритму А приложения С СТБ ISO 13528 которое в
дальнейшем было использовано в качестве 𝜎�.
Учитывая, что в качестве стандартного отклоне-
ния для оценки квалификации 𝜎� используются
робастное стандартное отклонение результатов s∗, формула для расчета количественных показа-
телей изменяется следующим образом: z = (x − X)/s∗,
где x – результат заявленный участником; X – приписанное значение; s∗ − робастное стандартное отклонение
результатов.
Расчет стандартного отклонения для оценки
квалификации 𝜎� на примере первого тура межла-
бораторных сличений (измеряемая величина –
удельное сопротивление грунта) осуществлялся
следующим образом. Расчет значений робаст-
ного среднего x∗ и робастного стандартного от-
клонения s∗ в соответствие с СТБ ISO 13528.
Начальные значения x∗ и s∗ как: x∗ = медиана xi ; s∗ = 1,483 ∙ медиана |xi − x∗| , i = 1, 2, … , p
где xi − результат i-го участника;
p – количество всех участников;
Значения медианы совокупности результатов xi(i = 1, 2, … , p) и медианы разностей |xi −x∗| (i = 1, 2, … , p) представлены в таблице 1
Таблица 1 – Значения медиан совокупности
результатов xi и разностей |xi − x∗|
код
участника
xi
медиана
xi (x*)
|xi-x*|
медиана
|xi-x*|
A 52,75
52,75
2,75
1,25
B 51,00 1,85
C 50,00 1,75
D 52,75 0
G 53,38 0
H 50,90 0,05
I 55,26 0,63
J 52,80 1,25
L 54,00 2,51
Таким образом получаем: x∗ = 52,750; s∗ = 1,483 ∙ 1,25 = 1,854.
Далее полученные значения x∗ и s∗ необхо-
димо откорректировать, вычислив их новые зна-
чения:
x∗ = ∑ xi∗/p; s∗ = 1,134 ∙ ��(xi∗ − x∗)2/(p − 1),
где xi − результат i-го участника;
p – количество всех участников; xi∗ − расчетные значения для каждого xi
(таблица 2)
Для каждого xi вычисляют xi∗ следующим
образом: xi∗=�x∗ − δ, если xi < x∗ − δx∗ + δ, если xi > x∗ + δxi, в других случаях �,
где x∗– начальное значение робастного среднего,
δ вычисляют по формуле
δ=1,5∙ s∗,
где s∗– начальное значение робастного среднего
отклонения.
Таблица 2 – Расчетные значения
для нахождения откорректированных x∗ и s∗
код
участника
xi
x∗
(нач.)
s∗
(нач.)
xi∗ (xi∗− x∗)2
A 52,75
52
,7
5
1,
85
4
52,75 0,00
B 51,00 51,00 3,06
C 50,00 50,00 7,56
D 52,75 52,75 0,00
G 53,38 53,38 0,40
H 50,90 50,90 3,42
I 55,26 55,26 6,30
J 52,80 52,80 0,00
L 54,00 54,00 1,56
Σ 472,84 22,31
Таким образом получаем новые
(откорректированные) значения: x∗ = 472,849 = 52,54; s∗ = 1,134 ∙ �22,31
8
= 1,893708.
Опыт планирования и организации межлабо-
раторных сличительных испытаний показал, что
значительными факторами изменчивости могут
являться субъективная составляющая (начиная
от отбора, упаковки и транспортировки образ-
цов и заканчивая обработкой результатов), а
также неоднородность образцов для испытаний.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
188
УДК 006.91:620.1.08 (045)(476)
ПРОВЕРКА КВАЛИФИКАЦИИ ПОВЕРОЧНЫХ И КАЛИБРОВОЧНЫХ ЛАБОРАТОРИЙ
КАК ИНСТРУМЕНТ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Миранович-Качур С.А., Пастухова С.А.
Республиканское унитарное предприятие «Белорусский государственный институт метрологии»
Минск, Республика Беларусь
Уже ни одну лабораторию не удивляет требо-
вание Органа по аккредитации подтверждать
свою компетентность через постоянное участие в
программах проверки квалификации. Соблюде-
ние требований СТБ ИСО/МЭК 17025 (п.5.9) по
обеспечению качества результатов измерений на
сегодняшний день является правилом «хорошего
тона». И хотя у многих лабораторий еще не
сформировалось четкое понятие, что такое «про-
верка квалификации» и «с чем ее едят», между-
народные требования к деятельности провайде-
ров проверки квалификации, а также к разра-
ботке и реализации программ проверки
квалификации представлены на национальном
уровне в виде ГОСТ ISO/IEC 17043 и
СТБ ISO 13528.
Именно положениями этих документов и ру-
ководствуется БелГИМ при выполнении возло-
женных на него функций Провайдера проверки
квалификации поверочных, калибровочных и
испытательных лабораторий.
Проверки квалификации поверочных и ка-
либровочных лабораторий имеют ряд отличи-
тельных признаков, по сравнению, например, с
проверками квалификации испытательных лабо-
раторий.
1 Метрологическая прослеживаемость из-
мерений
Одной из важных особенностей при проведе-
нии программ проверки квалификации в
поверочных и калибровочных лабораториях,
позволяющих обеспечить требования ГОСТ
ISO/IEC 17043 (п.4.4.5.1), является возможность
четкого подтверждения метрологической
прослеживаемости измерений приписанного
значения. Только в таком случае приписанное
значение, установленное в эталонной лабора-
тории, является надежной основой для
оценивания лабораторных смещений участников.
БелГИМ, выступая в качестве эталонной лабора-
тории, устанавливает приписанные значения
измеряемых в программах проверки квалифика-
ции величин с использованием эталонов, кото-
рые воспроизводят единицы измерений величин,
прослеживаемые до национальных и междуна-
родных эталонов единиц величин с точностью,
подтверждаемой результатами участия в регио-
нальных и международных ключевых сличениях
с размещением наилучших измерительных воз-
можностей на официальном сайте Международ-
ного бюро мер и весов (BIPM).
2 Количество участников
Программы проверки квалификации пове-
рочных и калибровочных лабораторий отлича-
ются небольшим количеством участников. Как
правило, в турах проверки квалификации участ-
вует от 6 до 15 лабораторий. Однако, небольшое
количество участников мало влияет на стати-
стики функционирования и выводы по результа-
там участия в проверках квалификации, по-
скольку они основываются на приписанном зна-
чении, установленном независимо от результатов
измерений участников.
3 Образец для проверки квалификации
При проведении проверок квалификации в
поверочных и калибровочных лабораториях ис-
пользуется программа проверки квалификации
типа «последовательная». Образец для проверки
квалификации передается от одного участника
другому. При таком типе программы очень
важны вопросы обеспечения сохранности об-
разца для проверки квалификации и стабильно-
сти измеряемых при поверке/ калибровке харак-
теристик. Для того чтобы сделать правильные
выводы о функционировании участников при
конкретной реализации программы проверки
квалификации, провайдер проверки квалифика-
ции должен периодически проверять в эталонной
лаборатории с документальным оформлением
результатов стабильность измеряемых при по-
верке/калибровке характеристик.
Еще одной особенностью программ проверки
квалификации поверочных и калибровочных
лабораторий является длительность их реализа-
ции (от нескольких месяцев до пару лет): дос-
тавка образца для проверки квалификации уча-
стнику, который может находиться в другой
стране, и возврат образца провайдеру, периоди-
ческие исследования на стабильность измеряе-
мых характеристик.
4 Соответствие назначению
Поверка и калибровка, в отличие, например,
от области испытаний, всегда имеют четко уста-
новленные требования к точности измерений,
законодательно закрепленные, например, в пове-
рочных схемах или иерархиях калибровки. Всем
известно основное правило метрологии, касаю-
щееся точности измерений при поверке:
�
1
3
… 1
5
� ∆≤ 𝑇, (1)
где T – допуск на измеряемый параметр
(измеряемую величину);
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
189
Δ – предел допускаемой погрешности измерений
(или, если говорить на языке концепции неопре-
деленности, целевая неопределенность – макси-
мальная расширенная неопределенность измере-
ния).
Только при выполнении неравенства (1)
можно с заданной вероятностью (известным
уровнем доверия) сделать заключение о соответ-
ствии установленным требованиям на измеряе-
мый параметр и использовать средства измере-
ний по назначению.
На основании заданных требований к точно-
сти измерений (например, ГОСТ 8.461,
ГОСТ OIML R 111-1) можно обоснованно уста-
навливать значение стандартного отклонения для
оценки квалификации и по характеристикам
функционирования делать выводы о соответст-
вии точности измерений, выполненных лабора-
торией, заданным требованиям.
5 Неопределенность измерения
Неопределенность измерения является важ-
ной характеристикой качества измерений, вы-
полняемых при калибровке. Требование о пред-
ставлении результатов измерений калибровки с
неопределенностью измерения прописано в
СТБ ИСО/МЭК 17025 (пп.5.4.6, 5.10.4). Хотя при
проведении поверки эта характеристика качества
также присутствует, только в неявном виде.
При проверках квалификации калибровочных
лабораторий кроме оценивания характеристик
функционирования решается задача подтвер-
ждения заявленной участниками неопределенно-
сти измерения.
6 Характеристики функционирования
Основная задача проверки квалификации –
оценивание характеристик функционирования
участников. Если для поверочных лабораторий,
как и для испытательных лабораторий, использу-
ется широко распространенная характеристика
функционирования – количественный показатель
z, основанная на соответствии назначению, то
смысл характеристик функционирования для
калибровочных лабораторий немного отлича-
ется. Для калибровочных лабораторий характе-
ристики функционирования – показатель En и
количественный показатель ξ, основаны на той
оценки точности измерений, которую заявляет
сам участник в виде расширенной или стандарт-
ной неопределенности, а не на принятом провай-
дером соответствии назначению. В этом случае
возможные причины получения неудовлетвори-
тельной характеристики функционирования мо-
гут заключаться не только в технических ошиб-
ках реализации процедуры калибровки, но и в
неправильной оценке участником своего уровня
точности, выраженного количественно в виде
неопределенности измерения.
Заключение
Проверки квалификации играют важную роль
при подтверждении компетентности поверочных
и калибровочных лабораторий. При качествен-
ной реализации они позволяют решить сразу
несколько метрологических задач:
- оценивание лабораторного смещения (под-
тверждение метрологической прослеживаемости
измерений);
- соответствие установленным требованиям
по точности измерений;
- подтверждение заявленной участниками не-
определенности измерения.
Качественная реализация проверки квалифи-
кации поверочных и калибровочных лаборато-
рий требует наличия соответствующей техниче-
ской базы и квалификации Провайдера. БелГИМ
как Национальный метрологический институт
является хранителем национальных и исходных
эталонов единиц величин, имеет высококвали-
фицированных специалистов в соответствующих
видах метрологического подтверждения пригод-
ности средств измерений и теоретической мет-
рологии, участвует в ключевых сличениях и мо-
жет предоставить надежные приписанные значе-
ния величин, что позволяет качественно и в
соответствии с международными требованиями
организовывать проверки квалификации в об-
ласти поверки и калибровки.
1. ГОСТ 8.461-2009 Государственная система
обеспечения единства измерений. Термопре-
образователи сопротивления из платины,
меди и никеля. Методика поверки.
2. ГОСТ OIML R 111-1-2009 Государственная
система обеспечения единства измерений.
Гири классов точности E (индекса 1), E (ин-
декса 2), F (индекса 1), F (индекса 2), M (ин-
декса 1), M (индекса 1-2), M (индекса 2), M
(индекса 2-3) и M (индекса 3). Часть 1. Мет-
рологические и технические требования.
3. СТБ ИСО/МЭК 17025-2007 Общие требова-
ния к компетентности испытательных и ка-
либровочных лабораторий.
4. СТБ ISO/IEC 17043-2013 Оценка соответст-
вия. Основные требования к проведению
проверки квалификации.
5. СТБ ISO 13528-2011 Статистические методы,
применяемые при проверке квалификации
лабораторий посредством межлабораторных
сличений.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
190
УДК 621.873
ТЕХНИЧЕСКОЕ И МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОСТАТОЧНЫХ
НАПРЯЖЕНИЙ В ОБЛАСТЯХ ВЫСОКОГРАДИЕНТНЫХ ПОЛЕЙ
Павленко Д.В., Сидоренко М.В., Лятуринский В.А.
Запорожский национальный технический университет
Запорожье, Украина
Остаточные напряжения оказывают сущест-
венное влияние на надежность и долговечность
изделий и конструкций. Поэтому разработка
методов их измерения является важной и акту-
альной задачей.
На сегодняшний день более других распро-
странены механические методы измерения, ос-
нованные на измерении деформаций при удале-
нии некоторого объема напряженной детали, а
так же метод рентгеновской дифракции.
Для разработки был выбран метод сверления
глухого отверстия, как наиболее методически
обеспеченный и стандартизованный ASTM E837-
08 [1]. К его временным несовершенствам можно
отнести отсутствие методических рекомендаций
для измерения напряжений в областях высоко-
градиентных полей (например, таких как зона
термического влияния вблизи сварного шва), а
так же относительно высокая стоимость реко-
мендуемых расходных материалов.
Внедрение магнитных методов, кроме чувст-
вительности магнитных параметров к различным
факторам (структуре, шероховатости и т.д.),
сдерживает так же малое количество сравни-
тельных исследований, при которых остаточные
напряжения уже определены одним из доступ-
ных методов. Как правило, сравнительные ис-
следования выполнены в лабораторных условиях
при растяжении или изгибе образца, то есть мало
отличаются от градуировки рабочего датчика.
Таким образом, развитие метода сверления
глухого отверстия, то есть малоразрушающего
метода, измерения остаточных напряжений
кроме прямого назначения выбрано нами так же
для дальнейшего развития магнитного метода
неразрушающего контроля.
Установка (рис. 1) создана на базе системы
SINT RESTAN MTS 3000 (Италия). Выбран тен-
зометрический метод определения деформаций,
как более подходящий для полевых условий.
Использовались высокочастотные режимы свер-
ления (300000 об / мин), что согласно [2] позво-
ляет пренебречь влиянием процесса сверления на
результаты тензометрирования.
Последовательность проведения экспери-
мента достаточно подробно описана в [1, 3 и др.].
Для упрощения математической обработки
результатов эксперимента и получения отвер-
стий цилиндрической формы, использовались
сверла обратной конусности. Для обеспечения
высокой точности подачи в механическом уст-
ройстве системы используется шаговый двига-
тель и микрометрическая винтовая передача. С
достаточной для практики точности обосновано
применение сверл от высокоскоростных борма-
шин. Износ сверла после испытания оценивался
путем его осмотра и измерения геометрических
параметров на инструментальном микроскопе.
Кроме того периодически производился кон-
троль глубины сверления пошагово бесконтакт-
ной системой Keyence LC-2400A.
Рис. 1. Схема системы измерения остаточных
напряжений
Так же, с целью снижения стоимости расход-
ных материалов, были применены отличные от
предложенных трехкомпонентные тензорозетки.
Для анализа влияния габаритов решетки на рас-
четные напряжения были созданы трехмерные
конечно-элементные модели напряженных пла-
стин с траекторией витков тензорешеток при
разной ориентации решетки относительно 1-го
главного напряжения (0°, 45°, 90°). Сверления
отверстий различных диаметров моделировалось
путем деактивации конечных элементов.
Расчет проводился по методике [1]. Были рас-
считаны погрешности в определении первого
главного напряжения и 2-го главного напряже-
ния (фиктивного).
Установлено что для устранения ошибки, вы-
званной отличием габаритов решетки от реко-
мендуемых в [1], независимо от соотношения
диаметров розетки и отверстия Dроз / Dотв, доста-
точным есть внесение поправочного коэффици-
ента k к радиусу тензорозетки при расчете оста-
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
191
точных напряжений. Внесение k = 1,04 для ори-
гинальной тензорозетки, использованной в
экспериментах, позволило уменьшить погреш-
ность с 7,5 до ≤ 0,5% при любых типовых диа-
метрах отверстий (Dотв = 1,2…2,5 мм).
Известны исследования [4 и др.] в которых
определялись геометрические ограничения, на-
лагаемые на образцы при использовании метода
глухого отверстия. Согласно [1], с использова-
нием предложенного типа тензорозеток, рас-
стояние от центра отверстия до препятствия
должна составлять не менее 0,5Dроз, минималь-
ное расстояние до края детали по рекомендациям
[4] составляет 5Dотв, по [1] – 1,5Dроз. Близость
валика углового шва до точки измерений в лите-
ратуре отдельно не рассматривалась.
Методом конечных элементов проводилось
моделирование деформаций при состоянии ти-
пичном для сварных соединений (растяжение
вдоль шва, сжатие - поперек [5]). Установлено,
что с использованием имеющихся тензорозеток,
отверстие можно выполнять на минимальном
расстоянии Δкр = 1,2 мм (рис. 2), при условии,
что Вреш < 2Rотв (рис. 2). Доказано, что даже вы-
полнение отверстия вплотную (Δкр = 0) приведет
к погрешности показаний ближайшей к шва ре-
шетки (показано на рис. 2) в пределах 5%. На
показания других решеток тензорозетки близость
валика не влияет.
Недостатком метода сверления отверстия, с
позиции анализа остаточных напряжений свар-
ных соединений, является снижение его точно-
сти при появлении пластической деформации
контура отверстия. Известно, что для глухого
отверстия с Н = Dотв (рис. 2) при остаточных на-
пряжениях, превышающих σт/3, на контуре от-
верстия уже появляются пластические деформа-
ции [5]. Согласно [1] результаты эксперимента
можно считать численно верными если расчет-
ные остаточные напряжения не превышают 60%
от предела текучести σт материала.
Моделировалось сверления отверстия с Dотв =
2 мм в образце с одноосными остаточными на-
пряжениями, приближающимся к σт. Пластиче-
ское поведение материала описывалась экспери-
ментально определенной кривой дилатометриче-
ские теста Стали 20. Использовался критерий
пластичности Мизеса. Была обнаружена значи-
тельная неравномерность распределения дефор-
маций в витках тензорешетки приближенных к
участкам пластического деформирования, в этих
резисторах Δɛ/ɛ достигает 25%.
Установлено, что использование предполо-
жений упругого деформирования в методике
расчета напряжений [1] приводит к существен-
ной погрешности (> 5%) их определения только
при σmax> 0,8σт.
Проведенный на тензобалочке ряд экспери-
ментов подтвердил корректность выводов ко-
нечно-элементных расчетов касающихся попра-
вочного коэффициента k, усреднения деформа-
ций на базе резистора, а также по анализу
высоких остаточных напряжений.
Таким образом, получил дальнейшее разви-
тие метод сверления глухого отверстия с тензо-
метрированием для анализа остаточного либо
действительного напряженного состояния изде-
лий с высоким уровнем и градиентами напряже-
ний, что характерно для сварных соединений.
Рис. 2. Перемещение тензорешетки вблизи шва
1. ASTM E837-08. Standard Test Method for De-
termining Residual Stresses by the HoleDrilling
Strain-Gage Method. ASTM International, West
Conshohocken, PA, 2008.
2. Nau A., Scholtes B. Evaluation of the High-
Speed Drilling Technique for the Incremental
Hole-Drilling Method / Experimental Mechanics,
2012, Vol. 53, PP. 531-542.
3. Schajer G.S. Relaxation Methods for Measur-
ing Residual Stresses: Techniques and Opportu-
nities // Experimental Mechanics, No 10, 2010;
pp. 1117-1127.
4. Preckel U. Erweiterung der Verfahrensgrenzen
beim Bohrlochverfahren zur Ermittlung von
Eigenspannungen // Industrie Anzeiger,
Kurzberichte der Hochschulgruppe
Fertigungstechnik 108, Nr. 8, 1986, PP. 18-26.
5. Чернышев Г.Н. Остаточные напряжения в
деформируемых твердых телах / Г.Н. Черны-
шев, А.Л. Попов, В.М. Козинцев, И.И. Поно-
марев. – М.: Наука. Физматлит, 1996. – 240 с.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
192
УДК 658.5
ОЦЕНКА КОМПЕТЕНТНОСТИ ВНУТРЕННИХ АУДИТОРОВ
СИСТЕМЫ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА
Павлов К.А., Охрименко Е.О.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Система менеджмента качества (далее –
СМК) является важной частью общей системы
управления организацией. Предприятие должно
определить свои системы и процессы,
содержащиеся внутри них, чтобы давать
возможность системе быть управляемой и
улучшенной. [1]
Для ряда организаций сертификация СМК не
является обязательным условием, к примеру, для
деятельности аккредитованных испытательных
лаборатории (СМК рассматривается как одно из
условия прохождения аккредитации). Поэтому в
данном случае высокое доверие к результа-
тивности самой СМК лаборатории опирается на
доверии к работе внутренних аудиторов. Для
того чтобы процедура внутренних аудитов
осуществлялась результативно и эффективно для
организации необходимо учитывать следующие
факторы:
- компетентность внутренних аудиторов;
- остаточность внутренних аудиторов для
проведения необходимого количество аудитов в
запланированные интервалы времени. [2]
Так как эффективность и результативность
внутренних аудиторов СМК аккредитованных
лабораторий напрямую зависит от компе-
тентности самих аудиторов, а также ввиду того,
что в СТБ ISO 9001 и СТБ ISO 19011 не
регламентируется процедура оценивания
компетентности и результативности деятель-
ности внутренних аудиторов, то появляется
необходимость разработки универсальной
методики, позволяющей производить регуляр-
ный мониторинг компетентности внутренних
аудиторов, и создавать основы для фор-
мирования кадрового резерва внутренних
аудиторов из числа сотрудников лаборатории и
для формирования системы мотивации внутрен-
них аудиторов, коррелирующую с результатами
оценки и мониторинга компетентности ауди-
торов.
В рамках дипломного проекта для одного из
аккредитованных испытательных центров
Республики Беларусь – ВСУ «Могилёвской
облветлаборатории», была разработана по-
этапная методика оценивания компетентности
внутренних аудиторов:
- 1 этап – Оценка соответствия кандидата на
должность внутреннего аудитора;
- 2 этап – Оценка результативности работы
внутреннего аудитора.
В рамках первого этапа производится
оценивания уровня профессионализма
аудиторов, а также их личностные качества. Для
этого были определены критерии соответствия
лиц на должность внутреннего аудитора, а также
методы их оценки.
Требования к уровню профессионализма лиц,
претендующих на должность внутреннего
аудитора, в Республике Беларусь регла-
ментируются правилами аудиторской деятель-
ности «Образование аудитора». [3]
Данные правила устанавливает следующие
элементы образования аудитора:
- базовое образование;
- практический опыт;
- профессиональное образование;
- свободное владение одним из
государственных языков.
Базовое образование в соответствии с
действующим законодательством включает в
себя высшее техническое или экономическое
образование, полученное в учебном учреждении
Республики Беларусь, имеющем государствен-
ную аккредитацию, либо в учебном учреждении
иностранного государства, дипломы которого
имеют юридическую силу в Республики
Беларусь.
Практический опыт работы определяется
стажем работы не менее трех лет по специаль-
ности, соответствующей техническому и (или)
экономическому образованию.
Профессиональное образование основывается
на базовом образовании и включает в себя:
- специальное профессиональное образование
физических лиц, претендующих на должность
внутреннего аудитора полученное по специаль-
ности «Эксперт по внутренним аудиторам
СМК»;
- образование, полученное аудиторами в
процессе повышения квалификации.
Важным элементом профессионального
образования аудитора является самостоятельное
обучение (самообразование).
В процессе трудовой деятельности претен-
дент на должность аудитора должен приобретать
навыки (интеллектуальные, коммуникативные и
навыки общения), которые являются совокуп-
ным результатом обучения и профессионального
опыта.
Свободное владение одним из государствен-
ных языков Республики Беларусь подразумевает
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
193
владение русским и (или) белорусским языками
в объеме, необходимом для изучения норма-
тивных правовых актов Республики Беларусь,
обеспечения оказания аудиторских услуг, соблю-
дения порядка осуществления аудиторской
деятельности, а также делового общения с
заказчиками.
Кандидат на должность внутреннего аудитора
должен обладать личными качествами (этич-
ность, честность, дипломатичность, наблюю-
дательность, проницательность, гибкость,
настойчивость, самостоятельность и т.д.),
которые помогут ему действовать в соответствии
с принципами аудита, приведенными в СТБ ISO
19011.
Для оценки выделенных требований к
компетентности внутренних аудиторов стандарт
СТБ ISO 19011 предлагает следующие методы:
- анализ документов (записей);
- положительная и отрицательная обратная
связь;
- собеседование;
- наблюдение;
- тестирование;
- анализ деятельности после аудита.
Для каждой группы критериев и
соответствующих оценок предлагаются шкалы
оценки (пятибалльные или семибалльные).
Итоговая оценка компетентности кандидатов
выражается в относительных единицах (процен-
тах). По итоговой оценке принимается решение
по кандидату:
- до 40 % – кандидатура отклоняется;
- от 40 % до 80 % – кандидату на должность
предлагают пройти стажировку;
- от 80 % до 100 % – по решению высшего
руководства назначается на должность
внутреннего аудитора.
Данные границы могут изменяться с учетом
требований организации к внутренним
аудиторам.
На втором этапе осуществляется оценка
компетентности действующих внутренних
аудиторов лаборатории.
При оценке проводится анализ отчетов по
внутренним аудитам за отчетный период.
В результате экспертного оценивания был
разработан перечень возможных события при
проведении внутренних аудиторов, которые мог
допустить аудитор:
S1 – случай ошибочной классификации не-
соответствия;
S2 – случай нарушения процедуры про-
ведения внутреннего аудита;
S3 – случай нарушение при оформлении доку-
ментации по внутреннему аудиту;
S4 – случай неопределенности результатов
аудита;
S5 – случай неполного проведения аудита.
Тогда оценка компетентности внутренних
аудиторов вычисляется в относительном выра-
жении (%) по следующей формуле
Kауд = (ΣKi×Si)×100 %,
где Ki – коэффициент значимости события.
Si – одно из пяти вышеописанных событий,
оценки которых определяется по формуле
Si = 1 - Ni/ΣN,
где Ni – количество событий Si,
N – количество всех событий Si.
Коэффициенты значимости Ki событий Si
определяются экспертным методом.
Принятие решений о результативности рабо-
ты внутренних аудиторов принимается на
основании критериев:
а) для действующих внутренних аудиторов
- до 65 % – исключение аудитора из реестра;
- от 65 % до 85 % – аудитор должен пройти
переаттестацию;
- от 85 % до 100 % – по решению высшего
руководства выделение поощрения аудитору;
б) для стажеров
- до 80 % – продолжение стажировки;
- свыше 80 % – при наличии в реестре
вакансии, стажер проходит первичную ат-
тестацию.
Данные границы могут изменяться с учетом
требований организации к внутренним
аудиторам.
Оценку действующих внутренних аудиторов
и стажеров осуществляет главный внутренний
аудитор (главный инженер по качеству), а его
оценку проводит представитель органа по
сертификации на договорной основе.
1
.
Никифоров, А.Д. «Управление качеством»:
учеб. пособие для вузов/А.Д. Никифоров.
М.: Дрофа, 2004. - 720 с.
2
.
СТБ ISO 19011-2013 «Руководящие
указания по аудиту систем менеджмента
качества и/или систем экологического
менеджмента».
3
.
Правила аудиторской деятельности
«Образование аудитора», утвержденные
постановлением Министерства финансов
Республики Беларусь от 28.03.2003 № 45.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
194
УДК 006.83
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ЗАКОНОДАТЕЛЬНЫХ ОСНОВ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
И ТУРКМЕНИСТАНА В ОБЛАСТИ МЕТРОЛОГИИ, СТАНДАРТИЗАЦИИ И СЕРТИФИКАЦИИ
Павлов К.А., Хемракулыев Д.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Основные направления современной внешней
политики Туркменистана определены в
«Декларации о внешнеполитическом курсе
Туркменистана в XXI веке на принципах
постоянного нейтралитета, миролюбства,
позитивного добрососедства и демократии»,
(утверждена 27 декабря 1999 года).
По настоящее время официальный Ашхабад
сохраняет нейтралитет относительно
неформального соперничества Казахстана и
Узбекистана за неофициальное региональное
первенство, поэтому, развивая двусторонние
отношения со многими державами мира,
официальны Ашхабад руководствуется прежде
всего прагматичными интересами – укрепить
свои позиции в Центральной Азии, получить
максимальную выгоду как от имеющихся в
Туркменистане огромных по запасам природных
ресурсов (углеводородов), так и от его удобного
геополитического положения на пересечении
транзитных путей.
Положения по развитию политических,
экономических и торговых отношений
Туркменистана с другими странами обязывает
вести политику в направлении гармонизации
требований к продукции и услугам, которыми
экономически обмениваются эти страны.
На сегодняшний день правовая база
Туркменистана и стран, с которым ведется
сотрудничество, составляет более 1000
договоров и соглашений, в том числе и о
взаимном признании результатов испытаний и
сертификации продукции или услуг.
Сотрудничая со многими высокоразвитыми
партнерами, предприятия Туркменистана
обязаны соответствовать требованиям
нынешнего рынка.
В настоящее время вопросы оценки
соответствия, стандартизации и метрологии в
Туркменистане находиться на стадии
стремительного развития. За последние годы
претерпела изменение законодательная база
страны по вопросам метрологии, стандартизации
и сертификации. Руководство страны совместно
с институтом по метрологии, стандартизации и
сертификации постоянно совершенствует
положения, реагируя, тем самым, на новые
требования торговых и политических
соглашений, но и защищая свой внутренний
рынок и отечественных производителей.
Одной из важной особенностью политики
Туркменистана в области оценки соответствия
является наличие одной процедуры
подтверждения соответствия продукции – это
обязательная сертификация. Стоит также
заметить, что в стране пару последний лет
проходит «жесткая» политика по сертификации
систем менеджмента (СМК, СОУТ, СОУС,
НАССР и др.) государственных организаций.
Выделяется материальная поддержка
организациям на реализацию этой программы. [1]
В рамках развития политики в области
стандартизации, метрологии и сертификации
руководство Туркменистана совместно с
государственной структурой в сфере
образования осуществляет следующие
программы [2]:
- привлечение квалифицированных кадров
для обучения персонала государственных
организаций по вопросам сертификации,
метрологии и стандартизации;
- направление на обучение граждан
Туркменистана в другие страны, в которых
данные направления государственного
регулирования находятся на более высоком
уровне (Российская Федерация, Республика
Беларусь и страны ЕС);
- привлечение научных сотрудников для
преподавания в государственных высших
учебных заведениях Туркменистана.
Программа по обучению граждан за рубежом
функционирует уже более 6 лет, и уже сегодня
обученный персонал, получивший образование
по специальностям – инженер, технолог,
оператор и т.д., возвращается в страну для
работы на отечественных предприятиях. Анализ
их работы показал, что существует ряд проблем,
главными из которых являют:
- различие законодательных основ
Туркменистана и стран, в которых проводилось
обучение;
- обучение граждан Туркменистана в других
странах проходят по учебным программам самих
стран, без учета специфики развития
Туркменистана по ряду научно-практических и
промышленных задач и др.
Решением данных задач является
гармонизация законодательных, нормативно-
правовых основ Туркменистана и стран, где
проводится обучение. Результат гармонизации
позволит обученным специалистам быстрее и без
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
195
особых трудностей применять полученные
навыки для совершенствования деятельности
отечественных организаций, что в свою очередь
позволит Туркменистану уверенно и стабильной
определить свое место на мировом рынке.
Для достижения этих целей необходимо
реализовать следующие задачи:
- осуществить перевод Законов
Туркменистана о стандартизации, метрологии и
сертификации на русский язык, что позволит
более корректно понять различия требований
законодательства между этими странами (Закон
Туркменистана «О стандартизации» имеется на
русском языке);
- провести сравнительный анализ
законодательных основ Республики Беларусь и
Туркменистана в области стандартизации,
метрологии и сертификации, что позволит
понять в отношении какой продукции или услуг
могут возникать спорные вопросы при импорте
или экспорте для Туркменистана.
Ходе анализа были выявлены различия в
законодательных основах в области
стандартизации, метрологии и сертификации
между странами, а также определены общие
положения по некоторым вопросам – к примеру,
в вопросах формирования и управления
национальными эталонными база стран, в
вопросах проведения метрологического контроля
средств измерений, в вопросах
основополагающих принципов стандартизации
и т. д.
Одним из отличий в Законодательстве
стран по вопросам признания соответствия
требованиям технических нормативных
правовых актов (для Республики Беларусь) и
нормативных документов (для Туркменистана)
[3], является то, что в Туркменистане принята
единая форма признания – обязательная
сертификация, в то время как в Республике
Беларусь существуют две формы – сертификация
и декларирование соответствия. Данное различие
имеет важное значения для налаживания
торговых отношений между странами на
государственном уровне, а также для
предпринимателей двух стран, занимающихся
экспортированием или импортированием
товаров на внутренние рынки. Это касается и
систем менеджмента организации – для всех
государственных и частных предприятий, не
зависимо от вида деятельности, в Туркменистане
под обязательную сертификацию попадают:
СМК, СУОТ, СУОС, НАССР, а также система
энергетического менеджмента (на соответствие
требованиям международных стандартов ISO
серии 50000) и др. В свою очередь, для многих
организаций Республики Беларусь данные
системы под обязательную сертификацию не
попадают, а относительно вопросов
энергетического менеджмента – только в начале
2016 года вышло постановление о
необходимости разработки, внедрения и
сертификации этой системы.
Еще одним существенным отличием в
законодательных основах является отсутствие в
Законе «О стандартизации» Туркменистана
понятия «технических регламент».
Обязательными для применения в стране
являются международные стандарты. В
Республике Беларусь согласно законодательству
технические регламенты являются
обязательными как внутри страны, а также и
согласно положению о Таможенном Союзе
данный вид документа является обязательным к
применению для всех участников этого
сотрудничества стран. Относительно вопросов
присоединения Туркменистана к Таможенному
союзу, а следовательно и изменения положений
относительно применения технических
регламентов, официальный Ашхабад имеет
четкую позицию – присоединения не будут. С
этой позиции, данное различие в рамках
торговых отношений между странами не столь
важно.
Таким образом, в ходе анализа было
выявлено более 40 различий в законодательных
основах Республики Беларусь и Туркменистане
по вопросам метрологии, стандартизации и
сертификации. Многие из них носят
принципиальный характер (как по вопросам
сертификации продукции, услуг и систем),
остальные – определяют специфику
законодательства двух стран.
Данные результаты должны быть
использованы при проведении обучения по
дисциплинам метрология, стандартизации и
сертификация, а также внесены в учебные
программы вузов стран, в которые направлены
для получения соответствующей квалификации
граждане Туркменистана.
1. http://www.gosstandart.gov.by/txt/Actual-
info/docs/garluk-poryadoc.pdf
2. Национальная Программа "Стратегия
экономического, политического и культур-
ного развития Туркменистана на период до
2020 года" (Одобрена и принята решением
совместного заседания XIV Государст-
венного Совета старейшин Туркменистана,
Халк Маслахаты и Общенационального
движения "Галкыныш" 15 августа 2003
года).
3. Закон Туркменистана «О сертификации
продукции и услуг.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
196
УДК 681.61
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНТРОЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ
СТЕКЛЯННЫХ ТРУБОК
Петрусенко П.А., Шумская А.П.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Стеклянные трубки используются в электро-
технической, радиотехнической, фармацевтиче-
ской, приборостроительной, пищевой промыш-
ленности. Современные требования к качеству
продукции вызывают необходимость уменьше-
ния допусков параметров на всех этапах техно-
логического процесса. В работе приведен анализ
техпроцесса изготовления стеклотрубок на Бре-
стском электроламповом заводе и предложены
мероприятия по совершенствованию контроль-
ных операций техпроцесса и снижению уровня
брака. В настоящее время на большинстве пред-
приятий, производящих стеклотрубки использу-
ется технология горизонтального вытягивания -
способ Даннера. Он обеспечивает наибольшую
производительность по сравнению с другими
технологиями, позволяет механизировать про-
цесс производства, обеспечивает возможность
получать трубки с наружным диаметром 2…60
мм и толщиной стенок 0,2...5 мм. Основными
технологическими единицами этого способа яв-
ляются участок подготовки шихты, стекловарен-
ная печь, участок вытягивания, участок резки и
окончательной обработки заготовки. Основные
элементы технологического процесса производ-
ства стеклянных трубок представлены на ри-
сунке 1
Рисунок 1 – Основные элементы
технологического процесса
Устройство 1 предназначено для создания
формовочного воздуха, давление которого опре-
деляет внутренний диаметр трубки. В загрузоч-
ный бункер 2 помещается шихта для стеклова-
рочной печи 3. На выходе печи расположен вра-
щающийся мундштук 4, выходное отверстие
которого формирует наружный диаметр трубки.
Далее трубка поступает на рольганг, состоящий
из транспортирующих роликов 5, выполненных
из графита. Перемещение сформированной
трубки производится транспортирующим эле-
ментом машины вытягивания 7, который опре-
деляет линейную скорость перемещения трубки.
После этого трубка подается на резательную
машину, снабженную твердосплавными ножами
8. Лазерный датчик 6 предназначен для контроля
величины наружного диаметра трубки. Управле-
ние производством ведется в условиях недоста-
точной информации о текущих параметрах тех-
нологического процесса. Контроль качества из-
готовленных трубок производится выборочным
методом путем ручного замера готовых отрезан-
ных трубок спустя минуту или более после фор-
мирования. В существующей технологической
линии на центральном пульте управления отсут-
ствует информация о давлении воздуха, пода-
ваемого на раздув трубки, скорости вытягивания,
температуре стекломассы в зоне формирования и
других параметрах процесса, определяющих
качество готовой продукции.
Управление технологическим процессом в
таких условиях производится в основном на ос-
новании опыта и интуиции операторов.
В настоящее время разработаны датчики на
основе лазерных технологий, позволяющие кон-
тролировать непосредственно на технологиче-
ской линии толщину стенок и внутренний диа-
метр стеклянных трубок. Это позволяет внедрить
в существующий техпроцесс дополнительные
элементы контроля параметров и тем самым по-
высить эффективность управления и качество
выпускаемой продукции.
В связи с этим появилась необходимость мо-
дернизации существующей технологической
линии с использованием современных методов
контроля и управления технологическим процес-
сом. На первом этапе работы произведена иден-
тификация объекта управления, составлена ма-
тематическая модель динамической системы,
рассмотрена возможность использования эле-
ментов автоматизированного управления эта-
пами технологического процесса. Структура
технологического процесса показана на рис. 2.
Рисунок 2 – Структура технологического
процесса
Сложность составления математической
модели заключается в том, что на выходной
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
197
параметр влияет большое количество факторов
xi, которые для упрощения моделирования
необходимо разделить на существенные и
несущественные. В литературе отсутствует
информация об аналитических связях между
входными и выходными параметрами
технологического процесса в стекольной
промышленности. Алгоритмы обработки
информации в существующих линиях горизон-
тального вытягивания производителями не
раскрываются, поэтому при математическом
моделировании процесса основные влияющие
факторы в основном выбирались на основе
опыта работы операторов линии. На основе
анализа влияния этих факторов на конечные
параметры трубок, нормированные техни-
ческими условиями, установлено, что
технологическая линия представляет из себя
двухмерный объект с перекрестными связями,
коэффициенты передач которых являются
функциями управляющих параметров. Объект
управления является колебательным элементом,
имеющим значительные транспортные запаз-
дывания τi. Период основных колебаний зависит
от:
-времени транспортирования трубки от
начала формования до конца линии вытяжки;
-времени реакции системы на изменение
давления формовочного воздуха;
-времени реакции системы на изменение
скорости вытягивания. Для уменьшения
амплитуды этих колебаний предложено
использовать дополнительный датчик измерения
наружного и внутреннего диаметра трубок,
расположенный вблизи начала рольганга, а
также введение управляемой системы регули-
ровки давления формовочного воздуха.
Одним из нормируемых параметров качества
является наличие посторонних включений и
воздушных пузырей в стекле. Контроль этого
параметра производится визуально перед
загрузкой трубок в упаковочную тару. При этом
количество отбракованных трубок не
учитывается, что не позволяет вести точный учет
количества произведенной продукции. Для
устранения этого недостатка предложено
использовать специализированную систему тех-
нического зрения, видеокамера которой
расположена рядом с датчиком контроля
наружного диаметра. Это позволяет отбраковы-
вать трубки на ранней стадии техпроцесса, а
также увеличивает точность учета готовой
продукции. Для реализации разработанной
системы предложена элементная база фирмы
«OMRON», приборы которой надежно работают
в цеховых условиях при значительных перепадах
температуры на всех этапах технологического
процесса. Структурно предлагаемая система
контроля и управления будет состоять из
центрального диспетчерского пункта, в который
будет поступать информация о текущих
значениях параметров технологического процес-
са, а также накапливаться для учета произведен-
ной продукции за отчетный период времени. На
информационном табло на схеме технологи-
ческой линии будут отображаться текущие и
предельные значения контролируемых парамет-
ров, а также их изменения в течение задаваемого
оператором промежутка времени.
Кроме этого на каждом технологическом
участке будут установлены отдельные информ-
ационные панели, позволяющие оперативно
оценивать результаты управления техпроцессом.
Для обмена информацией в системе
предлагается использовать протокол ProfiSafe,
имеющий функции диагностики, защиты
информации, обнаружения ошибок и самокор-
рекции.
На основании проведенной работы
составлено техническое предложение по
модернизации технологической линии произ-
водства стеклянных трубок на Брестском
электроламповом заводе.
1. Теория систем автоматического управле-
ния / В. А. Бесекерский, Е. П. Попон. — Изд.
4-е, перераб. и доп. — СПб, Изд-во
«Профессия», 2003. - 752 с.
2. Полляк В.В. и др. Технология строитель-
ного и технического стекла и шлакоситталов.
М.: Стройиздат.1983.
3. Технология стекла. Под ред.
И.И. Китайгородского. М.: Стройиздат,1967.
4. Химическая технология стекла и
ситталов. /Под ред. Павлушкина Н.Н. М.:
Стройиздат,1983.
5. Зайков Ю.Б. Проекционный способ
измерения линейных размеров стеклянной
трубки. А.с. № 5I064I /СССР/. Опубл. в
Б.И.,1976, № 14.
6. Мацкевич О.И. и др. Устройство для
измерения геометрических размеров
стеклянной трубки. А.с. № 5II5I9 /СССР/,
Опубл. в Б.И., 1976, № 15.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
198
УДК681
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
БУМАЖНО-КАРТОННОЙ ПРОДУКЦИИ
Письменский П.И., Сальников Ю.А., Новосельская О.А.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
В настоящее время, несмотря на интенсивное
развитие цифровой техники, выпуск различных ви-
дов бумаги и картона постоянно увеличивается, как
в Республике Беларусь, так и в мире. При этом по-
стоянно разрабатываются новые виды бумажно-
картонной продукции, которая подвергается
испытаниям с применением общепринятых
методов и средств, а также разрабатываются новые
виды физико-механических испытаний с
использованием различного оборудования и
средств контроля, которые затем применяются
лабораториями на предприятиях и других
организаций.
Основной проблемой в нашей стране является
отсутствие единой нормативной базой методик
проведения физико-механических испытаний
бумажно-картонной продукции. При этом
производство новых видов продукции
предусматривает проведение испытаний не только
стандартными разрушающими методами, но и с
использованием новых специализированных
методов.
Необходимость создания единой базы, которая
будет в себя включать перечень современных
средств измерений, а также международных, госу-
дарственных и отраслевых стандартов на каждый
конкретный вид физико-механических испытаний
бумажно-картонной продукции, весьма актуальна,
так как это позволит сотрудничать со всеми миро-
выми производителями бумажно-картонной про-
дукции. А также позволит решить основную задачу
единства измерений.
В таблице представлена информация о некото-
рых видах физико-механических испытаниях бу-
мажной продукции.
Виды физико-механических испытаний бумажно-картонной продукции
Тип испытания Стандарт Вид материала
1 2 3
Сопротивление продавливанию
ISO 2758; ISO 2759; ГОСТ
13525.8; TAPPI T 403; TAPPI
T 807; TAPPI T 810
Писчие и печатные виды бумаги; бумага
для гофрирования, гофракартон, картон
и изделия из них
Определение жесткости при
сгибании статическими
методами
ISO 5628; ISO 11093; ISO
11093-6
Многослойные виды бумаги;
гофракартон, картон и изделия из них;
писчие и печатные виды бумаги
Измерение толщины
ISO 534; EN 20534; ГОСТ
27015; ISO 3034; TAPPI T 411
Писчие и печатные виды бумаги; картон
и изделия из него; многослойные виды
бумаги; гофрокартон и изделия из него
Испытание гофрированных
материалов
ISO 7263; TAPPI T 809; TAPPI
T 9582; TAPPI T 20682; ГОСТ
7263; ГОСТ 13648.2
Бумага для гофрирования
Определение сопротивления
проколу (по PET)
ISO 3036; TAPPI T 803
Картон и изделия из него; гофрокартон и
изделия из него
Испытание на продавливание
(по LPET)
–
Картон и изделия из него; гофрокартон и
изделия из него; писчие и печатные виды
бумаги
Определение сопротивления
раздиранию (методом
Элмендорфа)
ISO 1974; ГОСТ 13525.3; EN
21974; TAPPI T 414
Писчие и печатные виды бумаги; бумага
для гофрирования. гофрокартон и
изделия из него
Испытание на плоскостное
сжатие
ISO 3035; EN 23035; TAPPI T
825; ГОСТ 20681; ГОСТ
20682; ГОСТ 20683
Картон и изделия из него
Определение сопротивления
расслаиванию (метод Скотта)
TAPPI 569
Картон и изделия из него; многослойные
виды бумаги
Прочность внутренних связей
(растяжение по оси z)
TAPPI T 541 Картон и изделия из него
Определение сопротивления
торцевому сжатию
EN ISO 3037; TAPPI T 811
ГОСТ 20683
Гофрокартон и изделия из него
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
199
Окончание таблицы
1 2 3
Определение коэффициента
трения
ISO 15359 ;TAPPI T 549;
TAPPI T 816
Писчие и печатные виды бумаги;
картон и изделия из него; многослойные
виды бумаги
Определение прочности при
сжатии по кольцу
ISO 12192; TAPPI T 822;
ГОСТ 10711
Бумага для гофрирования
Испытание тары
ISO 12048; EN 22872; TAPPI
T 804; ГОСТ 18211
Гофрокартон и изделия из него
Испытание на устойчивость
к образованию трещин
DIN 54516
Писчие и печатные виды бумаги;
картон и изделия из него
Испытание на штабелирование
с использованием динамометра
EN 22874 Гофрокартон и изделия из него
Испытание полосы на сжатие ISO 9895; TAPPI T826 Бумага для гофрирования
Испытание на водопоглощение
(метод Кобба)
ISO 535; TAPPI T 441;
EN 20535; ГОСТ 12605
Бумага для гофрирования
Распространение разрыва на
кромочных сгибах
ISO 11897 Многослойные виды бумаги
Определение прочности
растяжения(Zero span test)
TAPPI T 231; TAPPI T 273 Писчие и печатные виды бумаги
Испытание на растяжение
(во влажном состоянии)
ISO 3781; TAPPI T 456 Санитарно гигиенические виды бумаги
Испытание на растяжение
(в сухом состоянии)
EN ISO 1924; TAPPI T 494
Писчие и печатные виды бумаги;
бумага для гофрирования
В таблице представлены наиболее распро-
странённые виды испытаний, которым подвер-
гаются различные виды бумаги и картона, а
также изделия из них. При этом как видно из
таблицы подавляющее большинство испытаний
производится в соответствии с международными
стандартами, однако представлены методы ис-
пытаний, которые выполняются в соответствии с
TAPPI, DIN, EN.
В настоящее время производители испытатель-
ного оборудования тесно сотрудничают с произво-
дителями бумаги и картона, а также крупными по-
лиграфическими предприятиями. Это сотрудниче-
ство позволяет разрабатывать более совершенные
методы испытания продукции и испытательного
оборудования. Наиболее известными мировыми
марками являются: TMI Group (Testing Machines,
Inc.), Testometric, IGT Testing Systems, Konica Mi-
nolta, MOCON, Emtec и др. при этом каждый произ-
водитель производит узко-специализированное ис-
пытательное оборудование.
На современном этапе развития целлюлозно-
бумажного производства Республики Беларусь,
происходит активная модернизация действую-
щих и строительство новых предприятий, кото-
рые часто покупают уникальное оборудование,
которое позволяет проводить комплексную
оценку показателей качества бумаги или кар-
тона, при этом на предприятиях упускается из
виду вопрос о наличии в комплекте методики
проведения того или иного вида испытаний.
Для минимизации затрат на предприятиях осу-
ществляют подбор оптимальных параметров прове-
дения испытаний в соответствии с особенностью
собственного производства и в связи с этим на на-
чальных этапах работы возникают различные труд-
ности, так как при проведении испытаний в аккре-
дитованных лабораториях очень часто результаты
не совпадают. Также при покупке нового испыта-
тельного оборудования часто возникают трудности с
проведением его поверки, так как оно является уни-
кальным для нашей страны.
В связи со всем выше сказанным необходимо
проведение тщательного анализа всех существую-
щих методов проведения физико-механических ис-
пытаний бумаги и картона с целью разработки об-
щих рекомендаций для отечественных предприятий.
Данные рекомендации позволят реализовать прин-
цип единства измерений, а также расширить воз-
можности отечественных предприятий по реализа-
ции продукции в ближнем и дальнем зарубежье.
1. Махотина, Л. Г. Современные тенденции
втехнологии бумаги для печати. /
Л.Г. Махотина // Целлюлоза. Бумага. Картон.
– 2008. – № 3. – С. 52-55.
2. Технология целлюлозно-бумажного
производства: справочные материалы : в 3 т.
Т.3. Наилучшие доступные технологии в
целлюлозно-бумажной промышленности, ч.3.
/ Всерос. науч.-исслед. ин-т целлюлоз.-бум.
пром-сти; [редкол.: Осипов П. С. (отв. ред.) и
др.]. – Санкт-Петербург: Политехника, 2012.
– 294 с.
3. http://www.zwick.ru
4. http://www.sigma-micron.ru
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
200
УДК681
ПРИМЕНЕНИЕ ШКАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ В ОЦЕНКЕ СВОЙСТВ
ПЕЧАТНЫХ ВИДОВ БУМАГИ
Письменский П.И., Новосельская О.А., Сальников Ю.А.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Любое измерение или количественное оцени-
вание чего-либо осуществляется, используя со-
ответствующие шкалы. Из всех известных типов
шкал: наименований, порядка, интервалов, от-
ношений для оценки качества таких сложных
объектов, как бумага и ее печатные свойства,
подходят только шкалы интервалов и отноше-
ний. Шкала интервалов – порядковая шкала с
известными расстояниями между двумя любыми
числами на шкале. Нулевая точка шкалы и оце-
ночная единица выбираются произвольно. При-
годна для количественных признаков. Шкала
отношений – интервальная шкала с фиксирован-
ной нулевой точкой. Отношение любых двух
точек шкалы не зависит от оценочной
единицы [1].
В полиграфии приняты разновидности шкал
интервалов и отношений, которые представляют
собой тест-объекты контроля печатания, состоя-
щие из отдельных элементов различного назна-
чения. Сигнальные элементы служат для визу-
ального контроля нарушения нормального про-
текания процесса печатания, измерительные –
для контроля качества печати с помощью прибо-
ров, например денситометров [2]. Так для стан-
дартизации офсетного процесса по ISO 12647-
2:2013 или ГОСТ Р 54766-2011 служат шкалы
Ugra Fogra-MediaWedge V3.0, ECI/bvdm TVI 10
v1, DuPont EuroStandard Cromalin Digital, ОКП-1
– разработана ВНИИ полиграфии. Однако все
разработанные тестовые шкалы применяются
только на сертифицированных для данных печа-
тающих устройств бумагах и не могут в полной
мере охарактеризовать их печатные свойства.
В связи с этим была разработана комплексная
тестовая шкала (рисунок 1), которая имеет более
высокую чувствительность к изменению свойств
поверхности за счет минимального шага кон-
трольных элементов с учетом технологических
особенностей изготовления бумаги для печати.
Так были введены элементы оперативного кон-
троля разрешающей способности и скольжения
(кольцевая мира), выделяющей способности
(гильош, а также позитивный и негативный мик-
ротекст), красковосприятия и пыления (плашка),
деформации бумаги вследствие увлажнения
(приводные кресты), контраста печати и растис-
кивания (ступенчатый градационный переход),
контроля равномерности подачи увлажняющего
раствора (плавный градиент, плашка).
Дополнительно в тестовую шкалу включили
элементы контроля бинарных наложений красок,
а также изображение лошади, содержащее труд-
новоспроизводимые цвета, позволяющие кон-
тролировать нарушения в самом печатном про-
цессе.
Рисунок 1 – Вид комплексной тестовой шкалы
Для того, чтобы проверить, работает ли
эта шкала на бумаге с неизменным и изменяю-
щимся композиционным составом, осуществляли
запечатывание стоп бумаги, вырабатываемой по
стандартной технологии, и с изменяющимся
композиционным составом по волокну, виду
наполнителя и типу поверхностной проклейки.
Результаты изменения оптической плотности по
полям шкалы представлены на рисунке 2 и 3.
Рисунок 2 – Изменение оптической плотности
по полям шкалы для неизменного
композиционного состава бумаги а
1 2 3 4 5 6 7 8 9101112
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
201
Рисунок 3 – Изменение оптической плотности по
полям шкалы для бумаги с изменяющимся
композиционным составом
Как видно из рисунков 2 и 3 на полях шкалы
заметно увеличение плотности по краям оттиска
(красные области) как при печати на стандартной
бумаге, так и бумаге с разным композиционным
составом. Это объясняется изменением влажно-
сти бумаги либо сложностями в запечатывании
крайних ее областей. Оттиски с изменяющимся
композиционным составом содержат красные
области не только в крайних областях, но и в
центральной части изображения, что не допус-
тимо для качественной печати и свидетельствует
о сильной неоднородности структуры (разброс
значений превышает ±0,1 Б, интервал оптиче-
ских плотностей составляет 1,10–1,45 Б).
Аналогичным образом были изучены и дру-
гие показатели, такие как растискивание, кон-
траст печати, разрешающая и выделяющая спо-
собность поверхности бумаги, воспроизводи-
мость шрифтов. Анализ показал, что при
воспроизведении комплексной тестовой шкалы
на бумаге с изменяющимся композиционным
составом разброс показателей увеличивается и
их значения снижаются.
В связи с возможностью оценки показателей
качества одновременно по нескольким крите-
риям тестовой шкале и было присвоено название
комплексной. Для снижения размерности ана-
лиза по показателям качества оттисков было
принято решение воспользоваться приемом объ-
единения всех критериев в один – на основе рас-
чета обобщенной функции желательности. С
этой целью была введена оценочная шкала для
каждого из показателей отдельно для бумаги
офсетной и газетной, так как требования к каче-
ству у этих видов печатной бумаги различны.
Обработка экспериментальных данных с
расчетом обобщенной функции желательности
проведена в программе «Решение многокрите-
риальных задач», разработанной в УО БГТУ.
Расчет велся по формуле [3]:
1
1
1
p
u u
u
p
u
u
D d
=
δ δ
=
∑=
∏ ,
где δи – статистический вес (значимость) и-го
критерия.
Заданы веса для каждого из показателей с
учетом важности для воспроизведения
изображений поверхностью бумаги.
Максимальный вес 1,0 присвоен показателю
оптической плотности, минимальный 0,6 для
показателя скольжения. Для негативного
изображения шрифтов и выделяющей
способности вес уменьшен на 0,05 по сравнению
с позитивным, поскольку применяется
сравнительно редко.
Расчет обобщенной функции желательности
для композиции бумаги с различным видом и
содержанием целлюлозы, видом наполнителя и
составов для поверхностного проклеивания
показал, что наибольшего значения (0,4–0,5)
функция достигает при применении 80%
сульфатной и 20% сульфитной целлюлозы,
наполнении микрокальцитом,
модифицированным катионным крахмалом, и
поверхностной проклейкой на основе
композиций крахмала и гидрофобизующего
полимера.
Таким образом применение комплексной
тестовой шкалы позволяет не только оценить
печатные свойства бумаги. Расчет обобщенной
функции желательности снижает размерность
задачи прогнозирования печатных свойств
бумаги. Результаты анализа позволяют
направленно повысить свойства поверхности с
получением бумаги с улучшенными
показателями качества печатного изображения:
оптической плотности оттиска, однородности
печати, воспроизводимости шрифтов,
разрешающей и выделяющей способности,
величины растискивания и скольжения.
1. Фомин, В. Н. Квалиметрия. Управление
качеством. / В. Н. Фомин. — М.: ЭКМОС,
2008. — С. 14.
2. Handbook of print media: technologies and
production methods. / H. Kipphan. – Berlin;
Heidelberg; New York; Barcelona; Hong Kong;
London; Milan; Paris; Singapore; Tokio:
Springer, 2001. — 1207 p.
3. Колесников, В.Л. Компьютерное модели-
рование и оптимизация химико-техноло-
гических систем: учеб. пособие. / В.Л. Колес-
ников, И.М. Жарский, П.П. Урбанович. —
Минск: БГТУ, 2004. — 532 с.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
202
УДК 543.424.4
НЕПРЕРЫВНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ СЫПУЧИХ И ПОРОШКООБРАЗНЫХ
МАТЕРИАЛОВ В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ
Проценко С.В.1, Воропай Е.С.1, Белкин В.Г.2
1Белорусский государственный университет
2Общество с ограниченной ответственностью «Аквар-систем»
Минск, Республика Беларусь
Введение
Современный технологический процесс пред-
ставляет собой комплекс различных измеритель-
ных систем, работающих непрерывно, информа-
ция от которых используется для повышения
качества выпускаемой продукции. Влажность
является одной из важнейших характеристик при
производстве сыпучих и порошкообразных ма-
териалов. Привычные лабораторные методы из-
мерения влажности в силу длительности прове-
дения анализа не подходят для решения постав-
ленной задачи и используются только для
проведения контрольных измерений. Выходом
из сложившейся ситуации является использова-
ние информации из спектров диффузного отра-
жения о величине поглощения воды, что позво-
ляет использовать спектроскопию диффузного
отражения для построения систем, работающих
непрерывно в технологическом процессе для
измерения влажности сыпучих и порошкообраз-
ных материалов [1].
Кафедра лазерной физики и спектроскопии
БГУ совместно с ООО «Аквар-систем» в послед-
ние годы осуществляет работы по разработке и
проведению испытаний измерителей влажности,
работающих по принципу приема отраженного
инфракрасного излучения [1, 2, 3].
Определение влажности по спектрам диф-
фузного отражения
Для определения влажности сыпучих и по-
рошкообразных материалов по спектрам диф-
фузного отражения в инфракрасной области
спектра используют две полосы поглощения
воды на длине волны 1445 нм и 1934 нм соответ-
ственно. Следует отметить, что получаемый
спектр диффузного отражения на указанных
длинах волн содержит информацию не только о
поглощении воды, но и о других компонентах
входящих в состав рассматриваемого материала
[1]. В некоторых случаях данный эффект услож-
няет определение влажности и требуется предва-
рительная математическая обработка спектра
диффузного отражения.
Измерение влажности торфа
Непрерывное измерение влажности торфа в
технологическом процессе позволяет регулиро-
вать мощности сушильных установок, тем самым
оптимизируя энергозатраты, а также осуществ-
лять контроль готовой продукции, уменьшая тем
самым количество бракованной продукции.
Спектры диффузного отражения торфа в диа-
пазоне 1000-2700 нм при различных влажностях
представлен на рисунке 1. На рисунке 2 приво-
дятся градуировочные уравнения на полосах
поглощения 1445 и 1934 нм соответственно [2].
Рис. 1 – Спектр диффузного отражения торфа
в диапазоне влажности 4-64%
Рис. 2 – Градуировочные уравнения
для определения влажности торфа на полосах
поглощения 1445 и 1934 нм
Измерение влажности кормовых сельско-
хозяйственных культур
Важность непрерывного определения влаж-
ности кормовых сельскохозяйственных культур
во время их заготовки объясняется необходимо-
стью корректировки объемов вносимого консер-
ванта, предотвращающего распад питательных
веществ в период силосования.
Спектры диффузного отражения кормовой
кукурузы в диапазоне 1000-2700 нм при различ-
ных влажностях представлен на рисунке 3. На
y = 625,81x - 0,77
R² = 0,9708
y = 177,32x - 8,33
R² = 0,9551
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
В
л
аж
но
ст
ь
, %
Сигнал диффузного отражения, у.ед.
1445нм 1934нм
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
203
рисунке 4 приводятся градуировочные уравнения
на полосах поглощения 1445 нм и 1934 нм соот-
ветственно [1, 3].
Рис. 3 – Спектр диффузного отражения
кормовой кукурузы в диапазоне влажности
15-71%
Рис. 4 – Градуировочные уравнения для
определения влажности кормовой кукурузы на
полосах поглощения 1445 и 1934 нм
Построенные градуировочные уравнения для
торфа и кормовой кукурузы подтверждают воз-
можность использования спектров диффузного
отражения для определения влажности без пред-
варительной математической обработки. Также
наблюдается увеличение коэффициента детер-
минации при измерении на длине волны 1445 нм
относительно длины волны 1934 нм.
Заключение
Проведены исследования спектров диффуз-
ного отражения торфа и кормовой кукурузы в
диапазоне длин волн 1000-2700 нм. Для каждого
материала построены градуировочные уравнения
для полосы поглощения 1445 нм и 1934 нм. Ре-
зультаты исследований могут быть использо-
ваны для разработки и последующего внедрения
измерителей, работающих непрерывно по спек-
трам диффузного отражения.
Список литературы
1. Влияние влажности зеленой массы на ее
спектры диффузного отражения в ближней
инфракрасной области / В.Г. Белкин,
С.В. Проценко //Вестник БГУ, серия1: Физ.
Мат. Информ. 2014. №3. С.22-25
2. Анализ спектров диффузного отражения
торфа / Е.С. Воропай, В.Г. Белкин,
С.В. Проценко, К.В. Говорун, Е.А. Колова
//Вестник БГУ, серия1: Физ. Мат. Информ.
2016. №1. С.16-20
3. Проценко С.В. Разработка макета инфра-
красного датчика влажности зеленой массы /
С.В. Проценко, В.Г. Белкин // Физика
конденсированного состояния: материалы
XXIV международной научно-практической
конференции аспирантов, магистрантов и
студентов, Гродно, 21 апреля 2016 г., ГрГУ
им Я. Купалы – С. 174-176.
УДК 542.61
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАКТОРА «ПЕРСОНАЛ» ПРИ ВЕРИФИКАЦИИ МЕТОДОВ АНАЛИЗА
В МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ
Савкова Е.Н., Астапчик О.С., Жиженко Е.О.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Беларусь
В настоящее время особую актуальность при-
обретают вопросы качества поверхностных вод,
поскольку их загрязнение приводит к дефициту
воды даже в регионах, в достаточной мере обес-
печенных водными ресурсами, которые пред-
ставлены водоемами, водотоками и родниками
[1]. С развитием системы мониторинга поверх-
ностных вод существует необходимость в разра-
ботке рекомендаций по контролю качества гид-
робиологических проб поверхностных вод. Наи-
более "проблемным" направлением исследова-
ний представляется разработка методов опреде-
ления параметров достоверности и надежности
результатов в качественном анализе гидробиоло-
гических показателей поверхностных вод, их
учета при проведении контроля качества про-
дукции, а также принятия решения о классе ка-
чества водоема, что подтверждает актуальность
и важность выбранной тематики доклада. Во
всем мире используют три методики определе-
ния индексов качества водоемов, но в рамках
Национальной системы мониторинга окружаю-
y = 178,65x - 29,34
R² = 0,978
y = 206,83x - 6,38
R² = 0,9956
5
15
25
35
45
55
65
75
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
В
л
аж
но
ст
ь
, %
Сигнал диффузного отражения, у.ед.
1934 нм 1445 нм
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
204
щей среды Республики Беларусь используют
методику определения индекса сапробности,
согласно которой водоемы распределяют на 5
классов качества воды с определенным цветовым
кодом [2]. Определение классов качества осуще-
ствляется путем сравнения величин гидробиоло-
гических показателей по сообществам фито-
планктона, определенных для исследуемого во-
доема с их заданными величинами [3].
Сообщества фитопланктона подразделяются на 5
групп и 1000 видов. Если учесть, что в одной
пробе могут наблюдаться все группы, то стано-
вится ясно, что процесс действительно трудоем-
кий, так как каждый раз сопоставлять изображе-
ние, наблюдаемое в окуляре микроскопа, с изо-
бражениями из определителя достаточно
затруднительно. А это значит, что необходимо
перейти от визуального контроля к другой изме-
рительной операции, которая позволила бы ис-
ключить этот фактор. Учитывая особенности
регистрационного контроля, основанного на
идентификации, а следовательно на шкале на-
именований была разработана документирован-
ная процедура планирования и организации
внутрилабораторного контроля текущих факто-
ров, влияющих на результат в терминологии СТБ
ИСО МЭК 17025 применимо к фактору «Персо-
нал», включающая четыре этапа и предполагаю-
щая создание и утверждение в качестве стан-
дартного образца предприятия (СОП) вторичных
образцовых веществ – проб воды, характери-
зующихся на предварительном этапе различ-
ными классами качества водоемов, проведение и
обработку результатов.
Согласно СТБ ИСО/МЭК 17025 руководство
лаборатории должно гарантировать компетент-
ность всех сотрудников, которые работают на
специальном оборудовании, проводят испыта-
ния, оценивают результаты, подписывают прото-
колы испытаний. Должна быть проведена оценка
квалификации персонала, выполняющего специ-
альные задачи (учитывается образование, подго-
товка, опыт работы и (или) продемонстрирован-
ное мастерство). Персонал, ответственный за
заключения специалистов и разъяснения резуль-
татов, включенные в протоколы испытаний,
кроме соответствующих квалификации, подго-
товки, опыта работы и удовлетворительных зна-
ний по проводимым испытаниям должен также
обладать: необходимыми знаниями технологии,
применяемой для изготовления испытываемых
изделий, материалов и знаниями о дефектах или
ухудшении характеристик, которые могут возни-
кать во время, или в процессе эксплуатации; зна-
ниями требований, выраженных в законодатель-
ных актах и стандартах; пониманием значимости
обнаруженных несоответствий требованиям,
установленным для изделий, материалов о кото-
рых идет речь. В этой связи была разработана
документированная процедура внутрилабора-
торного контроля, основанная на двухэтапной
методике. На первом этапе мы оцениваем всех
операторов и дисперсию между ними, т.е. в каче-
стве образцов были приняты 3 пробы с извест-
ными (аттестованными) характеристиками. Экс-
перимент заключался в том, что каждую пробу
исследовали и идентифицировали 3 оператора,
регистрируя значения. Операторам предлагалось
определить линейные размеры микроорганизмов,
расписать оценки прецизионности и сравнить с
критериями, установленными в отделе для выяв-
ления критичного оператора. На втором этапе
мы предлагаем критичному оператору выпол-
нить всю процедуру исследований в лаборато-
рии, а обработка результатов учитывается с ве-
совыми коэффициентами (устанавливают в ла-
боратории).
Оценка фактора влияния "Персонал"
проходит в несколько шагов, которые
представлены в таблице 1
Таблица 1– Шаги оценки фактора влияния
"Персонал"
Этап (уровень)
оценки
Определяемый
показатель
1 Качественная
оценка (визуальный,
регистрационный
контроль)
Констатация
наличия/отсутствия
признака
(микроорганизмов в
пробе) ("да"/ "нет")
2 Количественная
оценка
(измерительный
контроль)
2.1 Измерение
размеров объекта
Линейные размеры
микроорганизмов
3 Качественная
оценка (анализ)
3.1 Идентификация
и классификация
микроорганизмов
Определение вида
фитопланктона:
- диатомовые;
- зеленые;
- синезеленые;
- пирофитовые.
4 Комплексная
оценка (анализ)
Оценка фактора
"Персонал" по шкале:
- "очень хорошо";
- "хорошо";
- "допустимо";
- "плохо";
- "очень плохо".
Для каждого образца установлен уровень
приемлемости Q, т. е. минимальное количество
обнаруженных в образце микроорганизмов, при
котором оператор считается компетентным.
Уровень приемлемости задаётся самой лаборато-
рией. Количество объектов обнаруженных в
СОП – mj. Для каждого образца находится сред-
нее значение 𝑚� . Критерий приемлемости опреде-
ляется по формуле: 𝑚𝑗 ≥ 𝑄𝑗,
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
205
где 𝑚𝑗 – количество правильно
классифицированных микроорганизмов в СОП;
𝑄𝑗 – уровень приемлемости, устанавливаемый
для каждого СОП.
При проведении первого уровня контроля для
оценки операторов пользуются шкалой, градации
в которых определяются в зависимости от по-
требностей лаборатории.
Каждый последующий шаг оценки оператора
строится по схожей схеме, сверяя данные полу-
ченные оператором и заранее известные показа-
тели заложенные в СОП.
Для получения комплексной оценки фактора
"Персонал" необходимо провести комплексиро-
вание полученных ранее показателей по процен-
там. Расчёт выполнять по следующей формуле
𝛿 = 𝑘1𝐴1 + 𝑘2𝐴𝑥,𝑦 + 𝑘3𝐴𝑥,𝑦,𝑧 + 𝑘4𝐴ℎ,
где 𝑘1 … 𝑘4 – коэффициенты весомости;
𝐴1 …𝐴ℎ – оценка показателя в процентах.
При этом для оценки операторов пользуются
шкалой, градации в которых определяются в за-
висимости от потребностей лаборатории. Пред-
лагаемая шкала представлена в таблице 2.
Таблица 2 – Шкала оценивания оператора
по комплексному показателю.
Градации
Комплексная
оценка
%
Очень хорошо а ≤ 𝛿 ≤ b 100
Хорошо b ≤ 𝛿 ≤ c 80
Допустимо c ≤ 𝛿 ≤ Q 60
Плохо Q ≤ 𝛿 ≤ d 40
Очень плохо d ≤ 𝛿 ≤ e 20
Показатели a, b, c, d, e, Q – определяются
лабораторией. Если 𝑚𝑗 меньше 𝑄𝑗 , то вводят
дополнительную проверку операторов.
При дополнительной проверке операторов
необходимо выяснить, какой из операторов вно-
сит большой вклад в изменчивость результатов.
При дополнительной проверке операторов вво-
дится дополнительный уровень, на котором про-
веряется качество выполнений операций кон-
троля и соответствие их требованиям норматив-
ной документации на контроль.
Оценку фактора влияния "Персонал"
можно также проводить по правильности и
степени заполнения технологической карты и
заключения по контролю. При таком контроле
каждое поле в технологической карте имеет
свою значимость. Для конечной оценки
количество ошибок в каждом поле умножается
на коэффициент значимости. Показатели по
каждому полю складываются, а комплексный
показатель оценивается по шкале, градации
которой задаёт сама лаборатория.
1. Водный кодекс Республики Беларусь //
Национальный реестр правовых актов
Республики Беларусь. — 2014. — № 193,
2/2147.
2. Об установлении нормативов качества воды
поверхностных водных объектов:
постановление Министерства природных
ресурсов и охраны окружающей среды
Республики Беларусь от 30 марта 2015 г.,
№ 13 // Нац. реестр правовых актов
Республики Беларусь. – 2015. – 25 апреля
(№ 8/29808).
3. Лурье, Ю.Ю. Унифицированные методы
исследования качества вод / Ю.Ю. Лурье //
Москва. – 1977. – № 1-3. – С. 16-17.
УДК: 535.3
СПОСОБ ОЦЕНИВАНИЯ НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ В ПРОГРАММНО-
АППАРАТНЫХ СРЕДАХ НА ОСНОВЕ ЭНТРОПИИ
Савкова Е.Н., Карпиевич Е.Н.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Беларусь
В настоящее время цифровая обработка и по-
следующее распознавание изображений – одно
из интенсивно развивающихся направлений
научных исследований. Так колориметрия
высокого разрешения представляет собой
методологию определения цветовых
характеристик объектов на основе анализа их
цифровых изображений. Поэтому для
получения достоверных результатов
необходимо учитывать все операции преобразо-
вания данных в информационном канале: пред-
фильтрация, дискретизация, квантование,
кодирование, декодирование, постфильтрация,
каждая из которых одновременно является
источником получения информации и
источником ее потерь.
Дискретизация и квантование. Для
получения цифрового сигнала из непрерывного
необходимо произвести дискретизацию по
времени и квантование по амплитуде. В
результате этих операций возникают потери
информации, характеризующие отличие
исходного изображения от восстановленного.
Для случая дискретизации изображений
применима теорема Котельникова [1], которая
позволяет осуществить дискретизацию и
восстановить изображение без потерь. Для
цифровых изображений важнейшей операцией,
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
206
определяющей визуальную избыточность, явля-
ется квантование изображения по яркости.
Квантование заменяет множество непрерывных
входных значений яркости
последовательностью дискретных значений,
каждое из которых присваивается группе
близких к нему значений яркости. Обычно шаг
квантования постоянен – равномерное
квантование. Чем больше шаг, тем меньше
энтропия получаемого изображения [2].
В системах цифровой обработки
изображений стремятся уменьшить число
уровней и порогов квантования, так как от их
количества зависит объем информации,
необходимый для кодирования изображения.
Однако при относительно небольшом числе
уровней на квантованном изображении
возможно появление ложных контуров. Они
возникают вследствие скачкообразного из-
менения яркости проквантованного
изображения и особенно заметны на пологих
участках ее изменения. Существующие
устройства осуществляют обычно равномерное
квантование сигналов [1].
Алгоритмы квантования. Вопросы кванто-
вания на текущий момент достаточно хорошо
проработаны международными организациями
по стандартизации кодирования видео и
изображений:
− ITU-T – Группа экспертов кодирования
видео (VCEG) - Телекоммуникационный сектор
стандартизации (ITU-T, организация ООН,
ранее МККТТ - CCITT), Исследовательская
группа 16, Вопрос 6 (Study Group 16, Question
6);
− ISO/IEC - Группа экспертов подвижных
изображений (MPEG), Объединенный техниче-
ский комитет 1, Подкомиссия 29, Рабочая
группа 11.
Всего на сегодняшний день разработано
более 130 НД и ТНПА, касающихся обработки
цифровых изображений (подвижных и
неподвижных). Основные алгоритмы
квантования представлены на рисунке 1 [3].
Рисунок 1 – Алгоритмы квантования цветного пространства
Во всех данных алгоритмах задается опреде-
ленное количество уровней квантования. Про-
блему задания числа уровней квантования ре-
шают несколькими способами: 1) заданием числа
уровней квантования равным 256 для представ-
ления изображения в палитровом формате; 2)
определением числа уровней квантования поро-
говым способом, проводя экспериментальный
подбор пороговых значений на анализе опреде-
ленных классов изображений.
Взаимосвязь информационной энтропии и
неопределенности. Для объективной оценки
потерь, будем меру количества информации –
энтропию H. Энтропийный интервал неопреде-
ленности охватывает ту часть распределения, в
которой сосредоточена основная часть возмож-
ных значений случайной погрешности, в то
время как некоторая их доля остается за грани-
цами этого интервала. Поэтому для любого рас-
пределения может быть указано такое значение
доверительной вероятности, при котором энтро-
пийное и доверительное значения погрешности
совпадают [4]. Формальным определением эн-
тропийного значения случайной величины явля-
ется соотношение:
𝐻(𝑋/𝑋𝑁) = ln(2∆) (1)
где 𝐻(𝑋/𝑋𝑁) – полная остаточная энтропия,
бит; 𝑋,𝑋𝑁 - текущие значения измеряемой
величины и результата; ∆ - погрешность, бит.
Отсюда энтропийный интервал погрешности:
𝑑 = 2∆= 𝑒𝐻(𝑋/𝑋𝑁), и ∆𝑗= 12 𝑒𝐻(𝑋/𝑋𝑁).
Представленные выражения были расширены
и адаптированы к понятию «неопределенность».
Взаимосвязь энтропии и неопределенности
представлена на рисунке 2.
АЛГОРИТМЫ КВАНТОВАНИЯ ЦВЕТНОГО ПРОСТРАНСТВА
алгоритмы расщепления цветового
пространства
алгоритмы, основанные на применении кластерного
с предварительным
разбиением
с пост-разбиением
алгоритм линейного квантования
алгоритм разбиения по частоте
вхождения
алгоритм медианного сечения
алгоритм октетного дерева
метод связности графа
иерархические методы
алгоритм K-средних
метод сгущений
алгоритм Ллойда – GLA
алгоритм нечёткий
К-средних
алгоритм с обучением на
основании соревнования
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
207
Рисунок 2 – Взаимосвязь энтропии
и неопределенности
Взаимосвязь между энтропией и неопреде-
ленностью имеет вид:
𝐻 = 2 ln𝑈 ,𝑈(𝐻) = 𝑒𝐻 2� (2)
где H – полная остаточная энтропия, бит; U(H) –
энтропийный интервал неопределенности, бит.
На основе данных распределений авторами
построены зависимости, отражающие взаимо-
связь информационной энтропии и неопределен-
ности (рисунок 3). Установлено, что наиболее
точным является равномерное распределение.
Применение теории информации с
использованием энтропийного подхода является
общим принципом, способом описания и оценки
неопределенности результата измерений,
пригодным для использования в равной степени
как в метрических, так и неметрических шкалах.
1 Ежова К.В. Моделирование и обработка
изображений. Учебное пособие. – СПб: НИУ
ИТМО, 2011. – 93 с.
2. Немировский В.Б, Стоянов А.К.
Предобработка изображений одномерными
точечными отображениями. Известия Томского
политехнического университета № 5 / том 319 /
2011.
3 Арбузников Е.А., Загребнюк В.И.,
Кумыш В.Ю. Метод адаптивного определения
количества уровней квантования цифровых
изображений, основанный на анализе градаций
яркости. Восточно-Европейский журнал
передовых технологий № 2 (42) / том 6 / 2009.
4 Информационное описание измерения.
Режим доступа: http://it.fitib.altstu.ru/neud/toiit/
index.php?doc =teor&module=2. Дата доступа
18.09.2016.
Равномерный закон:
𝐻 = ln(2√3𝜎) ,𝑈(𝐻) = 𝑒2√3𝜎 2�
Треугольный закон:
𝐻 = ln(√6𝑒 𝜎) ,𝑈(𝐻) = 𝑒√6𝑒 𝜎 2�
Нормальный закон:
𝐻 = ln(√2𝜋𝑒 𝜎) ,𝑈(𝐻) = 𝑒√2𝜋𝑒 𝜎 2�
Рисунок 3 – Зависимость энтропии
и неопределенности от СКО
УДК 535.3
ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ СТАНДАРТНЫХ
ОБРАЗЦОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СВЕТОВОЗВРАЩЕНИЯ
Савкова Е.Н., Сернов С.П., Клевитская Е.Д.
Белорусский национальный технический университет
Стремительное увеличение парка транспорт-
ных средств в Республике Беларусь обуславли-
вает необходимость развития методов обеспече-
ния дорожной безопасности и пропускной спо-
собности дорог. Светотехническое оборудование
элементов транспортных средств и дорожных
знаков, а также иные дорожные полотна следует
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
208
сертифицировать на соответствие правилам ЕЭК
ООН и др.
В настоящее время разработано и внесено в
Государственный реестр средств измерений Рес-
публики Беларусь около 500 типов ГСО, однако,
требуемые для проведения испытаний типы СО
отсутствуют и не находятся в стадии разработки
у организаций-разработчиков.
На базе аккредитованного Центра испытаний
светотехнического оборудования автотранспорт-
ных средств научно-исследовательской лабора-
тории оптико-электронного приборостроения
научно-технической части (далее НИР ЦИСО)
созданы три единичных экземпляра стандартных
образцов разного цвета и структур, необходимых
для построения градуировочных характеристик в
требуемом диапазоне измерений:
№1 – образец желтого цвета «гладкой»
структуры;
№2 – образец белого цвета «гладкой»
структуры;
№3 – образец белого цвета «сотовой»
структуры.
В качестве отдельного СО выступает метал-
лическая пластина с наклеенной светоотражаю-
щей плёнкой алмазного типа. Данные материалы
были выбраны благодаря способности долговре-
менно сохранять свои фотометрические характе-
ристики неизменными.
Прослеживаемость до Национального эталона
единицы силы света и освещенности НЭ РБ 8-02
с помощью данного комплекта СО предполага-
ется обеспечивать посредством осуществления
калибровки установки Гонио-рефлектометра
«Gonio 9210», используемой для получения ре-
зультатов измерений нормируемых параметров
коэффициента силы света (далее КСС) и коэф-
фициента светоотражения (далее КС) светотех-
нического оборудования автотранспортных
средств в рамках испытаний.
На данном этапе работы решается вопрос о
статусе комплекта СО и дальнейшей разработки
и подготовки документов для его признания на-
циональными органами Республики Беларусь.
Необходимо создание стандартного образца (да-
лее СО) государственного уровня для обеспече-
ния метрологической прослеживаемости резуль-
татов измерений метрологического контроля,
проводимых в рамках испытаний светотехниче-
ского оборудования на соответствие требова-
ниям законодательства Республики Беларусь в
аккредитованном испытательном центре.
В соответствии с ТКП 8.005 в зависимости от
сертифицируемого параметра выделяют СО со-
става и СО свойств. По уровню признания (ут-
верждения) и области применения СО подразде-
ляют на следующие категории: межгосударст-
венные стандартные образцы (МСО);
стандартные образцы КООМЕТ (СО КООМЕТ);
государственные стандартные образцы (ГСО);
стандартные образцы организаций (СОП).Был
выполнен сравнительный анализ процедур
признания СО и построены маршрутные карты
утверждения в Республике Беларусь. На
организационном уровне основными этапами
являются:
1) разработка и согласование ТЗ;
2) проведение исследований и эксперимен-
тальных работ по изготовлению СО;
3) разработка технической и нормативной
документации на СО, ее метрологическая экс-
пертиза;
4) утверждение СО, его регистрация.
Сертифицируемые параметры разработан-
ных СО - коэффициент силы света, мкд/лк; и
коэффициент светоотражения, кд/(лк·м2).
Коэффициент силы света, (R) – частное от
деления силы света, отраженного в рас-
сматриваемом направлении, на освещенность
светоотражающего приспособления при данных
угла х освещения, расхождения и вращения.
𝑅 = 𝐼
𝐸
, (1)
где 𝐼 – сила света, кд; 𝐸- освещенность.
Коэффициент светоотражения (R') – частное
от деления коэффициента силы света R на
плоскости светоотражающей поверхности на ее
площадь.
𝑅′ = 𝐼
𝐸∙А
, (2)
где 𝐼 – сила света, кд; 𝐸- освещенность, лк; А -
площадь освещенной поверхности, м2.
Данные параметры являются показателями
качества светотехнического оборудования
автотранспортных средств в соответствии с
Правилами ЕЭК ООН, устанавливающими
требования по безопасности, техническому
уровню к транспортным средствами предметам
их оборудования и частям.
Предполагается использовать СО в сфере
законодательной метрологии, а именно при
получении результатов измерений при
осуществлении метрологического контроля и
проведении испытаний и контроля за
соответствием продукции требованиям
законодательства Республики Беларусь. При
этом основными нормативными документами
являются ТКП 8.005, ТКП 8.014, СТБ ISO Guide
35, СТБ ЕН 13356, СТБ 1300, СТБ 1140, СТБ
1231, СТБ 1538, ГОСТ 8769, ISO/IEC Guide 99,
Правила ЕЭК ООН № 104.
Использование комплекта СО позволяет
измерять достаточно широкий диапазон
значений КСС и КС обусловленный тем, что
параметры светотехнического оборудования
варьируются в разных по величине значениях
фотометрических характеристик.
Сертифицируемые параметры ГСО
приведены в таблице 1.
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
209
Таблица 1 - Результаты НИР ЦИСО
Н
аи
м
ен
ов
ан
ие
па
ра
м
ет
ра
,
ед
ин
иц
а
из
м
ер
ен
ий
№
э
кз
.
С
ер
ти
ф
иц
ир
уе
м
ое
зн
ач
ен
ие
П
ог
ре
ш
но
ст
ь,
∆
𝑟𝑒𝑓
Р
ас
ш
ир
ен
на
я
не
оп
ре
де
ле
нн
ос
ть
,
𝑈
𝑟𝑒𝑓
С
та
би
ль
но
ст
ь,
∆
𝑠𝑡
Н
ео
пр
ед
ел
ен
но
ст
ь
од
но
ро
дн
ос
ти
, 𝑢
𝑢𝑛
Коэф-
фици-
ент
силы
света
1 445 - 3,9 0,88 % 5,4 5,4 1,2 %
2 485 - 3,7 0,76 % 2,6 2,4 0,50 %
3 2091 - 2,1 0,11 % 3,9 0,22 0,01 %
Коэф-
фици-
ент
свето-
отра-
жения
1 75 - 0,66 0,88 % 0,91 - -
2 82 - 0,62 0,76 % 0,44 - -
3 352 - 0,36 0,11 % 0,66 - -
В рамках разработки ГСО планируется под-
готовить следующую техническую документа-
цию (в соответствии с ТКП 8.005):
- техническое задание;
- программу сертификации ГСО;
- отчет по сертификации ГСО;
- сертификат ГСО;
- инструкцию по применению ГСО;
- этикетку;
- проект описания типа ГСО;
-методику калибровки Гонио-рефлектометра
«Gonio 9210» с расчетом неопределенности;
- программу проведения научно-
исследовательских и экспериментальных работ
по изготовлению ГСО.
Требования к метрологическому
обеспечению включают методику исследования
однородности материала ГСО, а также методику
исследования стабильности материала ГСО.
Неопределенность однородности
определяется как стандартное отклонение
каждого экземпляра по формуле:
𝑢𝑘 𝑢𝑛. = s𝑘𝑢𝑛 = �∑ �R𝑝𝑘������−R𝑘���������2𝑓=4𝑝=1 𝑓−1 , (3)
где 𝑅𝑘𝑝 – коэффициент силы света, мкд/лк;
𝑅�𝑘 – среднее арифметическое значение
коэффициента силы света экземпляра ГСО
мкд/лк;
𝑘– идентификатор экземпляра ГСО;
𝑝- идентификатор угла поворота ГСО;
f - число углов поворота ГСО.
Образец считается однородным, если
значение неопределенности однородности не
превышает 10 %.
Значение стабильности определяется
следующим образом
∆𝑠𝑡.𝑘(𝑅) = �𝑅𝑘���� − 𝑅𝑟𝑒𝑓.𝑘�, (4)
∆𝑠𝑡.𝑘(𝑅′) = �𝑅′𝑘���� − 𝑅′𝑟𝑒𝑓.𝑘�, (5)
где ∆𝑠𝑡.𝑘(𝑅), ∆𝑠𝑡.𝑘(𝑅′) – стабильность
материала k-го экземпляра ГСО, выраженная
смещением среднего арифметического значения
исследуемого параметра (КСС и КС
соответственно) от установленного
сертифицированного значения параметра ГСО,
мкд/лк или кд/(лк·м2) соответственно;
𝑅𝑘����, 𝑅′𝑘���� – средние арифметические значения
исследуемых параметров (КСС и КС
соответственно), мкд/лк или кд/(лк·м2),
определяются как
𝑅𝚤𝑛𝑑 𝑘�������� = ∑ 𝑅𝑖𝑛𝑑.𝑘𝑛𝑖=1𝑛 , (6)
где 𝑗 – наблюдаемое значение в серии; 𝑛–
число наблюдений в серии; 𝑅𝑟𝑒𝑓.𝑘,𝑅′𝑟𝑒𝑓.𝑘 –
сертифицированные значения параметров ГСО,
мкд/лк или кд/(лк·м2) соответственно.
Образец считается стабильным, если
значения стабильности материалов k-го
экземпляра ГСО, рассчитанные по формулам 2
или 3 за рассматриваемый период не превышает
10 % от значения, полученного за предыдущий
период.
Таким образом, признание СО на
национальном уровне позволит лаборатории
осуществлять метрологический контроль с
наименьшими затратами.
УДК 535.3
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОСТРАНСТВА КАК ЭФФЕКТИВНОЕ СРЕДСТВО
ИССЛЕДОВАНИЙ КАЧЕСТВЕННЫХ СВОЙСТВ ОБЪЕКТОВ
Савкова Е.Н.1, Сутковский М.2, Жиженко Е.О.1
1Белорусский национальный технический университет
Минск, Республіка Беларусь
2Варшавский технический университет
Варшава, Польша
Для исследований свойств объектов исполь-
зуют пять основных видов шкал: наименований,
порядка, интервальную, отношений и абсолют-
ную. В таком перечислении отражено, что каж-
дая последующая шкала «поглощает» в себя
предыдущую, наращивая новые свойства. Наи-
лучшие возможности с точки зрения реализации
измерений предоставляют метрические шкалы –
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
210
интервалов и отношений. Согласно [1] измере-
ния не применяют в отношении качественных
свойств. Качественное свойство - свойство явле-
ния, тела или вещества, которое не может быть
выражено размером. Качественное свойство
имеет значение, которое может быть выражено
словами, буквенно-числовым кодом или другим
способом [2]. Шкалы наименований широко ис-
пользуются в любых операциях по идентифика-
ции, классификации объектов и их совокупно-
стей. Процесс идентификации качественного
свойства объекта по шкале наименований может
занимать много времени, как, например, в мик-
робиологическом анализе при идентификации
микроорганизмов зоо- и фитопланктона в пробе
воды. Сообщества фитопланктона подразделя-
ются на 5 групп и 1000 видов. Если учесть, что в
одной пробе могут наблюдаться все группы, то
становится ясно, что процесс действительно тру-
доемкий, так как каждый раз сопоставлять изо-
бражение, наблюдаемое в окуляре микроскопа, с
изображениями из определителя достаточно за-
труднительно. Операции идентификации осуще-
ствляются визуально с помощью специальных,
воспроизведенных на бумажных носителях атла-
сов, что вносит в достоверность результатов ис-
следований существенную субъективную со-
ставляющую, связанную с утомляемостью опе-
ратора. Аналогичные операции выполняются в
технологиях идентификации объектов при цве-
товом визуальном уравнивании, например, в по-
лиграфии и лакокрасочном производстве. Не-
смотря на то, что в данных областях часто свой-
ству приписывается некий числовой код,
«значение качественного свойства» не следует
путать с номинальным значением величины [3].
В этой связи эффективным средством иссле-
дований становится применение технологий об-
работки цифровых изображений объектов, осно-
ванных на распознавании образов, что позволяет
«отстроиться» от субъективной составляющей,
связанной с психофизическими восприятиями и
утомляемостью.
Распознавание может проходить по трем ме-
тодам: шаблонный (эталонный), структурный и
признаковый. В случае использования шаблон-
ного метода просто необходимо ввести некото-
рый допуск на расхождение между объектом и
шаблоном. Можно вычислить меру соответствия
между распознаваемым изображением и этало-
ном, хранящимся в памяти компьютера. Такой
мерой может быть, например, доля общей пло-
щади изображения и эталона при наложении их
друг на друга. При использовании структурного
метода распознаваемый объект описывается как
граф, узлами которого являются элементы вход-
ного объекта, а дугами - пространственные от-
ношения между ними. Любая система распозна-
ния и идентификации образов не может дать
точного ответа. Вместо этого она выдает вероят-
ность, с которой сравниваемые величины совпа-
дают. Данная вероятность сравнивается с поро-
говым значением, в результате чего определя-
ется, следует ли считать ответ положительным
или отрицательным. В связи с этим системы
можно сравнивать по следующим параметрам
FRR, FAR, ATV. Математически это выражается
по следующей формуле 1
𝐴𝑇𝑉 = (1 − 𝐹𝑅𝑅) ∙ (1 − 𝐹𝐴𝑅), (1)
где FRR – система не распознает зарегистри-
рованный объект;
FAR – система ошибочно распознает незаре-
гистрированный объект;
ATV – вероятность, с которой система может
успешно проверить объект.
Основная концепция данной методики за-
ключается в том, что объект исследований –
пробу по сообществам фитопланктона регистри-
руют с помощью цифровой камеры, встроенной
в микроскоп и на основе обработки полученного
изображения осуществляют идентификацию
микроорганизмов при использовании шкалы
наименований и абсолютной шкалы. Вследствие
чего мы получаем трудоемкий процесс с повы-
шенной вероятностью возникновения ошибок,
так как количество возможных видов фито-
планктона достигает 1000, а количество возмож-
ных комбинаций 𝑃𝑛 = 𝑛! стремится к
бесконечности. Количество идентификационных
признаков по размеру и по форме зависит от из-
мерительной задачи. Мы их задали квантованием
из принципа здравого смысла.
Точность и достоверность информации о со-
стоянии исследуемого объекта, получаемой на
основе обработки его цифрового изображения,
могут быть оценены и повышены за счет исполь-
зования количественной меры информации –
информационной энтропии, поскольку основные
элементы измерительной системы – это измери-
тельные устройства, осуществляющие обработку
информации [4].
При идентификации видов фитопланктона
энтропию можно рассматривать как меру
уменьшения неопределённости по формуле 2
𝐼 = 𝐻0 − 𝐻, (2)
где H0 – априорная энтропия до идентификации
видов фитопланктона;
H – энтропия после идентификации.
Энтропия после идентификации определяется
по формуле 3
𝐻 = ∑ 𝐻𝑖𝑛𝑖=1 , (3)
где Hi – энтропия на i-м уровне идентификации.
Важно на предварительном этапе установить
определенную последовательность, которая по-
зволяет упорядочить шкалу наименований. На
рисунке 1 опираясь на опыт Манселла и других
ученых, графически представлена упорядоченная
шкала наименований применительно к пробе
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
211
фитопланктона, включающая идентификацию
микроорганизмов по цвету, размеру, форме и
уровню организации.
Рисунок 1 – Упорядоченная шкала
наименований по сообществам фитопланктона
Масштабирование при использовании интер-
поляции нулевого порядка не приводит к каким-
либо дополнительным его искажениям, видимое
же снижение качества всецело обусловлено из-
менившимися условиями наблюдения, при кото-
рых ограничения со стороны остроты зрения
оказались ослабленными. Этот же результат
будет иметь место, если увеличение изображения
осуществить оптическим способом. В целях
ослабления искажений такого типа были разра-
ботаны более совершенные методы интерполя-
ции изображений. При выделении объектов не-
обходимо исключить влияния шума и точно вы-
делить контуры. Для этого возможно
применение детектора границ Канни [4].
На этом шаге алгоритма полученная струк-
тура связей используется для пересчета средних
уровней яркости на этот раз с использованием
только связанных на самом низком уровне и
продолжается по всем уровням пирамиды
вверх [4].
Все системы идентификации работают
только по двум сценариям "1:N" и "1:1". Однако,
учитывая специфику данной области появляется
иная система "N:N", это связано с тем, что на
цифровом изображении находится большое ко-
личество объектов, каждый из которых должен
быто идентифицирован. Но реализовать данную
методику можно только при переходе к стан-
дартной системе "1:N", для этого необходимо
выделить все объекты и выполнять их идентифи-
кацию в отдельности. Выполнить этот переход
возможно, при комплексном использовании
шаблонного и признакового метода распознава-
ния образа. На первом этапе будет реализовы-
ваться признаковый метод, путем применения 4-
х мерного пространства признаков (цвет, размер,
форма, уровень организации). А затем, значи-
тельно сократив число возможных вариантов,
применим шаблонный метод. Выполнение всех
этапов идентификации позволяет классифициро-
вать организмы в пробе на группы фитопланк-
тона.
1 Об установлении нормативов качества
воды поверхностных водных объектов:
постановление Министерства природных
ресурсов и охраны окружающей среды
Республики Беларусь от 30 марта 2015 г., № 13 //
Нац. реестр правовых актов Республики
Беларусь. – 2015. – 25 апреля (№ 8/29808).
2 Красильников, Н.Н. Цифровая обработка
2D- и 3D-изображений / Н.Н. Красильников //
БХВ-Петербург. – 2011. – № 2. – С. 14-432.
3 Кудряшов, Б.Д. Теория информации:
учебник для вузов / Б.Д. Кудряшов // Питер. –
2009. – С. 320.
4 Ясницкий, Л.Н. Введение в искусст-
венный интеллект / Л.Н. Ясницкий // Академия. –
№1-2. – С. 13-465
УДК 006.063:621.317.725(045)(476)
КАЛИБРОВКА ВЫСОКОТОЧНЫХ КАЛИБРАТОРОВ ПО НАПРЯЖЕНИЮ
ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПОМОЩЬЮ НАЦИОНАЛЬНОГО ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ
НАПРЯЖЕНИЯ – ВОЛЬТА № НЭ РБ 10-02
Сентемова Д. В., Казакова Е.А.
Белорусский государственный институт метрологии
Минск, Республика Беларусь
Не для кого не секрет, что БелГИМ обладает
большой эталонной базой и большим спектром
проводимых работ по метрологическому обеспе-
чению. Для того чтобы белорусским предпри-
ятиям оставаться на международной арене лиде-
рами по конкурентоспособности продукции при-
ходится соответствовать международным стан-
дартам, а, следовательно, все чаще и чаще прибе-
гать к одному из видов метрологического кон-
троля – калибровке средств измерений.
Предлагаю вам рассмотреть калибровку вы-
сокоточных калибраторов по напряжению посто-
янного тока, которая проводится с помощью
Национального эталона единицы напряжения –
вольта № НЭ РБ 10-02. В качестве конкретного
примера возьмем многофункциональный калиб-
ратор Fluke 5720A. Внешний вид калибратора
представлен на рисунке 1.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
212
Рисунок 1 – Внешний вид
многофункционального калибратора Fluke 5720A
Калибровка выполняется в два этапа: в диапа-
зоне до 10 В с помощью Национального эталона
единицы напряжения – вольта № НЭ 10-02, а в
диапазоне от 10 В – меры напряжения Fluke
732B, делителя напряжения Fluke 752A, мульти-
метра 3458А (используемый в качестве нуль-
индикатора). Метод проводимых измерений
дифференциальный.
Проведение измерений на первом этапе про-
исходит на автоматизированном рабочем месте
(смотри рисунок 2), что позволяет сразу прово-
дить обработку результатов измерений с помо-
щью программного пакета MS Exсel.
Рисунок 2 – Автоматизированное рабочее
место Национального эталона единицы
напряжения – вольта № НЭ РБ 10-02
На рисунке 3 изображен пример программ-
ного окна supraVOLTcontrol при проведении
измерений. Программа позволяет задавать от
одной до восьми калибруемых точек. Трехка-
нальный переключатель полярности позволяет
нам подключать три объекта калибровки и полу-
чать результат, измеренный как при положи-
тельной, так и отрицательной полярности. Про-
грамма рассчитывает среднее значение измеряе-
мой величины и стандартное отклонение, а также
среднее значение термоэдс.
Рисунок 3 – Пример программного окна
supraVOLTcontrol
При проведении калибровки в диапазоне от
10 В, как уже говорилось ранее нам понадобится
мера напряжения Fluke 732B, делитель напряже-
ния Fluke 752A, мультиметр 3458А (используе-
мый в качестве нуль-индикатора).
Следовательно, у нас получается две модели
измерения. Модель измерения при калибровке
калибратора в диапазоне до 10 В имеет вид
Uк = Uизм + δUджз + δUнв + δUэдс, В (1)
где Uизм – измеренное значение калибратора,
δUджз – точность воспроизведения напряжения
Национального эталона напряжения – вольта №
НЭ 10-02, δUнв – поправка на погрешность
нановольтметра Keithley 2182A, δUэдс – поправка,
обусловленная наличием термоэдс.
Модель измерения при калибровке
калибратора в диапазоне от 10 В имеет вид
Uк = (КД + δКкоэфф дел )∙(UД - δUмн +
+ ∆Uизм -δUнв) + δКни дел, В,
(2)
где КД – коэффициент деления делителя, δКкоэфф
дел – поправка на погрешность коэффициента
деления делителя, UД – действительное значение
меры напряжения Fluke 732В, δUмн –
нестабильность меры напряжения Fluke 732В,
∆Uизм - показания разности потенциалов,
снимаемых с мультиметра 3458А, δUнв –
погрешность мультиметра 3458А, δКни дел –
поправка на погрешность нуль-индикатора
делителя.
Рассмотрим более подробно первую модель.
Тип неопределенности А и нормальный вид
распределения характерен для входных величин
Uизм и δUджз. Стандартная неопределенность для
входной величины Uизм определяется по формуле
n/S=)U(u 0измA , В, (3)
где So – стандартное отклонение,
рассчитываемое программным обеспечением и
отображаемое в рабочем окне программы
supraVOLTcontrol (столбец «Average Deviation»),
n – количество измерений.
Стандартная неопределенность для входной
величины δUджз будет равна 4 нВ согласно
результатов прямых ключевых сличений
КООМЕТ №524/RU/11 (COOMET.EM. BIPM-
K10b) [1].
Тип неопределенности В и прямоугольный
вид распределения характерен для входных
величин δUнв и δUэдс. Стандартная
неопределенность для входной величины δUнв
будет рассчитываться как
3/Δ=)Uδ(u нвнвB , В, (4)
где Δнв – погрешность нановольтметра Keithley
2182A на диапазоне измерений 10 мВ в точке 235
мкВ (максимальное значение, на котором
измеряется разность напряжений). Стандартная
неопределенность для входной величины δUэдс
будет равна
эдсэдсB )U(u ∆=δ , В, (5)
где ∆эдс = 5 нВ (в соответствии с руководством
по эксплуатации и рекомендации фирмы-
изготовителя [2]).
Таким образом, составив бюджет неопреде-
ленности оценивания действительного значения
выходного напряжения постоянного тока 1 В
многофункционального калибратора Fluke 5720A
в табличной форме (рисунок 4) получаем сле-
дующий результат (0,999997696 ± 0,000000068) В
при коэффициенте охвата к=2 при уровне
доверия р=95 %.
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
213
Рисунок 4 – Бюджет неопределенности 1 В
Для второй модели измерений тип
неопределенности А и нормальный вид
распределения характерен для входной величины
∆Uизм. Стандартная неопределенность для
входной величины ∆Uизм вычисляется по
формуле
)UΔ(u+)UΔ(u
2
1
=)измU(u _изм
2
A+изм
2
AA , В, (6)
где )U(u +измA – стандартное отклонение
среднего значения измеряемой величины при
положительной полярности, )_U(u измA –
стандартное отклонение среднего значения
измеряемой величины при отрицательной
полярности.
Для входной величины UД характерен вид
распределения В и нормальный закон
распределения. Стандартная неопределенность
равна
2/U=)Uδ(u ммB , В, (7)
где Uм – расширенная неопределенность при
уровни доверия р=95 % на меру напряжения
Fluke 732B (из свидетельства о калибровке).
Тип неопределенности В и прямоугольный
вид распределения характерен для всех
остальных входных величин. Стандартная
неопределенность для входной величины δКкоэфф
дел будет определяться по формуле
3/KΔ=)Kδ(u делкоэффB , В, (8)
где ΔК – предел допускаемой погрешности
коэффициента деления делителя.
Стандартная неопределенность входной
величины δКни дел рассчитывается
3/KΔ=)Kδ(u ниделниB , В, (9)
где ΔКни – предел допускаемой погрешности
нуль-индикатора делителя напряжения.
Стандартная неопределенность для входной
величины δUмн будет равна
3/UΔ=)Uδ(u мнмнB , В, (10)
где ΔUмн – значение годовой нестабильности
меры напряжения Fluke 732B при выходном
напряжении 10 В (в соответствии с
эксплуатационной документацией ± 2 млн-1 за
один год).
Стандартная неопределенность для входной
величины δUнв рассчитывается как
3/UΔ=)Uδ(u нвнвB , В, (11)
где ΔUнв – погрешность мультиметра 3458A на
диапазонах измерений 10 мВ, 100 мВ (диапазоны
измерений, на которых измеряется разность
напряжений постоянного тока).
Составив бюджет неопределенности оцени-
вания действительного значения выходного
напряжения постоянного тока 100 В
многофункционального калибратора Fluke 5720A
в табличной форме (рисунок 5) получаем
следующий результат (99,99973 ± 0,00004) В при
коэффициенте охвата к=2 при уровне доверия
р=95 %.
Рисунок 5 – Бюджет неопределенности 100 В
Таким образом, происходит калибровка
высокоточных калибраторов по напряжению
постоянного тока. Два способа основаны на
дифференциальном методе измерений.
Применение эталона позволяет получать
высокоточные результаты с очень маленькой
неопределенностью результата измерений, а,
следовательно, приводит к более точной
передачи единицы измерения эталонным
средствам измерений.
1. http://www.bipm.org/utils/common/pdf/final_reports/
EM//BIPM.EM-K10/COOMET.EM.BIPM-
K10b_Final_report.pdf.
2. Supracon. Josephson standard
supraVOLTcontrol. Manual 2007.
Величина
хi
Значение хi ± r
Тип
неопреде-
ленности
Вид
распределения
Стандартная
неопреде-
ленность
сi
Вклад в
неопреде-
ленность
Uизм, В 0,999997696 - А нормальное 0,000000014 1 0,000000014
δUджз, В 0,000000004 - A нормальное 0,000000004 1 0,000000004
δUнв, В 0 0,000000052 B
прямоуголь-
ное
0,000000030 1 0,000000030
δUэдс, В 0,000000005 - В нормальное 0,000000005 1 0,000000005
Uк, В 0,999997696 0,000000034
Величина хi Значение хi ± r
Тип
неопреде-
ленности
Вид
распределения
Стандартная
неопреде-
ленность
сi
Вклад в
неопреде-
ленность
Uизм, В -0,00004007 - А нормальное 0,00000005 10 0,00000049
Uд,В 10,00001319 - В нормальное 0,00000006 10 0,00000065
δUмн, В 0 -0,0000025 В прямоугольное -0,0000014 -10 0,0000144
δКкоэфф дел, В 0 0,000002 В прямоугольное 0,000001 9,99997312 0,00001155
δКни дел, В 0 0,0000005 В прямоугольное 0,0000003 1 0,0000003
δUнв, В 0 0,00000075 В прямоугольное 0,00000043 -10 -0,00000435
Uк, В 99,99973 0,00002
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
214
УДК 621.791
СИСТЕМАТИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ЭКСПЕРТНОГО ОЦЕНИВАНИЯ НА ОСНОВЕ
КЛАССИФИКАЦИИ ТРЕБОВАНИЙ К СИСТЕМЕ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА
Серенков П.С., Лесин А.С.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Любая система менеджмента нацелена, в ко-
нечном счёте, на выработку эффективных управ-
ленческих решений в отношении продукции и
процессов соответствующей предметной об-
ласти. Реализация основного принципа менедж-
мента качества – управление, основанное на фак-
тах, – предполагает наличие в структуре системы
менеджмента подсистемы сбора и анализа дан-
ных. Для обеспечения обоснованности принятых
решений применяются различные подходы и
технологии.
Систему сбора и анализа данных для оценки,
анализа и управления результативностью сис-
темы менеджмента качества (СМК) в соответст-
вии с принципом процессного подхода следует
выстраивать в соответствии со структурой соот-
ветствующего процесса. Традиционно подходы,
методы и технологии оценки, анализа и управле-
ния качеством ассоциируются исключительно с
производственными процессами, для которых
типичной формой являются количественные,
измеряемые с помощью технических средств
данные о продукции и (или) процессе. Вовлече-
ние в систему менеджмента непроизводственных
процессов приводит к возникновению необходи-
мости пересмотра требований в отношении
структуры системы сбора и анализа данных,
применяемых методов и средств. Для данных
процессов системы типичной формой данных
являются так называемые экспертные оценки,
не поддающиеся «точному измерению», по-
скольку они являются субъективными, и доля
такого рода оценок в любой организации велика.
Соотношение процессов производственного и
непроизводственного характера указывает на то,
что СМК относятся к категории слабоструктури-
рованных предметных областей, где качествен-
ные, нечеткие факторы имеют тенденцию доми-
нировать.
Таким образом, несмотря на значительное ко-
личество процессов, которые относятся к непро-
изводственным, применение экспертных оценок
в данной области носит ограниченный характер,
прежде всего, из-за недостоверности получаемой
информации. Кроме того, полученная в резуль-
тате оценивания информация не является осно-
вой для принятия решений в области менедж-
мента качества. Следовательно, является акту-
альным вопрос о повышении достоверности и
адекватности экспертных оценок реальной си-
туации, а также снижении риска от некорректно
принятого решения.
Можно констатировать, что область приме-
нения экспертного оценивания параметров объ-
ектов СМК весьма широка и имеет четкую тен-
денцию к дальнейшему увеличению, а информа-
ционные технологии оценивания неизменно
востребованы.
Количественным измерением качества про-
дукции традиционно занимается квалиметрия.
Методы экспертного оценивания достаточно
хорошо известны у нас как методы квалиметрии.
Однако классические методы квалиметрии в
силу присущих им ограничений не всегда удов-
летворяют требованиям, предъявляемым к мето-
дам экспертного оценивания в современных ус-
ловиях функционирования СМК.
Между тем, методы экспертного оценивания
зародились не в рамках СМК. Такие области
деятельности, как финансы, банковское дело,
страхование и т.п., рассматривают экспертные
методы как ключевой инструмент своей резуль-
тативности. Накоплен огромный потенциал ис-
пользования различных подходов, методов и
средств для решения самых разнообразных задач
в этих сферах деятельности.
Чтобы не «изобретать повторно велосипед»,
рационально исследовать возможности этого
потенциала и сконцентрировать усилия на вы-
боре приемлемых для решения задач СМК суще-
ствующих информационных технологий экс-
пертного оценивания или разработке на их ос-
нове перспективных методов, обеспечивающих
высокую достоверность оценок и принятия на их
основе корректных управленческих решений.
Всё многообразие экспертно принимаемых
решений можно условно разделить на две кате-
гории:
- аргументированные – решения, когда крите-
рии оценки, а также способы её проведения
четко определены, документально зафиксиро-
ваны;
- интуитивные – решения, когда нет четких
критериев оценки, методика нигде не прописана
и эксперт, по большей части, полагается на соб-
ственные способности.
Основные свойства аргументированных и ин-
туитивных решений представлены на рисунке 1.
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
215
Аргументированные Интуитивные
Рисунок 1 – Классификация и свойства
экспертно принимаемых решений
Наибольший интерес представляют случаи
интуитивных решений, для которых характерны
два источника неопределенности:
− неизбежная субъективность экспертных
оценок,
− отсутствие верифицированной методики
экспертного оценивания.
В этих случаях степень доверия к мнению
эксперта наименьшая, а принятое решение имеет
наибольшую степень риска.
Представляет интерес подход к классифика-
ции и структуризации методов экспертных оце-
нок в соответствии с классификацией задач при-
нятия решений. Это привлекательно с точки
зрения того, что принятие решений является эта-
пом менеджмента, опирающимся на этап сбора и
анализа данных, использующего экспертное оце-
нивание в качестве основного инструмента реа-
лизации. Наиболее общими и существенными
признаками классификации задач принятия ре-
шений являются:
1. степень определенности информации:
• задачи принятия решений в условиях опре-
деленности,
• задачи принятия решений в условиях веро-
ятностной определенности (в условиях риска),
• задачи принятия решений в условиях неоп-
ределенности,
2. использование эксперимента для получе-
ния информации:
• задачи принятия решений по априорным
данным,
• задачи принятия решений по апостериор-
ным данным,
3. количество целей:
• одноцелевые задачи принятия решений,
• многоцелевые задачи принятия решений,
4. количество лиц, принимающих решение:
• индивидуальные задачи принятия решений,
• групповые задачи принятия решений,
5. содержание решений:
• экономические задачи принятия решений,
• политические задачи принятия решений,
• военные задачи принятия решений,
• другие виды,
6. значимость и длительность действия реше-
ний.
• долговременные задачи принятия решений,
• среднесрочные задачи принятия решений,
• краткосрочные задачи принятия решений.
Для систематизации и формирования рацио-
нального комплекса приемлемых методов экс-
пертного оценивания в организации мы предла-
гаем отталкиваться от процессного подхода, ко-
торый, в соответствии с СТБ ISO 9001
предполагает идентификацию и классификацию
процессов, необходимых для СМК. Для каждого
процесса следует определить цели (показатели
результативности), ответственных исполнителей,
ресурсы для достижения целей. С учетом кон-
кретных особенностей для каждого процесса
СМК следует определить круг типовых задач,
связанных с качеством. Используя механизм
классификации процессов СМК следует обоб-
щить однотипные задачи, характерные для про-
цессов различных типов и сформулировать
обобщенную задачу определенного класса. Та-
ким образом, исследование всей сети процессов
СМК организации позволит определить рацио-
нальный по количеству комплекс типовых задач,
которые необходимо решать в организации при-
менительно к проблемам качества различных
процессов.
Далее необходимо произвести анализ каждой
типовой задачи с точки зрения выбора методов
экспертного оценивания, приемлемых для реали-
зации этапов решения задачи: сбора информа-
ции, анализа и последующего принятия решения.
Приемлемость методов определяется из кон-
кретных соображений: компетентностью и под-
готовленностью персонала, корпоративной куль-
турой и т.п.
Очевидным является тот факт, что каждая ор-
ганизация обладает своей уникальной СМК, а,
следовательно, и процессы у различных органи-
заций различны. Соответственно круг решаемых
задач у каждой организации будет свой, поэтому
в докладе предложен типовой алгоритм выбора и
применения методов экспертного оценивания
для решения задач принятия решений в области
качества.
Таким образом применение подхода форми-
рования рационального комплекса приемлемых
методов экспертного оценивания в организации,
основанного на процессном подходе и ориенти-
рованном на задачи, будет иметь наибольший
эффект в достижении поставленных целей.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
216
УДК 004.744.6:006
НАУЧНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПОКАЗАТЕЛЕЙ ТОЧНОСТИ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ
Серенков П.С., Мовламов В.Р.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
В условия международных торговых отноше-
ний важную роль занимает контроль качества
продукции отечественного и зарубежного произ-
водителя, поставляемой на внутренние и внеш-
ние рынки. Метрологическое обеспечение кон-
троля показателей качества продукции традици-
онно основывается на применяемых средствах
измерения и методиках выполнения измерений
(далее – МВИ).
Метрологическое подтверждение МВИ пред-
полагает определение характеристик метода.
Ключевыми выступают характеристики пра-
вильности и прецизионности метода. Отдельные
аспекты их определения изложены в серии стан-
дартов СТБ ISO 5725. Стандарты регламентирует
требования, которые относятся к планированию
и реализации измерительного эксперимента, к
алгоритмам статистической обработки и пред-
ставлению результатов.
Практика применения стандартов серии вы-
явила ряд существенных методических недос-
татков. Во-первых, это тот факт, что они рас-
сматривают главным образом межлабораторный
эксперимент, в то время как испытательные ла-
боратории реализуют метрологическое подтвер-
ждение МВИ путем внутрилабораторных иссле-
дований. В результате инженеры-метрологи ла-
бораторий сталкиваются с проблемой отсутствия
научно-методического обеспечения подобного
рода исследований. Во-вторых, стандарты рас-
сматривают оценивание показателей точности не
как процесс (последовательность этапов). Этапы
(элементы) процесса разбросаны в разных частях
серии стандарта СТБ ИСО 5725-1...-6. Наглядно
это представлено на рисунке 1.
На каждом этапе процесса определения ха-
рактеристик метода решаются определенные
задачи, для каждой из которых применимы кон-
кретные методы и алгоритмы решения.
Первый этап процесса (этап планирования
эксперимента) включает решение последователь-
ности задач, таких, как выбор влияющих фак-
торов, план эксперимента, выбор необходимого
количества лабораторий и количества повторе-
ний для оценки показателей точности.
При выборе плана измерительного экспери-
мента (рисунок 2) следует учитывать особенно-
сти лаборатории, проявляющиеся в корректности
выбора влияющих факторов и формирования
плана эксперимента. В зависимости от выбран-
ного плана эксперимента, определяется количе-
ство измерений. При выборе М-факторного
плана эксперимента с полной группировкой ко-
личество измерений требует 2n-1, что может ока-
заться чрезмерным требованием для лаборато-
рии. Это главный аргумент в пользу плана со
ступенчатой группировкой, т.к. при выборе М-
факторного плана со ступенчатой группировкой
требующий меньшего количества результатов,
чтобы получить такое же количество стандарт-
ных отклонений. При ступенчатом плане, анализ
является более сложным, и имеется бóльшая
неопределенность в оценках стандартных откло-
нений из-за меньшего количества результатов
испытаний.
Важнейшим моментом рационального плани-
рования эксперимента является структура плана
и соответственно формы протокола испытаний.
Размещение факторов в плане эксперимента с
группировкой производится так, что факторы
подвергающиеся большему влиянию системати-
ческих эффектов, должны находиться на верхних
уровнях иерархии плана, а те факторы, которые
больше подвержены влиянию случайных эффек-
тов, должны находиться на нижних уровнях ие-
рархии плана. Самый нижний уровень иерархии
и соответствующий ему фактор рассматривается
как остаточная изменчивость. Структура плана и
соответственно формы протокола испытаний
являются уникальными для условий конкретной
лаборатории и определяются априорно эксперт-
ными методами.
Рисунок 1 – Этапы проведения эксперимента
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
217
… … …
Рисунок 2 – Выбор плана эксперимента
Третий этап процесса (этап анализа и обра-
ботки экспериментальных данных) включает
решение последовательности задач, касающихся
цензурирования результатов – идентификации
выбросов и разбросов результатов и их коррект-
ной замены. Следует отметить, что процесс цен-
зурирования представлен в стандартах серии
СТБ ИСО 5725 достаточно непоследовательно.
Из рисунка 1 видно, что отдельные задачи в рам-
ках процесса обработки и анализа данных раз-
бросан по различным частям серии, что создает
проблемы в их освоении.
Практика применения стандартов серии СТБ
ИСО 5725 показывает, что лаборатории в своем
подавляющем большинстве в деятельности прак-
тически никогда не используют ИСО 5725-5.
Между тем, в этой части отражены нюансы, ко-
торые могли бы помочь лабораториям экономить
ресурсы на проведение эксперимента. Интерес
представляют так называемые альтернативные
методы, которые в определенных ситуациях мо-
гут иметь даже большую практическую цен-
ность, чем основной метод, описанный в СТБ
ИСО 5725-3. Сюда можно отнести, например,
использование робастных методов для анализа
результатов экспериментов по оценке прецизи-
онности без использования критериев для вы-
бросов с целью исключения из расчетов соответ-
ствующих данных. К альтернативным методам
относят планы экспериментов
– с расщепленными уровнями;
–для неоднородного материала.
В зависимости от того, каким является испы-
тание по затратам (дорогостоящим или нет), оп-
ределяется число повторений измерений. Естест-
венным для лабораторий является стремление
уменьшать число повторений. В СТБ ИСО 5725-
6 рассмотрены варианты таких ситуаций, и пред-
ложены пути решения, включающие методы
проверки приемлемости результатов измерений,
полученных в условиях повторяемости и вос-
производимости.
Важность обеспечения достоверности харак-
теристик прецизионности и правильности за-
ключается не только в том, что они предписаны
контролирующей стороной, но и в том, что они
используются для оценки неопределенности ре-
зультатов измерений (испытаний). Оценки неоп-
ределенности в последствии будут приписы-
ваться результатам рутинных измерений. Оче-
видно, что от их корректного определения будет
зависеть достоверность результатов оценки со-
ответствия.
С учетом выявленных проблем применения
серии стандартов СТБ ИСО 5725 на этапах вали-
дации или аттестации методов, нами разработан
проект методического руководства по их прак-
тическому применению. Руководство представ-
лено как описание процесса определения харак-
теристик метода в виде алгоритма, «собранного»
из отдельных фрагментов стандартов серии.
Следует подчеркнуть, что этапы алгоритма, как и
все руководство абсолютно соответствуют тре-
бованиям серии стандартов СТБ ИСО 5725.
Разработано два проекта как для межлабора-
торного исследования, так и внутрилаборатор-
ного исследования с соответствующими фор-
мами протоколов.
Методическое руководство ориентировано на
инженера-метролога лаборатории и включает
описание последовательности его действий в
виде блок-схем с пояснениями и соответствую-
щими ссылками. Методическое руководство по-
зволит инженеру-метрологу лаборатории любого
профиля решить поставленную задачу по кор-
ректному определению характеристик правиль-
ности и прецизионности метода измерений (ис-
пытаний) в рамках валидации или аттестации без
помощи внешних консультантов.
1. СТБ ISO 5725-1…СТБ ISO 5725-6
Точность (правильность и прецизионность)
методов и результатов измерений.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
218
УДК 53.088.23
ОБЕСПЕЧЕНИЕ РОБАСТНОСТИ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ПУТЕМ МИНИМИЗАЦИИ
МЕТОДИЧЕСКОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПОГРЕШНОСТИ РЕЗУЛЬТАТА
Серенков П.С.1, Гуревич В.Л.,2 Навоев Я.Э.1
1 Белорусский национальный технический университет
2Белорусский государственный институт метрологии
Минск, Республика Беларусь
Валидация (аттестация) метода измерений
для целей контроля и испытаний предполагает
определение комплекса присущих ей количест-
венных характеристик. Одной из таких характе-
ристик является «робастность метода».
Робастность (robustness) - способность метода
давать результаты измерений (испытаний) с при-
емлемой прецизионностью и правильностью при
небольших изменениях параметров метода.
Робастность является качественным понятием
и должна доказывать надежность результатов
измерений при небольших изменениях парамет-
ров метода.
Как известно, на результаты измерений мо-
жет влиять большое число факторов. Обычно
робастной считается методика, для которой ни
один из таких факторов не имеет значимо боль-
шего (по сравнению с другими факторами) влия-
ния на результаты измерений.
Робастность оценивается на этапе проектиро-
вания методики. Если на результаты измерений
влияют какие – либо условия его проведения, то
эти условия должны быть нормированы и в текст
методики вносят соответствующие ограничения
(нормы, процедуры). Следствием оценки робаст-
ности выступает комплекс параметров пригодно-
сти метода, которые обеспечивают корректность
результатов измерений во всех случаях исполь-
зования метода.
Считается, что робастность – характеристика
методов измерений из области аналитической
химии. Типичные примеры параметров, опреде-
ляющих робастность метода: устойчивость во
времени аналитических растворов, время экс-
тракции, рН подвижной фазы и т.п.
В определенном смысле схожей характери-
стикой методов измерений в области аналитиче-
ской химии выступает «специфичность».
Специфичность – способность однозначно
оценивать определяемый компонент в анализи-
руемом образце выбранным методом независимо
от присутствующих компонентов (примесей,
продуктов распада и т.д.) в пределах заданного
диапазона применения.
Специфичность также является качественным
понятием и также служит доказательством на-
дежности результатов измерений в отношении
влияния матрицы пробы, "третьих" элементов
при элементном анализе, условий проведения
анализа и т.д.
Схожесть этих характеристик заключается в
том, что они являются неявными по источникам
возникновения (скрытыми), что неизбежно по-
вышает риск их неидентификации и, соответст-
венно, риск некорректного оценивания неопре-
деленности результатов измерений.
Примечание. В математике, обе эти характе-
ристики подпадают под понятие «робастность
метода».
Для методов измерений в области геометри-
ческих, механических электрических и др. вели-
чин эти характеристики традиционно не при-
сущи. Мы полагаем, что аналогом этих характе-
ристик являются методическая составляющая
погрешности результата измерений. Более того,
при ближайшем рассмотрении можно утвер-
ждать, что робастность и специфичность - част-
ные случаи проявления методической погрешно-
сти результата измерений. Их отличительный
признак – неявный специфический характер про-
явления.
Обобщение и анализ результатов валидации
(аттестации) методов измерений в различных
областях позволяет утверждать, что в большин-
стве случаях остаются не выявленными факторы,
вызывающие в большей или меньшей степени
потерю робастность метода. Основная причина,
на наш взгляд, заключается в том, что, как пра-
вило, методика идентификации параметров про-
верки на робастность в соответствующих ТНПА
либо отсутствует, либо преподносится в общем
виде.
В результате применения системного подхода
к анализу проблемы идентификации источников
и факторов потери робастности метода измере-
ний нами установлено, что причинами потери
робастности могут выступать:
• состояние объекта измерений,
• параметры метода измерений.
Наглядным примером проявления причины
скрытой неробастности метода контроля в от-
ношении состояния объекта может служить
контроль отклонения от круглости. Поставлена
задача выбора метода измерений. Наличие чет-
ной или нечетной огранки контролируемых де-
талей (исходное состояние объекта контроля)
определяет выбор соответственно двухконтакт-
ного или трехконтактного метода контроля. Не-
соответствие вида отклонения от круглости (со-
стояние заранее неизвестно) методу измерения,
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
219
очевидно, приведет к методической
погрешности, настолько большой, что
достоверность контроля заведомо не будет
обеспечивать заданный уровень риска
потребителя.
Установлено, что источниками потерь роба-
стности метода измерений в отношении его па-
раметров могут выступать:
• входные параметры (параметры про-
цесса преобразования данных);
• параметры метода обработки данных.
Необходимо отметить, что источниками по-
терь робастности могут быть как отдельные фак-
торы, так и их комбинации, причем комбинации
оказывают наибольшее влияние.
Мы предлагаем на этапе валидации (аттеста-
ции) метода ввести обязательную проверку на
робастность. В основе подхода к исследованию
метода измерений на робастность нами предло-
жен экспертный метод, позволяющий использо-
вать априорные знания инженеров – метрологов
для идентификации неявных источников потерь
робастности.
Метод представляет собой комбинированный
алгоритм идентификации факторов, позволяю-
щий с высокой степенью объективности форми-
ровать комплекс факторов, вызывающих потерю
робастности метода измерений. Алгоритм реали-
зуется в три этапа:
1) на основе методологии IDEF0 разрабаты-
вается функциональная модель процесса измере-
ний, определяющая состав, последовательность
функций всего процесса, а также используемые
ресурсы категорий:
- персонал,
- инфраструктура (средства измерений, изме-
рительные принадлежности),
- условия выполнения процесса на всех
этапах,
- методики выполнения измерений, обработки
данных и представления результатов;
2) с помощью простейших экспертных мето-
дов сбора данных, методов аналогов и прецеден-
тов формируется совокупность всех потенци-
ально возможных факторов, вызывающих по-
терю робастности метода измерений (первичное
факторное пространство);
3) с помощью экспертных методов анализа
данных факторное пространство оптимизируется
(минимизируется по критерию полноты и неиз-
быточности).
Значительно более сложной является задача
обеспечения робастности метода измерений в
отношении выявленных на предыдущем этапе
источников и факторов. Универсальное решение
данной задачи для всех случаев очевидно невоз-
можно. Однако можно предложить возможные
подходы к решению:
- ликвидация источников потерь робастности,
- введение ограничений на функции или па-
раметры метода.
Подходы к обеспечению робастности метода
могут быть реализованы абсолютно или относи-
тельно (адаптивно к конкретным условиям).
Абсолютный подход предполагает ликвида-
цию или введение ограничений в отношении
факторов неробастности для всех возможных
случаев реализации метода измерений, в то
время, как адаптивный подход - в зависимости от
конкретной ситуации.
Степень эффективности того или иного под-
хода зависит от конкретной ситуации. Каждый
из них может быть реализован для выявленных
ранее источников потерь робастности различ-
ными способами.
Источник - состояние объекта измерений.
Пример. Для метода определения теплопро-
водности образцов из пенополистирола источни-
ком потерь робастности был идентифицирован
фактор, связанный с негомогенностью мате-
риала, так как в нем иногда присутствовала ме-
ханическая примесь графита. Решение проблемы
– из разряда организационно-технических меро-
приятий: заказчикам предписано предоставлять
вместе с образцами на испытание документ, сви-
детельствующий об отсутствии в образцах при-
месей.
Источник - входные параметры метода (па-
раметры процесса преобразования данных).
Пример. Для метода определения теплопро-
водности образцов из минеральной ваты было
установлено, что в силу повышенной податливо-
сти материала имеет место искажение результа-
тов измерений вследствие деформации образца
под действием измерительного усилия. Решение
проблемы – из разряда организационно-техниче-
ских мероприятий: была определена процедура,
предполагающая предварительное измерение
размера образца бесконтактным способом и вве-
дение значения размера в память прибора.
Источник - параметры метода обработки
данных. Решение проблемы в отношении данной
группа источников следует искать среди анали-
тических методов – робастных методов обра-
ботки и анализа данных. Здесь уместно исполь-
зовать рекомендации стандартов серии СТБ ИСО
5725 по применению методов робастного ана-
лиза, изложенные в СТБ ИСО 5725-5.
Приведенные в докладе результаты исследо-
ваний позволяют сформировать методику обес-
печения робастности метода измерений, позво-
ляющую значительно повысить доверие к ре-
зультатам измерений (контроля, испытаний).
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
220
УДК 621.791
АНАЛИЗ ДОСТОВЕРНОСТИ ГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ КАЧЕСТВА
ОБЪЕКТОВ
Серенков П.С., Иванова Н.Н.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
На кафедре «Стандартизация, метрология и
информационные системы» разработана графическая
модель интерпретации качества объектов, ставящая
задачу экспертного оценивания следующим образом:
оценить объекты, характеризуемые одним, двумя и
тремя параметрами. А разные значения оцениваемого
параметра фигуры в рамках области менеджмента
качества можно интерпретировать как разную
степень выраженности свойств оцениваемого
объекта, то есть разный уровень качества
оцениваемого объекта.
Объектами оценивания выбраны геометрические
фигуры: круг, прямоугольник и параллелепипед.
Оцениваемыми параметрами являются: площадь для
круга и прямоугольника, объём для параллелепипеда.
Модель графической интерпретации качества
объектов зарекомендовала себя с положительной
стороны, так как позволяет получить достаточно
точные значения оцениваемых параметров, оценить
систематическую и случайную составляющие метода
[1]. Однако существует значительный недостаток
описанной выше модели: привязка к декартовой
системе координат, что означает почти невозможным
подобрать объект с n > 3 оцениваемыми параметрами.
В связи с выявленной проблемой было предложено
разработать новую модель графической интерпретации
качества объектов, позволяющую оценивать объекты с
количеством свойств n = [1; ∞).
В качестве объекта оценивания с одним параметром
новой модели геометрической интерпретации принимаем
геометрическую фигуру круг, в качестве объекта с двумя
параметрами оценивания – два круга, объекта с тремя
параметрами – три круга. Сущность различия новой
геометрической модели интерпретации качества
экспертного оценивания от существующей приведена на
рисунке 1.
Рисунок 1 – Сущность различия моделей
экспертного оценивания
При планировании эксперимента экспертного
оценивания были определены следующие задачи,
которые повлияли на разработку модели эксперимента:
а) определить существование или отсутствие
зависимости между объектами оценивания с
одинаковым количеством параметром, но
представленными различными геометрическими
фигурами;
б) при существовании зависимости по пункту а)
определить качественно и количественно их
соотношение между собой в зависимости от изменения
установленных нами факторов влияния: сложность
оцениваемого объекта и количество оцениваемых
экспертом параметров;
в) вывить преемственность и прослеживаемость
(согласованность) результатов, полученных первой и
второй моделями.
Основные положения модели эксперимента
представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные положения модели
эксперимента
Структурный
элемент
методики
Содержание структурного
элемента
1 серия 2 серия
Объект
оценивания
- круг
- прямоугольник
- параллелепипед
- круг
- два круга
- три круга
Параметр
оценивания
- площадь S
- объем V
- площадь S
Шкала
оценивания
апостериорная
(от 0 до ∞)
априорная
(от 0 до 10
баллов)
Метод
оценивания
Рандомизированный каждый с
предыдущим
Основные
положения
- каждый вид фигур предъявляется
отдельно;
- карточки с фигурами
предъявляются в случайном
порядке;
- перед глазами эксперта всегда
находятся две фигуры для
оценивания, и две фигуры,
характеризующие max и min
фигуры в колоде карточек;
- оценивается разность площадей
фигур на карточках;
- оценивание проводится без
предварительного осмотра и
ознакомления с размерностями
фигур в серии;
- 15 карточек в каждой серии;
- 2 тура оценивания в каждом
методе;
- количество опрашиваемых
респондентов по каждому
комплекту анкет – 6
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
221
Каждая серия экспериментов включает два
тура оценивания, в каждом из которых фигуры
предъявляются экспертам в следующем порядке:
из колоды случайным образом выбирается первая
и вторая карточки, эксперт присваивает оценку
первой разности объектов, отвечая на вопрос «на
сколько площадь (объем) первого объекта отлича-
ется от площади (объема) второго объекта?». По-
сле этого первая карточка закрывается и случай-
ным образом выбирается третья, после чего экс-
перт присваивает оценку соотношению, отвечая
на вопрос «на сколько площадь (объем) второго
объекта отличается от площади (объема) третьего
объекта?». Эти действия повторяются до тех пор,
пока карточки не закончатся. Некоторые резуль-
таты эксперимента приведены на рисунке 2.
Рисунок 2 – Зависимость оценок эксперта
по двум турам опроса для фигуры
«прямоугольник»
На рисунке 2 по оси 0Х – оценки, выставлен-
ные i-й карточке экспертом, за время 1-го тура
оценивания; по оси 0Y - оценки, выставленные i-й
карточке экспертом, за время 2-го тура оцени-
вания. В случае, если эксперт одинаково оценивал
соответствующие фигуры в первом и втором ту-
рах, на диаграмме будет наблюдаться прямая ли-
ния вида y = kx + b. Чем больше разброс точек на
диаграмме относительно аппроксимирующей
прямой, тем выше противоречивость эксперта. То
есть эксперт один и тот же объект из различных
колод оценивал по- разному. Полученные резуль-
таты свидетельствуют об устойчивости альтерна-
тивных оценок, что позволяет проводить даль-
нейшие исследования.
Чтобы определить, насколько взаимосвязаны
оценки площадей (объемов) различных геометри-
ческих фигур с одинаковым количеством пара-
метров и на сколько такие объекты взаимозаме-
няемы, построена следующая зависимость: по оси
ОХ - нормализованные средние значения (по 2
турам и 2 экспертами) оценок площади прямо-
угольника (объема параллелепипеда); по ОY – для
2 кругов (3 кругов) (рисунки 3 - 4).
Рисунок 3 – Зависимость нормализованных
средних значений экспертных оценок серии
«прямоугольник – 2 круга»
Рисунок 4 – Зависимость нормализованных
средних значений экспертных оценок серии
«параллелепипед – 3 круга»
Для полученных результатов рассчитан коэф-
фициент корреляции для оценки тесноты взаимо-
связи оценок и их близости к истинному значению
(чем выше коэффициент корреляции, тем ближе
полученные оценки находятся к действительным
значениям площадей (объемов) фигур):
- для серии экспериментов «прямоугольник –
2 круга» rxy = 0,81;
- для серии «параллелепипед – 3 круга»
rxy = 0,73, что свидетельствует о высокой корреля-
ционная связь между значениями оценок
(p < 0,05);
Исходя из полученных результатов можно
сделать следующие выводы:
- оценки, полученные при сравнении различ-
ных геометрических фигур с одинаковым коли-
чеством параметров согласованы, следовательно,
такие объекты оценивания взаимозаменяемы;
- графическая модель интерпретации качества
объектов адекватна реальным задачам оценива-
ния объектов.
1. Серенков П.С., Романчак В.М., Гиль Н.Н.
Повышение достоверности методов
экспертного оценивания в рамках системы
менеджмента качества. Метрология и
приборостроение №6 – Минск, 2015. – 18 с.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
222
УДК 682.62.018.012
СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОПТИМИЗИРОВАННЫХ
МЕТОДИК ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АППАРАТА КВАЛИМЕТРИИ
Соколовский С.С., Азарёнок Ю.С.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Целью работы является повышение эффек-
тивности проектирования оптимизированных
методик выполнения измерений (МВИ) путем
автоматизации отдельных процедур, выполняе-
мых в ходе проектирования и квалиметрического
оценивания конкурирующих вариантов МВИ. В
соответствии с поставленной целью исследова-
ние проводилось в следующем порядке.
Его первый этап был направлен на определе-
ние общей структуры системы автоматизирован-
ного проектирования оптимизированных МВИ,
удовлетворяющей цели исследования. В резуль-
тате были определены основные модули, входя-
щие в эту структуру и их взаимосвязи. Резуль-
таты этой работы представлен на рисунке 1. Было
решено включить в систему 4 основных модуля,
совместное функционирование которых должно
осуществляться по следующей схеме.
Рисунок 1 – Структура системы
автоматизированного проектирования
оптимизированных МВИ
В первый модуль должна поступать исходная
информация об измерительной задаче, подлежа-
щей решению, на основании которой ей должен
быть присвоен определённый код. Этот код, от-
ражающий принципиальные особенности изме-
рительной задачи, должен поступать на вход
второго модуля, где на основании присвоенного
рассматриваемой измерительной задаче кода
должны строиться нормативная и аналитическая
модель измеряемого параметра, выступающие в
качестве основы для проектирования МВИ. Эта
информация должна поступать на вход третьего
модуля, задачей функционирования которого
является формирование набора конкурирующих
вариантов схемных решений измерительной за-
дачи и соответствующих методик выполнения
измерений, а также аналитическое оценивание
составляющих погрешностей измерения. Четвер-
тый модуль системы, так называемый квалимет-
рический модуль, является завершающим и он
предназначен для проведения квалиметрического
оценивания конкурирующих вариантов МВИ,
сформированных в третьем модуле, по выделяе-
мым проектировщиком основным свойствам,
определяющим качество измерений. Итогом этой
работы должно быть определение наиболее эф-
фективного или оптимизированного варианта
МВИ. Критерием оптимизации при этом должно
быть получение максимального значения ком-
плексной обобщенной квалиметрической оценки,
объединяющей в себе частные оценки ряда
свойств, определяющих качество МВИ.
После того как была определена общая струк-
тура системы автоматизированного проектиро-
вания МВИ дальнейший процесс проектирова-
ния был направлен на разработку отдельных
модулей. В процессе проектирования первого
модуля была разработана система классифика-
ции и принципы кодирования геометрических
параметров деталей. В основу такой классифика-
ции была положена классификация отклонений
формы и расположения поверхностей деталей в
соответствии с ГОСТ 24642. Структура постро-
енной системы классификации геометрических
параметров деталей и порядок их кодирования
представлен на рисунке 2 в виде фрагмента таб-
лицы.
Рисунок 2 – Принцип кодирования
измерительных задач
Дальнейшая работа была направлена на фор-
мирование базы данных «Измерительные за-
дачи», фрагмент которой представлен на рисунке
3 в виде таблицы.
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
223
Рисунок 3 – Структура базы данных
«Измерительные задачи»
Следующим этапом проводимого исследова-
ния было формирование базы данных «Методики
выполнения измерений», фрагмент которой
представлен на рисунке 4 в виде таблицы.
Рисунок 4 – Структура базы данных «Методики
выполнения измерений»
Принцип функционирования данного модуля
представлен на рисунке 5.
Рисунок 5– Принципы функционирования
модуля формирования набора конкурирующих
вариантов МВИ
Завершающим этапом исследования была
разработка программного обеспечения квалимет-
рического оценивания конкурирующих вариан-
тов МВИ. Порядок функционирования модуля
квалиметрического оценивания представлен на
рисунке 6.
В соответствии с этим порядком было разра-
ботано программное обеспечение для осуществ-
ления квалиметрического оценивания конкури-
рующих вариантов МВИ согласно основным
аспектам функционирования данного модуля и
алгоритм получения обобщенной оценки каче-
ства МВИ.
Рисунок 6 – Алгоритм функционирования
модуля квалиметрического оценивания
конкурирующих вариантов МВИ
При работе с данным программным продук-
том проектировщик должен последовательно
выполнить следующие действия или операции:
• сформировать набор из предложенных в базе
данных конкурирующих вариантов решения по-
ставленной измерительной задачи;
• выделить главные свойства, определяющие
качество будущих измерений;
• произвести попарное сопоставление всех
рассматриваемых вариантов МВИ по всем выде-
ленным главным свойствам и рассчитать по
предлагаемой специальной методике для каждого
варианта проекта соответствующий ему индекс
превалирования его по данному свойству над
всеми остальными вариантами проекта;
• произвести попарное сопоставление всех
выделенных главных свойств по их важности или
значимости в отношении качества МВИ в целом
и рассчитать соответствующие им коэффициенты
весомости;
• произвести комплексирование полученных
количественных оценок сопоставляемых вари-
антов МВИ по всем выделенным главным свой-
ствам с учётом их коэффициентов весомости и
рассчитать для каждого варианта комплексный
показатель его превалирования над всеми ос-
тальными вариантами.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
224
УДК658.562.012.7
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИСТЕМЫ МЕНЕДЖМЕНТА КАЧЕСТВА С УЧЕТОМ
ТРЕБОВАНИЙ СТБ ISO/TS 16949
Соколовский С.С., Малиновская С.Л.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
В современном мире для сохранения и повы-
шения конкурентоспособности требуется дер-
жать под контролем все технические, админист-
ративные и человеческие факторы, влияющие на
качество продукции. Это возможно только при
условии создания в организации определенной
документированной системы менеджмента каче-
ства. Эффективно и результативно функциони-
рующая система менеджмента качества позво-
ляет учитывать требования, пожелания и за-
просы потребителей и других заинтересованных
сторон, обеспечить разработку и реализацию
политики и стратегических целей в области ка-
чества продукции и услуг.
Автомобильная промышленность – это одно
из наиболее быстро развивающихся в XXI веке
направлений. Прежде всего это обусловлено
массовостью потребления и, как следствие, ог-
ромным предложением и выбором на рынке.
В организациях все чаще возникает необхо-
димость создания системы управления, соответ-
ствующей не только стандарту
СТБ ISO 9001, но и модернизированной в соот-
ветствии со стандартами, отражающими специ-
фику конкретной отрасли и содержащими повы-
шенные требования к системам менеджмента
качества.
СТБ ISO/TS 16949 содержит особые требова-
ния по применению СТБ ISO 9001, касающиеся
производства автомобилей и комплектующих к
ним, а также сервисных организаций данного
профиля, но при этом использует требования
стандарта СТБ ISO 9001 в качестве основопола-
гающих.
СТБ ISO/TS 16949 составлен таким образом,
что полностью содержит требования стандарта
СТБ ISO 9001 и просто включает в себя допол-
нительные (особые) требования и замечания по
всему документу. В связи с этим, для уменьше-
ния затрат и времени, организация может вне-
дрять систему менеджмента качества, которая
будет соответствовать определенным требова-
ниям СТБ ISO/TS 16949 и распространяться на
меньшую часть организации (например, на одну
производственную линию или цех), которая от-
носится к автомобильной промышленности. Тре-
бования, представленные в стандарте, являются
обязательными.
Принципиальные отличия СТБ ISO/TS 16949
от СТБ ISO 9001 отражены в следующих
пунктах:
- 5.5.1 «Ответственность и полномочия» -
персонал, ответственный за качество продукции,
должен иметь полномочия остановить производ-
ство, чтобы устранить проблемы в области каче-
ства (можно отнести к вовлеченности персо-
нала);
- 6.2.2 «Компетентность, подготовка и осве-
домленность» - персонал, работа которого может
влиять на качество, должен быть проинформиро-
ван о последствиях для потребителя при несо-
блюдении требований к качеству;
- 6.3 «Инфраструктура» - включено требова-
ние рациональности расположения производства
и оптимизации перемещения материалов и син-
хронизации материальных потоков;
- 6.4 «Производственная среда» - требования
расширены и включают в себя обеспечение
безопасности персонала, требования к чистоте
помещений;
- 7.1 «Планирование создания продукции» -
должны быть определены и одобрены потреби-
телем критерии приемки, обеспечена конфиден-
циальность;
- 7.3 «Проектирование и разработка» - здесь
основные требования определяют необходи-
мость использования специальных методов для
уменьшения или исключения риска отказа в экс-
плуатации и др.;
-7.4.3 «Верификация закупленной продук-
ции» - содержит требования статистической об-
работки и оценки результатов входного кон-
троля, а также обязательный мониторинг по-
ставщика, который предусматривает
документирование процесса аудита поставщика;
- 7.5.1 «План управления» - фактически дуб-
лирование процессов проектирования продук-
ции, управления конструкторской и технологи-
ческой документации, документ крайне важен
для потребителя с точки зрения выполнения
функций контроля;
- 7.5.1.2 «Рабочие инструкции» - необходи-
мость четкого описания технологических опера-
ций и требований к выполнению работы;
- 7.5.5 «Сохранение соответствия продукции»
- требование разработки документированной
процедуры, обеспечивающей сохранность про-
дукции на складах, регламентирования сроков
хранения и обеспечение их соблюдения;
- 7.6.3 «Требования к лабораториям» - необ-
ходимость аккредитации лабораторий для под-
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
225
тверждения ее компетентности в определенной
области испытаний;
- 8.2.2 «Аудит системы менеджмента каче-
ства» и «Аудит процесса изготовления» - наряду
с аудитом процессов СМК, этот пункт требует
организации и проведения аудита процессов
производства (в основном, технологических про-
цессов) и аудита продукции. Это специальные
виды технического аудита, требующие для сво-
его проведения разработки специальных методик
и обучения специалистов;
- 8.2.3.1 «Мониторинг и измерение процессов
производства» - ставит задачу исследования
процессов с целью оценки их возможности обес-
печивать стабильность качества изготовления
продукции;
- 8.2.4.2 «Эталоны внешнего вида» - требу-
ется разработка документированной процедуры
по управлению образцами – эталонами внешнего
вида;
- 8.3.4 «Разрешение потребителя на отклоне-
ние» - содержит требования одобрения процесса
производства и обязательного согласования с
потребителем любых отклонений;
- 8.5.1.2 «Улучшение процессов производ-
ства» - необходимость использования концепции
6G для «снижения вариации в характеристиках
продукции и параметрах процесса производ-
ства».
Среди дополнительных требований ключе-
выми являются требования, касающиеся внедре-
ния следующих методик:
- Перспективное планирование качества про-
дукции (APQP);
- Процесс одобрения производства компо-
нента (PPAP);
- Анализ измерительных систем (MSA);
- Анализ видов и последствий потенциальных
отказов (FMEA);
- Статистическое управление процессами
(SPC).
Как показывает анализ, в настоящее время по
целому ряду причин как объективного, так и
субъективного характера наибольшие сложности
на предприятиях вызывает внедрение методик
SPC. К таким причинам в первую очередь
можно отнести недостатки, свойственные норма-
тивно – методическому обеспечению этого про-
цесса, недостаточно высокий уровень подго-
товки персонала, отсутствие необходимой его
заинтересованности, факторы организационно-
технического характера и пр.
Технология SPC – это метод мониторинга
производственного процесса с целью управления
качеством продукции «непосредственно в про-
цессе производства» вместо проведения кон-
трольных проверок для обнаружения уже слу-
чившихся проблем.
Статистическое управление предполагает
применение статистических методов для анализа
процесса и /или его результатов, поддержания
статистически управляемого состояния и улуч-
шения способностей. Использование статистиче-
ских методов предполагает высокую степень
надежности принимаемых решений и обеспечи-
вает возможность предотвращать ошибки или
возникновение дефектов.
Методы статистического контроля разнооб-
разны, однако не все используются, так как про-
цесс характеризуется временной продолжитель-
ностью и динамичностью.
Статистический контроль качества позволяет
решать такие задачи, как установление гарантии
качества для потребителей, получение и анализ
информации о влияющих на качество процесса
факторах, прогнозирование уровня брака и т. д.
Статистические методы можно классифици-
ровать по признаку общности на три основные
группы:
- графические методы (семь инструментов
контроля качества), которые позволяют про-
стыми методами решить до 95 % проблем, воз-
никающих при контроле качества в самых раз-
ных областях;
- методы анализа статистических совокупно-
стей;
- экономико-математические методы.
Также сегодня активно развиваются 7 новых
инструментов качества – это диаграммы срод-
ства, диаграммы зависимостей, системная (дре-
вовидная) диаграмма, матричная диаграмма,
стрелочная диаграмма, диаграмма планирования
оценки процесса (PDPC), анализ матричных дан-
ных.
«Семь новых инструментов контроля каче-
ства» относятся к методам обработки главным
образом словесных (описательных) данных.
Применение этих инструментов особенно эффек-
тивно, когда их используют как методы наиболее
полной реализации планов на основе системного
подхода в условиях сотрудничества всего кол-
лектива организации.
1.СТБ ISO 9001-2009 – Системы менеджмента
качества. Требования.
2.СТБ ISO/TS 16949-2010 – Системы менедж-
мента качества. Особые требования по при-
менению СТБ ISO 9001-2009 для организа-
ций, производящих составные и запасные
части, используемые в автомобилестроении.
3.СТБ 1505-2015 – Системы менеджмента. Ме-
неджмент процессов. Методы статистиче-
ского управления процессами.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
226
УДК 621.3.088
ОСОБЕННОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ НА БАЗЕ
СТАТИСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ
Соломахо В.Л.1, Цитович Б.В.2
1Белорусский национальный технический университет
2Белорусский государственный институт повышения квалификации
по стандартизации, метрологии и управлению качеством
Минск, Республика Беларусь
Для современного производства применение
«статистического контроля» и «статистического
управления» параметрами технологического
процесса является атрибутом характеризующим с
одной стороны, культуру производства, с другой
– технический потенциал и конкурентоспособ-
ность организации. Статистическое управление
применяют для контроля технологического про-
цесса по упорядоченным выборкам, последова-
тельно отбираемым во времени. Результатом
такой процедуры может быть принятие коррек-
тирующих воздействий, при определенном со-
стоянии технологического процесса. В техниче-
ской литературе такое состояние процесса опре-
деляется как управляемость процессом. Для того,
чтобы технологический процесс был управляе-
мым, должны соблюдаться несколько условий,
которые оговариваются в литературе и в норма-
тивной документации [1-4].
Методика проектирования процедур «стати-
стического контроля» и «статистического управ-
ления» предполагает построение абстрактных (не
связанных с объектом контроля) математических
моделей распределения случайных величин, что
создает предпосылки для приоритета чисто ма-
тематических процедур углубляя разрыв между
моделью и ее реальным приложением в техноло-
гии производства
Признавая возможности эффективного ис-
пользования математического аппарата теории
вероятностей и математической статистики, не
следует забывать об ограничениях, которые на
его использование накладывает технология про-
изводства. Эти ограничения могут привести к
тому, что эффектно оформленная и представлен-
ная в традиционном виде обработка результатов
наблюдений может способствовать принятию
ошибочных решений.
Следует отметить несколько принципиальных
положений, игнорирование которых может све-
сти на нет предпринимаемые усилия по внедре-
нию статистических методов контроля и управ-
ления качеством:
1. Процесс, по отношению к которому,
применяется методика статистического управле-
ния должен быть статистически управляемым
(т. е. рассеивание параметров практически
должно быть равно или меньше ширины поля
допуска,). Более того, для уверенного примене-
ния простых контрольных карт Шухарта, жела-
тельно иметь индекс воспроизводимости
Cp ≥ 1,3, что несколько увеличивает стоимость
их реализации.
Управление технологическим процессом
осуществляется опосредованно через анализ об-
наруженных тенденций изменения положения
центра группирования оцениваемого параметра.
Такой алгоритм реализации процедуры позволяет
выявлять брак, но не осуществлять его профи-
лактику, а статистическое оценивание рассеяния
мгновенной выборки позволяет снизить риски
случайного выхода параметра за допустимую
границу.
2. Оцениваемый параметр должен одно-
значно представлять результаты технологиче-
ского процесса. На практике различают про-
цессы, параметры которых однократно воспроиз-
водятся на одном объекте (например, в случае
контроля массы или объема), а также процессы,
которые характеризуются бесконечным множе-
ством номинально одинаковых величин, факти-
чески отличающихся друг от друга (особенно это
характерно для линейных и угловых размеров
детали).
При различиях номинально одинаковых па-
раметров сопоставимых с величинами смещения
центров группирования параметра в соседних
выборках, оценивание тенденций смещения этих
центров существенно затрудняется. Это значит,
что для правомочного применения «статистиче-
ского контроля» в подобных случаях необхо-
димо, в обязательном порядке, провести предва-
рительное исследование технологического про-
цесса, чтобы выявить контроль сечение
(контрольную точку), которое может быть ис-
пользовано для представления параметра. Если
такое значение параметра не имеет места, мони-
торинг и «статистические методы» к процессу
неприменимы.
Мониторинг процесса возможен и в том слу-
чае, если объект обработки фактически характе-
ризуется бесконечным множеством номинально
одинаковых параметров, которые отличаются
друг от друга на величину, пренебрежимо малую
по сравнению с величинами смещения центров
группирования параметра в соседних выборках.
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
227
Например, если погрешности формы номинально
цилиндрической поверхности (колебания разме-
ров на одной детали) пренебрежимо малы по
сравнению с изменениями усреднённых размеров
в соседних выборках, мониторинг процесса
принципиально возможен. Под «усреднённым
размером» выборки подразумевается одно из
значений, используемых в контрольных картах,
например, среднее арифметическое выборки или
её медиана.
3. «Статистическое управление» можно эф-
фективно применять в случае, когда существует
возможность использовать для расчета границ
управления статистик и констант, полученных на
базе обработки данных априорной информации
по результатам контроля аналогичного техноло-
гического процесса, качество которого соответ-
ствует нормированному. При отсутствии апри-
орной информации, нормирование таких стати-
стик как X и R представляет собой достаточно
сложную задачу, так как отсутствуют рекомен-
дации, связывающие указанные статистики с
допуском контролируемого параметра.
Несоблюдение данных положений может
превратить «статистические методы контроля
и/или управления» в красиво представленный, но
малоэффективный процесс.
1. Соломахо, В.Л. Комплекс статистических
показателей для оценки качества процесса /
В.Л. Соломахо, К.И. Дадьков // Журнал
«Стандартизация» № 1. – 2007. – С.38−42.
2. ГОСТ Р 50779.41-96 Статистические методы.
Контрольные карты для арифметического
среднего с предупреждающими границами.
3. ГОСТ Р 50779.42-99 Статистические методы.
Контрольные карты Шухарта.
4. ГОСТ Р ИСО 21747-2010 Статистические
методы. Статистики пригодности и вос-
производимости процесса для количественных
характеристик качества.
УДК 621
МЕТОДИКА РАСЧЕТА КОНТРОЛЬНОГО ПРИСПОСОБЛЕНИЯ НА ТОЧНОСТЬ
Спесивцева Ю.Б., Матюш И.И.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Контрольные приспособления широко ис-
пользуются на производстве и должны обеспе-
чивать объективность и производительность из-
мерительного контроля. В работе приводится
формализованная методика расчета контроль-
ного приспособления на точность, созданная с
помощью базы знаний, ориентированной на ре-
шение метрологических задач. Методика реали-
зуется тремя этапами: 1) выявление и анализ
источников погрешности; 2) нормирование точ-
ности параметров, отклонения которых приводят
к погрешности измерения; 3) комплексирование
и корректировка норм точности в случае необхо-
димости. Методика рассмотрена на примере при-
способления для контроля торцевого биения и
конусности (рисунок 1).
Рассматривается измерительный узел для
контроля торцового биения, состоящий из
стойки 9, в которой установлены неподвижный
центр 11, регулируемый центр 10, державка 12 с
упором 15 и закреплённым в ней индикатором
13. Принцип действия: державку с индикатором
при помощи ручки 14 привести в рабочее поло-
жение до упора. Индикатор настроить на ноль,
обеспечив натяг. Отвести державку в сторону,
затем снова привести в рабочее положение. Из-
мерение повторять не менее 5 раз.
Рисунок 1 – Эскиз контрольного
приспособления
Погрешность измерительного узла для кон-
троля торцового биения не должна превышать
0,06 мм.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
228
Требуется определить инструментальную со-
ставляющую погрешности устройства. Расчеты
выполняются на основе следующих положений:
− каждая из отдельных составляющих по-
грешности рассчитывается в соответствии с
принципом суперпозиции погрешностей как не-
зависимая при фиксации других дефектных воз-
действий,
− числовые значения параметров и их до-
пуски принимаются в соответствии с конструк-
торской документацией.
Измерения осуществляют в нормальных ус-
ловиях. При снятии отсчета без интерполирова-
ния погрешность отсчитывания составляет не
более половины цены деления отсчётного уст-
ройства: ΔОП =5 мкм (используется индикатор
ИЧ-10 с ценой деления 10 мкм).
Методическая составляющая погрешности
измерения (рисунок 2) может быть обусловлена
идеализацией объекта измерения (отклонение от
плоскостности базируемой поверхности детали).
Рисунок 2 – Оценка методической
составляющей погрешности измерения
В детали 2 приспособления сделана выборка,
поэтому методическая составляющая влиять не
будет.
Инструментальная погрешность включает две
комплексные составляющие:
− основная погрешность индикатора, которая
составляет 10 мкм;
− погрешность устройства базирования ΔУБ
измерительной головки и детали.
Количественный анализ точности базирую-
щего устройства выполняется в виде расчетов
размерных цепей. Положение каждого рабочего
элемента в пространстве фиксирует материали-
зованная размерная цепь. В свою очередь, каж-
дая материализованная размерная цепь в общем
случае включает шесть расчетных размерных
цепей, определяющих положение рабочего эле-
мента по конкретной координате. Функциональ-
ная точность контрольного приспособления рас-
сматривается как неопределенность положения
измерительного наконечника относительно кон-
тролируемой детали [1]:
zyx uCuCuCuyCuxCuz ϕϕϕ 54321УБ +++++=∆ (1)
где uz - основная комплексная составляющая
неопределенности взаимного положения схем-
ных элементов,
ux, uy, uφx, uφy, uφz - погрешности взаимного
положения схемных элементов, действующие в
направлении остальных координат, но дающие
свой вклад в суммарную неопределенность по
основной координате пропорционально соответ-
ствующим коэффициентам влияния Ci.
По источнику возникновения все неопреде-
ленности можно разделить на теоретические,
свойств материала, технологические и эксплуа-
тационные. В данном случае очевидно отсутст-
вие неопределенностей свойств материала, схем-
ных и параметрических теоретических неопреде-
ленностей.
Конструктивные теоретические неопределен-
ности, возникающие при материализации выс-
ших кинематических пар, также отсутствуют.
Вследствие малости измерительного усилия
ИЧ-10 и с учетом того, что измерения прово-
дятся в нормальных условиях, можно говорить
об отсутствии силовых и температурных дефор-
маций, т.е. об отсутствии эксплуатационных не-
определенностей. Таким образом, имеют место
только технологические неопределенности.
Несложный анализ показывает, что из шести
составляющих (1) влиять на погрешность будет
перекос измерительного наконечника относи-
тельно его номинально перпендикулярного по-
ложения к поверхности контролируемой детали.
Источники перекоса составляют звенья раз-
мерной цепи:
А1 - отклонение от соосности рабочей по-
верхности центра 10 относительно оси базовой
поверхности центра;
А2 - отклонение от соосности рабочей по-
верхности центра 11 относительно оси базовой
поверхности центра;
А3 - отклонение от соосности посадочных от-
верстий стойки 9;
А4 - отклонения от плоскостности рабочей
поверхности плиты 1;
А5 – торцовое биение базовой поверхности
опоры 2 относительно внутренней ее поверхно-
сти;
А6 - отклонения от соосности рабочей и базо-
вой поверхностей пальца 3.
Перечисленные составляющие приводят к на-
клону линии измерения по отношению к ее иде-
альному направлению. Для случая контроля год-
ной детали наибольшее значение измерительного
перемещения можно принять равным допуску
биения Т, а соответствующую погрешность из-
мерения рассчитать по формуле [2]:
Δ = Т sin2 α. (2)
Определим составляющую инструментальной
погрешности, соответствующую звену А1 -
отклонение от соосности рабочей поверхности
l
φ
Т
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
229
центра 11 относительно оси базовой поверхности
центра (рисунок 3).
Рисунок 3 – Оценка инструментальной
составляющей погрешности А1
Допуск соосности Т = 5 мкм. Длина
сопряжения центра со стойкой 𝑙сопр = 20 мм.
𝛼 = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔 0,00520 = 0,014°.
При допуске торцового биения зубчатого
колеса 180 мкм звено А1 вносит погрешность
измерения (2):
Δ1 =10,4×10-6 мкм.
Расчет остальных составляющих в этой цепи
аналогичен. Числовые значения углов поворота
близки к α, а значения составляющих
погрешности относятся к пренебрежимо малым
величинам и в дальнейших расчетах могут не
учитываться.
Таким образом, погрешность измерения с
помощью контрольного приспособления
составляет Δ = 15 мкм и обусловлена
погрешностью используемой измерительной
головки и погрешностью снятия показаний
оператором. Можно также сделать вывод, что
погрешности из-за постоянного несовпадения
линии измерения с номинальным направлением,
как правило, всегда будут пренебрежимо малы
из-за малости углов наклона линии измерения и
небольших измерительных перемещений.
1. Серенков, П.С. Методы менеджмента качества.
Проектирование норм точности: учеб.пособие /
П.С. Серенков, Ю.Б. Спесивцева. – Минск: ИВЦ
Минфина, 2009. – 336 с.
2. Цитович, Б.В. Метрологическая экспертиза и
нормоконтроль. Курсовое проектирование:
учебно-методическое пособие / Б.В. Цитович. –
Минск: БНТУ, 2008. – 119 с.
УДК 681
ТОЧНОСТЬ КООРДИНАТНЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Хорлоогийн А.С., Астапчик О.С., Дубицкий Д.В.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Координатно-измерительные машины (КИМ)
в мировом машиностроении применяются доста-
точно давно и по праву считаются одними из
самых точных средств измерения. На данный
момент в мировом масштабе принято использо-
вать концепцию неопределенности в связи с чем
в соответствии с требованиями международных
стандартов, результат измерений, помимо изме-
ренного значения, должен содержать неопреде-
лённость измерений. Получение достоверного
значения неопределённости в координатной мет-
рологии является достаточно сложной задачей.
Это связано с тем, что КИМ являются очень гиб-
ким инструментом, на который влияет большое
количество факторов.
В математическую модель кроме точечной
оценки входит большое количество поправок
обусловленных:
1 инструментальной погрешностью средства
измерения;
2 используемой методикой выполнения изме-
рений;
3 погрешностями формы и расположения из-
меряемых поверхностей деталей;
4 используемыми алгоритмами обработки из-
меренных точек;
5 внешними факторами.
Поддающимися управлению с целью сниже-
ния неопределенности измерений являются фак-
торы: 2 – используемая методика выполнения
измерений, 4 – используемые алгоритмы обра-
ботки измеренных точек и 5 – внешние факторы.
К внешним влияющим факторам относится
температура, влажность и засоренность окру-
жающей среды. Они могут поддерживаться на
необходимом уровне, либо компенсироваться,
например, включением термокомпенсации. Ме-
тодика выполнения измерений представляет со-
бой последовательность выполнения измерений,
которая включает в себя: черновое (стартовое) и
чистовое базирование посредством измерения
базовых поверхностей, последовательность и
способ измерения точек на остальных поверхно-
стях, используемые алгоритмы обработки изме-
ренной информации, способ построения и рас-
чета геометрических параметров из известных
измеренных параметров, порядок представления
информации в протоколе. Особое значение
имеют используемые алгоритмы обработки из-
меренных точек [1].
Расчет неопределенности измерения для
КИМ является достаточно сложной задачей, в
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
230
связи с чем чаще всего данной процедурой пре-
небрегают, считая неопределенность измерения
равной неопределенности указанной в паспорте
КИМ (при этом необходимо соблюдать условия
эксплуатации КИМ). Под данной характеристи-
кой обычно понимают только величину ошибки
MPE (Maximum Permissible Error), которая опре-
делена в группе стандартов EN ISO 10360 и
имеет вид
MPE = A+ L/K, мкм,
где L – длина измеряемого объекта, мм; A, K –
постоянные, характеризующие КИМ [2].
По нормам DIN EN ISO 10360 каждое откло-
нение обозначается как МРЕ. Оно указывает
предельное значение, за пределы которого не
может выходить погрешность при выполнении
измерения с помощью КИМ. В зависимости от
вида погрешности выделяют предельно допус-
тимое отклонение метрологической характери-
стики:
1 предельное значение погрешности линей-
ного измерения MPEE;
2 предельное значение погрешности
линейного измерения при измерении с оптиче-
скими сенсорами MPEE-2D (OT);
3 предельное значение погрешности каса-
ния при применении расстояния сенсоров MPEPF
(OТ);
4 предельное значение погрешности каса-
ния MPEp;
5 предельное значение погрешности каса-
ния MPETHP и MPτ;
6 предельное значение погрешности каса-
ния при измерении с оптическими сенсорами
MPEE-2D (OS).
1 Предельное значение погрешности линей-
ного измерения MPEE
Для определения погрешности линейного из-
мерения измеряются откалиброванные концевые
меры разной длины или ступенчатые концевые
меры. Должно быть определено соответственно 5
различных участков длины в 7 любых позициях в
рабочем объеме измерительной машины. Каждая
длина измеряется трижды. Полученные значения
сравниваются с откалиброванными значениями.
При этом погрешность не должна превышать
погрешности спецификации. Спецификация
чаще всего выдается в зависимости от длины в
форме
MPEE =A + L/K.
2 Предельное значение погрешности линей-
ного измерения при измерении с оптическими
сенсорами MPEE-2D (OT)
Для определения погрешности линейного из-
мерения измеряют деталь в форме стеклянной
линейки. Расстояния между отдельными марки-
ровками откалиброваны таким образом, что из
сравнения между измеренными и откалиброван-
ными значениями можно определить погреш-
ность линейного измерения. Она не должна пре-
вышать заданное значение для погрешности ли-
нейного измерения MPEE-2D (OT) Как и у
тактильных сенсоров индекс Е (по-английски Е =
error (ошибка) обозначает погрешность линей-
ного измерения. Дополнительно индекс Е указы-
вает на то, что речь идет о 2D измерении, так как
оно производится оптическими камерами. Дан-
ные ОТ (по-английски Optical Error Translatory –
ошибка оптического преобразования) указывает
на то, что КИМ перемещает оптическую измери-
тельную головку между измерением отдельных
штрихов линейки. Таким образом, учитываются
погрешности КИМ и измерительной головки.
3 Предельное значение погрешности касания
при применении расстояния сенсоров MPEPF (OТ)
При определении погрешности касания у
двухмерных оптических сенсоров измерительная
головка измеряет матовую сферу с незначитель-
ным отклонением от формы. Определенное от-
клонение от формы не должно превышать уста-
новленное значение для погрешности касания
MPEPF (OТ) Значение PF обозначает вид измерения
(по-английски Probing Form – вид ощупывания).
Так как измерительная головка в одной позиции
может определить только одну линию, то изме-
рительная сфера должна двигаться измеритель-
ной машиной. Значение ОТ (по-английски
Optical Error Translation – погрешность оптиче-
ской передачи) указывают на то, что КИМ дви-
гает камеру и что отклонения КИМ и измери-
тельной головки учитываются.
4 Предельное значение погрешности касания
MPEP
Для определения погрешности касания ощу-
пывается сфера (диаметр от 10 до 50 мм) с не-
значительной погрешностью формы в 25 реко-
мендованных положениях по ISO 10360-2. Из
значений измерения рассчитывается так назы-
ваемый заменяющий шар, рассчитанный по Га-
уссу. Разница радиальных расстояний от центра
заменяющего шара не должно превышать значе-
ния спецификации.
5 Предельное значение погрешности касания
MPETHP и MPτ
Для определения погрешности касания при
сканировании сканируется сфера с незначитель-
ной погрешностью формы (диаметр 25 мм) по 4
траекториям, установленным в ISO 10360-4. При
сравнении измеренных значений с MPETHP спе-
цификацией должны быть выполнены два усло-
вия. Во-первых, разница радиальных расстояний,
определенная через отдельные точки, от центра
заменяющего шара не должна превышать значе-
ние спецификации (см. MPEρ). Во-вторых, раз-
ница между радиальными дистанциями и отка-
либрованным диаметром сферы не должна быть
больше, чем значение спецификации. Кроме
того, требуемое для проверки время τ должно
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
231
соответствовать спецификации, так как скорость
имеет существенное влияние на результат. Когда
указаны точность и требуемое время значение
погрешности касания при сканировании, это яв-
ляется важным индикатором производительно-
сти координатной измерительной машины.
6 Предельное значение погрешности касания
при измерении с оптическими сенсорами MPEE-
2D (OS)
При определении погрешности касания при
измерении с оптическими сенсорами измеряется
окружность с небольшим отклонением формы,
которая наносится на стеклянную плиту и при
этом определяется погрешность окружности. Эта
погрешность не должна превышать определен-
ное значение для допустимого отклонения каса-
ния MPEE-2D (OS) Первый индекс PF обозначает
(по-английски Probing Form – вид ощупывания).
2D означает двухмерное измерение. OS (по-анг-
лийски Optical Error Static – оптическая ошибка
статики) означает неподвижно установленную
измерительную головку.
Так, например, для машины Romer Multigage
данная величина:
MPEE = 5 +L/40 мкм.
Ошибка МРЕ указывает предельное значение, за
пределы которого не может выходить неопреде-
ленность при выполнении измерительного зада-
ния.
Так как на производстве нет возможности
свести все влияющие факторы к минимуму, то
необходимо создать более гибкую систему опре-
деления неопределенности измерения позво-
ляющую учитывать любые их отклонения от
нормы.
1 Гапшис В.А. и др. Координатные измери-
тельные машины и их применение. М.
Машиностроение, 1988, – 328 с.
2 Зубарев Ю.М., Косаревский С.В., Ревин Н.Н.
Автоматизация координатных измерений.
Учебное пособие. — СПб.: Изд-во ПИМаш,
2011. — 160 c.: ил.
УДК681
НЕЙРОННЫЕ СЕТИ В РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Янченко В.С., Ярмолович М.А.
Белорусский государственный институт метрологии
Минск, Республика Беларусь
Современный технический прорыв, достигну-
тый за последние два десятилетия в области ин-
формационных технологий, все более глубоко
внедряется во все сферы деятельности, и энерге-
тика не является исключением. Сложившаяся
энергетическая инфраструктура, представляю-
щая собой электростанцию, сеть электропере-
дачи и потребителя может оказаться несостоя-
тельной в мире с широко распределенными энер-
гоэффективными производствами, растущей на-
грузкой мелких домохозяйств, ввиду перехода на
электроавтомобили и прогресса, достигнутого в
альтернативной энергетике. Более того, энерге-
тическая трансформация является просто необ-
ходимой в условиях надвигающегося экологиче-
ского и ресурсного кризиса.
Решением данных проблем должны стать та-
кие инновационные концепции, как распреде-
ленная генерация электроэнергии, кластеры
мини-электростанций, активно-адаптивные сети.
Рассмотрим один из наиболее перспективных
способов преодоления сруктурно-технологичес-
кого кризиса в энергетике – построение
взаимосвязанных самоорганизующихся интел-
лектуальных энергетических систем. Данные
системы предполагают, что ввиду прогресса
достигнутого прежде всего в солнечной и
ветряной генерации, поребитель электроэнергии
является одновременно ее производителем,
также в данных системах присутствуют
традиционные системы электрогенерации, и
активно-адаптивные сети, способные транс-
портировать электроноэнергию в любом направ-
лении. При большом количестве потребителей и
производителей электроэнергии ключевым
вопросом является грамотное распределение
энергии, при котором потребитель должен
получить энергию в необходимом объеме и по
конкурентной цене, а произодитель выгодно
продать. Ядром данной системы является
компьютерный алгоритм, который непосред-
ственно принимает решение о распределении
энергии.
Рисунок 1 – Самоорганизующаяся
интеллектуальная энергетическая система
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
232
Задача создания данного алгоритма не
является тривиальной ввиду многочисленности
абонентов, большого количества их энергетичес-
ких характеристик (качетва электроэнергии), а
также динамически изменяющейся нагрузки и
мощности генерации. Таким образом, алгоритм
должен собирать информацию о выше
пречисленных параметрах в реальном времени и
на основании полученных данных обеспечивать
стабильность работы системы и ее опти-
мальность. Это возможно только при условии,
что алгоритм не только будет активно реаги-
ровать на изменение параметров, но и осу-
ществлять прогностический анализ. Достиг-
нутый прорыв в области нейронных сетей уже
сегодня позволяет создавать данные системы.
Нейронная сеть (искусственная нейронная
сеть) – математическая модель, а также её
программное или аппаратное воплощение,
построенная по принципу организации и
функционирования биологических нейронных
сетей – сетей нервных клеток живого организма.
Рисунок 2 – Структурная схема персептрона,
простейшей нейронной сети
Данный вид алгоритмов, построенных по
технологиям нейройнных сетей, имеет несколько
существенных преимуществ:
- эффективная работа с динамическими
ситемами;
- возможность задания не полностью
формализованной задачи;
- высокая отказоустойчивость;
- способность выделения паттернов в
большом объеме информации и др.
Все данные достоинства явились драйвером
для повсеместного распространения данных
алгоритмов и применения их в экономике,
медицине, робототехники, сфере информа-
ционных технологий и т.д. Однако, существуют
недостатки, такие как необходимость большого
объема обучающих данных, высокой
вычислительной мощности компьютерного
оборудования, высокой квалификации кадров,
проектирующих данные сети.
Существуют различные виды нейронных
сетей, также крайне важен выбор количества
слоев и количества нейронов в данных слоях,
подбор пуллинга и многое другое.
Рассмотрим работу интеллектуальной
энергетической системы структурно.
Рисунок 3 – Структурная схема
интеллектуальной энергетической системы
Каждый абонент данной сети должен иметь
устройства контроля количественных и качест-
венных показателей электроэнергии, которыми
могу выступать анализаторы качества электро-
энергии или смарт-счетчики. Данные приборы,
используя информационные сети, передают из-
меренные значения параметров качества потреб-
ляемой либо производимой мощности, а также
величину самой мощности в центр обработки
информации. Программное обеспечение состоит
из нейронной сети обобщения качественных по-
казателей, нейронной сети принятия решений и
ПО для обеспечения управления распределением
электроэнергии. Задача первой из нейронной
сети заключается в сведении множества пара-
метров качества и величины мощности к одному
параметру, передаваемому далее. Также в дан-
ном блоке должен осуществляться анализ каче-
ства электроэнергии и формироваться заключе-
ние о возможных неисправностях и причинах их
возникновения. Данная информация позволит
абонентам сети оперативно принять меры по
устранению неисправности и минимизировать
отрицательное влияние на всю энергосистему.
Нейронная сеть принятия решения непосредст-
венно осуществляет оценку распределения на-
грузки и потребления электроэнергии в режиме
реального времени, с помощью данной инфор-
мации и владея сведениям об исторических пат-
тернах сеть оптимизирует работу системы по
показателям максимальной стабильности и эф-
фективности. Далее информация передается на
блок программного обеспечения для управления
распределением электроэнергии, который осу-
ществляет сопряжение с аппаратными системами
активно-адаптивной электроэнергетической сети.
В будущем данная система позволит ус-
пешно совместить традиционные электростан-
ции и рынок частной генерации электроэнергии.
Широко известно, что более 20% мощности
электростанций резервируется на пиковое суточ-
ное потребление и не используется большую
часть времени, системы подобные описанным
Секция 2. Методы исследований и метрологическое обеспечение измерений
233
выше нивелируют данную потребность. Также
будет иметь место постоянный мониторинг па-
раметров качества электрической энергии, что
повысит эффективность использования энергии.
Важным параметром является цена электроэнер-
гии, с помощью активных электроэнергетиче-
ских сетей появится возможность потреблять
электроэнергию от того производителя, который
в данный момент времени предлагает самую
низкую цену, ввиду технических, климатических
или логистических особенностей. Все вышепере-
численные факторы позволят существенно сни-
зить издержки, связанные с производством и
потреблением электроэнергии, и, следовательно,
значительно повысить конкурентоспособность
продукции.
1. Бушуев В. В., «Умная» энергетика на базе
новых организационно технологических
принципов управления инфраструктурными
системами// Доклад на XI Международной
научно-технической конференции «Интеллек-
туальная электроэнергетика, автоматика и
высоковольтное коммутационное оборудо-
вание». – М., 2011. – 22 с.
2. IBM Business Consulting Services, Построение
интеллектуальной электрической сети для
передающих и распределительных
энергокомпаний – М., 2005. – 20 с.
3. А. С. Каменев, С. Ю. Королев, Нейромоде-
лирование как инструмент интеллекту-
ализации энергоинформационных сетей. – М.,
2012. – 125.
4. M. Tarafdar Haque, and A.M. Kashtiban, Ap-
plication of Neural Network in Power system; A
Review, World Academy of Science,
Engineering and Technology, pp 53-57, June
2005.
5. K.W. Chan, A.R. Edward, A.R. Danish, On-
Line Dynamic Security Contingency Screening
Using Artificial Neural Network, IEEE Trans.
Power Distribution System, pp. 367-372,
November 2000. World Academy of Science,
Engineering and Technology 6 2005.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
234
Секция 3. ФИЗИЧЕСКИЕ, ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ, МАТЕРИАЛОВЕДЧЕСКИЕ
И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
УДК 621.3.038.825.2
DIODE-PUMPED Er,Yb:GdAB LASER PASSIVELY Q-SWITCHED
BY MBE-GROWN Cr:ZnS/Cr,Co:ZnS THIN FILMS
Gorbachenya K.N.1, Kisel V.E.1, Yasukevich A.S.1, Tolstik N.2, Karhu E.2, Furtula V.2, Sorokin E.3,
Maltsev V.V.4, Leonyuk N.I.4, Gibson U.2, Sorokina I.T.2, Kuleshov N.V.1
1Center for Optical Materials and Technologies, Belarusian National Technical University
Minsk, Belarus
2 Department of Physics, Norwegian University of Science and Technology,
Trondheim, Norway
3 Photonics Institute, Vienna University of Technology,
Vienna, Austria
4Department of Crystallography and Crystal Chemistry, Moscow State University
Moscow, Russia
Q-switched erbium lasers emitting in the 1.5-1.6
μm spectral region are widely used in optical
location and LIBS (Laser Induced Breakdown
Spectroscopy) systems because of eye-safety and
weak absorption in the atmosphere.
Er,Yb:GdAl3(BO3)4 (Er,Yb:GdAB) crystal was
shown to be an efficient laser material for the 1.5-1.6
µm spectral range [1]. A passively Q-switched
regime of operation of Er,Yb:GdAB laser was
demonstrated recently with Co2+:MgAl2O4 crystal as
saturable absorber [2]. Here we report a diode-
pumped Er,Yb:GdAB laser emitting near 1.5 µm
passively Q-switched by using of MBE-grown
Cr:ZnS and Co,Cr:ZnS thin films.
Thin films of Cr-doped ZnS were deposited
using the high purity materials (99.999% purity) in
the UHV MBE deposition system at base pressure of
~4x10-9 Torr and thermal evaporation [3]. High-
quality polycrystalline films transparent through the
visible and infrared regions were obtained with
absorption peak at 1600 nm indicating dominance of
the Cr2+ oxidation state and a fluorescence peak at
2000 nm. Film thickness was kept in the range 2 to 8
µm with Cr content varied from 0.01 to 3 at.%.
Cobalt was added as a codopant to some of the films
at 0.1 at.% content.
Absorption and fluorescence spectra of Cr-
single-doped films show a well-defined Cr2+ bands
centered at 1.7 µm and 2 µm, respectively, related to
the transitions between 5E and 5T2 energy levels
(Fig. 1a, 1b). Fabry-Perot etalon effect in the thin
Cr:ZnS film resulted in spectrum modulations for
both absorption and emission spectra. Swanepoel
analysis [4] was used to eliminate the modulations
from the absorption spectra. The 5T2 level lifetime
was found to be concentration dependent, decreasing
from 5.4 µs for 0.012 at.% doped film to 1.3 µs for
0.1 at.% doped film [5].
a)
800 1200 1600 2000 2400
0
25
50
75
100
125
150
175 Cr(2.7%):ZnS
Cr(0.033%):ZnS
A
bs
or
pt
io
n,
c
m
-1
Wavelength, nm
b)
Fig. 1. The absorption (a) and fluorescence (b)
spectra of the Cr:ZnS thin films and single crystal
The high quality Er,Yb:GdAB crystal was grown
by dipping seeded high-temperature solution growth.
The concentrations of the dopants were measured to
be 1 at.% for Er3+ and 11 at.% for Yb3+. The laser
cavity consisted of pump mirror (PM) (R>99.5% at
1522 nm and T>95% at 976 nm) deposited onto
external side of the crystal and a flat output coupler
(OC) with transmission of 9% at 1522 nm. A
saturable absorber (SA) – few-µm thick Cr:ZnS film
on 1-mm-thick sapphire substrate - was inserted
between the laser element and OC. The minimal
geometrical cavity length was about 4 mm, that was
1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 3200
0
10
20
30
40
50
60
x80
Cr:ZnS thin film
Cr:ZnS ceramics 100 mW
S
pe
ct
ra
l i
nt
en
si
ty
(r
el
. u
.)
Wavelength (nm)
x22
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
235
limited by the design of the active element cooling
system. The active element (AE), a 1-mm-thick, c–
cut Er,Yb:GdAB crystal was wrapped in indium foil
and mounted between two copper slabs with a hole
in the center to permit passing of pump and laser
beams. Its temperature was kept at 14 °C by means
of thermo-electrical cooling elements with water-
cooled heatsink. A 976 nm fiber-coupled (Ø105 μm,
NA=0.22) laser diode emitting unpolarized radiation
at 976 was used as a pump source. The pump beam
was focused into the crystal by a focusing system
into 120 µm spot (1/e2 intensity). The small-signal
pump absorption of the crystal was measured to be
near 75%. The setup for laser experiments is
schematically shown in Fig. 2.
Fig. 2 Schematics for laser experiment
Stable passively Q-switched regime of the
Er,Yb:GdAB laser was obtained with Cr:ZnS thin
films having Cr concentration from 0.1 to 0.5 at. %.
The best laser performance was achieved for 5-µm-
thick 0.1 at.%-doped film additionally codoped with
0.1 at.% Co, having initial Fresnel-free transmission
about 4%. The maximum average output power of
332 mW was demonstrated at 1522 nm (Fig. 3). The
spatial profile of the output beam was TEM00 mode
with M2 parameter less than 1.5 (see inset in Fig. 3).
Fig. 3. Average output power vs. absorbed pump
power of Q-switched Er,Yb:GdAB laser. The inset
shows output beam profile
Laser pulses with energy of 10.7 µJ and duration
of 6 ns were obtained at a repetition rate of 31 kHz
when the incident pump power was about 4.5 W. The
oscilloscope trace of the shortest single Q-switched
pulse measured at incident pump power of 4.5 W with
corresponding pulse train is presented in Fig. 4.
Fig. 4. Oscilloscope traces of the shortest pulse
and the corresponding pulse train
In conclusion, passively Q-switched
Er,Yb:GdAB laser with MBE-grown
Cr:ZnS/Cr,Co:ZnS thin film saturable absorber was
demonstrated for the first time to our knowledge.
The pulses with 10.7 µJ energy, 6 ns duration, and
31 kHz repetition rate were obtained at the
wavelength of 1522 nm. The saturable absorber
manufacturing technique allows obtaining integrated
AE-SA structures especially interesting for compact
microchip Q-switched lasers with minimal pulse
duration.
1. K.N. Gorbachenya, V.E. Kisel, A.S. Yasukevich,
V.V. Maltsev, N.I. Leonyuk, and N.V. Kuleshov,
“Highly efficient continuous-wave diode-pumped
Er,Yb:GdAl3(BO3)4 laser,” Opt. Lett. 38, 2446–
2448 (2013).
2. K.N. Gorbachenya, V.E. Kisel, A.S. Yasukevich,
V.V. Maltsev, N.I. Leonyuk, and N.V. Kuleshov,
“Eye-safe 1.55 μm passively Q-switched
Er,Yb:GdAl3(BO3)4 diode-pumped laser,” Opt.
Lett. 41, 918–921 (2016).
3. E. Karhu, N. Tolstik, E. Sorokin, S. Polyakov,
R. Zamiri, V. Furtula, U. Osterberg,
I.T. Sorokina, and U. J. Gibson, "Towards Mid-
IR Waveguide Lasers: Transition Metal Doped
ZnS Thin Films," in Conference on Lasers and
Electro-Optics, OSA Technical Digest (2016)
(Optical Society of America, 2016), paper
STu4R.2.
4. R. Swanepoel, "Determination of the Thickness
and Optical-Constants of Amorphous-Silicon,"
J. Phys. E-Sci. Instrum. 16, 1214–1222 (1983)
5. N. Tolstik, E. Sorokin, E. Karhu, S. Polyakov,
U. Gibson, and I.T. Sorokina, "MBE-grown
Cr:ZnS Thin Film Laser Media," in Conference
on Lasers and Electro-Optics, OSA Technical
Digest (online) (Optical Society of America,
2016), paper JF1K.5.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
236
UDC 621.373.8
GRAPHENE Q-SWITCHED WAVEGUIDE LASER AT 1.83 μm
Kifle E.1, Mateos X.1,3, Loiko P.A.1,2, Yumashev K.V.2, Petrov V.3,
Griebner U.3, Aguiló M.1, Díaz F.1
1Universitat Rovira i Virgili, Tarragona, Spain
2Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus
3Max-Born-Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy, Berlin, Germany
Lasers emitting at around ~2 μm has gained
interest for potential applications in atmospheric
sensing, range-finding (LIDAR systems), wind
mapping and medical surgeries [1]. Such ~2 μm
lasers having a waveguide geometry are also useful
in integrated optics, e.g., for various gas and bio-
molecule on-chip sensors. Trivalent Thulium (Tm3+)
ions, efficiency pumped at ~0.8 μm (3H6 →
3H4
absorption band), are commonly used to generate ~2
μm laser emission from the 3F4 →
3H6 transition.
Monoclinic double tungstates, KRE(WO4)2 or
shortly KREW where RE = Gd, Y or Lu, are very
suitable hosts for Tm3+ doping [2]. In the present
work, continuous-wave (CW) and graphene
passively Q-switched (PQS) laser operation of
Tm:KYW planar waveguide is reported.
The studied sample has symmetrical structure
with an undoped KYW substrate, a Tm3+-doped
lattice-matched active layer and an undoped KYW
cladding. The KYW bulk sample was grown by the
Top-Seeded Solution Growth (TSSG) slow-cooling
method. It was cut parallel to the (010) natural face
and polished to laser quality. The Liquid Phase
Epitaxy (LPE) method was used to grow the active
layer with a composition of
KY0.58Gd0.22Lu0.17Tm0.03W. The as-grown active
layer was polished down to 12.4 μm and later an
undoped KYW was grown as a cladding which was
polished down to a final thickness of 58 μm. The
fabricated waveguide sample was oriented for light
propagation along the Ng-dielectric axis.
The laser cavity consisted of a flat pump mirror
(PM) that was antireflection (AR) coated for 0.7–1
μm and high-reflection (HR) coated for 1.8–2.1 μm
and a flat output coupler (OC) providing a
transmission of TOC = 5% at 1.8–2.1 μm. A
transmission-type graphene-SA was inserted
between the waveguide and OC. The graphene-SA
was a commercial single-layer graphene fabricated
by the chemical vapour deposition (CVD) method
and deposited on a 1.05 mm-thick uncoated fused
silica substrate. The presence of a graphene (single
layer of C atoms) was confirmed by Raman
spectroscopy and it has a small-signal transmission
of 97.7% at ~2.06 μm [3].
A Ti:Sapphire laser beam, tuned to 802 nm and
polarized along the Nm-optical axis of the active
layer, was used as a pump source. The pump light
was coupled into the waveguide with a 10X
microscope objective lens (NA: 0.28, focal length:
20 mm). The incident pump power was varied with a
gradient neutral density (ND) filter placed before the
objective. The measured small-signal pump
absorption was ~70% and the absorption dropped to
~60% for the highest pump power. The efficiency of
the pump light coupling into the waveguide was
estimated from the geometrical overlap of the pump
beam and the active layer cross-section to be ~24%.
The laser signal from the waveguide was filtered
with a cut-off filter and coupled out with a 40 mm
aspheric lens. The scheme of the laser set-up is
shown in Fig. 1. The emission wavelength was
detected with an optical spectrum analyzer
(Yokogawa AQ6375). The far-field profile of the
guided mode was detected using a FIND-R-SCOPE
Near IR Camera. A fast InGaAs photodiode (rise
time: 200 ps) and a 2 GHz digital oscilloscope were
used for detection of the Q-switched pulses.
Figure 1 - Experimental set-up: ND – neutral density
filter, PM - pump mirror, OC - output coupler, F -
cut-off filter
CW Tm:KYW waveguide laser generated an
output power of 14.4 mW at 1835.4 nm with a slope
efficiency η of 18% with respect to the absorbed
pump power. The laser threshold was at Pabs = 38
mW. Stable passive Q-switching was achieved when
inserting the graphene-SA. The maximum average
output power reached 6.5 mW at wavelength 1831.8
nm corresponding to η = 9% and a laser threshold at
Pabs =51 mW, Fig. 2. The conversion efficiency with
respect to the CW operation mode ηconv reached
45%. For both CW and PQS regimes the laser output
was linearly polarized (E || Nm). The output beam of
the laser was multimode and strongly elliptic, see
inset in figure 2(a).
The dependence of the pulse characteristics
(pulse duration, Δτ, determined as full width at half
maximum, FWHM, pulse repetition frequency, PRF,
pulse energy, Eout = Pout/PRF, and peak power, Ppeak
= Eout/Δτ), are shown in figure 3. When the absorbed
pump power was increased from 75 to 126 mW, the
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
237
pulse duration shortened from 312 to 195 ns and the
pulse energy increased from 2.3 to 5.8 nJ. This was
accompanied by a nearly linear increase of the PRF,
in the 0.73-1.13 MHz range. The maximum peak
power reached ~30 mW. These results have shown a
significant improvement as compared to [4] where
Cr2+:ZnS was used as a SA with a similar waveguide
structure.
Figure 2 - CW and graphene PQS Tm:KYW
waveguide lasers: (a) input-output dependences, η -
slope efficiency, inset - spatial profile of the laser
beam; (b) typical laser emission spectra measured at
Pabs = 126 mW
Figure 3 - Graphene PQS Tm:KYW waveguide
laser: (a) pulse duration Δτ (FWHM), (b) pulse
energy Eout, (c) pulse repetition frequency (PRF) and
(d) peak power Ppeak versus the absorbed pump
power
The oscilloscope trace of the shortest single Q-
switched pulse and the corresponding pulse train are
shown in Fig. 4. The intensity instabilities in the
pulse train are <10% and the rms pulse-to-pulse
timing jitter is <15%. The Q-switching instabilities
in the studied laser are caused mainly by the
temporal instabilities of the output of the
Ti:Sapphire laser and to less extend – to the heating
of the graphene-SA with the non-absorbed pump.
Figure 4 - Oscilloscope traces of a single Q-switched
pulse and the corresponding pulse train (inset) for
graphene PQS Tm:KYW waveguide laser,
Pabs = 126 mW
In conclusion, the first ~2 μm double tungstate
waveguide laser passively Q-switched by a
graphene-SA was demonstrated. The laser is based
on a buried 3 at.% Tm3+:KYW planar waveguide
and delivered 5.8 nJ / 195 ns pulses at 1831.8 nm at
a high pulse repetition frequency of 1.13 MHz. The
Q-switching conversion efficiency reached 45%.
Future work will focus on implementing higher
Tm3+-doping as well as channel waveguide lasers for
improving the pulse duration and repetition
frequencies.
1. K. Scholle. 2 μm laser sources and their
possible applications // Frontiers in Guided
Wave Optics and Optoelectronics, Bishnu Pal
(Ed.), 2010.
2. V. Petrov, M.C. Pujol, X. Mateos, Ò. Silvestre,
S. Rivier, M. Aguiló, R. M. Solé, J. Liu,
U. Griebner, F. Díaz. Growth and properties of
KLu(WO4)2, and novel ytterbium and thulium
lasers based on this monoclinic crystalline host
// Laser & Photon Rev. – 2007. – Vol. 1. –
P. 179–212.
3. R. Lan, P. Loiko, X. Mateos, Y. Wang, J. Li,
Y. Pan, S.Y. Choi, M.H. Kim, F. Rotermund,
A. Yasukevich, K. Yumashev, U. Griebner,
V. Petrov. Passive Q-switching of microchip
lasers based on Ho:YAG ceramics // Appl. Opt.
– 2011. – Vol. 55. – P. 4877–4887.
4. W. Bolaños, J. J. Carvajal, X. Mateos,
E. Cantelar, G. Lifante, U. Griebner, V. Petrov,
V. L. Panyutin, G. S. Murugan, J. S. Wilkinson,
M. Aguiló, F. Díaz. Continuous-wave and Q-
switched Tm-doped KY(WO4)2 planar
waveguide laser at 1.84 μm // Opt. Express. –
2011. – Vol. 19. – P. 1149–1154.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
238
УДК 615-82(837)
INDIVIDUALIZATION OF HUMAN BLOOD CIRCULATION
Ostasevicius V.1, Tretsyakou-Savich Y.1, Minchenya V.T. 2
1Kaunas University of Technology, Kaunas, Lithuania
2Belarusian National Technical University, Minsk, Belarus
Various fluid-structure interaction studies of the
aortic and implanted aneurysm have been conducted.
But at this moment, the interactions between a
pulsatile flow and blood vessel walls in an aortic
arch models has not enough studied.
According to statistics - 75% disease of aortic
aneurysm occurs in the abdominal cavity in the
region of the renal arteries. The main cause is -
arteriosclerosis. Multiple aneurysms occur for more
than 10% of patients. The cases of genetic
predisposition are also considered. The category of
high risk of human infection - men after 60 years.
Course of the disease is accompanied by arterial
hypertension more than for 50% of patients [1].
Initial parameters of blood and CT scans can be
used for a computer simulation of abdominal aortic
aneurysm. Furthermore, the model at COMSOL
software was created with prescribed conditions of
real aorta. In this case output data can be used for
further experiments of prostheses.
There are many types of blood flow simulation in
human cardiovascular system. CT scans shows the
patient-specific geometry parameters of abdominal
aortic aneurysm. But every method have own
differences. For example, one method is based on an
inverse analysis of shape to calculate a stress-free
reference parameter. Other - to update and modify
Lagrangian formulation. [2] The main objective of
this study is to create a model of blood flow in
COMSOL Multiphysics software for future use at its
individualization of endovascular prostheses.
A substitute model, made from the transparent
silicone with blood flow parameters was used. A
liquid composed of water, glycerin, xanthan gum
and sodium chloride has been specifically adapted
for the this experiment. Simulations of 1:1 model
based on CFD have been compared with in situ,
laser-Doppler velocimetry measurements in the
aortic aneurysm. [3]
It was found that LDA measurements and CFD
results were used to get most accurate patient-
specific geometry parameters of aorta in common
condition. [4]
The main objective of this study is to create a
model of blood flow in COMSOL Multiphysics
software for future use at its individualization of
endovascular prostheses.
Result of the patient diagnosis is the parameter
Δp (pressure differential), and Δp plotted versus
Reynolds number. Therefore, in the analysis of fluid
flow simulation results in the COMSOL graphical
extent on the entire plot the pressure distribution has
been selected.
The model should be adequate to the real
conditions of fluid flow, and comply with all the
laws of hydrodynamics. Therefore, to achieve this,
the initial parameters were taken from the patient
diagnosis results.
Pressure means depends on channel roughness,
resistance coefficient and flow type, which is
turbulent.
Pressure calculations [5] for the round channel:
∆𝑝 = ξ 𝑙
𝑑
∙
𝜌𝑣�2
2
,
where ξ - resistance coefficient, l – specific
length, m; d – channel diameter, m; ρ - density
kg/m3, and v – stream velocity, m/s.
Velocity is calculated [5] from debit Q:
𝑄 = 𝑣 ∙ 𝐴 = 𝑣𝜋𝑟2,
where r – channel radius, m.
Resistance coefficient [5] calculated:
ξ = 0,3164 ∙ (𝑅𝑒)−1 4� ,
Where flow type defining Reynolds number is
calculated [6] from 𝑅𝑒 = 𝜌𝑣𝑑
𝜇
, µ - dynamic viscosity,
kg/(m·s).
Comparing the pressure distribution graphs in the
cases of fluid passing through the direct channel and
the endovascular prosthesis the characteristic curves
of the pressure at the different Δp could be presented
by Figure 1.
Figure 1: Graphical pressure distribution
analysis
Thus simulation by this method, and the model
can be used in the future to create individual forms
of endovascular prosthesis for each individual case.
The initial parameters will serve as tests and the
results of medical research. Modeling is performed
in step immediately before production and then
individualized endovascular prosthesis is created
with high precision on specialized equipment.
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
239
The main objective of the operation - to prevent
pressure effect on the resulting bag to avoid bursting
[7]. This form of treatment has proven itself due to
the relative ease of fabrication and good properties
for introduction into the human body. Over time, the
technical production capabilities have grown and it
is allowed to create a stent-grafts with branches [8].
Delivery of the stent-graft through the femoral
artery is much safer than in the case of open surgery.
In this case, such factors as the symptoms, age,
disease, life style, size and morphology of the
aneurysm and the implantation site are considered.
It's worth noting that according to the International
Standardization Organization the mechanical
properties of the stent graft should be retained not
less than 10-year period [9].
Based on the fact that each person is unique
since birth, and even more so according to its style
of life, the blood flow in the cardiovascular system,
also has its own peculiarities which avoid turbulent
flow and unpleasant consequences for the human
body. The situation is complicated in the case of the
formation of abdominal aortic aneurysm due to
trauma. Therefore, to ensure the full protection of all
internal organs without prior thorough diagnosis
carried out open surgery outside specially designated
clinics is extremely dangerous and the risk is very
high [10].
Improving the endovascular prosthesis inevitably
leads to a reduction in the mortality of patients, the
number of which at the moment is still quite high.
After the operation in the course of life requires
constant monitoring of the health condition. It is
necessary for urgent surgical intervention in case of
complications detection. [11].
Currently, important aspects are the presence of
the transverse corrugation which enables the
prosthesis blood vessel to restore its original shape
after stretching .: inner and outer gelatin coating
which, after implantation into the body provides
neointima formation on the inner surface and
germination of the connective tissue. The stent graft
after deployment should be fixed at the neck of the
aneurysm of the abdominal aorta. The force with
which the prosthesis is retained in the aorta, should
be sufficient to prevent its unintended migration.
Therefore, the diameter of the implant should be
equal to the diameter of the aorta at the site of its
contact solid surface, and the range equilibrium at
the junction should be observed [12].
Over time, the shape and design of endovascular
prostheses, in particular the methods of delivery,
deployment and fixation, matching the real human
cardiovascular system should be maintained.
Full individualization stent graft for each patient
- this increase in life expectancy and quality.
1. James E. Dalen Aortic aneurysm 2012
2. M.W. Geecorrespondenceemail, C. Reeps, H.H.
Eckstein, W.A. Wall 2009 Prestressing in finite
deformation abdominal aortic aneurysm simulation
3. Róbert Bordás, corresponding author Santhosh
Seshadhri, Gábor Janiga, Martin Skalej and
Dominique Thévenin Experimental validation of
numerical simulations on a cerebral aneurysm
phantom model 2012
4. 4th European Conference of the International
Federation for Medical and Biological Engineering
Numerical simulation and Experimental Validation
in an Exact Aortic Arch Aneurysm Model IFMBE
Proceedings Volume 22 2008
5. A. Teplov Fundamentals of hydraulics 1965
6. Jesse Russeell, Ronald Cohn Reynolds number
2012
7. Isa C. T. Santos, Alexandra Rodrigues, Lígia
Figueiredo, Luís A Rocha, João Manuel R. S.
Tavares, João Manuel R. S. Tavares, Faculdade de
Engenharia, Universidade do Porto, Rua Dr. Roberto
Frias Mechanical properties of stent-graft materials
2012
8. Mohammed Elkassaby, Mahmoud Alawy,
Mohamed Zaki Ali, Wael A. Tawfick, and Sherif
Sultan Aorto-Uni-Iliac Stent Grafts with and without
Crossover Femorofemoral Bypass for Treatment of
Abdominal Aortic Aneurysms: A Parallel
Observational Comparative Study 2015
9. Joseph E. Bavaria, MD, Joseph S. Coselli, MD,
Michael A. Curi, MD, MPA, Holger Eggebrecht,
MD, John A. Elefteriades, MD, Raimund Erbel,
MD, Thomas G. Gleason, MD, Bruce W. Lytle, MD,
R. Scott Mitchell, MD, Christoph A. Nienaber, MD,
Eric E. Roselli, MD, Hazim J. Safi, MD, Richard J.
Shemin, MD, Gregorio A. Sicard, MD, Thoralf M.
Sundt III, MD, Wilson Y. Szeto, MD, and Grayson
H. Wheatley III, MD Expert Consensus Document
on the Treatment of Descending Thoracic Aortic
Disease Using Endovascular Stent-Grafts 2008
10. Herve´ Rousseau, Omar Elaassar, Bertrand
Marcheix, Christophe Cron, Vale´rie Chabbert,
Sophie Combelles, Camille Dambrin, Bertrand
Leobon, Ramiro Moreno, Philippe Otal, Julien
Auriol The Role of Stent-Grafts in the Management
of Aortic Trauma 2012
11. Rebecca L. Kelso, MD, Sean P. Lyden,
MDcorrespondenceemail, Brett Butler, MD, Roy K.
Greenberg, MD, Matthew J. Eagleton, MD, Daniel
G. Clair, MD Late conversion of aortic stent grafts
2008
12. Ehsan Masoumi Khalil Abad, Damiano
Pasini, Renzo Cecere Shape optimization of stress
concentration-free lattice for self-expandable Nitinol
stent-grafts 2016 .
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
240
УДК 681
GAIN NARROWING FREE OPERATION OF CHIRPED PULSE REGENERATIVE AMPLIFIER
BASED ON YB:LuAlO3 CRYSTAL
RudenkovA.1, Kisel V.1, Yasukevich A.1, Hovhannesyan K.2, Petrosyan A.2, Kuleshov N.1
1Center for Optical Materials and Technologies, Belarusian National Technical University
Minsk, Belarus
2Institute for Physical Research, National Academy of Sciences
Yerevan, Armenia
1. Introduction
Diode-pumped femtosecond laser sources with
pulse repetition rates of hundreds kHz and pulse
energies of tens microjoules are of practical
importance for high-precision micromachining in
industry and biomedicine [1].
These pulse trains can be generated conveniently
with RA systems based on bulk regenerative
amplifiers. The highest output power reported so far
for bulk RAs is 28 W in an Yb:CALGO operating at
500 kHz, with 217 fs pulses [2]. The output power
of about 21 W at 200 kHz PRF with 200 fs pulse
duration is obtained on Yb:KGW dual crystal system
[3]. Femtosecond laser pulses with duration as short
as 97 fs with output power of 1.2 W at 50 kHz PRF
were obtained with the Yb:CALGO RA system [4]
which demonstrates the possibility of sub-100 fs
pulses amplification. Generalizing the above data,
we can conclude that the search for new laser media
with appropriate spectroscopic properties for
regenerative amplification of ultrashort laser pulse is
still of high interest.
Yb-doped lutecium aluminate laser crystal
(Yb:LuAlO3) has attractive spectroscopic properties
which makes it promising material for femtosecond
laser systems. It has a reasonable large emission
cross section (~0.7x10-20 cm2), long upper-level
lifetime (475 µs), small quantum defect (<4%), and
broadband absorption and emission spectra. In this
paper we report the experimental results of an
Yb:LuAlO3 chirped pulse RA generating 6 W
average power with chirped pulses and 4.4 W output
power with a compressed 165 fs pulses for the first
time to the best of our knowledge.
2. Experimental layout
The schematic of the system is shown in Fig. 1.
As a seed laser diode-pumped Yb:KYW oscillator
was used which provides 98 fs pulses [5]. The RA
setup chosen for this experiment is quite common,
employing a BaB2O4 Pockels cell for pulse injection
and ejection. Amplifier cavity was formed by two
concave folding mirrors (M1, M2) and two flat
mirrors (HR1, HR2). 2 mm-long a-cut
Yb(2at.%):LuAlO3 crystal was used as a gain
medium. The crystal was maintained at 15 °C by
means of thermo-electrical cooling elements with
water-cooled heatsink.
The main problem for longitudinal pumping of
Yb:LuAlO3 crystal is a comparatively low quantum
defect (~5%). The strong absorption band of the
crystal that can be used for efficient pumping
centered at 978.5 nm for π-polarization while the
smooth stimulated emission (SE) band is located
around 1040 nm.
Fig. 1. Schematic of the Yb:LuAlO3 chirped pulse
regenerative amplifier
To overcome this spectral features a novel “off-
axes” pump layout was developed for longitudinal
pumping of the active element (Fig. 1). This pump
arrangement was recently successfully tested in the
longitudinally pumped passively mode-locked
Yb:KGW laser [6]. As a pump source a multiple
single emitter InGaAs fiber coupled laser diode
(Ø105 μm, NA=0.15) with maximum output power
of about 28 W was used. The pump light was formed
by set of lenses into the spot with diameter of about
180 µm (1/e2). The losses on transmission of the
hole from such "pump" mirror did not exceed 3 % of
pump power. Besides that such pumping scheme
enable us to tune the wavelength of the laser diode
exactly in the absorption band of the material
without losses in the short-wave pass filter (input
mirror). One of the important things most notably
for regenerative amplifiers with longitudinal
pumping schemes is that the part of the intracavity
pulse energy passes through the input mirror and
damages pumping diode. Our pumping scheme is
free of these negative issues.
In Fig. 2 the pump beam profiles during the
propagation through the gain crystal are depicted. As
can be seen the pump beam profile was a circular
and homogeneous inside the crystal. The drop in the
middle of the pump beam profile appears at the
distances >3mm from pump beam waist and
therefore do not introduce any negative influence
due to the pumping inhomogeneity on the mode-
matching and output laser performance.
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
241
Fig. 2. Beam radius and pump beam profiles during
the propagation through the cavity and gain crystal.
A grating compressor was employed at the RA
output in order to compress the chirped femtosecond
pulse. Compressor with transmission of about 76 %
consisted of two reflection Au-coated grating with
period of 1800 mm-1, the same as in stretcher.
3. Chirped pulse regenerative amplifier
performance
During the RA experiment we measured the
output pulse train parameters for E//b and E//c-
polarized light in the gain medium at different PRF
in the range 1-200kHz. Maximum output power
before compression of 6.7W with opt.-to-opt.
efficiency of 25% at 75-200kHz PRF was obtained
for E//c-polarized light. For E//b-polarization
maximum output power before compression of 6W
with opt.-to-opt. efficiency about 22% at the same
PRF was achieved. During the RA experiment with
the highest output power 14.9nm wide (FWHM)
pulses were obtained for E//b-polarized light with
compressed pulse duration of 165fs. Laser pulses
with 2.7nm spectral width were obtained for E//c-
polarized light with pulse duration of about 565fs.
The dependency of average output power and
pulse energy on the pulse repetition frequency are
shown in Fig. 3.
Fig. 3. Average output power and pulse energy versus
PRF
Yb:LuAlO3 based RA with E//b-polarized output
demonstrated extremely stable broadband output
spectrum with 13-15nm spectral bandwidth
(FWHM) at different cavity round trip numbers from
63 to 122 and different PRF of 10, 50 and 200kHz
without any nonlinear regime of amplification. The
output spectra for different polarizations at the
highest output power are shown in Fig. 4. In the case
of E//b-polarized output spectral width of 14.9nm
was wider than seed pulse spectral width of 11.7nm.
Moreover, the spectral width of about 14.9nm was
almost unchangeable for seed pulses with spectral
width in the range 11-15nm (FWHM).
Fig. 4. RA and seed spectra
In conclusion, we have demonstrated, to the best
of our knowledge, the first chirped pulse
regenerative amplifier based on Yb:LuAlO3 crystal.
Gain properties of the crystal for E//b- and E//c-
orientations were studied in the RA experiments.
Operation without gain narrowing effect was
demonstrated for E//b-polarized output while strong
gain narrowing was observed for E//c-polarization.
4. References
1. D. Breitling, C. Föhl, F. Dausinger,
T. Kononenko, and V. Konov, in Femtosecond
Technology for Technical and Medical Applications,
F. Dausinger, F. Lichtner and H. Lubatschowski,
eds. (Springer, Berlin, 2004).
2. E. Caraccioloet.al., "28-W, 217 fs solid-state
Yb:CAlGdO4 regenerative amplifiers," Opt. Lett. 38,
4131-4133 (2013).
3. G.H. Kimet.al., “A high brightness Q-switched
oscillator and regenerative amplifier based on a
dual-crystal Yb:KGW laser,” Laser Phys. Lett. 10
(2013) 125004 (5pp).
4. Julien Pouysegur et. al., "Sub-100-fs
Yb:CALGO nonlinear regenerative amplifier," Opt.
Lett. 38, 5180-5183 (2013).
5. A.A. Kovalyov, V.V. Preobrazhenskii,
M.A. Putyato, N.N. Rubtsova, B.R. Semyagin,
V.E. Kisel, A.S. Rudenkov, N.V. Kuleshov and
A.A. Pavlyuk, “Efficient high-power femtosecond
Yb3+:KY(WO4)2 laser,” Laser Phys. Lett. 12, 075801
(2015).
6. V.E. Kisel, A.S. Rudenkov, A.A. Pavlyuk,
A.A. Kovalyov, V.V. Preobrazhenskii,
M.A. Putyato, N.N. Rubtsova, B.R. Semyagin, and
N.V. Kuleshov, "High-power, efficient,
semiconductor saturable absorber mode-locked
Yb:KGW bulk laser," Opt. Lett. 40, 2707-2710
(2015).
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
242
УДК 621.385.6
LASER PHOTOTHERMOACOUSTIC MICROSCOPY THRESHOLD OF SENSITIVITY TESTING
Wolkenstein S. S.1, Kerentsev А.F. 2, Rubtsevitch I.I.2, Khmyl А. А.3
1PJSC “PLANAR-SO”, Minsk, Belarus
2JSC “INTEGRAL” -"INTEGRAL" Holding Managing Company
3BSUIR, Minsk, Belarus
Microcircuits and electronic devices structural
design consists of a great number of permanent
connections which are attended in ceramic cases
structure, in mounted chips, in interconnections of
various types, in diverse sealing, capping and
capsulation arrangements. Any failure appeared in
this chain of connections will inevitably result in
unavoidable hardware fail.
Tightened requirements for the quality of ingoing
materials and manufacturing process of
microcircuits and electronic twofold purpose devices
making for the intention of import substitution,
national security, enhancement of their dexterity,
increase of performance specification and operating
characteristics effectiveness promote development
of conventional (diffused worldwide trend) or
creation of novel nondestructive evaluation and
diagnostic methods.
Conventional nondestructive evaluation and
diagnostic methods have many disadvantages.
Optical and electron microscopy is unsuitable for
opaque material interior study. X-ray equipment has
low sensitivity to a bulk continuity violation and is
blind relative to aluminium, nonconductive
adhesives, etc. Ultrasonic microscopes are highly
sensitive (≥100 nm) to a bulk continuity violation
but they have certain restriction of application by
using contact activation and immersion method of
the action.
The problem can be solved through the exposure
of an item surface to probing laser impulse radiation
with acoustic waves in the sample to be registered
by a converter built in the acoustic system. The
waves are a result of thermoelastic structure
deformation of the inspected item. Photoacoustic
signal taken from the sensor depends on numerous
local physical properties of the object’s marked area.
At raster probing the inspected object by in-focus
laser beam a bulk wave response signal is formed as
a result of superposition of three different processes
[1]:
radiation absorbed capacity variations due to
alteration of optical properties of the object from one
point to another;
interaction of temperature waves with
thermal discontinuities of the object;
interaction of acoustic waves with elastic
discontinuities of the object.
In order to receive and process photoacoustic
signals there used a volume wave acoustic-electric
converter unit with a wide band low noise amplifiers
mounted on coordinate stages with aerostatic and
crossed-axis helical gears. Bulk wave response data
is accumulated and registered by a hardware signal
processing module (know-how). In the process of
scanning 16-gradation color-encoded pixel-by-pixel
2D image (laser photoacoustic topogram) of
permanent connections contact areas with up to
2500X magnification is registered on the screen of a
color monitor, with low levels of photoacoustic
signals pointing at contact areas with a more
homogeneous structure (dark graded steps from 1 to
6) that provides for a physical contact and high
levels pointing at inhomogeneous areas (light graded
steps from 7 to 16) which indicates that the structure
continuity is disturbed (fig. 1) [2].
Fig. 1. Color 16-graded scale
More than four orders of linear X, Y
displacement values (the range from 51200 up to
several micrometers with spatial X, Y resolution
from 200 to 0.5 micrometers) electromechanical
drives possibility and flexibility of laser beam
diameter variation (the range from 200 to 2
micrometers) afforded an opportunity to work out
diagnostics and checking technique for examination
of almost all types of permanent connections used in
electronic and microelectronic modular assembly,
such as:
bonding dice of semiconductor devices and
IC to the base of the packages and the die holders
using eutectic, solder and adhesive compositions;
microbonded connections by gold, aluminum,
copper etc. wire using methods of thermosound,
thermocompression, ultrasound and contact bonding;
welded and soldered seams of the cases of
semiconductor devices and ICs;
hermetic sealing of ICs using different press-
compounds;
setting electronic components onto different
substrates (SMD, COB);
adhesion of metal coatings to different
substrates.
During carrying out the research of radiation-
resistant batch bonded ribbon leads manufacturing
(fig. 2) were provided preparatory steps such as
degreasing and aluminum oxide film deep etching
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
243
relative to contact surfaces. Nondestructive testing
was applied to bonded specimens made with three
variations: 1) with contact surfaces only degreasing;
2) with contact surfaces degreasing and aluminum
oxide film partial (10 s) etching; 3) with contact
surfaces degreasing and aluminum oxide film deep
etching.
Fig. 2. Pilot specimen with radiation-resistant
batch bonded ribbon leads (exterior view): ceramic
base (a); aluminum bonding pads (b1, b2, b3);
aluminum ribbon leads (c1, c2, c3); bonded spots
(d1, d2, d3)
Consequently to nondestructive testing one can
see typical characterization of bonded spots (d1, d2,
d3) internal structure for three variations of aforesaid
research (fig. 6 a, b, c).
a b c
Fig. 3. Laser photoacoustic topograms of pilot
specimens with radiation-resistant batch bonded
ribbon leads: only with degreasing of contact
surfaces (a); with degreasing and aluminum oxide
film partial (10 s) etching of contact surfaces (b);
with degreasing and aluminum oxide film deep
etching of contact surfaces (c); (spatial X, Y
resolution – 50 µm)
Laser photoacoustic topograms (fig. 3 a, b, c)
analysis of traced bonded spots (d1, d2, d3) internal
structure displays aluminum oxide films (fig. 3 a,
blue color) and juvenile surfaces creation in the
issue of contact surfaces etching (fig. 3 b, c, black).
This implyies that we can see on laser photoacoustic
topograms incipient of aluminum oxide films which
thickness averaged out as several nanometers
conditioning the threshold of sensitivity to a
continuity violation of present nondestructive testing
method.
Owing to high sensitivity to permanent
connections continuity violation serious
shortcomings were revealed concerning radiation-
resistant ribbon leads bonded spots d1, d2, d3, d4, d6
applied in operational equipment specimen (fig. 4).
Only d5, d7 bonded spots (fig. 4) according to
appropriate laser photoacoustic topogram subimages
have ohmic regions (dark, blue) comparable to the
cross-section of these aluminum ribbon leads. That
indicates the satisfactory quality of these permanent
connections. Other bonded spots (d1, d2, d3, d4, d6,)
according to appropriate laser photoacoustic
topogram subimages have unsatisfactory quality of
permanent connections because of insignificant
ohmic regions square which is far less than cross-
section of these aluminum ribbon leads. In addition
the bonding pad b5 adhesion is of unsatisfactory
quality on account of laser photoacoustic topogram
appropriate subimage red coloration.
Fig. 4. Operational equipment specimen with
radiation-resistant bonded ribbon leads exterior
view: ceramic base (a); bonded spots (d1, d2, d3, d4,
d5, d6, d7)
Fig. 5. Appropriate to Fig. 4 subimages of laser
photoacoustic topogram. Among them bonded spots
d5, d7 of satisfactory quality, d1, d2, d3, d4, d6 –
unsatisfactory quality; b5 – bonding pad adhesion of
unsatisfactory quality; (spatial X, Y resolution – 50
µm)
Above-stated serious critical defects revealed
concerning radiation-resistant ribbon leads bonded
spots d1, d2, d3, d4, d6 and bonding pad b5 bad quality
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
244
of adhesion will lead to unavoidable time to failure
decreasing induced by internal action of
electrocorrosion, ponderomotive forces and low-
strength of these permanent connections.
1. A.C. Tam, Rev. Mod. Phys., 1986, v.58, p. 381
2. Волкенштейн С.С., Дайняк И.В., Хмыль А.А.
Сравнительная оценка альтернативных
методов контроля качества и диагностики
монтажных конструкций «п/п кристалл -
подложка». «Доклады БГУИР», №2, 2016 г.,
с. 51-55.
УДК 621.023.6
PROCEDURE FOR DESIGNING OPTIMIZED ACTUATORS OF THE ROBOTS USING BIOLOGICAL
OBJECTS
Zimmermann K.1, Lysenko V.2, Mintchenia W.2
1Technical University Ilmenau
Ilmenau, Germany
2 Belarusian National Technical University
Minsk, Belarus
The urge for individual mobility has led to the
development of airplanes, trains and cars, which are
much faster locomotion systems than human legs.
Nevertheless, pedal locomotion systems and
humanoid robots are main focal points of worldwide
research in biologically inspired robotics.
Biomimetical robots are developed by engineers and
scientists in the life sciences by joint integrative
analysis (i.e.,combining different analytical layers)
of the construction and functionality of animal
locomotion systems and the transfer of the
construction principles to technical fields.
Currently, the development of “walking
machines,” i.e., pedal locomotion, dominates the
research of biologically inspired locomotion
systems. The known solutions for “walking
machines” range from uniquies for fundamental
research to series manufacturing of commercial
products for the entertainment industry. From
bipedal to octopedal constructions, almost all
biological prototypes have been constructed by
engineers. Due to the dedication of BERNS of the
University of Kaiserslautern, the walking machines
catalogue (www.walking-machines.org) has given
an excellent overview of available walking machines
worldwide for many years. The motivation for this
research direction is of very different nature [1].
In the literature several methods of techniques
finding technical solutions, sets of software products
supporting the process of technical systems design
and a selection of technologies to be implemented
are described. Nevertheless, having well developed
tools of the analysis, these methods frequently have
no effective solving tools for problems.
A new approach of special problem-solving
methods at the initial design stages is presented. The
methods are based on analysis and the combination
of technical or biological objects and a legged robot.
Described techniques allow us to create several new
legged robots. A new class of micro robots and a
new class of legged mechanisms is chosen to present
the possibilities of the method. Merging the
kinematics of a salamander with the kinematics of
an octoped allows us to develop a new eight legged
robot with only three actuators. Combining a flying
insect and a piezotransducer with extremities
supplies a new object - the piezomicrorobot. For
movement of multi-legged robot through a pipe we
use the trawling wave of the Holothouria.
Biological objects as prototypes are used
preferably due to the fact that during millions of
years of evolution their principles of motion have
been developed contemplating minimal energy
wasting. [1]
The essential design stage, which is discovering
ideas for new functional principles of technical
systems, is almost entirely based on the know-how
of the engineer[2, 3]
The subject of our work is the development of
new functional principles of legged robots.
By using a principle of work and kinematics of
biological prototypes it is possible to develop new
ideas for a moving robots improvement. Some
biological objects use unusual ways of moving of
the extremities to obtain the necessary trajectory.
They change form and sizes of the body to create the
necessary movement of legs.
By applying the introduced method new robots
can be created. It is based on the combination of
biological and technical objects. The developed
method is based on the well-known principle known
as the combination of alternative systems. It enables
the transfer of characteristics and structure from one
object (i.e. its kinematics) to another object leading
to new desirable characteristics or optimisations of
existing technical objects[4].
Multy-legged mobile systems classification is
represented .In our opinion, there exist only 4-5
main principles of functioning of biologic objects for
providing the necessary trajectory of the legs
movement. The suggested classification and the
analysis of biological prototypes have allowed us to
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
245
create some new mobile robots. In known walking
robots the several actuators for moving each leg are
used. Our robots principle difference allow to use
each actuator for moving several legs. Thus, we
managed to minimize number of actuators at the
robot. It opens the new possibilities of the
considerable miniaturization of mobile robots in
future.
Thus, the ability to develop new functional
principles of legged robots (i.e. new motion
principles, new kinematics etc.) is provided. The
analysis is used to realize the transition from known
(in biological objects) to new (for legged robots)
forms of motion.
Minimization of number of actuators multi-
legged robots can be reached through [6 7 8 9]:
• use of periodical changing the shape of the
body of the robot in horizontal dimension
(salamander, lizard)
• use of periodical changing the size of the body
of the robot in vertical dimension (flying insects)
• use of anisotropy of friction (snake)
• use of periodical character or feature of
trawling wave (holothouria)
• use of multidimensional resonance swinging of
elastic extremities (mosquito)
• reducing of number of bearing legs (kangaroo,
basilisk, birds)
For micro robots it is possible to use a principle
of movement as at Polichetae . In this biologic
object the legs have no actuators and no degrees of
freedom relative to a body. They are rigidly attached
perpendicularly to a surface of a body, so they move
and incline together with deformation of this
surface. To create necessary trajectory of a distal end
of a leg, Polichetae and Holothouria uses
deformation of the case as trawling wave. The
number of legs-needles is not limited, but number of
the actuators enabling deformation of the case, is
minimal. It is possible to create tiny robot with a
plenty of legs and with low number of small-sized
actuators. We have developed the moving robot-
probe with 100 legs and with only four actuators -
"Holothourobot. It can be used in medicine for
minimal invasive surgeries.
The salamander bends its body in a horizontal
plane and due to this, moves the body relative to the
points of support (Fig.3). By using deformation of a
robot body in a horizontal plane it is possible to
provide it’s moving due to a minimum number of
actuators. The actuators are not connected to legs
and they are necessary only for deformation of a
robot body. Having as few as three actuators it is
possible to provide moving of the robot with eight
legs “Eightleggedrobot”.
Some flying insects create resonant oscillations
of the wings due to periodic change of the form and
the sizes of the rigid body (Fig.4). These insects’
muscles are connected not to the wings, but to the
walls of a rigid body and deform it. Deformation of
body turns into swinging of wings. It is possible to
create the moving robot at which the case vibrates,
and legs have no actuators. The necessary trajectory
of distal part of a leg is formed due to excitation of
the high-frequency swinging in proximal part of an
elastic curvilinear leg and due to mechanical
transformation of these swinging in low-frequency.
We have developed essentially new tiny moving
system "Minchrobot". As the case and as the
actuators the, piezo-bimorph-plate is used. It can
cover 1 meter per 1 second.
Summary
The analyses of biological objects and alternative
technical systems offer new opportunities for the
engineers. That analysis is an indistinct provisional
approach of solving a technical problem. In further
stages of the design process the engineer formulates
precisely this solution and verifies it by means of
mathematical modeling and calculation.
The described technique does not supply
convertible constructive drawings immediately,
however, it provides new solutions with new ideas.
Furthermore, it is possible to develop essential new
legged robots with minimal number of actuators.
1. Zimmermann, K.: An approach to the
modelling of biological and technical movement
systems. 1. International Conference on Motion
Systems, Univ. Jena, 1997.
2. Lysenko; V.: Algorithmische Methode für die
Entscheidung auf Anfangsstufen beim
Entwerfen. 41. Internationales
Wissenschaftliches Kolloquium. 1996. TU
Ilmenau.
3. Lysenko, V: Method for improving actuators
by modelling the motion of an earthworm. 1.
International Conference on Motion Systems,
Univ. Jena, 1997.
4. Lysenko, V.; Zimmermann, K.: New procedure
for designing optimized technical systems with
use of biological objects. 1st Intern. Conf. on
Design & Nature, Udine, Sept. 2002, WIT Press
Southampton 2002, pp.115-122.
5. Becker, F., Minchenya, V., Zimmermann, K.,
Zeidis, I. Single Piezo Actuator Driven Micro
Robots for 2-dimensional Locomotion. Aachen:
Electro. Proceedings of Workshop on
Microactuators and Micromechanisms, 2010.
6. V. Lysenko, K. Zimmermann, A. Ahranovich.
Method for designing new technical systems
based on a Transparent Morphological Cube with
the use of the tree-like classifications. –
53. Internationalen Wissenschaftlischen
Kolloquium. 2008. TU Ilmenau.
7. V. Lysenko, W. Minchenya, K. Zimmermann.
Minimization of the number of actuators in
legged robots using biological objects
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
246
(Bionically Inspired Robotics Biomechanics).
52. Internationalen Wissenschaftlischen
Kolloquium. 2007. TU Ilmenau.
8. On Mechanics of Bristle-Bots – Modeling,
Simulation and Experiments. Lysenko V.,
Becker F., Zimmermann K. Zeidis I. Konferenz
ISR/ROBOTIK Berlin 2014.
9. A Vibration-driven Robot for the Inspection of
Pipelines., Lysenko V., Becker F., Zimmermann
K., 58th IWK in Ilmenau. 2014.
УДК 541.64
СВОЙСТВА КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ СВЕРХВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОГО
ПОЛИЭТИЛЕНА
Адашкевич С.В.2, Бакаев А.Г.1, Жигулин Д.В.3 , Маркевич М.И.1,
Стельмах В.Ф.2 , Чапланов А.М.1 , Щербакова Е.Н.4
1Физико-технический институт НАН Беларуси
2УО «Белорусский государственный университет»
3Открытое акционерное общество «Интеграл»
4Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Введение
Волокна из сверхвысокомолекулярного поли-
этилена (СВМПЭ) обладают очень высокой ус-
тойчивостью к УФ – изучению, химическим воз-
действиям и погодным условиям [1-3]. Удельная
плотность СВМПЭ составляет примерно 0,98
г/см3, модуль Юнга до 200 ГПа. Сочетание этих
свойств, придает волокнам характеристики, пре-
восходящие подобные параметры для стальных
волокон. Таким образом, все это делает компо-
зиционные материалы из СВМПЭ незамени-
мыми в конструкциях со статической и динами-
ческой нагрузкой. Молекулы СВМПЭ состоят из
длинных линейных цепочек полиэтилена с отно-
сительно слабыми межмолекулярными связями
(10-20 кДж/моль). При производстве таких мате-
риалов применяются модифицированные техно-
логические процессы с использованием сополи-
меров [3-5].
Регулирование молекулярной массы продукта
осуществляется изменением соотношения ком-
понентов катализатора, и их концентрацией в
процессе синтеза. В работе исследуется компо-
зит из сверхмолекулярного полиэтилена и свя-
зующего блок-сополимер стирол – изопропен –
стирол.
Целью данной работы являлись исследования
морфологии композита на основе СВМПЭ и
магнитного резонанса, а также установление
возможности применения данного композита в
радиоэлектронике.
Методика и результаты эксперимента
Исследования морфологии образцов прово-
дились с помощью сканирующего электронного
микроскопа фирмы «Bruker». Измерения прово-
дились при значениях ускоряющего напряжения
от 6,4 до 30 кВ.
Исследования магнитного резонанса прово-
дились на специализированном малогабаритном
анализаторе ЭПР «Минск 22» при комнатной
температуре. Рабочая длина волны — 3 см. Мак-
симальное значение индукции магнитного поля
— 450 мТл, частота модуляции - 30 кГц. Для
калибровки интенсивности сигналов от объектов
исследования использовался образец из моно-
кристалла рубина (Al2O3:Cr
3+). В процессе изме-
рений дополнительный контроль стабильности
работы спектрометра осуществлялся путем из-
мерения калибровочного материала - двухва-
лентного марганца (MgO:Mn2+).
На рисунке 1 представлено строение
композита.
а)
б)
Рис. 1- Морфология композита
а) - вид сверху,б) - сечение
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
247
Из рисунка 1 следует, что средняя толщина
волокна составляет примерно 3 мкм, композит
представляет собой многослойный материал,
средняя толщина которого составляет примерно
70 мкм.
На рисунке 2 представлен элементный состав
композита.
Рис. 2 – Элементный состав композита
Результаты микроанализа показывают, что в
композите имеются следы технологических при-
месей Al, S, O. На рисунке 3 приведен спектр
ЭПР композита.
Измерения магнитного резонанса свидетель-
ствуют о том, что материал относится к радио-
прозрачному и не вносит магнитных и электри-
ческих потерь.
Рис. 3- Спектр ЭПР композита
Выводы
Таким образом, на основании проведенных
исследований можно сделать вывод, что компо-
зиционный материал на основе СВМПЭ приго-
ден для создания радиопрозрачных диэлектриче-
ских покрытий.
1. Андреева, И.Н. Сверхвысокомолекуляр-
ный полиэтилен высокой плотности / И.Н.
Андреева [и др.] - Л.: Химия, 1982. - 80 с.
2. Пахомов П.М., Колнинов О.В., Баран А.М. и
др. Радиационная стойкость материалов, ис-
пользуемых в полимерных оптических во-
локнах. // Химия высоких энергий. 1993. Т.27,
N3.-С.79.
3. Майер, Э.А. Сверхвысокомолекулярный по-
лиэтилен: новая реальность отечественной
промышленности полиолефинов / Э.А. Майер
[и др.] // Пласт. массы.- 2003. - №8 . - С.3-4.
4. Михайлин, Ю.А. Сверхвысокомолекуляр-
ный полиэтилен / Ю.А. Михайлин// Полим.
матер. -2003.- № 3.- С. 18-21.
Stein H.L. Ultra high molecular weight polyeth-
ylene (UHMWPE) // Engineered Materials
Handbook. ASM Int. - 1999. - P. 167-171.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
248
УДК 621.371
ДВУХСЛОЙНЫЙ ЧАСТОТНО-ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ ЭКРАН СВЧ ДИАПАЗОНА
Алешкевич Н.Н.1, Будай А.Г.1, Кныш В.П.1, Малый С.В.2, Наумович Н.М.3, Юбко А.П.3
1Научно-исследовательский институт прикладных физических проблем БГУ
2Белорусский государственный университет
3Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники
Минск, Республика Беларусь
Частотно-избирательные экраны (ЧИЭ) ши-
роко используются для снижения радиолокаци-
онной заметности, обеспечения электромагнит-
ной совместимости и зашиты информации, в со-
ставе конструкций антенных систем, антенных
укрытий и обтекателей [1-3]. Электромагнитные
свойства частотно-избирательных структур
находятся в сложной зависимости от конструк-
тивных и материальных параметров. Наличие
потерь в материалах оказывает существенное
влияние на электромагнитные свойства ЧИЭ.
Представляет практический интерес создание
ЧИЭ, частотная зависимость коэффициента про-
хождения через которые близка к прямоуголь-
ной. Основными требованиями к электродина-
мическим характеристикам таких экранов явля-
ются малые потери в рабочей полосе частот
укрываемого объекта и минимальный коэффици-
ент прохождения вне этой полосы. В зависимо-
сти от условий эксплуатации к экрану могут
предъявляться также требования по механиче-
ским и климатическим характеристикам
Выбор материалов для разработки ЧИЭ дол-
жен учитывать уровень потерь на поглощение в
рабочем частотном диапазоне. Для создания
ЧИЭ предлагается использовать материалы и
технологии, используемые при изготовления
высокочастотных печатных плат (диэлектриче-
ские листы с одно или двухсторонней металли-
зацией), а также многослойные металло-диэлек-
трические структуры.
Основными варьируемыми параметрами яв-
ляются: тип ЧИЭ, конструктивные и электроди-
намические параметры используемых материа-
лов. Следует учитывать, что выпускаемые мате-
риалы для изготовления печатных плат имеют
дискретный набор конструктивных (толщина
диэлектрика, толщина металлизации, количество
слоев) и электромагнитных параметров (диэлек-
трическая проницаемость, тангенс угла диэлек-
трических потерь).
В качестве объектов исследования были рас-
смотрены периодические дифракционные ре-
шетки (ДР) с прямоугольной ячейкой из отвер-
стий прямоугольной формы.
Вычислительные модели ЧИЭ реализованы
на основе метода минимальных автономных
блоков (МАБ) и метода конечных интегралов.
В вычислительных моделях ЧИЭ использова-
лись два типа материалов: FR4 и Taconic RF35-
А2. Первый из них является наиболее распро-
страненным и сравнительно дешевым. Однако он
обладает существенными потерями электриче-
ского типа в СВЧ диапазоне и представляет
практический интерес на этапе предварительного
проектирования, изготовления и испытания
опытных образцов. Наличие потерь существенно
сказывается на резонансных свойствах ЧИЭ и
снижает их добротность.
Материал Taconic RF35-А2 предназначен для
использования в составе высокочастотных
устройств, обладает малыми потерями в СВЧ
диапазоне и может быть использован для созда-
ния ЧИЭ с требуемыми характеристиками.
На первом этапе разработки рассмотрена мо-
дель ЧИЭ, реализованная в виде периодической
решетки из прямоугольных отверстий в тонком
металлизированном слое материала с толщиной
диэлектрической подложки 0.51 мм и толщиной
слоя металлизации 0.017 мм. Для обеспечения
радиопрозрачности в трехсантиметровом диапа-
зоне СВЧ рассмотрена периодическая решетка
прямоугольных щелей с параметрами: длина
щели 11,25мм= ; ширина щели d=0,25мм,
0,5мм, 1мм; периоды решетки с прямоугольной
формой ячейки - 7x мм∆ = и 15y мм∆ = .
Анализ результатов численного моделирова-
ния показал, что увеличение ширины щели при-
водит к смещение резонансной частоты в более
высокую область (d = 0,25 мм – f0 ≈ 9,5 ГГц,
d = 1 мм - f0 ≈ 10,5 ГГц) и увеличение полосы
пропускания (по уровню – 3 дБ для d = 0,25 мм –
2 ∆ f =1,5 ГГц, d = 1мм – 2 ∆ f =4 ГГц).
При увеличением угла падения Ө волны в Е –
плоскости резонансная частота практически не
меняется, а частотный диапазон на фиксирован-
ных уровнях радиопрозрачности расширяется
(Ө = 00 - 2 ∆ f = 1,5 ГГц, Ө = 600 - 2 ∆ f = 3,5 ГГц).
Форма частотная зависимость коэффициента
прохождения для однослойной решетки далека
от прямоугольной.
Одним из возможных способов повышения
крутизны частотной зависимости коэффициента
прохождения на границах полосы радиопрозрач-
ности является использования двухслойных ди-
фракционных решеток.
Анализ двухслойной структуры из
одинаковых ранее рассмотренных ДР,
показывает, что если исключить взаимное
влияние ДР, входящих в слоистую структуру,
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
249
коэффициенты прохождения для каждой из них
должны перемножаться, что обеспечивает
увеличение крутизны кривой частотной
зависимости коэффициентов прохождения. В
результате вычислительного эксперимента
установлено, что параллельно расположенные
ДР взаимодействуют друг с другом, а расстояние
между ними можно использовать в качестве
управляющего параметра.
На основе результатов компьютерного моде-
лирования и предварительных эксперименталь-
ных исследований была разработана ДР со сле-
дующими конструктивными параметрами:
- форма периодической ячейки – прямо-
угольная;
- периоды решетки: 8мм и 16мм;
- длина щели 11,625мм;
- ширина щели 0,25мм.
Образец ЧИЭ представляет собой трехслой-
ную конструкцию, включающую две панели ДР с
диэлектрической пластиной между ними. Фото-
графия фрагмента ЧИЭ представлена на рисунке
1. В качестве межслойного заполнителя исполь-
зовалась пластина толщиной 8мм из пенополи-
стирола плотностью 35 кг/м3.
Рисунок 1. Фрагмент частотно-
избирательного экрана
Проведено измерение коэффициента прохож-
дения ЧИЭ в диапазоне 8 ÷ 12ГГц. Исследуемый
образец устанавливался в окно металлического
экрана, который закреплялся на поворотном
столе. Облучение образца производилось изме-
рительной антенной П6-23А, с корректирующей
линзой. Приемная антенна (открытый конец вол-
новода) устанавливалась в зоне Френеля за экра-
ном. Измерения проводились с использованием
векторного анализатора цепей Vector Star
VS4642B.
Перед установкой измеряемого образца в от-
верстие экрана для каждого положения экрана
проводилась калибровка тракта (облучающая
антенна –экран –приемная антенна) на коэффи-
циент прохождения равный единице.
На рис.2 приведена частотная зависимость
коэффициента прохождения ЧИЭ на материале
Taconic RF35-А2 при нормальном падении
волны.
Максимальное значение коэффициента про-
хождения ЧИЭ на резонансной частоте (метка1)
составило Т0 = - 0,2дБ, что значительно лучше,
чем у структуры из F4 (Т0 = - 0,56дБ).
Рисунок 2 Частотная зависимость
коэффициента прохождения ЧИЭ. Ө = 00
Различие результатов натурного и вычисли-
тельного эксперимента в зоне радиопрозрачно-
сти не превышает 0,05дБ, что соизмеримо с точ-
ностью измерений, а вне рабочей полосы – не
более 2-3дБ на уровнях меньше – 10дБ.
1. B. A. Munk, Frequency Selective Surfaces: The-
ory and Design. New York: Wiley Interscience,
2000.
2. Будай А.Г., Кныш В.П., Малый С.В., Рудниц-
кий А.С., Орлова А.С. Частотно-селективные
экраны на основе связанных полосковых ре-
зонаторов // Материалы 7-й Международной
научно-технической конференции «Приборо-
строение-2014», 19-21 ноября 2014 г.,
Минск.– С.262-264.
3. Будай А.Г., Кныш В.П., Малый С.В.,
Рудницкий А.С. Электромагнитные экраны с
расширенными функциональными свой-
ствами // 25-я Международная Крымская
конференция «СВЧ-техника и телекоммуни-
кационные технологии». Материалы конфе-
ренции. Севастополь, 6-12 сентября, 2015.
С. 439-440.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
250
УДК 621.327 43
САМОСОГЛАСОВАННАЯ МОДЕЛЬ ИСТОЧНИКОВ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПАРАХ РТУТИ
Ануфрик С.С., Володенков А.П., Зноско К.Ф.
Гродненский государственный университет
Гродно, Республика Беларусь
Для расчета оптических характеристик
плазмы на смеси аргона и ртути на длине волны
254 нм была использована упрощенная четырех-
уровневая схема энергетических переходов
атома ртути, при этом учитывались основной
уровень 61S0, уровни триплета 6
3P0,1,,2. Такая мо-
дель позволяет определить максимально воз-
можный выход резонансного излучения на
длине волны 254 нм [1]. На рис. 1 представлена
упрощенная четырехуровневая схема [1].
Рис.1 Упрощенная диаграмма уровней энер-
гии ртути
При расчете заселенностей уровней учитыва-
лись следующие процессы с участием электро-
нов.
А) Прямое возбуждение электронным ударом
из основного состояния атома ртути 61S0 на
уровни триплета 63P0,1,,2.
Б) Ионизации основного состояния атома
ртути 61S0.
В) Заселенности уровня 63Р1 при переходах с
уровней 63P0 и 6
3P2.
Г) Ионизация Пеннинга при столкновении
атомов ртути в состоянии 63P2. Ионизация Пен-
нинга при столкновении атомов ртути в состоя-
ниях 63Р1 и 6
3P2.
Д) Резонансное излучение с уровня 63Р1 на
длине волны 254 нм.
Учет этих процессов может быть описан сле-
дующим набором плазмохимических реакций.
Hg(61S0)+e = Hg(6
3P0)+e (S01); (1)
Hg (61S0) +e = Hg(6
3Р1)+e (S02); (2)
Hg (61S0) +e = Hg(6
3Р2)+e (S03); (3)
Hg(63P0)+e= Hg(6
3P1)+e (S12); (4)
Hg(63Р2)+e = Hg(6
3Р1)+e (S32); (5)
Hg (61S0) +e = Hg
++2e (S0i); (6)
Hg(63Р2)+Hg(6
3Р2)=Hg+ Hg
++e (K33); (7)
Hg(63Р2)+Hg(6
3Р1)=Hg+Hg
++e (K32); (8)
Hg(63Р2)= Hg+ hν (254 нм) (A). (9)
В скобках около реакций указаны обозначе-
ния скоростных коэффициентов.
При расчетах задавались следующие пара-
метры. Амплитуда напряжения U0= 2 220 ~310
В. Частота сети f=50 Гц. Балластная индуктив-
ность L1=600 мГн; R1=10 Ом, С1=10-8 Ф. Меж-
электродное расстояние d=40 см; радиус разряд-
ной трубки R=1,1см. Концентрация атомов ар-
гона 9,9 1016 1/см3 (парциальное давление 3
Торр). При исследовании эмиссионных характе-
ристик в зависимости от состава смеси концен-
трация атомов ртути менялась в пределах 1,5 1014
1/см3 – 3 1014 1/см3.
На рис/ 2 представлена зависимость мощно-
сти излучения (1) на длине волны 254 нм и
мощности тепла, выделяемой в разряде (2), от
концентрации атомов ртути.
Рис.2 Зависимость мощности излучения (1)
на длине волны 254 нм и мощности тепла,
выделяемой в разряде (2), от концентрации
атомов ртути
Для построения замкнутой модели источни-
ков излучения на парах ртути необходимо учесть
зависимость концентрации атомов ртути от тем-
пературы внутренней поверхности излучателя,
которая определяется мощностью тепла выделя-
емого в излучателе, параметрами излучателя и
условиями теплообмена на внешней поверхности
излучателя.
Считаем, что излучатель имеет следующие
параметры: внутренний диаметр D=2,2 см; тол-
щина стенок d=0,2 см; длина излучателя L=40
см; излучатель изготовлен из кварца с коэффи-
циентом теплопроводности λ=0,0138 Вт/(см К).
Предположим, что мы реализуем такой режим
работы, что в установившемся случае темпера-
тура внутренней поверхности излучателя равна
Твн=43,30 C. По графику зависимости концен-
трации атомов ртути (парциального давления) от
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
251
температуры (рис. 3) определяем, что концен-
трация атомов ртути равна 2.411 10+14 1/см3.
Рис. 3 Зависимость концентрации атомов
ртути от температуры
По графику на рис.2 определяем, что при та-
кой концентрации в разряде мощность тепловы-
деления равна Р=13,744 Вт. Эта мощность
должна отводиться через стенки излучателя, по-
этому
( )
.
cтвн
d
TT
LDP
−
⋅⋅⋅⋅= πλ
Отсюда определяем температуру внешней
стенки излучателя Тст.
LD
dP
-TT
⋅⋅⋅
⋅
=
πλ
внст =42.57950 C.
Считаем, что теплообмен на внешней поверх-
ности излучателя обусловлен продуванием по-
тока воздуха с температурой Тв=200 C со скоро-
стью W. Кинематическая вязкость воздуха при
этой температуре равна ν= 15.06 10-2 см2/с, теп-
лопроводность воздуха равна λв= 0.0259 10-2
Вт/(см К). Число Прандтля для воздуха при этой
температуре равно Pr= 0,703. Рассчитываем
число Рейнольдса как функцию скорости
потока W.
.
)2(
)(
ν
dDW
WRe
+⋅
=
По данным [2] экспериментальные данные по
теплоотдаче при поперечном обтекании одиноч-
ной круглой трубы спокойным, нетурбулизиро-
ванным потоком обобщаются следующей фор-
мулой.
( ) ( )( ),)(55,043,0)( 38,05,0 PrWReWNu ⋅+=
где Nu(W) – число Нуссельта. Тогда коэффици-
ент теплоотдачи как функцию скорости потока W
на участке стабилизированного течения будет
равен.
( ) .
в
)()(
2dD
WNuW
+
⋅=
λα
Тогда тепловой поток будет равен как
функция скорости потока W
( ) ( ).вст2)()(т TTLdDWWP −⋅⋅+⋅⋅= πα
Подбираем такую скорость потока W, чтобы
Pт(W) = Р = 13,744 Вт. Это равенство будет
выполняться при W = 83.56 см/с. Тогда
Re=1.443·10+3; Nu=18,702; α=1.863·10-3Вт/(см2 К);
Pт(83.56) = 13.744 Вт.
Рассмотрим случай конвективного
теплообмена на внешней стенке излучателя.
Безразмерное число Грасгофа для воздуха
равно
( )
.
2)вcт(
)в(
2
3
ν
β dDTTg
tGr
+⋅−⋅⋅
=
Для расчета коэффициента теплоотдачи в
условиях естественной конвекции обычно
пользуются зависимостью следующего вида [2].
( ) ,
ст
в
вв)в(
25,0
⋅⋅⋅=
)Pr(T
)Pr(T
)Pr(T)Gr(TBtNu n
где величины B, n зависят от произведения
(Gr(Tв) Pr(Tв)) и приведены в [2].
Тогда коэффициент теплоотдачи как
функцию температуры воздуха tв будет равен.
( ) .
в
)в()в(
2dD
TNuT
+
⋅=
λα
Тогда тепловой поток будет равен как
функция температуры воздуха tв будет равен
( ) ( ).вст2)в()в(т TTLdDTTP −⋅⋅+⋅⋅= πα
Приведенные выше соотношения позволяют
построить самосогласованную модель для
расчета мощности излучения люминесцентных
ламп.
На основании разработанной модели рассчи-
таны эмиссионные характеристики разрядной
плазмы в Ar-Hg смеси в ультрафиолетовой обла-
сти спектра на длине волны 254 нм в зависимо-
сти от параметров системы возбуждения, пара-
метров излучателя и условий теплообмена на
поверхности излучателя. Показано, что КПД
преобразования, мощности полученной от сети в
излучение на длине волны 254 нм составляет
~25 %. При этом полная средняя мощность
излучения на длине волны 254 нм в условиях
моделирования составляла ~13 Вт, при
мощности вкладываемой в разряд ~34 Вт, и
потребляемой от сети ~50 Вт. Установлено, что
КПД преобразования и мощность излучения
растут с увеличением концентрации паров ртути,
поэтому целесообразно для охлаждения
использовать естественную конвекцию.
1. Ануфрик С.С. Моделирование источников
излучения на парах ртути / С.С. Ануфрик,
А.П. Володенков, К.Ф. Зноско// 8-я
Международная научно-техническая конфе-
ренция «Приборостроение 2015», 25–27 ноября
2015 г., БНТУ, Минск, Беларусь.-2015.-Том 2, –
с. 3-4.
2. Баскаков А. П. Теплотехника / А. П. Баскаков и
др. – М.: Энергоатомиздат.1991.-224 с.
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
252
УДК 681
АНАЛИЗ И ПОДГОТОВКА К ПРОИЗВОДСТВУ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕСТРАИВАЕМЫХ
ФИЛЬТРОВ
Артамонов А.М., Хохлов Е.А.
ООО «ИЗОВАК Технологии»
Минск, Республика Беларусь
Линейные перестраиваемые фильтры (Linear
Variable Filter) представляют собой класс поло-
совых фильтров на основе сложных многослой-
ных интерференционных покрытий, обладающие
линейной анизотропией оптических свойств по
одной из геометрических осей, которая позво-
ляет перестраивать выделяемую (фильтруемую)
длину волны оптического излучения [1].
Анизотропия оптических свойств, как пра-
вило, осуществляется за счет создания управляе-
мой неравномерности вдоль оси по которой про-
исходит перестроение длины волны. При этом
основным параметром является величина спек-
трального градиента, определяющая изменение
оптической характеристики на единицу длины
фильтра.
Одним из способов управления неравномер-
ностью осаждаемой пленки в PVD процессах,
является вакуумное маскирование [2], которое, в
основном, применяется для формообразования
оптических поверхностей, а также для повыше-
ния степени равномерности PVD (Physical Vapor
Deposition) покрытий сверх той, которая обу-
словлена геометрией расположения технологи-
ческих устройств и подложки [3].
Цель работы состояла в определении пара-
метров геометрии вакуумной маски, а также ее
расположению в пространстве вакуумной ка-
меры, для получения линейного перестраивае-
мого фильтра с величиной спектрального гради-
ента равной 20 нм/мм в диапазоне длин волн
400-700 нм.
Для математического расчета вакуумных ма-
сок и их влияния на распределение материала на
поверхности детали необходимо обратиться к
модели Кнудсена (рисунок 1), следующей из
молекулярно-кинетической теории. Данная мо-
дель описывает распределение потока эмитиро-
ванных частиц из элемента площади источника
𝑑𝑆 и подчиняется косинусному распределению и
может быть описана следующим выражением:
𝐽θ = 𝑄𝜋𝑟2 ∙ cos 𝜃, (1)
где Q - скорость эмиссии частиц из элемента
площади источника, 𝑟 - расстояние от элемента
площади источника, 𝜃 - угол от нормали
элемента площади источника.
Для определения плотности частиц конден-
сирующихся на произвольно расположенном
элементе площади поверхности подложки 𝑑𝐴 из
(1) следует следующее выражение:
𝐽 = 𝑄
𝜋𝑟2
∙ cos 𝜃 ∙ cos𝜑, (2)
где 𝜑 - угол от нормали элемента площади по-
верхности подложки.
Рисунок 1 – Модель распределения частиц
из точечного источника
В работах [3], [4] и [5] вычисление распреде-
ления сконденсировавшегося материала на по-
верхности подложки выполняется аналитиче-
ским интегрированием. При этом для системы
источник-подложка выводится частная подынте-
гральная функция из уравнения (2) с учетом всех
особенностей системы, таких как: геометрия
подложки, геометрия источника, движение под-
ложки относительно источника и др. При внед-
рении в математическую модель геометрии
маски сложность подынтегральной функции зна-
чительно возрастает, что применение аналитиче-
ских методов интегрирования становится за-
труднительным при проведении моделирования
с вариативностью геометрии маски. Для расчета
было разработано программное обеспечение,
которое вычисляет распределение материала на
поверхности численными методами интегриро-
вания. В основу геометрической модели для рас-
чета легла геометрия вакуумного технологиче-
ского оборудования Advanced Optical Coater
(ВТО AOC) производства OOO «ИЗОВАК» [6].
Оптический дизайн был рассчитан в про-
граммном комплексе OptiLayer. Формула покры-
тия описывается следующим выражением:
3(HL)+2H+3(LH)+L+3(HL)+2H+3(LH), где в ка-
честве материала с высоким уровнем показателя
преломления (H) выступает Nb2O5, а с низким
уровнем показателя преломления (L)-SiO2. Для
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
253
расчета геометрии вакуумной маски были полу-
чены распределения физических толщин матери-
алов для требуемого диапазона перестроения
путем сдвига расчетной длины волны покрытия.
Установлено, что для достижения требуемого
спектрального градиента требуется обеспечить
неравномерность слоев Nb2O5 на уровне 48,1%, а
SiO2 на уровне 42,9%. Данные значения свиде-
тельствуют о линейности (рисунок 2) зависимо-
сти относительной неравномерности от коорди-
наты подложки, а полученное различие объясня-
ется различными характерами дисперсии
показателя преломления для материалов. Таким
образом был получен общий вид геометрии ва-
куумной маски, представляющий собой в фрон-
тальной проекции равнобедренную трапецию.
Изменением угла наклона боковых граней можно
управлять распределением материала по поверх-
ности подложки в поперечной оси. Для простоты
описания геометрии маски, а также ввиду того
что держатель-барабан имеет форму цилиндра
геометрия маски во время проведения расчета
задавалась в цилиндрических координатах (r,φ,z)
(рисунок 3).
После установки граничных условий на гео-
метрию маски были проведены численные моде-
лирования процессов конденсации пленки с уче-
том геометрии вакуумной маски. При этом зна-
чение полярных углов φ1 и φ2 для нижнего и
верхнего оснований трапеции задавались для
получения максимального значения коэффици-
ента линейной корреляции rXY (рисунок 4) между
расчетной относительной неравномерностью и
относительными неравномерностями, получен-
ными в ходе анализа спектральной характери-
стики при заданном спектральном градиенте.
Для нижнего основания трапеции были полу-
чены следующие координаты (210,±15°,0) для H
и L, а для верхнего основания (210,±7°,30) для H
и (210,±6°,30) для L. Величины коэффициентов
линейной корреляции для H и L составили
rXY=0,99956 и rXY=0,99934 соответственно.
Таким образом в ходе работы была показана
возможность получения линейных перестраива-
емых фильтров на ВТО АОС. Были определены
начальные цилиндрические координаты разме-
ров вакуумных масок с минимальным коэффи-
циентом линейной корреляции для материалов с
учетом дисперсии показателей преломления для
заданного спектрального градиента. Дальнейшим
продолжением работы планируется проверка
данных полученных в ходе данной работы.
1. Wolfe William L. Introduction to Imaging
Spectrometers - Bellingham : SPIE, 1997. – Т. 25.
2. Каширин В. И. Основы формообразования
оптических поверхностей: курс лекций –
Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ – УПИ, 2006.
3. Oliver JB и Talbot D Optimization of
deposition uniformity for large-aperture National
Ignition Facility substrates in a planetary rotation
system // Applied Optics. - 2006 г.. - 13 : Т. 45. -
стр. 3097-3105.
4. Cunding Liu [и др.] Theoretical design of
shadowing masks for uniform coatings on spherical
substrates in planetary rotation systems // Optics
express. - 2012 г. – 21 : Т. 20.
5. Сеник Б. Н. Метод определения площади
функциональной маски для вакуумной
асферизации // Прикладная физика. - 2007 г. –3. -
стр. 129-135.
Рисунок 4 – Зависимость коэффициента линейной
корреляции от полярных углов φ1-φ2
Рисунок 3 – Геометрия маски в цилиндрических
координатах
Рисунок 2 - Зависимость относительной
неравномерности от расстояния по подложке
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
254
УДК 004.942
СИНТЕЗ АДАПТИВНОГО РЕКУРРЕНТНОГО ФИЛЬТРА
ПРИ КОМПЛЕКСИРОВАННЫХ ИЗМЕРЕНИЯХ
Артемьев В.М., Наумов А.О., Кохан Л.Л.
Институт прикладной физики НАН Беларуси
Минск, Республика Беларусь
Введение
Повышение точности фильтрации и надежно-
сти при отказах датчиков достигается комплек-
сированием результатов измерений одних и тех
же параметров совокупностью измерителей, ко-
торые могут быть построены на различных фи-
зических принципах. Существующие методы [1]
для своей реализации требуют знания моделей и
априорных статистических характеристик, кото-
рые в ряде случаев недоступны. Для решения
задачи в условиях неопределенности применя-
ется метод наименьших квадратов [2]. Однако
для увеличения точности фильтрации в этом
случае совместно применяют адаптивную филь-
трацию, использующую дополнительную ин-
формацию из текущих измерений [3, 4].
Вызывает интерес решение общей задачи
синтеза адаптивных рекуррентных фильтров с
нахождением их структуры, что можно осуще-
ствить с помощью рекуррентного метода
наименьших квадратов (РМНК) [5].
1. Исходные положения
Предполагается, что фильтрации подлежит
случайная скалярная последовательность kx , где
0, 1, 2k = есть дискретное время. Измерения
осуществляются посредством N датчиков, сово-
купность сигналов на выходах которых можно
представить N -мерным вектором kx ⋅1 ,
[1,...,1]T=1 . Вектор сигналов датчиков представ-
ляется в виде kx H1 , где N N× матрица H с
элементами ,i jh ( 1,i N= , 1,j N= ) отображает
характеристики датчиков и связей между ними.
Наблюдения осуществляются со случайными
ошибками в виде аддитивных шумов с нулевым
математическим ожиданием 1, N,,...,
T
k k kv v = v , в
результате чего вектор наблюдений
1, N,,..., z
T
k k kz = z имеет вид
.k k kH x= +z 1 v (1)
Считается, что модель формирования полез-
ного сигнала kx и его характеристики априори
неизвестны. Кроме того, неизвестной полагается
и ковариационная матрица шумов kv .
Адаптивная фильтрация должна обеспечить
текущие рекуррентные оценки скалярного по-
лезного сигнала kx по результатам измерений (1)
. Для этого используется РМНК, в основе кото-
рого лежит выбор подходящего функционала
потерь. Одним из возможных вариантов функци-
онала kJ может быть следующий:
( ) ( ) ( )
( ) ( )2 21 1
ˆ ˆ ˆ ˆx ,
ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ .
T
k k k k k k k
k k k k k
J a H x H x
x a x a a− −
= − − +
+ − + α −
z 1 z 1
(2)
В выражении (2) первое слагаемое задается
невязкой решения, второе определяет согласова-
ние оценки ˆkx с оценкой на предыдущем шаге
1ˆkx − и неизвестным сглаживающим коэффициен-
том ˆka , подлежащим оценке наряду с ˆkx . Третье
слагаемое обеспечивает сглаживание оценки
этого коэффициента с размерным эмпирическим
коэффициентом регуляризации α , дающим воз-
можность получения стабильного решения.
2. Уравнения адаптивного фильтра
Оптимальные текущие оценки ˆkx и ˆka нахо-
дятся из условия минимума критерия (2):
12 2
0 0
ˆ 1
ˆ ˆ ;
1 1
Tk
k k k
a
x x
h h−
= +
+ +
b z (3)
( )
( ) ( )
2
0 1
12 2 2 2 2 2
0 0 1 0 0 1
1 ˆ
ˆ ˆ .
ˆ ˆ1 1
Tk
k k k
k k
h x
a a
h h x h h x
−
−
− −
α +
= +
α + + α + +
b z (4)
где 20
T Th H H= 1 1 ; H=b 1 .
В результате сомножитель T kb z будет
скалярным комплексированным входным
воздействием фильтра.
Уравнения (3) и (4) являются рекуррентными,
в которых значения 1ˆkx − и 1ˆka − определены на
предыдущем шаге решения. Они отображают
адаптивный характер фильтрации, поскольку их
параметры не зависят от априорных сведений о
модели полезного сигнала и характеристик шу-
мов, а определяются на основе текущих измере-
ний kz . Учет комплексирования происходит по-
средством коэффициента 20h и вектора b ,
связанных с параметрами матрицы датчиков.
3. Сравнение адаптивного фильтра с
фильтром Калмана
Пусть формирование полезного сигнала kx
осуществляется посредством модели в виде сто-
хастического конечно-разностного уравнения
первого порядка:
1k x k kx a x w−= + , (5)
где постоянный параметр модели 0 1xa< < , а
kw есть дискретный белый шум с нулевым мате-
матическим ожиданием и постоянной диспер-
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
255
сией 2wσ . Можно показать, что в установившемся
режиме параметры модели (5) связаны с диспер-
сией сигнала kx [6] соотношением ( )2 2 21w x xaσ = σ −
.Параметр xa связан с длительностью корреля-
ции xτ , соотношением ( )1x x xa = τ τ + . Диспер-
сия 2vσ шума наблюдений в каждом канале филь-
тра определяется исходя из отношения сигнала к
шумам x vq = σ σ при заданных значениях q
и xσ .
Ниже приводятся результаты оценки точно-
сти фильтрации в установившемся режиме при
следующих параметрах: H I= , 1α = ; 2 400xσ = ;
10, 20, 50xτ = ; 3, 5, 10q = . Усреднение прово-
дилось по данным 310 испытаний.
На рис. 1 приведен фрагмент реализации ре-
зультатов фильтрации входного сигнала
(штрихпунктирная линия), фильтром Калмана
(штриховая линия) и адаптивным фильтром
наименьших квадратов (сплошная линия).
Рис. 1. Фрагмент реализации результатов
фильтрации при 50x =τ , 5q =
На рис. 2,а сплошными линиями показана
зависимость относительной величины
среднеквадратического отклонения (СКО)
ошибки фильтрации e xε = σ σ от числа каналов
N измерений входного сигнала при различных
значениях длительности корреляции xτ при
5q = , а на рис. 2,б – зависимость ε от N при
различных значениях q и 50xτ = .
На рис. 2 штриховыми линиями показаны
результаты для фильтра Калмана, которые могут
служить нижней границей ошибок. Увеличение
ошибки фильтрации адаптивного фильтра по
сравнению с этим случаем вызвано неучетом
априорной информации.
Заключение
Полученные результаты позволяют
утверждать, что адаптивные фильтры
наименьших квадратов при комплексированных
измерениях могут быть использованы при
отсутствии априорной информации о моделях
полезных сигналов и шумов наблюдений. В этом
смысле данные фильтры универсальны по
сравнению с фильтром Калмана и могут иметь
широкое применение. Нахождение параметров
адаптивного фильтра наименьших квадратов
менее трудоемко, чем у фильтра Калмана, что
упрощает их реализацию в реальном масштабе
времени.
Рис. 2. Относительные значения СКО ошибок
фильтрации: а) при различных длительностях
корреляции: 1) 10x =τ , 2) 20x =τ , 3) 50x =τ
и 5q = ; б) при различных отношениях сигнала
к шумам: 1) 3q = , 2) 5q = , 3) 10q = и 50x =τ
1. Справочник по теории автоматического
управления / под. ред. А.А. Красовского. –
М.: Наука, 1987. – 711 с.
2. Степанов, А.О. Основы теории оценивания
с приложениями к задачам обработки навига-
ционной информации // СПб.: ГНЦ РФ ЦНИИ
«Электроприбор», 2009. – Ч.1. Введение в
теорию оценивания. – 496 с.
3. Maurice, G.B. A Fast Least-Squares Algo-
rithms for Linearly Constrained Adaptive Filter-
ing // IEEE Trans. Signal Processing.– 1996. –
Vol. 44, № 5. – P. 1168–1174.
4. Адаптивные фильтры / под. ред.
П.Н. Гранта, К.Ф. Коуэна. – М.: Мир, 1988. –
388 с.
5. Линник, Ю.В. Метод наименьших квадра-
тов и основы математико-статистической
теории обработки изображений. – М.: Физма-
тгиз, 1962. – 349 с.
4. Артемьев В.М., Наумов А.О., Кохан Л.Л.
Оптимальная линейная совмещенная
фильтрация случайных последовательностей
на основе рекуррентного метода наименьших
квадратов // Информатика. – 2015.– № 1. –
С. 8–16.
1
2
3
1
2
3
б
1
1 a
2
2
3
3
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
256
УДК 535.317
ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ
ЗЕРКАЛ
Артюхина Н.К., Марчик В.А., Самусенко А.А.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Из всех известных методов измерений опти-
ческие измерения относятся к наиболее точным.
Пороговая чувствительность и точность класси-
ческих методов оптических измерений находится
на уровне длины волны применяемого излуче-
ния, которая для видимого светового диапазона
составляет величину порядка 0,5 мкм. Совре-
менные технологии, в том числе электронные и
компьютерные, как и другие научно-технические
достижения, позволяют дополнительно повысить
точность и чувствительность измерения в де-
сятки раз. Незаменимым свойством результатов
оптических методов и исследований является их
наглядность, надежность и убедительность.
Вследствие этого роль оптических измерений в
большинстве областей естественнонаучных и
научно-технических исследований, в техниче-
ской, медицинской и биологической практике
возрастает [1].
Интерферометры являются незаменимыми
инструментами при оценке качества формы в
оптическом производстве. Они используются в
измерительных системах для контроля плоскост-
ности и сферичности оптических поверхностей,
измерения радиуса кривизны и оптических пара-
метров линз [2].
На сегодняшний день проектирование интер-
ферометров для оценки точности формы поверх-
ности плоских оптических деталей осуществля-
ется по следующим трем направлениям, которые
представлены в виде следующих моделей интер-
ферометров:
1. Голографический интерферометр. Особен-
ностью приборов данного типа является обяза-
тельное использование голограмм в качестве
образцовой поверхности. Однако из-за техноло-
гических трудностей получения стабильной во
времени голограммы с достаточной разрешаю-
щей способностью данные интерферометры
применения не получили и существуют лишь на
уровне опытных образцов.
2. Дифракционный интерферометр (point-dif-
fraction interferometer – PDI). Отличительной
особенностью данного измерительного оборудо-
вания является использование волнового фронта
сравнения, который образуется в результате ди-
фракции света на малом отверстии в тонком по-
лупрозрачном экране. Данный тип приборов от-
личается отсутствием образцовой стеклянной
поверхности и неизбежных ошибок связанных с
изготовлением. Однако функция оценки
точности измеряемой поверхности данными
интерферометрами осуществима лишь при
вспомогательном оборудовании.
3. Интерферометр, построенный по схеме
Физо. В настоящее время интерферометры,
позволяющие выполнять контроль формы
деталей размерами от 10 до 80 мм, серийно не
выпускаются.
Большинство интерферометров для контроля
плоскостности построено по принципиальной
схеме такого интерферометра (рис.1).
Рис. 1. Интерферометр Физо:
1 – источник света; 2 – конденсор;
3 – диафрагма; 4 – ветоделительная пластинка;
5 – телескопическая лупа; 6 – объектив
коллиматора; 7 – эталонная клиновидная
пластина; 8 – контролируемая пластина; 9 – стол
Свет монохроматического источника 1 (чаще
всего ртутной лампы) собирается конденсором 2
на диафрагме 3, расположенной в фокальной
плоскости объектива 6 коллиматора. Интерфери-
рующие пучки отражаются от нижней эталонной
плоскости слегка клиновидной пластины 7 и от
верхней контролируемой плоскости пластины 8,
которая установлена на столе 9 и может переме-
щаться и наклоняться относительно эталона.
В ОАО «ЛОМО» (г. Санкт-Петербург) разра-
ботан современный интерферометр ИКД-14,
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
257
предназначенный для внутреннего использова-
ния на предприятии и позволяющий осуществ-
лять высокопроизводительный контроль формы
поверхностей различных оптических деталей в
производственных условиях бесконтактным ме-
тодом с автоматической обработкой результатов
измерений.
В данной работе рассматривается интерферо-
метр для контроля крупногабаритных зеркал,
который предназначен для оперативного
контроля качества поверхности зеркал размером
до 160 мм. Область применения интерферометра
– проведение измерений контроля качества
поверхности в оптических лабораториях, на
производственных сборочных участках.
Принципиальная оптическая схема разраба-
тываемого интерферометра приведена на рис. 2.
Световой пучок от лазера 1 с помощью мик-
рообъектива 2 фокусируется на матовой пла-
стинке 3, расположенной в фокальной плоскости
коллиматорного объектива 8. Матовая пластинка
3 непрерывно вращается для уничтожения спекл-
структуры изображения.
Параллельный пучок света, вышедший из
объектива 8, проходит через эталон 9 и попадает
на контролируемую поверхность детали 10, рас-
положенную на юстировочном столике 11. В
обратном ходе лучи, отраженные от эталона 9 и
контролируемой поверхности 10, возвращаются
обратно через коллимирующий объектив 8 и,
отразившись от светоделителя 5, формируют
интерференционную картину, которая фокуси-
рующим объективом 12 проецируется на свето-
чувствительную площадку фотоприемника 13,
оптически сопряженную с плоскостью контро-
лируемого зеркала 10. Поляризатор 4 предназна-
чен для регулировки уровня освещенности изоб-
ражения на фотоприемнике.
Рис. 2. Принципиальная оптическая схема
интерферометра
Оцифрованное изображение интерференци-
онной картины с цифровой камеры передается на
монитор (ПК).
Питание лазера 1 осуществляется от источ-
ника 14.
Литература
1. В.К. Кирилловский. Оптические измерения.
Часть 5. Аберрации и качество изображения. –
СПб: СПбГУ ИТМО. 2006.- 107 с.
2. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. Ос-
новы инженерной теории, применение.- Л.,
Машиностроение, 1976. – 296 с.
3. Прикладная физическая оптика: Учебник
для вузов / И.М. Нагибина, В.А. Москалев, Н.А.
Полушкина, В.Л. Рудин. – 2-е изд., испр. и доп. –
М.: Высш. шк., 2002. – 565 с.
УДК 535.317
ОПТИЧЕСКИЕ КЛИНОВЫЕ ИМИТАТОРЫ ДВИЖЕНИЯ ЦЕЛИ
Артюхина Н.К., Лещинская А.В.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Оптические клиновые компенсаторы пред-
ставляют собой устройства, применяемые для
сообщения определенной разности хода двум
лучам света. Клиновые компенсаторы применя-
ются для измерения и устранения малых смеще-
ний или отклонения изображения в оптических
системах. Основной принцип работы компенса-
торов заключается в возможности введения
очень малых разностей хода посредством грубых
перемещений. Наиболее распространенные типы
компенсаторов:
Качающаяся плоскопараллельная пла-
стинка (смещение луча перпендикулярно оси);
Перемещающийся клин (смещение луча
перпендикулярно преломляющему ребру);
Качающееся зеркало (отклонение луча на
двойной угол поворота);
Вращающийся клин (изображение враща-
ется по окружности);
2 1
3
5
1
1
6
7
8
9
10
11
4
А
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
258
Компенсатор из двух клиньев (отклонение
луча пропорционально косинусу угла разворота
клиньев).
В данной работе представлены результаты
модернизации системы, используемой в форми-
рователе входных сигналов аппаратуры для ими-
тации траектории движения точки. Такая модер-
низация вызвана необходимостью улучшения
технологичности конструкции, упрощения и из-
менения параметров.
Разработана конструкция из пары оптических
клиньев для использования в формирователе.
Оптическая система формирователя представ-
лена на рисунке 1; она состоит из коллиматора,
создающего необходимую цель, зеркал для из-
лома оптической оси и компенсаторов, кон-
струкция которых состоит из двух клиньев с
одинаковыми преломляющими углами.
Моделирование оптической систем прове-
дено в программной среде ZEMAX. Модель оп-
тической системы изображена на рисунке 1, где
показано ¾ части элементов, для демонстриро-
вания угла разворота клиньев. Углы разворота
клиньев соответствуют расчетным значениям.
Клинья, отклоняющие пучок лучей в плоскости
чертежа, развернуты на 60,36° каждый относи-
тельно друг друга. Отклоняющие клинья в плос-
кости Y – на48.12°.
Изучены зависимости изменения положения
точки, созданной коллиматором с телескопиче-
ской насадкой, для расширения до необходимого
размера от угла разворота клиньев в паре. Рас-
смотрены взаимодействие двух пар клиньев с
указанием изменяющихся качественных харак-
теристик системы в зависимости от угла разво-
рота клиньев. Проведено исследование влияния
использования различных марок стекол на хро-
матическую аберрацию, возникающую в оптиче-
ской системе. В данном случае хроматическая
аберрация будет представлять разность углов
отклонения пучка лучей от крайних длин волн.
Угол отклонения пучка лучей, выходящего из
пары клиньев находится по следующей формуле:
𝜀 = 2𝜔 cos𝜑 = 2(𝑛 − 1)𝜃 cos𝜑.
Проведен анализ 13 марок стекол, и выбрана
наиболее подходящая марка: стекло К8. Выяв-
лена зависимость показателя преломления стекол
на воздействие хроматической аберрации на си-
стему. График применения различных марок
стекол представлен на рисунке 2.
Определен важнейший критерий оценки ка-
чества изображения и воздействия хроматизма
на систему в целом – диаметр кружка рассеяния.
Для оценки качества изображения рассчи-
таны функция концентрации энергии, функция
рассеяния точки и число Штреля (рисунок 3).
Качество изображения данной системы удовле-
творяет заданным требованиям. Функция рассея-
ния точки (ФРТ) имеет один ярко выраженный
максимум. Функция рассеяния линии (ФРЛ) в
меридиональном и сагиттальном направлениях
имеют допустимое расхождение.
Рассчитаны преломляющие углы клиньев и
максимальные углы разворота клиньев. Расчет
преломяющего угла клиньев состоял из расчета
отклонения в горизонтальном направлении, рас-
чета отклонения в вертикальном направлении и
расчета чувствительности механизма вращения
Рис 3. Функция рассеяния точки
Рис 2. Зависимость хроматизма от угла
разворота клиньев
Рис 1. Модель оптической системы,
построенная в программной среде ZEMAX
Секция 3. Физические, физико-математические, материаловедческие и технологические основы приборостроения
259
при повороте клиньев на 2°, с учетом диаметра
клина.
𝑙 = 2𝜋𝑅360 ∗ 2,м.
Результатом данного расчета является вывод
о том, что для компенсации ошибки увода оси в
призме равной 43´´ в двух сечениях, необходимо
развернуть клинья, с разностью преломляющих
углов 3´´, на 42° в противоположных направле-
ниях.
Проведено исследование воздействия пары
вращающихся клиньев на заклон оптической оси.
Призма-ромб БС-0 с двумя независимыми вра-
щающимися клиньями, позволяет компенсиро-
вать ошибки, возникающие в призме (рисунок 4).
Были подобраны различные углы клиньев та-
ким образом, чтобы заклон оптической оси со-
ставлял 2´´ при повороте клиньев на 2°.
Рис. 4. Система для компенсации увода оси
в призме
Данная система рассчитана и проанализиро-
вана в программных средах OPAL и ZEMAX.
Проведено 3Д моделирование оптической си-
стемы и конструкции данной аппаратуры. .
УДК 535.317
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА КОЛЛИМАТОРНОГО ПРИЦЕЛА
Артюхина Н.К., Першин Д.И., Аль-Махмуд Шуаиб Хассан
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
В настоящее время широкое распространение
получили коллиматорные прицелы, используе-
мые при разработке аппаратуры для автоматиче-
ского стрелкового оружия. Одним из оптических
устройств, который получил широкое распро-
странение в настоящее время, является коллима-
торный прицел. Прицел – оптическое устрой-
ство, предназначенное для наведения оружия на
цель при стрельбе в любых условиях освещенно-
сти: в дневное время, в сумерках и ночью (вме-
сте с ПНВ). В стрелковом оружии, в зависимости
от условий применения, используются различ-
ные оптические приспособления.
В данной работе представлена оптическая си-
стема для коллиматорного прицела закрытого
типа (рис. 1).
Рис. 1. Оптическая схема коллиматорного
прицела
Особенностью схемного решения системы
является использование полупрозрачной линзы
со светоделительным покрытием, установленной
под углом к оптической оси. Коллиматор про-
ецирует на линзу прицельную марку, а светоде-
лительное покрытие позволяет одновременно с
прицельной маркой наблюдать через линзу
внешние объекты и цели, без искажения и увели-
чения. Луч света, проходя через линзы, образует
световой пучок, в результате чего стрелок и ви-
дит «марку».
Для расчета и анализа аберраций выбрана ба-
зовая схема, состоящая из центрированных эле-
ментов. Использованы следующие условия нор-
мировки для первого параксиального луча:
01 =α , 12 −=α , 0.11 =h , f
’=1.0.
Методика расчета осуществлялась в два
этапа. На этапе габаритного расчета, получены
значения конструктивных параметров (радиусы
кривизны и расстояния между поверхностями).
На втором этапе для аберрационного расчета
использовался пакет прикладных программ
(ППП) для проектирования оптических систем
OPAL-PC. Ход лучей системы в центрированном
варианте дан на рис. 2.
Система рассчитана для относительного
отверстия 1:2, величины изображения 0,023 мм.
Рис. 2. Ход лучей в оптической схеме
9-я Международная научно-техническая конференция «Приборостроение – 2016»
260
Параксиальные характеристики этой схемы
представлены в таблице 1,
Таблица 1. Параксиальные характеристики
f fꞌ SF S’F’ SH S’Hꞌ
-
-
-
-
1,59
1,59
где f - переднее фокусное расстояние; fꞌ - заднее
фокусное расстояние; SF - передний фокальный
отрезок; S’F’ - задний фокальный отрезок; SH, S’Hꞌ
- положение главных плоскостей.
Результаты аберрационного расчета 3-го
порядка оптической системы прицела в
центрированном варианте, сведены в таблицу 2.
По графикам аберраций установлено, что
объектив удовлетворяет допустимым требова-
ниям для такого типа прицелов.
Таблица 2.Суммы и аберрации Зейделя
S1 S2 S3 S4 S5 S1xp S2xp
0,304 0,466 0,715 0,389 1,693 -0,006 0,015
-0,226 -0,104 -0,047 0,904 0,394 0 0
-0,002 -0,031 -0,486 0,389 -1,499 -0,0004 0,001
0,076 0,331 0,180 1,684 0,588 -0,006 0,016
1. Коллиматорные прицелы - все о
коллиматорах, 2015. – http://optical-
devices.ru/pages/kollimatornye-pricely-vse-o-
kollimatorah.html
2. Коллиматорные прицелы: принцип работы,
устройство и типы, 2010. –
http://www.profoptic.ru/articles/ id=55.
УДК 535.317
ДВУХЗЕРКАЛЬНАЯ СИСТЕМА ЗАФОКАЛЬНОГО ТИПА
Артюхина Н.К., Самбрано Л.Ф., Власовец Н.С.
Белорусский национальный технический университет
Минск, Республика Беларусь
Зеркальные системы приобрели широкое рас-
пространение в оптической отрасли в настоящее
время в связи с расширением спектрального диа-
пазона работы оптической аппаратуры. В них
отсутствуют хроматические аберрации для лю-
бых значений оптических характеристик. Суще-
ствующие схемы из двух зеркал имеют неслож-
ную конструкцию; их можно разделить на два
типа: предфокальные и зафокальные [1].
В работе проводится исследование двухзер-
кальных систем зафокального типа. Предполага-
ется апланатическая коррекция [2]. Оптические
схемы базовых схем представлены на рисунке 1
(второе зеркало имеет центральное отверстие
для прохождения светового пучка лучей). Пред-
ставлены объективы, в которых лучи претерпе-
вают по одному отражению от каждого из
зеркал.
Рис. 1. Схемные решения зафокальных
объективов с малым главным и большим
вторичным зеркалами
Рассмотренные зафокальные объективы со-
стоят из двух вогнутых зеркал и имеют проме-
жуточное изображение. Кома и сферическая
аберрация откоррегированы за счет придания
асферической формы поверхностям зеркал.
Для расчета и анализа аберраций выбраны
базовые схемы (рисунок 1). Из пяти известных
методов (метод проб, алгебраический, комбини-
рованный, метод автоматической оптимизации и
композиционный) в работе применен алгебраи-
ческий метод, как наиболее подходящий при
осуществлении аберрационного расчета.
В частности, зафокальный объектив имеет
следующие условия нормировки для первого
параксиального луча:
01 =α , 02 <α , 13 −=α , 0.11 =h , 12 −