Измерения для здоровья

Рассмотрена проблема достижения высокой стабильности и линейности фазовых жидкокристаллических пространственно-временны́х модуляторов света, широко применяемых для оптической реконструкции дифракционных оптических элементов, в том числе голограмм. В современных пространственно-временны́х модуляторах света высокого разрешения используется цифровая схема адресации сигналов, что приводит к флуктуациям фазового сдвига в течение кадра. Для современного фазового жидкокристаллического пространственно-временно́го модулятора света высокого разрешения Santec SLM-200 измерены зависимости фазового сдвига от уровня адресуемого сигнала и времени от начала кадра. С помощью модулятора света Santec SLM-200 выполнена оптическая реконструкция изображений с дифракционных элементов разного типа, оценена их дифракционная эффективность и качество реконструированных изображений. Получены значения дифракционной эффективности в диапазоне 3–10 %, наблюдается резкое падение яркости реконструированных изображений при удалении от оптической оси в плоскости реконструкции.

Рассмотрена проблема недостаточной детализации требований государственной системы обеспечения единства измерений Российской Федерации к разрабатываемым и аттестуемым методикам измерений, используемым при механических испытаниях различных материалов. Отмечена актуальность проблемы согласованности требований к метрологическому обеспечению результатов количественного химического анализа и косвенных результатов механических испытаний на износостойкость материалов при трении о закреплённый абразив. Для обеспечения прецизионности измерений характеристик износостойкости исследуемых материалов в качестве варьируемых факторов предложено использовать зернистость абразивного материала и частоту вращения абразивного диска. С целью установления требований к метрологическим характеристикам методик механических испытаний, в частности при определении относительной износостойкости материалов, обоснованы условия прецизионности измерений. Приведены результаты многоэтапного эксперимента – испытаний материалов на износостойкость с применением различных исследуемых и расходных материалов, средств измерений и испытательного оборудования. Предложены и обоснованы условия организации эксперимента в случае определения других относительных механических характеристик исследуемых материалов для установления показателей прецизионности при разработке методик механических испытаний на абразивное изнашивание. Применение полученных результатов позволит разработчикам методик механических испытаний устанавливать метрологические характеристики материалов с соблюдением всех требований государственной системы обеспечения единства измерений РФ.

Рассмотрена проблема отсутствия методов измерений низкочастотных флуктуационных процессов при высоких температурах. Предложен оригинальный мостовой метод измерения спектров низкочастотных флуктуаций тока в вольфрамовых нитях накала электрических ламп в контролируемом диапазоне температур 300–2700 К. В результате применения мостовой схемы измерений на несколько порядков уменьшено влияние на результаты измерений деградационных процессов в нитях накала и собственных шумов источников питания. Спектральный анализ низкочастотных флуктуаций тока осуществлён в диапазоне частот 1,5∙10^–5–5∙10⁻¹ Гц с помощью автоматизированной установки на базе персонального компьютера под управлением специально разработанного программного обеспечения.

Рассмотрены вопросы разработки государственной поверочной схемы для средств измерений электрического сопротивления постоянного и переменного токов в связи с появлением высокоточных мостов, внедрением в метрологическую практику мер и магазинов сопротивления, обладающих весьма малым температурным коэффициентом (0,02–0,5)·10^–6 К^–1, высокостабильных переходных мер, электронных калибраторов сопротивления, мер сопротивления переменного тока, используемых как на постоянном, так и на переменном токе. Даны рекомендации по присвоению статуса эталона измерительным шунтам, мерам и измерителям сопротивления с погрешностью 0,005–0,5 %, достаточной для проведения поверки средств измерений. Разработана, утверждена и описана государственная поверочная схема для средств измерений электрического сопротивления постоянного и переменного токов, которая состоит из двух частей: первая часть распространяется на меры, магазины и измерители электрического сопротивления, вторая часть – на измерительные шунты и измерители сопротивления шунтов. Вторая часть введена в государственную поверочную схему впервые. Уточнены показатели точности для эталонов всех уровней, приведены условия исследования средств измерений для присвоения статуса эталона, критерии оценки метрологических характеристик.

Рассмотрена проблема возникновения методической погрешности цифрового вольтметра, связанная с конечной разрядностью аналого-цифрового преобразователя вольтметра. Актуальной является оценка влияния конечной разрядности аналого-цифрового преобразователя на погрешность измерений цифрового вольтметра. Приведены результаты исследования влияния квантования по уровню на точность измерения переменного напряжения цифровым вольтметром. Показано влияние частоты дискретизации и вида цифрового фильтра на эффективную разрядность преобразования в случае синхронной и асинхронной дискретизаций. Оценена погрешность цифрового вольтметра при представлении погрешности квантования центрированным шумом с равномерным распределением. Представлены результаты компьютерного моделирования процесса преобразования переменного напряжения цифровым вольтметром.

Рассмотрены амплитудная и фазовая проблемы в физических исследованиях. Проанализировано построение методов и алгоритмов решения амплитудной и фазовой проблем без привлечения дополнительной информации о сигнале и его спектре. Предложены математические модели амплитудной и фазовой проблем в случае одномерных и двумерных непрерывных сигналов и найдены приближённые методы их решения. Модели основаны на использовании аппарата нелинейных сингулярных и бисингулярных интегральных уравнений. Амплитудная и фазовая задачи смоделированы соответствующими нелинейными сингулярными и бисингулярными интегральными уравнениями, определёнными на числовой оси (в одномерном случае) и на плоскости (в двумерном случае). Для решения построенных нелинейных сингулярных и бисингулярных интегральных уравнений использованы сплайн-коллокационные методы и метод механических квадратур. Системы нелинейных алгебраических уравнений, возникающие в ходе применения данных методов, решены непрерывным методом решения нелинейных операторных уравнений. На модельном примере показана эффективность предложенного метода решения фазовой проблемы в двумерном случае.

Изучены особенности распространения электромагнитных волн в полосковых линиях передачи. Рассмотрены методы измерения фазовой скорости и коэффициента затухания электромагнитной волны в полосковых линиях передачи. Проанализирована проблема отсутствия способов измерения волнового сопротивления полосковых линий. Предложен метод определения собственных параметров полосковых линий по результатам измерений векторным анализатором цепей S-параметров электрически длинной и короткой линий в коаксиальном канале. Собственные параметры полосковых линий определены предложенным методом в диапазоне частот 0,01–26,50 ГГц.

Обоснована необходимость спектрометрических измерений нейтронных потоков в атомной отрасли для корректной оценки плотности и дозовых характеристик излучения. Указано на несовершенство метрологического и методического обеспечения не только спектрометрических, но и радиометрических измерений произвольных нейтронных потоков. Кратко изложена концепция многодетекторного нейтронного спектрометра реального времени и результаты исследования его прототипа. Для повышения достоверности результатов нейтронных измерений предложена инновационная концепция поверки многодетекторных нейтронных спектрометров реального времени с использованием не одного потока (причём с неизвестным спектром), а нескольких десятков опорных полей с разнообразными и точно известными спектрами. Поверку предложено проводить на разработанном испытательно-поверочном комплексе. Выполнено математическое моделирование создаваемых этим комплексом опорных нейтронных полей с различными формами энергетических спектров. Спектры генерируемых опорных нейтронных полей определены расчётным путём с помощью моделирующих программ Монте-Карло. Создан макет комплекса, который экспериментально опробован при лабораторных испытаниях прототипа многодетекторного нейтронного спектрометра-дозиметра реального времени. Предложено обучать встраиваемую в многодетекторный нейтронный спектрометр-дозиметр нейронную сеть на расширенном множестве базовых спектров, включающем помимо спектров опорных полей описанные в литературе достоверно известные спектры нейтронных потоков. Представлена процедура формирования множества модельных реализаций обучающей и проверочной выборок, используемых при обучении нейронной сети. Показано, что можно исключить энергетические погрешности предложенного многодетекторного нейтронного спектрометра-дозиметра реального времени при измерении нейтронных потоков даже при поверке в опорных полях с ограниченным разнообразием форм спектров. Обоснована возможность минимизации энергетических погрешностей существующих нейтронных радиометров-дозиметров при поверке в опорных нейтронных полях разработанного испытательно-поверочного комплекса.

Рассмотрена калибровка гидрофонов методом оптической интерферометрии с использованием тонкой звукопрозрачной полимерной плёнки (мембраны). Показано, что основной проблемой при реализации этого метода калибровки является оценка соответствия колебаний металлизированной стороны плёнки колебательным смещениям частиц воды под действием звуковой волны, падающей на плёнку. На основе упрощённой теории прохождения акустических плоских волн через слои разнородных материалов разработаны методы измерения скорости звука в применяемой плёнке и алгоритм расчёта частотной зависимости коэффициента прохождения звуковой волны (по колебательной скорости) из воды через плёнку в воду или воздух. Обосновано введение в результаты калибровки гидрофона поправки, учитывающей коэффициент прохождения звуковой волны, и оценена неопределённость этой поправки.

Повышение эффективности кардиологической диагностики на основе анализа вариабельности сердечного ритма человека обусловливает необходимость разработки точных методов обнаружения R-зубцов электрокардиосигнала. Разработана и исследована методика детектирования R-зубцов электрокардиосигнала на основе применения кратномасштабных вейвлет-преобразований. В предлагаемую методику обнаружения R-зубцов включены последовательные этапы цифровой обработки электрокардиосигнала: кратномасштабное вейвлет-преобразование; набор нелинейных операторов; адаптивный алгоритм обнаружения максимумов сигнала. Проведён сравнительный анализ предлагаемой методики с существующими подходами к обнаружению R-зубцов электрокардиосигнала. Для получения количественных характеристик оценки эффективности обнаружения R-зубцов использовано имитационное моделирование электрокардиосигнала, содержащего шумы и помехи различной интенсивности и природы возникновения. Эффективность рассматриваемых подходов к обнаружению R-зубцов электрокардиосигнала исследована для клинических записей биосигналов. Оценена абсолютная погрешность измерения длительностей RR-интервалов для модельных сигналов с различными уровнями зашумления. Показано, что предложенная методика обнаружения R-зубцов электрокардиосигнала на основе кратномасштабных вейвлет-преобразований характеризуется малыми погрешностями измерения длительностей RR-интервалов, высокими показателями истинного обнаружения и малыми ошибками ложного обнаружения и пропуска.