Представлен комплексный анализ перспектив применения термопар хромель-алюмель (тип К) в сочетании с нормирующими преобразователями на основе нейронных сетей для повышения точности температурных измерений. Проведён детальный анализ физических и технических ограничений термопар типа К, включая нелинейность статической характеристики, необратимый дрейф параметров при высокотемпературной эксплуатации, обратимую нестабильность (гистерезис), а также влияние температуры холодных спаев. Осуществляется сравнительный анализ традиционных методов линеаризации и компенсации погрешностей с инновационными подходами, основанными на искусственных нейронных сетях. В качестве наиболее эффективных архитектур для решения поставленных задач обоснованы многослойный перцептрон (MLP) для компенсации статических погрешностей и рекуррентные сети с долгой краткосрочной памятью (LSTM) для учёта динамических эффектов. Показано, что нейросетевые методы позволяют осуществлять комплексную адаптивную компенсацию погрешностей, недостижимую для классических методов, и открывают путь к созданию нового поколения интеллектуальных датчиков температуры. Делается вывод о высокой конкурентоспособности и перспективности термопар типа К в современных промышленных системах в условиях Industry 4.0 при условии оснащения их интеллектуальными нейросетевыми преобразователями.
Генетический анализ в микрофлюидных устройствах, как правило, основан на регистрации интенсивности флуоресценции красителей, связанных с фрагментами ДНК. Целью работы была разработка экспериментальной установки и методики определения интенсивности флуоресценции жидкостей в микрофлюидных чипах путём обработки цифровых флуоресцентных изображений, полученных при возбуждающем освещении. Представлена экспериментальная установка для одновременной детекции флуоресцентных сигналов из реакционных камер микрофлюидных чипов по полю зрения 25 × 40 мм. Установка обеспечивает направление возбуждающего излучения от светодиода (λср. = 480 нм, P = 3 Вт, Umax = 6 В, Imax = 0,6 А) через полосовой светофильтр (467– 498 нм) и линзу на поверхность микрофлюидного чипа. Выбранные параметры установки позволяют эффективно возбуждать флуоресцентные красители, не затрагивая спектр их эмиссии. Эксперименты выполнены с использованием растворов флуоресцеина изотиоцианата различных концентраций. Проведено сравнение значений отношения сигнал/шум разработанной установки и коммерчески доступного прибора (АНК-48). Ключевыми преимуществами предложенной системы являются возможность полноплощадной детекции флуоресценции на микрофлюидном чипе, а также гибкость по отношению к топологии чипа, т. е. способность работать с чипами различных конфигураций и геометрий.
В настоящее время разработка и производство микроэлектромеханических систем является одним из наиболее перспективных направлений развития мировой экономики. Одним из инновационных направлений в развитии микросистемной техники является интеграция оптических устройств в качестве измерительных преобразователей. Целью данной работы являлась оптимизация геометрии оптического измерительного преобразователя микроэлектромеханического датчика давления для обеспечения требуемой величины и линейности оптического коэффициента передачи. Микроэлектромеханический датчик давления содержит оптический измерительный преобразователь в виде пары волноводов, образующих оптический направленный ответвитель. Линейность оптического коэффициента передачи преобразователя обеспечивалась выбором оптимального начального зазора между волноводами на линейном участке кривой зависимости оптического коэффициента передачи от зазора. Для расчёта требуемых характеристик такого преобразователя использовалась комбинация метода конечных разностей во временной области и метода перекрытия мод. Это позволило рассчитать величину оптического коэффициента передачи при различных геометрических параметрах преобразователя. Используя две модели направленного ответвителя с кремниевыми и нитрид-кремниевыми волноводами были определены зависимости величины оптического коэффициента передачи преобразователя от длины оптической связи и радиуса изгиба волноводов. Используя полученные данные, для обеих моделей построены зависимости коэффициента передачи от зазора между волноводами, где были показаны оптимальные величины начальных зазоров и диапазон линейного участка. Проведённые в данной работе исследования позволили на этапе проектирования определить рабочий участок, на котором оптический измерительный преобразователь может измерять перемещения мембраны, пропорциональные действующему давлению в линейном диапазоне. Такой рабочий участок характеризуется начальным зазором в середине линейного участка, который составляет 500 нм для кремниевых волноводов и 600 нм для нитрид-кремниевых. При этом линейный участок передаточной характеристики преобразователя для обоих типов волноводов оценивается в ± 80 нм относительно начального зазора. В этом диапазоне оптический коэффициент передачи преобразователя с кремниевыми волноводами меняется в диапазоне от 0 до 0,86, что соответствует величине 5,375‧106 м-1. Диапазон изменения коэффициента передачи преобразователя с нитрид-кремниевыми волноводами лежит в пределах от 0,09 до 0,53, что соответствует величине 2,75‧106 м-1. Использованные методы компьютерного анализа позволили определить оптимальные геометрические характеристики оптического измерительного преобразователя, основанного на эффекте оптического туннелирования, используемого в микроэлектромеханическом датчике давления. Представленные модели преобразователей с волноводами из двух различных материалов показали различие по своим характеристикам. Оптимальные параметры для каждой модели достигаются при различных радиусах изгиба волноводов и длинах оптической связи.
Оценка уровня электрических сигналов различной формы, таких как синусоидальные или прямоугольные, последовательности импульсов, случайные и др., чаще всего проводится по среднеквадратическому значению напряжения и коэффициенту амплитуды. Проведённый анализ позволил установить отсутствие серийно выпускаемых отечественных высокоточных измерительных преобразователей переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения, предназначенных, прежде всего, для применения в вольтметрах переменного тока и высокочастотных калибраторах напряжений. Целью работы являлась разработка, изготовление и экспериментальные исследования прототипа измерительного преобразователя переменного напряжения в постоянное для обработки синусоидальных сигналов с частотой от 1 кГц до 50 МГц и сигналов произвольной формы с коэффициентом амплитуды, равным 5. В статье описаны конструктивно-схемотехнические особенности созданного прототипа и результаты измерений его характеристик. Разработанный прототип содержит преобразователь переменного напряжения в постоянное по уровню среднеквадратического значения с микросборкой термоэлектрического преобразователя, широкополосный усилитель с восьмикратным усилением, набор электронно коммутируемых масштабирующих усилителей напряжения с коэффициентом передачи, равным 1,36; 2,15; 4,7. Прототип позволяет преобразовать синусоидальный сигнал со среднеквадратическим значением напряжения в диапазоне от 4,7 мВ до 2 В и частотой от 1 кГц до 50 МГц в постоянное напряжение с погрешностью менее ± 4 %, а погрешность преобразования прямоугольного сигнала с коэффициентом амплитуды в диапазоне от 1 до 5 не превышает ± 0,2 %. Измеренная погрешность прототипа сравнима с погрешностью применяемых средств измерений, поэтому реальная погрешность прототипа, возможно, меньше. Кроме того, при уменьшении диапазона напряжений и/или частот регистрируемых сигналов погрешность измерительного преобразователя может быть минимизирована за счёт оптимального выбора коммутируемых масштабирующих усилителей.
Разработка стрелковых электронных тренажёров (т.е. для ручного оружия и не использующих боеприпасы) является важной задачей, т. к. производство любого вида стрелкового вооружения, согласно нормативным документам, требует и производства тренажёра для привития навыков прицеливания и стрельбы. Разрабатываемое семейство электронных стрелковых тренажёров «СТрИж» включает три общедоступных уровня для самостоятельной сборки: начальный, базовый и виртуальный. Приведены структурные схемы регистраторов точки прицеливания и имитаторов оружия начального уровня и разработана методика самостоятельной сборки тренажёра из общедоступных компонент: ноутбук, веб-камера, макеты оружия, ИК-светодиоды. Разработаны конструкции нескольких типов датчиков спускового крючка с рекомендацией использовать сенсорную кнопку (особенно для автомата). Предложены новые подходы к оценке погрешности математических моделей регистраторов точки прицеливания и проверены в том числе и новые модифицированные математические модели с целью минимизации количества тарировочных точек, что актуально при ручной настройке. Проверена инвариантность математических моделей от расстояния стрельбы с помощью второго ИК-диода и коррекции по нему координат, показана её работоспособность в небольшом диапазоне изменения расстояний. Ориентация на начальную стрелковую подготовку требует постоянного отслеживания и анализа траектории прицеливания с выдачей рекомендаций по корректировке хвата-прицеливанияудержания-спуска, а значит и высокоскоростных веб-камер. Проведённые исследования погрешности определения точки прицеливания на четырёх типах макетов тренажёра показали, что субъективная составляющая (глазомерный способ прицеливания при тарировке и при проверке) вносит самый существенный вклад в погрешность и рекомендуется тарировку макета проводить только опытным пользователям обязательно с упора и используя сенсорный датчик спускового крючка.
Тканевое дыхание представляет собой многостадийный биохимический процесс, в ходе которого клетки получают энергию путём окисления органических веществ. Изучение данного процесса актуально для понимания механизмов патогенеза многих заболеваний. Целью данной работы являлось совершенствование метода исследования тканевого дыхания биологических образцов посредством разработки и внедрения полярографической ячейки из эпоксидной смолы. Полярографическая ячейка состоит из корпуса, внутренней камеры для введения биологических образцов и веществ. В верхней части корпуса расположено два отверстия разного диаметра для введения биологических образцов во внутреннюю камеру и свободного выхода из неё измененного объёма жидкости. В нижней части корпуса расположена термостатирующая трубка, выполненная из медицинского поливинилхлорида. Концы термостатирующей трубки выведены наружу и используются для присоединения к внешнему контуру водного термостата. Для работы во внутреннюю камеру ячейки, установленной на магнитную мешалку, вносят жидкую среду (буферный раствор) и биологический образец, устанавливают кислородный электрод, подключённый к многоканальной установке. Кислород-зависимый ток регистрируется программой «Record 4-usb». Оптимальную температуру в ячейке поддерживает водный термостат. После эксперимента жидкость с тканями удаляют, ячейку промывают и сушат. Результаты тестирования по оценке эксплуатационных свойств новой полярографической ячейки, полученные при исследовании скорости потребления кислорода тканевыми фрагментами тонкого кишечника интактных мышей с использованием разобщителя окислительного фосфорилирования – 2,4-динитрофенола, сопоставимы с типичными полярографическими кривыми поглощения кислорода, описанными в классических руководствах. Разработанная модель полярографической ячейки из эпоксидной смолы может стать экономически выгодной альтернативой дорогостоящему оборудованию, обеспечивая надёжность и воспроизводимость результатов. Применение данного устройства расширит доступность методики в медицинских и научных учреждениях, а также будет способствовать улучшению диагностических и фармакологических исследований. Простота эксплуатации, низкая стоимость и высокая воспроизводимость данных делают предложенную ячейку перспективным инструментом для фундаментальных и прикладных исследований в биомедицине.
Обеспечение воспроизводимой доставки дозы к поверхностным и приповерхностным структурам при лучевой терапии является важной задачей клинической дозиметрии. Существенным источником неопределённости является нарушение контакта болюса с поверхностью тела, сопровождающееся формированием воздушных зазоров. Целью работы являлась оценка влияния нерегулярности границы «болюс–фантом» на дозовое распределение. Разработана методика, сочетающая плёночную дозиметрию Gafchromic EBT3, измерения ионизационной камерой и расчёты в системе Eclipse. Показано, что зазор 0–5 мм увеличивает поверхностную дозу до + 15 %, тогда как зазоры более 5 мм приводят к снижению до – 23 %; болюс толщиной 10 мм обеспечивает более стабильное дозовое покрытие, чем 5-миллиметровый болюс. Полученные результаты подчёркивают необходимость контроля контакта «болюс–поверхность тела» в процедурах планирования и контроля качества лучевой терапии.
Исследование медико-биологических объектов ставит принципиально новые задачи перед методами сканирующей зондовой микроскопии, поскольку для оценки живых систем метод должен быть не только высокоразрешающим, но и высокоскоростным, позволяющим проводить длительные динамические наблюдения в максимально физиологичной среде с минимальным механическим воздействием на клетки. Целью работы было показать ряд ограничений метода атомно-силовой микроскопии в исследовании медико-биологических объектов, рассмотреть принцип работы метода сканирующей ион-проводящей микроскопии, режимы сканирования с получением динамических сканов и метод оценки ригидности клеток без прямого контакта зонда (нанопипетки) с образцом (клеткой). Описаны основные преимущества метода сканирующей ион-проводящей микроскопии в медико-биологических исследованиях и конструкционные особенности микроскопа, позволяющие реализовать эти преимущества. Приведён пример живых клеток (эндотелиоцитов сосудов и буккального эпителиоцита), отсканированных методом сканирующей ион-проводящей микроскопии с предоставлением карт распределения ригидности поверхности клеток.
Достоверное определение начала контакта зонда атомно-силового микроскопа с поверхностью в силовых измерениях необходимо для изучения структурных и физико-механических свойств материалов. В экспериментах в воздушной среде переход от бесконтактного взаимодействия к контактному сопровождается резким ускоренным движением острия к поверхности. В случае деформируемой поверхности высокая скорость изгиба кантилевера на участке бесконтактного взаимодействия, с одной стороны, и относительно низкая частота записи данных атомно-силового микроскопа, с другой стороны, не позволяют определить начало контакта из эксперимента, опираясь на характерные точки силовой кривой. Для решения этой проблемы предлагается использовать алгоритмы машинного обучения, «натренированные» на решении множества модельных задач. Взаимодействие острия с поверхностью моделировали гармоническим осциллятором, варьируя параметры зонда, материала и динамические условия эксперимента. Использование разработанных алгоритмов продемонстрировано на примере обработки результатов индентирования полиэтилена. Полученные контактные отклонения не совпадают с имеющимися точками экспериментальных кривых.