close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

;docx

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Университет ИТМО
Сборник трудов
II Международной
научно-практической конференции
«Sensorica - 2014»
Санкт-Петербург
2014
Сборник трудов II Международной научно-практической конференции
«Sensorica - 2014». – СПб: Университет ИТМО, 2014. – 179 с.
В издании «Сборник трудов II Международной научно-практической
конференции Sensorica – 2014» публикуются работы, представленные в рамках
II Международной научно-практический конференции Sensorica, которая
состоялась 11–13 ноября 2014 года в Университета ИТМО
ISBN 978-5-7577-0487-6
Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и
фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009
году статус национального исследовательского университета. С 2013 года
Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности
российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных
центров, известной как проект «5 в 100». Цель Университета ИТМО –
становление
исследовательского
университета
мирового
уровня,
предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию
всех направлений деятельности.
 Университет ИТМО, 2014
Авторы, 2014
Конференция «Sensorica - 2014»3 Добро пожаловать на ежегодную Международную
Научно-практическую конференцию «Sensorica 2014»,
которая проводится на базе Университета ИТМО!
Организованная
и
проведенная
Университетом ИТМО в октябре 2013 года первая
международная конференция «Sensorica – 2013» вызвала
большой интерес специалистов самых разных областей
науки и техники, студентов, магистрантов и аспирантов.
Поэтому было принято решение сделать ее регулярной и
ежегодной и провести в очередную конференцию
«Sensorica - 2014» также на базе нашего университета в
ноябре 2014 года.
На конференции пройдут заседания и дискуссии по секциям по
инновационным направлениям развития этой области знаний и технологий,
среди которых, например, такие, как собственно сенсоры и методы их
применения, сенсорные сети, материалы для сенсоров, обработка данных,
полученных с помощью сенсоров. Основная цель конференции – обмен
научными и практическими результатами, взаимопроникновение идей, создание
глубоких связей между специалистами из разных стран и разных
специальностей, а также привлечение представителей инновационного бизнеса.
В программный комитет конференции «Sensorica-2014» входят ведущие
российские и зарубежные специалисты, работающие в области сенсорики. Это
генеральный директор ОАО «Авангард» Санкт-Петербург, д.т.н., профессор
Шубарев Валерий Антонович, руководитель института технической
термодинамики Университета г. Зиген, Германия, профессор Томас Зеегер,
руководитель Института измерений и сенсорных технологий Западного
Рурского университета, Германия, профессор Йорг Химмель, декан инженернофизичесукого факультета и заведующий кафедрой электроники, руководитель
программы подготовки магистров «Сенсоры и сенсорные сети» Университета
ИТМО, доктор технических наук, профессор Лукьянов Геннадий Николаевич.
Среди целей проведения конференции: обобщение накопленного опыта в
области сенсорики и смежных областях; определение актуальных направлений
развития; обмен научными достижениями; повышение эффективности
инновационной
деятельности
в
области
сенсорики.
Конференция
предусматривает обширную научную и деловую программу.
Надеемся увидеть всех на конференции «Sensorica 2014»!
С уважением, член-корреспондент РАН,
ректор Университета ИТМО
Васильев В.Н.
4 Конференция «Sensorica - 2014» Открытое акционерное общество (ОАО)
«Авангард» (изначально с 1 октября 1948 г.
НИТИ-18, затем ЛНИТИ и ЛНПО «Авангард»)
является ведущим предприятием радиоэлектронного комплекса Российской
Федерации в областях создания инновационных технологий радиоэлектроники.
В
настоящее
время
ОАО
«Авангард»
ориентируется
на
высокотехнологичные
направления
микросистемотехники
(МСТ):
акустоэлектронику и хемотронику.
МСТ – это комплексное технологическое направление электроники,
использующее сенсоры в микроэлектронном исполнении, позволяющие
получать информацию о физических, химических, биологических свойствах
среды в электронном виде для последующего направленного управления средой
или исполнительными приборами и механизмами. МСТ является
инновационным направлением в радиоэлектронике, использующее самые
последние научные достижения физики, химии, биологии с использованием
современных материалов и технологий, включая самые последние достижения
нанотехнологии, с использованием наноматериалов.
Предприятие разрабатывает, производит и реализует широкую гамму
микросенсоров, на их базе создано производство самых современных датчиков:
давления, деформации, микроперемещения, силы, температуры, ускорения, угла
поворота, концентрации газов и различных примесей. Эти сенсоры работают в
активном (с источниками электрического питания) и в пассивном режиме (без
источников питания). Сенсоры и датчики на их основе позволили создать
радиоэлектронные системы для контроля, диагностики и мониторинга
безопасности сложных технических объектов промышленности, транспорта и
жилищно-коммунального хозяйства с повышением качества жизни населения. В
этих системах объединены до нескольких тысяч датчиков, сигналы от которых
передаются по проводным и беспроводным каналам.
Большинство
продуктовых
направлений
предприятия
логично
объединились в стратегический комплекс – «Безопасный интеллектуальный
город». ОАО «Авангард» в содружестве с рядом предприятий, образовавших
Ассоциацию радиоэлектронных предприятий Санкт-Петербурга, выступило с
инициативой создания в регионе программы «Безопасный интеллектуальный
город Санкт-Петербург» и сформировало региональный инновационный кластер
для реализации этой программы. На первом этапе силами предприятия был
реализован проект «Умный квартал», на очереди – проект «Безопасный
интеллектуальный район города».
Конференция «Sensorica - 2014»5 Сенсорика является одной из быстро развивающихся
областей знания. Ее прогресс обусловлен комплексным
развитием и инновационными прорывами в целом ряде
научных дисциплин, таких, как физика, химия,
микроэлектроника, оптика, наука о материалах,
вычислительная математика.
Несмотря на появление устройств с характеристиками,
которые еще несколько лет назад считались
недостижимыми, прогресс в этой области не
останавливается. В частности, размеры некоторых
сенсоров для обнаружения химических соединений могут
ограничиваться одной молекулой. Чувствительность
современных, выпускаемых серийно, сенсоров для измерения давления на
основе пьезорезистивного эффекта вышла на уровень, который еще несколько
лет назад достигался только на основе применения оптических методов.
Этот прогресс настоятельно требует периодического общения специалистов
работающих в области сенсорики с применением разных методов для
выполнения стоящих перед ними задач. Эту задачу в полной мере решает данная
конференция и это подтверждается опытом прошлогодней конференции, когда в
финальной дискуссии приняли участие специалисты в области технических
наук, физики химики, оптики, акустики, специалисты по искусственному
интеллекту и информационным технологиям. Все сошлись во мнении, что такая
междисциплинарная конференция, объединяющая разных специалистов под
единым названием «Сенсорика», оказалась полезной и должна стать регулярной.
Декан инженерно-физического факультета
Университета ИТМО,
руководитель магистерской программы
«Сенсоры и сенсорные сети»
профессор Г.Н. Лукьянов
6 Конференция «Sensorica - 2014» Северо-Западный Центр Трансфера Технологий (СЗЦТТ)
создан с целью реализации полного цикла услуг,
направленных на структурирование и коммерциализацию
инновационных проектов в области нанотехнологий и
инфраструктурную
поддержку
их
трансфера
в
промышленность и на рынок.
Учредителями ООО «СЗЦТТ» являются Фонд
инфраструктурных
и
образовательных
программ
ОАО «РОСНАНО», Правительство Ленинградской области, ООО «Проектный
нанотехнологический центр» (ПРОНАНО).
Ключевыми задачами СЗЦТТ являются:
Содействие научным организациям, компаниям и предприятиям региона в
решении следующих задач:
- поиск партнёров по технологической кооперации в России и за рубежом;
- подготовка технологических разработок к продаже;
- «упаковка» инвестиционных проектов с целью создания технологических
компаний с привлечением в них финансирования и предоставления
необходимого оборудования в аренду.
Ключевые функции СЗЦТТ:
- Проведение
экспертизы
инновационных
проектов,
осуществление
мониторинга и отбора нанотехнологий для коммерциализации;
- Формирование
финансовых
и
организационных
инструментов,
способствующих эффективной реализации проектов;
- Проведение заказных ОКР для доработки новых технологий, разработок и
опытных образцов с учётом требований рынка (создание рыночноориентированных промышленных образцов);
- Коммерциализация результатов НИОКР;
- Обеспечение малых нанотехнологических компаний инфраструктурой и
оборудованием;
- Патентное и лицензионное обеспечение компаний, защита прав
интеллектуальной собственности;
- Подготовка и переподготовка кадров для наукоёмкого бизнеса с применением
нанотехнологий на основании требований рынка;
- Содействие образовательной деятельности, участие в региональных
образовательных программах.
Основными бизнес-направлениями СЗЦТТ являются:
- Наноэлектроника (медицинские сенсоры, интеллектуальные транспортные
системы, мониторинг зданий и сооружений);
- Наноматериалы (геоматериалы, полимеры, композиты, нанопорошки);
- Радиационные технологии (ускорители, стерилизация, радиомедицина, ИТ).
В рамках проекта СЗЦТТ планируется строительство Технопарка (комплекс
зданий в городе Гатчина Ленинградской области). Конференция «Sensorica - 2014»7 Программный комитет
Председатель – ректор Университета ИТМО, член-корреспондент РАН,
д.т.н., профессор Васильев Владимир Николаевич
Заместитель председателя – декан Инженерно-физического факультета
Университета ИТМО, д.т.н., профессор Лукьянов Геннадий Николаевич
Заместитель председателя – декан Института измерений и сенсорных
технологий, проректор по исследованиям и развитию Западного Рурского
университета, Германия, профессор Йорг Химмель (Jörg Himmel)
Заместитель председателя – руководитель института технической
термодинамики Университета г. Зиген, Германия, профессор Томас Зеегер
(prof. Seeger)
Заместитель председателя – генеральный директор ОАО "Авангард" д.т.н.,
профессор Шубарев Валерий Антонович
Заместитель председателя – генеральный директор «Северо-Западного центра
трансфера технологий» Сергей Владимирович Хмелевский
Организационный комитет
Никифоров Владимир Олегович – проректор по научной работе Университета
ИТМО, д.т.н., профессор
Лукьянов Геннадий Николаевич – декан Инженерно-физического факультета
Университета ИТМО, д.т.н., профессор
Итин Алексей Леонидович – ассистент кафедры твердотельной оптоэлектроники
Университета ИТМО
Любан Карина Александровна – администратор «Северо-Западного центра
трансфера технологий»
Лукьянов Валерий Дмитриевич – начальник учебного центра ОАО «Авангард»
8 Конференция «Sensorica - 2014» Пленарное заседание конференции
Место проведения: Кронверкский пр., д.49, Актовый зал
Время проведения: 11 ноября, 10:00
10:00
Приветственное
слово
ректора
Васильева Владимира Николаевича
Университета
ИТМО
10:10
Доклад руководителя института технической термодинамики
Университета г. Зиген, Германия, профессора Томаса Зеегера
«Laser diagnostics in sooting flames»
10:30
Доклад
декана
Инженерно-физического
факультета
Университета ИТМО, д.т.н., профессора Лукьянова Геннадия
Николаевича «Sensorics in researches of dynamical processes»
10:50
Доклад декана Института измерений и сенсорных технологий,
проректора по исследованиям и развитию Западного Рурского
университета, Германия, профессора Йорга Химмеля «Influencing
Parameters on Measuring the Cross-Section Area of Hot Rolled Rods in
Steel Industries»
11:10
Доклад
руководителя
международной
лаборатории
Университета ИТМО «Искусственные Сенсорные Системы», к.х.н.
Легина Андрея Владимировича «Recent advances of artificial sensory
systems: selected unusual applications»
11:30
Доклад генерального директора «Северо-Западного центра
трансфера технологий» Сергей Владимировича Хмелевского
«Market review of sensors: rate of growth, main drivers, trends,
prognosis»
Конференция «Sensorica - 2014»9 Секция «Сенсоры и сенсорные сети»
Место проведения: Кронверкский пр., д.49, Актовый зал
Время проведения: 12 ноября, 10:00
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Ch. Brücker, V. Mikulich A new wall-shear stress sensor on the basis of a wallmounted cantilever and light interference.
Гладков И.Н. Разработка автоматизированного прибора для измерения
кривой силы света светодиодов.
Карпиков С.Р. Микромеханический акселерометр с перестраиваемым
диапазоном измерения.
Ключев.А.О., Кустарев П.В., Пенской А.В., Платунов А.Е Использование
HLD-методологии для проектирования сенсорных сетей.
Мокрый Г.О., Силаков Д. М., Черенков А. И., Евдокимов А. И. Система
мониторинга подтопления жилых домов в Санкт-Петербурге грунтовыми
водами.
Молев Ф.В., Сергушев А.Г., Шварцман А.И., Яковлев А.В. Индукционный
датчик положения для систем мониторинга деформаций.
Молев Ф.В., Сергушев А.Г., Ширманов А.И. Построение сенсорной сети
для системы мониторинга потенциально опасных объектов.
Григорьев Л.В., Корнев А.А., Сумин Ю.В. Интеллектуальный датчик
давления для необитаемого автономного телеуправляемого аппарата.
Григорьев Л.В., Нефедов В.Г., Шакин О.В Гиперспектральные сенсоры на
гетеростуктуре оксид цинка-сегнетоэлектрик.
Стендовые доклады
1. Борисов И. И., Кривошеев С. В., Резников С. С. Датчики, необходимые для
обеспечения обратной связи электромеханического протеза кисти.
2. Бухлин А.В., Верюжский И.В., Степанов П.А. Сенсор магнитного поля с
широким динамическим диапазоном на основе высокотемпературного
сверхпроводника системы BiPbSrCaCuO.
3. Вигилев П.В., Григорьев Л.В., Железняк А.Е., Лямец Д.А., Самчук Л.Д.,
Интеллектуальное фотоприемное устройство терагерцового диапазона.
4. Идрисов Р.Ф., Варжель С.В., Куликов А.В., Мунько А.С. Фазовые
интерферометрические датчики на основе волоконных брэгговских решеток
с дискретно изменяющимся периодом.
5. Силаков Д.М., Манвелова Н.Е., Мокрый О.Г., Манвелова Т.А. Датчики
давления с акустоэлектронными сенсорами на объемных акустических
волнах для радиозондов.
10 Конференция «Sensorica - 2014» Секция «Общие вопросы применения сенсоров»
Место проведения: Кронверкский пр., д.49, Актовый зал
Время проведения: 12 ноября, 12:40
1.
J.W. Tröger , T. Seeger. Vibrational CARS Thermometry Measurements
performed at a Test Bench for Industrial Oxy-Fuel Burners
2. T. Morgenstern, J. Himmel, J. Weidenmueller, O. Kanoun. Influencing
Parameters on Measuring the Cross-Section Area of Hot Rolled Rods in Steel
Industries
3. S. Schlüter,S. Asbach, N. Popovska-Leipertz, A. Leipertz,T. Seeger. Rapid and
simultaneous multi-species measurements with a portable Raman probe for lowpressure range on the example of the anesthetic gas monitoring
4. M.V. Zhukov, I.S. Mukhin, V.V. Levichev, A.O. Golubok. Peculiarities of work
of the local force sensor based on hydrophilic Pt/C whiskers located on the top of
the scanning force microscope Si cantilever
5. N.K. Plugotarenko, V.V. Petrov, A.I. Bahmatskaya Multisensory gas-analyzing
device: particular of the signal processing
6. Абрамов Н.А., Болсуновская М.В., Одоевский А.С. Использование
автоматических систем обработки данных для совершенствования
технологий человеко-компьютерного взаимодействия
7. Бородин Д.А., Кораблев В.А., Минкин Д.А., Шарков А.В. Тепловизионная
дефектоскопия высокотеплопроводных материалов
8. Жуков М.В., Мухин И.С., Левичев В.В., Голубок А.О. Особенности работы
сенсора локальной силы на основе гидрофильного Pt/C вискера,
локализованного на вершине Si кантилевера сканирующего силового
микроскопа
9. Калинин В.А., Сорокин А.В. Анализ возможности построения
антиколлизионных ПАВ датчиков с интегрированным полупроводниковым
чипом
10. Ковальский И.С., Лукьянов Г.Н. Моделирование взаимодействия
постоянных магнитов
11. Ляшенко А.Л. Анализ синтез распределенных объектов управления с
подвижным источником воздействия
12. Рассадина А.А., Лукьянов Г.Н. Применение сенсоров в диагностике
заболеваний верхних дыхательных путей
13. Фастова Н.И., Ишанин Г.Г. Образцовые излучатели для паспортизации
сенсоров
Стендовые доклады
1. Агейкина П.О. Методика ускоренных испытаний терморезисторных сенсоров
2. Афанасьева О.В. Оценка перспектив применения сенсорных датчиков для
вибродиагностирования судовых дизелей
Конференция «Sensorica - 2014»11 3. Афанасьева О.В., Ахметшин И.Р., Щербаков А.В. Метод оценки уровня
качества и эффективности сенсорных сетей
4. Клавдиев А.А., Королев Ю.А., Косинский С.В. Метод оценки технического
уровня элементов сенсорных устройств
5. Коннов К.А., Забиякин А.Н., Варжель С.В., Грибаев А.И., Лавров В.С.
Исследование влияния механических напряжений на характеристики
волоконных брэгговских решеток
6. Никитенко А.Н., Мехреньгин М. В., Волковский С. А., Михеев М. В. Система
сбора и предварительной обработки информации для сейсмического
акселерометрического трехосного датчика
7. Первухин Д.А., Тимофеева А.И. Применение сенсорных органов управления
и отображения информации в автоматизированных рабочих местах
подвижных объектов
8. Погорелая Д.А., Дейнека И.Г., Шуклин Ф.А., Смоловик М.А., Лавров В.С.,
Волковский С.А. Псевдогетеродинная демодуляция сигнала фазовых
волоконно-оптических интерферометрических датчиков
9. Шимко А.Ю., Строганов К.А., Калинин В.А. Повышение точности
акустоэлектроного первичного преобразователя физической величины при
дистанционном измерении
10. Шкавро А.И. Исследование управляемого многоэлементного источника
излучения на основе светодиодов
11. Янченков М.Ю. Система обеспечения безопасности в местах скопления
людей на основе сенсора ионной подвижности
Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике»
Место проведения: Кронверкский пр., д.49, Актовый зал
Время проведения: 13 ноября, 10:00
1.
2.
3.
4.
Бородин Д.А., Кораблев В.А., Минкин Д.А., Шарков А.В. Метод измерения
среднеповерхностных температур теплоотдающих поверхностей при
исследованиях теплообмена.
Климов А.А. Синтез системы управления температурным полем буровых
шнеков.
Пелипенко
П.А.
Теплопроводность
сенсорных
датчиков
в
горнодобывающей отросли.
Дураев В.П., Касаткин Е.В. Одночастотные полупроводниковые лазеры.
12 Конференция «Sensorica - 2014» Стендовые доклады
1. Аксарин С.М., Лавров В.С., Грибаев А.И., Коннов К.А., Варжель С.В,
Погорелая Д.А Исследование зависимости параметров анизотропных
одномодовых волоконных световодов от приложенного давления.
2. Алейник А.С., Плотников М.Ю., Киреенков А.Ю., Мехреньгин М.В.
Подстройка рабочей длины волны источника оптического излучения в
фазовых волоконных датчиках на брэгговских решетках.
3. Михайлова А.М., Колоколова Е.В., Никитина Л.В., Михайлов Е.Д. Разработка
и исследование газочувствительных элементов для контроля состояния
энергетических комплексов.
4. Мунько А.С., Варжель С.В., Архипов С.В., Куликов А.В. Компенсация сдвига
длины волны брэгговского резонанса волоконной решетки показателя
преломления с помощью элемента Пельтье.
5. Мухтубаев А.Б., Аксарин С.М. Исследование влияния ортогонально
поляризованных обратных отражений на источник оптического излучения.
Секция «Моделирование процессов»
Место проведения: Кронверкский пр., д.49, Актовый зал
Время проведения: 13 ноября, 11:30
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
S. Polishuk. Filtration and prediction of experimental data with application
NARMAX method
Авраменко А. Анализ данных сенсорных датчиков на гибридном
суперкомпьютере
Волков А.В, Осколкова Е.С, Плотников М.Ю. Исследование алгоритмов
демодуляции интерференционных сигналов
Ильюшин Ю.В. Анализ данных сенсорных датчиков объектов с
распределенными параметрами
Проскура С.В. Основные понятия анализа и синтеза систем
автоматического управления сенсорными датчиками
Романов А.Ю. Разработка графического сенсорного интерфейса
Сиваков И.А., Пилипенко Н.В. Измерение нестационарного теплового
потока для прогнозирования времени сохранения несущей способности
тоннельных сооружений при пожаре
Конференция «Sensorica - 2014»13 Секция «Материалы и технологии для сенсорики»
Место проведения: Кронверкский пр., д.49, Актовый зал
Время проведения: 13 ноября, 13:30
1.
A. Veselov Atomic Layer Deposition (ALD) Technology of Picosun Oy and its
Application in the Sensor Fabrication
2. S.V. Mjakin, I.E. Kononova, S.S. Nalimova, V.A. Moshnikov. Enhancement of
metal oxide gas sensors by surface modification via electron beam processing
3. Агафонова Д.С., Сидоров А.И., Игнатьев А.И., Колобкова Е.В. Оптические
волокна с квантовыми точками халькогенидов кадмия и молекулярными
кластерами серебра для чувствительных элементов волоконно-оптических
датчиков коротковолнового излучения
4. Бабушкин Т.В. Приемники инфракрасного излучения на основе
высокотемпературного сверхпроводника системы Bi-2223
5. Григорьев Л.В. Кремниевый нанокомпозит для интегрально-оптических
датчиков электрического поля
6. Итин А.Л. Разработка схемотехнического решения для анализатора солей
кобальта в воде
7. Конаков С.А. Микрореакторные технологии для газофазного синтеза
чувствительных слоев в химических сенсорах
8. Пинаева У.В., Игнатьева Ю.А., Олехнович Р.О., Успенская М.В.
Полимерные сенсорные материалы для определения ионов поливалентных
металлов
9. Рыбин С.С., Григорьев Л.В. Исследование фотоэлектрических свойств
структуры широкозонный полупроводник-сегнетоэлектрик в лазерных
полях
10. Шейкина Н.В., Петров В.М. Оптимизация ориентации электрооптического
эффекта в ниобате лития для создания высокочувствительных
интегральных сенсоров электрического поля
Стендовые доклады
1. Агафонова Д.С., Пшенова А.С., Сидоров А.И. Сенсоры и дозиметры УФ
излучения на основе волокон с люминесцентными молекулярными
кластерами серебра и полупроводников
2. Архипова Н.В., Михайлова А.М., Ковынева Н.Н. Электрохимический сенсор
для определения серосодержащих газовых компонентов
3. Денисюк С.В., Куданович О.Н., Колесник Э.Э. Получение пленок MoO3 для
газовых сенсоров
4. Егоров В.И., Звягин И.В., Ильина Е.А., Ростокин П.В., Сидоров А.И. Новые
методы формирования наночастиц серебра на поверхности стекла для
сенсорных применений
14 Конференция «Sensorica - 2014» 5. Заблоцкий С.В., Баженов Н.Л., Мынбаев К.Д. Гетероэпитаксиальные
структуры CdHgTe/Si для «p+–n» и «n+–p» фотодиодов инфракрасного
диапазона
6. Колоколова Е.В., Михайлова А.М., Зубцова К.С. Полимерные
протонпроводящие нанокомпозиты для тонкопленочных сенсорных
устройств
7. Михайлова А.М., Ефанова В.В., Горская Н.И. Чувствительные элементы
датчиков токсичных газов на основе супрамолекулярных систем
8. Посмитная Я.С., Рудницкая Г.Е., Лукашенко T.A., Евстрапов A.A. Изменение
оптических и поверхностных свойств полидиметилсилоксана при обработке
физико-химическими методами
9. С.В. Колесниченко, А.С. Марчук, А.С. Мястенкова С.В. Разработка
методического аппарата оценки точности чувствительных элементов
комплексированных систем управления сложных технических систем
10. Тузова Ю.В., Асеев В.А., Колобкова Е.В.Исследование альтернативных
активных сред для люминесцентных датчиков температуры
11. Ясенко Е.А., Челибанов В.П. Обратимая реакции образования эндопероксида
рубрена, как сенсор и источник синглетного кислорода в воздухе.
Секция «Оптико- электронные сенсоры»
Место проведения: пер. Гривцова, д.14, каф. ОЭПиС
Время проведения: 13 ноября, 15:30
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Tyurikova E.P., Ryzhova V.A.Research of polarizing properties of lens
components of optical system
Васильев А.С., Коняхин И.А., Молев Ф.В. Оптико-электронный
преобразователь контроля смещений элементов крупногабаритных
конструкций
Горбунова Е.В., к.т.н., Коротаев В.В., д.т.н., Чертов А.Н., к.т.н., Шитов Д.Д.
Коррекция цветопередачи систем технического зрения методом
преобразования с помощью триангуляции их цветового пространства
Коротаев В.В., Нгуен Х.В., Ярышев С.Н. Исследование погрешности
измерения оптико-электронных датчиков на основе стереоскопической
системы конвергентного и нормального видов
Коротаев В.В.; Клещенок М.А. Оптико-электронная система контроля
соосности
Ластовская Е.А. Исследование макета оптико-электронной системы
неинвазивного контроля глюкозы
Маркварт Е. Моделирование формы кристаллических объектов для их
анализа с помощью телевизионных ОЭС
Моисеев Е.А. Обзор оптико-электронных биометрических датчиков
контроля и управления доступом
Конференция «Sensorica - 2014»15 9.
10.
11.
12.
13.
Моисеева А.А., Коняхин И.А Исследование автоколлимационного сенсора
углового положения на основе четырёхгранного отражателя
Никулин А.В., Тимофеев А.Н., Пантюшин А.В. Оптико-электронный
преобразователь для контроля положения железнодорожного пути
Прохин Д.В., Лашманов О.Ю., Тимофеев А.Н. Оптико-электронная система
контроля износа лопаток паровых турбин низкого давления
Сахариянова А.М., Коняхин И.А. Исследование виньетирования пучков в
оптико-электронной автоколлимационной системы измерения углов
Трушкина А.В., Рыжова В.А. Разработка экспериментальной установки для
исследования поляризационных свойств оптических систем
Пленарное заседание
конференции
18  Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание УДК 533.9.082.5
Laser diagnostics in sooting flames
Thomas Seeger,
Institute of Engineering Thermodynamics, University of Siegen
[email protected]
Fuel combustion, which is one of the major energy conservation processes, is connected with
the production of pollutants such as soot and nitric oxides. Soot formation and oxidation, which are
in the focus of the investigation reported here, are sensitive to the local combustion conditions since
the pre-particle soot inception chemistry is relatively slow[1]. The local temperature, residence time,
and mixture fraction have been identified as important variables in soot production, in addition to the
chemical structure of the fuel. Therefore quantitative information about the phenomenology of soot
formation i. e. the dependence of soot formation on fuel, mixture composition, temperature, pressure
additives, turbulence, requires experiments over a large range of the operation parameters under well
defined conditions. Up to now many studies have been conducted concerning laminar sooting
premixed and diffusion flames using C2H4 and C2H2 as fuel (see, e.g., Refs.[2-4]) and there are also
some studies on CH4[8-9]. Nevertheless, in most of these studies intrusive measurement techniques
like thermocouples, mass spectrometer or gas chromatographs have been used. Investigation of soot
formation and oxidation processes in laminar diffusion flames are, however, complicated because of
the requirement of high spatial resolution due to steep temperature and concentration gradients.
Therefore optical techniques seem to be best suited under these flame conditions being non-intrusive
and providing high spatial resolution. Nevertheless there are problems due to the flame luminosity,
absorption effects and the presence of soot particles in the measurement volume.
In this work different laser based sensor systems for the precise measurements of gas phase
temperature and species concentration in sooting flames are explained and their diagnostic potential
is demonstrated.
A senor system based on the coherent anti-Stokes Raman technique (CARS) is a useful tool for
such measurements. In order to overcome the above mentioned challenges a rotational CARS setup
or a dual broadband CARS-technique was developed[7, 8]. Applications to different types of flames
will be shown.
The concentration of major species in the surrounding gas can been measured by using
spontaneous Raman scattering. To avoid interferences with laser- induced fluorescence signals
attributed to polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) a polarization based Raman sensor system has
been applied to measure the concentrations of CO2, CO, O2, N2, CH4, C2H2, H2O, H2
simultaneously[9].
References
Glassman,Proc. Combust. Inst. 1988, 22, 295
H. Böhm, D. Hesse, H. Jander, B. Lüers, J. Pietscher, Gg. Wagner and M. Weiss, Proc.
Combust. Inst. 1988, 22, 403
3.
F. Mauss, Th. Schäfer and H. Bockhorn, Combust. Flame 1994, 99, 697
4.
H. Geitlinger, Th. Streibel, R. Suntz, H. Bockhorn, Proc. Combust. Inst. 1998, 27, 1613
5.
K. C. Smyth, J. H. Miller, R. C. Dorfman, W. G. Mallard, R. J. Santoro, Combust. Flame
1985, 62, 157
6.
J. P. Gore, N. J. Zhan, Combust. Flame 1996, 105, 414
7.
M. C. Weikl, Y. Cong, T. Seeger, A. Leipertz, Appl. Opt. 2009, 48, B43
8.
S. R. Engel, A. F. Koegler, Y. Gao, D. Kilian, M. Voigt, T. Seeger, W. Peukert, A. Leipertz,
Appl. Opt. 2012, 51, 6063
9.
J. Egermann, T. Seeger and A. Leipertz, Appl. Opt. 2004, 43, 5564
УДК 536.53:532.574.6: 51-74:612.21
1.
2.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание 19 Sensorics in researches of dynamical processes
G. Lukyanov1, A. Voronin), A. Rassadina1, R. Neronov2, S. Polishuk1
1 - ITMO University, 2 - Medical Center of JSC "Admiralty Shipyards"
Introduction
Research of dynamical processes allows to obtain more detailed information about the behavior
of the studied object. The term "dynamical" is often interpreted not in terms of the passing of the test
process, as, for example, of the possibilities of the sensors used in the measurements.
This information can be used to refine existing models of the processes and, in turn, to better
understand the evolution of the processes.
For example, if we consider the process of human respiration, all can agree that this is a dynamic
process. However here it is necessary to be defined by that in this context designates the term
"dynamical". Widespread and applied research methods often deal with the rhythm of breathing and
with some averaged characteristics. Studies realized by us indicate that the information on the faster
process, allows more accurate assessment of the human condition. These processes include for
example the information of air vortices in the sinuses and at the entrance to the nostrils. For their
research had to create a sensor, which is based on high- response rate miniature temperature sensors.
1 Experimental study of respiration [1-7]
Developed a special sensor [1, 2], which is used with slight modifications to the present day.
The sensor is used to measure of rapid fluctuations of variables such as temperature, pressure or
velocity at the inlet to the nose during respiration. In the design of the sensor has been developed
design for the lowest possible distortion of the air flow and extremely fast response to changes in
temperature and speed. Typical results of measurements made with it are shown in the figures below.
For example, in Fig. 1 shows the result of measurement of air velocity fluctuations at the inlet to the
nostril in a healthy person, and in patients with asthma.
Figure 1 - The results of measurements of velocity fluctuations of air at the inlet to the nostril.
Left- in a healthy person; right- of the patient with asthma
Measurement at the inlet to the human nose, carried by this sensor and parallel measuring of heart
rate, have shown that there is synchronization of frequency of rotation of an air whirlwind with the
frequency of R-teeth on the cardiogram (fig. 2).
20  Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание Figure 2 - Synchronization of frequency of rotation of an air whirlwind in a nostril with a
frequency of R-teeth on the cardiogram
For a better understanding of the results obtained with our sensors were modeled air flow
through the upper respiratory tract. For this purpose 3D- model of upper respiratory tract, derived
from the results of multislice computed tomography (MSCT). Computer simulation was carried out
using a virtual model 3D- upper respiratory tract and measured the pressure fluctuations in the nasal
passages and sinuses on two solid 3D- models of upper respiratory tract, printed 3D- printer on the
results of imaging the human head before and after removal of the cyst of the frontal sinus.
2 Processing of results
When processing methods were used, allowing for the characteristics of the chaotic behavior
of the studied processes.
Methods of calculating the spectral analysis based on the Fourier transform
Figure 3 - The power spectral density for fluctuations in air flow rate nostril. Left- healthy
person, to the right patient
Estimating of dimension and entropy
Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание 21 Figure 4 - The reconstructed attractors for fluctuations of velocity of a stream of air in a
nostril. At the left - the healthy person, on the right - the patient (asthma)
Nonlinear dynamic statistical models
Figure 5 - The result with the NARMAX- model. Blue- temperature fluctuations during the
motion of air at the inlet to the nostril, red- NARMAX- model of this process
3 Simulation
3.1. The results of computer simulation using virtual models 3D- upper respiratory tract
Figure 6 - Air velocity in the sinuses
3.2. Modeling using solid 3D- models
Figure 7 - Solid model of internal human nasal channels: 1 - solid model of the nasal cavity, 2
- pressure sensors, 3 - processing device 4 - to simulate the breathing tube
22  Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание Figure 8 - The pressure fluctuations in the nostrils of the solid model
Conclusions
Application of tiny high-speed sensors allows to receive essential information on the studied
process and it is better to understand his behavior at fast changes of conditions. For deeper
understanding, it is also necessary to apply various models, to specify them on the basis of comparison
to results of measurements. Among such models can be as numerical computer models, natural
models, and also dynamic models.
References
1. Г. Н. Лукьянов, А. А. Рассадина, О. А. Дранишникова, Е. В. Скирмандт, В. И. Усачев
Исследование тепло- и массообменных характеристик дыхания / // Изв. вузов. Приборостроение. 2005. Т. 48, № 5. С. 63—67.
2. Lukyanov G., Rassadina A. Comparison and the analysis of the processes of the movement
of air through the human breathing system and its natural model // IEEE. - 2005. - Vol. Catalog
Number : 05EX1099C. - P. 872-875.
3. Lukyanov G., Rybina L., Serov I. Identification of the psychophysiological state of the man
// IEEE. - 2005. - Vol. Catalog Number : 05EX1099C. - P. 884-886.
4. Г. Н. Лукьянов, Воронин А. А., Дмитриев И. А., Рыбина Л. А. Измерительный комплекс
для исследования колебательных процессов в человеческом организме.
Приборостроение, N4, 2010, с. 18-22.
5. Лукьянов Г.Н., Воронин А.А. Экспериментальные исследования взаимодействия
процессов дыхания и сердцебиения. Биотехносфера // Биотехносфера. - 2011. - № 5.
6. Лукьянов Г.Н., Воронин А.А., Неронов Р.В. Моделирование воздушного потока в
каналах нерегулярной формы // Научно- технический вестник информационых
технологий, механики и оптики. - С. Петербург: НИУ ИТМО, 2013. - Вып. 3(85). - № 3.
- С. 113-118.
7. Лукьянов Г.Н., Полищук С.А. Нелинейное динамическое моделирование взаимосвязи
процессов дыхания и сердцебиения человека на основе проведенных измерений //
Научно- технический вестник информационых технологий, механики и оптики. - С.
Петербург: НИУ ИТМО, 2013. - № 4. - С. 67-72.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание 23 УДК 53.088.7: 53.087.44
Influencing Parameters on Measuring the Cross-Section Area of Hot Rolled
Rods in Steel Industries
Tino Morgenstern1, J. Himmel1, J. Weidenmueller2, O. Kanoun2
1
Institute of Measurement Engineering and Sensor Technology, University of Applied Sciences HRW, Mülheim
an der Ruhr, Germany, Email: [email protected]
†
Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems, Fraunhofer-Gesellschaft, Germany
‡
Faculty for Electrical Engineering and Information Technology, Technische Universitt Chemnitz, Chemnitz,
Germany
Introduction
Eddy current sensors are well-established in industrial applications, such as in hot testing of
rolled rods. For measuring the rod cross-section area eddy current sensors are suitable under limitation
of influencing parameter, such as high rod temperatures up to 1000 °C. In [1] the optimisation of
encircling eddy current sensors for online monitoring of hot rolled round steel bars is presented,
including theoretical investigations of influencing parameters during the measurement. The
theoretical results of main influencing parameters on the normalized coil impedance are illustrated in
Figure 1. A typical setup for measuring hot rolled rod was used with a coil length of 40 mm, an inner
coil diameter of 24 mm and 22 turns. The mean rod diameter was set to 7 mm.
Figure 1 - Normalized impedance plane for the influencing factors, working point: Coil
placed coaxial around a rod at temperature of 20 °C [1]
The main influencing parameter in the reactance is the rod size, which is in this application also
the measuring quantity. Considering the rod conductivity, the theoretical influence on the reactance
part is nearly zero. For this reason the reactance was chosen to calculate the rod’s cross-section area,
as the conductivity changes along with the different steel compositions and remains unknown during
the measurement.
Typically, the setup under investigation has an inhomogeneous magnetic field inside the coil,
depending on the coil length to coil diameter ratio. Hence it follows that the measured rod crosssection area depends on the rod position inside the coil (rod offset). The rod offset can be limited by
guidings, especially roller guides fix the rod position inside the coil. The investigated parameters are
reduced to the crack influence and the coil temperature. Rods ideally have a cylindrical cross-section
area which depends on the rod diameter. So the rods shape corresponds to a circle. A surface crack
damages this cylindrical shape, the length of the shape increases and at the same time the rod crosssection area decreases by the cracks cross-section area.
Rods temperature up to 1000 °C heats up the coil and the coil environment. The coil temperature
influences the coil size thus the coil fill factor, the magnetic coupling and the measured cross-section
area changes. In this study an approach to detect surface cracks in hot rolled rods and to reduce the
temperature depending coil size expansion will be presented.
Firstly, a new coil holder, including a coil cooling system, has to be developed to reduce the
thermal radiation from the rod to the coil. Also a coil mounting system which keeps the coil length
24  Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание and diameter in a fixed size independent from the temperature was investigated. Subsequently, a
separated crack detection unit will be presented, exemplarily a setup with six detection coils is chosen.
Influencing Parameters
This chapter focuses on influence of cracks and coil temperatures on the rod cross-section area.
The measurement principle can be described with the transformer model which is illustrated in Figure
2.
Figure 2 - Equivalent coil-rod circuit diagram [2]
The rod is considered as hot-wired secondary part. Here
and are the equivalent resistance
and self-inductance of it depending on the eddy current path
, conductivity σ and permeability
μ. The complex coil impedance can be calculated as follows.
(1)
and are the corresponding resistance and the self- inductance of the coil, is the mutual
inductance and
2 ⋅ with is the frequency of the primary current
and the primary
voltage
.[2]. The rod size is included in
and . is depending on rod the diameter and coil
is depending on the frequency, the rods shape, and conductivity as well as the coil
length and
length. Hence a crack is influencing the rod shape as computed results from the real and imaginary
part of the coil impedance
Crack influence laboratory investigation
The crack influence on the cross-section area was investigated with a laboratory setup with
following parameters.
Table 1 - Coil and rod parameters for laboratory crack inspection
coil parameters
rod parameters
windings
68
diameter
9,5 mm
diameter
12,5 mm
width = 0,9 mm
crack size
length
40 mm
depth = 0,7 mm
The rod cross-section area amounts 70,88 mm² the crack ones 0,63 mm² so the change of the
cross-section area Δ Arod caused by crack is 0,88 %. The measured crack influence is listed in Table
2.
Table 2 - Measured coil impedance of laboratory crack inspection
Coil impedance at 1
without
Δ Z1 in %
with crack
MHz
crack
5,96 %
Re (Z1)
2,899 Ω
3,072 Ω
0,83 %
Im (Z1)
52,93 Ω
52,49 Ω
The change of the reactance is caused by a crack comparing Δ Z1 and Δ Arod.
Temperature influence on coil size
The real part of the coil impedance without rod depends essentially on the coil wire radius
,
. The imaginary part of the coil
the frequency depending skin depth and the coil wire length
impedance without rod depends essentially on the coil geometry, therefore the coil cross-section
area
, the coil length
and the number of turn .
Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание 25 The following approximation for cylindrical air cored coils with
for approximating the coil inductance .
²
⋅
0.6 ⋅
can be used
(2)
⋅
.
is the number of turns,
is the permeability in vacuum,
is the coil cross-section area,
is the coil length and
is the coil wire radius.
The temperature influence investigation needs the following assumption which results from
practical test in a hot rolling mill and the used coil holder. The coil length
is fixed by the coil
holder, only the coil diameter changes with the coil temperature. Calculating the reactance can be
performed with:
⋅
⋅μ ⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
.
⋅
⋅
(3)
is the fixed coil length, is the coil wire length at 20 °C, Δ the change of the
Here
coil temperature and the coefficient of thermal expansion. The reactance of the coil impedance at
20 °C amounts 52,415 Ω at 1 MHz, the calculated change of the reactance Δ XL amounts 75 mΩ at
Δ
50 . That causes 0.14% regarding to
(20°C). Measurements for temperature influence
reach 0,17 % at Δ
50 .
New Approach
A separated crack detection unit, using for example six detection coils surrounding the rod
concentrically, would essentially improve the online monitoring of hot rolled round steel bars. Using
the Finite Element Method different concepts were investigated and an approximation of the coil with
a detection line yield sufficient results in this field. This detection line surrounds the rod
concentrically. Every detection coil can be allocated to a 60 degree long line segment (Figure 3). A
rod without a crack caused the same signal in all six detection coils, thus in all six line segments.
Depending on crack width and crack depth the results of the six line segments differs [3]. In Figure 3
the rod cross-section area with crack and a segmented detection line with six segments S1 to S6 is
illustrated.
Figure 4 - Rod cross-section area with crack and
segmented detection line with six segments S1 to S6
Figure 3 - Crack influence depending
on the crack width
Thin and deep cracks cause a large signal on the line segment S4 near the crack. The crack
opposing line segment S1 doesn’t get influenced by the crack as much as the segment S4. So the
signal is smaller. Plotting the rod surrounding detection line as a line plot the results for rods without
crack look like a straight line. For rods with one crack the result corresponds to a bell-shaped curve.
Comparing the crack influenced rod cross-section area value from the encircling coil with the result
from the crack detection unit it is possible to find out a crack unaffected cross section area.
26  Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание To minimize the influencing temperature to the coil, a new constructed coil holder including
coil cooling in needed. The coil cooling cart off the thermal radiation caused by hot rods with
temperatures up to 1000 °C and reduces the coil temperature to less than 50 °C.
Results
Changing the crack width b from 0,08 mm to 0,7 mm the influence decreases so thin and depth
crack caused the greatest influence as shown in Figure 4. Here the signal at the detection line is plotted
as a line plot. The crack near segment S4 is equivalent to ϕ = 180 ° and the opposing segment S1 is
equivalent to 0 ° and 360 °. Comparing the signals at segment S1 and S4, the crack influence amounts
4,11 % for a crack with a width b = 0.7 mm and a depth h = 0,9 mm. Refer to the reference value
without crack the influence amount 8,5 %. These results shows that it is possible to detect cracks with
six segments with a concentrically orientation around the rod. With this approach it seems also
possible to estimate the cross-section area with additional information about cracks occurrence.
Finally the temperature influence has to be considered. In Table 3 the change of the coil
impedance depending on the change of the coil temperature (ΔT= 50 K) is shown for two coils.
Table 3 - Results temperature influence
Coil I
Coil II
ΔZ (ΔT) in % 0.17%
0.02%
Coil I is equivalent to a coil holder without coil cooling and fixed coil length. Coil II includes
the improved coil holder with additional coil cooling. With these measures the temperature influence
was reduced to 0.02 %.
Conclusion
While using eddy current sensors for cross-section area estimation some influencing parameters
have to be considered. Here cracks and the coil temperature were under investigation. Crack change
the cross-section area for about 0,88 % and the new approach using six detection line segments
enables the crack detection. The crack influence amounts up to 8,5 %. The coil temperature is
influencing the cross-section area estimation with 0,17 %. Using a new coil holder including a coil
cooling could reduce the thermal influence to 0,02 %. A further investigation is a laboratory setup
including the crack detection unit and the coil holder for first experimental results.
References
1. J. Weidenmüller: Optimization of Encircling Eddy Current Sensors for Online Monitoring of Hot
Rolled Round Steel Bars, Shaker Verlag, 2014.
2. J. Weidenmüller: Impedance Model of Acentric Coil-Target Arrangements in Eddy Current
Techniques, Beitrag zum Kongress Sensor + Test 2011
3. T. Morgenstern, J. Himmel, O. Kanoun: Detektion von Rissen in Drähten auf Basis der
ortsabhängigen magnetischen Induktion. In: tm – TechnischesMessen, 2014
Recent advances of artificial sensory systems: selected unusual applications
Andrey Legin1, Dmitry Kirsanov1, Olesya Zadorognaya1, Irina Yaroshenko1, Evgeniy Legin1,
Maria Khaydukova1, Alisa Rudnitskaya2
1
– Laboratory of Artificial sensory Systems, ITMO University, St. Petersburg, Russia
2
- CESAM/Chemistry Department, University of Aveiro, Aveiro, Portugal
A real challenge from the very start of the research in sensor systems was to prove that they
really work similarly to biological organisms. Even now it is overoptimistic claiming that an
Electronic Tongue always detects the taste and flavour attributes of an analyte in a way closely similar
to human beings. In the recent years, some sensor systems have been successfully calibrated not only
against human data, but against perception scores of very different living beings including
microorganisms and even plants. The results of flavour evaluation of pharmaceutical ingredients and
Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание 27 detection of natural water toxicity were obtained using those unusual referent organisms, displaying
the evolution of Electronic Tongues to Artificial Sensory Systems.
The assessment of flavour attributes is an important aspect of the development of novel
pharmaceutical formulations and active substances (API – active pharmaceutical ingredients).
Palatability of formulations, especially inhaled and paediatric ones, is very important for compliance.
Few reported studies consider the taste assessment of the molecules themselves rather than taste
masking. The question about real possibility of bitterness evaluation of a wide range of chemically
dissimilar API’s and their pharmaceutical formulations using artificial sensory systems remains open.
The purpose of the present study was to evaluate
• application of the sensor system to the evaluation of the bitterness of a number of diverse
APIs, both inorganic and organic, on the basis of a multivariate calibration based on quantitative
assessments produced by a sensory panel and an in vivo animal model.
• the “universality of perception” of bitterness by the artificial sensory system by generating
quantitative prediction of bitterness scores of additional API’s.
Another application reported here deals with determination of water toxicity in terms of
biological organism.
Different methods of water toxicity detection and classification approaches using test organisms
have been developed, aiming to attribute a hazard score to a polluted environment or toxic wastewater
or to rank them according to their toxicity level. These efforts are mainly based on various versions
of biotests and are therefore dependent on the breed and maintenance of living culture of test
organisms. In spite of numerous efforts none of the suggested methods has found general acceptance
at the international level, which is due to the variability of sensitivity patterns of different bioassays,
i.e. a bioassay can be mostly indifferent to the water samples acutely toxic for another one. Besides
that biotests are quite complex, costly and can be carried out only in well-equipped and highly
specialized laboratories.
Multisensor system being preliminary calibrated against bioassay results for a set of samples
with known toxicity allows for prediction of toxicity in new, unknown samples in terms of bioassay
(e.g. survivorship rate). This procedure does not require complex analytical instrumentation and
sophisticated sample preparation and measuring procedures, and elaborated biological object
maintenance. This opens up a perspective of routine water quality and toxicity evaluation by such
systems without using living beings at all. Another advantage of such an approach is the possibility
to evaluate water toxicity not in the terms of a single bioassay, which is a common approach for such
analysis, but in terms of universal hazard of the tested water for any biological organism.
Market review of sensors: rate of growth, main drivers, trends, prognosis
Sergey Khmelevsky,
North-West Technology Transfer Center
Sensory technologies have firmly consolidated in our everyday life. What are growth indicators
of the sensors market for the time being and what perspectives are there? Which demands become
drivers of this market and give impulses to the development of the market? In our report we will try
to answer these and many other questions.
As a simple determination of sensor you can use the following statement: sensor is the part of
big system that collects information about surrounding world, evaluates it and hands it over.
Sensory technologies are widely distributed in different areas. According to the data of the last
research sensory technologies are used in more than 22 areas, there are counted 23 types of the sensors
and this market grows fast finding new application areas.
The greatest demand for sensory technologies in 2016 is expected in the main production areas,
in health service, mechanical engineering, power supply and infrastructure. These sectors will be
28  Конференция «Sensorica - 2014»/ Пленарное заседание considered according to the following parameters: drivers of the market in every sector, statistical
indicators and also already used in every sector sensory technologies.
The strongest demand for sensors in mechanical engineering will be from the direction of
Germany, Japan and USA. USA is the main driver for innovations and is a good market for sensors
in IT and communication areas. USA is also the leading sensors’ market for secondary industry. The
world sensors’ market growth is accelerating in connection with further forwarding of production
processes automation. The demand for gas analyzers and biosensors in medicine is growing.
Annual market growth of the sensors not for military purposes was 7,9% between 2006 and
2011, and is predicted to be 9,1 % in 2011-2016. In 2011 sensors’ market has been valued at €119,4
billions and is predicted to be valued at €184,1 billions in 2016.
Owing to general sensors’ introduction in our life and wireless communication development in
the future we can get the possibility to integrate all using sensors into one network and to get
integrated information. This conception is named “Internet of things”. Internet of things market is
valued at $2,7 trillions and is predicted to become $6,2 trillions in 2025. In our report we will explain
what does Internet of things represents and what economic effect does it give. Internet of things is
still at the early adaptation stage but has a broad application areas spectrum and the list of apps is
daily developing. The main economic effect will be given with the help of apps used in production
and health service. It is predicted that in 2025 medical applications, used in the context of Internet of
things, can bring a profit from $1,1 trillions up to $2,5 trillions in a year.
What are the main tasks of the developers in this area? And what technological trends are the
most popular in the market? To realize Internet of things idea is necessary to assure self-sufficiency
of sensors’ work. It can be done thanks to Energy Harvesting technologies. To provide
communications is necessary to develop wireless network and to standardize communication
protocols. And finally to provide completeness of collected information the sensors should be
widespread in all areas of our life. It can be realized if the sensor is miniature and multidisciplinary.
Such dares gives the market to the developers at that stage.
Сенсоры и сенсорные
сети
30  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» A new wall-shear stress sensor on the basis of a wall-mounted cantilever and
light interference
Ch. Brücker, V. Mikulich, Institute for Mechanics and Fluid Dynamics,
TU Bergakademie Freiberg, Germany
Wall shear stress measurements are of growing interest in fluid mechanics. One of the possible
solutions is the measurement of bending of micro-structures which are attached to a wall and stand
within the near-wall flow. Due to the drag on the micro-structures, they bend in a proportional manner
with the flow speed. Since the velocity profile approaches a linear slope close to the wall and viscous
drag forces are proportional to the local speed, the load profile is linear too. The first author has longterm experience in the use of flexible micro-pillars and imaging of those for distributed measurements
and visualizations of the wall shear stress field in flows [1-5]. Problems therein are the optical
detection of the tip bending and the vibrations of the base which need to be subtracted to determine
the true bending. In addition, the rubber material used for the micro-pillars is not stable and shows
deviation from linear-elastic bending.
Therefore the need for well-defined mechanical parameters of the pillars or cantilevers is one
of the major requirements for industrial success of application of such measurement principles. This
can be achieved using metallic cantilevers or other materials with stable linear-elastic behavior,
however these materials have usually a much higher Young’s modulus in the range of GPa and
therefore their bending in the flow is very low. This poses the problem of optical detection of such
low changes in bending. On the other hand, the optical properties of the surfaces of such metallic
cantilevers e.g. can be treated in a more specific way than the elastomeric micro-pillars.
The method proposed herein uses the principle of speckle interference of diffuse light which is
reflected from two surfaces, one is represented by the cantilever and the other is the wall at which the
cantilever is attached. A principle sketch of the method is shown in Fig. 1. For ease of explanation,
the principle is shown for a cantilever in shape of a flap-like structure with rectangular cross-section.
The flap is clamped at the floor and protrudes at a certain angle of attack against the wall into the
flow. This is called the angle of equilibrium when there is no flow. Further, for ease of explanation
the flow is in direction of the flap tilting plane. Below the elevated flap tip at the floor, there is the
wall surface which has certain optical properties. The same holds for the cantilever beam that may
have special optical properties, too. If coherent light as e.g. from a laser source comes from above
and hits the surface of the elevated cantilever and the wall below, the diffuse light reflected from both
surfaces will come to interference. At zero flow conditions, the cantilever is a planar plane which is
tilted relative to the local surface wall. Since the cantilever is of micro-scale attached to typical
aerodynamics surfaces such as the wall of a car or the wall of an airfoil we can regard in first
approximation the local area of the wall below the cantilever as a locally planar surface element, too.
From theory of the interference of reflected light from two plane surfaces tilted against each other we
obtain fringes in form of parallel lines. Their inter-spacing depends on the angle between both planes.
The interference pattern can be recorded with a camera or a set of photomultipliers from far distance
and does not require using long-range microscopic lenses. If now the flow sets in, the cantilever is
bend and the inter-spacing between the fringes changes according to the change of the slope as a
result of the drag force on the micro-structure. This change is detected with the optical techniques
described above and converted into a measurement signal. With the given material properties of the
cantilever and the properties of the fluid one can calculate from the measurements the component of
the local wall-shear stress value at the position of the cantilever. This is the component in direction
of the tilting angle of the cantilever. A calibration may be necessary to integrate possible non-linear
effects or discrepancies of material parameters depending on the local temperature, humidity or
ambient pressure.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 31 Figure 1 - Sketch of measurement principle. The interference of diffuse light A and diffuse
light B is used to determine the bending of the cantilever beam relative to the equilibrium position
at zero flow
One major advantage of the proposed method is the self-calibration nature of the principle with
regard to disturbances from wall motions or vibrations. Those need usually to be removed from the
measured values post-hoc if the tip deflection is detected directly or by change of light-reflection.
The interference patterns in our case do not change if the wall-attached cantilever and the wall move
during the measurements as a result of vibrations of the aerodynamic model where the cantilever is
attached. The fringe pattern changes only if there is a relative motion between the cantilever and the
local surface. A typical pattern of the fringes generated with a prototype of the wall-shear stress sensor
of 500 micron scale is shown in Fig. 2.
Figure 2 - Typical fringe pattern for an elevated micro-cantilever of 500 micron size under
flow, recorded with a standard CCD camera from 1m distance
References
1. Brücker Ch, Spatz J, Schröder W (2005) Feasibility study of wall shear stress imaging using
microstructured surfaces with flexible micropillars. Exp. Fluids 39(2), 464 – 474
2. Schmitz G, Brücker Ch, Jacobs P (2005) Manufacture of high-aspect ratio micro-hair sensor
arrays. J. Micromech. Microeng. 15, 1904–1910.
32  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 3. Brücker Ch, Bauer D and Chaves H (2007): Dynamic response of micro-pillar sensors
measuring fluctuating wall-shear-stress, Exp. Fluids 42, 737-749.
4. Skupsch C, Klotz T, Chaves H, and Brücker C (2012) Channelling optics for high quality
imaging of sensory hair. Rev. Sci. Instrum. 83, 045001
5. Brücker C, Rist U (2104) Complex flow detection by fast processing of sensory hair arrays.
In: Flow Sensing in Air and Water, H. Bleckmann et al. (eds.), Springer-Verlag Berlin
Heidelberg 2014, DOI: 10.1007/978-3-642-41446-6_18
УДК: 535.241.61
Разработка автоматизированного прибора для измерения кривой силы
света светодиодов
И.Н. Гладков, А.Л. Итин
Университет ИТМО
Методы определения кривой силы света
В работе были рассмотрены основные методы измерения кривой силы света:
гониофотометрический, метод, основанный на использовании оптической системы и ПЗСприемника, и фотометрический метод. Работу прибора было решено организовать
гониофотометрическим методом, так как он обеспечивает достаточную точность в
исследовании кривой силы света.
Описание предлагаемой модели прибора для измерения кривой силы света от
светодиодов
Прибор состоит из двух больших полостей. В нижней полости располагается плата
обработки и основной механизм шагового двигателя. В верхней полости находится
вращающаяся часть шагового двигателя, на которую прикреплен светодиод. Верхняя полость
представляет собой полусферу, на одной из дуг которой расположен ряд из 9 фотодиодов,
подключенных параллельно друг другу в фотогальваническом режиме к плате обработки.
Таким образом, плата обработки независимо снимает показания фототока с каждого
фотодиода.
Калибровка прибора и вычисление погрешности измерений
Калибровка прибора производилась путем сравнения данных, полученных с прибора и
двух фотометрических сфер ТКА-КК1 и OceanOptics ISP-50 с подключенным к ней
спектрофотометром USB4000-VIS-NIR.
Были произведены измерения тестовой партии светодиодов BetLux 101, 102, 513 и 2506
серий. На основе полученных данных произведена калибровка прибора и получена реальная
спектральная характеристика приемников излучения, использованных при проектировании
прибора (Рисунок 17). Калибровочная характеристика для прибора получена на основании
нескольких экспериментальных точек. Путем аппроксимации получена функция k(λ).
Дисперсия аппроксимации составляет 0,017 %, что говорит о точности подбора функции.
Если подставить значения параметров, которые были получены на этапе габаритного
расчета, то величина погрешности составляет 5,6%.
Полученные результаты
После калибровки прибора были измерены кривые силы света тестовой партии
светодиодов, состоящей из светодиодов компании BetlLux серий 101, 102, 2506 и 513 и SMDсветодиода Cree MX3AWT-A1.Из каждой серии было выбрано и исследовано по 3 одинаковых
светодиода для усреднения полученных данных, а также исследования различий параметров
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 33 светодиодов из одной партии. Данные светодиоды были выбраны по причине различных углов
максимальной силы света, объявленной в документации.
Также был измерен SMD светодиод фирмы Cree MX3AWT-A1 нейтрально белого цвета
с известной формой кривой силы света для проверки работы прибора.
Исходя из полученных данных, исследованные светодиоды можно разделить по типу
КСС на следующие группы. Светодиоды серии 2506 имеют кривую силы света в форме крыла
летучей мыши, индикатрисы остальных светодиодов относятся к ламбертовскому типу.
Погрешность измерения угла максимальной силы света по данному эксперименту не
превышает 10%. Достоверность полученных данных подтверждает сравнение индикатрисы,
полученной от SMD-светодиода Cree MX3AWT-A1, с ее паспортной формой. Погрешность
данного измерения составляет 15%. Однако отклонение экспериментально полученных
результатов от паспортных достигает у некоторых светодиодов 100%. Это означает, что
реальный угол максимальной силы света светодиода в 2 раза больше, его паспортного
значения.
Среднее же значение отклонения экспериментальных данных от паспортных за вычетом
погрешности измерений составляет порядка 30%, что говорит о низком качестве светодиодов,
и подтверждает актуальность использования разработанного в рамках данной работы
автоматизированного прибора для проверки индикатрисы светодиодов.
Заключение
В данной работе были рассмотрены виды кривых сил света, характеризующих излучение
светодиодов. Рассмотрены причины возникновения различий в индикатрисах светодиодов, а
также существующие классификации КСС. Также в работе рассмотрены различные методы
измерения КСС, выделены их достоинства и недостатки.
В рамках данный выпускной квалификационной работы разработан прибор для
измерения кривой силы света светодиодов, разработано программное обеспечение для него,
произведена настройка и калибровка прибора на основании данных, полученных с
фотометрических сфер.
На разработанном приборе были произведены измерения тестовой партии светодиодов.
По полученным КСС был определен угол видимости светодиодов, и было произведено
сравнение полученных данных с паспортными значениями.
В результате исследования было выявлено, что отличия параметров углового
распределения светодиодов в рамках одной партии от паспортного значения могут достигать
30%. Такие различия могут быть вызваны отсутствием контроля параметров выпускаемых
светодиодов вследствие массовости производства. Данные различия могут быть весьма
существенны при проектировании источников освещения, содержащих массивы таких
светодиодов. В частности, отклонение угла видимости от паспортного значения может внести
большую погрешность в равномерность полученной освещенности.
Данные выводы подтверждают актуальность измерения КСС светодиодов и
использования разработанного прибора.
УДК 621.38 + 531.768
Микромеханический акселерометр с перестраиваемым диапазоном
измерения
Карпиков С.Р
ОАО «Авангард», Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Перспективным направлением развития техники является создание сверхминиатюрных
механизмов, приборов, машин с ранее недостижимыми массогабаритными, энергетическими
показателями и функциональными параметрами с применением микро- и нанотехнологий. В
ходе исследования возможности создания микромеханических акселерометров с нелинейным
34  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» контуром управления было установлено, что использование автоколебательного режима
работы датчика не только может повысить метрологические характеристики по сравнению с
традиционными конструкциями микромеханичеcких акселерометров [1], но и позволяет
перестраивать диапазон измерения в процессе работы датчика. Построение датчика с
применением режима автоколебаний даёт возможность гибкого управления параметрами
колебаний за счёт нелинейной обратной связи [2]. Многие системы живых организмов
используют автоколебания: сердечная система человека, голоса людей, животных и птиц,
химические процессы в клетках. Колебания в таких системах устойчивы, так как любые
отклонения от стационарного колебательного режима затухают, в связи с этим снижаются
вредные воздействия на систему, процессы проходят оптимальным образом.
Конструктивно, датчик выполнен в виде трёх прямоугольных пластин из
монокристаллического кремния, расположенных параллельно друг другу и закреплённых в
корпусе. В средней пластине сформирован чувствительный элемент, во время работы датчика
совершающий автоколебания вдоль оси чувствительности под действием сигнала нелинейной
обратной связи, формируемого оптопарой. Оптопара состоит из светодиода, сформированного
в верхней пластине и фотоприёмников, сформированных в нижней пластине. Сигнал обратной
связи также является выходом датчика, так как при воздействии ускорения вдоль оси
чувствительности центр колебаний чувствительного элемента смещается, что влечёт за собой
изменение скважности сигнала. Зависимость между действующим ускорением и скважностью
сигнала обратной связи близка к линейной, поэтому по нему можно эффективно судить о
воздействующем ускорении [3]. Силовой привод в таком датчике может быть либо
магнитоэлектрическим, либо электромагнитным, так как только в таком случае он создаёт
усилие, достаточное для приведения чувствительного элемента в колебательное движение [4].
Использование нелинейного контура обратной связи позволяет снизить нелинейность
выходной характеристики датчика, а также изменять диапазон измеряемых ускорений без
изменения механических свойств конструкции.
Оценка границ изменения диапазона измерения датчика в процесса работы
производилась на математической модели, составленной из предположения, что
чувствительный элемент работающего акселерометра представляет собой пружинный
маятник, совершающий автоколебания вдоль оси измерения ускорения, и его движение можно
описать дифференциальным уравнением второго порядка [3]. Так как уравнение движения
содержит нелинейную функцию в правой части (что вызвано наличием нелинейной обратной
связи), его решение представлялось в виде последовательности решений линейных уравнений
(метод припасовывания) на одном периоде колебаний. Измеряемое датчиком ускорение
находится посредством измерения и преобразования промежутков времени между сменой
состояния ключа (оптопары).
Было выявлено, что при воздействии максимально допустимого ускорения колебания
неустойчивы и наблюдается высокая нелинейность характеристики, поэтому рабочий
диапазон датчика выбираелся в несколько раз меньше максимально допустимого ускорения.
Для связи параметров колебаний была составлена система уравнений на основе решения
дифференциального уравнения движения чувствительного элемента. В составленной системе
восемь неизвестных и восемь уравнений. Система была решена численно в среде Matlab.
После анализа полученной системы было выявлено, что диапазон измерений датчика
зависит от пяти параметров: жесткость подвесов чувствительного элемента, массы
чувствительного элемента, коэффициента демпфирования, силы воздействия приводов и
точек переключения оптопары. Первые три параметра не могут быть изменены в процессе
работы датчика, но на силу воздействия приводов и точки переключения оптопары можно
повлиять, например, если сделать несколько групп фотоприёмников, с возможностью
переключения между ними, тем самым изменяя параметры нелинейного звена и перестраивая
диапазон измерения.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 35 Были получены зависимости между параметрами при следующих значениях параметров:
жесткость подвесов 2,5 Н/м, масса чувствительного элемента 710-7 кг, коэффициент
демпфирования 510-5 кг/с, точки переключения оптопары 5..30 мкм, сила воздействия
приводов 5..120 мкН. По графику зависимости диапазона измерения датчика от силы
воздействия приводов при расстоянии между фотоприёмниками (которое определяет точки
переключения оптопары) 5 мкм был сделан вывод, что диапазон измерений меняется
приблизительно в 2 раза. По графику зависимости диапазона измерения от расстояния между
фотоприёмниками при силе воздействия приводов 5 мкН был сделан вывод, что диапазон
измерений меняется приблизительно в 9 раз. Это доказывает возможность создания
микромеханических акселерометров с перестраиваемым диапазоном измерения, что
невозможно при использовании линейного контура управления.
Полученные результаты могут найти практическое применение в прецизионных
малогабаритных системах управления кораблей, летательных и космических аппаратов,
системах
автоматизированного
управления
движением
высокоскоростного
железнодорожного транспорта и метрополитена, системах геодезической привязки объектов
и геологоразведки, робототехнические системах. Применение автоколебательных
микромеханических датчиков в системах управления и навигации позволит улучшить их
технические характеристики. Разработка автоколебательных измерительных блоков позволит
отказаться от применения широко рекламируемых акселерометров и датчиков угловых
скоростей, разрабатываемых фирмами Analog Devices, Draper Laboratory, Systron Donner,
Murata Gyrostar и др. Это даст возможность создавать отечественные системы управления и
навигации аналогичные зарубежным системам, базирующимся на GPS.
Литература
1. Карпиков С.Р. Оценка погрешности микромеханического автоколебательного
акселерометра методом статистического имитационного моделирования - Сборник докладов
VII научно-технической конференции молодых специалистов по радиоэлектронике ОАО
«Авангард». - СП-б, 2014.
2. Тыртычный А.А. Построение измерительных устройств на основе автоколебательных
механических систем. - Всероссийская молодёжная научная конференция «Мавлютовские
чтения»: Сб. тр.: В 5 т. Т. 2/ УГАТУ. Уфа - 2008. - с. 49-51.
3. Карпиков С. Р. Нелинейная модель микромеханического автоколебательного
акселерометра - Сборник трудов I Международной научно-практической конференции
«Sensorica-2013». - СП-б:НИУ ИТМО, 2013. – 88с.
4. Карпиков С. Р., Скалон А. И. Математическое моделирование МЭМС датчика
ускорения с электромагнитным силовым преобразователем - Сборник ОАО «Авангард». СПб, 2013. – с.154-169.
УДК 004.2
Использование HLD-методологии для проектирования сенсорных сетей
Ключев.А.О., Кустарев П.В., Пенской А.В., Платунов А.Е
Университет ИТМО
Сенсорные сети (СС) представляют собой одну из категорий распределенных
встраиваемых вычислительных систем (РВсС) и широко используются в автоматизации
производства, на транспорте и в ЖКХ, в системах автоматизации научного эксперимента, в
экологическом мониторинге, в автомобильной промышленности, в военной технике и
аэрокосмических разработках. С каждым годом растет область использования подобных
систем и увеличивается их сложность. В докладе акцентировано внимание на способах
представления базовых механизмов СС в рамках HLD-методологии.
36  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» Сегодня в проектировании сложных РВсС и СС в части организации вычислительной
системы можно выделить следующие проблемы:
 доминирует шаблонное проектирование в области аппаратно-программных систем;
 в большинстве проектов проявляется искусственное ограничение проектных требований;
 отсутствуют эффективные методики и средства проектирования подсистем с различными,
в том числе, изменяемыми, моделями вычислений и гетерогенной архитектурой.
Сотрудники международной лаборатории «Архитектура и методы проектирования
встраиваемых систем и систем на кристалле» Университета ИТМО и научно
производственной фирмы ООО «ЛМТ» создали и развивают HLD-методологию
проектирования встраиваемых систем и систем на кристалле, направленную на решение
перечисленных проблем.
Коллектив развивает работы в контексте HLD–методологии в двух основных
направлениях: создание архитектурных решений с широким использованием механизмов
многоуровневого конфигурирования для применения в системах на кристалле, РВсС и СС,
совершенствование
системы
архитектурного
специфицирования
с
набором
инструментальных утилит. В настоящий момент необходима формализации различных этапов
HLD – проектирования РВсС и СС, создание инструментальных цепочек и технологий,
позволяющих поддержать разработанную методологию проектирования.
Основу HLD–методологии проектирования ВсС составляют следующие аспекты:
 система архитектурных абстракций, связывающая воедино компоненты методологии;
 принцип и методы позднего закрепления конкретного способа реализации архитектурных
решений;
 модель актуализации вычислительного процесса на основе понятия унифицированного
транслятора;
 аспектная модель процесса проектирования вычислительной системы;
 класс объектно-событийных моделей вычислений (наряду с иными моделями
вычислений).
В рамках HLD–методологии проектировщику предлагается подход, при котором
процесс проектирования архитектурной модели вычислительной системы выполняется на
уровне, инвариантном к аппаратно-программному (HW/SW) разделению. Данный принцип в
определенном объеме используется в современных методологиях проектирования на базе
Hardware/Software Codesign .
Развитие HLD–методологии и практическое ее применение в проектировании
реконфигурируемых встраиваемых систем различного назначения позволило повысить
уровень архитектурного и микроархитектурного проектирования, реализовать достаточно
сложные проекты небольшим коллективам разработчиков в приемлемые сроки и с высоким
качеством.
Разработанная HLD–методология позволяет на практике отказаться от шаблонного
проектирования с изначальным закреплением аппаратной или аппаратно-программной
платформы. Отказ от стандартных и шаблонных решений в проектировании ряда сложных
встраиваемых систем позволил в большинстве случаев получить более эффективные, а значит
более конкурентоспособные продукты. Применение аспектного подхода позволило
расширить пространство поиска проектных решений и улучшить учет требований заказчика,
а также внутренних требований разработчиков на всех этапах проектирования.
УДК 004.72
Индукционный датчик положения для систем мониторинга деформаций
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 37 Ф.В. Молев, А.Г. Сергушев, А.И. Шварцман, А.В. Яковлев
ОАО «Авангард»
Самым распространенным типом сенсоров для измерения величин линейных
перемещений элементов конструкций технических объектов на данный момент являются
потенциометрические датчики положения [1]. Они, с одной стороны, в достаточной мере
удовлетворяют требованиям по точности и потребляемой мощности, а, с другой стороны,
являются достаточно простыми и надежными. К недостаткам же используемых
потенциометрических датчиков можно отнести старение потенциометрического элемента в
процессе работы, что, в конечном счете, со временем существенно уменьшает точность
измерения, их высокую стоимость и низкую точность при измерении малых значений
линейных перемещений.
Исходя из вышеприведенных недостатков потенциометрических датчиков деформации,
возникают задачи по расширению диапазона измерений, снижения стоимости датчика,
исключение эффекта снижения точности за счет старения чувствительного элемента и
повышения точности измерений линейных перемещений (в том числе, при измерении малых
значений линейных перемещений).
Поставленная задача решается посредством перехода к новому типу сенсора –
индукционному [2]. Индукционный датчик положения содержит неподвижную часть и
подвижную каретку, установленную с возможностью перемещения относительно
неподвижной части с одной степенью свободы. Неподвижная и подвижная части сенсора
выполнены из диэлектрического материала и обращены друг к другу сторонам с нанесенными
на них печатными катушками индуктивности в форме меандра, соответственно с пассивными
короткими и активными длинными печатными проводниками, которые взаимно параллельны
и расположены с одинаковым шагом. При этом подвижная часть установлена с возможностью
перемещения относительно неподвижной части вдоль активных длинных печатных
проводников катушек. Неподвижная часть индукционного датчика положения может
содержать две идентичные катушки, установленные вдоль направления перемещения
подвижной части с катушкой индуктора, которая при этом расположена в первоначальном
состоянии по центру между неподвижными приемными катушками неподвижной части.
Подобная конструкция позволяет существенно расширить диапазон измерений датчика и
упростить его конструкцию, а подобное перемещение катушек друг относительно друга
существенно упрощает схему обработки сигналов от датчика и позволяет увеличить рабочие
частоты датчика и, следовательно, увеличить его точность в широком диапазоне измерения
линейных перемещений.
Выполненные на неподвижных и подвижных частях катушки по технологии печатных
плат содержат тонкий слой металла, которому навязываются свойства подложки печатной
платы. А подложка – пластина из композитного материала, как известно, обладает малыми
коэффициентами линейного и объемного теплового расширения, что обеспечивает
стабильность измерения в широких диапазонах температур.
Современные технологии изготовления печатных плат позволяют изготавливать
печатные катушки с высокой степенью точности, в связи с этим, при необходимости
получения более высокой точности преобразования, требования к шагу и ширине
проводников, а также к воздушному зазору между катушками могут быть и более жесткими.
Таким образом, внедрение предложенного индукционного датчика положения не
представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей.
Принцип действия индукционного датчика положения для измерения величин линейных
перемещений основан на том, что в перемещение, которое предполагается измерить,
вовлекается излучающая подвижная катушка воздушного трансформатора, которая излучает
электромагнитное поле синусоидальной формы, с частотой до единиц мегагерц на две
неподвижные приемные катушки. В зависимости от положения излучающей катушки
38  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» относительно приемных катушек, в них наводится ЭДС. Величина наводимой ЭДС прямо
пропорциональна линейному перемещению.
В докладе представлены структура датчика, эквивалентные схемы и схемотехнические
решения аналогового модуля обработки сигнала с сенсора. Приводятся результаты
исследования его характеристик.
В результате, удалось достигнуть следующих технических характеристик у
индукционного датчика положения:
 точность измерений 0,5% в диапазонах перемещений: ± 20.0, от 0 до 40 мм;
 разрешающая способность: 40 мкм;
 линейность: 1.0 %;
 потребляемая мощность: 1 Вт.
Цифровая часть индукционного датчика положения позволяет преобразовывать
аналоговый сигнал, эквивалентный наведенной в неподвижных катушках ЭДС, в цифровой
код, который затем может быть передан в канале RS-485 по протоколу Avangard или по
протоколу ModBus. Кроме того, индукционный датчик положения может быть состыкован с
устройством преобразования и передачи информации (оконечный терминал беспроводной
сенсорной сети ZigBee) и, таким образом, интегрирован в беспроводную сенсорную сеть.
На базе беспроводной сенсорной сети ZigBee строится система мониторинга
деформаций различных объектов. Система основана на беспроводной технологии передачи
данных по стандарту ZigBee IEEE Std.802.15.4-2006. Система осуществляет непрерывный
оперативный контроль деформаций элементов различных объектов с целью предотвращения
возникновения аварийных ситуаций при их эксплуатации.
Как видно из вышеизложенного, в системах мониторинга деформации наиболее
целесообразно использовать индукционный датчик положения. В докладе приводится
структурная схема подобной системы мониторинга деформаций.
Литература
1. Михайлов А.Н., Молев Ф.В., Балашов А.В. Беспроводная система конструкционной
безопасности. – Сборник научных трудов аспирантов, соискателей и студентов
магистерской подготовки ОАО «Авангард». Выпуск 4. ОАО «Авангард», СПб., 2011,
с. 182-194.
2. Патент Российской Федерации № 2454625 от 27.06.2012– «Индукционный датчик
положения».
Построение сенсорной сети для системы мониторинга потенциально
опасных объектов
Ф.В. Молев, А.Г. Сергушев, А.И. Ширманов
ОАО «Авангард»
Согласно требованиям ГОСТ Р 22.1.12-2005 системы мониторинга и управления
инженерными системами (СМИС) подлежат обязательной установке на потенциально
опасных промышленных объектах (ПОО), особо опасных, технически сложных и уникальных
объектах [1]. К ПОО относят объекты, на которых используют, производят, перерабатывают,
хранят или транспортируют радиоактивные, пожаровзрывоопасные, опасные химические и
биологические вещества, создающие реальную угрозу возникновения аварии и, как следствие,
чрезвычайной ситуации (ЧС).
Возникновение аварий и обусловленных ими ЧС в техногенной системе ПОО обычно
связано либо с выходом параметров ее функционирования за пределы допустимого диапазона,
либо с утерей контроля над процессами, в ней происходящими. При этом по оценкам
специалистов подавляющее число аварий, возникающих на ПОО, обусловлено нарушениями
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 39 условий пожарной, газовой или конструкционной безопасности объекта, вызванными
несвоевременным получением информации о состоянии объекта и его технических подсистем.
Рассматриваемую проблему может решить лишь СМИС ПОО.
Одними из основных требований, предъявляемых к СМИС ПОО, являются высокая
оперативность и информативность системы, определяющие как объем данных о параметрах
ПОО и окружающей среды и превышении ими допустимых значений, так и оперативность их
обработки, принятия решения и реагирования оператором системы или в автоматическом
режиме. В полной мере выполнить указанные требования возможно только при построении
автоматизированной информационной системы (АИС) СМИС.
Для получения информации о состоянии объекта и принятия адекватных обстановке
решений СМИС необходимо:
1. собрать информацию о параметрах ПОО и окружающей его среды и факте превышения
ими допустимых значений;
2. передать информацию на локальное автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора
системы и (или) на центральный сервер системы;
3. обработать и организовать в базу данных информацию о параметрах ПОО и окружающей
среды и превышении ими допустимых значений на локальном автоматизированном
рабочем месте и (или) на центральном сервере системы;
4. сохранить и отобразить информацию о параметрах ПОО и окружающей среды и
превышении ими допустимых значений на локальном и (или) удаленном
автоматизированном рабочем месте оператора средствами специализированного
программного обеспечения (ПО) или через web-интерфейс;
5. произвести экстренное оповещение персонала и ответственных лиц о возникновении
аварийной ситуации или ЧС с помощью sms сообщений и(или) по электронной почте;
6. обеспечить критическое срабатывание исполнительных устройств для оперативной
остановки источников опасности ПОО или перевода процесса в безопасное состояние как
по командам оператора, так и в автоматическом режиме.
Исходя из изложенных выше требований к процессу информационного обмена в СМИС
ПОО строится ее иерархическая архитектура.
На I уровне иерархии располагается сеть датчиков и взаимосвязанных с ними
исполнительных устройств (телематическая подсистема). На этом уровне осуществляется
преобразование значений параметров ПОО и окружающей среды в соответствующие им
электрические сигналы, формируются сообщения от датчиков, проводится опрос сети
датчиков контроллером сети, вырабатываются в автоматизированном режиме команды
исполнительным устройствам. Результаты опроса передаются шлюзом сенсорной сети на
верхние уровни системы.
На II уровне находится телекоммуникационная подсистема, которая осуществляет
передачу (транспорт) информации с уровня I на уровень III. Для создания
телекоммуникационной подсистемы используются ресурсы эксплуатируемых сетей связи
различного назначения (проводных, оптических, беспроводных), построенных на базе
технологии IP/MPLS.
На III уровне располагается информационная система (центральный сервер системы с
базой данных (БД) со специализированным программным обеспечением (СПО)).
На IV уровне находится подсистема поддержки принятия решений (специализированное
программное обеспечение формирования статистики изменения параметров ПОО и
окружающей среды и возникновения соответствующих им аварийных ситуаций и поддержки
принятия решений оператором системы).
На V уровне находится подсистема уровня представления и оперативного управления
безопасностью ПОО (автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов системы со
специализированным ПО, позволяющим вести автоматический контроль параметров ПОО и
40  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» окружающей среды с оповещением о возникновении аварийной ситуации, а также
распределенная сеть автоматизированных рабочих мест (АРМ) операторов системы).
Технологической основой при построении АИС СМИС ПОО является сенсорная сеть,
объединяющая датчики (пожарные, газовые, деформации и т.п.) и исполнительные
устройства. Сеть датчиков строится на базе проводных и беспроводных сетевых технологий,
в зависимости от типов датчиков, объединяемых в сегменты, и включает в себя три типа
логических устройств: координатор сети, маршрутизатор и оконечное устройство сегмента
сети (датчики и исполнительные устройства).
В докладе представлено исследование архитектур сенсорных сетей применительно к
выбору оптимальной архитектуры сенсорной сети для построения СМИС ПОО.
В архитектуре сенсорной сети типа «шина» предполагает использование одного кабеля,
к которому подсоединены все рабочие станции. Общий кабель используется всеми узлами по
очереди. Все сообщения, посылаемые отдельными узлами, принимаются и прослушиваются
всеми узлами, подключенными к проводной сенсорной сети. Из этого потока каждый узел
отбирает адресованные только ему сообщения. В архитектуре типа «кольцо» все узлы
подключены последовательно друг к другу, образуя замкнутое кольцо. Данные передаются от
одного узла к другому в одном направлении (по кругу) при этом каждый узел работает как
повторитель, ретранслируя сообщения к следующему узлу. В архитектуре сенсорной сети
типа «звезда» сеть контролируется одним устройством – контроллером, который отвечает за
инициализацию, обслуживание и управления датчиками и исполнительными устройствами.
Все датчики и исполнительные устройства – оконечные устройства, общаются только с
контроллером сети. В архитектуре типа «дерево» и ячеистой архитектуре контроллер
беспроводной сети отвечает за инициализацию сети и выбор ее ключевых параметров
(идентификатора сети и используемого протокола связи), а сама сеть расширяется за счет
применения маршрутизаторов. В ячеистой сети (Mesh) маршрутизация является
распределенным по сети процессом. Наиболее оптимальным представляется построение
СМИС ПОО на базе гибридной архитектуры построения сенсорной сети. Сеть разбивается на
сегменты, привязанные к выделенным помещениям объекта, которые объединяются в общую
сенсорную сеть СМИС ПОО. На уровне выделенных помещений объекта «реактивные»
датчики и исполнительные устройства (ИУ) объединяются в проводную сенсорную сеть типа
«шина», а «медленные» датчики объединяются в беспроводную сенсорную mesh-сеть.
Проводное соединение двух и более датчиков и ИУ с контроллером составляет сегмент
гибридной сенсорной сети. Объединение сегментов сенсорной сети, построенных на базе
технологий сенсорных сетей, производится по беспроводной технологии сенсорных сетей в
гибридную сенсорную сеть типа «звезда» СМИС ПОО.
В докладе представлены модели сенсорной сети СМИС ПОО и формирования нагрузки
для приложения сбора данных со стационарных и подвижных объектов. Исследовано свойство
самоподобия агрегированной нагрузки в гибридной сенсорной сети СИМС ПОО и на
основании этого построена оптимальная топология сенсорной сети СМИС ПОО.
Для связи координатора с сетью связи общего пользования (ССОП) используются GSMмодем или Ethernet-интерфейс для подключения к локальной сети доступа. Также часто
необходимо обеспечить связанную работу двух и более распределенных в пространстве
систем, построенных на базе гибридных сенсорных сетей. Для этого организуется интерфейс
в транзитную сеть каждой из гибридных сенсорных сетей. В качестве транзитной сети может
выступать NGN-сеть или глобальная сеть Интернет. Координатор передает данные о
параметрах ПОО и окружающей среды и превышении их допустимых значений из сенсорной
сети на центральный сервер системы для дальнейшей обработки и хранения. В докладе
рассматриваются сценарии информационного обмена между координатором сети и
центральным сервером системы в зависимости от нагрузки ССОП. Показано, что обеспечение
гарантированного качества обслуживания применительно к передачи трафика АИС СМИС
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 41 ПОО через ССОП возможно только при назначении приоритетов передаваемым по сети
пакетам от координатора сенсорной сети СМИС ПОО через ССОП.
После приема и предварительной обработки данные организуются в единую
сегментированную базу данных (БД), построенную на базе свободной объектно-реляционной
системы управления базами данных (СУБД) PostgreSQL и хранятся на центральном сервере
системы, откуда могут быть затребованы пользователем через Интернет либо с помощью
клиентской программы, либо через вэб-браузер. В докладе рассматривается структура БД.
Данные о параметрах ПОО и состоянии окружающей среды организованны в БД и
представляются автоматизированной информационной системой СМИС ПОО в удобном
пользователю виде. Интерфейс АИС СМИС ПОО позволят отображать результаты
мониторинга применительно к структуре ПОО. При этом информация о состоянии параметров
ПОО и окружающей среды и предельно допустимых их значений отображается в табличном
виде и в виде графиков.
Пользовательский интерфейс АРМ на базе ПЭВМ (ноутбука) спроектирован
относительно управления уровнями иерархии СМИС ПОО и позволяет отображать
информацию от датчиков в привязке к картам ПОО и его 3D моделям с возможностью
дальнейшей интеграции в единый контекст. Кроме этого, на центральном сервере установлен
Web-сервер, позволяющий отображать информацию и управлять сетью датчиков и ИУ через
вэб-интерфейс.
Литература
1.
ГОСТ Р 22.1.12-2005. Безопасность в чрезвычайных ситуациях. Структурированная
система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений.
УДК 537.9
Гиперспектральные сенсоры на гетероструктуре оксид цинкасегнетоэлектрик
Григорьев Л.В., к.ф.-м.н.1, Нефедов В.Г., к.т.н 2, Шакин О.В., д.т.н.2
1
Университет ИТМО, 2Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения
Приемники ИК излучения, основанные на пироэлектрическом эффекте, выгодно
отличаются от остальных типов тепловых приемников излучения своими основными
свойствами: широкополостностью, величиной обнаружительной способности, малой
инерционностью отклика и работой без охлаждения. Обнаружительная способность D*
пироэлектрического приемника на средних частотах модуляции излучения выше, чем у
болометра или термопарного преобразователя и практически равна обнаружительной
способности оптоакустического приемника. На низких частотах и на высоких частотах
модуляции D* пироэлектрического приемника значительно превышает величину
обнаружительной способности остальных типов тепловых приемников излучения. Приемники
излучения, у которых сенсорная площадка сделана из сегнетоэлектрика могут работать в
диапазоне от УФ излучения до излучения с длиной волны 100мкм[1,2]. При наличии на
поверхности сегнетоэлектрика слоя, способного эффективно поглощать электромагнитное
излучение терагерцового диапазона можно создать приемник терагерцового диапазона,
работающий при комнатной температуре, таких как приемники БП2-2 и БП2-6[3].
Основной конструктивной схемой пироприемника является конденсаторная структура,
где в качестве диэлектрика находится слой сегнетоэлектрика. В этом случае быстродействие
сенсора при регистрации одиночного импульса ограничивается величиной единиц и долей
нс[4], что приближается к теоретическому пределу для такой конструктивной схемы. Для
42  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» увеличения быстродействия и повышения обнаружительной способности пироприемника
необходимо перейти от конденсаторной схемы к построению сенсора по схеме
фотоэлектрического прибора на полевом эффекте[5]. В работе [6] показана возможность
построения пироприемника по схеме полевого транзистора.
В настоящей работе приведены результаты исследования оптических и
электрофизических характеристик высокочувствительного пироприемника, созданного на
основе гетероструктуры оксид цинка - сегнетоэлектрик по конструктивным схемам
фотоэлектрического МДП-прибора. В качестве диэлектрика МДП-прибора были выбраны
сегнетоэлектрики: танталат лития, ниобат лития и керамика ЦТСЛ. Слой ZnO создавался
методом ионно-плазменного распыления металлической мишени в атмосфере сильного
окислителя. Такой метод позволяет создавать поликристаллические слои ZnO с оптическими
и электрофизическими свойствами, близкими к свойствам монокристаллического оксида
цинка. Рентгеноструктурные исследования показали малое количество дефектов в
поликристаллической пленке оксида цинка и позволили оценить размеры зерен, которые не
превышали 13нм. Оптические исследования спектров отражения и пропускания позволили
определить спектральную зависимость коэффициента поглощения и величину оптической
ширины запрещенной зоны, которая составляла 3.22эВ. Исследования статических ВАХ и
кривых переходных инжекционных токов позволило определить независимыми методами
значение эффективной подвижности зарядов и концентрацию ловушек в оксиде цинка.
Величина эффективной полевой подвижности μfe носителей заряда была равна 25 см2В-1с-1.
Тонкие пленки сегнетоэлектриков наносили методом электронно-лучевого испарения и
методом лазерной абляции мишени из сегнетоэлектрика. В качестве буферного диэлектрика
между сегнетоэлектриком и слоем полупроводника наносили слои Y2O3 или MgF толщиной
около 100нм. Пироэлектрический коэффициент пленок из ниобата лития составлял 8
нКл/см2К, для танталата лития он составлял 15нКл/см2К, для слоя ЦТСЛ 31 нКл/см2К. Выбор
сегнетоэлектриков был обусловлен их высокой температурой Кюри, что позволяло ожидать
стабильности в обнаружительной способности в широком диапазоне температур.
Исследования величины обнаружительной способности D* проводилось на длине волны
3.0мкм. Величина обнаружительной способности D* для МДП-прибора с диэлектриком из
ниобата лития составила 1.5*109 смГц0.5/Вт, при использовании диэлектрического слоя из
танталата лития D* =4.2*109 смГц0.5/Вт, а при применении ЦТСЛ D*=5.1*109 смГц0.5/Вт.
Исследование оптических и электрофизических свойств датчика излучения показало
возможность его применения в качестве гиперспектрального сенсора для работы в диапазоне
длин волн от УФ до дальнего ИК. При смене материала слоя поглощающего падающее
излучение возможно применение датчика для регистрации терагерцового излучения.
Сравнение значений обнаружительной способности датчика со значениями обнаружительной
способности основных тепловых приемников показало перспективность построения
шикопополосных неохлаждаемых приемников по конструктивной схеме фотоэлектрического
МДП-прибора на структурах полупроводник-сегнетоэлектрик.
Литература
1. Л.С.Кременчугский, О.В.Ройцина, Пироэлекрические приемные устройства, Киев,
Наукова Думка, 1982.
2. Р.А. Валитов и др., Техника субмиллиметровых волн, Москва, Советское Радио, 1969.
3. В.К.Новик, Н.Д. Гаврилова, Н.Б. Фельдман Пироэлектрические преобразователи,Москва,
Советское Радио, 1979.
4. Abrams R.L, Woods O.R. Appl.Phys.Lett.1971,v.19,#12,p.518.
5. В.А.Зуев, В.Г. Попов Фотоэлектрические МДП-приборы, Москва, Радио и Связь, 1983.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 43 6. Н.Р.Агамалян, Т.А.Асланян,Э.С.Вардянян и др. Известия НАН Армении, Физика, т.48, №2,
с.136, 2013. 6. В.А.Зуев, В.Г. Попов Фотоэлектрические МДП-приборы, Москва, Радио и
Связь, 1983.
УДК 62-1/-9
Датчики, необходимые для обеспечения обратной связи
электромеханического протеза кисти
Борисов И. И., Кривошеев С. В., Резников С. С.
Университет ИТМО
Небольшая эффективность, низкая функциональность, плохая управляемость и зачастую
высокая стоимость вместе с непритязательным внешним видом – вот основные причины, по
которым люди с ампутациями не используют протезы. Несмотря на инновации и постоянное
развитие технологий, современные протезы далеки от желаемого результата. Данная работа
посвящена разработке электромеханического протеза, который обеспечит высокую степень
функциональности и продвинутую систему управления.
Создание протеза можно разделить на три основных этапа: проработка конструкции,
реализация системы управления и отладка установленного протеза на пациенте. В рамках
проведенной работы была разработана и изготовлена конструкция протеза с применением
технологии трехмерной печати. Структура, кинематика, внешний вид протеза, принцип
сгибания пальцев были разработаны по подобию руки человека. Задачу сухожилий и мышц
выполняли два нейлоновых троса, расположенные с внешней и внутренней стороны пальца.
Тросы одним концом крепились за шкив, расположенный на валу двигателя, а вторым концом
связывались на конце дистальной фаланги. Каждый палец приводился в движение
собственным двигателем. Движение большого пальца осуществлялось двумя двигателями.
После разработки конструкции актуальным стал вопрос написания управления и
создании обратной связи. Управляющие сигналы будут получаться с помощью метода
электромиографии. Интерфейс управления, использующий мышечные токи в качестве
входных сигналов, обеспечивает интуитивное и естественное использование протеза, в
отличие от механических аналогов. Небольшое количество электродов присоединенных к
миографу несколько ограничивает возможности управления, но при их грамотном
использовании можно обеспечить высокий уровень функциональности протеза. В рамках
проекта был разработан первичный алгоритм оценки мышечных сокращений, необходимый
для написания алгоритмов управления.
Разработка системы обратной связи- самая сложная и самая интересная из имеющихся
задач. Она необходима для обеспечения обратной связи между протезом и пациентом. Самый
простой вид обратной связи - непосредственная визуальная информация и звук, издаваемый
двигателями в протезе. Для получения более надежной информации, которая может быть
численно выражена, необходимо устанавливать разнообразныедатчики. Во-первых, так как
захват объектов осуществляется кончиками пальцев и при этом всегда участвует большой
палец, то на его кончик необходимо установить датчик силы (давления). Во-вторых, на
двигатель необходимо установить датчик, регистрирующий скачок напряжения, возникаемый
при захвате объекта. Полученные данные с этих сенсоров помогут регулировать силы схвата,
исключить проскальзывание, а также предотвратить устройство от поломок.
Обратная связь, реализуемая с помощью датчиков, имеет важное значение как для
пациента, использующего протез, так и для разработчиков, так как позволяет вносить
различные коррективы, связанные с индивидуальными особенностями эксплуатации. Протез
должен автоматически подстраиваться к форме схватываемого объекта (адаптивный захват) и
обеспечивать крепкий захват без проскальзывания. Есть определенная разница между
захватом пластикового стаканчика и глиняной кружки.
44  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» Согласно классификации Шеррингтона, для максимального сходства с человеческими
чувствами датчики должны обеспечивать два типа "искусственных ощущений":
проприоцептивные и экстроцептивные. Проприоцептивные ощущения помогают человеку
ориентировать части своего тела относительно друг друга в пространстве, т. е. датчикам
необходимо обеспечивать протез и пациента информацией о положении и перемещении
пальцев искусственной руки. Экстероцептивные ощущения предоставляют человеку
информацию о внешнем мире через рецепторы, расположенные на поверхности тела, т. е.
необходимо датчикам сообщать о взаимодействии руки с объектами и окружающей средой.
Проприоцептивная система датчиков должна в себя включать определенное количество
сенсоров, встроенных в конструкцию протеза, а именно:
 Изменение положения пальцев протеза может фиксироваться с помощью угловых
датчиков, основанных на эффекте Холла;
 Магнитный энкодер может быть установлен в каждый двигатель для обеспечения
дополнительного контроля положения пальцев;
 Дополнительно может быть установлен датчик натяжения для контроля состояния
управляющих тросов.
Экстроцептивная система датчиков тоже должна состоять из нескольких сенсоров для
имитирования ощущений человеческой кожи:
 Контактные датчики, расположенные на гибкой подложке, покрывающей рабочие
поверхности пальцев;
 Микросенсоры, определяющие изменение силы давления в трехмерном пространстве.
Контактные датчики должны быть расположены на всей поверхности пальца для
обеспечения контактной информации. Тактильные микросенсоры (SCTM) могут обеспечить
высокую чувствительность и надежность. С помощью них можно определить начинающееся
проскальзывание с задержкой примерно в 7 миллисекунд.
Подводя итог, экстроцептивную систему датчиков для протеза можно привести до
уровня близкому к человеческим тактильным ощущениям. Был проведен поиск методов
обеспечения обратной связи с помощью датчиков. Далее планируется установить найденные
сенсоры на разработанную конструкцию протеза.
Литература
1. Design of a cybernetic hand for perception and action M. C. Carrozza· G. Cappiello · S. Micera
· B. B. Edin· L. Beccai · C. Cipriani Received: 11 September 2006 / Accepted: 19 October 2006
/ Published online: 6 December 2006 © Springer-Verlag 2006;
2. Dario P, Lazzarini R, Magni R, Oh SR (1996) An integrated minia- ture fingertip sensor. In:
Proceedings of the IEEE international symposium on micro machine and human science, pp 91–
97;
3. Кривошеев С.В., Орманов Д.Р. Управление моделью многозвенного манипулятора с
помощью значения электрических токов, снятых с поверхности руки // Автоматизация и
современные технологии. – 2014. – No 2. – С. 41–44;
4. Борисов И.И., Кривошеев С.В., Резников С.С. Моделирование движения пальца протеза
кисти // Альманах научный работ молодых ученых Университета ИТМО. – 2014. – С. 55–
58.
УДК 538.945:681.586.7
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 45 Сенсор магнитного поля с широким динамическим диапазоном на основе
высокотемпературного сверхпроводника системы BiPbSrCaCuO
А.В. Бухлин, И.В. Верюжский, П.А. Степанов,
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
В настоящее время, измерение магнитного поля в диапазоне 0,1-2 Тл в лучшем случае
можно выполнять с точностью около 1 мкТл. Для этого используются датчики ядерного
магнитного резонанса (ЯМР). Объем датчика ЯМР больше 1 см в диаметре и более 10 см в
длину. Поэтому создание сенсора с лучшими разрешающими способностями по магнитному
полю и меньшим объемом представляет большой практический и научный интерес.
В настоящей работе исследуется возможность создания сенсора магнитного поля на
основе высокотемпературного сверхпроводника (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223) с Tc ≈ 110 К,
позволяющего измерять магнитное поле в диапазоне 1…10 Тл с точностью лучше чем 100 нТл
и размером сенсора менее чем 1×1 см2 по площади и 2 мм в высоту, включая электроды и
корпус.
Высокотемпературный сверхпроводник системы BiPbSrCaCuO (BSCCO) представляет
собой слоистую структуру. В направлении оси-с сверхпроводящие слои CuO разделены
слоями BiO и SrO, которые выступают в качестве изоляторов. Таким образом, в направлении
оси-с образуется система так называемых внутренних джозефсоновских переходов.
В слоистых структурах с внутренним эффектом Джозефсона обнаружены эффекты,
которые могут быть использованы для измерения слабых магнитных полей.
Экспериментально обнаружены периодические колебания сопротивления потока
джозефсоновских вихрей (ДВ) во внутренних джозефсоновских переходах в монокристалле
Bi2Sr2CaCu2O8+y (Tc ≈ 86 К) при включении магнитных полей от 0,5 до 7 Тл параллельно
плоскости джозефсоновского перехода. Период колебаний зависит только от ширины стороны
структуры, которая перпендикулярна магнитному полю и от тока через внутренний переход
вдоль оси-с.
Для исследований системы ДВ использовались пленки Bi-2223 с Tc ≈ 110 К на подложках
MgO. Экспериментальный образец имел высоту h = 1 мкм, длину l = 50 мкм и ширину w = 50
мкм. К исследуемой структуре прикладывалось поле параллельно плоскости
сверхпроводящих слоев (параллельно плоскости ab кристалла). Юстировка направления
внешнего магнитного поля проводилось по величине сопротивления потока вихрей.
Максимальное значение сопротивления соответствовало точности установки угла 0,1°. В
рабочем режиме устанавливался переменный транспортный ток частотой 15 Гц. Его величина
была на три или четыре порядка меньше критического тока переходов. Величина
сопротивления всей структуры в основном определялась областью, где транспортный ток
проходил вдоль оси-c. Сопротивление областей, где ток проходит в плоскости ab на несколько
порядков меньше. Полученные зависимости сопротивления структуры от магнитного поля,
показывают, что разрешение сенсора не хуже 100 нТл в полях ~ 2 Тл.
Сенсор имеет большие преимущества по объему и разрешению и может быть
интегрирован в низкотемпературные сверхпроводящие магниты для систем магнитнорезонансной томографии.
УДК 53.087.45
46  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» Интеллектуальное фотоприемное устройство терагерцового диапазона
Вигилев П.В., Григорьев Л.В. к.ф.-м.н., Железняк А.Е., Лямец Д.А., Самчук Л.Д.,
Университет ИТМО
В настоящее время большое внимание исследователей получило тематика исследования
взаимодействия радиоволн терагерцового диапазона с веществами, находящимися в
конденсированном состоянии. Это обусловлено хорошей проникающей способностью
терагерцового излучения в биологические объекты и относительной безопасностью для
тканей человека[1]. Источники терагерцового излучения уже используются в медицине,
системах безопасности, спектроскопии следовых количеств веществ, находящихся в газах или
на поверхности твердых тел. Сейчас в качестве высокочувствительных приемников
терагерцового диапазона, как правило, используются структуры на основе узкозонных
полупроводников, например BiSn. Однако, для работы таких приемников требуется их
охлаждение до температуры жидкого гелия или ниже. В этой связи актуальна задача создания
неохлаждаемого (работающего при комнатной температуре) фотоприемного устройства для
регистрации волн терагерцового диапазона с возможностью его интегрирования в
распределенную систему управления.
Использование структуры сегнетоэлектрик – адсорбент терагерцового излучения
позволяет создать неохлаждаемый приемник излучения для терагерцового диапазона.
Применение современных прецизионных микроконвертеров позволяет совместить в одном
фотоприемном модуле сам сенсор, схему первичной обработки сигналов и микропроцессор
или цифровой сигнальный процессор для математической обработки сигналов, поступающих
с сенсора.
В работе представлен результат разработки фотоприемного устройства с сенсорной
площадкой, состоящей из тонкой пленки сегнетоэлектрика, слоя поглощающего терагерцовое
излучение сформированного из полимерного композита (фотополимер с микрочастицами
полупроводника или металла) и модуля обработки сигнала, состоящего из микроконвертера
ADuC847 и модуля сетевого интерфейса. Применение микроконвертера позволило провести
предварительную обработку сигнала с пироэлектрического сенсора, осуществить цифровую
фильтрацию сигнала. Наличие сетевого интерфейса позволяет интегрировать фотоприемное
устройство в информационно-командную сеть лаборатории или создать беспроводную сеть
сенсоров.
Литература
1. И.В. Мунина, В.М. Тургалиев, И.Б.Вендик // Перестраиваемые терагерцовые
метаматериалы с использованием электрически управляемых пьезоэлектрических
актюаторов, Письма в ЖТФ, 2012, т.38, вып.12., с. 59-65
УДК 681.7.063
Фазовые интерферометрические датчики на основе волоконных
брэгговских решеток с дискретно изменяющимся периодом
Идрисов Р.Ф., Варжель С.В., Куликов А.В., Мунько А.С.
Университет ИТМО
Волоконные брэгговские решетки (ВБР) с изменяющимся периодом применяются в
волоконно-оптических системах связи как компенсаторы хроматической дисперсии [1]. Такие
решетки могут быть использованы при создании чувствительных элементов волоконнооптических измерительных систем на основе массивов ВБР.
Технология
создания
распределенных
волоконно-оптических
фазовых
интерферометрических датчиков (ФИД) на основе решеток Брэгга требует записи массивов
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 47 ВБР с заданными коэффициентами отражения и шириной спектра на полувысоте в процессе
вытяжки волоконного световода [2].
Известно, что ВБР типа I можно записать практически с любым коэффициентом
отражения и шириной спектра на полувысоте, однако это требует использования методов
записи с длительной экспозицией (10-20 мин) [3], что невозможно осуществить в процессе
вытяжки оптического волокна (ОВ). Применение ВБР типа II позволяет осуществить
технологию одноимпульсной записи брэгговских решеток с коэффициентами отражения до
100% и шириной пика отражения на полувысоте до 1 нм [4]. Однако ВБР типа II
характеризуются резкой зависимостью наведенной модуляции ПП в ОВ от плотности энергии
в лазерном импульсе [5]. Эта особенность усложняет получение решетки с нужным
коэффициентом отражения, кроме того запись решетки типа II в ОВ значительно понижает
механическую прочность волоконного световода [6].
Поэтому для создания чувствительного элемента волоконно-оптического ФИД с
требуемым соотношением коэффициентов отражения пар решеток и достаточной шириной
спектра на полувысоте был предложен и апробирован метод получения чирпированных ВБР
с дискретно изменяющимся периодом в процессе вытяжки ОВ [7].
Для проверки применимости таких ВБР в распределенных волоконно-оптических ФИД
исследовано влияние температурных воздействий и механических напряжений на их
спектральные характеристики, а также проверено влияние анизотропных свойств
двулучепреломляющего ОВ на сложную структуру массива ВБР.
Литература
1. Meshkovskiy I.K., Strigalev V.E., Kulikov A.V., Varzhel’ S.V. Bragg Gratings Induced in
Birefringent Optical Fiber with an El A. Othonos, Rev. Sci. Instrum, 68, № 12, 4309-4341,
(1997).
2. И.К. Мешковкий, С.В. Варжель, М.Н. Беликин, А.В. Куликов, В.С. Брунов, Известия
высших учебных заведений. Приборостроение, 56, № 5, 91-93, (2013).
3. M. Becker, S. Bruckner, E. Lindner, M. Rothhardt, S. Unger, J. Kobelke, K. Schuster, H. Bartelt,
Proc. of SPIE, 7750, 775015-1, (2010).
4. I.K. Meshkovskiy, V.E. Strigalev, A.V. Kulikov, S.V. Varzhel', Journal of Photonics, 2013,
Article ID 936036, 4 pages, (2013).
5. L. Reekie, J.-L. Archambault, P.St.J. Russell, OSA/OFC, paper PD14, 327-330, (1993).
6. С.А. Васильев, О.И. Медведков, И.Г. Королев, А.С. Божков, А.С. Курков, Е.М. Дианов,
Квантовая электроника, 35, № 12, 1085-1103, (2005).
7. R. Kashyap, San Diego, CA: Academic Press, 478 p., (1999).
УДК 681.2.084
Датчики давления с акустоэлектронными сенсорами на объемных
акустических волнах для радиозондов
Силаков Д.М., Манвелова Н.Е., Мокрый О.Г.1, (СПб), Манвелова Т.А.1,2
ОАО «Авангард», СПб ГЭТУ«ЛЭТИ»
По установившейся практике метеонаблюдений для получения метеорологической
информации в атмосферу выпускаются в свободный полёт небольшие лёгкие измерительные
приборы, радиозонды, снабжённые датчиками различных метеорологических параметров и
радиопередатчиком. Радиозондирование представляет наиболее точные результаты
непосредственных контактных измерений термодинамических параметров атмосферы на
высотах от уровня Земли до 35…40 км. Аэрологический радиозонд производит
преобразование нескольких метеорологических величин (атмосферное давление,
температура, влажность воздуха, направление ветра) в радиотелеметрические сигналы и
48  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» передает их по радиоканалу на наземную станцию сопровождения. Наземное оборудование
аэрологических станций – аэрологический регистрационно-вычислительный комплекс
радиолокационной станции (РЛС), радиотеодолит или иная навигационная система –
обеспечивает сопровождение радиозонда в полёте, определение его координат (и тем самым
измерение высоты самого зонда и параметров ветра).
Начиная с 1930 года (первый отечественный радиозонд Молчанова А.П.)
совершенствование техники и метода радиозондирования атмосферы всегда было тесно
связано с развитием радиоэлектроники и, по сути, отражало достижения в этой области.К 1982
году была создана аэрологическая сеть СССР, насчитывающая около 200 станций. Появление
новой элементной базы (транзисторы, микросхемы) и необходимость повышения
безопасности полётов авиации привели к созданию лёгкого, малогабаритного и экономичного
радиозонда. В качестве антенны используется активная фазированная антенная решетка
(АФАР). Станция МАРЛ автоматически находит и сопровождает зонд в полёте, выдаёт его
текущие координаты, принимает и обрабатывает метеорологическую информацию.
Тем не менее сегодня возникли затруднения, которые, в частности, сводятся к тому, что
организация технологических процессов изготовления сенсоров для радиозондов, собственно
радиозондов и уровень метрологического обеспечения их производства отечественными
предприятиями-изготовителями существенно различаются,. Это приводит к нарушению
репрезентативности наблюдений, а также, не способствует развитию и усовершенствованию
аэрологической техники, с одной стороны, и к захвату данного сегмента рынка зарубежными
поставщиками, с другой.
В этой связи приобретает актуальность постановка задачи разработок современных
датчиков для радиозондов с акустоэлектронными сенсорами на объемных акустических
волнах (ОАВ).
Предлагается к рассмотрению новый, разработанный в ОАО «Авангард» г. СанктПетербург, прецизионный датчик воздушного давления для аэрологических радиозондов,
сенсором которого является кварцевый резонатор на объемных акустических волнах.
Выходной величиной этого датчика является цифровой код, посредством которого
потребитель получает значение абсолютного давления и температуры воздуха в цифровом
виде по любому удобному интерфейсу. Разработанный датчик может быть применен в
современных метеорологических радиозондах для измерения вертикального профиля
температуры и давления в атмосфере.
Принцип действия любого преобразователя давления заключается в преобразовании
давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сигнал и, при
необходимости, обработка (усиление, термокомпенсация и др.). Механическая деформация
мембраны чувствительного элемента датчика (при приложении измеряемого внешнего
давления) приводит к деформации резонатора на ОАВ и, следовательно, сдвигу его
резонансной частоты. Плоскость резонатора, являющегося основой чувствительного
элемента, параллельна плоскости мембраны. При реализации интегральных мембран
простейшего типа – с плоским профилем – обычно используются механические методы
размерной обработки – алмазным инструментом и на ультразвуковых станках. Более сложные
профилированные мембраны, имеющие выступы или углубления, предназначенные для
подсоединения резонаторов, могут изготавливаться методами ионного или химического
травления.
Резонатор кварцевый манометрический абсолютного давления РКМА-Р имеет
следующие характеристики:
 диапазон частот – 40…48 кГц;
 интервал рабочих давлений – 0…0.6 МПа;
 коэффициент преобразования – 3144.25 Гц/МПа;
 гистерезис – не более 0.02 %;
 диапазон рабочих температур – от –55 до 80оС;
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Сенсоры и сенсорные сети» 49 
габаритные размеры – 25×23×3.5 мм.
Особенностью конструкции является то, что ОАВ резонатор крепится легкоплавким
стеклом на кварцевую мембрану того же среза с внутренней части резонатора в
вакуумированном пространстве, что обеспечивает высокую прочность в широком диапазоне
измеряемых давлений, малый воспроизводимый уход частоты в рабочем температурном
диапазоне, малый гистерезис барочастотной характеристики, малый уход нуля и высокую
разрешающую способность.
Чувствительный элемент (резонатор в сборе) монтируется в корпус датчика через
амортизатор, выполненный из полиуретана и предназначенный для механической фильтрации
ударных и вибрационных внешний воздействий.
Для компенсации влияния температуры, а также для ее измерения, в паре с
манометрическим кварцевым резонатором используется термочувствительный кварцевый
резонатор РКТ206 ТУ 25-1862.0013-88 (производитель ООО «СКТБ ЭлПА», Ярославская обл.,
г. Углич), имеющий следующие характеристики:
диапазон частот – 32…36 кГц;
диапазон рабочих температур – от –50 до 100 оС;
коэффициент преобразования – –1.811 Гц/ оС.
С целью повышения точности измерения давления в широком диапазоне температур
прорабатывается механизм термокомпенсации с использованием дополнительных датчиков
температур на базе наработок ОАО «Авангард» в части создания сесоров температур на ПАВметке .
Для анализа напряженно-деформированного состояния сенсора датчика давления на
ОАВ (профилированная кварцевая мембрана с закрепленным на ней преобразователем на
основе сдвоенного камертона) было проведено конечно-элементном моделирование.
Авторы разработки предполагают, что применение акустоэлектронных сенсоров на
объемных акустических волнах и датчиков давления на их основе сможет найти свое место в
ряду перспективных технических решений при создании инновационных радиозондов в
классическом варианте их применения для радиозондирования слоев атмосферы до высот
35…40 км, а также для организации специализированной автоматической метеорологической
наблюдательной сети на базе вышек сотовой связи. Представляет интерес, также, задача
проработки вариантов применения акустоэлектронных датчиков давления производства ОАО
«Авангард» с цифровым выходным сигналом при организации отечественной системы
зондирования нового поколения – системы радиозондирования с использованием
спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.
Общие вопросы
применения сенсоров
52  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» Vibrational CARS Thermometry Measurements performed at a Test Bench for
Industrial Oxy-Fuel Burners
J.W. Tröger1,2 , T. Seeger1,2
1
2
Lehrstuhl für Technische Thermodynamik, Universität Siegen
Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies (SAOT)
Oxy-Fuel combustion processes are especially for high-temperature processes of great interest,
for instance in steel and glass industry. In the glass industry of the United States more than 25% of
all glass-melting furnaces are heated by oxy-fuel combustion [1].
The application of oxy-fuel burners shows some benefits compared to conventional burners.
On the one hand the amount of NOx-emissions of oxy-fuel combustion processes is very small and it
offers the possibility of separation and storage of the emitted carbon dioxide. That is due to ecological
reasons and due to expectable costs for carbon credits desirable. On the other hand the combustion
with pure oxygen leads to high temperatures without air preheating.
So far there exists just a small amount of experimental data and especially temperature
information from oxy-fuel combustion processes. Here laser-based non-invasive measurement
methods are well suited and the coherent anti-Stokes Raman scattering technique (CARS) offers the
possibility for precise temperature measurements in such combustion environment [2-4]. Therefore
in this work we present the application of a vibrational-CARS system for gas phase temperature
measurements in large scale oven equipped with a typical industrial oxy-fuel burner. The CARS
system consists of a laser system and a signal detection system. The laser system is based on a
frequency doubled Nd:YAG laser (800mJ, 532nm). Part of the 532nm laser beam is utilised to pump
a commercial broadband dye laser at a central wavelength of 580nm. In the measurement volume a
laser power of 10mJ for the dye laser and 25mJ for the Nd:YAG laser was used for the measurements.
The detection system consists of a spectrometer and a CCD camera.
For the CARS temperature determination such in oxy-fuel processes it is in general possible to
use either the oxygen or the carbon monoxide molecule as a temperature indicator. Both options are
investigated in advance in a lab flame established on a McKenna burner Furthermore first
measurements at an oxy-fuel burner test bench at the “Gas- und Wärme-Institut” (GWI) in Essen,
Germany are presented. Beside mean temperatures also the temperature fluctuations due to the high
turbulent combustion process can be resolved.
exhaust
gas
burner
Figure1 - Schematic drawing of the test bench operated with typical industrial
oxy-fuel burners
temperature [K]
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 53 number
of shot results
Figure2 - First time resolved gas phase
temperature
of a selected measurement point within the oven are shown
Acknowledgement:
The authors gratefully acknowledge funding of the IGF work 17838 N / 4 of the research
association Gas- und Wärme-Institut Essen e.V.- GWI, Hafenstraße 101, 45356 Essen, Germany in
the framework of the industrial common research (IGF) of the Federal Ministry of Economics and
Technology based on a resolution of the German Federal Parliament.
References
1. C. P. Ross, G. L. Tincher, M. Rasmussen Glass Melting Technology: A Technical and Economic
Assessment Glass Manufacturing Industry/ U.S. Department of Energy-Industrial Technologies
Program, USA, #DE-FC-36-021D14315, 2004
2. S. Kampmann, T. Seeger, A. Leipertz Simultaneous CARS and 2D Laser Rayleigh Thermometry
in a Contained Technical Swirl Combustor Appl. Opt. 34, S. 2780-2786 (1995)
3. F. Beyrau, A. Datta, T. Seeger and A. Leipertz Dual-pump CARS for the Simultaneous Detection
of N2, O2 and CO in CH4-Flames J. Raman Spectrosc. 33, S. 919-924 (2002)
4. Braeuer, F. Beyrau, T. Seeger, J. Kiefer, A. Leipertz, A. Holzwarth, A. Soika Investigation of the
Combustion Process in an Auxiliary Heating System Using Dual-Pump CARS J. Raman
Spectrosc. 37, S. 633-640 (2006)
УДК 543.424.2
Rapid and simultaneous multi-species measurements with a portable Raman
probe for low-pressure range on the example of the anesthetic gas monitoring
Sebastian Schlüter1,3,4,Sascha Asbach3, Nadejda Popovska-Leipertz2, Alfred
Leipertz1,2,4,Thomas Seeger1,3
1
Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies, University of Erlangen-Nuremberg,
2
ESYTEC Energie- und Systemtechnik GmbH,
3
Institute of Engineering Thermodynamics, University of Siegen,
4
Institute of Engineering Thermodynamics, University of Erlangen-Nuremberg,
Author e-mail address: [email protected]
Abstract
This study presents a fully functional optical sensor based on spontaneous Raman scattering,
which enables multi- species concentration measurements at low-pressure regime and which offers
several advantages in comparison to established monitoring systems.The overriding concern for
patient safety during surgery has spawned a variety of techniques to monitor the vital functions. These
technologies include the monitoring of the inspired oxygen, the inhaled anesthetic agents (i.e. N2O;
isoflurane; sevoflurane and desflurane) and the composition of the expired gases in order to detect
the carbon dioxide and the portion of the exhaled anesthetic gases. An online gas monitoring system
ensures a safe anesthesia and can alert the anesthesia caregiver to a plurality of potential adverse
54  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» conditions. Conventional gas monitors are using a combination of several measurement methods such
as IR-absorption spectroscopy for detecting the anesthetic agents and CO2 and in addition
paramagnetic or electrochemical sensors for detecting O2. These measurement methods require a
preparation of the sample gas (i.e. gas drying), which makes measurements in the main stream very
complicated. Usually nitrogen is not covered by such devices. Thus, a comprehensive ascertainment
for all species is not given.
In this study a compact, mobile and robust online monitor for anesthetic and respiratory gases is
presented, which is capable to measure all species of interest simultaneously with a high precision
and a high temporal resolution by using a single laser source and without any sample preparation.
The probe is based on linear Raman scattering which is an excellent tool for chemical analysis of
multi-species gas mixtures. The sensor system, which is presented here, overcomes the drawbacks of
the weak Raman signal by applying a multipass cavity, advanced signal collecting geometry and in
contrast to usual gas monitors, it delivers also the H2O and N2 concentration and thus the complete
information of the gas composition. Previous efforts [1-3] to use a Raman based sensor system for
the online monitoring had some restrictions concerning the accuracy caused by channel crosssensitivity especially for the parallel use of anesthetic agents. Therefore only three out of five
anesthetic agents could be detected by such systems. Additional gas treatment was also necessary for
these sensors systems. In contrast to that the presented sensor requires no sample preparation and can
detect additional all five anesthetic agents and H2O. Further, the system can be extended via software
update to new gas components.The well-known principles of spontaneous Raman scattering can be
found in literature (see e.g. [4-6]). Therefore only a brief summary is presented here.The spontaneous
Raman scattering is a result of an inelastic interaction between light and matter. This means that the
scattered radiation is frequency shifted referring to the incident laser light. The respectively red and
blue shifted signals are termed as Stokes and anti-Stokes Raman scattering. Since the energy
difference between two molecular rotational or vibrational levels is unique for an individual species
the frequency shift of the Raman signal ΔωR can either be used for species identification or, by
measuring the signal intensity, for a quantitative analysis of gas samples. The detected intensity Ii of
a vibrational Stokes Raman line of species i can be written as
Ii  k 

nilI0

(1)
where Ωis the collecting solid angle of the detection optics, ∂σ/∂Ω is the differential scattering
cross section of the species, l is the length of the observed probe volume and I0 is the incident laser
intensity. The factor k depends on the experimental setup, and ni is the parameter of interest, i.e. the
number density of the specific gas species i inside the probe volume. The spectrum of a gas mixture
is in principal a superposition of the spectra of the pure substances within the mixture [7]. By
evaluating the intensity of the individual Raman bands the species concentration can be easily
determined. In the case of overlapping bands, a contour fit algorithm can be applied to reconstruct
the individual species signal.A scheme of the Raman system is shown in Fig. 1. The system includes
a Nd:YVO4 cw laser operating at λ= 532 nm and providing an output power up to 8 W. The laser
beam is guided into a multipass cavity which focuses the beam into a measurement cell [8]which is
not shown in detail here. The Raman scattered light is collected perpendicular to the incident laser
beam by a telescope optic with a large solid angle on the collecting side and an optical filter to
suppress unwanted stray light and the Rayleigh line. Additionally the light which is scattered at an
angle of 270° is redirected in the collecting optics. The signal is then focused into an optical fiber and
guided into a spectrometer with a back-thinned CCD sensor. Thermal noise is minimized by
thermalconditioning of the CCD chip. The detectable spectral range was adjusted according to the
Raman shifts of the gases under investigation. Raman spectra were obtained for the commonly used
volatile anesthetics and respiratory gases: sevoflurane; desflurane; isoflurane; N2O; O2; N2 and CO2.
The laser power was set to PL= 8 W and the integration time of the spectra was Tint=1 s.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 55 Figure 1 - TypicalRaman setup with
perpendicular detection.
Figure 2 - Test setup for evaluating the
Raman monitor.
The Raman probe was operated as it is illustrated in Fig. 2. A continues gas flow ensured the
permanent sample renewal for an online measurement. The Raman analyzer needed no sample
preparation and was connected directly to the y-piece of the semi-closed anesthetic circle system. For
the conventional monitoring system the sample gas had to be dried and was therefore guided through
a water trap. First measurements of Raman spectra of respiratory gas mixtures consisting of O2; N2;
CO2; H2O;sevoflurane; desflurane and isoflurane were recorded with the Raman probe and will be
presented here.
Acknowledgements: This project is supported by the German Federal Ministry of Education and
Research (BMBF), project grants No 01EX1015A, 01EX1015B and 01EX1015L. The authors thank
in particular the Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies (SAOT) and Medical
Valley EMN.
References
1. Gregonis, D. E., van Wagenen, R. A., Coleman, D., Mitchell, J. R., Adar, F., and Griffiths, J. E.,
Eds. 1990. Commercial anesthetic-respiratory gas monitor utilizing Raman spectroscopy. Raman
and Luminescence Spectroscopies in Technology II. Proc. SPIE 1336.
2. Lawson, D., Samanta, S., Magee, P. T., and Gregonis, D. E. 1993. Stability and long-term
durability of Raman spectroscopy. J Clin Monit 9, 4, 241–251.
3. Lockwood, G. G., Landon, M. J., Chakrabarti, M. K., and Whitwam, J. G. 1994. The Ohmeda
Rascal II. A new gas analyser for anaesthetic use. Anaesthesia 49, 1, 44–53.
4. Eckbreth, A. C. 1996. Laser diagnostics for combustion temperature and species. Combustion
science and technology book series v. 3. Gordon and Breach Publishers, Amsterdam, Netherlands.
5. Lewis, I. R. and Edwards, Howell G. M. 2001. Handbook of Raman spectroscopy. From the
research laboratory to the process line. Practical spectroscopy 28. Marcel Dekker, New York.
6. Tobin, M. C. 1971. Laser Raman spectroscopy. Chemical analysis v. 35. Wiley-Interscience, New
York.
7. Schrader, B. and Bougeard, D. 1995. Infrared and Raman spectroscopy. Methods and
applications. Wiley-VCH, Weinheim, New York.
8. Waldherr, G. A. and Lin, H. 2008. Gain analysis of an optical multipass cell for spectroscopic
measurements in luminous environments. Appl. Opt. 47, 7, 901.
Peculiarities of work of the local force sensor based on hydrophilic pT/c
whiskers located on the top of the scanning force microscope sI cantilever
M. V. Zhukov 1, I. S. Mukhin 1,2, V. V. Levichev 1, and A. O. Golubok 1, 3
56  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 1
ITMO University,2 St. Petersburg Academic University, Research and Education Center for Nanotechnologies,
Russian Academy of Sciences, 3 Institute for Analytical Instrumentation, Russian Academy of Sciences
It is well known that the sensitive element of the scanning force microscope (SFM) is a sensor
of the local force interaction between the sample surface and the nanoprobe based on Si cantilever.
The deflection of the cantilever, as well as its amplitude, frequency, and phase of its resonance
oscillations, which occur due to the action of local force, are measured with special system (typically
optical). In order to stabilize the precision force contact (~1nN) between the nanoprobe and the sample
surface the local force sensor is included in the feedback loop of the SFM servo system with piezoscanner as its servo unit. Image of the sample surface obtained in SFM is formed by the miscroscope's
servo system and is a convolution of the geometrical shape of the probe and the surface topography of
the sample object. That is why quality of the images is determined first of all by the quality of the
adjustment of the feedback loop, as well as the features and geometrical parameteres of the probes
used [1]. In order to improve the spatial resolution and contrast and widen the region of SFM
application, on the tops of the standard silicon nanoprobes, the nanotubes [2], diamond-type carbon
[3], metal-carbon whiskers [4], and colloidal nanosphere particles (for the visualisation and
characterisation of soft objects) [5] are localised.
For the correct interpretation of the images obtained it is necessary to take into consideration the
details of the interaction between the probe and the sample surface. For example, in [6] the influence
of hydrophobic (hydrophilic) surfaces of the probe and the sample upon the SFM data has been
studied, and in [7] the artifacts and effect of contrast inversion observed in semi-contact and noncontact resonance force modes have been discussed. The effect of contrast inversion means that, when
standard Si cantilever is used, nanochannels or nanopores on the sample surface are visualised in the
SFM image as hills, and not as cavities.
The effect of inversion is identified and studied in this research. It is suggested to use probes
with hydrophilic Pt/C whiskers formed on the top of the pyramid of Si cantilever in order to obtain
adequate SFM images. Nanowhiskers were created by the method of focused electron beam deposition
in the presence of precursor gases inside electron microscope chamber [4]. Length L and diameter D
of the created nanowhiskers were between (0,8–1,2) μm and (30–40) nm, respectively, therefore,
aspect ratio L/D was between 20 and 40. In order to study soft biological objects cantilevers with low
spring constant (1,5-2,5) N/m were used.
It was found that on the objects smaller than 50 nm the effect of inversion took place irrespective
of the adjustment of parameters of the feedback loop both in semi-contact and contact modes. When
Si probe is used on the surface of erythrocyte membranes the nanometer hills are visualized, and when
it is changed with Pt/C whisker they are inverted into the nanopores. When Pt/C whisker is changed
back to Si probe the original contrast returns.
The observed phenomenon can be attributed to the presence of capillary forces between the
probe and the sample in the humid environment. In order to obtain information about the adhesion of
probes to the surface removable curves were measured. Measurements were carried out on the surfaces
covered by the gold film which, as known, have hydrophilic properties and on the surfaces of
erythrocytes. The measurements showed that the adhesion force for probes with Pt/C whiskers exceeds
the adhesion force for standard Si probes in (2-3) times. Therefore, probe with nanowhisker has more
hydrophilic properties what, together with its geometry (smaller area of contact with the sample),
contributes to its penetration through the layer of liquid condensed in the nanopores and nanochannels.
It should be noted that the condensation of liquid in nanopores and nanochannels is a
consequence of the well-known phenomenon of capillary condensation. Indeed, according to the
Kelvin equation [8], pressure of saturated vapor should decrease over the concaved surface of the
meniscus in the capillary with hydrophilic walls. For a small radius of the capillary it leads to the
directed flow of water vapor with further condensation of water in the capillary. Apart from that, as
measurements show [7], water meniscus in the hydrophilic nanocapillary may have convex, and not
concaved form which is characteristic for the hydrophilic microcapillaries. Hence, hydrophilic
nanopores and nanochannels may be covered by water «nano-dome». It is possible to assume that the
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 57 standard silicon probe, while scanning on the surface of such «nano-domes», provides inversion of the
contrast in the SFM images of nanopores and nanochannels of the original surface, while more
hydrophilic Pt/C whisker penetrates the water «nano-dome» and provides adequate image of
nanopores and nanochannels on the hydrophilic surface.
Thus, in this study, the effect of contrast inversion which obtains during the visualization of
nano-objects both in semi-contact and contact SFM modes has been revealed, and possible causes of
this phenomenon have been discussed. Force sensors on the base of Pt/C whiskers localized on the
tops of Si probes were created and tested. Utilization of such sensors excludes contrast inversion in
SFM images of nanopores and nanochannels in hydrophilic surfaces.
This work was financially supported by the Government of the Russian Federation (074-U01),
the Russian Foundation for Basic Research (14-02-31703), and the program U.M.N.I.K.
References
1. Ernst Meyer, Hans J. Hug, Roland Bennewitz. Scanning Probe Microscopy. The Lab on a Tip.
//Advanced Texts in Physics, Switzerland, 2004, – 210 p.
2. Bedri Onur Kucukyildirim. Usage of Carbon Nanotubes in Scanning Probe Microscopes as Probe.
// International Journal of Arts and Sciences, 3(1). – 2009. – P. 18-26.
3. Dmitry Klinov, Sergei Magonov. True molecular resolution in tapping-mode atomic force
microscopy with high-resolution probes. // Applied physics letters, 84(14), – 2004. – P. 26972699.
4. V. V. Levichev, M. V. Zhukov, I. S. Mukhin, A. I. Denisyuk, A. O. Golubok. On the operating
stability of a scanning force microscope with a nanowhisker at the top of the probe. // Technical
Physics, Vol. 58, Issue 7. – 2013. – P. 1043-1047.
5. A. Nyapshaev, A. V. Ankudinov, A. V. Stovpyaga, E. Yu. Trofimova, M. Yu. Eropkin.
Diagnostics of living cells under an atomic force microscope using a submicron spherical probe
with a calibrated radius of curvature. // Technical Physics, Vol. 57, Issue 10. – 2012. – P. 14301437.
6. Agnieszka Mierczynska-Vasilev, David A. Beattie. In situ atomic force microscopy of modified
dextrin adsorption on hydrophobic and hydrophilic layered silicate minerals. // Journal of Colloid
and Interface Science, 344. – 2010. – P. 429–437.
7. P. Rahe, R. Bechstein, J. Schütte, F. Ostendorf, and A. Kühnle. Repulsive interaction and contrast
inversion in noncontact atomic force microscopy imaging of adsorbates. // Physical Review B,
77. – 2008. – P. 195410(6).
8. Olivier Coussy. Mechanics and Physics of Porous Solids. // John Wiley & Sons Ltd, Chichester,
2010, – P. 175-178.
UDC 621.389
Multisensory gas-analyzing device: particular of the signal processing
N.K. Plugotarenko, V.V. Petrov, A.I. Bahmatskaya
Southern Federal University
Multisensory gas-analyzing device is a promising tool to comprehensive analysis for ecological
and technological air composition monitoring. In order to control the composition and of air quality,
known gas analyzers have the necessary selectivity for the identification of the required components
in a gaseous medium. However, a set of unrelated gas sensors cannot solve the problem of complex
analysis. Multisensory gas-analyzing devices are formed on the basis of a set of non-selective gas sensors,
generating the primary signal, and algorithms for pattern recognition, signal processing combined sensors.
58  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» At the Department of Technosphere Safety, Ecology and Chemistry of Southern Federal
University the gas sensors and multisensory gas-analyzing device based on nano-composite materials
and conductive organic polymers were produced using the original technology. They are possessed
the following key properties: [1]
- target gases: nitrogen dioxide, ammonia, chlorine, acetone, methanol
- threshold sensitivity to the target gas - 0,5 ppm;
- the dynamic range of the measurement target gas 1-200 ppm;
- operating temperatures of the gas sensors for ecological monitoring - 20-50 ° C, for
technological monitoring - 50-150 ° C;
- response time- 5-70 sec;
- recovery time - from 30 to 300 seconds;
- power consumption - less than 50 mW;
- operability at the temperatures from 10 to 40 ° C and humidity of 30 to 85%.
As a result of comparative analysis of different methods of sensors signal processing, a method
of signal processing arrays of sensors for detecting gases in gas mixtures was developed. The
possibility of effective use of sensors arrays based on SiO2SnOxCuOy, SiO2ZrOy, silver-PAN to detect
such gases as ammonia, nitrogen dioxide, chlorine, acetone was proved.
One way of the signal processing is to eliminate internal noises. In this paper, the efficiency of
the wavelet filter for preprocessing the signal, thus reducing the level of noise variance to 50% was
shown. Further noise reduction is not recommended, as it can make it difficult to recognize the main
signal.
The method of neural network modeling for processing data from sensors arrays after filtration
was proposed. Data processing proceeds in two steps, first quality, and then quantitative analysis.
Addition of an existing array without disrupting separate network to implement the detection of gases
and their concentrations of the mixture is proposed. As a result of the experiment on the recognition
of nitrogen dioxide in the air the network with the following configuration - multilayer perceptron
with two layers and four neurons has the least error.
References
1. Kravchenko E I., Petrov V.V. Air monitoring by means of electronic nose //Advanced Materials
Research. Vols. 864-867 (2014), pp. 908-912.
УДК 004.932
Использование автоматических систем обработки данных для
совершенствования технологий человеко-компьютерного взаимодействия
Н.А.Абрамов, М.В.Болсуновская, А.С.Одоевский,
Санкт-Петербургский Политехнический Университет (СПбПУ), Институт информационных технологий и
управления (ИИТУ), каф. Компьютерных систем и программных технологий (КСПТ) ООО «Технекон»
В настоящее время проблема поиска малоразмерных объектов на изображениях
сложных сцен, обнаружения и идентификации объектов в видеопотоке, прогнозирования
развития чрезвычайных ситуаций в режиме реального времени для систем обработки
информации и информационно-управляющих систем продолжает оставаться актуальной.
Система «глаз-мозг» при восприятии информации о малоразмерном объекте на
изображении с низким уровнем контрастности и высоком уровне шума либо при высокой
скорости смены последовательности изображений не позволяет эффективно решать
поставленные задачи. С другой стороны, система «глаз-мозг» имеет ограничения по числу
анализируемых постоянно меняющихся сигналов, поступающих в режиме реального времени
(7+2).
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 59 Для обработки больших объемов графической и смысловой информации об объектах,
которая поступает от внешних или имплантируемых датчиков или получена посредством
периферических органов чувств, необходимо использование автоматизированных
информационных систем, позволяющих повышать скорость и точность обработки, в
частности, локализацию малоразмерных объектов, обеспечение выработки управляющих
воздействий в навигационных, медицинских и системах технического зрения.
Предполагаемый аппаратно-программный комплекс должен включать датчики и
сенсоры, ретранслятор и систему обработки данных. Для сокращения ограничений, которые
накладываются человеческими органами восприятия на скорость обработки потоковых
данных, предлагается использование алгоритмов цифровой обработки сигналов и
изображений, а также алгоритмов обработки временных рядов с целью краткосрочного и
долгосрочного прогнозирования.
Основными функциями предполагаемого комплекса является возможность сбора,
хранения, комплексного анализа и использования нескольких видов информации:
 Регистрация сигналов через определенные участки времени с последующей обработкой
временных рядов;
 Получение мультимедиа информации с последующей обработкой фото и видео данных.
Основные решаемые комплексом задачи:
1) Сбор информации с датчиков (прогнозирование, классификация, сегментирование,
фильтрация);
2) Хранение информации (формат хранения для временных рядов и мультимедиа, постанализ данных);
3) Обработка изображений в режиме реального времени (улучшение качества изображений
- снижение уровня шума, стабилизация кадров, поиск объектов, оценка смещений и
отслеживание объектов).
Для обработки изображений предлагается использовать алгоритмы шумоподавления,
выделения зон интереса, обнаружения аномальных областей, оценки смещений на
последовательности изображений в автоматическом и полуавтоматическом режимах в режиме
реального времени.
Авторами разработан комплекс алгоритмов для полуавтоматической и автоматической
сегментации объектов на изображении с возможностью адаптации алгоритма сегментации к
особенностям изображения на основе итеративного подхода с использованием адаптивных
пороговых методов и анализа фрактальной размерности. Комплекс алгоритмов и
программных средств позволяет осуществлять определение размера начальной области
интереса на изображении и/или установление меток на зонах интереса, задание критериев
однородности, контраста или связанности элементов изображения в зоне интереса,
очерчивание контуров объектов на изображении с использованием параметрических кривых.
Дополнительно используются алгоритмы компенсации смещения объектов для
повышения надежности локализации и уточнения морфометрических показателей объектов.
Для обработки сигналов предлагается использовать алгоритмы шумоподавления,
восстановления сигнала,
статистического анализа многомерных временных рядов с
использованием авторской полимасштабной модели анализа данных на основе вейвлетразложения.
Основной идей полимасштабного подхода является обеспечение открытой и
изменяемой иерархии методов анализа данных с исследованием корреляций между ними и
суммарных ошибок моделей прогнозирования. Основными достоинствами такой методики
являются:
 Возможность построения специфических иерархий моделей применимых к определённым
классам входных данных;
 Автоматизация процесса прогнозирования сопутствующая возможности полной или
частичной настройки предопределённых наборов моделей;
60  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 
Варьирование разнообразных методик с учётом их сильных и слабых сторон, точности
прогнозирования и трудоёмкости;
 Учёт дополнительных факторов путём использования новых моделей.
Использование предлагаемой полимасштабной модели позволяет повысить скорость и
точность многокритериального и многомерного анализа исходных данных, полученных
различными способами – от сенсоров и датчиков (температуры, влажности, давления,
движения, включая МЭМС) в навигационных системах, системах медицинского и
промышленного применения, а также данных поступающих от источников ионизирующего
излучения: средств компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии,
ультразвуковых исследований, позитронно-эмиссионной томографии.
Разработанная система обработки информации была апробирована при создании
аппаратно-программного комплекса дистанционного динамического контроля сатурации по
кислороду и пульса пациентов разного возраста на ранних стадиях реанимации,
обеспечивающего проведение оценки работы сердечно-сосудистой, дыхательной и других
систем одновременно при различных психоэмоциональных и нагрузочных состояниях и
оценки адекватности проводимой терапии и толерантности к физической нагрузке.
Предложенный комплекс алгоритмов по обработке последовательностей томографических и
ультразвуковых изображений в режиме реального времени апробирован при разработке
нового поколения томографов и систем активной безопасности.
Высокая точность и скорость обработки позволяют рекомендовать разработанную
систему для нового применения - в аппаратно-программном комплексе анализа данных,
получаемых с имплантируемых устройств, датчиков движения, используемых для
совершенствования человеко-машинного интерфейса, а также для мониторинга состояния
импланта в процессе его эксплуатации с применением средств неразрушающего контроля.
Для максимальной адаптации предложенных алгоритмов и программных средств для
навигации в аэрокосмических и военных применениях, а также для промышленных и
медицинских систем необходимы дополнительные исследования, связанные с определением
форматов данных, протоколов обмена, моделей многокритериального анализа и
прогнозирования данных, разработкой моделей принятия решений и выработкой
управляющих воздействий.
УДК: 536.52
Тепловизионная дефектоскопия высокотеплопроводных материалов
Бородин Д.А., Кораблев В.А., Минкин Д.А., Шарков А.В.,
Университет ИТМО
Для нужд электронной промышленности синтезированы новые материалы,
отличающиеся более высокой теплопроводностью, чем у ранее применявшихся материалов
на основе меди и алюминия. Например, теплопроводность материалов на основе углеродуглеродных композиций или карбида кремния с алмазным заполнением может существенно
превышать 500 Вт/м.К. Полученные из этих материалов изделия применяются для
кондуктивного отвода теплоты от полупроводниковых структур с высокой плотностью
тепловыделений.
Технология производства этих элементов является очень сложной, включает
использование высоких давлений и температур и сложных химических процессов, поэтому
возможно получение изделий с локальными дефектами и недостаточно высокими
теплофизическими свойствами.
Для контроля качества этих изделий на кафедре Компьютерной теплофизики ИТМО
разработана технология диагностики теплофизических свойств с применением
тепловизионной съемки. Она заключается в локальном нагреве и охлаждении изделия и
измерении температурных полей его поверхностей. Анализ полученных изображений
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 61 позволяет выявить неоднородности материала, трещины, каверны и другие дефекты.
Преимуществом этого метода является то, что он является неразрушающим и позволяет
выявить дефекты, не обнаруживаемые другими способами.
Для исследования изделий применяется высокочувствительный тепловизор с
объективом, позволяющим производить макросъемку температурных полей объектов с
площадью менее 0,5 см2.
В докладе приводится описание экспериментальной установки, порядок выполнения
исследований, анализ погрешности измерений и результаты исследований.
УДК 539.216.1; 53.083.2; 53.084.2
Особенности работы сенсора локальной силы на основе гидрофильного
Pt/C вискера, локализованного на вершине Si кантилевера
сканирующего силового микроскопа
М.В. Жуков1, И.С. Мухин1,2, В.В. Левичев 1, А.О. Голубок 1,3
1
Университет ИТМО, 2СПбАУ– НОЦ нанотехнологий РАН, 3ФГБУН Институт аналитического
приборостроения РАН
Чувствительным элементом сканирующего силового микроскопа (ССМ), как известно,
является сенсор локального силового взаимодействия между исследуемой поверхностью
образца и нанозондом на основе Si кантилевера. Возникающие в результате действия
локальной силы изменения величины прогиба кантилевера, а также амплитуды, частоты и фазы
его резонансных колебаний измеряются с помощью специальной, как правило, оптической
системы. При этом для стабилизации прецизионного силового контакта (~1nN) между
нанозондом и поверхностью образца сенсор локальной силы включен в петлю обратной связи
следящей системы ССМ, исполнительным элементом которой является пьезосканер.
Получаемое в ССМ изображение исследуемой поверхности формируется следящей системой
микроскопа и представляет собой свёртку геометрических параметров зонда и особенностей
рельефа изучаемого объекта, поэтому качество изображений определяется в первую очередь
качеством настройки цепи обратной связи, а также свойствами и геометрическими
параметрами используемых зондов [1]. Для улучшения пространственного разрешения и
увеличения области применимости ССМ на вершинах стандартных кремниевых зондов
локализуют нанотрубки [2], алмазоподобные углеродные [3] и металл-углеродные вискеры [4],
а для визуализации и характеризации мягких объектов - коллоидные наносферы
калиброванного диаметра [5].
При этом для правильной интерпретации получаемых изображений необходимо
принимать во внимание детали взаимодействия зонда с исследуемой поверхностью. Так, в [6]
исследовалось влияние гидрофобности (гидрофильности) поверхностей зонда и образца на
ССМ данные, а в [7] обсуждаются артефакты и эффект инверсии контраста, наблюдаемый в
резонансном полуконтактном и бесконтактном силовых режимах. Данный эффект заключается
в том, что наноканалы или нанопоры на поверхности образца при использовании стандартного
Si кантилевера дают инверсный контраст на ССМ-изображении, т.е. выглядят как выступы, а
не полости на поверхности.
В представляемой работе выявлен и исследован эффект инверсии. Для получения
адекватных ССМ изображений предлагается использовать зонды с гидрофильными Pt/C
вискерами, сформированными на вершине пирамидки Si кантилевера. Нановискеры
создавались методом осаждения под фокусированным электронным пучком в присутствии
62  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» газов-прекурсоров в камере электронного микроскопа [4]. Длина L и диаметр D создаваемых
нановискеров лежали в диапазоне (0,8–1,2) мкм и (30–40) нм, соответственно, т.е. аспектное
отношение L/D лежало в диапазоне 20–40. Для исследования мягких объектов биологической
природы использовались кантилеверы с малой жесткостью (1,5-2,5) Н/м.
Было установлено, что на объектах с размерами менее 50 нм эффект инверсии сохраняется
независимо от параметров настройки цепи обратной связи и имеет место как в полуконтактной,
так в контактной модах. При использовании Si зонда на поверхности эритроцита
визуализируются нанометровые выступы, а при его замене на зонд с Pt/C вискером
нановыступы инвертируются в нанопоры. При обратной замене зонда с Pt/C вискером на Si
зонд возвращается исходный контраст.
Наблюдаемое явление можно связать с наличием капиллярных сил между зондом и
образцом. С целью получения информации об адгезии зондов к поверхности были измерены
кривые отвода. Измерения проводились на поверхностях, покрытых золотой пленкой,
имеющих, как известно, гидрофильные свойства, и на поверхностях эритроцитов. Измерения
показали, что сила адгезии для зондов с Pt/C вискерами в (2-3) раза превышает данные значения
для стандартных Si зондов. Таким образом, зонд с нановискером обладает более
гадрофильными свойствами, что в совокупности с его геометрией (меньшая площадь контакта
с исследуемой поверхностью) способствует проникновению сквозь слой влаги,
сконденсированной в порах и наноканалах.
Отметим, что конденсация влаги в порах и наноканалах является следствием известного
явления капиллярной конденсации. Действительно, согласно уравнению Кельвина [8],
давление насыщенного пара должно уменьшаться над вогнутой поверхностью мениска в
капилляре с гидрофильными стенками. При малом радиусе капилляра это приводит к
направленному потоку паров воды в область мениска с дальнейшей конденсацией воды в
капилляре. Кроме того, как показывают расчеты [7], водяной мениск в гидрофильном
нанокапилляре может иметь выпуклую, а не характерную для микрокапилляра вогнутую
форму. Т.е. гидрофильные нанопоры и наноканалы могут быть накрыты водяным
«нанокуполом». Можно предположить, что стандартный кремниевый зонд, сканируя по
поверхности таких «нанокуполов», дает инверсию контраста на ССМ изображениях нанопор и
наноканалов, в то время как более гидрофильный Pt/C вискер проникает сквозь водяной
«нанокупол» и дает адекватное изображение нанопор и наноканалов на гидрофильной
поверхности.
Таким образом, в данной работе выявлен эффект инверсии контраста, возникающий при
визуализации нанообъектов как в полуконтактном, так и в контактном режиме ССМ, а также
рассмотрены возможные причины возникновения данного явления. Созданы и апробированы
силовые сенсоры на основе Pt/C вискеров, локализованных на вершинах Si зондов.
Использование таких сенсоров исключает инверсию контраста на ССМ изображениях нанопор
и наноканалов на гидрофильных поверхностях.
Работа выполнена при государственной финансовой поддержке ведущих
университетов Российской Федерации (субсидия 074-U01), Российского Фонда
Фундаментальных исследований (14-02-31703), программы У.М.Н.И.К.
Литература
1. Ernst Meyer, Hans J. Hug, Roland Bennewitz. Scanning Probe Microscopy. The Lab on a Tip. //Advanced
Texts in Physics, Switzerland, 2004, – 210 p.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 63 2. Bedri Onur Kucukyildirim. Usage of Carbon Nanotubes in Scanning Probe Microscopes as Probe. //
International Journal of Arts and Sciences, 3(1). – 2009. – P. 18-26.
3. Dmitry Klinov, Sergei Magonov. True molecular resolution in tapping-mode atomic force microscopy with
high-resolution probes. // Applied physics letters, 84(14), – 2004. – P. 2697-2699.
4. V. V. Levichev, M. V. Zhukov, I. S. Mukhin, A. I. Denisyuk, A. O. Golubok. On the operating stability of a
scanning force microscope with a nanowhisker at the top of the probe. // Technical Physics, Vol. 58, Issue 7. –
2013. – P. 1043-1047.
5. A. Nyapshaev, A. V. Ankudinov, A. V. Stovpyaga, E. Yu. Trofimova, M. Yu. Eropkin. Diagnostics of living
cells under an atomic force microscope using a submicron spherical probe with a calibrated radius of curvature.
// Technical Physics, Vol. 57, Issue 10. – 2012. – P. 1430-1437.
6. Agnieszka Mierczynska-Vasilev, David A. Beattie. In situ atomic force microscopy of modified dextrin
adsorption on hydrophobic and hydrophilic layered silicate minerals. // Journal of Colloid and Interface
Science, 344. – 2010. – P. 429–437.
7. P. Rahe, R. Bechstein, J. Schütte, F. Ostendorf, and A. Kühnle. Repulsive interaction and contrast inversion
in noncontact atomic force microscopy imaging of adsorbates. // Physical Review B, 77. – 2008. – P. 195410(6).
8. Olivier Coussy. Mechanics and Physics of Porous Solids. // John Wiley & Sons Ltd, Chichester, 2010, – P.
175-178.
УДК 534.8
Анализ возможности построения антиколлизионных ПАВ датчиков с
интегрированным полупроводниковым чипом
В.А. Калинин1, А.В. Сорокин2
1
ОАО «Авангард», 2ГУАП
Через несколько лет технология радиочастотной идентификации будет
широкомасштабно внедрятся в транспортных компаниях, в областях транспорта и
промышленности, требующих учета товаров, мониторинга их перемещения. В данном анализе
рассматриваются решения в области идентификационных меток. Выделено два
существующих направления разработок меток. Такими направлениями являются:
полупроводниковые метки и ПАВ метки. Оба эти типа обладают достоинствами и
недостатками. В частности, технология ПАВ, базирующаяся на пьезоэлектриках, имеет
проблему коллизии меток.
Проанализировав сравнительные характеристики полупроводниковых чипов и ПАВ
меток, нами была разработана концепция объединения полупроводниковой и ПАВ метки,
конструктивно выполненной в одном корпусе. Данное решение позволит учесть недостатки
как одного, так и другого типа меток, откроет широкий спектр применения для нового
устройства. Позволит выйти на рынок с новым продуктом, объединяющим их положительные
свойства, решая проблему коллизии.
Литература
1. Surface Acoustic Wave RFID Tags S. Härmä and VP Plessky, Helsinki University of Technology,
GVR Trade SA, Finland Switzerland, InTechOpen, Published on: 2009-01-01
2. Morgan D. signal processing devices based on surface acoustic waves. Lane. from English. - M.:
Radio and communication, 1990.
3. Feng Zhou , Chunhong Chen , Dawei Jin , Chenling Huang , Hao Min, Evaluating and optimizing
power consumption of anti-collision protocols for applications in RFID systems, Proceedings of
the 2004 international symposium on Low power electronics and design, August 09-11, 2004,
Newport Beach, California, USA [doi>10.1145/1013235.1013321]
4. James Waldrop, Daniel W. Engel, Sanjay E. Sarma. Colorwave, An Anti-collision Algorithm for
the Reader Collision Problem, Proc. IEEE Int'l Conf. Communications 2003, pp. 1206-1210.
64  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» Моделирование взаимодействия постоянных магнитов
Ковальский И.С., Лукьянов Г.Н.,
Университет ИТМО
Силы, приложенные к объекту извне, или возникающие внутри
него, проявляются в виде колебаний, вибрации. Рассмотрим систему, в
которой цилиндрический магнит перемещается по стержню, на концах
которого неподвижно закреплены постоянные магниты. Все магниты в
системе ориентированы одноименными полюсами друг к другу (рис 1).
Принимается, что магниты имеют форму плоских дисков, с
радиусами r1, r2 и r3, толщинами h1, h2, h3, оси магнитов совпадают. Пусть
расстояние между магнитами z>>h,r.
Сначала
рассмотрим
взаимодействие только двух магнитов
(рис.2),
подвижного
и
расположенного на одном из концов
стержня.
Для
расчета
силы
Рисунок 1
взаимодействия заменим магниты с
однородной намагниченностью J1 и J2 круговыми токами,
текущими по боковой поверхности цилиндров. Силы этих
токов выразим через намагниченности магнитов I1,2=J1,2h1,2,
а их радиусы будем считать равными радиусам магнитов.
Так как рассматриваемая система обладает осевой
симметрией, то модуль радиальной составляющей
постоянен во всех точках кольцевого тока второго магнита.
Следовательно, проекция силы, действующей на
подвижный
магнит
определяется
формулой
Рисунок 2
Магнитное поле, создаваемое первым магнитом, эквивалентно полю кругового тока. В
рамках сделанных приближений (z>>r,h), осевая составляющая поля определяется формулой
, где pm1=I1S1 =J1V1 - магнитный момент первого магнита (V1 - его объем).
Радиальная составляющая поля равна
.
Уменьшение осевой составляющей поля приводит к появлению положительной
(направленной от оси) составляющей поля.
Важно подчеркнуть, что сила взаимодействия между магнитами определяется скоростью
изменения осевой составляющей поля ΔBzΔz.
Подставляя выражение для радиальной составляющей поля, получим формулу, для
вычисления силы взаимодействия двух магнитов, в рассматриваемом случае
2
.
где pm2=I2S2=J2h2πr2 =J2V2 - магнитный момент второго магнита.
Сила взаимодействия подвижного магнита со вторым неподвижным магнитом
рассчитывается аналогичным образом.
Далее перейдем от стационарного взаимодействия магнитов к динамической системе,
где подвижный магнит колеблется под действием внешних сил. При отсутствии внешних
воздействий система находится в статическом равновесии, сила тяжести подвижного магнита
и отталкивания от верхнего магнита уравновешивается силой взаимодействия подвижного
магнита с нижним магнитом.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 65 При смещении подвижного магнита из положения равновесия системы при внешних
воздействиях баланс сил тяжести и взаимодействия между магнитами нарушается и с учётом
силы трения система описывается уравнением:
3
3
2
2
2
где FB- функция внешних воздействий на систему, zн и zв - точки, где закреплены неподвижные
магниты и границы отрезка в котором может перемещаться подвижный магнит.
Это уравнение было решено в пакете Matlab для различных параметров системы. В
качестве примера на рисунках 4а и 4б приведены решения для разных внешних воздействий:
когда внешним воздействием является синусоидальный (рис 4а) и хаотический процессы
(рис.4б).
-3
8
x 10
.
смещение магнита,м
скорость, м/с
6
-3
1.5
x 10
смещение магнита,м
скорость, м/с
1
4
2
0.5
0
0
-2
-0.5
-4
-1
-6
-8
-1.5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Рисунок 4б
Основной плюс такой системы в том, что изменяя расстояние между верхним и нижним
магнитом можно изменять добротность системы, частоту собственных колебаний,
демпфирование.
Предполагается использовать рассмотренную систему в качестве основы для датчиков
вибрации.
Литература
1. Левитинский, Н. И. Колебания в механизмах-М.: Наука,1988.
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М . Теоретическая физика: Учебное пособие для вузов. В 10 т. Т.
II. Теория поля - ФИЗМАТЛИТ, 2006 г.
66  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» УДК 681.5
Анализ синтез распределенных объектов управления с подвижным
источником воздействия
Ляшенко А.Л., к.т.н. доцент
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
В современных условиях большое распространение получили непрерывные
технологические процессы большой мощности со сложными комплексами энергетических и
материальных потоков. Все реальные объекты управления, в которых протекают данные
процессы, характеризуются определенной пространственной протяженностью и,
как
следствие этого, не только зависимостью управляемых величин от времени, но и их
распределенностью по пространственной области, занимаемой объектом. Электромагнитные
поля, теплопроводность и диффузия, аэро- и гидродинамика, упругость и пластичность – все
это объекты с распределенными параметрами, для которых изменение управляемых величин
как во времени, так и в пространстве описывается дифференциальными уравнениями не в
обыкновенных, а в частных производных, интегральными и интегро-дифференциальными
уравнениями, а также «гибридными» системами уравнений различной природы, включая в
качестве дополнительных соотношений и обыкновенные дифференциальные уравнения. По
сравнению с системами с сосредоточенными параметрами принципиально расширяется класс
управляющих воздействий, прежде всего за счет возможности включения в их число
пространственно-временных управлений. В роли управляемой величины в такой ситуации
необходимо рассматривать все пространственное распределение функции состояния объекта,
то есть ее значение во всех точках занимаемой объектом пространственной области на всем
протяжении процесса во времени. Классические результаты теории автоматического
управления получены применительно к системам с сосредоточенными параметрами. Но на
практике лишь в определенных случаях можно с некоторыми допущениями и погрешностью
пренебречь зависимостью управляемых величин от пространственных координат и отнести
объект управления к типу систем с сосредоточенными параметрами. К числу систем с
распределенными параметрами относится широкий круг управляемых объектов,
охватывающий как традиционные, так и новейшие технологии в самых различных областях
техники, которые часто нереализуемы с требуемыми показателями без построения
соответствующих систем управления. В связи с этим возникает необходимость исследования,
анализа и синтеза систем с распределенными параметрами.
Системы с подвижным воздействием оказались новым классом для систем с
распределенными параметрами. Это потребовало разработки специальных методов анализа и
синтеза этих систем. Данное направление синтеза рассматривалось Бутковским А.Г.,
Пустыльниковым Л.М., Кубышкиным В.А., Финягиной В.И., Рапопортом Э.А., Чубаровым
Е.Π. [37, 78, 121, 149, 150, 157]. В своих работах Пустыльников Л.М. предлагает использовать
в качестве подвижного воздействия точечный источник тепловой энергии. Основной
технической трудностью в построении таких систем управления является трудность создания
высокоскоростных источников воздействия. В нашей работе рассматривается подвижное
воздействие, в виде движения жидкого теплоносителя. И как следствие становится актуальной
задача разработки новых методик анализа и синтеза систем данного типа.
Цель работы и основные задачи. В данном докладе: разработаны математические
модели объекта управления и исследованы его динамические характеристики; на базе
разработанных математических моделей составлены дискретные модели объекта управления;
выбран закон управления и синтезированы регуляторы для исследуемого объекта;
исследованы характеристики полученных регуляторов [1-4].
Литература
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 67 1. Першин И. М. «Анализ и синтез систем с распределёнными параметрами» – Пятигорск,
2004, -212 с.
2. Першин И.М., Малков А.В., Москаленко А.С. Технологически безопасные режимы
эксплуатации гидролитосферных объектов// Материалы всероссийской научной
конференции «Вузовская наука Северо-Кавказскому федеральному округу». – Пятигорск:
СКФУ, 2013.
3. Ляшенко А.Л. Проектирование системы терморегулирования стекла термокожуха для
видеокамеры охранного телевидения.// Сборник научных трудов
Четвертой
межрегиональной научной конференции "Студенческая наука – экономике России",
СевКавГТУ 24 – 25 апреля 2003г.
4. Ляшенко А.Л. Математическое моделирование системы терморегулирования защитного
термокожуха для видеокамеры охранного телевидения.// Материалы Круглого стола по
теме «Социально-экономические проблемы современной России и пути их решения»,
ПГТУ, проходившей в ПГТУ 11 марта 2004г.
УДК 616.211-008.4-073:532.542
Применение сенсоров в диагностике заболеваний
верхних дыхательных путей
Рассадина А.А., Лукьянов Г.Н.,
Университет ИТМО
Один из способов совершенствования методов ранней диагностики опирается на
решение задачи предсказания дальнейшего развития наблюдаемых физиологических
процессов в организме. В решении этой задачи важную роль играют как выбранные методы
диагностики и их сенсорные решения, так и способы обработки и анализа регистрируемых
данных.
Многие физиологические процессы организма имеют сложный колебательный
характер. Например, сложные флуктуации наблюдаются при диагностике сердечного ритма,
ритма дыхания, скорости распространения пульсовой волны и др. Ясно, что какие-либо
отклонения в ритме (учащение или ослабление, хаотизация, или наоборот, изменения в
сторону более постоянной динамики) могут свидетельствовать о наличии или начале развития
патологий.
В начале 90-х XX в. для болезней, характеризующихся аномальной временной
организацией, учеными Л. Гласс и М. Мэки был предложен термин «динамическая болезнь»
[1]. К такого рода заболеваниям относятся и заболевания дыхательной системы, наличие
которых отражается в изменении дыхательного ритма. Однако, в настоящее время,
диагностика заболеваний верхних дыхательных путей выполняется в основном по
сглаженным усредненным параметрам измеряемой среднеобъемной скорости и перепада
давления выдыхаемого пациентом воздуха, а также через оценку измеряемого при выдохе
расхода воздуха (методы риноманометрии, спирометрии). К значительному сглаживанию
результата приводит, в частности, размещение сенсоров не в органах дыхания, а, в
подводимых к ним трубках. Ясно, что в этом случае теряется часть диагностической
информации, и задача предсказания в диагностике усложняется.
Проведенная нами серия работ, отраженная в публикациях [2-3] показала, что при
размещении сенсоров непосредственно в органах дыхания флуктуационная картина
значительно усложняется. При этом к сенсорам предъявляются особые требования: (1)
миниатюризация чувствительных элементов, (2) защита чувствительных элементов
относительно внешних воздействий, (3) размещение датчиков в центре вдыхаемого и
выдыхаемого потока, (4) обеспечение «естественности» дыхания. Как характеристики,
наиболее полно отражающие состояние дыхательной системы нами были выбраны скорость
68  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» воздушного потока, давление и температура. В качестве сенсоров температуры были
использованы миниатюрные терморезисторы СТ1-18 (диаметр чувствительно элемента – 0,5
мм). Сенсор скорости был выполнен на основе метода термоанемометрии с использованием
двух терморезисторов СТ1-18. Давление измерялось пьезоэлектрическим датчиком фирмы
Honeywell (марка 26PC01SMT) с применением отводных трубок малого диаметра (диаметр
отводной трубки – 1 мм). Все сенсоры размещались на клипсе, которая легко крепилась к
перегородке носа. Такая система не вызывала дискомфортных ощущений у пациентов и
позволяла проводить измерения непосредственно в центре вдыхаемого и выдыхаемого потока.
Диагностические исследования показали интересный результат. Так, оказалось, что
показания сенсоров синхронизированы, а формы пульсаций практически идентичны.
Отсутствие отдельных флуктуаций при измерении давления было вызвано значительно
меньшей чувствительностью датчика давления по отношению к чувствительности
терморезистора, что в последствии было подтверждено работой [4]. Установленные
закономерности позволяют в будущем выполнять диагностику по одному измеряемому
параметру (температуре, скорости воздушного потока или давлению). При этом конструкция
клипсы упрощается, а чувствительный элемент легче защитить относительно внешних
воздействий.
Сложный колебательный характер измеренных параметров дыхания хорошо
анализируется на основе методов нелинейной динамики и спектрометрии. Такая диагностика
активно применяется для «динамических болезней» и позволяет не только установить
определенные закономерности в выявлении заболеваний, но и решить задачу предсказания в
диагностике.
Литература
1.
Гласс Л. Мэки М. От часов к хаосу. Ритмы жизни. – М. «Мир». 1991. стр. 189-199
2.
Лукьянов Г.Н., Рассадина А.А. Выявление основных закономерностей хаотических
процессов при дыхании. / Научно-технический вестник информационных технологий,
механики и оптики. 2006. № 31. С. 118-121.
3.
G. Lukyanov, A. Rassadina, V. Usachev Comparison and the analysis of the processes of the
movement of air through the human breathing system and its natural model // Physics and
Control, Proceedings, International Conference - PHYCON, 2005 PP. 872 – 875. DOI:
10.1109/PHYCON.2005.1514112
4.
Воронин А.А., Лукьянов Г.Н., Фролов Е.В. Численное моделирование турбулентного
потока воздуха с использованием метода отсоединенных вихрей. // Научно-технический
вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. № 1 (89). С. 187-192.
УДК 681.78
Образцовые излучатели для паспортизации сенсоров
Фастова Н.И., Ишанин Г.Г., д.т.н., профессор
Университет ИТМО
В рамках данной работы рассмотрен образцовый излучатель типа «Чёрное тело» (ЧТ),
который был разработан и изготовлен на кафедре Оптико-электронных приборов и систем в
ИТМО и предназначен для паспортизации различных приборов оптического излучения, в том
числе и сенсоров.
ЧТ является эталонным источником потока излучения. За эталон ЧТ принято потому, что
его излучение может быть подсчитано теоретически по формуле Планка с любой степенью
точности. В природе абсолютных ЧТ не существует. Однако искусственно удается создать
излучатели, свойства которых приближаются к свойствам ЧТ.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 69 Энергетическая светимость ЧТ M0eT, в соответствии с законом Стефана- Больцмана,
0
4
пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры: M eT    T [Вт/м2], где
σ = 5,67·10-8 Вт/(м2·К4) - постоянная излучения Стефана-Больцмана. Следовательно, для
уменьшения погрешности паспортизации сенсоров, необходима термостабилизация
температуры излучателя. Термостабилизация температуры диафрагмы позволяет создать
постоянный фон при паспортизации сенсоров,
Чёрное тело ИТМО состоит из следующих частей (рис.1): 1-2. Блоки управления,
индикации и стабилизации температуры «Чёрного» тела и диафрагмы 3.
Термостабилизированная диафрагма. 4. Термостабилизированный излучатель («Чёрное
тело»).
Рисунок 1 - Общий вид блоков управления, индикации и стабилизации температуры
«Чёрного тела и диафрагмы»
На рисунке 2 представлена конструкция ЧТ разработки университета ИТМО. В основу
Чёрного тела положена шероховатая коническая полость, выточенная в красномедном
цилиндрическом стержне с обратным конусом. Вокруг стержня размещается нагревательная
спираль с переменным шагом. Переменный шаг позволяет поддерживать постоянную
температуру по всей длине Черного тела: шаг меньше у концов, где теплоотвод повышен. За
счет оксидирования коэффициент теплового излучения конической поверхности доводится до
0.998. Температура ЧТ измеряется двумя термопарами, вставленными в излучатель из красной
меди
Рисунок 2 − Конструкция излучателя Чёрного тела:
1 –излучатель из красной меди; 2 – диафрагма; 3 – термопары; 4 – канавки для охлаждения; 5
– изоляция из слюды; 6 – термостабилизирующая обмотка
Для термостабилизации температуры излучателя и диафрагмы в них использованы
термоэлектрические элементы на эффекте Пельтье. В основе работы элементов Пельтье лежит
контакт двух токопроводящих материалов с разными уровнями энергии электронов в зоне
проводимости. При протекании тока через контакт таких материалов, электрон должен
70  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» приобрести энергию, чтобы перейти в более высокоэнергетическую зону проводимости
другого полупроводника. При поглощении этой энергии происходит охлаждение места
контакта полупроводников. При протекании тока в обратном направлении происходит
нагревание места контакта полупроводников, дополнительно к обычному тепловому эффекту.
Блок управления и индикации управляет нагревом черного тела и вырабатывает команды на
стабилизацию, установленной на индикаторе температуры сравнивая её с показаниями
термопар, измеряющих температуру ЧТ.
Литература
1. Ишанин Г. Г., Козлов В.В. Источники оптического излучения. Учебное пособие для вузов.
СПб.: Политехника, 2009.- 415с.
2. Ишанин Г. Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приёмники излучения. Учебное пособие для
вузов. СПб.: Папирус , 2003.- 527 с.
УДК: 681.586.674
Методика ускоренных испытаний терморезисторных сенсоров, входящих в
состав датчиков контроля уровня ракетного топлива
Агейкина П.О.
базовая кафедра Университета ИТМО ОАО «Авангард»
При оценке надёжности системы контроля и управления расходованием топлива
(СКУРТ) и системы контроля заправки (СКЗ) установлено, что критичным элементом
разрабатываемых систем являются терморезисторные сенсоры датчиков и блоков
чувствительных элементов.
Пересчет параметров безотказности для терморезисторов актуален в связи с
необходимостью объединения терморезисторов в схемы. Важно определить характеристики
безотказности терморезисторных чувствительных элементов, соединенных в схемы
последовательно.
Предложена методика определения величины интенсивности отказов терморезисторов
сенсоров датчиков контроля уровня (СД КУ) ракетного топлива. Измерительный блок датчика
контроля уровня представляет собой восемь последовательно соединенных сенсоров,
закрепленных на вертикальной штанге, расположенной в баке с криогенным топливом. При
последовательном погружении сенсоров в криогенное топливо, сопротивление нагретого тела
терморезисторов изменяется скачкообразно за счет различия коэффициентов
теплопроводности сред, при этом меняется общее сопротивление измерительного блока
Для сокращения времени испытаний на определение параметров безотказности датчиков
применен метод ускоренных испытаний, за счет увеличения рабочей температуры и тока
нагрева.
Предлагается последовательное ступенчатое повышение сначала температуры, а затем в
случае возникновения необходимости повышение силы тока нагрева терморезистора. При
этом каждому временному отрезку испытания будет соответствовать свой коэффициент
ускорения. Важнейшей количественной оценкой безотказности является интенсивность
отказов. При малом количестве отказов она практически не отличается от интенсивности при
экспоненциальном распределении.
Коэффициент ускорения при совместном повышении температуры и повышения
протекающего тока определяется как произведение коэффициентов ускорения при
увеличении температуры и коэффициент ускорения, определяющий зависимость от
протекающего тока.
При повышении температуры происходит развитие дефектов и наблюдается процесс
старения, сокращающий долговечность изделий. Процесс старения характеризуется энергией
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 71 активации. Относительно небольшое изменение энергии активации процесса старения
вызывает весьма существенное изменение коэффициента ускорения. Использовано так
называемое "правило десяти градусов", в соответствии с ним принимают, что скорость
старения увеличивается вдвое при увеличении температуры на десять градусов.
Коэффициент ускорения, определяющий зависимость от протекающего тока,
определяется из зависимости изменения характеристик изделия от изменений температуры и
силы тока нагрева.
Для терморезисторов в качестве таких характеристик использовны зависимости
сопротивления от температуры и тока. Для определения таких характеристик были проведены
исследования зависимости сопротивлений в режиме нагрева от величины подаваемого тока и
изменения сопротивления от температуры.
На основе полученных в ходе испытаний измерений можно рассчитать интенсивность
отказов ЧЭ ДКУ и сделать пересчет для схем включающих любое количество
терморезисторов.
Оценка перспектив применения сенсорных датчиков для
вибродиагностирования судовых дизелей
О.В. Афанасьева
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Аннотация
В статье приведёны результаты анализа методов и приборов, применяемых для
диагностирования судовых двигателей по вибрационным характеристикам.
Проблема обеспечения безотказности судовых дизелей, стоящая достаточно остро в
настоящее время, будет становиться всё более актуальной по мере поступления на флот
современных форсированных, как по частоте вращения коленчатого вала, так и по среднему
эффективному давлению, отечественных и импортных дизелей.
Эффективным средством диагностирования судовых дизелей, особенно форсированных
по частоте коленчатого вала, а также физически изношенных, является
вибродиагностирование.
Известно, что одним из наиболее важных сигналов, доставляющих информацию о
состоянии многих агрегатов и узлов двигателя, является вибрация – упругие колебания,
распространяющиеся при работе двигателя в его деталях.
Важнейшей составной частью комплекса методов и средств вибродиагностирования
являются датчики и приборы для измерения параметров вибраций.
Различают следующие средства вибрационного диагностирования: виброметры общего
уровня, виброметры-анализаторы и вибродиагностические системы. Каждая последующая
группа включает функции предыдущей. Функции вибродиагностических систем третьей
группы выполняют также универсальные переносные компьютеризованные диагностические
системы.
Основными показателями виброизмерительной аппаратуры являются следующие:
полоса частот; диапазон измерений; коэффициент преобразования вибропреобразователя;
неравномерность АЧХ; относительный коэффициент поперечного преобразования
вибропреобразователя; нелинейность АХ; число измеряемых параметров; коэффициент
влияния; габаритные размеры; масса; потребляемая мощность; сопротивление изоляции.
Существует большая номенклатура приборов для измерения вибрации дизелей.
Наиболее широкое распространение (из-за надёжности, качества и способов представления
измерительной информации) получили приборы следующих фирм:
- отечественных фирм-изготовителей - ЦНИИМФ, ИНКОТЕС, ВАСТ, Диамех, ТСТ;
72  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» - зарубежных фирм-изготовителей: Predict/DLI (США), SPM (Швеция), Pruftechnic
(Германия), Entek (США, Англия), ИВМ (Япония), СSI (США), Брюль-Къер (Дания,
Германия), Шенк (Дания, Германия), SVANTEK (Польша) и др.
Однако экономические трудности, с которыми сталкиваются большинство судоходных
компаний, не позволяет пока рассчитывать на внедрение судовых систем вибрационного
мониторинга и диагностирования.
Поэтому измерения целесообразно производить переносными вибродиагностическими
системами или виброметрами-анализаторами, обладающими достаточно большой памятью,
возможностью подключения к компьютеру.
Простейшим способом обработки вибрационного сигнала является энергетическая
технология, основанная на измерении мощности или амплитуды контролируемого сигнала.
Технология строится на измерении величин сигналов в контрольных точках и сравнении их с
пороговыми значениями.
Развитием энергетической технологии является информационная частотная технология,
предполагающая выделение из измеряемого сигнала составляющих в определенных
частотных диапазонах и дальнейший энергетический анализ выделенных составляющих.
Технология частотного анализа используется не только для контроля и диагностики машин,
но и для их аварийной защиты.
Еще одна, информационная фазо-временная технология, основана на сравнении формы
сигналов, измеренных через фиксированные интервалы времени. Эта технология успешно
используется для контроля состояния машин возвратно-поступательного действия с
несколькими одинаковыми узлами (цилиндрами и поршнями), нагружаемыми
последовательно через одинаковые интервалы времени.
Сравнение формы сигналов, но уже с эталонной, можно осуществлять с помощью еще
одной, информационной спектральной технологии, основанной на узкополосном
спектральном анализе сигналов. При использовании такого вида анализа сигналов
диагностическая информация содержится в соотношении амплитуд и начальных фаз основной
составляющей и каждой из, кратных ей по частоте, составляющих.
Выбор технологии обработки результатов виброизмерения целесообразно строить с
помощью критериев подобия, которые необходимо получить с учетом особенностей
функционирования судового дизеля и характера, порождаемых при этом вибраций.
Литература
1. Безюков, О.К., Афанасьева О.В. (2009). Критерии для оценки виброактивности судовых
дизелей. Двигателестроение, 2: 47 – 48.
2. Тузов, Л.В., Безюков О.К., Афанасьева О.В. (2012). Вибрация судовых двигателей
внутреннего сгорания. Изд-во Политехнического ун-та, 348с.
УДК 621.3
Метод оценки уровня качества и эффективности сенсорных сетей
О.В. Афанасьева, И.Р. Ахметшин, А.В. Щербаков
Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Аннотация
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 73 В работе предложен метод, позволяющий оценивать эффективность и качество
функционирования технических объектов, в том числе и сенсорных сетей. Предлагаемый
математический аппарат обладает высоким уровнем адаптивности.
Сегодня пристальное внимание уделяется проблемам качества, при этом, важнейшей
задачей является построение системы оценки качества, под которой понимается совокупность
взаимосвязанных процедур, методов и моделей, нацеленных на получение оценки
характеристик сенсорных сетей, относящихся к его способности удовлетворять
установленные или предполагаемые потребности.
Поскольку процедура оценки качества достаточно трудоемка необходимо наиболее
эффективно использовать результаты этой оценки на всех этапах жизненного цикла
сенсорных сетей. Результаты оценки качества сенсорных сетей могут быть использованы в
трех основных направлениях: при их выборе; для управления качеством при проектировании
и разработке системы; при их сертификации. Оценка качества системы должна базироваться
на системном подходе анализа функциональности сенсорных сетей, действующих стандартах
в области оценки качества и обеспечивать учет пользовательских предпочтений согласно
современным подходам к управлению качеством.
Преимуществом предлагаемого математического аппарата, основанного на
комплексном системном подходе, является обеспечение оптимального сочетания и
возможность многокритериального анализа взаимодействия всех параметров, учитываемых в
системе оценки качества.
Литература
1. Афанасьева, О.В. Применение методов информационно-статистического анализа для
решения задач обоснования требований к качеству сложной технической системы //О.В.
Афанасьева, Н.В. Глозштейн //Актуальные проблемы управления техническими,
информационными, социально - экономическими и транспортными системами: труды
Третьей Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов,
молодых учёных и преподавателей. - Санкт-Петербург: СЗТУ, 2009г. - С.27-35.
2. Афанасьева, О.В. Математические методы системного анализа и теории принятия решений
//О.В. Афанасьева, Д.А. Первухин. - Санкт-Петербург: Изд-во ООО «СатисЪ», 2014.-148с.
3. Афанасьева, О.В. Оптимизация потерь при отказах сложных систем, функционирующих в
условиях неопределённостей //О.В. Афанасьева, М.П. Афанасьев, Н.В. Глозштейн //
Анализ и прогнозирование систем управления: труды ХIII Международной научнопрактической конференции молодых учёных, студентов и аспирантов. - Санкт-Петербург:
ПГПС, 2012г.,-С.228-235.
УДК 621.3
Метод оценки технического уровня элементов сенсорных устройств по
мониторингу рекламаций в системе управления качеством производства
А.А. Клавдиев, Ю.А. Королев, С.В. Косинский
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
74  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» В технике существует класс изделий, рассматриваемых как единый функциональный
элемент, для которых показатели надёжности не нормируются. Качество таких устройств
оценивают по рекламациям.
Оценку технического уровня этих изделий, отражающего его надёжность, авторы
предлагают осуществлять по статистике рекламаций на базе аппарата потенциального
распределения вероятностей. В работе дана методика оценки уровня безотказности такого
типа технических изделий, на примере преобразователей вращения.
Предложенный метод позволяет оперативно и объективно оценивать технический
уровень изделий и эффективность мероприятий по повышению их надежности на
производстве. При этом учитывается неопределенность поведения среды эксплуатации.
Рассмотренный подход к оценке технического уровня изделий не заменяет методы
экспертиз, но является более объективным, т.к. не требует привлечения квалифицированных
специалистов. Следовательно, исключается субъективная составляющая оценки изделия.
На основе данного метода можно прогнозировать и оценивать эффективность
мероприятий по обеспечению надежности изделия путем сопоставления его технического
уровня до и после внедрения.
Литература
1.
Arefyev I. Forecasting and control object of management in the environment of system pert
(the method of integrated characteristics). Maritime University (Biblioteka cyfrowa), Szczecin.
2012. 293p.
2.
Arefyev I, Klawdiev A. Prognozowanie informacyjne stanu systemu transportowego. Z.N.
Politechniki Śląskij, N 75. Transport. Gliwice. 2012. s.5-8
3.
Азгальдов Г.Г. Мое видение качества. – Сайт «ЗУБРЫ.РУ», 2010.
4.
Арефьев И.Б., Клавдиев А.А. Оценка логистических показателей в условиях
ограниченной информации. Z.N. «Программные системы и продукты», №3,Тверь.
2009.с. 24- 26.
5.
Клавдиев А.А., Пасевич В. Адаптивные технологии информационно-вероятностного
анализа транспортных систем. СЗТУ, Санкт – Петербург. 2009. 305с.
6.
Летательные аппараты и безопасность полета. – Под редакцией А.А.Дьяченко. – М.:
ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1987. – 625с.
7.
Мартыщенко Л.А., Воловик А.В., Клавдиев А.А. и др. Методы нормирования
надежности сложных систем оружия. - Л.: МО, 1992.- 330с.
Исследование влияния механических напряжений на характеристики
волоконных брэгговских решеток
Коннов К. А., Забиякин А. Н., Варжель С. В., Грибаев А. И., Лавров В. С.
Университет ИТМО
Работа высокотехнологичных устройств, современного оборудования, навигационной
техники, охранных систем, производственных комплексов и т.д. всегда подразумевает
необходимость проведения измерений физических параметров. Долгое время для этих целей
использовались традиционные типы датчиков. Существуют случаи, когда такие
измерительные устройства оказываются неэффективны, слишком сложны в изготовлении или
не дают необходимой точности измерений. К таким ситуациям можно отнести проведения
мониторинга физических параметров в условиях высоких температур окружающей среды,
действия электромагнитных помех, агрессивных сред и т.д.
В настоящее время на смену традиционным измерительным системам пришли
волоконно-оптические комплексы аналогичного назначения, которые позволяют решить
задачи, приведенные выше. Высокая чувствительность к изменению контролируемых
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 75 величин, защищенность от воздействия электромагнитных помех, малые массогабаритные
параметры, низкая стоимость и высокая защищенность от воздействий внешней среды
являются основными отличительными чертами данных сенсорных систем от традиционных.
Одним из основных типов волоконно-оптических сенсоров являются датчики на основе
волоконных брэгговских решеток. Волоконная брэгговская решетка – дифракционная
структура, локализованная в сердцевине волоконного световода, которая образована за счет
модуляции показателя преломления.
В настоящее время одной из задач, которые необходимо решить, является создание
датчика механических напряжений на основе оптического волокна. В связи с этим, данная
работа посвящена исследованию влияния механических напряжений на характеристики
волоконных решеток Брэгга. Основные принципы работы датчика механических напряжений
обусловлены свойствами решеток показателя преломления. Использование в работе
двулучепреломляющего оптического волокна с эллиптической напрягающей оболочкой для
создания такого типа датчиков позволяет производить регистрацию механических
напряжений в двух плоскостях: продольной и поперечной.
При растяжении или сжатии оптического волокна происходит сдвиг максимумов
спектров отражения волоконных брэгговских решеток, по которому можно судить об
изменениях механических напряжений в волоконном световоде (Рис. 1) [1].
Рисунок 1 - Зависимость сдвига длины волны брэгговского резонанса волоконной
решетки показателя преломления от приложенной нагрузки
При изменении поперечных механических напряжений в оптическом волокне
происходит увеличение расстояния между пиками отражения волоконной брэгговской
решетки в быстрой и медленной оси двулучепреломляющего оптического световода, что
позволяет определить величину приложенной силы (Рис. 2) [2].
76  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» Рисунок 2 - Изменение спектра отражения волоконной брэгговской решетки при
изменении поперечных механических напряжений в оптическом волокне
На мировом рынке представлен целый ряд компаний, которые осуществляют
производство как отдельных чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков
механических напряжений, так и всей измерительной системы в целом. В России в настоящее
время полный цикл создания подобного типа устройств не реализован.
Учитывая преимущества и возможности волоконно-оптических измерительных систем,
существует необходимость создания датчика механических напряжений на основе решеток
Брэгга индуцированных в двулучепреломляющем оптическом волокне.
Литература
1.
2.
Roths, J. Direct Determination of strain sensitivity of free fiber Bragg gratings/ J. Roths, F.
Jülich // Proc. of SPIE.– 2010. – V. 7003– P. 1-8.
Udd, E. Review of multi-parameter fiber grating sensors/ E. Udd // Proc. of SPIE.– 2007. – V.
6770– P. 1-10.
УДК - 553.982.2
Система сбора и предварительной обработки информации для
сейсмического акселерометрического трехосного датчика
Никитенко А.Н., Мехреньгин М. В., Волковский С. А., Михеев М. В.
Университет ИТМО
В докладе рассматриваются основные аспекты построения системы, обеспечивающей
сбор данных с сейсмического акселерометра, на базе программируемой логической
интегральной схемы (ПЛИС). Указанная система выполняет следующие функции – опрос и
управление блоками аналого-цифрового преобразования (АЦП), подсоединенными
непосредственно к акселерометру; предварительная цифровая обработка принятых данных фильтрация, передискретизация. Подобные системы обладают несомненной актуальностью
использования для создания геофизических и геологоразведочных комплексов.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 77 Применение сенсорных органов управления и отображения информации в
автоматизированных рабочих местах подвижных объектов
Первухин Д.А., Тимофеева А.И.
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Аннотация
Рассмотрена возможность применения в автоматизированных рабочих местах
подвижных объектов сенсорных органов управления и отображения информации. Их
использование улучшает эргономические показатели рабочих мест.
В настоящее время автоматизированные рабочие места (АРМ) операторов,
реализующих
функции
управления
подвижными
объектами,
являются
высокотехнологическими
комплексами
управления
комплексированными
(интегрированными) системами, осуществляющими сбор, обработку и отображение
информации для принятия решений и формирования управляющих воздействий оператором.
В современные АРМ все шире внедряется функция интеллектуальной поддержки
принятия решений. Это особенно актуально для систем управления высокоскоростными
подвижными объектами, где скорость принятия правильного решения часто играет
определяющую роль.
Для улучшения эргономических показателей АРМ применяются современные органы
управления, обработки и отображения информации. Применение сенсорных органов
управления и отображения информации в АРМ позволяет в значительной степени повысить
оперативность усвоения и оценки поступающей в интегрированном виде информации,
скорость принятия решения и, в конечном итоге, эффективность процесса управления в целом.
Для повышения степени автоматизации современных систем управления подвижными
объектами сенсорные датчики широко применяются также в периферийных устройствах. Это
позволяет повысить надежность выполнения различных операций и функционирования
системы в целом.
Литература
9. Кобзев В.В., Шилов К.Ю. Методы создания технических средств обучения корабельных
операторов. - СПб.: Наука, 2005.
10. Бобрович В.Ю., Кобзев В.В. Тренажерные средства подготовки специалистов по
обслуживанию систем управления. - СПб.: ГМА им. С.О. Макарова, 1999.
УДК 681.7.08
Псевдогетеродинная демодуляция сигнала фазовых волоконно-оптических
интерферометрических датчиков
Погорелая Д.А., Дейнека И.Г., Шуклин Ф.А., Смоловик М.А., Лавров В.С.,
Волковский С.А.
Университет ИТМО
Фазовые волоконно-оптические интерферометрические датчики (ФВОИД) получают все
более широкое распространение. Эта тенденция обусловлена рядом существенных
преимуществ подобных интерферометрических сенсоров над традиционными датчиками –
они обладают высокой чувствительностью, большим динамическим диапазоном,
электромагнитной невосприимчивостью, низкой себестоимостью, малыми массогабаритными
параметрами, взрыво- и пожаро- безопасностью.
Областью применения ФВОИД является использование их в различных измерительных
системах, контролирующих такие параметры как: температура, давление, электрическое
78  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» напряжение. В соответствии с их колебаниями изменяется коэффициент преломления
оптического волокна, а в результате изменяется и фаза распространяющегося в нем света.
На данный момент разработано большое число методов демодуляции сигналов с
ФВОИД. Самым распространенным из них является метод пассивной гомодинной
демодуляции. Данный метод обработки сигналов получил широкое распространение
благодаря своим отличительным особенностям – он не требует наличия петли обратной связи,
а выходной сигнал схемы обработки не зависит от положения рабочей точки интерферометра.
Повышение точности фазовых интерферометрических сенсоров диктует необходимость
усовершенствования процесса модуляции/демодуляции выходного интерферометрического
сигнала. Для чего нами предлагается метод псевдогетеродинной демодуляции, обладающий
всеми преимуществами гомодинной демодуляции и дополненный алгоритмом для
стабилизации масштабного коэффициента модулятора.
Интенсивные исследования ФВОИД привели к появлению новых специализированных
цифровых методов обработки сигнала на основе быстродействующих программируемых
логических интегральных схем (ПЛИС). Благодаря возможности их аппаратной
реконфигурации, стало возможным построение гибких масштабируемых схем цифровой
обработки сигналов, значительно превосходящих по быстродействию и функциональным
возможностям традиционные схемы на основе аналоговых элементов или
микроконтроллеров. Достигнутый на сегодняшний день уровень развития архитектуры ПЛИС
и соответствующего программного обеспечения позволяет реализовать сложные алгоритмы
цифровой обработки сигналов практически любой сложности. Поэтому тема данного доклада
посвящена псевдогетеродинной демодуляции сигнала фазовых волоконно-оптических
интерферометрических датчиков.
УДК 656.052
Повышение точности акустоэлектроного первичного преобразователя
физической величины при дистанционном измерении
А.Ю. Шимко, К.А. Строганов, В.А. Калинин к.т.н.
ОАО «Авангард»
В первичных преобразователях физических величин (температуры, давления,
деформации и т.д.) на поверхностных акустических волнах (ПАВ) используется эффект
изменения резонансной частоты сенсора. На практике имеются задачи дистанционного
измерения физических величин, не позволяющие разместить чувствительный элемент датчика
в непосредственной близости со схемой обработки сигнала. Для обеспечения минимальной
погрешности определения резонансной частоты преобразователя необходимо задать
оптимальную величину связи (согласования) его с линией передачи, обеспечивающую
удалённые измерения.
Проведено исследование зависимости погрешности измерения резонансной частоты в
зависимости от динамического сопротивления акустоэлектронного преобразователя
физической величины, при этом фиксировались, значения собственной частоты, котоая
определяется рабочим диапазоном частот считывающего устройства и собственной
добротность ПАВ резонатора, зависящая от параметров материала резонатора и
технологических возможностей его изготовления.
Построена математическая модель работы дистанционной измерительной системы. На
первом этапе математического моделирования учтено, что считывающее устройство посылает
зондирующий радиосигнал фиксированной мощности, с заданной несущей частотой и
фиксированной длительностью. Длительность сигнала достаточно велика так, чтобы
обеспечить выход практически на стационарные вынужденные колебания резонатора.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 79 На втором этапе математического моделирования учитывается, что по окончании
зондирующего сигнала считывающее устройство переходит в режим приема и с
определенного момента времени, равному времени переключения режимов, измеряется
мощность сигнала-отклика резонатора.
Считывающее устройство определяет резонансную частоту по частоте зондирующего
сигнала, на которой резонатор выдал максимальную мощность сигнала-отклика. Показано,
что изменения динамического сопротивления приводит к изменению мощности отклика и
нагруженной добротности.
Для выбора оптимального сочетания нагруженной добротности и отношения сигналшум рассмотрена зависимость мощности сигнала-отклика от несущей частоты зондирующего
сигнала, при различных значениях динамического сопротивления резонатора.
Показано, что зависимость погрешности преобразователя физической величины имеет
минимум при некотором значении динамического сопротивления резонатора.
Предложенный метод позволяет согласовать волновые сопротивления резонатора и
считывающего устройства при дистанционном измерении для обеспечения минимальной
погрешности измерения физической величины. Оптимизация этой погрешности позволяет
сформулировать требования к коэффициенту шума считывающего устройства и собственной
добротности ПАВ резонатора.
УДК 628.9
Исследование управляемого многоэлементного источника излучения
на основе светодиодов
А.И. Шкавро
Университет ИТМО
В динамично развивающейся сфере технологий освещения светодиод, на данный
момент, занимает лидирующую позицию. Это стало возможным благодаря ряду его
преимуществ в качестве источника излучения, связанных, в том числе, с широкими
возможностями управления параметрами излучения светодиодных источников.
Таким образом, полупроводниковый излучающий диод является перспективным
элементом для создания многокомпонентного управляемого источника излучения (МУИИ)
для измерительных систем технического зрения, требующих равномерного распределения
освещенности зоны анализа.
Рисунок 1 – Вид установки
В качестве примера назначения МУИИ на рисунке 1 представлена установка для
80  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» статического анализа объектов, включающая используемую камеру (1), закрепленную на
направляющей (2), и сменный фон (4), освещаемый четырьмя светодиодными источниками
освещения (3). Камера вместе с источниками подключена к персональному компьютеру (ПК)
с разработанным в среде LabView программным обеспечением, основное рабочее окно
которого представлено на рисунке 2.
Основное его назначение – автоматическая настройка яркости источников по заданным
значениям. Управление источником осуществляется следующим образом: на регуляторе
выставляем необходимое значение яркости, а в ячейке «Подключение устройства освещения»
вводим номера задействованных источниками разъемов. Затем программа сравнивает
значение, получаемое с камеры, с введенным нами, и передает управляющий сигнал на
источники. При равенстве заданного и полученного значений работа алгоритма завершается.
Рисунок 2 – Главное окно программы
Результаты работы предполагается использовать для создания специализированных
управляемых источников для решения таких задач, как обеспечение оптимального освещения
рабочей поверхности столов (дома, в офисе), освещение растений в процессе их роста и
созревания и др.
В дальнейшем планируется создать макет устройства, состоящего из 6 трехцветных
светодиодов (9 Вт ARPL – 9W RGB), направленного на настройку цветовых параметров
излучения светодиодных источников.
Литература
1. Шуберт Ф. Светодиоды: пер. с англ. под ред. А.Э. Юновича. Изд. 2. – М.: Физматлит, 2008.
– 496 с.
2. Ишанин Г.Г., Козлов В.В. Источники оптического излучения. – СПб: Политехника, 2009.
– 415с.
3. Тревис Дж. LabVIEW для всех. – М.: Изд-во "ДМК Пресс", 2005. – 544 с.
УДК 621.3.084.2
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» 81 Система обеспечения безопасности в местах скопления людей на основе
сенсора ионной подвижности
Янченков М.Ю.
ОАО «Авангард»
Проявление террористических актов в России становится все более частым явлением. За
последнее десятилетие возросло число успешно осуществленных терактов. В 2011 году был
успешно осуществлен 91% терактов: по всему миру террористы осуществили 4564 нападения,
жертвами которых стало 7473 человека, а 13961 получили ранения [1]. По данным
исследований института экономики и мира на 2011 год США занимали 41 позицию из 158
стран мира, а Россия занимает 9 место [2].
Для противостояния террористическим актам с применением опасных для здоровья
человека веществ необходимо не только комплектовать соответствующие службы и
ведомства, но и оснащать места большого скопления людей современными
высокочувствительными и быстродействующими техническими средствами обнаружения
опасных веществ. В настоящее время сенсоры ионной подвижности (СИП) находят широкое
применение для противостояния террористическим актам с применением террористически
опасных веществ на объектах массового скопления людей, например аэропорты, вокзалы,
школы [3].
Применяя системы обеспечения безопасности (СОБ) в местах скопления людей на
основе сенсора ионной подвижности можно заблаговременно предотвратить совершение
террористического акта [4]. Такие системы можно встраивать в досмотровые столы, рамки
металлодетекторы, турникеты. В зависимости от исполнения устройства забора пробы
исследуемый материал для сенсора ионной подвижности может быть в виде паров или
микрочастиц с одежды, открытых частей тела человека и его личных вещей. Последующий
анализ отобранной пробы показывает наличие или отсутствие контакта человека с
террористически опасными веществами. По результатам анализа соответствующие службы
принимают решение о принятии мер.
Работа системы обеспечения безопасности на основе сенсора ионной подвижности без
участия человека достигается с помощью применения специальной автоматическая системы
управления и обработки сигнала (АСУОС). Работа в автоматическом режиме выполняется
путем управления функциональными частями системы обеспечения безопасности, приема и
обработки данных. Автоматическая система управления обеспечивает: управление
функциональными частями; запись, хранение и обработку данных; отображение информации
на удаленном персональном компьютере (ПК) для соответствующих спецслужб. Главное
назначение АСУОС – это обеспечение работы системы обеспечения безопасности на основе
сенсора ионной подвижности в автоматическом режиме в масштабе реального времени, без
участия человека, для предупреждения потенциальной угрозы жизни людей [5].
Разработанная в ОАО «Авангард» система обеспечения безопасности на основе сенсора
ионной подвижности в настоящее время реализована в двух исполнениях: блок аналитический
и встраиваемая в электронную проходную «PERCo-KT053». В передней части турникета
располагаются малогабаритные функциональные блоки системы обеспечения безопасности
— это блок газово-электронный и блок электронно-сенсорный. Сенсор ионной подвижности
соединяется со специально разработанным устройством отбора пробы. Оно позволяет быстро
отбирать пробу паров и микрочастиц для обнаружения в ней террористически опасных
веществ, с человека, подносящего карточку для прохода через турникет.
Технические характеристики встраиваемого средства обнаружения опасных веществ
позволяют использовать его для обнаружения опасных веществ при проходе через него
граждан, тем самым предупреждать террористические акты. Встраиваемое в турникет
82  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Общие вопросы применения сенсоров» средство обнаружения опасных веществ повышает безопасность граждан в местах их
скопления.
Литература
1. Российский совет по международным делам: Глобальный индекс терроризма, URL:
http://russiancouncil.ru/inner/?id_4=1781#top
2. Институт
экономики
и
мира:
мировой
индекс
терроризма,
URL:
http://economicsandpeace.org/
3. Сильников М. В, Чернышов М. В, Методы обнаружения взрывчатых веществ на
воздушном транспорте. СПБ, военно-политический и научно-технический журнал
“Защита и безопасность”, 2011, №2
4. Julian Gardner, Jehuda Yinon, Electronic noses and sensors for the detection of explosives //
NATO Science Series II: Mathematics, Physics and Chemistry, 2004, Springer Science +
Business Media, Inc., Volume 159, 327 P.
5. Янченков М. Ю. Автоматическая система управления и обработки данных спектрометра
ионной подвижности // Тезисы докладов 21-ой Всероссийской межвузовской научнотехнической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика –
2014». М.: МИЭТ. 2014. С. 120.
Физические эффекты,
используемые в сенсорике
84  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» УДК 536.51
Метод измерения среднеповерхностных температур теплоодающих
поверхностей при исследованиях теплообмена
Бородин Д.А., Кораблев В.А., Минкин Д.А., Шарков А.В.,
Университет ИТМО
Для охлаждения элементов электроники с высокой мощностью тепловыделений
применяется струйное охлаждение их поверхностей воздухом или жидкостью. При натекании
потока на тепловыделяющий элемент под прямым углом достигается высокая интенсивность
теплообмена, однако этот процесс изучен недостаточно в области малых размеров
теплоотдающих поверхностей, характерных для современной электроники. Основная
сложность проведения экспериментов заключается в учете и уменьшении погрешности
контактных методов измерения температур на поверхности размером менее 1 см2. Так как при
струйном охлаждении возникает большая неравномерность температурных полей, то для
определения среднеповерхностной температуры необходимо устанавливать несколько
датчиков, которые, в свою очередь, могут быть источником погрешности измерений из-за
оттоков теплоты по проводам и возмущения ими потока газа или жидкости.
В рассматриваемом методе используется зависимость электрического сопротивления
нагревательного элемента от его среднеобъемной температуры. Нагреватель выполнен из
фольги и подключен к стабилизированному источнику постоянного тока. В качестве
материала нагревателя используется никель, имеющий сильную температурную зависимость
удельного электрического сопротивления. Мощность тепловыделений в нем измеряется с
помощью высокоточных амперметра и вольтметра. По результатам измерений тока и
напряжения можно судить и о значении электрического сопротивления, по которому
определяется среднеобъемная температура нагревателя. В докладе приводится методика
расчета среднеповерхностной температуры теплоотдающей поверхности и коэффициента
конвективного теплообмена, анализ погрешности измерений и результаты исследований.
УДК 681.5
Синтез системы управления температурным полем буровых шнеков
Климов А.А.,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Кисловодское месторождение минеральной воды – нарзана располагаются к югу и
северу от города Кисловодска. Месторождения, находящиеся в окрестностях рек Березовка и
Аликоновка это предпочтительно холодный доломитный и холодный сульфатный нарзан.
Дальше на север располагаются соленые сульфатные источники Ессентуков, горячие
сероводородные источники Пятигорска.
Вдоль рек Кабардинка, Кичмалка и других вплоть до «долины Нарзанов» и Главного
Кавказского хребта располагаются горячие источники нарзана. Применение данных нарзанов
в лечебных целях трудно оценить, его применяю как для ванн, так и для употребления. Однако
применение данной воды связано с множеством проблем её транспортировки с наименьшей
потерей лечебных свойств. Все нарзаны в независимости от их свойств и месторождения
имеют отличительную особенность, которая заключается в том что после разлива её
необходимо употребить в течении трех часов. По истечении этого срока нарзан теряет все свои
лечебные свойства. С целью увеличения продолжительности сохранения нарзаном свойств его
разливают в стеклянную тару с максимально возможным сохранением микрофлоры
минеральной воды. Такие требования к разливу накладывают и определенные требования к
процессу добычи минеральной воды и доставки к месту разливу. Так например разлив горячей
минеральной воды требует доставку минеральной воды в горячем виде с температурой
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» 85 соответствующей температуре добычи. В данный момент нагрев осуществляется за счет
сплошных нагревательных элементов [1-5]. А считывание показаний температурного поля
осуществляется за счет получения информации с датчиков расположенных на всей
протяженности объекта управления. В данном докладе рассматривается возможность замены
нагревательных элементов на секционные нагревательные элементы [6-8].
Литература
1. Першин И. М. «Анализ и синтез систем с распределёнными параметрами» – Пятигорск,
2004, -212 с.
2. Першин И.М., Малков А.В., Москаленко А.С. Технологически безопасные режимы
эксплуатации гидролитосферных объектов// Материалы всероссийской научной
конференции «Вузовская наука Северо-Кавказскому федеральному округу». – Пятигорск:
СКФУ, 2013.
3. Рапопорт Э.Я. «Анализ и синтез систем автоматического управления с распределенными
параметрами» - Москва, Высшая школа, 205, -292с.
4. Малков А.В., Першин И.М., Цаплева В.В. Технологическая безопасность эксплуатации
гидроминеральных источников. Журнал Известия ЮФУ. Технические науки- 2012. - №4 С.25-31.
5. Першин И.М., Малков А.В. Синтез распределенных регуляторов для систем управления
гидролитосферными процессами. – М.: Научный мир, 2007. – 256 с.
6. Ильюшин Ю. В. Методика синтеза нелинейных регуляторов для распределенного объекта
управления. // Научное обозрение. 2012. №5. – С. 14- 17.
УДК 681.5
Теплопроводность сенсорных датчиков в горнодобывающей отросли
Пелипенко П. А.,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Тепловое движение частиц твердого тела, как конденсированной среды, отлично от
движения частиц газов. В основу теории твердого тела положена модель бесконечного
монокристалла. Частицы твердого тела, связанные между собой силами взаимодействия,
которые зависят от расстояния, совершают колебания около положений равновесия в узлах
кристаллической решетки. На основе этого и разработана теория теплоемкости и
теплопроводности твердого тела. Знание величин теплоемкости и коэффициента
теплопроводности твердого тела необходимо для инженерных расчетов при создании новых
машин, расчете их коэффициента полезного действия. Также они нужны в строительстве для
расчета тепловых свойств строений, их теплоизоляционных свойств. В общем случае перенос
тепла осуществляется двумя типами носителей: электронами проводимости и собственно
фононами. Рассмотрим основные механизмы переноса тепла в твердом теле.
Тепловая энергия содержится в колебательных модах кристалла. В диэлектриках этот
механизм является основным, поскольку свободных электронов в диэлектриках нет. При
низких температурах разрешенные энергии нормальных мод квантованы и передача энергии,
сопровождающая теплопроводность, осуществляется через механизм, описываемый в
представлении о фононах. В идеальном гармоническом кристалле фононные состояния
считаются стационарными. Поэтому, если установилось некоторое распределение фононов с
направленными в одну сторону групповыми скоростями, то это распределение не будет
меняться с течением времени, так что поток тепла не будет затухать. Т.е. идеальный
гармонический кристалл имел бы бесконечную теплопроводность. Помимо несовершенств
решетки, играющих роль рассеивающих центров, теплопроводность реальных диэлектриков
принимает конечные значения из-за ангармонизма колебаний решетки. В отличие от
86  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» гармонической, в ангармонической модели волны могут взаимодействовать. На квантовом
языке - фононы могут рассеиваться с рождением и поглощением фононов. В процессах 3-го
порядка фонон может распасться на два других, либо два фонона могут слиться и образовать
третий. В процессах 4-го порядка участвуют 4 фонона. Т.е. один фонон может распасться на
три, либо три фонона могут слиться с образованием одного. Или же два фонона могут
рассеяться друг на друге и сформироваться два новых. Все эти и аналогичные процессы более
высокого порядка называются рассеянием, либо столкновением, либо переходами фононов.
Теплопроводность металлов должна складываться из теплопроводности фононной
(теплопроводность решетки) и электронной подсистем: = lat + e. Однако механизм
решеточной теплопроводности в металлах в значительной мере маскируется электронным
механизмом переноса тепла [1, 2].
Литература
1. Першин И. М. «Анализ и синтез систем с распределёнными параметрами» – Пятигорск,
2004, -212 с.
2. Першин И.М., Малков А.В., Москаленко А.С. Технологически безопасные режимы
эксплуатации гидролитосферных объектов// Материалы всероссийской научной
конференции «Вузовская наука Северо-Кавказскому федеральному округу». – Пятигорск:
СКФУ, 2013.
Одночастотные полупроводниковые лазеры
В.П. Дураев1, Е.В. Касаткин1
1
ЗАО «НОЛАТЕХ», Москва, 117342, Введенского, 3
эл. почта: [email protected] сайт: www.nolatech.ru
В работе представлены результаты работ по созданию перестраиваемых одночастотных
полупроводниковых DFB и FBG лазеров для ВОЛС и волоконно-оптических датчиков на
длине волны 650...1650нм. Приведены конструктивные особенности и основные
характеристики разработанных одночастотных лазеров [1,2,3].
Рисунок 1 - Конструкция перестраиваемого лазерного диода
На рис.1 представлена конструкция перестраиваемого одночастотного лазера с
дифракционной решеткой в одномодовом световоде. Основными элементами конструкции
являются: лазер (чип) с отражающим покрытием на задней грани резонатора и с
просветляющим покрытием на передней грани, дифракционная решетка записана в
сердцевине одномодового световода.
Перестройка длины волны происходит согласно формуле Брэгга:
Λ=
mλ
2n
B
эфф
где - период решетки; в - длина волны лазера; nэфф - эффективный показатель преломления;
m- порядок волновой моды;.
В работе использовались лазеры на основе InGaAsP-InP и GaAs-AlGaAs
гетероэпитаксиальных структур изготовленных методом МОС-гидридной эпитаксии. В
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» 87 качестве активного элемента использовался ЛД типа заращенной меза и гребневидной
конструкций.
Конструкция лазерного модуля с ВБР состоит из металло-керамического корпуса типа
14-pin DIL или «баттерфляй», лазерного диода, фотодиода обратной связи, элемента Пельтье,
терморезистора и одномодового световода с ВБР. В работе использовались световоды с
сохранением поляризации.
Исследование основных характеристик лазеров в диапазоне длин волн 635 - 1650нм,
показало, что подавление боковых мод составило 40дБ. Диапазон плавной перестройки длины
волны составил 2,5 нм, мощность излучения 1 – 200мВт.
Перестройка длины волны и ширины излучения осуществлялась за счет изменения
температуры лазерного диода и решетки.
Литература:
1. P.V.Duraev, A.V. Melnikov, Spectrochemica Acta Part. A 52 (1996) 877-879.
2. Дураев В.П., Неделин Е. Т., и др. Квантовая Электроника, 31, №6, с. 529-530 2001.
3. В.П.Дураев., С.В.Медведев, Физика и техника полупроводников, 2014,том48, вып! с.125
УДК 535.512
Исследование зависимости параметров анизотропных одномодовых
волоконных световодов от приложенного давления
Аксарин С.М., Лавров В.С., Грибаев А.И., Коннов К.А., Варжель С.В, Погорелая Д.А.
Университет ИТМО
В настоящее время волоконно-оптические датчики (ВОД) интерферометрического типа
получают все более широкое распространение, вследствие того, что они обладают высокой
чувствительность, широким динамическим диапазоном, состоят из электрически
непроводящих материалов, имеют очень широкий диапазон рабочих температур, а так же
можно мультиплексировать множество датчиков в одиночной волоконной линии.
Волоконно-оптические сенсоры пригодны для использования в различных
измерительных системах, контролирующих параметры окружающей среды, такие как:
температура, влажность, давление, деформация, содержание химических веществ; позволяют
детектировать смещения, вибрации, давление, акустическое воздействие, ускорение,
вращение, механические напряжения.
В фазовых интерферометрических датчиках (ФИД) часто применяются анизотропные
одномодовые волоконные световоды (АОВС) для сохранения состояния поляризации при
передаче информации между волоконно-оптическими компонентами, что позволяет
существенно повысить чувствительность ФИД. Из-за особенностей конструкции датчика и
внешних воздействий на связное волокно оказывается давление, которое вносит потери и
изменяет экстинкцию, что будет отрицательно влиять на чувствительность оптического
сенсора.
Для определения зависимости параметров АОВС от приложенного к нему давления был
собран экспериментальный стенд, включающий в себя установку, которая позволяет сжимать
волокно в поперечном сечении и возможностью вращать волокно вдоль оси распространения
света и поляризационный интерферометр Майкельсона. Линейно поляризованное излучение
заводится в одну из осей волокна с сохранением поляризации, при помощи собранной
установки на волокно оказывается заданное давление, и часть энергии переходит в
ортогональную ось световода. С помощью поляризационного интерферометра Майкельсона
наблюдается интерференция между излучением, которое распространялось в начальной оси,
88  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» и перешедшим в ортогональную ось из-за воздействия. Такие измерения позволяют
определить коэффициент экстинкции с высокой точностью.
После проведения эксперимента были построены зависимости параметров АОВС от
приложенного давления под разными углами к оптическим осям.
В дальнейшем результаты этого исследования можно использовать для определения
положения оптических осей волоконного световода в пространстве., что может послужить
развитием для дальнейших исследований в области создания периодических структур в
волоконных световодах (решетки Брэгга). В настоящее время в России освоен выпуск АОВС,
не уступающих по эксплуатационным параметрам лучшим образцам зарубежного
производства. Поэтому тема данного доклада посвящена исследованию зависимости
оптических потерь и коэффициента экстинкции от приложенного на волокно давления.
УДК 681.7
Подстройка рабочей длины волны источника оптического излучения в
фазовых волоконных датчиках на брэгговских решетках
А.С. Алейник, М.Ю. Плотников, А.Ю. Киреенков, М.В. Мехреньгин, А.Н. Никитенко,
Университет ИТМО
Фазовые интерферометрические датчики (ФИД) на основе волоконных брэгговских
решеток (ВБР) активно разрабатываются для применения в различных отраслях
промышленности. Они обладают рядом преимуществ над традиционными датчиками:
высокой чувствительностью, электромагнитной невосприимчивостью, низкой стоимостью
изготовления чувствительных элементов, малыми массогабаритными параметрами, взрыво- и
пожаро- безопасностью, возможностью мультиплексирования большого количества датчиков
на одном оптическом волокне (ОВ), а также коррозионной стойкостью.
Сенсоры на основе ВБР могут использоваться в различных измерительных системах,
контролирующих параметры окружающей среды, такие как: температура, влажность,
давление, деформация, содержание химических веществ. Волоконные датчики на ВБР также
интенсивно разрабатываются для протяженных систем контроля состояния трубопроводов и
охраны периметра, для гидроакустических систем различного назначения, в геофизической
разведке полезных ископаемых на морском шельфе. Основными требованиями,
предъявляемыми к подобным системам, являются: возможность контроля зон большой
протяженности, высокая точность и одновременный опрос большого числа чувствительных
элементов.
Работа одиночного волоконно-оптического ФИД на ВБР строится следующим
образом: импульсы от источника оптического излучения с длиной волны, соответствующей
резонансной длине волны ВБР, распространяются по оптическому волокну до ВБР
чувствительного элемента и, отражаясь от ВБР в обратном направлении, попадают в
компенсационный интерферометр (КИ). КИ обеспечивает перекрытие во времени импульсов,
отраженных от пар ВБР чувствительных элементов распределенного ФИД и формирует
интерференционный сигнал на фотоприемнике (ФП). Под воздействием измеряемой
величины чувствительный элемент датчика испытывает деформацию, что приводит к
изменению разности фаз между отраженными от ВБР оптическими импульсами. Демодулируя
сигнал с ФП, можно восстановить величину измеряемого фазового сигнала и оценить
величину измеряемого воздействия.
В реальных условиях чувствительные элементы волоконно-оптического ФИД
подвергаются воздействию различных факторов. Например, в волоконно-оптических
интерферометрических датчиках гидроакустического давления кроме динамического
давления, которое характеризует измеряемый акустический сигнал, чувствительные элементы
подвергаются воздействию статического давления и изменениям температуры окружающей
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» 89 среды. Для повышения точностных характеристик ФИД необходимо уменьшить влияние этих
факторов.
Одним из вариантов решения данной проблемы является использование схем защиты
ВБР от внешних воздействий. Схемы защиты ВБР помогают уменьшить влияние статического
давления, но не защищают от температурных флуктуаций окружающей среды. Поэтому
возникает необходимость создания системы автоматического регулирования с обратной
связью, которая будет подстраивать длину волны источника оптического излучения к
величине, соответствующей резонансной длине волны ВБР.
Основным критерием для выбора рабочей длины волны источника оптического
излучения является видность интерференционной картины. В случае уменьшения величины
видности интерференционной картины под воздействием внешних факторов система
автоматически подстраивает длину волны источника оптического излучения за счет
регулировки его температуры. Это может осуществляться за счет того, что в современных
полупроводниковых источниках излучающий кристалл расположен на элементе Пельтье,
который осуществляет поддержание его температуры на заданном уровне для стабилизации
длины волны оптического излучения.
УДК 544.6.076
Разработка и исследование газочувствительных элементов для контроля
состояния энергетических комплексов
А.М. Михайлова, Е.В. Колоколова, Л.В. Никитина, Е.Д. Михайлов,
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»
Анализ
аварийности
маслонаполненного
высоковольтного
энергетического
оборудования, имеющего изоляцию маслобарьерного или бумажно-масляного типа,
показывает, что основной причиной отказа его работы является нарушение изоляции.
Основными газовыми компонентами, выделяющимися в масляную среду трансформатора,
являются: водород (Н2); углеводороды: метан (СН4), ацетилен (С2Н2), этилен (С2Н4), этан
(С2Н6); кислород (О2); оксиды углерода СО и CO2; азот (N2).
Существуют различные методики для диагностики развивающихся дефектов в
маслонаполненном оборудовании, благодаря которым удается значительно сократить число
аварий в энергосистеме, но все же они имеют существенный недостаток: все эти методы могут
быть реализованы либо в условиях специально оборудованных физико-химических
лабораторий, либо с использованием передвижных высоковольтных лабораторий. Гораздо
удобнее использовать для анализа так называемые экспресс методы диагностики
развивающихся дефектов, которые позволяют проводить измерения некоторых параметров
изоляции непосредственно около установленного оборудования без использования сложных
контролирующих приборов, в полевых условиях, автономно.
В основу создания твердофазных электрохимических газовых сенсоров предлагается
электрохимическая ячейка, включающая чувствительный (рабочий) электрод; твердый
электролит, обладающий суперионным эффектом по водороду и электрод сравнения.
Регистрирующий электрический сигнал можно получить при функционировании
измерительной ячейки в амперометрическом или потенциометрическом режиме за счет
протекания электрохимической реакции на границе трех фаз с участием молекул
детектируемого газа – диэлектрика, ионного проводника – электролита и электронного
проводника рабочего электрода [1, 2].
Измерительная цепь, положенная в основу работы сенсора, служит для контроля
физического явления или химической реакции непрерывно или периодически. В
потенциометрическом режиме измерительная цепь выдает сигнал без потребления энергии,
поскольку потенциал измерительного электрода является функцией концентрации
90  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» определяемого газообразного вещества, а потенциал электрода сравнения не должен зависеть
от состава измеряемой фазы. В этом случае ЭДС цепи может служить мерой этой
концентрации. Эффективное функционирование газового сенсора зависит от оптимального
выбора как электродов, так и твердого электролита.
Выбор материала рабочего электрода, также как и электрода сравнения, определялся
требованием стабильности и быстрого установления потенциала при изменении концентрации
измеряемой компоненты в газовой фазе.
Газовые сенсоры готовили путем последовательного прессования в корпус из текстолита
или фторопласта слоя твердого электролита с проводимостью по протону и двух электродов:
электрода сравнения и рабочего электрода [3].
К одной стороне таблетки электролита припрессовывали электрод сравнения. В качестве
исходного материала использовали оксид Ni и оксид свинца марки х.ч.
Распределенный по углеродной поверхности никель, используемый в качестве рабочего
электрода, наибольшую активность проявил по отношению к ацетилену. Скорость
электродной реакции, определяемая тангенсом угла наклона E/lgC равна 30.
Вероятно, на металлическом никеле протекает каталитический процесс гидрирования
ацетилена в соответствии с предполагаемыми стадиями предварительной адсорбции:
1. С2Н2 газ  (С2Н2)адс
2. Н2 газ 2(Н)адс
3.(С2Н2)адс + (Н)адс  (С2Н3)адс
4. (С2Н3)адс + (Н)адс  (С2Н4)газ
Данный механизм гетерогенной каталитической реакции на металлах представлен
схемой Хориучи-Поляни.
Если учесть, что в основной потенциалобразующей реакции:
C2Н2 + 2e- + 2H+  C2H4
участвуют 2 электрона, то согласно уравнению Нернста
Е = E0 + (RT/nF)lg [C2H2],
угловой коэффициент RT/nF должен быть равен 29мВ при изменении концентрации на
порядок. Согласно рассчитанным данным угловой коэффициент близок к этому значению.
Таким образом, данная ячейка является сенсором на ацетилен и имеет нернстовский тип
зависимости формирования скачка потенциала. Чувствительность датчика к основным
сопутствующим появлению дефектов газам Н2 и СО меньше на порядок.
Исходя из выше изложенного, и учитывая тот факт, что ячейка дает достаточно
стабильный отклик на ацетилен, данную электрохимическую систему можно рассматривать
как сенсор на ацетилен.
Литература
1. К.-S. Yoo, H.-I. Jung. Gas-sensing characteristics of semiconducting materials based on In2O3
depending on composition changes. – Sensors and Actuators, 12, 1987. p. 285-290.
2. Oyaby T., Ohta Y., Kurobe T. Tin oxide gas sensor and countermeasure system against accidental
gas leaks. - Sensors and Actuators, 9, 1986. p.301-312.
3. Mikhailova A., Spuk I., Nikitina L. Change of Structure of Electrical Double Layer on the
Interface Electrode/Solid Electrolyte by Addition of the Solvents into the System and Influence
of Mechanical Changes. Аbstracts of 12th International conference on Solid State Ionics. Greece,
1999. P. 645-647.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» 91 УДК 681.7.063
Компенсация сдвига длины волны брэгговского резонанса волоконной
решетки показателя преломления с помощью элемента Пельтье
Мунько А.С., Варжель С.В., Архипов С.В., Куликов А.В.
Университет ИТМО
В настоящий момент во многих высокотехнологичных сферах идёт интенсивное
внедрение волоконно-оптических датчиков (ВОД). Главным образом это связано с тем, что
ВОД устойчивы к электромагнитным возмущениям, обладают малыми массогабаритными
параметрами и относительно низкой себестоимостью. [1]. Одними из наиболее точных ВОД
считаются фазовые интерферометрические датчики (ФИД) [2]. Так, системы акустического
мониторинга,
использующие
массивы
волоконно-оптических
гидрофонов,
мультиплексированных с помощью волоконных брэгговских решеток (ВБР), способны
полностью заменить существующие аналоги на пьезокерамических элементах.
Чувствительным элементом волоконно-оптического ФИД является отрезок ОВ,
заключенный между двумя ВБР. Но если внешнему воздействию подвергаются не только
чувствительный элемент, но и решётки Брэгга, то может происходить изменение длины волны
брэгговского резонанса.
Поэтому тема настоящей работы посвящена технологии компенсации сдвига длины
волны брэгговского резонанса ВБР, вызванного внешними воздействиями, с помощью
элемента Пельтье.
ВБР, исследуемые в настоящей работе, были записаны одиночным импульсом KrF
эксимерного лазера методом фазовой маски [4]. Для записи решеток Брэгга типа II
применялось двулучепреломляющее ОВ с эллиптической напрягающей оболочкой [5-7].
Объединение ВБР с элементом Пельтье, позволяет производить активную подстройку
длины волны брэгговского резонанса и в ФИД. Предложенный метод компенсации сдвига
длины волны брэгговского резонанса ВБР с помощью элемента Пельтье обеспечивает
стабилизацию длины волны Брэгга, даже в случае объединения в одном оптическом волокне
большого количества ФИД.
Литература
1.
Окоси Т. Волоконно-оптические датчики. – Ленинград: Энергоатомиздат, 1991. –256 c.
2.
Варжель С.В., Стригалев В.Е. Метод устранения влияния сигнала помехи на
чувствительность приема гидроакустической антенны на основе волоконных
Брэгговских решеток // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. – 2010. – Т. 69. – №
5. – С. 5-8.
3.
Мешковский И.К., Варжель C.В., Беликин М.Н., Куликов А.В., Брунов В.С. Термический
отжиг решеток Брэгга при изготовлении волоконно-оптических фазовых
интерферометрических датчиков // Приборостроение. – 2013. – Т. 56. – № 5.
4.
Othonos A. Fiber Bragg gratings // Rev. Sci. Instrum. – 1997. – V. 68. – № 12. – P. 4309-4341.
5.
Meshkovskiy I.K., Strigalev V.E., Kulikov A.V., Varzhel’ S.V. Bragg Gratings Induced in
Birefringent Optical Fiber with an Elliptical Stress Cladding // Journal of Photonics. – 2013. –
Article ID 936036. – 4 p.
6.
Ероньян М.А. Способ изготовления волоконных световодов, сохраняющих поляризацию
излучения // Патент Российской Федерации. – 2000. – № 2 155 359.
7.
Bureev S.V., Dukelskiĭ K.V., Eronyan M.A., Komarov A.V., Levit L.G., Khokhlov A.V.,
Zlobin P.A., Strakhov V.I. Processing large blanks of anisotropic single-mode lightguides with
elliptical cladding // J. Opt. Technol. – 2007. – V. 74. – № 4. – P. 297–298.
УДК 535.92
92  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» Исследование влияния ортогонально поляризованных обратных
отражений на источник оптического излучения
Мухтубаев А.Б., Аксарин С.М.
Университет ИТМО
Исследовано влияние величины обратных отражений на спектр источника оптического
излучения, а также представлены оптимальные режимы работы источника излучения.
Источники оптического излучения, в зависимости от их принципа работы и
конструкции, в разной степени чувствительны к обратным отражениям 1-3. Обратные
отражения имеют место в схемах, где используется оптическое зеркало, также они могут
возникать в местах стыков элементов. В зависимости от величины обратных отражений может
наблюдаться ухудшение параметров источника: падение уровня оптической мощности,
изменение формы спектра, что приводит к его быстрой деградации и выхода из строя 1-3.
Целью данной работы является исследование влияния обратных отражений, введенных
с ортогональной поляризацией по отношению к исходящему излучению, на источники
оптического излучения типа суперлюминесцентный диод (СЛД), определение порога
чувствительности к величине обратных отражениям. Оценка влияния уровня обратных
отражений, введенных в ось к исходящему излучению, на источники оптического излучения
были исследованы и результаты представлены в источниках 1-3.
Экспериментальная установка по исследованию влияния обратных отражений
представлена на Рис. 1. Как правило, оптическое излучение СЛД имеет высокую степень
поляризации, и на его излучение влияет не только уровень обратных отражений, но и степень
поляризации. Поэтому состояние поляризации подстраивается волоконным контроллером
поляризации таким образом, чтобы уровень обратных отражений был максимальным. В
качестве источника излучения использовались СЛД фирмы ThorLabs серии S5FC1005SXL и
светодиодный модуль ELED-1550-1-E-9-SM1-FA-CW. Для создания обратных отражений
было нанесено металлическое зеркало на торец оптического волокна (ОВ). Уровень обратных
отражений контролировался изменением количества витков ОВ с зеркалом: при уменьшении
числа витков, мощность обратных отражений увеличивается. Диаметр витков составлял 19
мм, количество витков – 14.
Контроллер
обратных
отражений
Контроллер поляризации
Х-разветвитель
Источник
излучения
1
3
Оптическое
зеркало
2
Измеритель
мощности
2
4
1
Анализатор
спектра
3
Y-разветвитель
Риунок 1 - Схема экспериментальной установки по исследованию влияния обратных
отражений на источник излучения
В ходе экспериментов использовался двухканальный измеритель мощности ThorLabs
PM320E, первый канал которого был соединен с третьим выходом волоконного Yразветвителя для контроля уровня мощности источника. Ко второму каналу был подключен
второй выход волоконного X-разветвителя для измерения величины обратных отражений. Для
контроля влияния обратных отражений на спектр источника использовался анализатор
спектра IMAQ6370C-01EN_030 фирмы YOKOGAWA. Все соединения элементов установки
были выполнены разъемами типа FC/APC.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» 93 В результате исследования светодиодного модуля ELED-1550-1-E-9-SM1-FA-CW
получили следующие спектральные характеристики, представленные на Рис. 2. Исходная
мощность излучения источника составила 2,3 мВт.
Рисунок 2 - Спектр светодиодного модуля ELED-1550-1-E-9-SM1-FA-CW в
зависимости от коэффициента обратных отражений (сверху вниз: без обратных отражений; 29 дБ; -16,8 дБ; -13,7 дБ)
Результаты исследований влияния обратных отражений представлены на Рис. 3-6, для
токов накачки 187,7 мА; 237,5 мА; 378 мА и 600 мА соответственно. При данных значениях
токов накачки СЛД мощность излучения источника составила 1,2 мВт, 2,3 мВт, 8,0 мВт и 19,0
мВт соответственно.
Рисунок 3 - Спектр СЛД ThorLabs при токе
накачки 187,7 мА в зависимости от
коэффициента обратных отражений (сверху
вниз: без обратных отражений;
-26,6 дБ; -9,1 дБ)
Рисунок 4 - Спектр СЛД ThorLabs при токе
накачки 237,5 мА в зависимости от
коэффициента обратных отражений (сверху
вниз: без обратных отражений; -29,1 дБ; 12,8 дБ; -8,7 дБ)
Рисунок 5 - Спектр СЛД ThorLabs при
токе накачки 378 мА в зависимости от
коэффициента обратных отражений (сверху
Рисунок 6 - Спектр СЛД ThorLabs при
токе накачки 600 мА в зависимости от
коэффициента обратных отражений (сверху
94  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Физические эффекты, используемые в сенсорике» вниз: без обратных отражений; -21,3 дБ; вниз: без обратных отражений; -30,8 дБ; 12,9 дБ; -10,7 дБ; -9,7 дБ)
19,9 дБ; -18,2 дБ; -16,1 дБ)
В результате исследований было подтверждено, что источники оптического излучения
такие, как суперлюминесцентные диоды, в достаточной степени чувствительны к
ортогонально поляризованным обратным отражениям, возникающих в оптической схеме.
Причем при увеличении мощности источника зависимость от величины обратных отражений
более сильная: форма спектра изменяется при меньших соотношениях мощности обратных
отражений к мощности источника (см. Рис. 3-6).
Сравнивая оба источника оптического излучения при одинаковых мощностях излучения
(см. Рис. 2, 4), можно сделать вывод, что искажение спектра, и соответственно деградация
источника, в первом приближении наступает при одних значениях коэффициента обратных
отражений: -13,7 дБ для ELED-1550-1-E-9-SM1-FA-CW и -12,8 дБ для СЛД фирмы ThorLabs.
Для устранения чувствительности к обратным отражениям необходимо на выходе
источника оптического излучения устанавливать изолятор с соответствующим
коэффициентом изоляции, который бы предотвращал процесс деградации источника из-за
обратных отражений. Также для уменьшения чувствительности к обратным отражениям
возможно использование источников с меньшей мощностью. Это видно на Рис. 3: при
мощности 1,2 мВт СЛД фирмы ThorLabs обратные отражения на спектр источника
практически не влияют.
Литература
1. V. Shidlovski, Superluminescent Diodes. Short overview of device operation principles and
performance parameters, SuperlumDiodes Ltd., 2004.
2. V. Shidlovski, Superluminescent Diodes. Application Notes. SLD Sensitivity to Optical
Feedback, Superlum, 2006.
3. Superluminescent Light Emitting Diodes: Device Fundamentals and Reliability, InPhenix, Inc.,
2010.
Моделирование
процессов
96  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» УДК 53.083.92
Filtration and prediction of experimental data with application NARMAX
method
Sergey A. Polistchouk,
ITMO University
Application of nonlinear autoregressive models is considered in the problems of filtration and
prediction of experimental data.
Aim of work
Approbation of method of NARMAX (Non - Linear Auto - Regressive Moving Average with
Exogeneous Inputs, to the nonlinear autoregressive model of the sliding expected value with external
entrances [1]) for filtration and prediction of experimental data.
Advanteges of NARMAX of models:
• befit for description of vast area of nonlinear dynamic behavior of processes
• convenient for description of the real processes [2]
Filtration and prediction of experimental data can be realized by means of forecasting filters.
Such filters can be the filters built on the basis of dynamic design with the use of autoregression, and
also filter of Kalman. [3,4]
One of the filters built on the basis of dynamic design is a method or model of NARMAX. It
is polinomial expression consisting of sequence of polynomials. Numeral coefficients of monomials
entering in the complement of polynomials of this sequence are the elements of matrix of coefficients,
that is built in this sequence, finishing the iterative process of construction of model.[5]
As an example in this paper were drawn on the results of measuring of cardiopotencial cardiograms.
Basic results of research
On a picture the chart of the experimentally registered rows of supervisions of palpitation is
presented, namely, cardiopotencial, that must be filtered (it is distinguished by a blue color). The
model built on the method of NARMAX quickly filters a strongly noisy signal in the conditions of
unstable reception of signal. A model marks a red color.
1000
950
900
850
800
750
6.9
6.92
6.94
6.96
6.98
7
7.02
7.04
7.06
7.08
4
x 10
Figure 1 - Initial process - cardiopotencial (it is distinguished by a blue color) and application
of model of NARMAX as a filter (it is distinguished by a red color)
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» 97 Referenses
1.
S.A. Billings Orthogonal least squares methods and their application to non-linear system
identification/ Billings S.A. Int. J. Control, vol. 50, no. 5, 1873-1896, 1989.
2.
Nicolao, G. De System Identification: Problems and perspectives, Dipartimento di
Informatica e Sistemistica, Universiti di Pavia,/ Nicolao G. De // 11th International Workshop on
Qualitative Reasoning”, Cortona, Istituto di Analisi Numerica - C.N.R., Pavia, 379-386, 1997.
3.
Полищук С.А., Семенов А.С., Плетнев М.М. Применение метода NARMAX для
фильтрации экспериментальных данных/ Доклад X Всероссийской межвузовской
конференции молодых учёных II Всероссийского конгресса молодых учёных СПбНИУ ИТМО
9-12 апреля 2013 года.
4.
Балакришнан А.В. Теория фильтрации Калмана/ Мир.- 1988, 86 с.
5.
Лукьянов Г.Н. Полищук С.А. Нелинейное динамическое моделирование взаимосвязи
процессов дыхания и сердцебиения// Научно-технический вестник информационных
технологий, механики и оптики . – 2013. – № 4 (86). – С. 67–72.
УДК 681.5
Анализ данных сенсорных датчиков на гибридном суперкомпьютере
Авраменко А.,
Национальный минерально-сырьевой университета «Горный»
Для ускорения расчетов в последние годы активно применяются возможности
современных графических карт, реализующие массово-параллельные вычисления общего
назначения на мощных графических процессорах. Примером данной технологии является
программно-аппаратная архитектура CUDA (Compute Unified Device Architecture),
разработанная компанией Nvidia. CUDA реализует аппаратный параллелизм, базируясь на
принципах вычислений SIMD (Single Instruction Multiple Data), т.е. позволяет применять одни
и те же команды параллельно к множеству данных.
Примерно в 2003 году сформировалось сообщество энтузиастов, которые стали
использовать GPU для запуска произвольного кода. Тогда еще были стандартные графические
API. Но примерно в то время GPU стали достаточно программируемыми. Тогда и появилось
понятие графического шейдера, Open GL и Direct X фактически позволял сконфигурировать
графический конвейер визуализации. То есть разработчики получили возможность написать
произвольную программу, которая выполнялась на каждом пикселе и вычисляла, какойнибудь алгоритм. При этом интерфейс GPU оставался сугубо графическим. Поэтому все равно
необходимо было использовать Direct X или Open GL. Можно так сказать, что графический
конвейер остался тем же самым, но в него добавили программируемость определенных мест
этого конвейера. Иными словами в конфигурируемом конвейере появилась возможность
заменять участки кода на программы. При этом энтузиасты поняли, что эту возможность
можно использовать не только для графики, но и для любых вычислений.
Естественно, программирование, таким образом, было сопряжено с большими
трудностями, в силу того, что разработчикам нужно было изучать API, понимать, как работает
графический ускоритель, и для многих это оставалось недоступным. Но, тем не менее, люди
этим занимались. Потому что для большого класса задач оказалось, что производительность,
которую они получают, используя GPU, значительно превосходила CPU [1-5].
В то же время специалисты компании NVIDIA очень внимательно наблюдали за этим и
попытались проанализировать все проблемы, с которыми разработчики сталкивались, и
решили создать свою программную модель, которая решала все вышеперечисленные
проблемы. То есть модель-платформу, которая позволяла запускать произвольный код на
GPU. Собственно это идея, которая лежит в основе CUDA. Сама CUDA на рынке появилась в
98  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» конце 2006 года. С приходом архитектуры G80. Когда появились карты GeForce 8800 —
первые продукты, которые поддерживали CUDA.
CUDA — это доступная каждому разработчику ПО технология, её может использовать
любой программист, знающий язык Си. Придётся только привыкнуть к иной парадигме
программирования, присущей параллельным вычислениям.
Перечислим основные характеристики CUDA:
 унифицированное программно-аппаратное решение для параллельных вычислений на
видеочипах NVIDIA;
 большой набор поддерживаемых решений, от мобильных до мультичиповых
 стандартный язык программирования Си;
 стандартные библиотеки численного анализа FFT (быстрое преобразование Фурье) и
BLAS (линейная алгебра);
 оптимизированный обмен данными между CPU и GPU;
 взаимодействие с графическими API OpenGL и DirectX;
 поддержка 32- и 64-битных операционных систем: Windows XP, Windows Vista, Linux и
MacOS X;
 возможность разработки на низком уровне.
Среда разработки CUDA (CUDA Toolkit) включает:
 компилятор nvcc;
 библиотеки FFT и BLAS;
 профилировщик;
 отладчик gdb для GPU;
 CUDA runtime драйвер в комплекте стандартных драйверов NVIDIA
 руководство по программированию;
 CUDA Developer SDK (исходный код, утилиты и документация).
С точки зрения программиста, графический конвейер является набором стадий
обработки. Блок геометрии генерирует треугольники, а блок растеризации — пиксели,
отображаемые на мониторе.
Программно-аппаратная архитектура для вычислений на GPU компании NVIDIA
отличается от предыдущих моделей GPGPU тем, что позволяет писать программы для GPU на
настоящем языке Си со стандартным синтаксисом, указателями и необходимостью в
минимуме расширений для доступа к вычислительным ресурсам видеочипов. CUDA не
зависит от графических API, и обладает некоторыми особенностями, предназначенными
специально для вычислений общего назначения.
Будущее множества вычислений явно за параллельными алгоритмами, почти все новые
решения и инициативы направлены в эту сторону. Пока что, впрочем, развитие новых
парадигм находится на начальном этапе, приходится вручную создавать потоки и планировать
доступ к памяти, что усложняет задачи по сравнению с привычным программированием. Но
технология CUDA сделала шаг в правильном направлении и в ней явно проглядывается
успешное решение, особенно если NVIDIA удастся убедить как можно разработчиков в его
пользе и перспективах.
Но, конечно, GPU не заменят CPU. В их нынешнем виде они и не предназначены для
этого. Сейчас что видеочипы движутся постепенно в сторону CPU, становясь всё более
универсальными (расчёты с плавающей точкой одинарной и двойной точности,
целочисленные вычисления), так и CPU становятся всё более «параллельными», обзаводясь
большим количеством ядер, технологиями многопоточности.
В докладе сказано в основном о преимуществах CUDA. Но есть и свои недостатки, один
из которых — слабая переносимость. Эта архитектура работает только на видеочипах этой
компании, да ещё и не на всех, а начиная с серии GeForce 8 и 9 и соответствующих Quadro и
Tesla.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» 99 УДК: 512.85+681.787
Исследование алгоритмов демодуляции интерференционных сигналов
Волков А.В, Осколкова Е.С, Плотников М.Ю
e-mail: [email protected]
Университет ИТМО
Введение
Волоконно-оптические интерферометрические датчики гидроакустического давления
получают все более широкое распространение и могут быть использованы в сейсмических
донных станциях, морских донных и буксируемых сейсмических косах, подводных системах
охраны периметра, в ряде военных применений. Они имеют целый ряд преимуществ по
сравнению с традиционными пьезокерамическими гидроакустическими датчиками: они
обладают высокой чувствительностью, устойчивы к электромагнитному воздействию, имеют
малый вес и размеры, легко мультиплексируются и т.д[1].
Для восстановления акустического воздействия на чувствительный элемент волоконнооптического
интерферометрического
датчика
гидроакустического
давления
интерференционный сигнал необходимо демодулировать. На данный момент существует
большое число способов и схем демодуляции сигналов в волоконно-оптических
интерферометрических датчиках, среди которых наибольшее распространение получили
методы гомодинной демодуляции сигналов[2].
Данная работа направлена на исследование алгоритмов гомодинной демодуляции
интерференционных сигналов, определение их параметров, оказывающих влияние на
выходной сигнал, а также и изучение их особенностей их реализации в цифровой форме на
программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) [3-4].
Цели работы
Основной целью работы является исследование алгоритмов гомодинной демодуляции
интерференционных сигналов, определение их параметров, оказывающих влияние на
выходной сигнал, а также и изучение их особенностей их реализации в цифровой форме. Для
достижения поставленной цели необходимо выполнить ряд задач:
- построить математические модели алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов;
- определить зависимость выходного сигнала от положения рабочей точки
интерферометра, глубины фазовой модуляции и интенсивности оптического излучения для
каждого из алгоритмов;
- выявить основные достоинства и недостатки алгоритмов демодуляции
интерференционных сигналов;
- выявить особенности реализации алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов в
цифровой форме.
Базовые положения исследования
В данной работе для построения моделей алгоритмов гомодинной демодуляции сигналов
была использована программная среда MATLAB и утилита FDATool (Filter Design and
Analysis Tool) для создания цифровых фильтров с конечной импульсной характеристикой. Все
математические преобразования исследуемых алгоритмов демодуляции были описаны с
использованием скриптового языка среды MATLAB.
Практические результаты
100  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» В результате проведенной работы были получены зависимости выходного сигнала от
положения рабочей точки интерферометра, глубины фазовой модуляции и интенсивности
оптического излучения для алгоритмов гомодинной демодуляции интерференционных
сигналов. Были определены особенности реализации алгоритмов гомодинной демодуляции в
цифровой форме.
Было показано, что алгоритм демодуляции сигналов на основе вычисления арктангенса
более устойчив к изменениям мощности оптического излучения, чем алгоритм демодуляции
сигналов на основе перекрестного перемножения.
Литература
1. S. Yin, P. B. Ruffin, F. T. S. Yu., “Fiber Optic Sensors, 2nd ed. - Pennsylvania State University,”
CRC Press Taylor & Francis Group, 2008.
2. A. Dandridge, A. B. Tveten, and T. G. Gialloronzi, Homodyne demodulation scheme for fiber
optic sensors using phase generated carrier, IEEE J. Quantum Electron., QE-18, p. 1647, 1982.
3. Liwei Wang, Min Zhang, Xianhui Mao, Yanbiao Liao, “The Arctangent Approach of Digital PGC
Demodulation for Optic Interferometric Sensors,” Proc. of SPIE Vol. 6292, 62921E, (2006).
4. Варжель С. В., Стригалев В. Е. Метод устранения влияния сигнала помехи на
чувствительность приема гидроакустической антенны на основе волоконных Брэгговских
решеток. //Научно-технический вестник информационных технологий, механики и
оптики. Выпуск 5(69) - СПб: СПб НИУ ИТМО, 2010, с.5-8.
УДК 681.5
Анализ данных сенсорных датчиков объектов с распределенными
параметрами
Ильюшин Ю.В., к.т.н. доцент кафедры системного анализа и управления,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
На современном этапе развития систем автоматического управления возникает проблема
рассмотрения объектов управления имеющих пространственные координаты, методов их
исследования и анализа. Для более детального понимания окружающего нас мира, многие
объекты необходимо рассматривать с точки зрения распределенных объектов. Поля различной
природы, теплопроводность и диффузия, синергетические технологии, магнетизм, физика
твердого тела и многое другое – всё это объекты и системы с распределёнными параметрами.
Если же рассматривать классическую систему автоматического управления, то можно
обратить внимание на большой математический аппарат подкрепляющий ее.
Теория систем с распределенными параметрами начала развиваться с первых работ,
опубликованных А.Г. Бутковским и были продолжены в работах Т.К. Сиразетдинова, Э.Я.
Рапопорта, И.М. Першина, В.А. Коваля, и других на территории нашей страны.
Также работы велись и зарубежными учеными, такими как Ж.-Л. Лионс, S.G. Tzafistas,
V. Wertz, P. Demise, I.S. Meditch, J.S Gibson, I.G. Rosen и рядом других. Становление теории
систем с распределенными параметрами обусловлено сложностью и нестандартностью
математического аппарата. Задача автоматического управления распределенными системами
значительно сложнее, чем сосредоточенными. Это главным образом связано с
необходимостью пространственно-распределенного контроля состояния объекта. Контроля
результатов моделирования, в том числе и замкнутых систем управления с обратной связью.
В пространственно-распределенной системе управления расширяется класс возможных
воздействий на объект управления (например, пространственно-временных управлений). Для
рассмотрения подобных воздействий становиться неприемлемой теория сосредоточенных
систем. Особенностью исследования систем с распределенными параметрами является
разработка математического аппарата и методик их исследования.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» 101 Большая часть результатов полученных в теории систем с распределёнными
параметрами применяется в линейных системах. Реальные системы автоматического
управления не являются чисто линейными. Существует ряд случаев, когда поведение таких
систем не может быть даже приближённо описано линейными дифференциальными
уравнениями. Нелинейная автоматическая система это такая система, в которой находится
хотя бы одно звено, описываемое нелинейным уравнением. Нелинейное уравнение это такое
уравнение, в которое входят некоторые координаты или их производные в виде произведений
или степени, отличной от первой, или же их коэффициенты являются функциями некоторых
координат или их производных. Методики, разработанные для линейных систем управления,
невозможно применить для нелинейных систем общего вида. Однако стоит отметить, что
среди нелинейных систем, есть класс систем с одним нелинейным элементом, для которых
применим разработанный аппарат с небольшими изменениями. Основной задачей анализа,
синтеза и моделирования нелинейных систем автоматического управления является поиск
возможных состояний системы, обеспечивающих устойчивую работоспособность системы.
Таких возможных решений бывает огромное количество, в зависимости от различных
начальных и граничных условий, вида реакции на отклонения от заданного режима и т.д.
Характеристика нелинейных звеньев описывается с указанием логических условий. В
связи с нелинейной характеристикой, выходная переменная не будет пропорциональна
входной переменной. Поэтому реакция системы, например, на релейный сигнал будет
зависеть от мощности этого сигнала. В ряде случаев для выхода системы из устойчивого
состояния необходимо изменить входной сигнал. Если же рассмотреть динамику
колебательных динамических систем управления, то можно заметить, что, при затухании
переходного процесса появляются незначительные изменения периода колебаний.
В связи с отсутствием единого метода решения нелинейных систем приходится
проводить анализ и с преодолением значительных математических трудностей синтезировать
частный метод решения поставленной задачи.
Особенностью релейных систем управления является форма выходной переменной,
которая не зависит от входной переменной. В данных системах управляющее воздействие,
изменяется скачком всякий раз, когда управляющий сигнал на входе релейного элемента
проходит заданный интервал допустимых значений.
Состояние проблемы исследования
На данном этапе задачи синтеза замкнутых, нелинейных систем управления с
распределенными параметрами мало изучены. Математический аппарат синтеза нелинейных
распределенных систем не достаточно разработан. Созданные на данный момент системы
имеют исключительно линейную структуру, в которой не учитывается геометрия объекта. В
научной литературе известен ряд основных методов синтеза распределенных объектов таких
как:
 аналитическое конструирование оптимальных регуляторов (АКОР);
 параметрический синтез регуляторов;
 конечномерная аппроксимация систем с распределёнными параметрами и решение задачи
синтеза регуляторов методами, используемыми в сосредоточенных системах;
 синтез систем управления с подвижным воздействием;
 частотный метод синтеза.
Метод АКОР для систем с распределёнными параметрами основывается на принципе
оптимальности Беллмана и принципе максимума Понтрягина.
Синтез параметрического регулятора базируется на использовании структурной теории,
в которой введено понятие распределённых блоков. Описание распределённых блоков даётся
импульсной переходной функцией (функцией Грина).
Конечномерная аппроксимация распределённых систем базируется на использовании
конечномерных представлений частных производных на основе метода «сеток» и «прямых»,
а так же с использованием рядов Тейлора.
102  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» Для систем с подвижным воздействием разработаны специальные методы анализа и
синтеза. Основной технической трудностью является создание высокоскоростных источников
воздействия любой физической природы.
Частотный метод синтеза регуляторов является основным рабочим инструментом при
проектировании сосредоточенных систем с одним входом и одним выходом.
Предметом исследования представленном в данном докладе являются нелинейные
системы управления с распределёнными параметрами.
Объект исследования – анализ информационных потоков с сенсорных датчиков [1,2]
Литература
1. http://www.nvidia.ru/content/cudazone/download/ru/CUDA_rus.pdf
2. М.В. Денисенко, А.М. Сатанин. Электронное учебно-методическое пособие. — Н.Н.:
Нижегородский госуниверситет, 2012. — 53 с.
Применение гетерогенных
вычислительных систем и технологии CUDA для моделирования физических процессов
УДК 681.5
Основные понятия анализа и синтеза систем автоматического управления
сенсорными датчиками
Проскура С. В.,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Автоматика, отрасль науки и техники, охватывающая теорию и принципы построения
систем управления, действующих без непосредственного участия человека; в узком смысле
- совокупность методов и технических средств, исключающих участие человека при
выполнении операций конкретного процесса. Как самостоятельная область техники А.
получила признание на 2-й Мировой энергетической конференции (Берлин, 1930), где была
создана секция по вопросам автоматического и телемеханического управления. В СССР
термин "А." получил распространение в начале 30-х гг.
А. как наука возникла на базе теории автоматического регулирования, основы которой
были заложены в работах Дж. К. Максвелла (1868), И. А. Вышнеградского (1872-1878), А.
Стодолы (1899) и др.; в самостоятельную научно-техническую дисциплину окончательно
оформилась к 1940. История А. как отрасли техники тесно связана с развитием автоматов,
автоматических устройств и автоматизированных комплексов. В стадии становления А.
опиралась на теоретическую механику и теорию электрических цепей и систем и решала
задачи, связанные с регулированием давления в паровых котлах, хода поршня паровых и
частоты вращения электрических машин, управления работой станков-автоматов, АТС,
устройствами релейной защиты. Соответственно и технические средства А. в этот период
разрабатывались и использовались применительно к системам автоматического
регулирования Интенсивное развитие всех отраслей науки и техники в конце 1-й половины
20 в. вызвало также быстрый рост техники автоматического управления, применение которой
становится всеобщим [1].
2-я половина 20 в. ознаменовалась дальнейшим совершенствованием технических
средств А. и широким, хотя и неравномерным для разных отраслей народного хозяйства,
распространением автоматических управляющих устройств с переходом к более сложным
автоматическим системам, в частности в промышленности - от автоматизации отдельных
агрегатов к комплексной автоматизации цехов и заводов. Существенной чертой является
использование А. на объектах, территориально расположенных на больших расстояниях друг
от друга, например крупные промышленные и энергетические комплексы, системы
управления космическими летательными аппаратами и т. д. Для связи между отдельными
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» 103 устройствами в таких системах применяются средства телемеханики, которые совместно с
устройствами управления и управляемыми объектами образуют телеавтоматические
системы. Большое значение при этом приобретают технические (в т. ч. телемеханические)
средства сбора и автоматической обработки информации, т. к. многие задачи в сложных
системах автоматического управления могут быть решены только с помощью
вычислительной техники. Наконец, теория автоматического регулирования уступает место
обобщённой теории автоматического управления, объединяющей все теоретические аспекты
А. и составляющей основу общей теории управления
Автоматическое управление в технике, совокупность действий, направленных на
поддержание или улучшение функционирования управляемого объекта без
непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. А. у.
широко применяется во многих технических и биотехнических системах для выполнения
операций, не осуществимых человеком в связи с необходимостью переработки большого
количества информации в ограниченное время, для повышения производительности труда,
качества и точности регулирования, освобождения человека от управления системами,
функционирующими в условиях относительной недоступности или опасных для здоровья.
Цель управления тем или иным образом связывается с изменением во времени регулируемой
(управляемой) величины - выходной величины управляемого объекта. Для осуществления
цели управления, с учётом особенностей управляемых объектов различной природы и
специфики отдельных классов систем, организуется воздействие на управляющие органы
объекта - управляющее воздействие. Оно предназначено также для компенсации эффекта
внешних возмущающих воздействий, стремящихся нарушить требуемое поведение
регулируемой величины. Управляющее воздействие вырабатывается устройством
управления (УУ). Совокупность управляющего устройства и управляемого объекта образует
систему автоматического управления. Система автоматического управления (САУ)
поддерживает или улучшает функционирование управляемого объекта. В ряде случаев
вспомогательные для САУ операции (пуск, остановка, контроль, наладка и т.д.) также могут
быть автоматизированы. САУ функционирует в основном в составе производственного или
какого-либо другого комплекса. История техники насчитывает много ранних примеров
конструкций, обладающих всеми отличительными чертами САУ (регулирование потока
зерна на мельнице с т. н. "потряском", уровня воды в паровом котле машины Ползунова,
1765, и т. д.). Первой замкнутой САУ, получившей широкое техническое применение, была
система автоматического регулирования с центробежным регулятором в паровой машине
Уатта (1784). По мере совершенствования паровых машин, турбин и двигателей внутреннего
сгорания всё более широко использовались различные механические регулирующие системы
и устройства, достигшие значительного развития в конце 19 - начале 20 вв. Новый этап в А.
у. характеризуется внедрением в системы регулирования и управления электронных
элементов и устройств автоматики и телемеханики. Это обусловило появление
высокоточных систем слежения и наведения, телеуправления и телеизмерения, системы
автоматического контроля и коррекции. 50-е гг. 20 в. ознаменовались появлением сложных
систем управления производственными процессами и промышленными комплексами на базе
электронных управляющих вычислительных машин.
САУ классифицируются в основном по цели управления, типу контура управления и
способу передачи сигналов. Первоначально перед САУ ставились задачи поддержания
определённых законов изменения во времени управляемых величин. В этом классе систем
различают системы автоматического регулирования (CAP), в задачу которых входит
сохранение постоянными значения управляемой величины; системы программного
управления, где управляемая величина изменяется по заданной программе; следящие
системы, для которых программа управления заранее неизвестна. В дальнейшем цель
управления стала связываться непосредственно с определёнными комплексными
показателями качества, характеризующими систему (её производительность, точность
104  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» воспроизведения и т. п.); к показателю качества могут предъявляться требования достижения
им предельных (наибольших или наименьших) значений, для чего были разработаны
адаптивные, или самоприспосабливающиеся системы. Последние различаются по способу
управления: в самонастраивающихся системах меняются параметры устройства управления,
пока не будут достигнуты оптимальные или близкие к оптимальным значениям управляемых
величин; в самоорганизующихся системах с той же целью может меняться и её структура.
Наиболее широки, в принципе, возможности самообучающихся систем, улучшающих
алгоритмы своего функционирования на основе анализа опыта управления. Отыскание
оптимального режима в адаптивных САУ может осуществляться как с помощью
автоматического поиска, так и беспоисковым образом.
Литература
1. Першин И. М. «Анализ и синтез систем с распределёнными параметрами» – Пятигорск,
2004, -212 с.
УДК 004.354.3
Разработка графического сенсорного интерфейса
Романов А.Ю.,
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»
Представлена реализация графического сенсорного интерфейса на основе отладочной
платы STM32F4DISCOVERY и сенсорного экрана, а также программного драйвера для
организации подсистемы ввода и вывода для портативных устройств.
Краткое описание и назначение графического сенсорного интерфейса
Начавшись с появлением простейших семисегментных индикаторов, процесс развития и
совершенствования системы индикации постепенно подошел к тому, что они стали включать
в себя жидкокристаллические символьные дисплеи с разным расширением по количеству
строк и символов, на которых реализовывалось несложное срочное меню. Продолжением
данного подхода стало использование графических дисплеев – сначала монохромных, а затем
и цветных – с разнообразным расширением. На таких дисплеях уже реализовывалось не
только строчное меню, но и различные варианты графического меню с иконками или
комбинированное меню. Также в данном типе дисплеев стало возможным выводить
сообщения в виде различных графических изображений: например, сообщение об ошибке,
замечание, вопрос и т.д. Одновременно совершенствовалась система ввода данных, начиная
от просто подключенных единичных кнопок, до использования матричного подключения
клавиатур, дистанционного управления через инфракрасные приемопередатчики, а также
сенсорные кнопки, реагирующие на прикосновение пальцев.
Вершиной текущего развития современных систем индикации стало использование
сенсорного интерфейса в составе графических жидкокристаллических дисплеев с сенсорным
экраном, что дает возможность разрабатывать более гибкие и компактные системы,
включающие систему ввода-вывода в одном элементе. В настоящее время существуют
готовые решения для реализации таких систем; многие фирмы выпускают разнообразные
отладочные платы, включающие в себя графический сенсорный дисплей с соответствующим
вспомогательным программным обеспечением. Также доступны отдельные GUI библиотеки
для различных контроллеров, реализующих задачу объединения системы ввода и индикации.
На основе проведенного анализа ряда готовых решений и с учетом того, что
использование какой-либо готовой системы или программы без знания особенностей ее
реализации далеко не всегда является целесообразным, нами был разработан
специализированный программный драйвер. Данный драйвер имеет следующие
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» 105 преимущества: возможность быстрого интегрирования в новую программу; простой вызов
заранее известного набора функций, чтобы создавать разнообразные графические элементы
ввода-вывода информации с назначением для каждого из них функции обработчика событий;
достаточно широкий набор разнообразных графических элементов ввода-вывода, таких как
кнопки, ползунки, индикаторы (цифровые и стрелочные), графики и т.д.; возможность
создания нужного количества страниц или рабочих столов со своим набором графических
элементов ввода-вывода; возможность вывода текстовых сообщений с конфигурацией
размера и цвета шрифта.
Описание конструкции и электрической части платы управления
Реализованная система графического сенсорного интерфейса (далее – интерфейс),
включающая в себя все вышеописанные возможности, изображена на рис. 1.
Для реализации данного интерфейса были использованы: отладочная плата
STM32F4DISCOVERY [1], в основе которой лежит контролер STM32F407VGT6 от фирмы
STMicroelectronics; дисплей модели S95160 [2] на основе контроллера SSD1289; контроллер
сенсорного экрана – XPT2046.
На несущей плате дисплея, со стороны противоположной от последнего, также
присутствует сокет для SD карты, контакты которого подключены к общему джамперу на
плате. Максимальная потребляемая мощность данного дисплея составляет 350 mW.
Краткое описание программного обеспечения драйвера сенсорного интерфейса
Для распределения задач между программой пользователя и программой-драйвером
интерфейса использована операционная система FreeRTOS. Данная операционная система
реального времени позволяет: создавать нужное количество задач в рабочей программе;
задавать приоритет выполнения каждой задачи; создавать очереди, временные таймеры,
мютексы, семафоры; производить обмен данными между отдельными задачами. Ее также
можно использовать на разных контроллерах с различной архитектурой.
Рисунок 1 - Система графического сенсорного интерфейса
В связи с наличием сокета SD карты, в разработанную библиотеку также был включен
FAT драйвер. Последний дает возможность в полной мере осуществлять разнообразные
функции работы с SD картой, такие как считывание, создание и запись текстовых файлов,
прописывание атрибутов для файлов, считывание изображений и т.д.
Количество параметров для создания графического элемента зависит от его типа. К
общим параметрам можно отнести ID элемента, константу-тип элемента, функцию
обработчик события, можно задавать значения отвечающие за создание по умолчанию
пассивного или активного, а также видимого или невидимого элемента. Для текстовых
элементов дополнительно задается тип шрифта и цвет. При добавлении графического
элемента к нужной странице указывается его положение на дисплее, адрес элемента и нужная
страница памяти.
106  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» Для визуализации нажатия кнопки или изменения отображения какого-либо из
переключателей (состояние включен/выключен) используются два отдельных графических
элемента, массивы кодов которых создаются отдельно. Для визуализации таких графических
элементов, как циферблаты, ползунки, цифровые индикаторы, роллеры используется
комбинированный метод отображения путем использования, как готовых графических частей
элементов, так и тех геометрических элементов, которые создаются динамически, в
зависимости от нужного положения. Для генерации массива для отображения графических
элементов разработана специальная компьютерная программа, позволяющая генерировать
данные для отображения заданной картинки на монохромных и цветных дисплеях.
Применение разработанной системы
Возможные области применения сенсорного интерфейса и его драйвера – различные
приборы, стенды, нуждающиеся в системе ввода-вывода информации для управления
разнообразными процессами, портативные устройства или пульты управления.
Использование разработанного сенсорного интерфейса и его драйвера позволяет значительно
ускорить разработку портативных устройств и сделать систему ввода/вывода устройства
максимально функциональной и презентабельной.
Литература
1. STM32F4DISCOVERYDiscovery kit. URL: http://www.st.com/web/catalog/tools/FM116/
SC959/SS1532/PF252419?sc=internet/evalboard/product/252419.jsp (дата обращ.:
12.09.2014).
2. S95160 TFT LCD Module Datasheet [Электронный ресурс] / Success Electronic Co, Ld.
Ver. 3. URL: ftp://imall.iteadstudio.com/LCD_Panel/
IM120906008/SPE_IM120906008_FPC.pdf (дата обращения: 12.09.2014).
УДК 536.6
Измерение нестационарного теплового потока для прогнозирования
времени сохранения несущей способности тоннельных сооружений при
пожаре
И.А. Сиваков, Н.В. Пилипенко,
Университет ИТМО
Необходимость решения задач прикладной теплометрии — определения плотности
теплового потока на поверхности исследуемого объекта — возникает в различных наукоемких
отраслях, таких как проектирование авиационной, ракетно-космической и автомобильной
техники, в энергетике и металлургии, теплотехнике, при исследовании многофазных потоков,
решении задач, связанных с энергосбережением и многих других.
Отдельно стоит отметить роль прикладной термо- и теплометрии при исследованиях
процессов горения и воздействия пожаров на строительные конструкции, при
экспериментальном определении противопожарных характеристик оборудования и
материалов. Тематика разработки методов и средств обнаружения пожара на ранней стадии,
прогнозирования его развития и влияния на строительные конструкции и безопасность
процесса эвакуации не теряет своей актуальности на протяжении многих лет.
Мировой опыт проектирования и эксплуатации железнодорожных и автодорожных
тоннелей показывает, что одной из важнейших систем объекта является система
противопожарной защиты. Отсутствие необходимого уровня защиты и переход пожара в
развитую стадию могут приводить к трагическим последствиям и огромным материальным
потерям.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» 107 Подземное расположение любых объектов (а тем более с массовым пребыванием людей,
к которым относятся железнодорожные тоннели с движением пассажирских поездов,
автомобильные тоннели с интенсивным движением, тоннели метрополитенов)
предопределяет ряд специфических особенностей. Эти особенности необходимо учитывать
при решении вопросов защиты людей и материальных ценностей от возможных пожаров.
Одним из требований нормативных документов по пожарной безопасности для
тоннельных сооружений является обеспечение требуемого предела огнестойкостипо признаку
несущей способности строительных конструкций, под которой в соответствии с п. 8.1.1
ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость.
Несущие и ограждающие конструкции», понимается обрушение конструкции или
возникновение предельных деформаций. Фактическое время сохранения конструкцией
несущей способности связано с величиной воздействующего на нее теплового потока,
динамикой прогрева, теплофизическими характеристиками конструкции и особенностями
теплообмена с окружающей средой и грунтом.
В Российской Федерации при расчетах огнестойкости применяется «стандартная»
кривая пожара по ГОСТ 3047.0-94 (кривая ISO-834-1). Однако, особенностью реальных
пожаров является то, что их мощность и динамика развития в значительной степени
определяются не только видом пожарной нагрузки, но и конструктивными особенностями
сооружения (свободный доступ окислителя к очагу пожара, наличие средств локализации и
тушения и т.д.). Таким образом, пожары, к примеру, одной и той же легковой машины на
открытом воздухе и в тоннеле, не оборудованном системами дымоудаления и
принудительного проветривания, будут иметь разную динамику и мощность. Кроме того, для
ряда объектов строительства параметры пожара существенно отличаются от «стандартной»
кривой.
В докладе рассматривается метод прогнозирования времени сохранения несущей
способности конструкций тоннельных сооружений по измеряемой плотности
нестационарного теплового потока на поверхности тоннельной обделки при огневом
воздействии.
Для определения плотности нестационарной теплового потока решается обратная задача
теплопроводности (ОЗТ). Решение ОЗТ осуществляется путем предварительной
параметризации задачи с дальнейшей параметрической идентификацией модели
теплопереноса в объекте и сводится к последовательному получению оптимальных оценок
вектора искомых параметров путемминимизации функции невязки между реальным и
модельным векторами температурных измерений [1 – 4]. Минимизация проводится с
использованием алгоритма цифрового фильтра Калмана [1].
Для решения задачи термо- и теплометрии в условиях огневого воздействия
предлагается применение высокотемпературного градиентного приемника теплового потока,
представляющего собой корундовую пластину с термометрами сопротивления из
платинокерамической пасты на поверхности, помещенную в защитный кожух и способную
функционировать в среде с температурой до 1200 °С [2].
В докладе приводятся результаты модельных исследований предложенного метода при
решении задачи определения фактического предела огнестойкости для железобетонных и
чугунных тоннельных обделок в различных условиях залегания тоннелей и при различном
огневом воздействии.
Литература
1. Pilipenko N.V., Sivakov I.A. A method of determining nonstationary heat flux and heat
conduction using parametric identification // Measurement Techniques, 2011, Vol.54, №3. —
pp. 318 – 323.
2. Пилипенко Н.В., Казарцев Я.В.
Оптимальное планирование эксперимента при
идентификации процессов теплообмена сенсоров теплового потока // Известия ВУЗов.
Приборостроение, 2011, Т.54, №5 — С.88 – 93.
108  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Моделирование процессов» 3. Сиваков И.А. Исследование возможности применения батарейных приемников теплового
потока в нестационарной теплометрии // Научно-технический вестник информационных
технологий, механики и оптики, 2012, №5, — с. 134 – 138.
4. Пилипенко Н.В., Польщиков Г.В., Сиваков И.А. Установка для определения динамических
характеристик сенсоров теплового потока // Известия ВУЗов. Приборостроение, 2013, №5
— С.71 – 76.
Материалы и
технологии для
сенсорики
110  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» Atomic Layer Deposition (ALD) Technology of Picosun Oy and its Application
in the Sensor Fabrication
Alexey Veselov
Picosun
In this presentation, the audience is suggested to consider the possibilities of Atomic Layer
Deposition (ALD) technology which allows to prepare nanofilms with thicknesses between a
molecular layer and a few hundreds nanometers. The main application areas of ALD when carrying
out R&D works and manufacturing sensor devices, are as follows:
 Preparation of conformal, electro-isolating layers filmed at low temperatures;
 Preparation of masks which lower etching and making stop layers;
 Conductive seed layers for the subsequent manufacturing of electroplating films;
 Preparation of conformal, thermo-conductive films;
 Films which prevents parts from friction;
 Sealed and biocompatible coatings;
 Covering or sealing of nano-scale pores;
 Optical films (reflective, anti-reflective, and black absorbers).
The main advantages of ALD when comparing with other film preparation techniques, are as
follows:
1. No micro-gaps in ALD films;
2. Possibility to achieve conformal nanolaminates even on the walls and bottom of deep
microtrenches цшер high aspect ratios up to 1:100;
3. Possibility to coat nanoparticles, porous structures, and 3D objects;
4. Possibility to coat films in the roll-to-roll regime.
The main advantages of ALD from Picosun are:
1. The obtained standard deviation uniformity below 1% for some nanofilm materials on 200-mm
wafers (49-points measurements);
2. Possibility to work with 12’’ wafers;
3. Single and batch wafer processing;
4. The optimized design of the reaction chambers;
5. The short duration time of pulse/purge of the precursors into/out of the reaction chambers;
6. Ultra-low level of impurity particles (1-2 particles with typical size below 90 nm);
7. Module design of ALD equipment;
8. Cluster options vacuum/UHV;
9. Compatibility with Semi S2 standard.
I would like to highlight the following aspects of ALD technology from Picosun:
1. Picosun Oy has the experience of ALD applications beginning from 1974;
2. The ALD equipment manufactured by Picosun, allows to work with single and batch wafers, to
coat nanofilms on structures with complex geometries, porous samples, nanoparticles, to work
with flexible materials using roll-to-roll ALD processes, and coat nanofilms on big 3D objects;
3. Picosun tools have the optimum design of the reaction chambers which allows the customers to
carry out batch processing of wafers without additional particles on wafer surfaces;
4. Picosun equipment has a main feature which is the simplicity when switching from R&D to the
production.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 111 Enhancement of metal oxide gas sensors
by surface modification via electron beam processing
1
2
S.V.Mjakin1, I.E.Kononova2, S.S.Nalimova2, V.A.Moshnikov2,3
Saint-Petersburg State Institute of Technology, e-mail: [email protected]
Saint Petersburg Electrotechnical University “LETI”, e-mail: [email protected]
3
Yaroslav-the-Wise Novgorod State University
Introduction
The development of highly sensitive gas sensors is an essential target in modern technology,
particularly in such areas as environmental monitoring at chemical plants, exhaust gas control and
alcohol vapor measurements. One of the most promising approaches in this field is the development
of semiconductor and particularly metal oxide sensors based on chemical reactions involving the
device surface with specific gases or vapors.
Particularly, wide gap metal oxides such as ZnO and SnO2 are widely used as photocatalysts
and functional elements of gas sensors, photovoltaic and optoelectronic devices
[1-5]. The
sensor properties of such systems are determined by the change of their resistance as a result of
reacting with the detected gases via specific chemical reactions on the sensitive layer surface. Hence
the development of methods for the modification of the sensor surface chemistry and microstructure
in order to enhance the required sensitivity and selectivity is one of the most challenging problems in
the development of gas sensors.
A promising approach to gas sensitivity improvement is based on the use of multicomponent
metal oxides comprising the components with “complementary” properties. However, such
multicomponent systems are disadvantageously featured with different kinetic behavior of various
proximal adsorption centers. The overall process kinetics is determined by both the energy of these
centers (particularly determined by the selection of certain metals in mixed oxides) and ratio between
their concentrations. In addition to the variation of the chemical composition, energy features of
surface centers can be modified using different chemical, thermal, plasma [6-10] and other processing
methods, particularly electron beam processing since the latter method provides a reagent-free control
over the surface structure and chemistry in a precisely adjustable mode via the variation of the
treatment parameters (energy, absorbed dose) [11].
Experimental
In this study SnO2-SiO2 and ZnO-SiO2 layers with metal oxide : SiO2 molar ratio equal to 4:1
were obtained onto fused silica glass substrates using a sol-gel method according to the procedure
earlier described in detail in [12, 13] followed by annealing at 600 ˚C. Then the samples were
subjected to electron beam (EB) treatment using a resonance transforming electron accelerator RTE1V (produced by Efremov Institute of Electrophysical Apparatus, St-Petersburg, Russia) in the air
atmosphere at the electron beam energy 900 keV, current 1 mA and absorbed dose in the range from
25 to 200 kGy.
The obtained layers were studied in respect of their sensitivity to acetone and isopropyl alcohol
vapors. at 300 ˚C with the sensor response determined as S = (Rair – Rgas) / Rgas, where Rair and
Rgas are the sample resistances in air and in the presence of the analyzed vapor.
The surface functionality of the prepared oxide layers was characterized by the adsorption of
acid-base indicators with different pKa values from aqueous solutions with spectrophotometric
measurement of the corresponding optical density changes as described in detail in [11, 14].
Results and discussion
The sensitivity of both materials is found to significantly grow with absorbed dose. For ZnOSiO2 the sensitivity increase to i-propanol and acetone vapors increased by 14.5 and 5.1 times
relating to the corresponding values for non-irradiated samples upon processing at 150 kGy whereas
for SnO2-SiO2 a similar 5- and 3.1-fold growth was observed at 200 kGy (Fig. 1).
112  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» S, a.u.
Absorbed dose, kGy
40
30
20
10
0
S, a.u.
Absorbed dose, kGy
2
1,5
1
0,5
0
0
25
50
75
100
0
25
50
75 100 125 150
Figure 1 - Content of adsorption centers with pKa 2.5 () and 14.2 () on the surface of ZnOSiO2 (a) and SnO2-SiO2 (b) composite layers as a function of absorbed dose at their EB
processing
The surface characterization indicates opposite trends in the changes of the content of
adsorption centers with pKa 2.5 (Broensted acidic centers corresponding to hydroxyl groups) and
14.2 (Lewis acidic centers corresponding to metal atoms on the surface) with absorbed dose at EB
processing of both studied materials. In the case of ZnO-SiO2 (Fig. 2a) the contents of centers with
pKa
2.5/14.2 pass correspondingly through a maximum/minimum at 25 kGy and
minimum/maximum at 50 kGy. For SnO2-SiO2 samples (Fig. 2b) a steady growth in the content of
centers with pKa 2.5 is observed in combination with the decrease in the content of centers with
pKa14.2.
2
1,8
1,6
1,4
Q, nmol/cm2
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
Absorbed dose, kGy
0
0
25 50 75 100 125 150 175 200
Figure 2 - Sensitivity of ZnO-SiO2 (a) and SnO2-SiO2 (b) samples to isopropyl alcohol (▲) and
acetone () as a function of absorbed dose
According to the previous results [11] the considered effect is determined by the following
alternating reactions:
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 113 a) hydroxylation due to EB induced disruption of element-oxygen bridging bonds and physically
adsorbed water molecules (always present on the surface of such materials at ambient conditions)
into radicals followed by their recombination to form hydroxyls with pKa 2.5.
.
(M = Zn, Sn, Si)
b) dehydration and dehydroxylation of the surface as a result of radiation heating with the recovery
of element-oxygen bonds
2 –M–OH  –M–O–M + H2O.
The observed differences between the functional transformations on the surface of ZnO-SiO2
and SnO2-SiO2 layers are probably determined by higher energy of Sn–O bond in comparison with
Zn–O corresponding to a higher oxidation degree of Sn (IV) relating to Zn (II). Therefore, the
degree of Sn-O bonds conversion into hydroxyls is significantly less compared with the conversion
of Zn-O bonds in the considered range of absorbed doses that accounts for a gradual changes in the
content of corresponding centers on the surface of SnO2-SiO2 (Fig. 2b) in contrast to almost
complete alternating mutual replacement of these groups on the surface of ZnO-SiO2 (Fig. 2a).
The comparative analysis of the above data shows an obvious correlation between the increase
of gas sensitivity and the formation of additional centers with pKa 2.5 on their surface as a result of
EB processing (Fig. 3). This result is in agreement with the data of our earlier studies [15, 16]
indicating that gas sensitivity of similar materials grows with the content of acidic hydroxyls with
this pKa value on their surface due to the activation of gas chemisorption processes yielding free
electrons in the system.
35
S, a.u.
30
25
20
15
10
5
QpKa 2.5, nmol/cm2
0
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Figure 3 - Sensitivity of SnO2-SiO2 samples to isopropyl alcohol (▲) and acetone () as a
function of the content of adsorption centers with pKa 2.5.
Conclusion
Generally, the considered approach based on electron beam activation of gas sensors is shown to
be promising for the improvement of their sensitivity due to the formation of specific centers
(particularly acidic hydroxyls) on their surface enhancing the required interaction with gas
molecules to yield the sensor response in the system.
Acknowledgements
114  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» The authors are thankful to Prof. V.N.Lomasov and engineer V.Yu.Solovjev from R&D Institute
of Nuclear Physics (St.Petersburg State Polytechnical University) for the organization of
experiments on electron beam processing of the studied materials.
This work is supported by Russian Foundation for Basic Research (grants No. 14-07-00277 and 1402-31680) and the Ministry of Education and Science of Russian Federation (Contract No.
14.574.21.0002).
References:
1. N.V. Kaneva, D.T. Dimitrov, C.D. Dushkin, Effect of nickel doping on the photocatalytic activity
of ZnO thin films under UV and visible light, Applied Surface Science 257 (2011) 8113-8120.
1. 2. I.A. Pronin, D. Tz. Dimitrov, L. K. Krasteva, K. I. Papazova, I. A. Averin, A. S. Chanachev,
A. S. Bojinova, A. Ts. Georgieva, N. D. Yakushova, V. A. Moshnikov, Theoretical and
experimental investigations of ethanol vapour sensitive properties of junctions composed from
produced by sol-gel technology pure and Fe modified nanostructured ZnO thin films, Sensors and
Actuators A: Physical 206 (2014) 88–96.
2. N.H. Al-Hardan, M.J. Abdullah, A.A. Aziz, Performance of Cr-doped ZnO for acetone sensing,
Applied Surface Science 270 (2013) 480–485.
3. S.S. Xiao, L. Zhao, Y.H. Liu, J.S. Lian, Nanocrystalline ZnO films prepared by pulsed laser
deposition and their abnormal optical properties, Applied Surface Science (283) 2013 781–787.
4. A. Kumar, S. Keshri, J.B.M. Krishna, D. Das, Conductivity modification of ZnO film by low
energy Fe10+ ion implantation, Applied Surface Science 258 (2012) 2237–2245
5. S. Flickyngerova, J. Skriniarova, M. Netrvalova, J. Kovac Jr, I. Novotny, P. Sutta, V. Tvarozek,
Surface modification of doped ZnO thin films, Applied Surface Science 256 (2010) 5606–5609.
6. S.I. Rembeza, T.V. Svistova, O.I. Borsyakova, E.S. Rembeza, Physical properties of SnO2 films
subjected to incoherent pulsed radiation, Semiconductors 40 (2006) 55-58.
7. E.Comini, G.Faglia, G.Sberveglieri, UV light activation of tin oxide thin films for NO2 sensing
at low temperatures, Sensors and Actuators B: Chemical 78 (2001) 73-77.
8. A. Chaturvedi, V.N. Mishra, R. Dwivedi, S.K.Srivastava, Selectivity and sensitivity studies on
plasma treated thick film tin oxide gas sensors, Microelectronics Journal 31(2000) 283–290.
9. R.Srivastava, R.Dwivedi, S.K.Srivastava, Development of high sensitivity tin oxide based sensors
for gas: odour detection at room temperature, Sensors and Actuators B: Chemical 50 (1998) 175–
180.
10. Electron Beam Modification of Solids: Mechanisms, Common Features and Promising
Applications, Eds. S.V. Mjakin, M.M. Sychov, I.V.Vasiljeva, NY: Nova Science, 2009.
11. V. A. Moshnikov, I. E. Gracheva, V. V. Kuznezov A. I. Maximov, S. S. Karpova, A. A.
Ponomareva, Hierarchical nanostructured semiconductor porous materials for gas sensors,
Journal of Non-Crystalline Solids 356 (2010) 2020-2025.
12. I. E. Gracheva, V. A. Moshnikov, E. V. Maraeva S. S. Karpova, O. A. Alexsandrova, N. I.
Alekseyev, V. V. Kuznetsov, G. Olchowik, K. N. Semenov, A. V. Startseva, A. V. Sitnikov, J.
M. Olchowik, Nanostructured materials obtained under conditions of hierarchical self-assembly
and modified by derivative forms of fullerenes, Journal of Non-Crystalline Solids 358 (2012)
433-439.
13. A.Ju.Shmykov, S.V.Mjakin, I.V.Vasiljeva, V.N.Filippov, M.E.Vylegzhanina, T.E.Sukhanova,
V.E.Kurochkin, Electron beam initiated grafting of methacryloxypropyl-trimethoxysilane to
fused silica glass, Applied Surface Science 255 (2009) 6391-6396
14. S.S.Karpova, V.A.Moshnikov, S.V.Mjakin, E.S.Kolovangina, Surface functional composition
and sensor properties of ZnO, Fe2O3, and ZnFe2O4, Semiconductors 47 (2013) 392-395.
15. S.S Karpova., V.A.Moshnikov, A.I.Maksimov, Mjakin S.V., N.E. Kazantseva, Study of the
effect of the acid-base surface properties of ZnO, Fe2O3 and ZnFe2O4 oxides on their gas
sensitivity to ethanol vapor, Semiconductors 47 (2013) 1026-1030.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 115 УДК681.7.068
Оптические волокна с квантовыми точками халькогенидов кадмия и
молекулярными кластерами серебра для чувствительных элементов
волоконно-оптических датчиков коротковолнового излучения
Д.С. Агафонова1,2, А.И. Сидоров1,2, А.И. Игнатьев1, Е.В. Колобкова1
1
Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)
2
Университет ИТМО
Регистрация оптического излучения в диапазоне длин волн 200-500 нм представляет
интерес не только как самостоятельная задача, но и как вспомогательное средство для решения
широкого класса научно-технических задач. В частности возникновение нежелательного
электрического разряда при эксплуатации высоковольтного оборудования может быть
обнаружено при регистрации сопровождающего разряд оптического излучения.
Преимуществом оптического метода регистрации является потенциальная высокая
чувствительность. Однако непосредственная регистрация излучения фотоэлектрическими
преобразователями сопряжена с рядом трудностей. Характерный для устройств и
оборудования, в которых возникает данная задача, высокий уровень электромагнитных помех
является ограничивающим фактором. В этой связи использование технологий с высокой
степенью помехозащищенности является перспективным направлением. Волоконнооптические датчики, отвечающие данному условию, в настоящее время получают широкое
распространение. Кроме того, для таких датчиков в большинстве случаев возможно
построение сетей распределенных датчиков для мониторинга состояния протяженных
объектов.
Спектр излучения электрического разряда зависит от множества факторов, таких как
мощность разряда, внешние условия (давление, температура и т.д.). Частичный разряд
(коронный разряд), характерный для электрооборудования среднего и высокого классов
напряжения и являющийся индикатором состояния изоляции этого оборудования, может быть
зарегистрирован в спектральном диапазоне 300-400 нм. Для маломощного искрового разряда
характерно излучение в диапазоне 250-550 нм. Для мощного дугового разряда повышение
чувствительности регистрациикак правило не требуется.
В данной работе представлен обзор собственных исследований люминесцентных
оптических волокон, содержащих молекулярные кластеры серебра и квантовые точки CdS,
CdSxSe1-xв стеклянной матрице, и их сравнение с волокнами из ПММА, в том числе
легированных органическим красителем родамином 6Ж, с точки зрения использования
данных волокон в качестве чувствительных элементов волоконно-оптического датчика
электрического разряда.Использование люминесцентных волокон позволяет увеличить
чувствительность регистрации коротковолнового излучения ввиду большей эффективности
возбуждения волноводных мод, уменьшения потерь оптического сигнала в волоконном тракте
и эффективного спектрального согласования сигнала и чувствительности кремниевого
фотоприемника. Последние два фактора возможны благодаря спектральному преобразованию
(даун-конверсия) внешнего излучения люминесцентными центрами. В этой связи выбор
люминесцентного материала будет определять основной набор параметров и характеристик
датчика.
116  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» В работе исследованы спектры люминесценции, спектры возбуждения люминесценции,
потери оптического сигнала, определены квантовый выход люминесценции, измерены
эффективности возбуждения волноводных мод. Предложены конструкции чувствительного
элемента датчика искры с позиционно-чувствительной регистрацией излучения. Показано, что
использования люминесцентных волокон с квантовыми точками CdSи с молекулярными
кластерами серебра в оболочке волокна перспективно для разработки волоконно-оптических
датчиков электрической искры.
Приемники инфракрасного излучения на основе высокотемпературного
сверхпроводника системы Bi-2223.
Бабушкин Т.В.
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального
образования «Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Приемники электромагнитного излучения инфракрасной области спектра широко
используются в астрономии, медицине, военной и охранной технике. В качестве первичных
преобразователей часто используют сверхпроводниковые сенсоры болометрического типа.
Наиболее чувствительными являются сенсоры на основе низкотемпературных
сверхпроводников. Это связано с высоким температурным коэффициентом сопротивления
(ТКС) и низким уровнем собственных шумов, ограничивающих предельную
чувствительность. Внедрение сверхпроводящих материалов с рабочей температурой выше
точки кипения жидкого азота позволит удешевить и упростить применение ИК сенсоров.
Научно-исследовательская лаборатория сверхпроводниковой микроэлектроники НИУ
МИЭТ разработала технологию изготовления тонких пленок высокотемпературного
сверхпроводника (ВТСП) состава (Bi,Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox (Bi-2223). Данный материал имеет ряд
преимуществ перед другими высокотемпературными сверхпроводниками иного состава. Его
температура начала перехода в сверхпроводящее состояние Tco (Bi-2223) = 110К, в то время
как Tco (Bi-2212) = 85К. Иттриевый сверхпроводник имеет Tco (Y-123) = 92К. Он
гигроскопичен, легко деградирует. Ртутные системы нельзя получить в виде
текстурированных пленок, таллиевые ВТСП ядовиты. В данной работе приведены результаты
исследования предельной чувствительности ИК болометрических структур на основе ВТСП
материала системы Bi-2223.
В основе этих датчиков лежит принцип изменения электрического сопротивления
чувствительного элемента при поглощении электромагнитного излучения. В нашем случае
чувствительным элементом является терморезистор. Он состоит из тонкой (менее 100 нм)
сверхпроводниковой пленки Bi-2223, лежащей на подложке оксида магния. Температура
резистивного нуля Tce = 106К. Экспериментально измеренный температурный коэффициент
сопротивления составляет 0,248 1/К. Для сравнения, ТКС материалов, используемых для
изготовления неохлаждаемых болометров (платина, никель, висмут) составляет (2…7)·10-3 1/К
[1]. Для регистрации сигнала на чувствительном элементе пропускается измерительный ток I
величиной 100 мкА. Величина потенциала измеряется электронной системой с величиной
шума, приведенного ко входу 1·10-9 В/Гц1/2.
Параметром, определяющим пороговую чувствительность сенсоров электромагнитного
излучения, является эквивалентная мощность шума NEP (noise equivalent power). Вычисления
эквивалентной мощности шума производилось для трех рабочих точек чувствительного
элемента: 1) рабочая точка в середине перехода в сверхпроводящее состояние, 2) рабочая
точка в конце перехода, 3) рабочая точка в области сверхпроводимости на краю перехода.
Для первого и второго случаев доминирующим является тепловой шум, NEP
чувствительного элемента равна 1,2·10-9 Вт/Гц1/2 и 1,4·10-10 Вт/Гц1/2 соответственно. Для
третьей рабочей точки шумы носителей заряда равны нулю, так как сопротивление так же
равно нулю. Определяющим будет фононный шум, связанный с обменом энергией между
чувствительным элементом и тепловым резервуаром и зависящий от тепловой связи между
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 117 ними. В рассматриваемом сенсоре связь осуществляется через подложку MgO. Для этого
случая приемник обладает NEP = 1,5·10-12 Вт/Гц1/2.
Анализ показывает, что при переносе теплообмена на боковые грани можно получить
эквивалентную мощность шума 3,5·10-16 Вт/Гц1/2. Необходимо отметить, что
экспериментально подтвержденная чувствительность приемников инфракрасного излучения
на ВТСП не лучше чем 2·10-11 Вт/Гц1/2 [2] при охлаждении до температуры 77К. Лучшими
характеристиками обладают глубоко охлаждаемые TES с NEP < 10-18 Вт/Гц1/2 [3].
Из приведенных данных следует, что материал ВТСП системы Bi-2223 имеет большие
перспективы при создании высокочувствительных сенсоров электромагнитного излучения.
Литература
1. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братовский и др. Физические величины //
Энергоатомиздат, 1991, 1234с.
2. Terahertz direct detection in YBa2Cu3O7 microbolimeters / Arvid Hammar et al // IEEE
Transactions on Terahertz Science and Technology. – 2011. – Vol. 1. – Issue 2. – P. 390 – 394.
3. Characterization of an Ultra-Sensitive Transition-Edge Sensors for Space-Borne Far-IR/ Sub-mm
Spectroscopy / A.D. Beyer et al. // IEEE Transactions on Applied Superconductivity. – 2011. –
Vol. 21. – Issue 3. – P. 199-202.
УДК 53.084.875
Кремниевый нанокомпозит содержащий силикат висмута для
интегрально-оптических датчиков электрического поля
Григорьев Л.В., к.ф.-м.н.,
Университет ИТМО, Санкт-Петербург
Силикат висмута (BSO) как электрооптический материал используется в устройствах
записи информации, оптических дефлекторах, датчиках электрического и магнитного поля, а
также в голографических устройствах [1-3]. Однако напрямую интегрировать тонкий слой
BSO в кремниевую интегральную схему обработки сигнала не представляется возможным изза несовместимости технологий создания тонких пленок BSO и технологии интегральных
схем на основе кремния. В этой связи, необходимо создание новых
материалов
совместимых с существующей кремниевой технологией.
На сегодняшний момент нанокомпозиты на основе модифицированного нанопористого
кремния привлекают к себе интерес исследователей в связи с тем, что присутствующие в них
нанокластеры кремния и инкапсулированные кластеры активных диэлектриков привносят
совершенно иные оптические и электрофизические свойства по сравнению с классическими
структурами полупроводник-диэлектрик имеющими слои микронной толщины [4]. Это
позволяет совместить в одном нанокомпозиционном материале, например сенсорные области
и области, выполняющие оптическую обработку сигнала. Тем не менее, созданию технологии
получения кремниевого нанокомпозита, содержащего фазу BSO не уделялось должного
внимания. Описанное ранее получение тонких слоев BSO по золь-гель технологии показало
принципиальную возможность создания пленки силиката висмута относительно простым
способом [5,6]. Однако, прямое внесение геля в поры нанопористого кремния затруднительно
вследствие высокой вязкости геля.
В данной работе предложена золь-гель технология непосредственного синтеза фазы BSO
в нанопорах кремния, содержащего BSO и исследованы его оптические и электрофизические
свойства. Создание золя в нанопорах слоя исходного пористого кремния осуществлялось из
раствора нитрата висмута и раствора тетраэтоксисилана в этоксиэтаноле. Для стабилизации
проходящего в порах процесса гелеобразования в раствор нитрата висмута добавляли раствор
118  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» азотной кислоты. Проведение последующего отжига полученной композиции в
окислительной атмосфере позволило создать кремниевый нанокомпозит содержащий BSO.
Исследование структурных, оптических и электрофизических свойств полученного
кремниевого нанокомпозита показало возможность создания на его основе интегральнооптического датчика электрического поля как по схеме интерферометра Маха-Цендера, так и
на основе активного планарного волновода.
Литература
1. Lia M. Zerbino, Myrian C. Tebaldi, and Nestor A. Bolognini// Proc. SPIE 5622, 535 (2004)
2. Salazar, Myrian C. Tebaldi, and Nestor A. Bolognini// Proc. SPIE 5622, 470 (2004)
3. Аleksandr I. Ryasnyanskiy// Proc. SPIE 5460, 179 (2004)
4. Л.В.Григорьев, И.М.Григорьев, М.В.Заморянская, В.И.Соколов, Л.М.Сорокин//ПЖТФ,
2006, т.32, вып.17, с.33-41.
5. S.Z.Swartz,V.E.Wood. Ferroelectric thin film. Condensed matter news,15,4(1992).
УДК 681 78
Разработка схемотехнического решения
для анализатора солей кобальта в воде
А.Л. Итин
Университет ИТМО
Целью настоящей работы является разработка оптикоэлектронного химического
анализатора, основанный на интегрально - оптическом чувствительном элементе, для
обнаружения изменения концентрации кобальта в в водном растворе
Введение
Актуальность работы заключается в том, что система контроля среды и ее качества
является одной из существенных задач стоящих перед промышленностью. Важными
критериями высокого качества среды - это соответствие заранее определенным нормам и
диапазонам значений физических, геометрических, химических показателей. Поэтому
широкое применение получили методы неразрушающего контроля, не требующие
повреждение самого образца или изъятие его пробы, тем самым позволяет избежать
материальных и временных потерь, обеспечить частичную или полную автоматизацию
производства.
Задача, которую ставит перед собою данное исследование – оценить потенциальные
точностные и динамические характеристики моделируемого сенсора.
В данном сенсоре используются зависимость свойств оптической среды
(коэффициентов пропускания, показателя преломления) от концентрации искомого вещества.
Интегрально-оптический сенсор химических веществ
Планарный диэлектрический волновод оптического диапазона представляет собой
слоистую структуру, состоящую в простейшем случае из трех слоев: подложки с показателем
преломления n4, несущего слоя с показателем преломления n2 толщиной d2 и
хемочувсивительного слоя с показателем преломления n3, - причем n2>n1, n3.
Принцип работы таких сенсоров: пучок, введенный в волноводную структуру,
распространяется вдоль волновода и испытывает полное внутреннее отражение на границах
волновода. Появление примеси приводит к изменению оптических параметров волновода
(показателя преломления и коэффициента поглощения), и, следовательно, параметров
выходящего из волновода лазерного излучения 7.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 119 В интегрально-оптическом сенсоре с диэлектрическими волноводами фундаментальную
роль играют ТЕ - и ТМ - моды, характеризуемые эффективным показателем преломления m,
для которого справедливо дисперсионное соотношение, связывающее параметры структуры и
m:
/
/
/
,
(1)
где m-номер моды, а n1, n2, n3- показатели преломления соответственно подложки, волнового
слоя с толщиной d2 и внешней среды.
дляТЕмод
Е
;
(2)
дляТМмод
k0=2/; -длина волны излучения в вакууме
Данная реализация сенсора (рис. 1) позволяет его использовать в системах
промышленной очитки воды, без применения систем, требующих использование
многочисленных проб, таким образом реагировать на изменение химического состава воды
наиболее оперативно.
Над полимерным слоем n3 предлагается пропускать исследуемую воду. Искомые
вещества, растворенные в исследуемой воде, проникают вместе с ней в полимерный слой n3,
тем самым меняя оптические свойства полимерного слоя и изменяя условия распространения
света в волноводном слое n2[9].
Рисунок 1 - Ход оптических лучей в химическом анализаторе
Композитный гидрогель, который выступает в качестве слоя n1, является хорошим
адсорбентом для воды загрязненной веществами, такими как катионные красители и для очистки
сточных вод от органических загрязняющих веществ[2].
В обеих реализациях в качестве слоя вступающего в реакцию с исследуемыми веществами
выступает полимерная пленка – акриловый гидрогель. Оптические свойства данного вещества
рассмотрены в статье [6].
Иммитационная модель сенсора
Для оценки свойств анализатора была создана цифровая модель в среде Matlab. При этом
использовались экспериментальные данные, полученные при изучении свойств полимера:
• Показатель преломления волноводного слоя n2=1.5163 (К8)
• Показатель преломления подложки n4=1.4904 (ЛК4)
• Показатель преломления n3=1.335 (гидрогель чистый)
• Длина волны излучения λ=0,5893 мкм
В соответствие с выбором геометрией анализатора возможно подобрать оптимальный
угол ввода излучения. Условие МПВО выполняется при обозначенных изменениях показателя
преломления, в том случае, если угол отражения от границы сред волновод-полимер будет
больше 67°25’ градусов при максимальной концентрации исследуемого вещества (Таблица 1).
120  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» Критический угол отражения для границы сред волновод-полимер определялся по
формуле 1.
arcsin
(1)
Таблица 1 – Значение критических углов на границах сред
Граница сред
Подложка-воздух
42° 5’
Волновод-воздух
41° 16’
Волновод-полимер
61° 42’ – 67° 25’
Волновод - подложка
79°
γкр
Ввести излучение в анализаторную систему возможно несколькими способами:
1. Введение излучения через чувствительный слой;
2. Введение фронтально через стеклянную подложку;
3. Введение через торец анализатора.
Первый метод невозможно использовать, так как внешняя сторона хемочувствительного
слоя не является оптически ровной и имеет довольно большую шероховатость, а также в связи
с тем, что этот слой будет взаимодействовать со средой изучения.
При введение излучения фронтально не будет наблюдаться условие выполнения
многократного полного внутреннего отражения, таким образом использование такой
геометрии ввода невозможно рис.2
Рисунок 2 – Зависимость угла отражения в волноводе от угла ввода при введении в
профиль
Использование введения излучения в торец анализатора(рис.3) показывает, что условие
МПВО, также нельзя выполнить при заданных параметрах.
Рисунок 3 – Зависимость угла преломления излучения в волноводе от угла ввода
излучения
Для решения данной задаче предлагается добавить воздушную тонкую прослойку, в
следствии чего возможно выполнение условий ПВО, а анализатор принимает вид,
представленный на рис.4.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 121 Рисунок 4 – Ход оптических лучей в химическом анализаторе
В соответствии с предложенной геометрией:
;(2)
90°
arcsin
90°
arcsin
°
;(3)
(4)
Таблица 2 – Рассчитанное соответствие γ (угол отражения излучения в волноводном
слое) от α (угол ввода излучения)
α
γ
1°
79°45'
5°
79°15’
10°
77°48’
20°
73°19’
25°
70°42’
30°
68°
40°
62°38’
50°
57°37’
60°
53°16’
Сенсорный эффект и оценка пороговой чувствительности
В соответствии с этими данными условие МПВО будет выполняться при углах ввода до
30°.
Рисунок 5 – Зависимость критического угла отклонения излучения от показателя
преломления полимера
По мере распространения в полимерную среду волна убывает по экспоненте.
exp
,
(5)
где k - показатель поглощения хемочувствительного слоя, а
– глубина проникновения
быстроисчезающей волны внутри полимера в момент отражения, Iо - интенсивность света
падающего на грань образца, I - интенсивность света поглощенного за счет нарушенного
полного внутреннего отражения.
Для расчета эффективной глубины приводится соотношение:
122  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» ,
(6)
где γ – угол ПВО в волноводе.
Для оценки числа полных внутренних отражений в анализаторе из соображений
геометрической оптики получено соотношение:
,
(7)
°
где L и d – длина и толщина волновода, α - угол ввода света в торец подложки.
Коэффициент отражения для условия нарушенного полного внутреннего отражения равен:
погл
введ
)
=exp(-χ
(8)
Iпогл – интенсивность света, поглощенного за счет нарушенного полного внутреннего
отражения, I0 – интенсивность света, вошедшего в образец, χ - натуральный показатель
поглощения.
В случае многократного нарушенного полного внутреннего отражения на границах
волновода и чувствительного слоя для N отражений существует соотношение [60]:
погл
1
введ
χ
(9)
Таким образом, можно получить итоговое отношение:
вых
вых
[10]
(10)
Рисунок 7 – Зависимость изменяющегося показателя преломления хемочувствительного слоя
от сенсорного эффекта
Цифровая модель интегрально-оптического анализатора позволяет оценить все наиболее
важные характеристики системы.
Рисунок 8 - Зависимость концентрации хлорида кобальта в полимере от величины
сенсорного эффекта
Согласно рис.8 изменение концентрации веществ растворенных в воде на 0,01 моль
вызовет отличие на порядка 1% сенсорного сигнала на выходе с устройства, что позволяет
четко определять изменение концентрации вещества, на рис. 56 выведен диапазон от 0 до 1
моль концентрации CoCl2, так как это наиболее важный диапазон, более 1 моль вода перестает
быть прозрачной, и приобретает характерный бордовый цвет.
Задавшись значениями показателей преломления волноводного слоя n2=1.5163, чистого
полимера n0=1.335, полимера помещенного в раствор 0,1 моль CoCl2 на 2 минуты с n0=1.389 и
окружающей среды (воздух) n3=1, λ =0,5893*10-6 м, получаем γ=73°19’.
(Δε)min - минимальное изменение сенсорного эффекта волновода, которое необходимо
для эффекта переключения. Продифференцировав уравнения (6) и (10), можем найти, что
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 123 (11)
В случае если электронная схема обработки позволяет достичь (Δε)min=10-3 , тогда
минимально обнаруживаемое изменение показателя преломления полимерного слоя составит
Δ
1,7*10-4 , что соответствует приведенным в литературе аналогам.
Заключение
Представленная модель позволяет говорить о возможности создания и использования
данного сенсора.
Построенная имитационная модель позволила оценить возможности реализации такого
анализатора, а также дала объективные данные о том, как будет вести себя такой анализатор в
системах наблюдения за содержание искомых солей металла в воде. Использование такой
системы позволит довольно точно определять концентрации вредных загрязняющих веществ
воде.
Такую систему возможно использовать в системах индикации солей металла в воде.
Литература
1. Егоров А.А., Егоров М.А., Царева Ю.И. Химические сенсоры: классификация,
принципы работы, области применения // Физико-химическая кинетика в газовой
динамике. – 2008.- т. 6. – С. 16-21.
2. Li-Ming Zhang, Yi-Jun Zhou, Yi Wang. Novel hydrogel composite for the removal of watersoluble cationic dye// Journal of Chemical Technology & Biotechnology. – 2006. – Vol. 81 Issue
5. – P. 799 – 804.
3. Walter D.J., The syncang method for simultaneous measurement of film refractive index and
thickness// Thin Solid Films. – 1974. – Vol. 23 Issue 2. – P. 153 – 160.
4. Kersten R.Th. The prism-film coupler as a précision instrument// Optica Acta. – 1975. . – Vol.
Issue 6. – P. 503-513.
5. Conor S. Burke, Ondrej Stránik, Helen M. McEvoy, Brian D. MacCraith. Planar optical sensors
and evanescent wave effects // Optical Chemical Sensors. – 2006. – Ch. 10– P. 193 – 215.
6. Итин А. Л., Лукин С. Б., Успенская М. В., Соловьев В. С. Исследование оптических
свойств акрилового гидрогеля для систем индикации загрязнений // Известия вузов –
Приборостроение. – 2012. – №55 – С. 2012
7. Ермаков О.Н. Прикладная оптоэлектроника. - М.: Техносфера, 2004. – 416 с.
8. Хомченко А.В., Глазунов Е.В., Примак И.У., Редько В.П., Сотский А.Б. Интегральнооптический полупроводниковый датчик на основе призменного устройства связи // Письма
в журнал технической физики. – 1999.- т.25, №24 – С. 11-17.
9. Л. А. Обвинцева. Полупроводниковые металлооксидные сенсоры для определения
химически активных газовых примесей в воздушной среде // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. обва им. Д.И. Менделеева). – 2008.- т. т. LII, № 2. – С. 113-121
10. Золотарёв В. M., Лыгин В. И.,Tapaceвич Б. H., Спектры внутреннего отражения
поверхностных соединений и адсорбированных молекул, "Успехи химии", 1981, т. 50, с.
24.
124  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» УДК 621.9.047.7
Микрореакторные технологии для газофазного синтеза чувствительных
слоев в химических сенсорах
С.А. Конаков,
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
Сегодня одним из основных способов улучшения характеристик сенсоров является
разработка новых материалов и структур для чувствительных слоев. Очень часто
модификация структуры материала или даже переход к наноструктурированию позволяет
улучшить характеристики сенсора на порядок. Однако здесь основными проблемами
становятся технологические затруднения, связанные с контролируемым синтезом
материалов. Поиск новых технологических приемов для решения этой проблемы позволит
достичь существенного прогресса в области изготовления сенсоров. В настоящей работе
рассматриваются традиционные методы формирования чувствительных слоев, а также
описывается какие преимущества дает использование микрореакторных технологий синтеза.
Практически все химические сенсоры имеют в основе своей работы некоторую
химическую реакцию между обнаруживаемым веществом и веществом чувствительного
слоя, в результате чего изменяются физические свойства материала, что детектируется
соответствующей схемой измерения. В качестве примера можно привести изменение
проводимости у полупроводниковых оксидных материалов при изменении их степени
окисления в процессе реакции. Так для обнаружения газов H2 и CO, используют слой SnO2,
который в ходе реакции восстанавливается, изменяя свою проводимость [1]. В качестве
веществ чувствительного слоя чаще всего применяются оксиды SnO2, ZnO, In2O3, TiO2 и
др. При этом структура материала чувствительного слоя состоит из частиц размером от 1-3
мкм до 2-5 нм, а толщина чувствительного слоя может меняться еще в более широких
пределах.
Исследования в области чувствительных слоев показывают, что переход к тонким
слоям и размером частиц порядка десятков нанометров и даже меньше дают положительные
результаты [2]. Существенным моментом также является то, что при разработке
оптимальной конструкции обычно необходимо иметь локально расположенный на
поверхности сенсора чувствительный слой. Таким образом, перед технологами встает задача
получения тонкого, от 50 до 500 нм слоя чувствительного материала, состоящего из
наночастиц и локально расположенного на поверхности с характерным размером около
десятков микрометров.
Существует несколько классических способов решения описанной технологической
задачи, которые можно разделить на две большие группы по типу агрегатного состояния
вещества, из которого получается чувствительный слой. К первой группе относятся методы,
которые работают с жидкой фазой. Это может быть суспензия наночастиц, которая тонким
слоем наносится на пластину с последующим высушиванием во время термической
обработки. Проблема создания локальных областей решается путем использования маски,
которая предварительно наносится на пластину, обычно методом литографии. Другой
возможный способ – нанесение вязкой пасты на пластину через трафарет. При этом
исключается операции создания маски, но создать тонкие слои практически невозможно.
Третья альтернативная технология – капельное нанесение суспензии наночастиц с
последующей термообработкой. При этом толщина и область локализации контролируются
только объемом капли и не могут варьироваться независимо друг от друга. Отметим, что в
этих методах мы имеем дело не с непосредственным химическим синтезом вещества
чувствительного слоя, а только с его нанесением на поверхность сенсора.
Вторая группа методов – синтез наночастиц из газовой фазы, для чего используются
технологии химического осаждения, испарения или распыления в различных модификациях.
При этом обычно происходит процесс синтеза чувствительного материала на всей
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 125 поверхности пластины, что требует применение маски для локализации осаждения. Это
создает дополнительные трудности, поскольку требует применения последующего процесса
травления, что может негативно сказываться на химических свойствах чувствительного слоя
(взаимодействие с веществом травителем, загрязнение и др). Кроме того, этот процесс
особенно трудно проводить на мембранах (в следствие их недостаточной прочности),
применение которых является ключевой мировой тенденцией в производстве сенсоров с
предельно низким энергопотреблением.
Альтернативным
технологическим
решением
является
использование
микрореакторов для газофазного синтеза наноструктурированных материалов
чувствительного слоя сенсора. Разрабатываемый автором микрореактор представляет собой
миниатюрный чип, выполненный из кремния и стекла, который располагается на расстоянии
5-10 мкм от поверхности подложки, на которую должен быть осажден материал
чувствительного слоя сенсора. В самом чипе методом плазмохимического травления
сформированы отверстия для подачи смеси реакционных газов, из которых за счет
химических образуются наночастицы. Вся система находится при атмосферном давлении
или при невысоком вакууме. Чип с микрореактором передвигается по пластине и в заданных
точках осуществляется локализованное осаждение материала. Так мы исключаем
использование дополнительной маски, а материал может быть нанесен даже на очень тонкие
мембраны и кантеливеры.
Для проведения химических реакций осаждения из газовой фазы используются
традиционно известные системы состоящие из металлорганических соединений,
растворенных в газе носителе [3]. В зависимости от механизма протекания гетерогенной
реакции на поверхности возможно нагревание подложки для инициирования реакции или её
ускорения. Возможно также создание локальной области нагрева оптическими методами. За
счет того, что система работает при атмосферном давлении, скорость осаждения может
составлять несколько микрометров в минуту, что достаточно для промышленного
применения микрореакторов даже при массовом производстве сенсоров.
Автором произведен расчет и компьютерное моделирование микрореактора для
осаждения TiO2 из тетроизопропилата титана. Это вещество было взято в качестве примера,
однако основные идеи и схема микрореактора подходят для использования его при
получении других веществ. Результаты расчетов показывают, что варьируя геометрию
микрореактора, режимы течения газов и температуру можно добиться локализации области
осаждения с диаметром порядка нескольких микрометров. Для сенсоров область
расположения чувствительного слоя имеет характерные размеры около десятков
микрометров, что легко можно достичь с использованием микрореакторов.
Расчеты показали значительные возможности и преимущества микрореакторной
техники для синтеза чувствительных материалов по сравнению с традиционными методами.
В настоящий момент проходят экспериментальные работы по изготовлению
микрореакторов, а в дальнейшем будут проводиться исследования технологических
режимов синтеза наноматериалов с их использованием.
Литература
1. В.Антоненко, Раннее обнаружение пожара. Полупроводниковые газовые сенсоры /
В.Антоненко, А.Васильев, И.Олихов. // Электроника Н.Т.Б.: - вып. 4. – 2001. – С. 48-51.
2. В. Ф. Громов, Г. Н. Герасимов, Т. В. Белышева, Л. И. Трахтенберг Механизмы сенсорного
эффекта в кондуктометрических датчиках на основе диоксида олова для детектирования
газов-восстановителей. // Рос. хим. ж.. – 2008, - т. LII, -№5, - с.80-87.
3. Pierson H. O. Handbook of chemical vapor deposition: principles, technology and applications.
– William Andrew, 1999.
126  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» Полимерные сенсорные материалы для определения ионов
поливалентных металлов
Пинаева У.В., Игнатьева Ю.А., Олехнович Р.О., Успенская М.В.,
Университет ИТМО
В настоящее время существует потребность в получении новых материалов для
создания химических сенсоров, используемых при решении экологических проблем, в
частности, для определения концентрации ионов поливалентных металлов в сточных и
промышленных водах.
В ходе работы были созданы сенсорные материалы – полимерные композиции на
основе производных акриловой кислоты и минеральных наполнителей. Преимуществом
использования таких материалов, кроме повышенной чувствительности к ионам
поливалентных металлов, являются приемлемые физико-химические характеристики и
дешевизна.
Целью настоящей работы явилось исследование сорбции ионов Cr3+ акриловой
композицией модифицированной частицами бентонита из водных растворов различной
концентрации спектрофотометрическим методом.
Как известно, минерал-содержащие наполнители, и бентонит в том числе, применяют
для очистки сточных вод, что обуславливает их применение в экологических целях.
Поскольку акриловые гидрогели имеют высокие степени набухания в дистиллированной
воде, то использование и создание полимер-минерал-содержащих композиций позволяет
получать приемлемые сорбционные характеристики материалов в водных растворах солей,
что допускает их применение в качестве основы материалов при создании сенсорных систем.
Исследование доли сорбированных ионов Cr3+ из его водных растворов различной
концентрации производилось спектрофотометрическим методом на КФК-3.
Для этого, образец акриловой минерал-содержащей композиции опускался в «цветной»
раствор хрома(III) на двое суток. После чего, измерялась оптическая плотность растворов по
отношению к исходному раствору сравнения. Концентрация ионов металлов в растворе
вычислялась на основании закона Бугера-Ламберта-Бера.
В ходе исследований было обнаружено, что доля поглощенных ионов хрома(III) из 0,01
М водного раствора хлорида хрома(III ) составляла 85%, для 0,001 М – 90,16%.
Полученные выше результаты указывают на возможность использования акриловых
гидрогелей на основе бентонита в качестве химических сенсоров для обнаружения ионов
тяжелых и поливалентных металлов в водных растворах.
УДК 535.015
Исследование фотоэлектрических свойств структуры широкозонный
полупроводник-сегнетоэлектрик в лазерных полях
С. С. Рыбин (аспирант), Л. В. Григорьев (руководитель)
Университет ИТМО
Решаемая проблема
В настоящее время наблюдается активное изучение оптических материалов, обладающих ярко
выраженными акустооптическими эффектами. Эти эффекты основаны на взаимодействии
пространственных акустических волн в среде распространения электромагнитных волн.
Возрастающий интерес к сфере акустооптики связан с необходимостью построения быстрых
гиперспектральных приемников и анализаторов оптического излучения.
Очевидно, для создания быстрых акустооптический устройств необходим слой
сегнетоэлектирика, выступающего в роли излучателя акустический волн а также рабочего тела,
прозрачного для исследуемого спектрального диапазона. В качестве материала для работы с ИК
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 127 излучением хорошо подходят полупроводники с большой шириной запрещенной зоны или
непрямозонные полупроводники.
Также необходимо учитывать скорость распространения акустических волн в среде рабочего
тела. Для практического применения хорошо подходят среды с низкой скоростью распространения
акустических волн, например, TeO2, что в свою очередь позволяет понизить частоту излучения с
сохранением длины акустической волны. С другой стороны, низкая скорость распространения
акустических волн отрицательно влияет на скорость перестроения частоты подобных устройств.
Был проведен обзор и анализ оптических и электрофизических свойств свойств структуры
широкозонный полупроводник-сегнетоэлектрик, а также представлено обоснование для применения в
качестве приемника оптического излучения.
Основные результаты
В работе представлены результаты исследования структурных, оптических и электрофизических
свойств тонкопленочной структуры широкозонный полупроводник – сегнетоэлектрик при воздействии
лазерных полей. Показана возможность использования исследуемой структуры в качестве первичного
сенсора гиперспектрального приемника лазерного излучения. Прежде всего это относится к ближнему
инфракрасному диапазону.
УДК 535.56 + 621.3.095
Оптимизация ориентации электрооптического эффекта
в ниобате лития для создания высокочувствительных
интегральных сенсоров электрического поля
Н.В.Шейкина1,2, В.М.Петров1
1
Санкт-Петербургский Политехнический Университет Петра Великого,
2
ОАО «Авангард»
На данный момент актуальной является задача измерения электрических полей
оптическими способами. Волоконно-оптические сенсоры электрического поля и напряжения
обладают рядом значительных преимуществ перед другими способами измерений:
практически мгновенная реакция чувствительного элемента на изменение величины
напряженности электрического поля, низкая чувствительность к внешним электромагнитным
наводкам, обеспечение развязки высокого напряжения в сети и низкого напряжения
измерительной аппаратуры, взрыво- и пожаробезопасность и др.
Интегрально-оптические сенсоры электрического поля основаны на регистрации
изменения параметров оптического излучения при прохождении через электрооптический
кристалл, выполняющий роль чувствительного элемента и помещенный в измеряемое
электрическое поле. В основе данного явления лежит линейный электрооптический эффект
Поккельса в кристалле ниобата лития (LiNbO3).
Известно не так много веществ с линейным электрооптическим эффектом. По своей
природе все они анизотропны. Вследствие этого параметры распространения оптического
излучения в данных кристаллах зависят от их ориентации относительно направления действия
на них внешнего электрического поля. В частности, от ориентации кристалла зависят
эффективные электрооптические коэффициенты, которые напрямую влияют на
чувствительность устройств для измерения электрических полей.
При
разработке
высокочувствительных
интегрально-оптических
сенсоров
электрического поля необходимо выполнить два противоречивых требования. С одной
стороны, необходимо иметь ориентацию кристалла, обеспечивающую наибольшую
чувствительность к электрическому полю, с другой стороны, необходимо обеспечить
оптимальные условия распространения света по оптическому волноводу вдоль кристалла.
Анализ оптической индикатрисы ниобата лития показывает, что каждый из этих параметров
достигает своего максимума при разной ориентации кристалла. Таким образом, возникает
задача выбора такой ориентации, при которой имеется, с одной стороны, достаточная
128  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» чувствительность к электрическому полю и, с другой стороны, приемлемые потери
распространения света.
Задачей данной работы является рассмотрение линейного электрооптического эффекта
и условий распространения света в кристалле ниобате лития (LiNbO3), определение
оптимальной ориентации кристалла ниобата лития для измерения напряженности
электрического поля.
В данной работе нами проанализированы ориентационные зависимости
электрооптического эффекта в одноосных кристаллах. Проведён анализ условий
распространения света по оптическому планарному волноводу, созданного на поверхности
кристалла. В докладе представлены экспериментальные результаты и проведено обсуждение
возможных путей улучшения параметров сенсора. Получены ориентационные зависимости
потерь для обыкновенной и необыкновенной волн. Показано, что имеется сектор углов, при
которых сенсор может иметь практически максимальную чувствительность по
электрическому полю и потери распространения света не более 1–2 дБ.
Литература
1. Petrov V.M., Denz C., Shamray A.V., Petrov M.P., Tschudi T. Electric field selectivity and
multiplexing of volume holograms in LiNbO3, Appl. Phys.B, Vol.71 (2000) 43-46.
2. Liokumovich L.B., Medvedev A.V., Petrov V.M., Fiber-Optic Polarization Interferometer with
an Additional Phase Modulation for Electric Field Measurements, Optical Memory and Neural
Networks, (2013), Vol, 22, N1, 21 – 27.
УДК 535.399
Сенсоры и дозиметры УФ излучения на основе волокон с
люминесцентными молекулярными кластерами серебра и
полупроводников
Агафонова Д.С., Пшенова А.С., Сидоров А.И.,
Университет ИТМО
Детектирование и дозиметрия ультрафиолетового (УФ) излучения востребованы во
многих отраслях промышленности, медицине и биологии. Для этих целей могут быть
использованы фотодиоды на основе нитрида алюминия или карбида кремния, но они дороги,
обладают сравнительно низкой надежностью и не могут работать в условиях повышенных
электромагнитных помех. Волоконные датчики лишены этих недостатков, однако захват УФ
излучения волокном и передача захваченного излучения в виде волноводных мод к
фотоприемному устройству неэффективны. Эффективность может быть повышена при
использовании люминесцентных волокон, в которых спектральное преобразование УФ
излучения в излучение видимой области спектра. В этом случае, в качестве фотоприемников
могут быть использованы дешевые кремниевые фотодиоды. Целью настоящей работы было
исследование возможности использования волокон с люминесцентными молекулярными
кластерами серебра и халькогенидов кадмия и свинца в качестве чувствительных элементов
в сенсорах и дозиметрах УФ излучения.
В экспериментах использовались многомодовые волокна изготовленные из следующих
типов стекол: (1) фототерморефрактивные стекла с нейтральными молекулярными
кластерами серебра Agn (n = 2-4); (2) силикатные стекла с нейтральными молекулярными
кластерами серебра, сформированными методом ионного обмена [1]; (3) фторфосфатные
стекла с молекулярными кластерами (CdS(Se))n и (PbS(Se))n. Стекла были синтезированы в
Университете ИТМО. Ранее нами было показано, что такие стекла обладают интенсивной
люминесценцией в видимой области спектра при возбуждении УФ излучением (см. рис.1).
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 129 Рисунок 1 - Люминесценция торцов волокон с
нейтральными молекулярными кластерами
серебра, сформированными методом ионного
обмена
Достоинством таких стекол является устойчивость их люминесцентных характеристик
к УФ излучению. Волокна вытягивались из расплава стекла. Макет датчика УФ излучения
содержал люминесцентное волокно длиной 5 см, цилиндрическую линзу из кварцевого
стекла, собирающую УФ излучение на волокно, стандартное передающее многомодовое
волокно и кремниевый фотодиод, включенный в фотогальваническом режиме.
Эксперименты показали, что волокна из указанных стекол осуществляют эффективное
преобразование УФ излучение из спектрального интервала 240-390 нм в спектральный
интервал 450-650 нм. Датчик позволяет надежно регистрировать УФ излучение в диапазоне
освещенностей 0.2-7 Вт/м2 и имеет в указанном диапазоне линейную характеристику.
Литература
1.
A. Tervonen, B. R. West, S. Honkanen // Opt. Eng. 2011. V. 50. 071107.
2.
V. D. Dubrovin, A. I. Ignatiev , N. V. Nikonorov, A. I. Sidorov, T. A. Shakhverdov, D. S.
Agafonova // Opt. Mater. 2014. V. 36. P. 753.
3.
E.V. Kolobkova, D.S. Kukushkin, N.V. Nikonorov, A.I. Sidorov. 8 Int. Conf. on Phosphate
Glasses. Pardubice, Czech Rep. June 30 - July 4. 2014. P. 207.
УДК 544.6.076
Электрохимический сенсор для определения серосодержащих газовых
компонентов
Н.В. Архипова, А.М. Михайлова, Н.Н. Ковынева,
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.»
В настоящее время необходимым условием решения экологических проблем является
возможность использования дешевых, стабильных и малогабаритных сенсоров. Сочетанием
перечисленных свойств обладают газовые сенсоры – твердотельные чувствительные
элементы, способные изменять свои свойства в зависимости от состава окружающей среды.
Определение серосодержащих газов имеет большое значение для эффективного
регулирования процессов в химической, нефтехимической и энергетической
промышленности, изучения геохимических процессов и других областях. В связи с этим,
актуальной задачей является разработка и исследование сенсоров на серосодержащие
компоненты для анализа и контроля газовых сред.
В работе рассмотрены твердотельные потенциометрические газовые сенсоры, в основе
функционирования которых лежит использование электрической цепи: чувствительный
электрод / твердый электролит / электрод сравнения. Если потенциал электрода сравнения не
130  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» зависит от состава газовой фазы, а потенциал чувствительного электрода является функцией
концентрации определяемого газообразного вещества, то ЭДС цепи может служить мерой
изменения этой концентрации.
Цель работы заключается в исследовании поведения электрохимических ячеек с
твердыми электролитами в газовой среде H2S + воздух и SO2 + воздух и возможности их
использования в качестве газовых сенсоров.
В чувствительном элементе на сероводород в качестве рабочего электрода был
использован сульфид сурьмы (III) Sb2S3, вспомогательного электрода – Ni(OH)2 и твердого
электролита (ТЭЛ) – Na+-β-глинозем.
Концентрационная зависимость ЭДС сероводородного сенсора носит нернстовский
характер в интервале концентраций 1 – 10-4 % (об.). Из литературы известно, что изотерма
адсорбции, характерная для хемосорбции сероводорода на РbS, соответствует виду
концентрационной зависимости ЭДС сенсора. Наблюдается качественное соответствие между
адсорбционными и электрохимическими данными.
Сенсор может работать по излагаемой ниже схеме. Первой стадией является
хемосорбция сероводорода на рабочем электроде:
H2S(газ) = H2S(адс)
Далее можно предполагать протекание следующей электрохимической реакции:
2H2S(адс) + Sb2S3 – 4e = Sb2S5 + 4H+,
которая сопровождается дегидрированием сероводорода и реакцией обмена H+ на Na+ в
твердом электролите и встраиванием S2- в структуру рабочего электрода.
ЭДС предлагаемого сенсора практически не зависит от относительной влажности
окружающей среды, интервал определяемой концентрации сероводорода в диапазоне
температур +10 ÷ +60ºС составляет 10-5 ÷ 10-1 % (об.) [1-3].
В сенсоре на диоксид серы в качестве рабочего электрода используется оксид свинца
PbO, вспомогательного электрода – Ni(OH)2 и ТЭЛ – сульфосалициловая кислота.
Электрохимическое поведение рабочего электрода определяется в первую очередь
адсорбционными и каталитическими свойствами. Оксид свинца (II) является
полупроводником р-типа, содержащим дырки /е/, и на его поверхности имеется некоторое
число химически адсорбированных кислородных частиц, поэтому диоксид серы может
адсорбироваться следующим образом:
SO2 (g) + O–(a) + /e/ = SO3x (a),
где значок а обозначает адсорбированные ионы или нейтральные частицы, g - газовую фазу, x
- электрически нейтральное состояние.
Хемосорбция приводит к ослаблению поля в граничном слое объемного заряда из-за
исчезновения в эквивалентных количествах отрицательных поверхностных и положительных
объемных зарядов. При этом образование активированного комплекса состоит в переходе
электрона из иона кислорода О— в решетку катализатора. Можно предположить наличие на
поверхности оксида свинца нескольких форм сорбированного SO2. Реакция является
потенциалопределяющей.
Влияние влажности на чувствительность твердотельного сенсора на диоксид серы
ощущалось ниже 80 отн. %, что, вероятнее всего, обусловлено спадом протонной
проводимости сульфосалициловой кислоты. Регенерация сенсора производилась посредством
продувки воздухом из компрессора в течение 5-10 мин. Для изготовленных образцов интервал
определяемой концентрации диоксида серы в диапазоне температур +10 ÷ +60ºС составляет
10-5 ÷ 10-2 % (об.) [4-5].
Литература
1. Патент №2114425 РФ, МПК: 6G 01N 27/30 A, 6G 01N 27/407 B. Электрохимический
газоанализатор для определения сероводорода в атмосфере воздуха / Архипова Н.В.,
Михайлова А.М., Любасовская М.Л., Ефанова В.В. Заявитель и патентообладатель:
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 131 2.
3.
4.
5.
Саратовский государственный технический университет. – №96111311/25; заявл.
05.06.1996; опубл. 27.06.1998.
Архипова Н.В., Любасовская М.Л., Михайлова А.М. Сенсор для определения
сероводорода в атмосфере воздуха // Проблемы экологической безопасности Нижнего
Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией нефтегазовых месторождений с высоким
содержанием сероводорода: Материалы региональной конференции. Саратов, 1996. С. 93.
Архипова Н.В., Михайлова А.М., Серянов Ю.В. Моделирование процессов работы сенсора
на сероводород // Известия Вузов. Сер. Химия и химическая технология. 2000. №5. С. 5153.
Архипова Н.В., Михайлова А.М., Третьяченко Е.В., Аринушкина Т.В. Новые принципы
построения приборов для экологического мониторинга воздушного и водного бассейнов и
замкнутых объемов промышленных производств // Высшее профессиональное
образование на железнодорожном транспорте: настоящее и будущее: Материалы
международной конференции. М., 2001. С. 405-406.
Архипова Н.В., Любасовская М.Л., Михайлова А.М., Архипова Т.В. Сенсор для
определения оксида серы (IV) в атмосфере воздуха // Проблемы экологической
безопасности Нижнего Поволжья в связи с разработкой и эксплуатацией нефтегазовых
месторождений с высоким содержанием сероводорода: Материалы региональной
конференции. Саратов, 1996. С. 76.
УДК 681.586.712
Получение пленок MoO3 для газовых сенсоров
Денисюк С.В., Куданович О.Н., Колесник Э.Э.
Институт физики Национальной Академии наук Беларуси
e-mail: [email protected]
Аннотация
Исследовалась возможность получения тонких пленок оксида молибдена на
подложках из анодного оксида алюминия. Определен температурный диапазон перевода
предварительно сформированной металлической пленки молибдена в оксидную пленку.
Показано, что для улучшения адгезионных свойств оксидной пленки необходимо создание
буферного подслоя.
Тонкопленочные адсорбционно-резистивные газовые сенсоры выгодно отличаются от
конструкции,
технологичностью,
низким
других
типов
сенсоров
простотой
энергопотреблением, улучшенными метрологическими характеристиками. В качестве
материала чувствительных элементов таких сенсоров используются оксиды металлов.
Помимо традиционных газочувствительных оксидов (SnO2, In2O3, TiO2, WO3) ведется поиск
новых газочувствительных материалов [1]. Известно, что оксид молибдена обладает
каталитическими свойствами, но как чувствительный материал сенсоров практически не
изучен [2]. Однако MoO3 по своим физико-химическим характеристикам схож с оксидом
вольфрама, который, в свою очередь, является одним из наиболее полно исследованных
материалов в газовой сенсорике. В связи с этим представляет интерес получение и
исследование тонких пленок MoO3 с целью использования в качестве активного слоя датчиков
газового анализа.
В данной работе исследовалась возможность получения тонких пленок MoO3 на
подложках из анодного оксида алюминия (АОА). В качестве метода создания
тонкопленочного оксида молибдена на АОА выбрано сквозное термическое окисление
предварительно полученной пленки соответствующего металла. Металлические пленки
молибдена толщиной 0,3 – 0,4 мкм были сформированы на анодном оксиде алюминия ионно-
132  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» плазменным напылением. Эксперименты по окислению металлических пленок Mo показали,
что при температуре более 400 °C происходит образование однородной пленки MoO3 белого
цвета. Однако наблюдается отслаивание оксидной пленки от подложки, что можно объяснить
возникновением внутренних напряжений при переходе металлической пленки в оксидную.
Возникающие в оксидной пленке напряжения приводят к невозможности получения
структуры типа MoO3/Al2O3 с приемлемыми адгезионными свойствами путем термического
окисления тонкой металлической пленки молибдена, сформированной непосредственно на
анодном оксиде алюминия [3]. Одним из способов повышения адгезии пленки MoO3 к АОА
является создание буферного адгезионного подслоя. Результаты исследований показывают,
что применение подслоя тантала толщиной порядка 0,01 – 0,02 мкм, улучшает адгезионные
свойства полученной структуры.
Данные растровой электронной микроскопии пленок говорят о том, что примененный
подход позволяет получать сплошные пленки оксида молибдена на поверхности АОА. При
этом размеры кристаллитов поликристаллической пленки МоО3 составляют 100 – 500 нм.
Литература
1. Metal Oxide Nanostructures and Their Gas Sensing Properties: A Review / Yu-Feng Sun [et. al]
// Sensors. – 2012. – Vol. 12(3). – P. 2610 – 2631.
2. Eranna G. Metal Oxide Nanostructures as Gas Sensing Devices − CRC Press, 2011. – 336.
3. Мухуров Н.И, Ефремов Г.И., Куданович О.Н. Устройства микромеханики и
микросенсорики на нанопористом оксиде алюминия – Мн.: Бестпринт, 2005. – 112 с.
Новые методы формирования наночастиц серебра на поверхности стекла
для сенсорных применений
Егоров В.И., Звягин И.В., Ильина Е.А., Ростокин П.В., Сидоров А.И.,
Университет ИТМО
Наночастицы благородных металлов (Ag, Au) и меди, обладающие плазмонными
резонансами, находят широкое применение в химических и биологических сенсорах [1].
Это связано с тем, что локальное усиление амплитуды поля электромагнитной волны в
условиях плазмонного резонанса может приводить к существенному усилению
люминесценции и рамановского рассеяния детектируемых молекул. Кроме того,
спектральное положение плазмонной полосы поглощения металлических наночастиц
весьма чувствительно к показателю преломления окружающей среды, что позволяет
использовать сенсоры с такими наночастицами для измерения показателя преломления
жидких сред. Существует много методов формирования металлических наночастиц на
поверхности диэлектриков. К ним относятся, например, вакуумное напыление,
термообработка серебросодержащих стекол в восстановительное атмосфере [2] и др. В
данной работе описаны два новых метода формирования наночастиц серебра на
поверхности стекол – метод термического растворения пленки серебра в стекле, и метод
лазерной абляции серебросодержащих стекол.
В работе исследовались два типа щелочно-силикатных стекол: I – стекла с пленкой
(100 нм) серебра на поверхности; и II – стекла с серебром, введенным в тонкий
приповерхностный слой методом ионного обмена [3]. Термообработка стекол I типа
проводилась при температуре 350-450 ОС в течение 1-3 час. Стекла II типа облучались
лазерными импульсами длительностью 7-12 нс с диной волны 0.53 и 1.06 мкм и плотностью
энергии 14.6 Дж/см2 (λ = 0.53 мкм) и 4.5 Дж/см2 (λ = 1.06 мкм).
Эксперименты показали, что при термическом растворении пленки серебра в стекле
на поверхности стекла образуется монослой наночастиц серебра размером от 10 нм до 4
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 133 мкм, в зависимости от режима термообработки. При лазерной абляции стекол II типа на
поверхности стекла образуется монослой наночастиц серебра размером от 10 нм до 100 нм.
Образование наночастиц серебра происходит в рекомбинационном слое лазерного факела.
При этом после осаждения на поверхность стекла они покрываются тонким 3-15 нм
диэлектрическим слоем оксидов кремния, который фиксирует наночастицы на поверхности
стекла. Оптические измерения в средах с различным показателем преломления (n = 1…1.47)
показали, что увеличение показателя преломления приводит к длинноволновому
спектральному сдвигу плазмонной полосы поглощения на 6 нм. Полученный результат
подтвержден численным моделированием.
Предложенные методы формирования наночастиц серебра на поверхности стекол
могут быть использованы при разработке чувствительных элементов сенсоров состава
химических и биологических материалов.
Литература
1. Silver nanoparticles, Ed. by D.P. Perez. Vukovar: In-Tech, 2010, 334 p.
2. Образцов П.А., Нащекин А.В., Никоноров Н.В., Сидоров А.И., Панфилова А.В., Брунков П.Н.
// ФТТ. 2013. Т.55. С. 1180.
3. Tervonen A., West B. R., Honkanen S. // Opt. Eng. 2011. V. 50. 071107.
Гетероэпитаксиальные структуры CdHgTe/Si для «p+–n» и «n+–p»
фотодиодов инфракрасного диапазона
Заблоцкий С.В.1,2, Баженов Н.Л.2, Мынбаев К.Д.2,3
1
2
СПбГЭТУ «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), Санкт-Петербург,
Физико–технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург
3
Университет ИТМО, Санкт-Петербург
В технологии фотодиодов на основе CdHgTe (КРТ), одного из основных материалов
инфракрасной фотоэлектроники, обычно используются два метода создания электроннодырочных переходов: формирование n+–области в материале дырочного типа проводимости
или p+–области в материале электронного типа. Для структур «p+–на–n» характерны
значительно меньшие темновые токи, что в конечном счете обеспечивает более высокую
рабочую температуру фотодиодов [1]. Это обусловлено тем, что в КРТ n–типа обычно
наблюдается бóльшее время жизни неосновных носителей заряда, поскольку для такого
материала характерна меньшая концентрация глубоких рекомбинационных центров,
ограничивающая это время. Для создания «p+–на–n» структур, как правило, проводят ионную
имплантацию мышьяка с последующей термообработкой для активации введенной
акцепторной примеси и отжига радиационных дефектов, в то время как структуры «n+–на–p»
создаются имплантацией бора, также с последующим отжигом.
Мы сообщаем о результатах исследования оптических свойств гетероэпитаксиальных
структур (ГЭС) CdHgTe/Si предназначенных для формировании «p+–на–n» и «n+–на–p»
структур ионной имплантацией. Технология CdHgTe/Si использует дешевые кремниевые
подложки большого диаметра и обеспечивает практически идеальное сопряжение
фоточувствительных структур с кремниевыми системами считывания сигналов при
гибридной сборке. Для исследований был использован метод фотолюминесценции (ФЛ).
Однородные по составу фоточувствительного слоя, легированные индием (концентрация
~1015 см-3) и номинально нелегированные ГЭС CdxHg1-xTe толщиной от 5 до 7 мкм с
0.35<x<0.39 были выращены на подложках (013)Si с буферными слоями CdTe и ZnTe методом
молекулярно–лучевой эпитаксии (МЛЭ) в ИФП им. А.В. Ржанова СО РАН. Сигнал ФЛ
возбуждался полупроводниковым лазером с длиной волны 1.03 мкм со стороны ГЭС и
регистрировался с использованием схемы синхронного детектирования охлаждаемым
фотодиодом InSb со стороны подложки.
134  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» Исследовались спектры ФЛ (диапазон температур T=4.2–300 K) образцов до («asgrown») и после различных видов обработки: 1) имплантации ионами As с энергией 200 кэВ и
дозой 1·1014 см-2 c последующим двухстадийным отжигом в насыщенных парах ртути (2 ч при
T=360 0С и 24 ч при T=225 0С), 2) стандартного отжига для перевода в p–тип проводимости в
атмосфере гелия при низком давлении паров ртути (15 ч при T=260 0С) и 3) циклического
отжига для аннигиляции дислокаций, аналогично описанному в [2]. В спектре исходных, asgrown образцов при температуре жидкого гелия обычно наблюдались линии экситона,
локализованного флуктуациями состава (LE) (линия A), линия связанного экситона (B),
переход на мелкий акцептор с–A, и выраженный переход на более глубокий уровень с–DT. С
увеличением температуры происходила ионизация соответствующих состояний, и линии, не
связанные с межзонной рекомбинацией, постепенно исчезали. Наличие мелких акцепторных
состояний в ГЭС КРТ, выращенных на подложках из кремния, связывают с захватом
неконтролируемых акцепторных примесей на структурные дефекты, специфичные для
гетерокомпозиции CdHgTe/CdTe/ZnTe/Si [3].
В спектре образцов, подвергнутых отжигу в атмосфере гелия, доминировала линия LE и
присутствовала слабо выраженная линия c–DT. В спектрах ФЛ имплантированных мышьяком
и отожженных образцов прослеживались линии LE, c–A и c–DT. После стравливания с
поверхности образца слоя толщиной 1.2 мкм (что гарантировало удаление p+–области), в
спектре оставалась «межзонная» линия, интенсивность линии c–DT ослабевала, но стал
проявляться переход c–A. Такая же структура спектра при низких (гелиевых) температурах
была характерна для ГЭС, прошедших циклический отжиг для аннигиляции дислокаций.
Измерение электрических параметров ГЭС после низкотемпературного термического отжига
в атмосфере гелия показало ожидаемые для такой обработки результаты (p–тип с
концентрацией дырок p77=(1.5–3)×1016 см-3 и подвижностью μp=150–250 cм2/(В·с)). В то же
время, после имплантации мышьяком и высокотемпературного активационного отжига в ряде
образцов произошла конверсия в дырочный тип проводимости по всей толщине ГЭС.
Сопоставление данных измерений электрических параметров (методом эффекта Холла)
с данными ФЛ показало, что свойства исследованных ГЭС МЛЭ CdHgTe/Si в значительной
мере определялись неконтролируемыми акцепторами, не связанными с введением индия. При
этом примеси, ответственные за появление глубоких уровней, локализовались у поверхности
ГЭС, в то время как мелкие акцепторы присутствовали по всему объёму слоёв. Таким образом,
изготовление «p+–на–n» фотодиодных структур на основе ГЭС CdHgTe, выращенных МЛЭ на
подложках Si, требует особого внимания к появлению неконтролируемому легированию на
фоне присутствия структурных дефектов. В общем случае присутствие неконтролируемых
акцепторов как центров рекомбинации Шокли–Рида снижает время жизни неосновных
носителей заряда в n–области фотодиодов [4,5], а иногда, как следует из результатов
настоящего исследования, оно может приводить и к полной конверсии материала в p–тип
проводимости. В то же время, можно констатировать, что в этом проявляется специфика «p+–
на–n» технологии, поскольку наличие неизбежных при гетероэпитаксии структурных
дефектов и формирование связанных с ними акцепторных центров, как показали наши
исследования, не препятствует изготовлению на основе ГЭС CdHgTe/Si фоточувствительных
структур типа «n+–на–p». В таких структурах относительно невысокая концентрация
непреднамеренно введенных акцепторных центров не дает в p–области значительного вклада
в дырочный тип проводимости, обусловленный присутствием акцепторов–вакансий ртути,
вводимых специальной термообработкой.
Литература
1. Mollard L., Destefanis G., Bourgeois G., et al. // J. Electron. Mater. 2011. V. 40. P. 1830.
2. Farrell S., Rao M.V., Brill G., et al. // J. Electron. Mater. 2011. V. 40. P. 727.
3. Ижнин И.И., Мынбаев К.Д., Якушев М.В., и др. // ФТП. 2012. Т. 46. С. 1363.
4. Swartz C.H., Tomkins R.P., Giles N.C., et al. // J. Electron. Mater. 2004. V. 33. P. 728.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 135 5. Якушев М.В., Варавин В.С., Ремесник В.Г., Марин Д.В. // ФТП. 2014. Т. 48. С. 788.
Полимерные протонпроводящие нанокомпозиты для тонкопленочных
сенсорных устройств
Е.В. Колоколова1, А.М. Михайлова1, К.С.Зубцова1,2
1
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.», 2ЗАО «Электроисточник»
В последнее время в технике и технологии широкое применение находят композитные
материалы, позволяющие развиваться сенсорике в направлении миниатюризации. Решение
этой проблемы возможно при использовании полимерных композитов на основе
поливинилового спирта (ПВС), поливинилбутираля (ПВБ), полиакрилонитрила (ПАН) и
неорганических солей, обладающих суперионной проводимостью по водороду при 298К.
Интерес к ионным твердым проводникам возник в связи с возможностью создания на их
основе сенсоров, способных функционировать при более жестких условиях по сравнению с
известными.
Среди известных протонных проводников рекордно высокой проводимостью обладают
фосфорновольфрамовая (ФВК) и фосфорномолибденовая (ФМК) гетерополикислоты и
сульфосалициловая кислота (ССК) [1-2].
Композиты на основе полимерных матриц: ПВС, ПВБ и ПАН, включающие легирующие
добавки ССК и ФВК интересны разработчикам, поскольку они являются пленкообразующими
системами. Кроме того, эти пленки обладают достаточно высокой ионной проводимостью при
низких температурах.
Для получения протонпроводящих композитов (Н+-композит) использовали золь-гель
метод, в основе которого лежит технология получения материалов с размером частиц
нанометрового диапазона [3].
Для выяснения строения полученных композитов было проведено ИК
спектроскопическое исследование. Снятие ИК спектров проводилось на Фурье спектрометре
INFRA LUM FT 801 в диапазоне 500-4000 см-1 .
Измерение электропроводности полученных Н+ -композитов проводили методом
импедансной спектроскопии в диапазоне частот 1Гц ÷ 2МГц в симметричной
электрохимической ячейке Ti/H+- композит/Ti при 298 К и относительной влажности Н=52%.
Порядок полной проводимости для образцов составил 10-3÷10-5 Ом-1·см-1. Электронная
составляющая проводимости при 298 К лежит в пределах 10-8÷10-9 Ом-1·см-1. Следовательно,
вклад электронной составляющей в общую электропроводность пренебрежимо мал.
В изученном интервале влажности окружающей среды композиты обладают высокой
ионной проводимостью. По мере увеличения влажности проводимость растет, однако порядок
электропроводности остается неизменным.
Как показали исследования, использование пленочных образцов в качестве твердых
электролитов в конструкции сенсора имеет значительное преимущество перед твердыми
кислотами, т. к. значительно упрощается технология изготовления сенсоров, и при этом
сохраняются основные рабочие параметры: селективность, чувствительность, быстродействие
за счет увеличения развитой поверхности контактирующих фаз.
Литература
1. Укше Е.А., Букун Н.Г. Твердые электролиты. М., Наука, 1974. 176 С.
2. Tanaka H. Charge capability of fluorocarbon polymer films / Hiji Tanaka // Bull. Inst. Chem. Res.
– Kyoto Univ., 1982. – v. 60. – Р. 88-93.
136  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 3. А.М. Михайлова, Н.В. Прудников, Г.И. Сигейкин, Е.В. Колоколова, Е.Д.Михайлов.
Двойнослойные конденсаторы на основе суперионных протонпроводящих полимерных
нанокомпозитов // Альтернативная энергетика и экология. 2013. №02/2 (120). С. 83-88.
УДК 544.6.076
Чувствительные элементы датчиков токсичных газов на основе
супрамолекулярных систем
А.М. Михайлова, В.В. Ефанова, Н.И. Горская
ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет
имени Гагарина Ю.А.»
В последнее время наблюдается повышенный интерес к разработкам адсорбционнополупроводниковых датчиков газового анализа на основе органических материалов,
относящихся по своему строению и химической связи к супрамолекулярным системам с
проводимостью
полупроводникового
диапазона.
Молекулярные
органические
полупроводники обладают необычным сочетанием полезных свойств, обусловленных
наличием сопряженной π-электронной системой, которая легко поляризуется при внешних
воздействиях. Взаимодействие с газами приводит к изменению, например, оптических,
электрофизических и других физико-химических характеристик.
Данная работа посвящена изучению влияния газов NO2, SO2, H2S, I2 при их
концентрациях в воздушной среде 0 ÷ 2 ПДК на проводимость тонкопленочных образцов
производных фенотиазина, пирилия, фульвалена, пиридина. В качестве электродов
использовался наноразмерный никель, осажденный на ITО (полупроводниковый материал,
прозрачный для видимого света, благодаря большой ширине запрещенной зоны (около 4 еВ).
Регистрация газового воздействия осуществлялась методом импульсной спектроскопии.
Образцы показывают высокую чувствительность к H2S. В случае воздушных смесей,
содержащих 30 мг/м3 СО и 0,79% об. СО2, соли тиопирилия изменяют исходную проводимость
менее чем на 20%. Однако, следует заметить, что при взаимодействии газовых смесей,
содержащих H2S, NO2, Cl2, в течение длительного времени наблюдается дрейф параметров,
связанный, по-видимому, с превращениями на границе Ni/органический полупроводник.
Последующий нагрев возвращает датчик в исходное состояние.
Разработана технология изготовления миниатюрного датчика для анализа
экологического состояния атмосферы и замкнутых помещений, а также контроля
технологических процессов.
Литература
1. Михайлова А.М. Электрохимические преобразователи информации низкочастотного
диапазона с долговременной памятью / А.М. Михайлова, В.В. Ефанова, И.Е. Шпак.
Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2009.- 112 с.
2. Пат. РФ №2144181, 7 G 01 27/407. Электрохимический газоанализатор для определения
оксида серы в атмосфере воздуха / Н.В. Архипова, А.М.Михайлова, В. В. Ефанова, М.Л.
Любасовская // Опубл.10. 01.2000. Б.И.- 2000. - №1.
3. Пат. РФ №2114425, 6 G 01 № 27/30, 27/407. Электрохимический газоанализатор для
определения сероводорода в атмосфере воздуха / Н.В. Архипова, М.Л. Любасовская,
А.М.Михайлова, В. В. Ефанова // Заявлено 05.06.96. Опубл. 27.06.98. Б.И.- 1998.- №18.
УДК 67.017+539.61
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 137 Изменение оптических и поверхностных свойств полидиметилсилоксана
при обработке физико-химическими методами
Посмитная Я.С.1, 2, Рудницкая Г.Е.2, Лукашенко T.A.2, Евстрапов A.A.1, 2
1
Университет ИТМО, 2Институт аналитического приборостроения РАН, Санкт-Петербург, Россия
Уровень развития микро- и нанотехнологий позволяет создавать разнообразные
интегрированные миниатюрные системы, которые используются при исследовании
биологических проб, при создании искусственных органов, при разработке технологий
микросинтеза и т.д. Одним из условий, определяющим применения микросистем для
биологических и медицинских приложений, является биосовместимость и инертность
используемых материалов. К подобным материалам относится полидиметилсилоксан
(ПДМС), обладающий (на примере Sylgard® 184, Dow Corning, США) высокой прозрачностью
в широком спектральном диапазоне от 240 до 1100 нм; относительно низкой
теплопроводностью;
нетоксичностью
и
инертностью;
гидрофобностью
и
газопроницаемостью. Для этого эластомера были разработаны варианты «быстрого»
прототипирования – оперативного изготовления реплик, содержащих микроразмерные
структуры – так называемая техника «мягкой» литографии [1, 2]. ПДМС широко применяется
при изготовлении микрофлюидных устройств, так как техника «мягкой» литографии дает
возможность сформировать микроразмерные структуры различной формы на поверхности
материала. Таким образом, могут быть получены микроразмерные каналы, реакторы, клапаны,
массивы регулярных структур и т.д. Биосовместимость ПДМС, возможности изготовления из
этого материала микроструктурированных пленок и внедрения в полимер различных добавок
позволяет использовать его при: создании тактильных сенсоров [3, 4]; чувствительных
датчиков в биомеханических системах и протезах [5]; датчиков для исследования лимфоцитов
в крови с чувствительностью на уровне клинически значимых концентраций - менее 500
клеток/мкл. [6]; элементов сенсоров для измерения давления и содержания кислорода в сердце
и кровеносных сосудах [7]; монодисперсных микросфер с красителями, чувствительными к
кислороду [8]; биосенсорных систем для обнаружения патогенов [9, 10] и т.д.
Возможность формирования микроразмерных структур в ПДМС простыми методами
делает этот материал привлекательным для применения в условиях исследовательских
лабораторий. На основе ПДМС могут быть изготовлены микрофлюидные устройства с
интегрированными сенсорными элементами, а сам материал может служить подложкой для
формирования чувствительных слоев – таким образом можно изготавливать биосенсорные
устройства, регистрирующие наличие аналитов непосредственно в потоке пробы.
Помимо вышеотмеченных особенностей ПДМС следует особо выделить его недостатки:
нестабильность поверхностных свойств, гидрофобность и способность сорбировать
некоторые белки. Поскольку ПДМС в сенсорных устройствах применяется либо как
промежуточный слой между сенсорным (рецепторным) слоем и трансдьюсером, либо как
матрица для сенсорного слоя, то важными задачами при разработке сенсорных систем на
основе этого эластомера являются: а) придание поверхности стабильных свойств, б)
модификация поверхности с целью создания функциональных сенсорных слоев или областей
(спотов), в) внедрение в полимер компонентов, придающих особые свойства поверхности.
В рамках данной работы рассмотрены варианты обработки и модификации поверхности
ПДМС способами: плазменной обработки, обработки поливиниловым спиртом, силанизации,
добавления поверхностно-активных веществ. Силанизациия поверхности позволяет создать
условия для последующей иммобилизации биофункциональных слоев (в том числе белков или
антител). Наиболее стабильной, с точки зрения сохранения свойств, явилась обработка 4%
раствором метакрил-оксипропил-триметоксисилана, которая позволяет снизить значение
контактного угла до 600 (по сравнению с исходным значением равным 1070). Для
экспрессного и информативного метода оценки гидрофильности/гидрофобности поверхности
был выбран метод лежащей капли. По результатам измерения поверхности полимера методом
138  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» атомно-силовой микроскопии, оценивалось качество обработки – сплошность и
равномерность создаваемых слоев. Изменение количества функциональных (в частности –
метильных) групп на поверхности полимера под действием различных видов обработки
(разрыв связей, связывание с другими молекулами, образование новых групп)
регистрировалось по изменению светопропускания образцов в ближней ИК области спектра
(на обертонах колебательных частот).
Литература
1. Xia Y., Whitesides G.M. Soft Lithography // Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1998, 37(5), 551–575.
2. McDonald C., Whitesides G.M. Poly(dimethylsiloxane) as a material for fabricating microfluidic
devices // Acc. Chem. Res. 2002, 35, 491–499.
3. Lee H-K., Chang S., Yoon E. A Flexible Polymer Tactile Sensor: Fabrication and Modular
Expandability for Large Area Deployment // Journal of microelectromechanical systems. 2006,
15(6), 1681–1686.
4. Massaro A., Spano F., Cazzato P. et al. Innovative optical tactile sensor for robotic system by
gold nanocomposite material // Progress In Electromagnetics Research M. 2011, 16, 145–158.
5. Mannsfeld S.C., Tee B., Stoltenberg R.M. et al. Highly sensitive flexible pressure sensors with
microstructured rubber dielectric layers // Nature Materials. 2010, 9, 859–864.
6. Thorslund S., Larsson R., Bergquist J. et al. PDMS-based disposable microfluidic sensor for
CD4+lymphocyte counting // Biomed Microdevices. 2008, 10(6), 851–857.
7. Koley G., Liu J., Nomani Md.W. et al. Miniaturized implantable pressure and oxygen sensors
based on polydimethylsiloxane thin films // Mater Sci Eng R Rep. 2009, 29(3), 685–690.
8. Jiang K., Thomas P.C., Forry S.P. et al. Microfluidic synthesis of monodisperse PDMS
microbeads as discrete oxygen sensors // Soft Matter. 2012, 8, 923–926.
9. Sang S., Witte H. A novel PDMS micro membrane biosensor based on the analysis of surface
stress // Biosens Bioelectron. 2010, 25(11), 2420–2424.
10. Zuo P., Li X., Dominguez D.C., Ye B.C. A PDMS/paper/glass hybrid microfluidic biochip
integrated with aptamer-functionalized graphene oxide nano-biosensors for one-step multiplexed
pathogen detection // Lab Chip. 2013, 13(19), 3921–3928.
УДК 59.03.05
Разработка методического аппарата оценки точности чувствительных
элементов комплексированных систем управления сложных технических
систем
С.В. Колесниченко, А.С. Марчук, А.С. Мястенкова, Санкт-Петербург,
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»,
Аннотация
В данной статье рассмотрены актуальные вопросы исследований по обоснованию
точности чувствительных элементов автономных систем управления подвижных объектов
в условиях комплексирования с альтернативными навигационными системами.
Улучшение характеристик систем автономной навигации подвижных
объектов
аппаратов долгие годы осуществлялось в направлении наращивания возможностей и
совершенствования схемных решений инерциальных навигационных систем (ИНС). К
сожалению, экономические трудности, жесткие требования к эксплуатационным
характеристикам, ограниченные сроки разработки и внедрения на определенном этапе (в 90-х
г.г.) привели к значительному сворачиванию работ в области традиционных технологий. В
первую очередь, это относится к исследованиям в области создания прецизионных
гироскопических и оптико-механических систем с улучшенными характеристиками.
Разработка и производство последних требует больших временных, экономических и
интеллектуальных затрат, что в настоящее время трудно осуществить практически, учитывая
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 139 реальное положение дел в производственной сфере. Как следствие, все большее внимание
уделяется новым способам повышения эффективности систем управления высокодинамичных
летательных аппаратов (ВДЛА).
В настоящее время все большее распространение приобретают бесплатформенные
инерциальные навигационные системы (БИНС), основными преимуществами которых
являются: меньшее время готовности, меньшая масса, компактность, относительно низкую
стоимость производства.
При проектировании БИНС, как и любой другой ИНС, большую важность имеет вопрос
точности определения навигационных параметров (НП). Причем, применительно к БИНС,
точность функционирования системы и комплекса в целом зависит не только от погрешностей
измерителей, но и динамики объекта.
При разработке методического аппарата определены требуемые исходные данные;
описаны причинно-следственные связи вопросов точности и зависимости, поясняющие вклад
ошибок различных датчиков; детально проработаны этапы исследований; рассмотрен
комплексный пример.
Результатом расчета по предложенному методическому аппарату являются
конечные значения не только допустимых уходов датчиков, но и непосредственно
параметры точности этих устройств, такие как нестабильность масштабного
коэффициента, постоянный дрейф, случайный дрейф и другие. Проведенный расчет
позволил сделать вывод о необходимости применения технологий комплексирования
аппаратуры систем управления подвижных объектов.
Литература
1. Разоренов Г.Н., Бахрамов Э.А., Титов Ю.Ф. Системы управления летательными
аппаратами. - М.: Машиностроение, 2003. – 584 с.
2. Введение в теорию бесплатформенных инерциальных навигационных систем: учебник /
В.Н. Бранец, И.П. Шмыгловский. – М.: Наука, 1992. – 280с.
3. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии
/ Под ред. Б.С. Алешина, К.К. Еремеенко, А.И. Черноморского. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006.
– 424 с.
4. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. - М.: Машиностроение,
1991. – 512с.
5. Малышев В.В., Красильщиков М.Н., Карлов В.И. Оптимизация наблюдения и управления
летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1989. – 312 с.
6. Применение микромеханических датчиков навигационных параметров в СУЛА. / К.А.
Злотников, И.В. Попова, Е.Н. Пятыщев // Труды международной научной конференции
«Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах» - СПб.: СЗТУ, 2003. – С.
311–326.
7. Колесниченко С.В. Обоснование моделей и алгоритмов построения интегрированных
систем управления высокодинамичных подвижных объектов// Труды XV Международной
НПК «Анализ и прогнозирование систем управления в промышленности и на транспорте»,
апрель 2014. - СПб.: СПГУПС, 2014. – С. 276–285.
УДК 53.08
140  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» Исследование альтернативных активных сред для люминесцентных
датчиков температуры
Тузова Ю.В., Асеев В.А., Колобкова Е.В.
Университет ИТМО
Введение
В настоящее время существует множество способов контроля температуры, основными
являются две категории – электрические и оптические. К преимуществам оптических
датчиков относятся: возможность измерения температуры на больших расстояниях и в
сильных электромагнитных полях, помехозащищённость и компактность измерительного
устройства. Оптические датчики температуры подразделяются на три основных типа:
волоконные, пирометры и люминесцентные. Люминесцентные датчики наиболее
перспективны, поскольку сочетают в себе простоту конструкции и высокую точность ( 0,05
K). Существует три принципа работы таких датчиков: температурное смещение максимума
полосы люминесценции по спектру, изменение времени затухания люминесценции при
изменении температуры, температурное перераспределение энергии по возбужденным
уровням, приводящее к перераспределению интенсивности свечения в близко
расположенных полосах люминесценции при изменении температуры. Эти эффекты
наблюдаются для ионов редких земель (например - эрбий, неодим, диспрозий) или
переходных металлов (например - хром), находящихся в кристаллическом или
стеклообразном окружении.
К активной среде, используемой в люминесцентных
датчиках температуры,
предъявляются следующие требования: простота возбуждения люминесценции, простота
стыковки с кварцевыми волноводами, удобный диапазон регистрации излучения и.т.д. В
качестве перспективных активных сред для люминесцентных датчиков температуры можно
рассматривать стеклокерамики, содержащие в своем объеме фторидные нанокристаллы
(например CaF2, PbF2 и т. д.). В данной работе использовались свинцово-фторидные
наностеклокерамики с переменным содержанием эрбия и постоянным содержанием
иттербия. Окружение ионов эрбия в значительной мере влияет на его люминесцентные
свойства, то есть подбор матрицы позволяет увеличить интенсивность люминесценции, что
улучшит чувствительность сенсоров на его основе.
Целью настоящей работы являлось исследование температурной зависимости
соотношения максимумов люминесценции ионов эрбия в иттербий-эрбиевой свинцовофторидной наностеклокерамике.
Экспериментальная часть
В работе исследовалось стекло состава 30SiO2-18PbF2-7.5Al2O3-5ZnF2-29CdF2-3YF3.
Концентрация ионов эрбия изменялась в пределах от 0,05 до 0,5 мол. %, при постоянной
концентрации иттербия 3 мол. %. Спектр люминесценции в образцах свинцово-фторидной
наностеклокерамики, активированной эрбием, изменяется в зависимости от температуры –
интенсивность люминесценции для обоих полос снижается и соотношение пиков на
выбранных длинах волн различное, это показано в работе [1]. Такое изменение свойств в
зависимости от температуры позволяет предположить, что наностеклокерамики такого
состава могут быть использованы в качестве температурных датчиков.
Чтобы выяснить носят ли изменения соотношения пиков постоянный характер, была
исследована зависимость отношения максимумов люминесценции в образцах свинцовофторидной стеклокерамики от времени вторичной термообработки и концентрации ErF3. Для
этого брались значения максимумов интенсивности пиков люминесценции (523 и 547 нм) во
всем исследуемом температурном диапазоне и было рассчитано их отношение для всех
исследованных концентраций и времен вторичной термообработки ( рисунок 1 а, б).
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 141 Рисунок 1 - Зависимость отношения максимумов люминесценции в образцах свинцовофторидной стеклокерамики а.) от времени вторичной термообработки - и -б.)концентрации
ErF3
Как видно из рисунка 1 - зависимости сохраняют экспоненциальный характер для всех
образцов во всем исследуемом температурном диапазоне. Такие свойства стеклокерамики
делают её подходящим материалом для использования в качестве активной среды для
люминесцентных датчиков температуры, а представленные на рисунке 1 зависимости могут
использоваться в качестве градуировочных кривых для определения температуры
исследуемых образцов.
На градуировочных кривых угол наклона касательной определяет чувствительность
температурного датчика. Чем он больше, тем большее изменение интенсивности
люминесценции происходит за один градус нагрева. По результатам исследования можно
сделать вывод, что наибольшей чувствительностью обладает образец с максимальной
концентрацией эрбия - 0,5 мол.%, и временем термообработки - 10 часов.
Вывод
Было проведено исследование зависимостей соотношений максимумов люминесценции
в образцах свинцово-фторидной стеклокерамики от времени вторичной термообработки и
концентрации эрбия. Зависимости отношения пиков люминесценции от температуры имеют
экспоненциальный характер для всех образцов во всем исследуемом температурном
диапазоне, что позволяет использовать их графики в качестве градуировочных кривых для
определения температуры исследуемых образцов.
Свинцово-фторидная наностеклокерамика, активированная ионами иттербия и эрбия,
является перспективным материалом для использования в люминесцентных датчиках
температуры в качестве активной среды.
УДК 543.424, 54.066
Обратимая реакции образования эндопероксида рубрена, как сенсор и
источник синглетного кислорода в воздухе.
Ясенко Е.А., Челибанов В.П.
Университет ИТМО
Контроль содержания синглетного кислорода в воздухе – является неотъемлемой частью
систем мониторинга окружающей среды [1,2]. Следует отметить, что методы определения
синглетного кислорода предопределены его строением и свойствами. При анализе газовой
фазы на содержание синглетного кислорода, её пропускают через раствор, содержащий
142  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» вещество-индикатор, либо через зону, в которой присутствует реагент в твердом состоянии,
на поверхности которого протекает гетерогенная реакция. Используемая реакция должна
удовлетворять ряду требований: высокая скорость, специфичность относительно синглетного
кислорода, отсутствие побочных продуктов, лёгкость определения индикаторного вещества
или накапливающегося продукта реакции. Вышеперечисленным требованиям удовлетворяет
реакция 1,4-присоединения к сопряжённым диенам. В данной работе рассмотрен механизм
обратимого взаимодействия синглетного кислорода с кристаллическим рубреном (5,6,11,12тетрафенилтетрацен), который является известным сопряжённым диеном [3].
С помощью разработанной мобильной Рамановской системы, которая позволяет
исследовать вещества в области терагерцовых частот [4], был исследован процесс
фотохимического синтеза эндопероксида рубрена. Показано, что при термолизе, полученного
продукта, происходит образование исходных соединений (рубрена и синглетного кислорода)
в динамических условиях. Данная задача вытекает из актуальности проблемы
метрологического обеспечения средств измерения синглетного кислорода в газовой фазе.
При фотохимической реакции рубрена с излучением лазера λ=785 нм происходит
заселение нижнего электронно-возбужденного состояния рубрена. Далее возбуждённый
рубрен реагирует с триплетным (основным состоянием) кислородом воздуха, продуцируя
синглетный кислород. Последний охотно взаимодействует с исходным рубреном
(«химической ловушкой» синглетного кислорода) образуя эндоперекись. На графике
приведен полученный спектр эндоперекиси рубрена для спектрального диапазона -50 ... +250
см-1.
Эндо-пероксид рубрена способен обратимо превращаться с повышением температуры
зоны реакции в исходный рубрен с отщеплением синглетного кислорода в газовую фазу. С
помощью разработанной терагерцовой рамановской системы, нами было спектрально
зафиксировано и показано, что, действительно при нагреве реактора с эндопероксидом
рубрена до +80 Со, последний переходит в начальное, не окисленное, состояние рубрена. При
этом в потоке воздуха хемилюминесцентным методом был зарегистрирован синглетный
кислород. Контролируемое проведение такого эксперимента может стать основой
метрологического обеспечения измерений синглетного кислорода в атмосфере, будь то
материал сенсора или источника микропотока.
Рисунок 1 - Процесс обратимого восстановления рубрена и синтеза синглетного
кислорода.
Выводы:
1. Рассмотрен механизм образования эндопероксида рубрена под воздействием излучения
лазера λ=785 нм в атмосфере кислорода.
2. Проведено термическое разложение эндопероксида рубрена до рубрена и синглетного
кислорода. Впервые методом терагерцовой спектроскопией комбинационного рассеяния
света было зарегистрировано восстановление эндопероксида рубрена до исходного
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Материалы и технологии для сенсорики» 143 рубрена. При нагревании эндопероксида рубрена хемилюминесцентным методом было
обнаружено образование синглетного кислорода.
Литература
1. Шинкаренко Н.В., Алесковский В.Б. Химические свойства синглетного молекулярного
кислорода и значение его в биологических системах \\ Успехи химии, 1982, Т. 51, № 5, С.
713 – 735.
2. Шинкаренко Н.В., Алесковский В.Б. Синглетный кислород, методы получения и
обнаружения \\ Успехи химии, 1981, Т. 50, № 3, С. 406 – 428.
3. Каррер П. Курс органической химии, пер. с немецкого, ГНТИ Химлит, Л., 2-е издание, под
редакцией Колосова М.Н. С. 511.
4. Iasenko E., Chelibanov V., Marugin A., Kozliner M. Application TH-z Raman Spectroscopy for
identification of chemical, and biological products \\ Technical program 16 International
Conference on Laser Optics 2014. - Saint-Petersburg. - Russia. – 2014. – P. 43.
Оптико- электронные
сенсоры
146  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» УДК 535.513
Research of polarizing properties of lens components of optical system
Tyurikova E.P., Ryzhova V.A.
ITMO University
The relevance of polarizing properties research of lens system with them collimation turning in
air was proved. The short theoretical description of existing calculation methods of polarizing
radiation parameters with passing through optical elements was given. The tasks deciding for
researching of polarizing radiation structure on lens system component’s exit with changing in time
spatial orientation was formulated.
Introduction
The changing of polarizing characteristics of electromagnetic radiation on interaction result
with physical objects was existed in the foundation of functioning of polarizing optical sensors. It is
used for precision measurements of mechanical deformations and moving, physical and chemical
parameters of tape structures, liquid and gas analysis. However, data won't be enough if algorithm of
obtaining parameters of polarizing radiation was written only for “perfect” system. It won’t be enough
because lens system errors are existed [1].
It is known that the well made lenses don't make changes in polarizing structures of the
broadcast light stream. However, the simple analysis shows that polarizing structure change with
refractions on optical surfaces system because unevenness of distribution of polarization on the
optical wave front is created. It is mean that the optical system can be considered as the changing
polarization device [2].
Statement of the purpose and research problems
The purpose of the real work is research of influence of spatial turns of lens components of
optical systems on polarizing parameters and structure of radiation.
It is necessary to solve next tasks for achievement of purpose:
 to execute the information search and analysis of the existing ways of the description of the
polarized radiation and them transformation with passing through lens components of optical
system;
 to develop the polarizing and energetics properties of lens system with them initial and changing
in time spatial orientation;
 to investigate the dependence of polarizing properties of lenses from physical - chemical and
geometrical parameters of lens systems at their collimation turns;
 to investigate blocks of polarizing sensors which constructed according to counter collimator and
autocollimation schemes and calculate an instrument error which caused small changes of spatial
orientation of the considered blocks;
 to develop the model and a technique of measurement of polarizing parameters of radiation at its
passing through randomly the focused lens system;
 to conduct pilot studies on the questions stated above.
Theoretical justification
Attempt of the solution of a problem of polarizing transformation of radiation lenses was
considered within a formalism of matrixes of coherence which based on representations of radiation
and system respectively vectors and Jones's matrixes. In report [3] was received the transformation
matrixes for cases of transfer by lens systems of axial streams of radiation with polarization of any
type and was analyzed the changing of polarizing structure of radiation owing to refraction on
elements of lens system. It was based on Jones and Müller's methods.
Earlier, it was been researches of polarizing properties of a number of optical elements with flat
limits of the section of environments at their any and changing orientation in space were conducted.
In results of this work, it was developed the technique and was made the program for calculation of
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 147 parameters of the output polarized radiation [4]. Within the real research it is planned to make the
detailed analysis and to systematize information on the existing methods of the description of
transformation of the polarized radiation various elements of optical touch devices. It is necessary to
develop algorithm and make the program of calculation of polarizing properties of lens systems with
any and changing spatial orientation.
Conclusion
As a result of research as main (traditional) coordinate methods for the description of
transformation of the polarized radiation were presented by components of lens systems. Further it is
planned to develop own technique of calculations of polarizing properties of lens systems with any
and changing orientation in space.
References
1. V.N. Fedorinin, V.I. Sidorov. Polarizing optical sensors for measurement of physical quantities.
Messenger of SibGUTI.2009. №3
2. P.I. Lamekin, K.G. Predko. Change of polarizing structure of axial bunches of the polarized light
by lens systems// Optics and spectroscopy. - 1986. - Т. 60. - Вып. 1. - pp. 137-140.
3. P.I. Lamekin, K.G. Predko. Features of work of lens systems in the conditions of
quasimonochromatic lighting // Optics and spectroscopy. - 1986.- Т. 61.- Вып. 3. - pp. 631-635.
4. Trushkina A.V., Ryzhova V.A, Korotayev V.V. Polarization properties of crystal and polymer
phase plates at their collimation turns in space. Proceedings of Seminar on Optoelectronics
«Optoelectronic Information Systems and Laser Technologies»- СПб, 2014, pp. 92-97
УДК 681.78, 681.7.08
Оптико-электронный преобразователь контроля смещений элементов
крупногабаритных конструкций
А.С. Васильев*, И.А. Коняхин*, Ф.В. Молев**
*Университет ИТМО, **ОАО «Авангард»
В работе рассмотрен принцип действия, состав и метрологические параметры оптикоэлектронного преобразователя смещений для контроля положения элементов
крупногабаритных конструкций в условиях техногенной среды. Приводятся результаты
экспериментальных исследований макетов базового модуля и контрольных меток
разработанного преобразователя.
Современная техногенная среда определяется большим количеством строящихся и
проектируемых крупных наземных сооружений – как производственных, так и общеурбанистических: стадионов, аквапарков, многоэтажных жилых массивов. Обеспечение
безаварийного функционирования этих объектов в условии природных и эксплуатационных
нагрузок представляет важную социальную и техническую задачу. Одной из основных причин
аварийности крупных сооружений являются деформации (осадки и перекосы) фундаментов и
несущих конструкций вследствие подвижек и общей нестабильности грунтов (до трети
случаев обрушения строящихся зданий по статистическим данным [1, 2]).
Эти обстоятельства определяют актуальность исследования и разработки комплексных
систем предотвращения аварий, основанных на геотехнических сенсорах деформаций
фундаментов и несущих конструкций. Предварительный анализ показал, что перспективными
являются преобразователи многоточечного контроля пространственного положения активных
реперных знаков связанных непосредственно с элементами конструкции [3].
Предлагаемый преобразователь реализован по модульной схеме, что позволяет
объединить нескольких контрольных и реперных меток, для работы с одним базовым модулем
148  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» в распределенную измерительную систему. Например, положение основной системы
координат строительных и монтажных осей фиксируется базовым модулем по положению
реперных меток, жестко связанных с неподвижными (базовыми) элементами строительных
конструкций, при этом смещения реперных меток на объекте регистрируются в приборной
системе координат базового модуля с последующим пересчётом в основную систему
дополнительным модулем обработки и передачи информации.
Рисунок 1 – Общий вид преобразователя
Разработанный преобразователь содержит:
 модуль базовый 1 (рисунок 1) с устройством крепления и наведения, который включает в
себя фотоприемный модуль, содержащий оптическую систему и видеокамеру (на основе
матричного фотоприемника);
 метки контрольные 2 (на основе излучающего инфракрасного диода);
 насадка к базовому модулю для совмещения полей 4;
 модуль обработки и передачи информации 3, со средствами дистанционного управления
преобразователем.
С целью получения максимальной точности контроля положения меток, модуль
базовый предложено строить с одним объективом и полем анализа реализуемым в виде
матричной фоточувствительной структуры с адаптивным многооконным полем.
Реализованная процедура выделения измерительной информации содержит:
 предварительную обработку изображения с целью улучшения отношения сигнал/шум и
оптимизации других параметров изображения;
 поиск и локализацию изображений контрольных меток в поле зрения базового модуля;
 определение координат изображений обнаруженных контрольных меток в поле зрения
базового модуля в приборной системе координат.
Спроектированный преобразователь позволяет определять смещения элементов
конструкций в диапазоне ± 40 мм на дистанции до 50 метров со среднеквадратическим
значение погрешности измерения не более 0,5 мм.
Разработанный и изготовленный макет преобразователя прошел испытание в
лабораторных условиях на стенде при дистанции между базовым модулем и меткой 24±0,1 м.
В эксперименте снималась статическая характеристика при смещении контрольной метки с
шагом 5 мм в горизонтальном и вертикальном направлениях для диапазона 300 мм.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 149 0,04
0,08
ΔY,мм
ΔX, мм
0,06
0,02
0,04
0,02
0,00
0,00
0 25 50 75 100 125X,150
мм175 200 225 250 275 300
0 25 50 75 100 125Y,150
мм175 200 225 250 275 300
а
б
Рисунок 2 – Зависимость случайной составляющей погрешности измерения при смещении
контрольной метки в вертикальном (а) и горизонтальном (б) направлениях
Оценка систематической составляющей погрешности макета не превысила 0,07мм при
смещении контрольной метки в горизонтальном направлении и 0,10мм при смещениях по
вертикали. При этом оценки среднеквадратичной случайной составляющей основной
погрешности не превышала 0,03мм для смещении метки по горизонтали и 0,07мм – по
вертикали (рисунок 2). Увеличение погрешности при контроле вертикальных смещений
вызвано воздействием флуктуациями градиента температур в воздушном тракте.
Литература
1.
Причины
разрушения
конструкций
зданий
[Электронный
ресурс]:
<http://www.stroypuls.ru/detail.php?ID=43005>
2.
Обрушение аквапарка, теперь - в Санкт-Петербурге [Электронный ресурс]:
<http://www.klerk.ru/boss/news/27483/>.
3.
Анисимов А.Г., Коротаев В.В., Краснящих А.В. Методы построения адаптивной
распределенной оптико-электронной системы неразрушающего контроля деформации
крупногабаритных сооружений // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. Выпуск
34. Современная оптика / Главный редактор д.т.н., проф. В.Н. Васильев. - СПб.: СПбГУ
ИТМО, 2006. - с. 219-224
УДК 535.67, 621.383, 681.7
Коррекция цветопередачи систем технического зрения методом
преобразования с помощью триангуляции их цветового пространства
Горбунова Е.В., к.т.н., Коротаев В.В., д.т.н., Чертов А.Н., к.т.н., Шитов Д.Д.,
Университет ИТМО
На сегодняшний день системы технического зрения (СТЗ) нашли широкое применение
во многих сферах человеческой деятельности: на транспорте (для оптимизации транспортных
потоков, контроля нарушений правил дорожного движения), в системах контроля качества
готовой продукции, в медицине (для автоматического исследования клеток крови,
исследования роговицы глаза) и т.д.
В ряде случаев, например, при обогащении [1] или оценке обогатимости руд твердых
полезных ископаемых оптическим методом [2], информация о цвете сложных минеральных
структур определяет решение, принимаемое по каждому объекту в автоматическом режиме,
или, как при репродуцировании произведений художественного искусства [3], – результат
анализа оригинала и, как следствие, качество получаемой копии.
150  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» В данной статье рассматривается подход, разработанный авторским коллективом и
лишенный указанных недостатков. Он основан на преобразовании всех точек собственного
цветового пространства СТЗ путем его триангуляции с последующим расчетом функций
преобразования точек в каждом подпространстве.
Предлагаемый метод цветокоррекции включает следующие основные этапы:
1.
Формирование массива опорных точек;
2.
Триангуляция цветового пространства используемой СТЗ на основе сформированного
массива;
3.
Преобразование полученных подпространств (каким образом);
4.
Формирование итогового массива коррекции;
На первом этапе необходимо получить количественные данные о погрешности
цветопередачи используемой СТЗ. Наиболее простым способом является фотографирование
объекта с известными цветовыми характеристиками и их сравнение с характеристиками
полученного изображения. В данной работе в качестве такого эталонного объекта
использовалась колориметрическая таблица Munsell ColorChecker, содержащая 24 цвета.
На втором этапе осуществляется триангуляция исходного цветового пространства СТЗ.
Ее предложено осуществлять по методу Делоне. При этом 24 опорные точки, полученные с
СТЗ на предыдущем этапе при фотографировании колориметрической таблицы, представляют
собой базовый набор точек для триангуляции. Полученные подпространства имеют вид
тетраэдров, образующих в совокупности многогранник с треугольными гранями,
опирающимися на наиболее удаленные от центра триангуляции узлы.
Целью третьего этапа является приведение собственного цветового пространства СТЗ к
эталонному. Для этого рассчитываются функции преобразования для всех точек каждого
тетраэдра. На практике задача сводится к нахождению изменения положения точек внутри
тетраэдра при смещении одной из вершин
Любое изменение координат вершины пирамиды можно представить в виде суммы двух
типов движения: сжатия (растяжения) и сдвига.
Сжатие (растяжение) является типом движения, при котором все точки пирамиды, за
исключением статичного основания, перемещаются в направлении, перпендикулярном
плоскости основания. В таком случае все точки, лежащие на одной и той же высоте от
основания, изменят свои цветовые координаты на одно и то же значение.
Рисунок 1 – Пояснительный рисунок к операции "сжатие (растяжение)"
Для пояснения ниже рассмотрено преобразование треугольника АВС, вместо пирамиды
АВСD. Несмотря на подобное упрощение, все формулы применимы и для точек внутри
объемной фигуры. Рисунок 3 демонстрирует, как изменяется положение точек треугольника
АВС при растяжении. Вершина А(Ra;Ga;Ba) изменяет свои координаты А”(Ra”;Ga;Ba),
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 151 основание ВС остается неподвижным. При этом точки D1, D2, D3 смещаются в D1”, D2”, D3”
соответственно и изменяют свою координату по оси R на одну и ту же величину ∆h.
Введем следующие обозначения:
– h – высота точки D1 над основанием;
– h” – высота смещенной D1”;
– k=h”/h – коэффициент растяжения, который остается постоянным для всех точек
треугольника ABC.
Таким образом:
k
Ra " Rc
Ra  Rc
(1)
Искомая координата точки D” по оси R:
Rd "  Rc  h"  Rc  h  (k  1)  Rc  ( Rd  Rc )  (k  1) 
Rd "  Rc  ( Rd  Rc )  (
Ra " Rc
( R  Rc )  ( Ra " Ra )
 1)  Rc  d
Ra  Rc
Ra  Rc
(2)
Полученное выражение справедливо для всех точек, находящихся внутри и на ребрах
треугольника АВС.
Сдвиг представляет собой движение всех точек пирамиды, за исключением основания, в
плоскости, параллельной неподвижному основанию.
Рассмотрим треугольник ABC со статичным основанием BC, вершина А перемещается в
А” вдоль оси G.
Рисунок 2 – Пояснительный рисунок к "сдвигу"
Площади треугольников ABC и A”BC равны, т.к. имеют общее основание BC и равные
высоты Н. Треугольник AD1D2 подобен ABC и относится к нему, как отношение (H-h)/H.
Треугольник AD1”D2” подобен A”BC и относится к нему, как отношение высот (H-h)/H.
следовательно, площади треугольников AD1D2 и AD1”D2” равны. Тогда D1D2 = D1”D2”, и
точки D1 и D2 изменяют свою координату по оси G на одну и ту же величину ∆g.
Введем обозначения:
– ∆G – величина смещения вершины А;
– h – длина перпендикуляра, опущенного из точки D на основание BC;
– p=h/H – коэффициент сдвига, который одинаков для всех точек на отрезке D1D2.
Исходя из подобия треугольников СD2D2” и CAA” следует:
D2 D2 " CD2

 g  p  G
AA"
CA
Тогда координата точки D2” по оси G:
(3)
152  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» Gd "  Gd  g  Gd  p  G  Gd 
h  G
( R  Rc )  (Ga "Ga )
 Gd  d
H
( Ra  Rc )
(4)
Формула (4) применима и для нахождения координаты по оси B с внесением
соответствующих изменений.
Используя формулы (2) и (4) возможно произвести пересчет координат любой точки
внутри пирамиды.
После расчета функций преобразования всех точек для всех подпространств СТЗ
формируется итоговая коррекционная матрица, действительная для данной СТЗ при
неизменных параметрах и для данных условий освещения.
Главным отличием предложенного метода от существующих является то, что для
каждой точки цветового пространства, фактически, рассчитывается собственная уникальная
функция преобразования. Это позволяет производить качественную цветокоррекцию по всей
области цветового пространства СТЗ. При этом качество цветокоррекции по данному методу
определяется количеством базовых точек и расстоянием между ними в цветовом
пространстве. Чем их больше (при равномерном распределении в цветовом пространстве), тем
выше качество.
Заключение
Предложенный метод дает результат, вполне достаточный для его применения в
системах технического зрения, оперирующих цветовыми характеристиками исследуемых
объектов. Полученная точность цветопередачи изображений позволит улучшить качество
работы в областях, занимающихся репродукцией произведений художественного искусства,
системах контроля качества продуктов питания по цвету, в оптических сепараторах руд
твердых полезных ископаемых.
Но истинная ценность описанного метода заключается не столько в улучшении работы
существующих систем технического зрения, сколько в расширении границ применения
метода цветового анализа объектов по их изображениям.
Литература
1. Рябкин В.К., Литвинцев Э.Г., Тихвинский А.В. и др. Метод полихромной фотометрической
сепарации золотосодержащих руд // Горный Журнал, 2007, №12. – С. 88-93.
2. Alekhin A.A., Chertov A.N., Gorbunova E.V., Petuhova D.B. Optical-electronic system for
express analysis of mineral raw materials dressability by color sorting method // Proceedings of
SPIE, 2013, Vol. 8791, Videometrics, Range Imaging, and Applications XII; and Automated
Visual Inspection, 87911N. – P. 8 pages.
3. Ситник А.Г. Исследование и разработка цифровых методов и средств синтеза цветных
полутоновых изображений // Диссертация на соискание ученой степени кандидата
технических наук. – Киев: Институт кибернетики имени В. М. Глушкова, 1995 г. – 148 с.
УДК 681.786
Исследование погрешности измерения оптико-электронных датчиков на
основе стереоскопической системы конвергентного и нормального видов
Коротаев В.В., Нгуен Х.В., Ярышев С.Н.
Университет ИТМО
Стереоскопический оптико-электронный датчик представляет собой оптикоэлектронную систему, состоящую из двух видеокамер. При известных параметрах каждой
камеры, а также величине стереобазы, возможно определить координаты объектов в
наблюдаемой сцене. Существуют 5 источников погрешности измерения стереоскопической
системы: погрешности построения изображения, погрешности определения внутренних
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 153 параметров камеры, погрешности определения координат сопряженных точек и методические
погрешности, погрешности определения внешних параметров стереоскопической системы [1].
Первые четыре погрешности являются систематическими и их можно компенсировать в
процессе обработки. Пятый тип погрешности является случайной погрешностью, которая
сильно влияет на результат измерения. Точность измерения стереоскопической системы также
зависит от параметров стереоскопической системы, такие как фокусное расстояние
оптической системы каждой камеры, величина стереобазы и угол между камерами. Известно,
чем больше величина стереобазы, тем выше точность измерения стереоскопической системы
[2]. По величине угла между оптическими осями камер можно разделить стереоскопические
системы на 3 типа: конвергентный, нормальный и параллельный [3]. По результатам расчета
погрешности измерения системы параллельного типа всегда уступают системам нормального
типа [1]. В данной работе, авторы представляют математическую модель для исследования
погрешности измерения стереоскопической системы конвергентного и нормального видов
при использовании одного и того участка пространства с фиксированной величиной
стереобазы и точностью определения сопряженных точек в стереопаре, а также результат
анализа в среде MatLab. С помощью такой модели мы можем выполнить расчет параметров
стереоскопической системы, проанализировать ее погрешности измерения и выбрать
подходящую схему расположения камер для различных задач.
Рисунок 1 - Схема стереоскопической системы. а) нормальный вид, б) конвергентный
вид
При фиксированном положении зоны исследования фокусное расстояние оптической
системы
каждой камеры стереоскопической системы нормального вида определяется
следующей формулой:
.
2 ,
2 2
где, d- ширина приемной матрицы ПЗС; D – размер зоны пространства предметов; Z –
расстояние от стереоскопической системы до исследуемой зоны пространства предметов; b –
величина стереобазы. Угол между двумя камерами
0°.
Фокусное расстояние оптической системы каждой камеры f, угол поворота первой
камеры φ, и угол между камерами ω стереоскопической системы конвергентного вида
определяется следующими формулами:
154  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» °
180°
2∗
/
/
2∗
,
/
,
.
По этим параметрам мы можем определить матрицу внутренних параметров каждой
камеры, матрицу поворота камеры и вектор переноса стереоскопической системы. При
указании координат точек в пространстве [2], мы можем определить координаты точек в
стереопаре. Если указать величину ошибки определения координат сопряженных точек, мы
можем определить погрешность определения координат таких точек в пространстве.
Математическая модель стереоскопической измерительной системы для исследования
погрешности систем конвергентного и нормального видов реализована в среде MatLab. В
модели выбраны параметры матрицы ПЗС с размером 12,8x9,6мм; d = 2500мм, D = 50000мм и
Z=50000мм. Получаем для нормального вида: f=12,19мм. Для конвергентного вида f=12,8мм;
2,2°;
1,15°. Погрешности измерения по оси OZ представлены на рис.2.
а
б
Рисунок 2 - Погрешности измерения по оси OZ. а) нормальный вид, б) конвергентный
вид
По результатам исследований на математической модели видно, что при наблюдении
одного и того же участка с фиксированной величиной стереобазы и погрешностью
определения сопряженных точек, погрешности измерения стереоскопической системы
конвергентного вида меньше, чем системы нормального вида. Это можно объяснить тем, что
в системе конвергентного вида оптическая система имеет большее фокусное расстояние и
расстояние от первой камеры до исследуемого объекта по оси OZ меньше. В итоге, для
исследования определенного участка с фиксированной длиной базы и погрешностью
определения сопряженных точек в стереопаре, лучше выбрать конвергентный вид
стереоскопической системы.
Разработанная математическая модель может быть использована для расчетов величин
погрешностей измерительных оптико-электронных датчиков на основе стереоскопических
систем конвергентного и нормального видов.
Литература
1. П.Н. Бруевич. Фотограмметрия: Учеб. Для вузов // М.: Недра, 1990.
2. И.С. Грузман, В.С. Киричук и др. Цифровая обработка изображений в информационных
системах: Учеб. Пособие // Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002.
3. А.С. Назаров. Фотограмметрия: учеб. пособие для студентов вузов // Мн.: ТетраСистемс,
2006.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 155 УДК 681.78
Оптико-электронная система контроля соосности
В.В. Коротаев; М.А. Клещенок ([email protected])
Университет ИТМО
В настоящей работе приводятся результаты теоретического и экспериментального
анализа погрешностей оптико-электронной системы контроля соосности, как канала в
комплексе системы техносферной безопасности, оказывающих влияние на точность
измерений, в ходе которого исследовалось влияние наиболее существенных факторов.
Многомерность оптических сигналов, возможность принимать и обрабатывать в
реальном масштабе времени огромные объемы информации выдвигают оптико-электронные
системы (ОЭС) на первое место среди сложных систем автоматического обнаружения и
распознавания сигналов на фоне естественных и организованных помех, путем создания
расширяемых модульных ОЭС, работающих одновременно в нескольких различных областях
значений одного и того же информационного пространства.
В ходе работы был проведен анализ существующих методов и систем контроля
соосности, который выявил следующие недостатки: высокое энергопотребление; наличие
большого количества механических деталей; маленький диапазон контролируемых смещений;
сложность в изготовлении и эксплуатации; недостаточная точность измерений; контроль
смещения в одной точке; отсутствие автоматизации в процессе проведения измерений;
сильная зависимость от условий эксплуатации. Получение результаты свидетельствуют о
нехватке качественных устройств в данной отрасли.
Будущую систему целесообразно строить по принципу внешнебазной
авторефлексионной схеме с единым матричным фотоприемным полем анализа, на основе
существующих систем [1]. Контрольный элемент (КЭ) реализовать в виде двух трипельпризм,
каждая из которых симметрично смещена с визирной линии системы. В предлагаемой системе
“регистрируемая” база, соответствует двойной в аналогичной схеме [2], а также отсутствует
необходимость в электропитании и управлении КЭ, что освобождает систему от
'
'
'
'
дополнительных проводов. Координаты ( х1 , y1 ) и ( х2 , y2 ) (рисунок 1б) двух изображений
ПИД 4, полученные на ПОИ 2 с помощью ОФ и ОС 3, служат основой для вычисления
контролируемых смещений КЭ 5 по трем осям OX, OY, OZ.
К достоинствам такой системы можно отнести: большая гибкость, за счет выноса
измерительной базы за КЭ; отсутствует необходимость в электропитании и управлении КЭ;
возможность дальнейшей модернизации.
px
Y
B
x1
x2
Z
a)
X
y1
X
1
2
3
4
py

5
By
y2
Y
Bх
б)
Рисунок 1 – Оптическая часть схемы ОЭСКСПЭТ
На заключительном этапе работы проводились теоритические и экспериментальные
исследования погрешностей системы на разработанном стенде. Задача эксперимента состояла
в исследовании статической характеристики ОЭСКС, которая позволяет оценить основные
точностные характеристики системы.
156  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» Рисунок 2 – Горизонтальная и вертикальная составляющая систематической погрешности
В результате обработки полученных данных (рисунок 2), максимальное значение
систематической составляющей основной погрешности составило:  xosH  0, 052 мм (

 0.073 мм ); максимальное значение вариаций показаний H  0, 016 мм (
yosH
xo
  
  
H yo  0, 023 мм ); максимальное значение СКО    xoH   0, 0320 мм (    yoH   0, 0460 мм ).




Полученные результаты несколько выше теоретических, т.к. возможно был не верно
выбран масштабный коэффициент, не учитывались маловлияющие погрешности в
совокупности, что планируется исследовать в дальнейшем.
Литература
1. Kleshchenok M.A., Anisimov A.G., Lashmanov O.U., Timofeev A.N., Korotaev V.V.
Alignment control optical-electronic system with duplex retroreflectors // Proc. of SPIE - 2014,
Vol. 9131, pp. 91311X
2. Клещенок М.А. Исследование методических погрешностей работу оптико-электронной
системы контроля соосности с дуплексным отражателем // Альманах научных работ молодых
ученых -2013. - С. 139-142
УДК 612.11, 681.785.5
Исследование макета оптико-электронной системы неинвазивного
контроля глюкозы
Е.А. Ластовская
Университет ИТМО
Сахарный диабет – группа эндокринных заболеваний, развивающихся вследствие
абсолютной или относительной недостаточности гормона инсулина, в результате чего
развивается гипергликемия и нарушаются все виды обмена веществ [1].
На сегодняшний день широко применяются электрохимические глюкометры,
требующие каплю крови для анализа, а недорогие безболезненные средства контроля
гликемии для личного пользования [2] на рынке медицинской техники практически не
представлены. Однако существует немало устройств, действие которых основано на
использовании температурных, электрических и других свойств биологического объекта.
Оценивать концентрацию глюкозы в крови возможно также и с помощью метода оптической
неинвазивной диагностики, основанного на законах спектрофотометрии и заключающегося в
регистрации и анализе спектральных характеристик излучения, пропущенного, отраженного
или поглощенного объектом [3].
Можно с уверенностью сказать, что создание неинвазивного глюкометра является
весьма актуальной задачей современного медицинского приборостроения.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 157 Для измерения количества глюкозы в крови была предложена структурная схема
макета оптико-электронной системы неинвазивного контроля глюкозы (ОЭС НКГ),
представленная на рисунке 1.
Рисунок 3 – Структурная схема макета ОЭС НКГ
Луч от источника излучения (ИИ), работающего от источника питания (ИП), направлен
на биологический объект (БО), закрепленный в узле фиксации биологического объекта
(УФБО). Прошедшее через ткань излучение по волоконно-оптическому кабелю (ВОК)
попадает в спектрометр (С), а затем в блок обработки информации (БОИ), переводящий
результаты измерений в данные, понятные пользователю.
Конструкция УФБО зависит от исследуемого БО. В качестве БО возможно
использовать фалангу пальца или мочку уха. Был разработан макет «ОЭС НКГ–1»,
предназначенный для исследования возможностей метода оптической неинвазивной
диагностики по мочке уха, подобрана элементная база, разработаны необходимые
конструктивные элементы.
С помощью разработанного макета были проведены экспериментальные исследования
по предложенной методике. На первом этапе были измерены спектральные характеристики
БО при нормальном уровне сахара крови. Затем рост уровня сахара был спровоцирован
приемом сладкой пищи. В процессе увеличения и последующей стабилизации гликемии под
контролем инвазивного глюкометра измерялись спектральные характеристики БО. При
последующей обработке полученных данных и их анализе (рисунок 2) были сформулированы
некоторые предположения: при увеличении сахара крови максимум пропускания БО
смещается в инфракрасную область, существует несколько характерных точек графика
спектральных характеристик пропускания в некотором диапазоне следующих длин волн: 600
нм, 730 нм, 760 нм, 950 нм. Полученные данные требуют тщательной проверки, которая будет
реализована по усовершенствованной методике.
Рисунок 4 – Спектральные характеристики пропускания БО при различных уровнях сахара:
ex1 – 5,5 ммоль/л, ex2 – 7,3 ммоль/л, ex3 – 9,4 ммоль/л, ex4 – 12,5 ммоль/л,
ex5 – 10,9 ммоль/л
158  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» Для дальнейших исследований разработан макет «ОЭС НКГ–2». Принципиальным
отличием его от первого макета является то, что в качестве объекта исследования используется
ногтевая фаланга пальца, а широкополосный ИИ заменен набором светоизлучающих диодов,
длины волн излучения которых выбраны по результатам экспериментальных исследований
макета «ОЭС НКГ–1». Новый макет позволит более детально исследовать зависимость
концентрации глюкозы в крови от интенсивности проходящего излучения.
Литература
1. П. А. Фадеев. Сахарный диабет – М.: ООО «Издательство Оникс»: ООО «Издательство
«Мир и Образование», 2009. – 208 с. – (Как победить болезнь).
2. Устройство для неинвазивного определения концентрации глюкозы в крови [Текст]: пат.
2317008 Рос. Федерация: МПК A 61 B 5/145, G01N33/49 / Эльбаев А.Д., Эльбаева Р.И.,
Курданов Х.А., Перковский Р.А.; заявитель и патентообладатель Эдьбаев А.Д., Эльбаева
Р.И., Курданов Х.А., Перковский Р.А. –N2006119173/14; заявл. 31.05.2006; опубл.
20.02.2008, Бюл. N5. – 9 с.: ил.
3. Оптическая биомедицинская диагностика. В 2 т. / Пер. с англ. Под ред. В.В.Тучина. – М.:
ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 368 с.
УДК 548.1
Моделирование формы кристаллических объектов для их анализа с
помощью телевизионных оэс
Е. А. Маркварт
Университет ИТМО
В настоящее время актуальна проблема сортировки кристаллов алмаза и других
драгоценных и полудрагоценных камней с помощью оптико-электронных методов. Одним из
классификационных признаков считается форма кристаллов.
Первым этапом работы по созданию теоретической модели оптико-электронного
прибора для сортировки кристаллов по форме является разработка теоретических моделей
кристаллов различных форм. Для построения компьютерной модели с помощью программы
MATLAB объект рассматривается в виде набора взаимосвязанных функций.
При выборе языка, на основе которого реализуется система, использовались следующие
критерии:
 объектно-ориентированные возможности и интерфейсы к программам, написанным на
других языках программирования;
 интерпретируемый язык программирования;
 возможность интеграции языка;
 визуализация данных.
В качестве языка программирования был выбран высокоуровневый интерпретируемый
язык MATLAB, включающий структуры данных, основанные на матрицах, с широким
спектром функций.
Ниже приведен пример результата построения в MATLAB модели кристаллического
объекта типа «многогранник».
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 159 Рисунок 1– Модель «многогранник»(вершины – 12, грани – 20, ребра – 30)
Вторым этапом для дальнейшей разработки программного обеспечения для создания
ОЭП, анализирующей формы кристаллических объектов, стала разработка программы для
распознавания формы простейших объектов в среде LabVIEW.
Пример исходного кода и результата программы приведены ниже.
Рисунок 2 – Блок-диаграмма в среде программирования LabVIEW
Рисунок 3 – Лицевая панель программы
160  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» Следующая актуальная задача – построение произвольных форм кристаллических
объектов, не подчиняющихся описанию с помощью основных математических функций в
MATLAB и их распознавание в среде LabVIEW.
Результатом проводимых исследований должен являться ответ на вопрос: «Возможен ли
автоматизированный анализ кристаллических форм и классификация соответствующих
объектов и, если да, то какой набор признаков наиболее важен для дальнейшей реализации
этого процесса?»
Литература
1. Кетков Ю.Л., Кетков А.Ю., Шульц М.М. MATLAB 7: программирование, численные
методы. – СПб.: БХВ-Петербург, 2005. – 752 с.
2. Тревис Дж. LabVIEW для всех. – М.: Изд-во "ДМК Пресс", 2005. – 544 с.
УДК 004.352.2
Анализ современных оптико-электронных биометрических датчиков
контроля и управления доступом
Е. А. Моисеев
Университет ИТМО
В эпоху прогресса информационных технологий, когда для профессионалов взломать
любую защиту не составляет труда, требуется особые идентификаторы для систем контроля и
управления доступом. Именно такими идентификаторами являются некоторые
характеристики нашего организма: отпечаток пальцев, форма ладони, расположение вен,
голос, сетчатка и радужка глаза и т.п.
Все системы контроля и управления доступом (СКУД) делятся на два крупных класса, а
именно технические и биометрические, которые в свою очередь также делятся на два класса:
контактные и бесконтактные. Технические СКУД – это всевозможные магнитные карты,
смарт-карты, карты-виганда, проксимити-карты и т. д. Множество компаний предлагают
огромное количество этих систем, но все их при большом желании можно взломать [1].
Биометрические параметры в свою очередь для каждого человека индивидуальны.
Биометрические параметры делятся на несколько видов. По принципу действия они
бывают статические, такие как код ДНК, отпечатки пальцев, геометрия лица и рук и т. д.;
динамические: голос и почерк; комбинированные. У каждой группы есть свои достоинства и
недостатки, и, на мой взгляд, более надежными являются статистические, поэтому рассмотрим
их достоинства и недостатки подробнее.
Системы, основанные на сканировании отпечатков пальцев
Достоинства: удобство, надежность (обеспечиваемая наработками за 100 с лишним лет
развития технологии), неизменность идентификатора (у взрослых людей), сравнительная
дешевизна оборудования и программного обеспечения, большее (по сравнению с другими)
количество идентификаторов (10 пальцев рук против двух глаз, одного лица и т. д.).
Недостатки: наличие небольшой доли людей, отпечатки пальцев которых распознаются
плохо, необходимость контакта со сканером отпечатков, влияние температурных и
физиологических факторов (сложность распознавания сухих и “холодных” (с мороза)
пальцев).
Системы, основанные на сканировании формы лица
Достоинства: отсутствие необходимости контактировать со сканирующим
устройством, возможность применения в местах массового скопления людей (аэропорты,
вокзалы и т.п.), максимальная социальная приемлемость (по аналогии с фотографированием
на обычные документы).
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 161 Недостатки: самый низкий (в особенности по отношению к идентификации по
отпечаткам пальцев и радужке) процент успешного распознавания, большая чувствительность
к изменениям идентификатора (появление очков, бороды и т.д.) и внешним факторам (поворот
головы, освещенность и т.п.).
Системы, основанные на сканировании формы ладони руки
Достоинства: надежность сравнима с идентификацией по отпечаткам пальцев.
Недостатки: высокая стоимость сканеров, их большие размеры, неудобная (по
сравнению с другими технологиями) процедура идентификации
Системы, основанные на сканировании радужной оболочки глаза
Достоинства: отсутствие необходимости контактировать со сканирующим
устройством, очень высокий процент успешного распознавания.
Недостатки: изменчивость идентификатора под влиянием возраста и состояния нервной
системы, чувствительность средств идентификации к внешним факторам (освещенности,
цвету кожи идентифицируемого и т.д.), дороговизна сканеров, небольшое количество
производителей оборудования.
Системы, основанные на сканировании расположения вен в пальцах и руках
Достоинства: отсутствие необходимости контактировать со сканирующим
устройством, неизменность идентификатора на протяжении всей жизни, низкая
чувствительность сканеров к внешним условиям (температура окружающей среды,
освещенность и т.п.).
Недостатки: необходимость точного расположения идентификатора по отношению к
сканеру (на определенном расстоянии), высокая стоимость сканеров, отсутствие практики
применения технологии при обслуживании большого числа пользователей (в режиме
идентификации) [2][3].
Проанализировав достоинства и недостатки всех рассмотренных систем, можно прийти
к выводу, что самыми надежными, удобными и недорогими на данный момент являются
системы, основанные на считывании отпечатков пальцев.
На рисунке представлена структурная схема разрабатываемой системы.
Принцип работы такой системы состоит в следующем: к контактной панели
прикладывается палец; с обратной стороны панель освещает источник излучения; отраженное
излучение попадает через оптическую систему на приемник излучения; с помощью устройства
обработки информации полученный сигнал обрабатывается, происходит сравнение с базой
данных. В итоге при положительном результате замок открывается, при отрицательном –
остается в закрытом состоянии.
Рисунок 1 – Структурная схема системы контроля доступом, основанной на
сканировании отпечатков пальцев
В дальнейшей работе планируется провести выбор элементов, создать макет системы и
написать программное обеспечение.
162  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» Литература
1. Барсуков В.С. Безопасность: технологии, средства, услуги / В.С. Барсуков. - М., 2001
2. Гинце А. Новые технологии в СКУД // Системы безопасности, 2005.
3. Мащенов Р.Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения:
учебное пособие. М.: Горячая линия. – Телеком, 2004.
УДК 681.786
Исследование автоколлимационного сенсора
углового положения на основе четырёхгранного отражателя
Моисеева А.А., Коняхин И.А., д. т. н. профессор
Университет ИТМО
Высокоточные измерения углов являются одной из важнейших операций в приборо- и
машиностроении. Автоколлимационный метод измерения является наиболее перспективным
и удобным методом, так как измерения осуществляются бесконтактным способом, а
погрешность очень мала. Важной задачей, направленной на совершенствование
автоколлиматоров (АК) или автоколлимационных сенсоров является увеличение рабочей
дистанции автоколлимационных измерений, что особенно актуально для измерения
деформаций крупногабаритных сооружений.
Для решения метрологических, связанных с угловыми измерениями, задач эффективны
двухкоординатные оптико-электронные АК, позволяющие контролировать положение
объекта относительно двух осей, перпендикулярных оптической оси АК (коллимационные
оси). В ходе работы был проведен анализ двухкоординатных автоколлиматоров,
представленных на современном рынке.
Двухкоординатные АК, производимые рассмотренными фирмами, используются вместе
с плоским зеркалом, которое крепится на контролируемом объекте. Если зеркало наклонить
на углы α – в одной плоскости и β – в ортогональной относительно начального положения, то
выходящий из объектива параллельный пучок лучей, отразившись от плоского зеркала,
вернется в объектив под углами 2α и 2β относительно первоначального направления. Таким
образом, изображение коллимационной марки построится в точке, отстоящей от центра
плоскости матрицы на некоторые расстояние у – по одной оси и х – по другой, которые
принято называть смещением автоколлимационного изображения. Программа определяет
величину смещения перекрестья у, х по формуле:
y
x
(1)
tg 
, tg  
,
f 'об
f 'об
после чего нетрудно вычислить значение неперпендикулярности отражающей поверхности
плоского зеркала и оптической оси АК.
Рабочая дистанция АК с плоским зеркалом не превышает 5 метров. Одна из причин –
значительное смещение отражённого пучка в плоскости апертуры объектива при наличии
одновременно углов поворота относительно двух коллимационных осей.
В данной работе рассматривается отражатель в виде четырехугольной пирамиды,
позволяющий увеличить рабочую дистанцию. Характерной его особенностью является то, что
противолежащие грани составляют одну рабочую поверхность и по этой причине
параллельный пучок лучей, падающих на преломляющую грань при отражении, разделяется
на два пучка, каждый из которых формирует соответствующая эквивалентная призма БР-180.
При вращении пирамиды относительно одной оси, каждый отражённый пучок в
плоскости апертуры объектива будет перемещаться только вдоль ортогональной оси, в то
время как по другой координате его положение меняться не будет. В результате диаметр
объектива для приёма этих двух пучков будет в корень из двух меньше, чем диаметр объектива
для приёма пучка, отраженного от плоского зеркала при тех же углах поворота (рис. 1). Это
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 163 позволяет соответственно в корень из двух раз увеличить рабочую дистанцию
автоколлиматора простой заменой отражающего контрольного элемента.
Рисунок 1 – Плоскость анализа автоколлимационного изображения
Для анализа методических погрешностей при использовании пирамидального
отражателя получены выражения для матриц отражённых пучков:

cos 1  sin 2 2  sin 2 3  sin 1  cos  2  sin 23
 Bx1  




2
2
B1   By1     sin 21  cos  2  sin 3  cos 21  sin  2  sin 23  sin 21  cos 23 
(2)
 Bz1   2  cos 2 1  cos 2  2  sin 2 3  sin 21  sin  2  sin 23  cos 21  cos 23 

cos 1  sin 2 2  cos 2 3  sin 1  cos  2  sin 2 3
 Bx 2  




2
2
B2   B y 2   
cos 21  sin  2  sin 2 3  sin 21  cos  2  cos 3  sin 21  cos 2 3

 Bz 2   2  cos 2 1  cos 2  2  cos 2 3  2  cos 21  cos 2  3  1  2  cos 2 1  sin 21  sin  2  sin 23 
где Θ1, Θ2 – измеряемые коллимационные углы; Θ3 – возможный угол скручивания объекта.
Вектор отраженного от отражателя луча B будет состоять из следующих составляющих:
 Bx   sin   cos  
(3)
 .
B   By    sin 

 Bz   cos   cos  
В ходе исследований сравнили углы α и β, получаемые из формул (1) – по упрощенному
алгоритму и (3) – без упрощений, и получили, что при увеличении диапазона измерений углов
1, 2 (0…10о) существенно растет погрешность измерений Δметод (рис. 2).
Таким образом, у разработчика есть два варианта действий: использовать
дополнительный микропроцессор, который будет обрабатывать измерения по точному
алгоритму в соответствии с выражениями (2) и (3), или использовать упрощенный известный
алгоритм в тех задачах, где погрешность будет очень мала.
164  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» Рисунок 2 – Погрешности измерений из-за упрощения алгоритма
На следующем этапе работы планируется исследование особенностей алгоритма
измерения углов при случайном характере изменения пространственного положения объекта,
а также влияние аберраций, полученных из-за особенностей формы выбранного отражателя,
на точность измерений с помощью автоколлимационного сенсора.
Литература
1. Погарев Г.В., Киселев Н.Г. Оптические юстировочные задачи: Справочник. – 2-е изд.,
перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. – 260 с.: ил.
2. Коняхин
И.А.
Аналитический
обзор
систем
измерения
углов
поворота
автоколлимационным методом, Глава 1. Пособие. – СПб: ИТМО, 2009 г.
УДК 681.78
Оптико-электронный преобразователь для контроля положения
железнодорожного пути
А.В. Никулин ([email protected]), А.Н. Тимофеев, А.В. Пантюшин,
Университет ИТМО
В статье описывается особенности построения оптико-электронного преобразователя,
предназначенного для контроля положения железнодорожного пути в профиле и плане и
реализующего измерения на базе одной видеокамеры и с использованием вынесенной
пространственно-модулированным контрольным элементом.
Актуальность данной разработки обусловлена выдвижением новых требований к
обслуживанию железнодорожного пути, в частности к его периодичности и
продолжительности [1] с развитием высокоскоростного железнодорожного транспорта и
растущей грузонапряженностью магистралей.
Так, например, задача увеличения интервалов обслуживания железнодорожного пути
может быть решена за счет его постановки в проектное положение с привязкой к абсолютной
системе координат [2]. В этом случае необходимо определять положение пути с
погрешностью менее 1 мм в диапазоне ±360 мм (в профиле) на дистанции до 7 м (в плане).
Причем измерения должны осуществляться с использованием реперной сети, рабочие репера
которой обычно установлены на опорах контактной сети. Известные способы решения этой
задачи, основанные на использовании путевых тележек с применением стандартного
геодезического оборудования (лазерные трекеры, тахеометры, теодолиты, приемники
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 165 GPS/ГЛОНАСС), обладают низкой производительностью (до 2 км/ч). Предлагаемый же
преобразователь при сохранении необходимой точности обеспечивает высокую
производительность (до 10 км/ч).
Стоит отметить, что ранее коллективом кафедры оптико-электронных приборов и
систем Университета ИТМО был разработан оптико-электронный преобразователь [3],
реализующий стереоскопическую схему измерений. К недостаткам этого преобразователя
можно отнести фундаментальную неустраненную возможность рассинхронизации
видеокамер. В то время как описываемый преобразователь ввиду наличия только одной
видеокамеры лишен этого недостатка, так как построен на внешнебазовой схеме.
Данный преобразователь содержит видеокамеру 1 и контрольный элемент 2,
выполненный в виде перекрестия, имеющего координаты C(x1, y1), D (x2, y2) (рисунок).
Рисунок 1 – Схема построения измерительной цепи преобразователя
Принцип его работы основан на том, что положение пути можно определить зная
отношение величины базы В (минимального расстояния между геометрическими центрами
нескольких контрольных элементов, расположенных на одном столбе) к величине ее
изображения на матричном фотоприемнике видеокамеры.
На основе проведенного математического моделирования элементов преобразователя
показана возможность его построения с использованием существующей элементной базы с
сохранением необходимых точностных характеристик и достижением требуемой
производительности.
Работа выполнена при государственной финансовой поддержке ведущих
университетов Российской Федерации (Госзадания 2014/190 и 8.599.2014/K).
Литература
1.
Годовой отчет РЖД: [Электронный ресурс] // ОАО «Российские железные дороги».
2013. URL: http://ar2013.rzd.ru/ru/ (Дата обращения: 25.09.2014).
2.
Самратов У.Д., Сакович Л.А., Кривдин Д.Г. О точности определения геометрических
параметров
железнодорожного
пути
с
помощью
автоматизированных
путеизмерительных комплексов // Геопрофи, 2008. № 7. С. 28—32.
3.
Оптико-электронные системы контроля положения реперных меток/ В. В. Коротаев, А.
В. Пантюшин, А. Н. Тимофеев // Путь и путевое хозяйство : Научно-популярный ,
производственно-технический журнал. - 2012. - N 11. - С. 34-37. - Библиогр. в конце ст.
с. 37 (8 назв.) . - ISSN 0033-4715
166  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» УДК 681.786
Оптико-электронные системы контроля износа лопаток паровых турбин
низкого давления
Д.В. Прохин, О.Ю. Лашманов, А.Н. Тимофеев
Университет ИТМО
Рабочие лопатки последних ступеней цилиндра низкого давления мощных паровых
турбин работают в условиях высоких каплеударных нагрузок, что часто приводит к
интенсивному эрозийному износу входных, а в некоторых случаях и выходных кромок. Это
предопределяет необходимость оперативного контроля и диагностики эрозийного состояния
лопаток как одного из основных требований обеспечения надежности лопаточного аппарата.
Применяемые на электростанциях методы контроля состояния рабочих лопаток решают
задачи обнаружения дефектов обычно на поздних стадиях развития эрозионного износа или
появления трещин. Для того, чтобы своевременно производить необходимые наблюдения за
состоянием турбины и нужны современные высокотехнологичные приборы.[2]
Попытки создания приборов выполняющие данные функции проводилась как в России,
так и за рубежом, но на сегодняшний день эти системы устарели и требуют переоснащения и
модернизации.[2][3][4]
Предлагается модифицировать известную схему видео эндоскопа путем выбора более
современных комплектующих, а так же создание своей собственной процедуры обработки
поступающих данных. На основе анализа современных приборов и систем, были выдвинуты
основные требования к основным блокам разрабатываемой нами системе.[3][4]
Видео зонд:
1)
Матрица: CMOS
2)
Количество пикселей: 440000
3)
Длина зонда: 2,5 м
4)
Цифровой зум: 2х
5)
Видео: NTSC видео 460 TV линий
6)
Оптическая система: 60° поле обзора с настройкой фокуса, диапазон: от 20 мм до 200
мм
Блок обработки:
1.
Промышленный ноутбук
2.
Процессор: Intel Core i3
3.
Встроенная память 60 ГБ
4.
Накопитель 4 ГБ внутренней карты CompactFlash ®.
5.
Стандартный разъем для ПК видео и 3 USB 2.0
Сканируется предметная область в предметной области в пределах поля обзора с
помощью лазера с цилиндрической линзой. Так же возможно усовершенствовать данный
прибор заменив лазер с цилиндрической линзой на лазерную сетку, которая будет
проецироваться на объект. Для улучшения результатов сканирования используется
светодиодная подсветка. Изображение, пройдя осветительную систему (ОС) формируется на
матрице, расположенные в видеозонде. Фотоприемное устройство регистрирует непрерывный
сигнал, модулированный по интенсивности в соответствии с пространственным
распределением коэффициента отражения.
Затем полученный сигнал направляется в блок обработки, где с помощью программного
обеспечения обрабатывается. Полученные результаты выводятся на дисплей. Возможен и
другой вариант:
Предмет в предметной области сканирует двумя зондами. Световым зондом и видео зондом.
Видео зонд состоит из фоторезистора и схемы обработки.
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 167 Оптическое излучение падающий на предмет, затем попадает на фоторезистор со схемой
обработки. Сигналы от фоторезистора и светового зонда обрабатывается в блоке обработки, и
выводится итоговый результат.
В дальнейшем планируется собрать прототип устройства, а так же обновить
программное обеспечение устройства для выполнения им поставленной задачи.
Дополнительной возможностью является использование дополнительного зонда для
обеспечения синхронизации видеоизображений лопаток. [5]
Рисунок 1 – Структурная схема системы контроля износа лопаток паровых турбин низкого
давления
На условном макете «лопатка турбины» проводятся первые испытания прибора:
Рисунок 2 – Результаты испытаний прибора
В дальнейшем планируется собрать прототип устройства, а так же обновить
программное обеспечение устройства для выполнения им поставленной задачи.
Литература
1. Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. Второе издание, переработанное и
дополненное. — К.: Высшая шк. Головное изд-во, 1988.— 383 с.
2. Хаимов В.А., Кокин В.Н., Пузырев Е.И., Воронов Е.О., Ганжин В.А., Внедрение системы
оперативного контроля и диагностики эрозионного износа рабочих лопаток мощных
паровых турбин / Энергетические станции, №12, 2006 с 32 – 36.
3. http://www.ge-mcs.com/en/remote-visual-inspection/video-borescopes/xl-g3-videoprobe.html сайт компании GE Measurement & Control.
4. http://www.iamega.ru/pdf/optics_catalog_2011.pdf - каталог фирмы Everest Industrial Optics
5. Андреев А.Л. Автоматизированный видеоинформационные системы, Учебное пособие,
ИТМО 2011.
168  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» Исследование виньетирования пучков в оптико-электронной
автоколлимационной системы измерения углов
Сахариянова А.М., Коняхин И.А.
Университет ИТМО
В настоящее время одной из проблем метрологии является измерение угловых величин,
в частности, угловых деформаций в критических точках крупногабаритных объектов. Для
решения указанной задачи эффективно использование автоколлимационных сенсоров.
Автоколлиматор, являющийся базовой системой сенсора позволяет измерить угол поворота
зеркала как чувствительного элемента в точке угловой деформации с потенциальной
точностью до 0.005". Фактически погрешность может значительно превышать указанную
величину из-за наличия систематической погрешности, одной из главных составляющих
которой является погрешность вследствие виньетирования рабочего пучка. Причиной
погрешности вследствие виньетирования является изменение распределения облучённости
изображения на анализаторе автоколлиматора вследствие срезания пучка оптических лучей
при отклонении зеркала в случае угловой деформации [1].
Составляющая систематической погрешности вследствие виньетирования пучка может
быть устранена при наличия аналитического описания изменения распределения
облученности анализируемого изображения. Вследствие сложности аналитического описания
процессов виньетирования предлагается использование компьютерной модели.
Моделирование основано на приближении, согласно которому каждая точка конечного
изображение источника излучения по своей сути является сфокусированной областью
пересечения входного зрачка и отражённого зеркалом элементарного пучка, и ее энергия
оказывается пропорциональной интегралу (общей энергии) по этой области [2].
Также: в автоколлимационных системах с виньетированием конечное распределение
освещенности связано с двумя положениями, согласно первого постепенное уменьшение
освещенности изображения источника от своей центральной части к периферии есть
следствие движения входного зрачка по апертурной диафрагме, согласно второго – форма
среза изображения вертикальными плоскостями непосредственно определяется формой
контура источника оптического излучения (излучающей марки автоколлиматора), которая в
данном случае играет роль полевой диафрагмы в пространстве предметов [3].
На рисунке 1 показан источник излучения и выделена последняя точка, которая еще
является светящейся. Излучение этой точки преобразуется оптической системой в
элементарный пучок, являющийся наиболее отклоненным от оптической оси, в целом веере
лучей, порождаемых точками, подобными последней. Наиболее отклоненный элементарный
пучок после отражения от контрольного элемента частично попадает во входной зрачок и
срезается. Область, являющаяся пересечением входного зрачка и элементарного пучка,
изображается оптической системой на поверхности приемника в виде точки, а поскольку эта
точка соответствует наиболее отклоненному элементарному пучку, то множество таких точек
образует резко срезанный край в конечном распределении освещенности.
Рисунок 1 - Автоколлимационная система и наиболее отклоненный пучок
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 169 Анализатор автоколлимационного сенсора выполнен в виде матричного ПЗС. Их
основными
характеристиками
являются
разрешение,
физические
размеры,
светочувствительность, уровень шума, динамический диапазон. Уровень шума матрицы
складывается из нескольких составляющих, таких как тепловой шум (шум Джонса),
геометрический шум, дробовой шум и других. В ходе компьютерного эксперимента была
синтезирована имитационная модель формирования поля облученности в виньетированном
изображении на матричном анализаторе с учётом основных составляющих шумов,
позволяющая выполнять исследования алгоритмов обработки изображения в
автоколлимационном сенсоре и выявить зависимость погрешности вследствие
виньетирования перемещения изображения.
Поиск центра изображения осуществляется по оптимизированному алгоритму
«взвешенного суммирования» [4]:




n
m
m
2 
2 
i  Ei , j  
j  Ei , j  






i 0
j 0
 , Y : i 0  j 0

X : n m
n
m


Ei , j 
Ei , j 






i 0  j 0
i 0  j 0


n
На основе данной компьютерной модели формирования поля облученности в
изображении на матричном анализаторе было рассмотрено влияние основных составляющих
шумов в автоколлимационных системах. На рисунке 2 показан график погрешности
позиционирования изображения, вносимой шумами; среднеквадратическое значение
погрешности, определяющей потенциальную точность измерения составило  ≈10-3 пиксела
ПЗС.
Рисунок 2 - График отклонения
результатов измерения от номинального из-за
влияния шумов
Рисунок 3 - График погрешности
измерения координаты изображения
анализатором сенсора вследствие
виньетирования
Для анализа виньетирования определялась статическая характеристики анализатора при
различных коэффициентах виньетирования изображения (рисунок 4). На рисунке 3
представлен график отклонения  измеренной координаты центра модели изображения от
задаваемой; среднеквадратическое значение погрешности при наличии виньетирования.
Используя полученную зависимость для компенсации систематической погрешности
вследствие виньетирования, можно практически реализовать точность измерения,
близкую к потенциальной.
170  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» Рисунок 4 - Компьютерная модель виньетированного изображения
Таким образом, с помощью компьютерной аналитической модели обработки
изображения на матричном ПЗС были проведены оценка погрешности, вносимой шумами
матричного анализатора и выполнен имитационный анализ виньетирования изображения с
целью коррекции систематической погрешности.
Исследования выполнялись при государственной финансовой поддержке ведущих
университетов Российской Федерации (субсидия 074-U01).
Литература
1. Коняхин И. А., Панков Э. Д. Трехкоординатные оптические и оптико-электронные
угломеры: Справочник. - М.: Недра, 1991.
2. Коняхин И.А. Развитие оптико-электронных автоколлимационных средств контроля
угловых деформаций // Оптический журнал. - 2000. - Т. 67. - № 4. - С. 52-56.
3. Высокоточные угловые измерения/Д.А. Аникст, К.М. Костантинович, И.В. Меськин,
Э.Д.Панков. Под ред. Ю.Г. Якушенкова, М.: Машиностроение, 1987 – 480 с.
4. Жуков Д.В., Коняхин И.А., Усик А.А. Итерационный алгоритм определения координат
изображений точечных излучателей //Оптический журнал, том.76, №1, 2009, с 43-45.
УДК 681.785.35
Разработка экспериментальной установки для исследования
поляризационных свойств оптических систем
Трушкина А.В., Рыжова В.А.
Университет ИТМО
Введение
Для определения оптических констант материалов, толщин тонких диэлектрических
пленок и проведения других прецизионных измерений широко применяются оптические
поляризационные сенсоры. При проектировании, юстировке, точностном анализе и
эксплуатации оптических схем таких сенсоров необходимо иметь предварительную
информацию о влиянии погрешности взаимной ориентации отдельных элементов и блоков
прибора на состояние поляризации и энергию излучения, проходящего через оптический
канал. Ранее проводились теоретические и экспериментальные исследования по определению
оптимального взаимного разворота оптических элементов, в том числе, с учетом влияния
двулучепреломления элементов оптического тракта [1]. Разработан высокочувствительный
спектроэллипсометр со световым пятном малого размера, использующийся в
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 171 полупроводниковой индустрии [2]. Данная работа посвящена описанию макета
экспериментальной установки, а также методики выполнения измерений, позволяющих
получить комплексную оценку влияния коллимационных поворотов оптических элементов на
основе изотропных и анизотропных материалов на изменение параметров поляризации и
энергии прошедшего через них излучения.
Работа стенда основана на использовании ненулевых фотометрических методов для
исследования поляризационных свойств оптических систем как с исходной, так и с
произвольной, изменяющейся во времени пространственной ориентацией. Несмотря на
снижение точности измерений по сравнению с нулевыми методами [3], фотометрическая
схема позволяет, в общем случае, исключить компенсатор, что существенно упрощает
конструкцию и дает возможность проводить измерения в широком спектральном диапазоне,
тем самым делая систему более универсальной.
Принцип работы статической фотометрической системы состоит в том, что
детектируемый сигнал (обычно постоянный, если не применяется прерыватель светового
пучка от источника) записывается при заранее определенных и фиксированных положениях
оптических элементов, т.е. при заданных значениях азимутов поляризатора и анализатора.
Схема показана на рис.1.
Рисунок 1 – Ненулевая схема
В качестве источника излучения в схеме используется светодиод с максимумом
излучения на длине волны λ = 630 нм. В качестве поляризатора и анализатора – призмы
Николя, являющиеся однолучевыми поляризаторами. Приемное устройство – телевизионная
камера формата 1/2,5” с матричным приемником оптического излучения, выполненным на
основе КМОП-сенсора. Для камеры используется объектив с относительным отверстием 1:1,4
и фокусным расстоянием 75 мм. Пространственная ориентация объекта в разработанной
оптической схеме задается при помощи трехкоординатного прецизионного устройства
позиционирования. Обработка сигнала производится с помощью программы, позволяющей
визуализировать на экране дисплея персонального компьютера подаваемый на плату ввода
сигнал в режиме реального времени, производить амплитудные и координатные измерения
непрерывно поступающего или ранее записанного сигнала. Поляризационные параметры и
интенсивность излучения на выходе исследуемого объекта связаны с амплитудными
составляющими вектора напряженности электрического поля следующими выражениями:
tg
tg 2αвх
arcsin
sin δ
(1)
cos δ
Таким образом, измеряемым параметром в разработанной схеме являются потоки
излучения на фоточувствительной площадке, с помощью которых определяется
интенсивность эллиптически поляризованного излучения на выходе исследуемого объекта [4]:
Ф
(2)
Ф
где Ф – поток излучения, попадающий на приемник оптического излучения (ПОИ), Ф – поток,
который попадал бы на ПОИ, если бы исследуемый элемент схемы был бы изъят.
172  Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» Выполняется экспериментальная проверка результатов исследования свойств призмы
Дове, полученных с применением методики описания прохождения поляризованного
излучения через оптические элементы с плоскими поверхностями при их изменяющейся
пространственной ориентации [5]. Методика предполагает применение координатных
методов Джонса и Мюллера для описания поляризации излучения и углов Эйлера-Крылова
для описания ориентации элементов:
εcos ; εsin
(3)
где ε – угол поворота оптической системы вокруг ее оси поворота, лежащей в плоскости XOY
(угол падения излучения на входную грань), а η – азимут оси поворота оптической системы в
плоскости XOY относительно оси X .
Ориентация ортов систем координат, в которых описывается состояние поляризации
излучения при отражении показана на рис. 2.
Рисунок 2 – Преобразование системы координат при прохождении излучения через
оптический элемент
Методика проведения эксперимента
В соответствии с выражением (2) необходимо определить максимальный поток
излучения Φ при согласованном положении поляризатора и анализатора без исследуемого
объекта. Эксперимент по проверке теоретических расчетов поляризационных свойств
предполагает проведение четырех серий измерений – для исходной ориентации и при углах
падения излучения на входную грань ε = 1°, 3°, 5°. Для этого объект устанавливается в схему
с помощью прецизионного устройства позиционирования и измеряется максимальный
потокФ для различных значений азимута входного линейно-поляризованного излучения αвх
при исходной и изменяющей пространственной ориентации объекта. Азимут входного
линейно-поляризованного излучения задается поворотом поляризатора в пределах от 0° до
90° с шагом не более 15°. Пространственная ориентация задается установкой коллимационных
углов κ и ψ в соответствии с выражениями (3). Для каждого угла падения задается свой шаг
изменения коллимационных углов.
Расчетная часть эксперимента реализуется программными средствами с
использованием следующих соотношений для эллиптичности:
arcsin
где параметр B:
∙ sin 2
вых
вых
(4)
,
а разность фаз между ортогональными компонентами вектора электрического поля
определяется выражением:
2arctg
∙
(5)
Конференция «Sensorica - 2014»/ Секция «Оптико‐ электронные сенсоры» 173 где ε2 – угол падения излучения на отражающую поверхность призмы (определяется
формулами Френеля для каждого пространственного положения элемента).
Оценка соответствия полученных результатов теоретическим расчетам проводится с
помощью выражения:
| эксп |
теор
теор
(6)
где теор и | эксп | – абсолютные значения эллиптичности поляризованного излучения на
выходе призмы, определенные теоретическим ( теор = 0,217) и экспериментальным (| эксп | =
0,248) способами. Отсюда = 14,29%.
Выводы
Разработан макет стенда для проведения экспериментальных исследований
поляризационных свойств оптических систем приборов. Полученные результаты измерений
подтверждают теоретические расчеты, опубликованные ранее [6]. Данная схема может быть
использована для проведения измерений как в отраженном, так и в проходящем луче.
Применение матричного фотопреобразователя в качестве приемного устройства позволяет
выполнять исследования структуры поляризации излучения от источников различного
спектрального диапазона.
Литература
1. Ловчий И.Л. Компенсация эффектов двойного лучепреломления элементов оптического
тракта при поляризационном способе определения взаимного разворота объектов. //
Оптический журнал – 2010 – №77(3) – с.60-66
2. Small spot size spectroscopic ellipsometer: пат. WO2013181156 A1/ Haiming Wang, Shankar
Krishnan; заявитель и правообладатель
Kla-Tencor
Corporation.
–
№
PCT/US2013/042900; заявл. 05.12.2013; опубл. 28.03.2013.
3. Ржанов А.В. Основы эллипсометрии / Ржанов А.В., Свиташев К.К. и др. под ред. Ржанова
А.В. - Новосибирск: Наука, 1979. - 422 с.
4. Аззам Р., Башара Н.(Azzam,Bashara). Эллипсометрия и поляризованный свет. М: Мир. 1981
- 584 с.
5. Панков Э.Д., Коротаев В.В. Поляризационные угломеры. М.: Недра, 1992.-240 с.
6. Демченко В.А., Коротаев В.В., Панков Э.Д. Поляризационные свойства отражательных
призм и зеркал. // Оптический журнал – 1992– №6 – с.23-28
174  Конференция «Sensorica - 2014» Оглавление
Пленарное заседание конференции ............................................................................................ 17 Laser diagnostics in sooting flames ............................................................................................... 18 Sensorics in researches of dynamical processes ............................................................................ 19 Influencing Parameters on Measuring the Cross-Section Area of Hot Rolled Rods in Steel
Industries ........................................................................................................................................ 23 Recent advances of artificial sensory systems: selected unusual applications .............................. 26 Market review of sensors: rate of growth, main drivers, trends, prognosis ................................... 27 Сенсоры и сенсорные сети ........................................................................................................... 29 A new wall-shear stress sensor on the basis of a wall-mounted cantilever and light interference 30 Разработка автоматизированного прибора для измерения кривой силы света светодиодов32 Микромеханический акселерометр с перестраиваемым диапазоном измерения.................. 33 Использование HLD-методологии для проектирования сенсорных сетей ............................ 35 Индукционный датчик положения для систем мониторинга деформаций ............................ 36 Построение сенсорной сети для системы мониторинга потенциально опасных объектов .. 38 Гиперспектральные сенсоры на гетероструктуре оксид цинка-сегнетоэлектрик ................. 41 Датчики, необходимые для обеспечения обратной связи
электромеханического протеза кисти ........................................................................................ 43 Сенсор магнитного поля с широким динамическим диапазоном на основе
высокотемпературного сверхпроводника системы BiPbSrCaCuO.......................................... 45 Интеллектуальное фотоприемное устройство терагерцового диапазона .............................. 46 Фазовые интерферометрические датчики на основе волоконных брэгговских решеток с
дискретно изменяющимся периодом ......................................................................................... 46 Датчики давления с акустоэлектронными сенсорами на объемных акустических волнах
для радиозондов ........................................................................................................................... 47 Общие вопросы применения сенсоров ...................................................................................... 51 Vibrational CARS Thermometry Measurements performed at a Test Bench
Industrial Oxy-Fuel Burners .......................................................................................................... 52 Rapid and simultaneous multi-species measurements with a portable Raman probe for lowpressure range on the example of the anesthetic gas monitoring ................................................... 53 Peculiarities of work of the local force sensor based on hydrophilic pT/c whiskers located on the
top of the scanning force microscope sI cantilever ........................................................................ 55 Multisensory gas-analyzing device: particular of the signal processing........................................ 57 Использование автоматических систем обработки данных для совершенствования
технологий человеко-компьютерного взаимодействия ........................................................... 58 Тепловизионная дефектоскопия высокотеплопроводных материалов .................................. 60 Конференция «Sensorica - 2014»175 Исследование эффекта инверсии в следящей системе сканирующего зондового
микроскопа и его устранение с использованием специализированных зондов
с Pt/C нановискерами ......................................................... Ошибка! Закладка не определена. Анализ возможности построения антиколлизионных ПАВ датчиков с интегрированным
полупроводниковым чипом ........................................................................................................ 63 Моделирование взаимодействия постоянных магнитов .......................................................... 64 Анализ синтез распределенных объектов управления с подвижным источником
воздействия ................................................................................................................................... 66 Применение сенсоров в диагностике заболеваний верхних дыхательных путей ................ 67 Образцовые излучатели для паспортизации сенсоров ............................................................. 68 Методика ускоренных испытаний терморезисторных сенсоров, входящих в состав
датчиков контроля уровня ракетного топлива .......................................................................... 70 Оценка перспектив применения сенсорных датчиков
для вибродиагностирования судовых дизелей .......................................................................... 71 Метод оценки уровня качества и эффективности сенсорных сетей ....................................... 72 Метод оценки технического уровня элементов сенсорных устройств по мониторингу
рекламаций в системе управления качеством производства ................................................... 73 Исследование влияния механических напряжений на характеристики волоконных
брэгговских решеток.................................................................................................................... 74 Система сбора и предварительной обработки информации для сейсмического
акселерометрического трехосного датчика ............................................................................... 76 Применение сенсорных органов управления и отображения информации в
автоматизированных рабочих местах подвижных объектов ................................................... 77 Псевдогетеродинная демодуляция сигнала фазовых волоконно-оптических
интерферометрических датчиков ............................................................................................... 77 Повышение точности акустоэлектроного первичного преобразователя физической
величины при дистанционном измерении................................................................................. 78 Система обеспечения безопасности в местах скопления людей на основе сенсора ионной
подвижности ................................................................................................................................. 81 Физические эффекты, используемые в сенсорике .................................................................. 83 Метод измерения среднеповерхностных температур теплоодающих поверхностей при
исследованиях теплообмена ....................................................................................................... 84 Синтез системы управления температурным полем буровых шнеков ................................... 84 Теплопроводность сенсорных датчиков в горнодобывающей отросли ................................. 85 Одночастотные полупроводниковые лазеры ............................................................................ 86 Исследование зависимости параметров анизотропных одномодовых волоконных
световодов от приложенного давления...................................................................................... 87 176  Конференция «Sensorica - 2014» Подстройка рабочей длины волны источника оптического излучения в фазовых
волоконных датчиках на брэгговских решетках....................................................................... 88 Разработка и исследование газочувствительных элементов для контроля состояния
энергетических комплексов ........................................................................................................ 89 Компенсация сдвига длины волны брэгговского резонанса волоконной решетки показателя
преломления с помощью элемента Пельтье .............................................................................. 91 Исследование влияния ортогонально поляризованных обратных отражений на источник
оптического излучения ................................................................................................................ 92 Моделирование процессов ........................................................................................................... 95 Filtration and prediction of experimental data with application NARMAX method .................... 96 Анализ данных сенсорных датчиков на гибридном суперкомпьютере ................................. 97 Исследование алгоритмов демодуляции интерференционных сигналов............................... 99 Анализ данных сенсорных датчиков объектов с распределенными параметрами ............. 100 Основные понятия анализа и синтеза систем автоматического управления
сенсорными датчиками.............................................................................................................. 102 Разработка графического сенсорного интерфейса ................................................................. 104 Измерение нестационарного теплового потока для прогнозирования времени сохранения
несущей способности тоннельных сооружений при пожаре ................................................ 106 Материалы и технологии для сенсорики ................................................................................ 109 Atomic Layer Deposition (ALD) Technology of Picosun Oy
and its Application in the Sensor Fabrication .............................................................................. 110 Enhancement of metal oxide gas sensors by surface modification
via electron beam processing ....................................................................................................... 111 Оптические волокна с квантовыми точками халькогенидов кадмия и молекулярными
кластерами серебра для чувствительных элементов волоконно-оптических датчиков
коротковолнового излучения .................................................................................................... 115 Приемники инфракрасного излучения на основе высокотемпературного сверхпроводника
системы Bi-2223. ........................................................................................................................ 116 Кремниевый нанокомпозит содержащий силикат висмута для интегрально-оптических
датчиков электрического поля.................................................................................................. 117 Разработка схемотехнического решения для анализатора солей кобальта в воде ............. 118 Микрореакторные технологии для газофазного синтеза чувствительных слоев в
химических сенсорах ................................................................................................................. 124 Полимерные сенсорные материалы для определения ионов поливалентных металлов .... 126 Исследование фотоэлектрических свойств структуры широкозонный полупроводниксегнетоэлектрик в лазерных полях ........................................................................................... 126 Оптимизация ориентации электрооптического эффекта в ниобате лития для создания
высокочувствительных интегральных сенсоров электрического поля ............................... 127 Конференция «Sensorica - 2014»177 Сенсоры и дозиметры УФ излучения на основе волокон с люминесцентными
молекулярными кластерами серебра и полупроводников ..................................................... 128 Электрохимический сенсор для определения серосодержащих газовых компонентов ..... 129 Получение пленок MoO3 для газовых сенсоров ..................................................................... 131 Новые методы формирования наночастиц серебра на поверхности стекла для сенсорных
применений ................................................................................................................................. 132 Гетероэпитаксиальные структуры CdHgTe/Si для «p+–n» и «n+–p» фотодиодов
инфракрасного диапазона ......................................................................................................... 133 Полимерные протонпроводящие нанокомпозиты
для тонкопленочных сенсорных устройств ............................................................................. 135 Чувствительные элементы датчиков токсичных газов
на основе супрамолекулярных систем ..................................................................................... 136 Изменение оптических и поверхностных свойств полидиметилсилоксана при обработке
физико-химическими методами ............................................................................................... 137 Разработка методического аппарата оценки точности чувствительных элементов
комплексированных систем управления сложных технических систем .............................. 138 Исследование альтернативных активных сред
для люминесцентных датчиков температуры ......................................................................... 140 Обратимая реакции образования эндопероксида рубрена, как сенсор и источник
синглетного кислорода в воздухе. ............................................................................................ 141 Оптико- электронные сенсоры.................................................................................................. 145 Research of polarizing properties of lens components of optical system .................................... 146 Оптико-электронный преобразователь контроля смещений элементов крупногабаритных
конструкций................................................................................................................................ 147 Коррекция цветопередачи систем технического зрения методом преобразования с
помощью триангуляции их цветового пространства ............................................................. 149 Исследование погрешности измерения оптико-электронных датчиков на основе
стереоскопической системы конвергентного и нормального видов .................................... 152 Оптико-электронная система контроля соосности ................................................................. 155 Исследование макета оптико-электронной системы неинвазивного контроля глюкозы ... 156 Моделирование формы кристаллических объектов для их анализа с помощью
телевизионных оэс ..................................................................................................................... 158 Анализ современных оптико-электронных биометрических датчиков контроля и
управления доступом ................................................................................................................. 160 Исследование автоколлимационного сенсора углового положения на основе
четырёхгранного отражателя .................................................................................................... 162 Оптико-электронный преобразователь для контроля
положения железнодорожного пути ........................................................................................ 164 178  Конференция «Sensorica - 2014» Оптико-электронные системы контроля износа лопаток
паровых турбин низкого давления ........................................................................................... 166 Исследование виньетирования пучков в оптико-электронной автоколлимационной
системы измерения углов .......................................................................................................... 168 Разработка экспериментальной установки для исследования поляризационных свойств
оптических систем ..................................................................................................................... 170 Оглавление...................................................................................................................................... 174 Сборник трудов II Международной научно-практической конференции
«Sensorica - 2014» / Главный редактор д.т.н., проф. Г.Н. Лукьянов. –
СПб: Университет ИТМО, 2014. – 179 с.
Сборник трудов II Международной
научно-практической конференции
«Sensorica - 2014»
Сборник трудов II Международной
научно-практической конференции «Sensorica - 2014»
Главный редактор
доктор технических наук, профессор
Г.Н. Лукьянов
Дизайн обложки А.Л. Итин
Верстка И.Н. Гладков, А.Л. Итин
Зав. РИО Н.Ф. Гусарова
Редакционно-издательский отдел Университета ИТМО
Подписано в печать 07.11.2014.
Заказ 3191. Тираж 150 экз.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа