Датчики и системы, № 8-9, 2017

Sensors and Systems, N 8-9, 2017

С О Д Е Р Ж А Н И Е и А Н Н О Т А Ц И И

C O N T E N T S AND A B S T R A C T S

ТЕОРИЯ И ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

THEORY AND CONSTRUCTION PRINCIPLES OF SENSORS, DEVICES AND SYSTEMS

Липатов О. Ф.

УПРУГИЙ ЭЛЕМЕНТ ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ЖЕСТКОСТИ ДЛЯ УСТРОЙСТВ АВТОМАТИКИ … 3

Аннотация: Предложен упругий элемент отрицательной жесткости для применения в различных устройствах автоматики. Изложены особенности его построения и принцип действия. Разработана методика расчета, позволяющая получить его силовую характеристику и оценить напряжения в наиболее нагруженном сечении. В результате сравнения расчетной и экспериментальной силовых характеристик действующего образца упругого элемента отрицательной жесткости показано, что разработанная методика позволяет с достаточной точностью определять основные параметры упругих элементов данного типа.

Ключевые слова: упругий элемент отрицательной жесткости, силовая характеристика, изгибные напряжения, потенциальная энергия изгиба.

Lipatov O. F.

NEGATIVE RIGIDITY ELASTIC ELEMENT USED IN AUTOMATICS … 3

Abstract: An elastic element featuring negative rigidity is considered as the component of multiple devices used in automatics. Peculiarities of its design and operational principles are described. A method to calculate its power characteristic and to estimate stresses around the most loaded cross-section is offered. Comparison of the calculated and the experimental power characteristics of the functional sample of the elastic element featuring negative rigidity demonstrated that the method ensures specification of the principle parameters of the elements belonging to this type with rather high level of accuracy.

Keywords: negative rigidity elastic element, power characteristic, bending stresses, potential bending energy.

Волкова Е. И., Попков С. А.

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ НА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ … 8

Аннотация: Приведены результаты исследований собственных частот подвесов чувствительных элементов микроэлектромеханических систем в зависимости от ухода линейных геометрических параметров от их номинальных значений, возникающего в процессе изготовления. Проводится сравнительный анализ устойчивости ряда известных форм подвесов, применяющихся в акселерометрах, гироскопах. Среди рассмотренных конструкций выбраны наиболее стабильные по воспроизводству и наименее чувствительные к технологическому отклонению.

Ключевые слова: микроэлектромеханические системы, МЭМС, микрогироскоп, микроакселерометр, метод конечных элементов, подвес, модальный анализ.

Volkova C. I., Popkov S. A.

SENSITIVITY OF ELEMENTS OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS TO TECHNOLOGICAL ERRORS … 8

Abstract: The article contains results of studies of sensitive elements suspensions eigenfrequencies in microelectromechanical systems depending on the deviation of linear geometric parameters from their nominal values that occurs during manufacturing process. A comparative analysis of the stability of a number of known suspension forms used in accelerometers and gyroscopes is carried out. Among the considered suspension forms the most stable in reproduction and the least sensitive to technological deviation ones are selected.

Keywords: microelectromechanical systems, MEMS, microgyroscope, microaccelerometer, finite elements method, suspension, modal analysis.

КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

DESIGN AND PRODUCTION OF SENSORS, DEVICES AND SYSTEMS

Представляет Нижегородский региональный редакционный совет

Nizhny Novgorod Regional Editorial Council presents

Фитасов Е. С., Леговцова Е. В., Козлов С. А., Насонов В. В.

СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ИМПУЛЬСНОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ОТ ДИСКРЕТНЫХ МЕТЕООБРАЗОВАНИЙ … 13

Аннотация: Предложены два устройства защиты от оптически ненаблюдаемых объектов, основанные на измерении радиальной скорости воздушных объектов на проходе. Фазовый метод измерения радиальной скорости основан на измерении разности фаз в соседних периодах повторения импульсов при вобуляции периода повторения. Фильтровой метод измерения радиальной скорости предполагает набор когерентных накопителей с последующим отбором по максимуму. По номеру когерентного накопителя определяется радиальная скорость.

Ключевые слова: “ангел”, радиальная скорость, частота Доплера, фазовый метод, фильтровой метод, когерентный накопитель, вобуляция, селекция движущихся целей, режекторный фильтр, амплитудно-частотная характеристика.

Fitasov E. S., Legovtsova E. V., Коzlov S. A., Nasonov V. V.

METHODS OF PROTECTION AGAINST OPTICALLY UNOBSERVABLE OBJECTS … 13

Abstract: The proposed two protection devices optically unobservable objects based on the measurement of radial speed of air objects on the aisle. The phase method of measurement of radial speed based on the measurement of a difference in phase in neighboring repetition periods of pulses at wobble of the repetition periods. The filter method of measurement of radial speed assumes a set of coherent integrator with the subsequent selection to the maximum. Radial speed is determined by number of the coherent integrator.

Keywords: “angel”, radial speed, Doppler frequency, phase method, filter method, coherent integrator, wobble, selection of moving targets, rezhektorny filter, amplitude-frequency characteristic.

Фитасов Е. С., Ивлев Д. Н., Морозов Н. С., Савельев Д. В.

СИСТЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ ВРЕМЕНИ И ЛОКАЛЬНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА БАЗЕ БЕСПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ … 20

Аннотация: Рассмотрена возможность применения технологии беспроводной связи Wi-Fi для синхронизации времени и относительного позиционирования узлов сети. Рассмотрены особенности технологии Wi-Fi, препятствующие достижению высокой точности синхронизации и измерения расстояния между узлами беспроводной сети. Экспериментально исследуются практически достижимые значения погрешностей синхронизации и измерения расстояния на примере микросхемы приемопередатчика CC3100. Предложены способы уменьшения данных погрешностей.

Ключевые слова: синхронизация времени, относительное позиционирование, беспроводная сеть, Wi-Fi.

Fitasov E. S., Ivlev D. N., Morozov N. S., Savelyev D. V.

TIME SYNCHRONIZATION AND LOCAL POSITIONING SYSTEM BASED ON WIRELESS NETWORKS … 20

Abstract: The article considers the possibility of using Wi-Fi wireless technology for time synchronization and relative positioning of network nodes. Features of Wi-Fi technology that prevent high accuracy of synchronization and measurement of distance between nodes of the wireless network are considered, the practically achievable values of synchronization errors and distance measurements errors are experimentally studied using the example of the CC3100 transceiver chip, and methods for reducing these errors are proposed.

Keywords: time synchronization, relative positioning, wireless network, Wi-Fi.

Сильянов Н. В.

АППАРАТНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ БОРТОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ … 27

Аннотация: Приведены структурные схемы и ожидаемые характеристики многофункциональных бортовых вычислительных систем, разработанных на основе перспективной отечественной элементной базы. Показаны составные части систем в виде электронных модулей.

Ключевые слова: бортовая вычислительная система, электронные модули, многофункциональность, отечественная элементная база.

Sil’yanov N. V.

MULTIFUNCTIONAL ON-BOARD COMPUTER SYSTEMS HARDWARE DESIGN … 27

Abstract: Structural schemes and expected characteristics of new designs of multifunctional on-board computer systems are given. Perspective domestic integrated circuits are listed. Electronic modules are shown.

Keywords: оn-board computer, electronic modules, multifunctionality, domestic integrated circuits.

Ломакина Л. С., Надежкин М. А., Сильянов Н. В.

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ БОРТОВЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГРУПП СИММЕТРИЙ КАК МОДЕЛЕЙ … 33

Аннотация: Рассмотрена структура бортовой вычислительной системы на основе высокоскоростной коммутационной сети, в которой предлагается обеспечивать устойчивость к отказу одного из модулей обработки с применением моделей групп симметрий. Разработан алгоритм получения таблиц реконфигурации на основе указанных моделей. Результаты работы алгоритма рассмотрены на примере четырехвершинной структуры с диэдральной группой симметрии.

Ключевые слова: отказоустойчивость, реконфигурация, автоморфизм, группы симметрии.

Lomakina L. S., Nadezhkin M. A., Sil’yanov N. V.

FAULT-TOLERANT ON-BOARD COMPUTER SYSTEMS DESIGNING BASED ON SYMMETRY GROUPS MODELING … 33

Abstract: Structure of on-board computer system based on a high-speed switching network is shown. Tolerance for single fault of processing modules is provided. Fault-tolerance based on models of symmetry groups is considered. Algorithm for generating reconfiguration tables is developed. The example is shown applying to four-node structure with a dihedral symmetry group.

Keywords: fault-tolerance, reconfiguration, automorphism, symmetry groups.

Лавричев О. В., Никулин С. М.

LRT-МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОБЪЕКТОВ В НЕСТАНДАРТНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМАХ … 39

Аннотация: Решена задача измерения параметров объектов в нестандартных направляющих системах с помощью векторного анализатора цепей и минимального комплекта калибровочных мер волнового сопротивления, основанная на известной процедуре исключения окружающих цепей из результатов измерений в стандартном коаксиальном канале. Предложен оригинальный LTR-метод определения параметров рассеяния переходов с нестандартными соединителями, фазовой скорости и коэффициента затухания электромагнитной волны в нестандартной линии передачи. Эффективность предлагаемого решения подтверждается сравнением с известными методами измерения объектов в нестандартных направляющих системах.

Ключевые слова: нестандартная направляющая система, переход, фазовая скорость, коэффициент затухания, S-параметры, электрически длинная линия, сквозное соединение.

Lavrichev O. V., Nikulin S. M.

LRT METHOD FOR DETERMINING THE OBJECT PARAMETERS IN NON-STANDARD GUIDE SYSTEMS … 39

Abstract: The paper talks about solving the problem of objects parameters measurement in non-standard guide systems using a vector network analyzer and a minimal set of calibration standards using well known procedure of excluding surrounding circuits from measurements in a standard coaxial channel. An original LTR method for determining the scattering parameters of adaptors with non-standard connectors, the phase velocity and the damping coefficient of an electromagnetic wave in a non-standard transmission line is proposed. The effectiveness of the proposed solution is confirmed by comparison with well known methods of measuring objects in non-standard guide systems.

Keywords: non-standard guide system, adaptor, phase velocity, damping coefficient, S-parameters, long-haul transmission line, feedthrough

***

Любимов В. В.

ТРЕХКАНАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ ВАРИОМЕТР … 45

Аннотация: Работы по созданию приборов для измерения электрических полей (ЭП) проводились в ИЗМИРАН на протяжении многих лет. В данной работе рассмотрены несколько новых конструкций датчиков ЭП и цифрового трехканального электрометрического вариометра, который позволяет проводить исследования датчиков и измерения в различных погодных условиях.

Ключевые слова: электрическое поле, преобразователь поле-напряжение, электрометрический вариометр, атмосфера, погодные условия.

Lyubimov V. V.

THREE-CHANNEL ELECTROMETRIC VARIOMETER … 45

Abstract: Works on the creation of instruments for measuring electric field (EF) and their application in different conditions and environments has been carried out in IZMIRAN for many years. In this paper, several new constructions of EF sensors and digital three-channel electrometric variometer are described, allowing to carry out research works in various weather conditions.

Keywords: electric field, field-voltage converter, electrometric variometer, atmosphere, weather conditions.

Кычкин А. В., Артемов С. А., Белоногов А. В.

РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА ЭНЕРГОМОНИТОРИНГА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ IoT … 49

Аннотация: Рассмотрен подход к построению многоуровневой архитектуры распределенной системы энергетического мониторинга реального времени на основе технологии Интернета вещей – Internet of Things (IoT). Реализация технологии производится на базе контроллеров, удаленный доступ к которым осуществляется с помощью сети Интернет. Показано, что маршрутизация информационных пакетов в такой сети, имеющей большое число узлов, возможна на основе сетевых протоколов IPv4 и IPv6, поверх которых организуется передача данных по протоколу MQTT. Данный сетевой протокол реализует обмен сообщениями между активными узлами телекоммуникационной сети системы энергомониторинга на основе принципа публикация–подписка. Шаблон построения архитектуры систем энергомониторинга, телеметрии и управления предоставляет возможность интеллектуальным датчикам, узлам учета, контроллерам и устройствам сбора данных, поддерживающим протокол MQTT, выходить на связь и публиковать сообщения, которые не были заранее известны или предопределены.

Ключевые слова: распределенная система, энергетический мониторинг, Интернет вещей, открытая архитектура, сетевой протокол, протокол MQTT.

Kychkin A. V., Artemov S. A., Belonogov A. V.

DISTRIBUTED REAL TIME ENERGY MONITORING SYSTEM BASED ON IoT TECHNOLOGY … 49

Abstract: The article considers the approach to constructing a multi-level architecture of a distributed system of energy monitoring based on Internet of Things (IoT) technology. The technology is implemented on a basis of controllers, remote access to which is carried out via the Internet. Such a network has a large number of nodes. The routing of information packets in such a network is possible through the IPv4 and IPv6 network protocols, over which MQTT data transfer is organized. This simple network protocol implements the exchange of messages between the active nodes of the telecommunications network of the energy monitoring system based on the publication-subscription principle. This telemetry architecture template provides the ability for smart sensors, accounting nodes, controllers and data collection devices, which support the MQTT protocol, communicate and publish messages that were not previously known or predefined.

Keywords: distributed system, energy monitoring, Internet of things, open architecture, network protocol, MQTT protocol.

Ефимов С. В.

ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ВИБРАЦИОННЫМИ ПЛОТНОМЕРАМИ. ПРЕИМУЩЕСТВА КОРИОЛИСОВЫХ РАСХОДОМЕРОВ-ПЛОТНОМЕРОВ "ЭЛМЕТРО-ФЛОМАК" ПРИ ИЗМЕРЕНИИ ПЛОТНОСТИ … 56

Аннотация: Рассмотрены особенности измерения плотности нефтепродуктов вибрационными плотномерами, типы вибрационных плотномеров, их преимущества и недостатки. Показаны преимущества кориолисовых расходомеров-плотномеров компании “ЭлМетро-Фломак”.

Ключевые слова: вибрационный плотномер, динамический плотномер, поточный плотномер, ГК "ЭлМетро", расходомер, массовый расходомер, кориолисовый расходомер, массомер, фломак, плотномер жидкости, плотномер нефтепродуктов, плотномер стационарный, российский плотномер, цифровой плотномер, сравнение плотномеров, электронный плотномер.

Efimov S. V.

DISTINGUISH FEATURES OF MEASURING DENSITY BY MEANS OF VIBRATORY DENSITY METERS. ADVANTAGES OF CORIOLIS FLOWMETERS ELMETRO-FLOMAC FOR MEASURING DENSITY … 56

Abstract: The article describes distinguish features of measuring density of petroleum products by using vibratory density meters, their types and models as well as their advantages and weak points.

Keywords: density analyzer, density indicator, density sensor, density gage, density meter, densitometer, oscillating transducer density meter, dynamic densimeter, flow densitometer, elmetro, flowmeter, mass flowmeter, Coriolis flowmeter, flomac, densitometer for liquid, densitometer for oil, Russian densitometer, digital densitometer, electric densitometer.

Новые приборы

New devices

ВИБРОАНАЛИЗАТОР ВИБРАН-3 … 62

VIBRANAL ANALYST VIBRAN-3 … 62

УСТАНОВКА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА РАСХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ 3D-ПРИНТЕРОВ … 64

INSTALLATION FOR THE PRODUCTION OF SUPPLIES FOR 3D-PRINTERS … 64

КОМПЛЕКС НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ … 65

NON-DESTRUCTIVE TESTING OF WELDED JOINTS … 65

МНОГОКАНАЛЬНАЯ ТЕНЗОСТАНЦИЯ ДЛЯ СТАТИЧЕСКОГО ТЕНЗОМЕТРИРОВАНИЯ MIC-185 … 66

MULTI-CHANNEL STRAIN GAUGE FOR STATIC STRAIN GAUGING MIC-185 … 66

ИЗМЕРЕНИЯ, КОНТРОЛЬ, АВТОМАТИЗАЦИЯ (журнал в журнале)

MEASUREMENT, CONTROL, AUTOMATION (Journal in journal)

Вьюхин В. Н.

КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ … 67

Аннотация: Приведен обзор работ по созданию квантовых электрических эталонов вольта, ома и ампера на основе естественных природных констант – постоянной Планка h и заряда электрона e и будущему переопределению международной системы единиц СИ. Также дано состояние работ по переопределению килограмма на основе методов ватт-баланса и уточнения постоянной Авогадро.

Ключевые слова: переопределение единиц СИ, квантовый вольт, квантовый Ом, квантовый ампер, квантовый метрологический треугольник, “электрический” килограмм, “атомный” килограмм.

Vyukhin V. N.

QUANTUM ELECTRIC METROLOGY: STATE AND PROSPECTS … 67

Abstract: A review of the work on the creation of quantum electric standards of volts, ohms and amperes based on natural constants-Planck's constant h and electron charge e and future redefinition of the international system of SI units is presented. Also, the state of work on the redefinition of kilograms is described on the basis of Watt-balance methods and more accurate definition of Avogadro's constant.

Keywords: redefinition of SI units, quantum volt, quantum оhm, quantum ampere, quantum metrological triangle, "electric" kilogram, "atomic" kilogram.

БИБЛИОГРАФИЯ+ … 75

BIBLIOGRAPHY+ … 75