2017 год, №2

Содержание выпуска
ДВУХЧАСТОТНАЯ ПЕРЕКРЕСТНО-ЩЕЛЕВАЯ АНТЕННА С РЕЗОНАНСНЫМИ БОЛОМЕТРАМИ НА ХОЛОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КОСМИЧЕСКОЙ МИССИИ
КУЗЬМИН Л.С., ЧИГИНЕВ А.В.
Стр. 101 — 107
Измерение характеристик реликтового излучения является актуальной задачей современной радиоастрономии. Целью настоящей работы является расчет планарной двухчастотной перекрестно-щелевой антенны, предназначенной для работы в составе приемной системы орбитального радиотелескопа Cosmic Origins Explorer ( ), разрабатываемого Европейским космическим агентством для измерения реликтового излучения.Предлагаемая планарная антенна представляет собой металлический слой, нанесенный на диэлектрическую подложку и содержащий систему из четырех щелей, пересекающих друг друга под прямым углом. В состав антенны входит также система микрополосковых линий, предназначенных для передачи сигнала от щелей к резонансным болометрам на холодных электронах, и линза для формирования основного луча диаграммы направленности антенны. Расчет антенной системы проводился путем электродинамического моделирования в программном пакете CST Microwave Studio . В результате расчета получены диаграммы направленности антенны в двух частотных каналах, а также ее частотные характеристики.В результате расчета получены следующие характеристики приемной системы на основе перекрестно-щелевой антенны: ширина основного луча диаграммы направленности - 24,3° и 19,5°, эллиптичность луча - 4,2 % и 0,3 %, ширина полосы частот - 14,9 ГГц и 19,0 ГГц, разрешение по поляризации - 23,4 дБ и 29,6 дБ, где всюду первое значение относится к каналу 75 ГГц, второе - к каналу 105 ГГц.Предложено использование перекрестно-щелевой антенны в двухчастотном режиме совместно с резонансными болометрами на холодных электронах для работы в составе приемной системы орбитального радиотелескопа . Сравнение рассчитанных характеристик антенны с требованиями, заданными Европейским космическим агентством, показало возможность использования антенны данного типа в составе миссии .
ПАРАМЕТРИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ СИГНАЛОВ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ГРАВИИНЕРЦИОННОМ ДАТЧИКЕ
ДЖИЛАВДАРИ И.З., МЕКИД С.Н., РИЗНООКАЯ Н.Н.
Стр. 108 — 121
Рассматривается задача создания простого, надежного и высокочувствительного маятникового гравиинерционного датчика. Датчик содержит подвижную массу, удерживаемую относительно корпуса с помощью упругого торсионного подвеса. Подвижная масса совершает малые повороты под действием момента силы, обусловленного действием гравитационных сил или силы инерции. Отличительная особенность датчика состоит в том, что дифференциальная электростатическая система обеспечивает одновременное считывание полезного сигнала и уменьшение крутильной жесткости подвеса. Также особенность датчика состоит в том, что его чувствительность определяется угловой скоростью поворота подвижной массы и пропорциональной ей амплитудой переменного тока, протекающего через конденсаторы. Наличие в датчике источников переменного напряжения позволяет осуществлять параметрическое усиление переменного тока и существенно увеличивать его чувствительность. В простейшем варианте в датчике отсутствуют цепи обратных связей.На примере микромеханического линейного акселерометра путем расчетов доказывается, что периодическая модуляция коэффициента жесткости упругого подвеса позволяет существенно увеличить чувствительность прибора в области низких частот, даже в условиях отсутствия параметрического резонанса. Анализируются условия подавления фоновых составляющих тока, проникающих в выходной сигнал от источников переменного напряжения вследствие несимметричности дифференциальной электрической цепи.Подобная конструкция и построенная теория могут служить основой при создании широкого круга различных гравиинерционных приборов, работающих на подвижном основании, таких как линейные и угловые акселерометры, гравитационные градиентометры, гравиметры, наклономеры, виброметры, в том числе в гибридном или микро исполнении.
СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА ГИДРОГЕНЕРАТОРОВ
ЗАЙЦЕВ Е.А., ЛЕВИЦКИЙ А.С., СИДОРЧУК В.Е.
Стр. 122 — 130
Повышение надежности работы гидрогенераторов неразрывно связано со своевременным выявлением дефектов во время их работы. Для решения этой задачи перспективным является анализ контрольно-диагностических параметров. Целью работы являлась разработка компьютеризированной информационно-измерительной системы для измерения воздушного зазора в гидрогенераторе, в которой применены два емкостных сенсора с параллельными компланарными электродами. Рассмотрен способ определения параметров формы огибающей полюсов ротора гидрогенератора относительно центра оси вращения с использованием результатов измерения воздушного зазора системой.На основе практических исследований системы показано, что ее применение позволяет по величине информативной емкости получить высокую точность и разрешающую способность измерений зазора с возможностью линеаризации функции преобразования сенсора программным путем. Для определения отклонения формы огибающей полюсов ротора от идеального цилиндра предложено форму огибающей описывать с помощью ряда Фурье, а вычисление коэффициентов ряда производить как коэффициентов регрессии с помощью метода наименьших квадратов.Применение данного метода при обработке измерительной информации компьютеризированной информационно-измерительной системой в совокупности с разработанным первичным преобразователем с компланарными параллельными электродами позволяет достичь высокой точности и разрешения измерений по величине информативной емкости.
КВАЗИРАСПРЕДЕЛЕННАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ РЕЦИРКУЛЯЦИОННОГО ТИПА НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ СПЕКТРАЛЬНОГО МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ
ПОЛЯКОВ А.В., ПРОКОПЕНКОВА Т.Д.
Стр. 131 — 141
Обеспечение качественной и надежной работы, а также температурный мониторинг современных систем напрямую связаны с использованием инновационных оптоволоконных технологий на основе концепции так называемых распределенных и квазираспределенных датчиков, имеющих большие линейные размеры, в которых оптические волокна являются одновременно и чувствительным элементом, и каналом передачи данных. Существующие волоконно-оптические датчики на основе вынужденного комбинационного рассеяния и вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна имеют относительно высокую погрешность измерений, длительную и сложную методику измерений, высокую стоимость. Цель данной работы состояла в разработке структуры автоматизированной квазираспределенной волоконно-оптической системы измерения температуры рециркуляционного типа с использованием технологии спектрального мультиплексирования.Метод измерений основан на регистрации возникающих под воздействием температуры изменений частоты рециркуляции одиночных оптических импульсов на соседних длинах волн. При этом происходит периодическое восстановление сигнала по форме, амплитуде и длительности. Чувствительными элементами являются отрезки многомодового кварцевого волоконного световода с металлическим покрытием, разделенные спектрально-селективными элементами, в качестве которых предлагается использовать дихроичные зеркала. С помощью разработанной математической модели, учитывающей температурную зависимость коэффициента линейного расширения и модуля Юнга волокна, спектральную и температурную зависимость показателя преломления, химический состав волокна, тип металлического покрытия рассчитана функция отклика системы, позволяющая оценить чувствительность и погрешность измерений.В результате проведенных исследований определены: количество измерительных секций (8), максимальная измеряемая температура (500 °С), чувствительность метода (3,28 Гц/°С), погрешность измерений (±0,2 °С), а также оптимальное время начала измерений после запуска циркуляции (15 мин) и времени счета частотомера (1 с). Проведенные оценки показали, что по совокупности технических характеристик предлагаемая измерительная система может превзойти существующие аналоги.
ПРИБОР НА ОСНОВЕ GaInAsSb СВЕТОДИОДОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В НЕФТИ
КАБАНОВ Д.М., ЛЕБЕДОК Е.В., ШПАК П.В., ЖУК С.М., СТАШКЕВИЧ С.П.
Стр. 142 — 150
Изготовление приборов на основе полупроводниковых излучателей является важным направлением применения оптического абсорбционного метода для детектирования жидких сред. Целью данной работы являлось создание прибора для измерения содержания воды в нефти на основе GaInAsSb светодиодов.Датчик измерения концентрации воды в нефти включает 3 светодиода на различные длины волн и один широкополосный фотоприемник. Использование светодиодов на основе GaInAsSb кристаллов позволило получить высокоэффективный и точный прибор для измерения концентрации воды в нефти. Предложен способ измерения анализируемой среды с помощью проточной кюветы, учитывающий неоднородность распределения водонефтяной эмульсии. Полный цикл измерения концентрации воды в нефти состоял в измерении поглощения излучения от каждого из трех светодиодов в течение 10 с, усреднении результатов и сравнении с калибровочной кривой.Разработан прибор на основе селективного оптического абсорбционного метода детектирования для измерения содержания воды в нефти. В качестве источников излучения использованы светодиоды, излучающие в диапазоне от 1,6 до 2,4 мкм. Результаты экспериментов показали, что используемый метод позволяет производить измерения концентрации воды в нефти в диапазоне от 0,2 до 40 % с погрешностью не более 2 %.Установлены технические требования и параметры работы используемых свето- и фотодиодов, а также необходимость использования проточной кюветы для анализируемой среды. Показана возможность использования одного прибора для различных сортов нефти, а также нефтепродуктов при проведении предварительной калибровки.
РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТНО-ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА МОДУЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕННЫХ СИСТЕМ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ
БУДАЙ А.Г., ГРИНЧУК А.П., ГРОМЫКО А.В.
Стр. 151 — 159
Измерения амплитудно-фазового распределения поля излучения сложных антенных систем на некоторой поверхности вблизи излучающей апертуры позволяют решить задачи восстановления пространственной диаграммы направленности антенных систем в дальней зоне и определить влияние различных конструктивных элементов и дефектов излучающих поверхностей на формирование диаграммы направленности. Целью данной работы явилась разработка универсального аппаратно-программного комплекса модульной конструкции для определения характеристик широкого круга антенных систем по измерениям амплитудно-фазового распределения поля излучения в ближней зоне.Проанализированы описанные в литературе уравнения, связывающие структуру полей излучения антенной системы на различных расстояниях от нее в планарной, цилиндрической и сферической системах координат, а также структурные схемы аппаратной части измерительных комплексов,В результате разработана концепция построения универсального аппаратно-программного комплекса для измерения поля излучения различных типов антенных систем с любым типом поверхности измерения для решения широкого круга прикладных задач. Предложена модульная структура аппаратной части комплекса и программного обеспечения, что позволяет оперативно переконфигурировать комплекс для измерения характеристик любой конкретной антенной системы на всех стадиях разработки и испытаний изделия, а также делает комплекс экономически доступным даже для небольших предприятий и организаций.
ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ CO И NO2 МУЛЬТИСЕНСОРНОЙ МИКРОСИСТЕМОЙ В РЕЖИМЕ ИМПУЛЬСНОГО НАГРЕВА
РЕУТСКАЯ О.Г., ПЛЕСКАЧЕВСКИЙ Ю.М.
Стр. 160 — 167
Наиболее перспективными для массового применения в газоаналитической аппаратуре являются полупроводниковые газовые сенсоры, отличающиеся высокой надежностью, простотой в эксплуатации и относительно низкой стоимостью. Потребляемая мощность одиночных сенсоров в режиме постоянного нагрева составляет от 250 до 600 Вт в среднем, а в режиме импульсного нагрева не превышает 20 Вт. Целью данной работы являлось исследование эффективности режима импульсного нагрева для мультисенсорной микросистемы, состоящей из двух сенсоров на подложке из наноструктурированного оксида алюминия, по сравнению с режимом постоянного нагрева.В качестве чувствительных слоев микросистемы были выбраны SnO2+Pt+Pd и In2O3+Al2O3+Pt. Измерения сенсорного отклика в режиме импульсного нагрева проводились следующим образом:устанавливалась мощность на каждом сенсоре микросистемы 1,3 мВт, затем проводился кратковременный отжиг ( t отж. = 5 с) при мощности 61 мВт, через 15 мин осуществлялась подача детектируемых газов СО или NO2 с концентрацией 200 ppm и 4 ppm, соответственно, и фиксировались значения сопротивлений. По полученным результатам определили сенсорный отклик, максимальное значение которого через 60 с для сенсора с чувствительным слоем SnO2+Pt+Pd при воздействии СО составило 670 %, а с чувствительным слоем In2O3+Al2O3+Pt - 380 %.Установлены преимущества использования режима импульсного нагрева с точки зрения потребляемой мощности мультисенсорной микросистемы в милливаттном диапазоне энергопотребления и показана высокая работоспособность сенсоров на подложках из наноструктурированного оксида алюминия.
ФИЗИЧЕСКИЕ ПОЛЯ КРУГОВОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА В ПРИСУТСТВИИ ПЛОСКОГО АКУСТИЧЕСКИ МЯГКОГО ЭКРАНА
ДЕРЕПА А.В., ЛЕЙКО А.Г., ПОЗДНЯКОВА О.Н.
Стр. 168 — 176
Рассмотрена система в виде кругового цилиндрического пьезокерамического преобразователя вблизи плоского акустического экрана. Целью работы являлось решение задачи приема плоских звуковых волн системой «цилиндрический пьезокерамический преобразователь - плоский акустически мягкий экран» с учетом взаимодействия физических полей преобразователя между собой и преобразователя с окружающими ее упругими средами.Указанная система характеризуется нарушением радиальной симметрии радиационной нагрузки преобразователя при сохранении радиальной симметрии электрической нагрузки. При этом энергия, воспринимаемая рассматриваемой системой, распределяется между всеми модами колебаний преобразователя, в то время как преобразование механической энергии в электрическую осуществляется только на нулевой моле колебаний.Исследование осуществлялось методом связанных полей в многосвязных областях с привлечением метода изображений. Сформулирована расчетная модель системы «преобразователь-экран», позволяющая учесть взаимодействие акустического, механического и электрического полей в процессе преобразования энергии, взаимодействие цилиндрического преобразователя с плоским экраном и взаимодействие преобразователя с упругими средами вне и внутри его. Физические поля рассматриваемой системы определены путем совместного решения: волнового уравнения; уравнений движения тонких пьезокерамических цилиндрических оболочек в перемещениях; уравнений вынужденной электростатики для пьезокерамики при заданных граничных условиях, условиях сопряжения полей на границах раздела областей и электрических условиях.Решение задачи сведено к решению бесконечной системы линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных коэффициентов разложения полей. В качестве примера применения полученных соотношений произведен расчет и анализ зависимостей электрических полей рассматриваемой системы при различных параметрах ее построения от направления прихода на систему плоских волн.
ЗАВИСИМОСТЬ РАЗМЕРОВ СПЕКЛ-ПЯТЕН И ИХ КОНТРАСТА ОТ БИОФИЗИЧЕСКИХ И СТРУКТУРНЫХ ПАРАМЕТРОВ БИОТКАНИ
АБРАМОВИЧ Н.Д., ДИК С.К.
Стр. 177 — 187
Спекл-поля широко используются для оптической диагностики биотканей и оценки функционального состояния биообъектов. Спекл-поле, образованное рассеянным от исследуемого объекта лазерным излучением, несет информацию о средних размерах рассеивателей, степени шероховатости поверхности, структурных и биофизических параметрах отдельных клеток (частиц) ткани, с одной стороны, и об интегральных оптических характеристиках всей толщи биоткани, с другой стороны. Цель данной работы - установление связей между биофизическими и структурными характеристиками биоткани и световыми полями внутри биотканей.Разработанная нами модель среды дает прямую связь между оптическими и биофизическими параметрами биоткани. Расчеты проводились с использованием известных решений уравнения переноса излучения, учитывающих многослойную структуру биоткани, многократное рассеяние в среде и многократное переотражение излучения между слоями.С ростом длины волны размер спеклов, образованных нерассеянной компонентой (прямой свет) лазерного излучения, увеличивается в 2 раза - от 400 до 800 мкм в роговом слое, в 5 раз - от 0,6 до 3 мкм для эпидермиса и от 0,27 до 1,4 мкм для дермы. Типичные значения размеров спеклов, образованных дифракционной составляющей лазерного излучения, для рогового слоя и эпидермиса находятся в диапазоне от 0,02 до 0,15 мкм. Для дермы типичными являются спекл-пятна размерами до 0,03 мкм. Размер спекл-пятен диффузионной составляющей в дерме варьируется в пределах от ±10 % при 400 нм и до ±23 % для 800 нм при изменении величины объемной концентрации капилляров крови. Получены характерные зависимости и обсуждены биофизические факторы, связанные с биофизическими характеристиками биоткани, которые влияют на контраст спекл-структуры в дерме.Значения размеров спеклов в слоях биоткани варьируются от долей микрометра до миллиметра. Установленная зависимость позволяет определить глубину проникновения излучения в биоткань, исходя из размеров спеклов. Расчет контраста спекл-структуры рассеянного излучения в видимом диапазоне на различной глубине в биоткани позволил установить зависимость величины контраста интерференционной картины от степени оксигенации крови и объемной концентрации капилляров в дерме.
ВЛИЯНИЕ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ВИБРАЦИОННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕДУРЫ ЭЛЕКТРОСТИМУЛЯЦИИ
КИСЕЛЕВ М.Г., ЛАБУНЬ Е.И., ЛЮЦКО П.С.
Стр. 188 — 194
Целью работы являлось изучение влияния дополнительного вибрационного эффекта на эффективность процедуры электростимуляции. Описан экспериментальный приборный комплекс, который включает в себя аппаратный комплекс для выполнения процедуры электростимуляции с использованием массажера ударно-фрикционного действия.С целью повышения эффективности выполнения процедуры электростимуляции авторами предложено осуществлять ее с использованием массажера ударно-фрикционного действия. Рассмотрены изменения динамометрических характеристик у волонтеров до начала процедур стимуляции и по окончании серии из семи процедур.В результате обработки полученных экспериментальных данных и их последующего анализа установлено, что применение вибрационного воздействия сопровождается приростом динамометрических параметров у нетренированных волонтеров. Также отмечено, что увеличение частоты вращения насадки при ударно-фрикционном воздействии с 20 до 30 Гц положительно влияет на результативность процедуры.На основании обобщенного анализа полученных данных, отражающих влияние сообщаемых электроду вынужденных колебаний на протекание процедуры электростимуляции, установлено, что для достижения ее наибольшей эффективности следует использовать колебательные системы, обеспечивающие ударно-фрикционный режим его взаимодействия с поверхностью кожи, в частности массажер ударно-фрикционного действия.