Морской планктон – важнейший элемент водной экосистемы. Разработка современных и доступных инструментов для исследования планктонных организмов является актуальной задачей. Цель работы заключалась в создании прибора, который был бы максимально доступен и полезен исследователям морского планктона. Представлен прототип безлинзового микроскопа оригинальной конструкции, использующий метод цифровой голографической микроскопии для визуализации морского планктона. Сочетание корпуса, изготовленного по аддитивной технологии, минимума оптических и электронных компонент, возможности использования программного обеспечения с открытым кодом делает его хорошей альтернативой классическим световым микроскопам в задаче исследования планктонных организмов. Конструкция прибора предусматривает работу как со стандартными предметными стеклами, так и с проточной кюветой, что позволяет автоматизировать обработку проб и производить экспресс-анализ, сохранив при этом пробу для последующей консервации и тщательного анализа стандартными методами.
Приборы и методы измерений
2025. — Выпуск 3
Содержание:
В настоящее время активно проводятся исследования по изучению электромагнитного излучения в процессе нагружения образцов горных пород, металлов, композиционных материалов, а также в зонах дезинтеграции массивов горных пород на участках горных выработок. Применяемая для этих целей измерительная аппаратура нацелена на регистрацию сигналов электромагнитного излучения преимущественно радиочастотного диапазона. Целью работы являлось обнаружение информативных ультранизкочастотных сигналов электромагнитного излучения, генерируемых образцом горной породы под воздействием внешней нагрузки в виде одноосного сжатия, создаваемого ручным гидравлическим прессом. Задачей исследования является идентификация выявленных сигналов низкочастотного электромагнитного излучения на фоне техногенного магнитного шума, генерируемых образцом магматической горной породы в процессе его разрушения и установление их характерных спектральных особенностей. Представлены результаты наблюдений за вариациями магнитного поля с использованием магнитомодуляционных преобразователей магнитной индукции, позволяющих осуществить регистрацию и выделение информативных сигналов, генерируемых образцом горной породы под воздействием внешней нагрузки в лабораторном эксперименте. Применяемые магнитомодуляционные преобразователи имеют достаточную чувствительность и разрешающую способность для регистрации сигналов электромагнитного излучения в диапазоне частот 0,01–200 Гц, наблюдаемых при разрушении образцов горных пород в процессе их нагружения на фоне магнитного шума техногенного происхождения. Приведено описание методики измерений, оборудования и магнитометрической аппаратуры, а также этапов программной обработки исходных данных. Рассмотрена методика идентификации информативного ультранизкочастотного сигнала записи компонент магнитной индукции, генерируемого образцом магматической горной породы при его нагружении одноосным сжатием, на фоне магнитного шума техногенного происхождения. При разрушении испытуемого образца в процессе его нагружения установлено, что максимальная амплитуда сигналов электромагнитного излучения проявляется в ультранизкочастотной части спектра в диапазоне 0,3–4,0 Гц. Полученные результаты важны для изучения процессов в геологической среде, порождающих низкочастотное электромагнитное излучение, а также для исследования возможных механизмов его генерации.
Ключевые слова
Исследование новых кинематических параметров для бесплатформенных систем ориентации является актуальной задачей, поскольку позволяет повысить точность и надёжность определения ориентации объекта в условиях сложного движения и воздействия внешних факторов. Традиционные кинематические параметры, такие как углы Эйлера, имеют известные ограничения, например, проблема "блокировки осей", в то время как новые подходы к описанию вращений объекта могут обеспечить более эффективное определение ориентации объекта. Целью работы являлся анализ и оценка применимости параметров (w, z) в алгоритмах бесплатформенных систем ориентации, а также разработка и исследование новой схемы комплексирования гироскопических и акселерометрических измерений с интеграцией данных по параметру w. Кинематические параметры (w, z), сравнительно недавно введены в теорию конечного поворота. Они задают положение и ориентацию объекта вокруг неподвижной точки через два последовательных конечных поворота. Один из этих поворотов (угол z) характеризует вращение объекта вокруг одной из осей неподвижной системы координат. Второй поворот описывается с помощью стереографической проекции оси подвижного объекта на комплексную плоскость w = u + jv. Это позволяет представить вращение объекта в виде точки на этой плоскости. Приводятся кинематические уравнения относительно параметров (w, z). Показана эффективность применения параметров (w, z) применительно к гироскопическим бесплатформенным системам ориентации. Показано, что кинематические уравнения относительно аргументов функции w(u, v) могут быть проинтегрированы независимо от угла z, а общий третий порядок системы на единицу ниже, чем кинематические уравнения в кватернионах. Проведены численные эксперименты по интегрированию кинематических уравнений при условии постоянного вращения объекта с заданной угловой скоростью рыскания и гармоническими колебаниями по углам тангажа и крена. Результаты моделирования иллюстрируются в функциях времени, на сфере Римана и на комплексной плоскости. Даются соотношения, позволяющие вычислить аргументы функции w(u, v) с помощью акселерометров. Иллюстрируются стереографические проекции параметров, полученных на основе измерений гироскопов и акселерометров, содержащих инструментальные погрешности. Приведена схема комплексирования гироскопических и акселерометрических данных, которая отличается от традиционных методов тем, что интеграция осуществляется не по углам тангажа и крена, а по аргументам функции w.
Ключевые слова
Современные технические средства, в том числе использующие компьютеризированные компоненты, предоставляют новые возможности обработки сигналов с использованием спектрального анализа. Описан способ расчёта скорости акустической волны С по спектру эхограммы, содержащей многократные отражения акустических импульсов. Способ основан на выявлении спектральных линий, отстоящих друг от друга по частотной оси на величину Δf , соответствующую частоте следования импульсов, многократно отражённых от торца объекта контроля. Скорость C рассчитывается как среднее значение C = LΔf, где L – длина акустической оси. Поиск спектральных линий ведётся в частотной области, соответствующей рабочей зоне входного тракта системы регистрации. Для точного определения положения максимума спектральной линии проведена его аппроксимация параболой. Произведён расчёт скорости крутильной волны в партии труб – заготовок плунжера глубинного штангового насоса длинами от 5,245 до 5,248 м, диаметром 59 мм и толщиной стенки 13,75 мм, в количестве 20 штук. Прозвучивание выполнено с использование электромагнитно-акустического датчика, установленного на внешней поверхности трубы рядом с торцом. Измерение выполнено дефектоскопом АДНШ-П с полосой пропускания приёмного тракта от 9,5 до 63 кГц по уровню -6 дБ. Эхограммы получены на частоте дискретизации 3,75 МГц и содержат 10 отражений. Скорости крутильной волны у труб в партии лежат в интервале от 3294 до 3298 м/с.
Ключевые слова
Инструментальное индентирование является одним из эффективных методов измерения физико-механических свойств различных материалов. В настоящей работе рассматриваются особенности контроля чугуна, имеющего различную форму графитовых включений: пластинчатую, шаровидную, вермикулярную и др., и модели, позволяющие на основании данных диаграммы микроударного нагружения материала рассчитать твёрдость по Бринеллю HBW, модуль упругости E и предел прочности σв чугунов различных марок. Показано, что использование в расчётах комплекса параметров позволяет устранить грубые ошибки при оценке HBW, вызванные влиянием графитовой структуры на значения модуля упругости и динамической твёрдости. На основании экспериментальных данных продемонстрировано, что измерение твёрдости чугуна с использованием значений коэффициента восстановления скорости приводит к погрешности измерения до 75 единиц, в связи с чем такой контроль с помощью стандартных динамических твердомеров является недостоверным. Также подтверждена устойчивая связь между пределом прочности и произведением твёрдости и модуля упругости. Показана возможность установления марки чугуна (серый или высокопрочный) по данным однократного измерения. Предложенная методика даёт возможность осуществить контроль непосредственно изделий на промышленных предприятиях, производящих чугунное литье. Проведенные исследования доказывают, что разработанные алгоритмы могут применяться для оперативной диагностики твёрдости чугуна с использованием динамических портативных твердомеров при их определённой модернизации.
Ключевые слова
Просвечивание объектов рентгеновскими лучами с целью получение информации об их внутренней структуре или неоднородностях является важным методом неразрушающего контроля. В том случае, когда объект, например, место соединения полимерных труб для транспортировки жидкостей или газов, слабо поглощает рентгеновские лучи, контраст рентгеновского изображения объекта на фотоплёнке или на её цифровом аналоге является относительно низким. Цель работы состояла в разработке субтракционного метода получения изображений слабопоглощающих рентгеновское излучение объектов с улучшенным контрастом при использовании лабораторных источников рентгеновского излучения. В рассматриваемом методе для получения рентгеновских изображений объектов используется рентгеновская трубка и цифровая 2-D рентгеновская камера для регистрации рентгеновского пучка. Объект располагается между рентгеновской трубкой и рентгеновской камерой. Метод включает получение двух цифровых изображений объекта при различных углах ориентации объекта к оси рентгеновского пучка и их последующую обработку путём субтракции (вычитания) изображений. Получены изображения различных слабопоглощающих рентгеновские лучи объектов (пчела, полимерная сетка, зерно риса) и проведена их компьютерная обработка путём субтракции изображений. Для просвечивания объекта рентгеновскими лучами использовалась рентгеновская трубка БСВ-17 с медным анодом, напряжение на аноде трубки – 15 кВ, ток 10 мА. Для регистрации рентгеновского изображения объекта использовалась цифровая рентгеновская камера Photonic Science. Размер рабочей области рентгеновской камеры составляет 18 × 12 мм2, число пикселей равно 4008 × 2670. Объект располагался вплотную к рентгеновской камере, чтобы улучшить разрешение снимка. Для осуществления субтракции регистрировались два снимка объекта, второй снимок делался при повороте объекта на 5°. Проведён расчёт контраста исходных и обработанных снимков. Проведённый анализ контраста полученных изображений показал, что применение разработанного субтракционного метода позволило повысить контраст изображения слабопоглощающих рентгеновское излучение объектов примерно в два раза. Метод является относительно простым по сравнению с известным фазово-контрастным методом, и может быть использован в технической диагностике при просвечивании рентгеновскими лучами пластиковых, полимерных, композитных материалов и объектов.
Ключевые слова
Рассмотрена задача минимизации влияния законов распределения входных величин на достоверность результатов в моделях оценивания в области метрологии. Целью данной работы являлось обоснование рациональных подходов и методов корректного решения задачи в случае, если закон распределения входных величин отличен от нормального. Представлена классификация вариантов решений проблемы нормальности входных величин в моделях оценивания неопределённости метода измерений, метрологической надёжности средства измерений и др. Сформулирована комплексная задача оценивания закона распределения входной величины и приведения его к нормальному путём корректирования её вероятностных характеристик. Обосновано, что подобное решение задачи позволит обеспечить «частотную эквивалентность» эмпирического и нормального закона распределения. Рассмотрены способы решения задачи для двух возможных случаев: входные величины модели оцениваются априори и эмпирически. Рассмотрены общепринятые в метрологической практике варианты рационального решения задачи для случая оценивания входной величины модели априори (по типу Б). Основное внимание уделено случаю оценивания входной величины модели эмпирически (по типу А). В качестве теоретических предпосылок решения задачи приняты неравенства Чебышева и Высочанского– Петунина, которые определяют оценки сверху вероятности отклонения случайной величины от среднего без учёта точной формы её закона распределения. Предложен графический метод оценки «степени нормальности» эмпирического закона распределения входной величины и приведения его к нормальному путём корректирования её статистик. Реализация метода предполагает использование статистических пакетов прикладных программ, например, пакета Statistica, и визуальное сравнение гистограммы эмпирического распределения с теоретической кривой нормального распределения. Для всех возможных ситуаций определён алгоритм действий, включающий анализ степени несоответствия распределений и решающие правила в отношении корректирования исходных статистик входной величины.
Ключевые слова
Средства регистрации состояния подводной обстановки востребованы при охране защитных зон акваторий, обслуживании механизмов разработки подводных месторождений и мониторинге состояния морских сооружений. В статье рассматривается решение вопроса повышения точности пеленгации подводного объекта посредством введения метки времени и дополнительной модификации измерительной схемы в условиях обнаружения подводных объектов с использованием гидроакустической подсветки. При наличии нескольких излучателей гидроакустической подсветки возникает возможность создания многоракурсной системы подводного видения, которая позволяет установить не только точное пространственное положение подводных объектов анализируемой акватории, но и характеристики размеров и формы этих объектов. Ключевой задачей при этом является задача синхронизации регистрации сигналов, отражённых объектами от разных излучателей. В работе описан подход к уменьшению ошибки пеленгации объектов, вызванной погрешностями оцифровки сигнала датчика, использующий врезку в сигнал специальной метки времени, виртуальное дробление периода (интервала) дискретизации и более точную синхронизацию старта генерации зондирующего сигнала и моментов оцифровки сигнала датчика. Приведены результаты экспериментальной проверки описываемого подхода на примере пеленгации подводного объекта с использованием стереодатчиков, ориентированных в горизонтальной и вертикальной плоскостях, с многократным повторением измерений. Показано, что в результате применения предлагаемого подхода точность определения пеленга для приведённого в статье примера увеличилась более чем в 8 раз.
Ключевые слова
Ультразвуковые расходомеры являются перспективным инструментом для контроля газовых потоков в бытовых и промышленных трубопроводах. Цель работы – разработка методологий расчёта расхода газа, а также разработка и анализ математической модели с использованием математического моделирования в пакете MATLAB для соосного расположения ультразвуковых преобразователей, в том числе анализ ограничений подхода. Основу исследования составила математическая модель с соосным расположением датчиков, описывающая распространение ультразвуковых волн в газовом потоке. Исходными параметрами выступили давление (5 Па и 8,5 кПа) и температура газа, рассчитываемыми – скорость потока, число Рейнольдса, время прохождения импульса по потоку и против него, разность указанных времён и итоговый расход газа. Моделирование проводилось в MATLAB с акцентом на методологию расчёта, но без учёта акустических помех и формы ультразвукового пучка (рассматривался только центральный луч). Разработанная методология позволяет проводить предварительные расчёты расхода газа и служит основой для дальнейшего совершенствования, включая учёт дополнительных физических факторов и адаптацию для угловой конфигурации датчиков. Ключевые ограничения математической модели: учёт звукового давления, шумов приёмной схемы и упрощенная модель волнового пучка. Тем не менее, модель подтвердила работоспособность для базовых сценариев.
Ключевые слова
Надёжность подзатворного диэлектрика является ключевым фактором его применения в электронной компонентной базе современных устройств электроники. Время наработки на отказ слоёв оксида кремния зависит от плотности дефектов, обусловленных наличием гидроксильных групп и водорода в его объёме, и оборванных связей кремния на границе раздела с оксидом. Целью данной работы являлось изучение влияния импульсной фотонной обработки в среде азота на надёжность подзатворного оксида кремния, полученного методом пирогенного окисления. Слои оксида кремния толщиной 17,7 нм получали методом пирогенного окисления подложек монокристаллического кремния, легированных бором с удельным сопротивлением 12 Ом∙см диаметром 100 мм с ориентацией (100) при температуре 850 °С в течение 40 мин. Импульсную фотонную обработку выполняли путём нагрева в азотной среде до 1150 ℃ за 7 с некогерентным потоком излучения от кварцевых галогенных ламп, направленным на нерабочую сторону подложки. Время наработки диэлектрических слоёв на отказ определяли методом ускоренных испытаний с применением тестовых МОП-конденсаторов. Показано, что импульсная фотонная обработка пирогенного оксида в среде азота приводит за счёт уплотнения оксида кремния и образования связей Si–N к увеличению времени наработки на отказ в 2,45 раза, что на 29,8 % больше, чем при обработке в естественных атмосферных условиях.
