Приборы и методы измерений

Поздравление БНТУ с юбилеем от главного редактора журнала О. К. Гусева.

Актуальной задачей для авиационной, космической, транспортной и нефтедобывающей промышленности является миниатюризация и повышение точности систем ориентации и навигации подвижных объектов. Перспективным решением данной задачи является применение волновых твердотельных гироскопов (ВТГ), использующих для обнаружения вращений объекта явление инерции стоячих волн, возбуждаемых в кольцевых или объёмных резонаторах. Показано, что ВТГ могут иметь различные конфигурации резонатора (кольцевую, цилиндрическую, коническую, полусферическую) и изготавливаться из различных конструкционных материалов. Приведены примеры кольцевых кремниевых резонаторов. Показано, что резонаторы ВТГ из металлических сплавов (кольцевой, цилиндрической или конической формы) позволяют создавать датчики среднего класса точности. ВТГ навигационного класса реализуются на основе кварцевых цилиндрических или полусферических резонаторов, постоянная времени которых может достигать до 1000 с и более. Показано, что на основе ВТГ возможно создание датчиков двух типов: измерителей угловых перемещений и датчиков угловой скорости. Представлена математическая модель ВТГ, идентичная уравнениям классического маятника Фуко, применимая для описания датчиков обоих типов. Продемонстрирована эффективность использования уравнений для огибающих амплитуд колебаний при описании динамических характеристик ВТГ. Установлено, что для ВТГ прямого измерения, функционирующего в режиме датчика угловой скорости, повышение добротности резонатора увеличивает его чувствительность к угловой скорости, но снижает быстродействие. На основе векторной диаграммы объяснены процессы, протекающие в ВТГ с контуром компенсации ускорения Кориолиса. Представлена обобщенная математическая модель ВТГ компенсационного типа, учитывающая процессы демодуляции, модуляции и пропорционально-интегральный закон управления стоячей волной. Показано, что постоянная времени ВТГ компенсационного типа определяется коэффициентом интегральной части регулятора.

Ключевые слова

Расширение области применения автоматизированных систем требует разработки и исследований новых типов датчиков, способных работать в специальных условиях. Одними из распространённых сенсоров являются микроэлектромеханические датчики давления. Датчик давления содержит мембрану из кремния, которая деформируется при приложении к ней давления среды, и измерительный преобразователь деформации в электрический сигнал. Наиболее перспективным и технологичным интегральным типом преобразователя для микроэлектромеханических датчиков давления является измерительный преобразователь на основе эффекта оптического туннелирования, который основан на изменении интенсивности света, проходящего через зазор между двумя оптическими волноводами при деформации мембраны, что обеспечивает высокую чувствительность и широкий динамический диапазон датчика. Целью работы являлась разработка концепции построения чувствительного элемента микроэлектромеханического датчика давления с оптическим туннельным преобразователем. Технология создания микрооптоэлектромеханического датчика давления представляет собой поэтапное формирования заданных структур на двух пластинах с последующим их соединением. На нижней пластине формируется мембрана и волноводные структуры, на верхней – стопперы и волноводные структуры. Рассмотрено два варианта выполнения волноводов: из нитрида кремния методом плазмохимического осаждения или из кремния на готовой SOI платине. Определены основные характеристики (потери, зависимости коэффициентов передачи от длины и ширины волноводов, зазора, длины связи) датчика давления. Рабочий участок, на котором оптический датчик может измерять перемещения мембраны, пропорциональные действующему давлению, лежит в пределах от 500 ± 80 нм для SOI, и 600 ± 80 нм для Si3N4. Оптический коэффициент передачи меняется в диапазоне от 0 до 0,86 для SOI и от 0,09 до 0,53 для Si3N4 , соответственно. Требованием к мембране можно считать, что её деформация во всем диапазоне давлений должна лежать в диапазоне до 80 нм.

Ключевые слова

Для раннего обнаружения новых рабочих наноспутников и CubeSat’ов необходимо организовать сеть станций для приёма сигнала и обработки его параметров для предварительного анализа орбиты. Целью работы являлась разработка наземной станции приёма телеметрии нано- и пикоспутников, позволяющая проводить измерения и экспресс анализ орбитальных параметров с использованием точных временных меток. На основе разработанных функциональных блок-схем для аппаратной и программной части станции приёма телеметрии создан прототип станции. Прототип станции позволяет проводить измерения времени приёма и длительности пакета, доплеровского сдвига частоты, временной задержки, экспресс-анализ орбитальных параметров с последующим использованием накопленного массива данных для измерения точных орбитальных параметров нано- и пикоспутников. Получена временная привязка с помощью модуля GNSS, позволяющая выставлять временные метки с точностью не хуже 3 мкс, что достаточно для определения наклонной дальности сверхмалого космического аппарата с точностью не хуже 450 м. Показан метод для определения параметров орбиты сверхмалого космического аппарата с помощью измерения доплеровских сдвигов частоты с привязкой к точному времени GNSS приёмника. Разработанная наземная станция приёма и измерения орбитальных параметров наноспутников расположена в г. Минск, позволяет принимать сигналы со спутников, высота орбиты которых не превышает 1000 км, с наклонением орбиты не менее 40°, в радиолюбительском диапазоне частот 430–440 МГц. Проведены тестовые радиотехнические измерения и отработана методика проведения временной синхронизации для повышения точности определения орбиты нано- и пикоспутников.

Ключевые слова

В различных областях приборостроения необходима регистрация токов менее 10-12А или обработка сигналов датчиков, внутреннее сопротивление которых превышает сотни мегаом. Для указанных задач преимущественно применяют операционные усилители с входными полевыми транзисторами, управляемыми p-n-переходом и каналом n-типа (n-ПТУП). Однако, существует ряд ёмкостных датчиков с выходным сигналом в виде короткого токового импульса, для преобразования которого в напряжение используют зарядочувствительные усилители. Целью работы являлась разработка на базовом кристалле аналоговых микросхем с входным n-ПТУП, обеспечивающих обработку сигналов различных высокоомных датчиков. В статье приведены электрические схемы разработанных операционных и зарядочувствительных усилителей, рассмотрены их конструктивно схемотехнические особенности, проанализированы результаты схемотехнического моделирования, сформулированы рекомендации по выбору режима работы входного n-ПТУП зарядочувствительных усилителей для минимизации длительности фронта нарастания и уровня шумов с учётом сохранения работоспособности в диапазоне температур. В результате проведённых работ разработаны электрические схемы и топология на базовом кристалле комплекта микросхем с входным n-ПТУП, включающим операционный усилитель NJAmp1 с параметрами близкими к AD8625, маломощный операционный усилитель NJAmp2 для реализации повторителя напряжения подобного AD8244, ОУ NJAmp4 с входным током менее 5∙10-13 А и зарядочувствительный усилитель, допускающий регулировку тока стока входного n-ПТУП. Соединения разработанных устройств по типовой схеме инструментального усилителя на трёх операционных усилителях позволяют получить функциональный аналог микросхемы AD8220.

Ключевые слова

Разработка стрелковых электронных тренажёров (т.е. для ручного оружия и не использующих боеприпасы) является важной задачей, т. к. производство любого вида стрелкового вооружения требует также производства тренажёра для привития навыков прицеливания и стрельбы. Целью данной работы являлась вычислительная оптимизация моделирования баллистической траектории с учётом внешних условий (температуры, давления, ветра) и с упрощениями для различных уровней реализации стрелковых тренажёров семейства «СТрИж». Проведён анализ вычислительной эффективности алгоритмов расчёта внешней баллистики. Данный анализ проводился с целью решения «задачи встречи» пули с препятствием (местными предметами, мишенями или рельефом) с учётом всех внешних факторов для разрабатываемого семейства общедоступных стрелковых тренажёров «СТрИж» (включающего начальный, базовый и виртуальные уровни реализации). При решении «задачи встречи» оружейного боеприпаса имитатора оружия с элементом виртуальной мишенной обстановки (рельефом, местным предметом, целью) просчитывалась баллистическая траектория после каждого выстрела с шагом 0,5–1 м. При этом учитывались все типы боеприпасов, атмосферные факторы (температура, давление, ветер), углы места цели и курса. Синхронно с эволюцией мишенной обстановки решалась задача пересечения баллистической траектории с поверхностью стрельбища, мишенями или местными предметами. Кроме фиксации попадания, регистрировался близкий промах и время обстрела цели для последующей оценки. Для оптимизации быстродействия процесса моделирования баллистической кривой предложена её аппроксимация полиномом помимо классического интегрирования дифференциальных уравнений. Исследования на погрешность представления баллистической траектории по сравнению с эталонными таблицами показали соответствие требованиям на самом важном нисходящем участке траектории в пределах точности самих таблиц ± 5 см, а на малых прицелах ± 1,5 см. Исследования на быстродействие алгоритмов различных моделей баллистики выявили соответствие методов разным уровням реализации тренажёров: начальному, базовому или виртуальному по ресурсоёмкости. Сделан вывод о перспективности дальнейших исследований и разработке семейства электронных стрелковых тренажёров благодаря совершенствованию вычислительных средств и развитию программных библиотек с целью расширения функциональных возможностей тренажёров и снижения их себестоимости и, значит, повышения конкурентоспособности.

Ключевые слова

Управление ёмкостью микромеханических переключателей ёмкостного типа происходит с высокой частотой за счёт изменения расстояния между гибкой мембраной и опорным электродом, поэтому колебания мембраны будут оказывать влияние на электрические сигналы и эксплуатационные характеристики таких переключателей. Целью работы являлось определение величин колебаний тонких мембран при высокочастотном воздействии и сопоставление их с величинами статических прогибов при аналогичном постоянном усилии. Использовался метод конечных элементов с пересчётом положений сетки по методу Эйлера–Лагранжа с последующим модальным и гармоническим анализом колебаний мембраны под действием периодически изменяющейся пондеромоторной силы, рассчитанной для выбранного диапазона напряжений. В качестве материалов мембраны рассматривались золото и вольфрам. Для рассмотренной геометрии амплитуда колебаний мембраны из золота в исследованном дорезонансном диапазоне частот на 16–21 % превышает величину статического прогиба, тогда как для вольфрамовой мембраны – только на 2,2–3,2 %, что объясняется значительно большим модулем упругости вольфрама. Для более жёсткой мембраны также характерны бόльшие значения собственных частот. Увеличение амплитуды пондеромоторной силы приводит к кратному увеличению амплитуд колебаний мембраны, но не изменяет форму амплитудно-частотной характеристики. Показана актуальность исследования колебаний мембран в дорезонансной области. Приведены конструктивные способы повышения жёсткости мембран и оптимизации конструкций МЭМС-систем с элементами, совершающими колебательные движения.

Ключевые слова

Автомобильные мосты и путепроводы являются важными элементами транспортной инфраструктуры в любой стране. Оперативная диагностика с последующим мониторингом работоспособности критических элементов мостов и путепроводов увеличивает срок их службы. Целью данной работы являлась разработка метода и лазерной установки для дистанционной диагностики колебаний балки, вызванных динамической нагрузкой, и их применение на лабораторной модели моста. В статье рассматривается метод диагностики колебаний пролётного строения моста, основанный на корреляции лазерных спекл-изображений в сочетании со скоростной видеозаписью. С использованием лабораторной модели моста и предложенного метода исследуются несущие конструкции, испытывающие ударную нагрузку. При этом определяются относительные смещения поверхности, вызванные различными условиями нагружения. Программа для расчёта корреляционных функций оптимизирована с учётом характеристик пролётного строения моста. В частности, анализируются смещения поверхности с учётом частоты кадров и размера лазерных спеклов. Методика исследования апробирована на лабораторной модели моста с балками, изготовленными из различных материалов (сталь, бетон, дерево). Для этих балок показаны различные формы и амплитуды смещений, вызванных ударными нагрузками. Эксперименты демонстрируют возможности дистанционного мониторинга вибрации моста при реальных ударных нагрузках, вызванных движением транспортного средства. Полученные данные будут востребованы при использовании предлагаемого метода мониторинга вибрации моста в реальных условиях.

Ключевые слова

Обработка данных дистанционного зондирования, основанная на методах глубокого обучения, находит широкое применение в различных междисциплинарных задачах. Современные подходы преимущественно сосредоточены на разработке методов глубокого обучения, предназначенных для обнаружения объектов в густонаселённых городских условиях, которые плохо подходят для обнаружения пространственно-разнесённых объектов, особенно мелкозернистых. Характерным примером является обнаружение морских судов на открытой водной поверхности. К проблемам в этой области относятся неоднородный шумовой фон, вызванный меняющимися условиями освещения, внешние артефакты, размытие, вызванное волнами, вид сверху, дающий некачественные карты характеристик объектов, и необходимость сканирования больших территорий для поиска объектов. Для решения этих проблем в данной статье предложен новый гибридный подход к глубокому обучению для обнаружения пространственно-разнесённых объектов. Предлагаемый метод включает в себя ансамбль классификаторов на основе DenseNet_l и ResNet_l в сочетании с детектором YOLOv11+ и полуконтролируемой стратегией обучения. Кроме того, для прецизионного детектирования мелкозернистых объектов предлагается улучшенная версия модели YOLOv11+fg с адаптированными модулями C3K2, UpSample и SPFF. Метод детектирования был разработан, предварительно обучен и валидирован с использованием набора спутниковых изображений Airbus SPOT, а затем дополнительно дообучен на базе датасета ShipRSImageNet для задачи обнаружения мелкозернистых объектов. Результаты демонстрируют эффективность крупномасштабного сканирования в дистанционном зондировании и распознавания пространственно-разнесённых объектов, а также превосходят по точности показатели обнаружения мелкозернистых объектов оригинальной моделью.

Ключевые слова

При исследовании процесса перемещения дробового снопа в пространстве могут использоваться разнообразные устройства, например, световые экраны. Для подобных исследований целесообразно иметь имитационную модель совокупности сигналов оптического датчика при пересечении световых экранов дробовым снопом. С учётом ранее проведённых исследований для получения подобной модели необходимо знать моменты времени начала пересечения дробовым снопом световых экранов (фактически – моменты пересечения световых экранов самой быстрой дробиной). Предложена методика, позволяющая для заданных начальных условий (размеров дроби, начальной скорости и др.) определять такие моменты для последовательности световых экранов, установленных на заданных дальностях от дульного среза оружия. Суть предлагаемой методики сводится к тому, что на основе решения системы дифференциальных уравнений внешней баллистики рассчитывается совокупность точек, соответствующих зависимости времени достижения дробиной заданной дальности от величины этой дальности. Далее проводится аппроксимация полученных зависимостей полиномами первой, второй и третьей степени по методу наименьших квадратов. Выполнена оценка погрешности аппроксимации полученными полиномами для различных типов патронов. Приведён пример использования предложенной методики для получения моментов времени начала пересечения дробовым снопом для патронов, снаряжённых дробью трёх различных типов. Кроме того, выполнена оценка погрешности полученных зависимостей по отношению к результатам реальных экспериментов. Показано, что на дальностях до 24 м относительная погрешность не превышает 4 % для всех типов патронов. На основании полученных результатов предложены конкретные рекомендации по практическому использованию разработанной методики. В дальнейшем с использованием предложенной методики возможно создание имитационной модели совокупности сигналов оптических датчиков при пересечении дробовым снопом набора световых экранов, расположенных на заданных дальностях от дульного среза оружия.

Ключевые слова

Скрининговые исследования играют важную роль в профилактике хронических заболеваний сердечно-сосудистой системы. Одним из методов скрининговой сосудистой диагностики является метод фотоплетизмографии, широко применяемый для оценки состояния сердечно-сосудистой системы. Для повышения эффективности проведения скрининговых исследований предложено использовать алгоритм автоматизированной обработки фотоплетизмограмм, в основе которого лежит относительное описание формы пульсовой кривой, представленной в виде решётчатой функции цифрового сигнала фотоплетизмограммы. Преимуществом относительного описания цифрового представления фотоплетизмограммы является его инвариантность к линейным преобразованиям амплитуды сигнала и его временному сдвигу. Это важно при анализе пульсовых кривых в силу возможности изменения амплитудных параметров кривой, а также их временного сдвига при их регистрации. При этом анализ изменений формы фотоплетизмограммы проводится после представления её в виде матрицы отношения порядка составляющих решётчатой функции, представляющий цифровое представление фотоплетизмограммы после аналого-цифрового преобразования аналогового представления фотоплетизмограммы. При проведении скрининговых исследований осуществляется распознавание изменений формы фотоплетизмограммы путём её сравнения с эталоном матрицы отношения. Матрица отношения получена из решётчатой функции цифрового представления типичной фотоплетизмограммы пациента. Такая фотоплетизмограмма характеризует определённое заболевание сердечно-сосудистой системы. В результате сравнения матриц отношения определяется близость признаков типичной формы фотоплетизмограммы к эталонам фотоплетизмограмм, после чего устанавливается диагноз заболевания. Для осуществления предложенного алгоритма проведения исследований приведена структурная схема автоматизированной системы для скрининга сердечно-сосудистой системы. В этой схеме для представления в цифровом виде фотоплетизмограммы используется гомоморфное относительное описание. Это позволяет выявлять отдельные изменения формы фотоплетизмограммы, связанные с отклонениями от нормы состояния сердечно-сосудистой системы. Такой подход расширяет арсенал технических средств, используемых при проведении скрининга сердечно-сосудистой системы.

Ключевые слова

Рост объёмов измерительной информации делает ручную обработку непрактичной, а существующие алгоритмы демонстрируют ограниченную эффективность (до 93 %). Целью работы являлась разработка комбинированного алгоритма на основе синтеза существующих методов для повышения точности и надёжности автоматизированного выявления аномальных значений в данных промышленных измерительных систем, в частности, на обработку изображений, получаемых техническими приборами. Для повышения точности и надёжности обнаружения аномалий предложен комбинированный алгоритм, интегрирующий статистические методы обнаружения выбросов на основе многомерного нормального распределения для фильтрации шумовых аномалий, методы бинаризации и морфологической обработки изображений для выделения геометрических контуров, а также алгоритм анализа связных компонент для локализации области интереса. Особое внимание уделено обработке визуализированных данных (изображений), где ключевой задачей является отделение полезных аномалий от шума. Разработанный метод позволяет автоматически выделять области интереса и сжимать исходные данные более чем вдвое от их объёма без потери информативности. Также разработан подход для локализации нескольких разрозненных областей с аномальной интенсивностью на основе анализа связных компонентов. Алгоритм позволяет автоматически присваивать уникальные метки каждому связному объекту и извлекать их характеристики (площадь, периметр, центроид) для последующего анализа. Реализация и тестирование проведены в среде Wolfram Mathematica на примере карт распределения поверхностного электростатического потенциала композитных материалов. Предложенные подходы упрощают последующий анализ измерительных данных и могут быть использованы совместимо с алгоритмами машинного обучения.

Ключевые слова

Монокристаллический карбид кремния является перспективным полупроводниковым материалом третьего поколения. Благодаря большой величине запрещённой зоны электроника на его основе может выдерживать экстремальные температуры эксплуатации до 500 °С и выше и устойчива к радиационному воздействию. Высокоточная полировка пластин из карбида кремния позволяет повысить надёжность электронных компонент, изготавливаемых на его основе. В работе представлены результаты финишной полировки магнитореологическим методом монокристаллов карбида кремния политипов 4Н и 6Н, а также реакционно-спечённой двухфазной Si-SiC (6H и 15R) керамики. Достигнуты ангстремные значения шероховатости (Ra = 1,6 Å для монокристаллов 4Н-SiC и 2,2 Å для 6Н-SiC), сравнимые с длиной связи Si-C (≈ 1,9 Å) и соответствующие лучшим мировым аналогам, получаемым при полировке другими известными методами. В результате полировки монокристаллов SiC с начальной шероховатостью 50 и 1030 Å в течение 1 ч достигается одно и то же конечное и, возможно, предельное значение Ra ≈ 2 Å. Для реакционно-спечённой керамики характерны значения Ra порядка 10 Å, обусловленные перепадом высоты профиля на границах фаз Si и SiC вследствие различий их твёрдости и уноса материала при полировке.

Ключевые слова