Датчики и системы, № 1, 2023

Sensors and Systems, N 1, 2023

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 & A B S T R A C T S

МОДЕЛИРОВАНИЕ, КОНСТРУИРОВАНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО ДАТЧИКОВ, ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

MODELING, DESIGN AND PRODUCTION OF SENSORS, INSTRUMENTS AND SYSTEMS

Представляет Нижегородский региональный редакционный совет

Nizhny Novgorod Regional Editorial Council presents

Пальгуев Д. А.

ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОЙ ЦИФРОВОЙ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СЕТИ ОБРАБОТКИ И ОБМЕНА РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ В ЕДИНОМ ИНФОРМАЦИОННОМ ПОЛЕ …4 

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.1

Аннотация: Развитие и совершенствование единого информационного поля связано с необходимостью построения информационной системы обработки и обмена радиолокационной информации. Приведена постановка и вариант решения научной задачи по построению автоматизированной системы обработки и обмена радиолокационной информации, выполняющей функции интегрированной цифровой тетекоммуникационной сети из состава интегрированной радиолокационной системы двойного назначения.

Ключевые слова: единое информационное поле, интегрированная цифровая телекоммуникационная сеть, федеральная система система разведки и контроля воздушного пространства.

Palguev D. A.

FEATURES OF BUILDING AN INTEGRATED DIGITAL TELECOMMUNICATION NETWORK FOR PROCESSING AND EXCHANGING RADAR INFORMATION IN A SINGLE INFORMATION FIELD

Abstract: The development and improvement of the unified information field is connected with the need to build an information system for processing and exchanging radar information. The article presents the formulation and solution of the scientific problem of building an automated system for processing and exchanging radar information that performs the functions of an integrated digital telecommunication network from an integrated dual-use radar system.

Keywords: unified information field, integrated digital telecommunication network, federal system of air space intelligence and control system.

Ширяев А. А., Воротынцев В. М., Шоболов Е. Л.

МЕТОД ДИАГНОСТИКИ РАДИАЦИОННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СЛОЕВ ДИОКСИДА КРЕМНИЯ В КМОП-МИКРОСХЕМАХ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ВОЛЬТАМПЕРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК … 14

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.2

Аннотация: Представлен метод диагностики радиационной чувствительности слоев подзатворного и захороненного диоксида кремния в КМОП-микросхемах на основе анализа вольтамперных характеристик (ВАХ). Описана суть метода, заключающаяся в экстракции параметров моделей различных участков ВАХ диэлектрика и определении сдвига напряжения плоских зон МОП-конденсатора, содержащего исследуемый диэлектрический слой, в результате термополевого стресса. Предложен коэффициент (показатель), характеризующий дефектность диэлектрического слоя. Описаны схема измерительной системы и алгоритм измерений. В результате апробации метода показана зависимость дефектности слоя диоксида кремния от качества окисляемой подложки и обнаружена корреляция показателя дефектности слоя до облучения и сдвига порогового напряжения МОП-транзисторов в результате облучения, что свидетельствует о применимости представленного метода для прогнозирования дозовой радиационной стойкости КМОП-микросхем.

Ключевые слова: метод диагностики, термический диоксид кремния, кремний-на-изоляторе, радиационная стойкость, эффект Пула-Френкеля, инжекция носителей заряда.

Shiryaev A. A., Vorotyntsev V. M., Shobolov E. L.

METHOD OF DIAGNOSTICS OF RADIATION SENSITIVITY OF SILICON DIOXIDE LAYERS IN CMOS INTEGRATED CIRCUITS BASED ON ANALYSIS OF VOLT-AMPERE CHARACTERISTICS

Abstract: In this paper a method of diagnostics of radiation sensitivity of gate and buried silicon dioxide layers in CMOS integrated circuits based on analysis of volt-ampere characteristics (VAC) is presented. The core idea of the method is described which consists of extraction of model parameters of different VAC regions of a dielectric and determination of flat band voltage shift of an MOS capacitor including the investigated layer due to thermal field stress. A coefficient (index) which characterizes dielectric layer defectiveness is proposed. Block scheme of measuring system and measurement algorithm are described. As a result of method approbation the dependence of silicon dioxide layer defectiveness on oxidized substrate quality is shown and correlation of layer defectiveness index before irradiation and threshold voltage shift of MOS transistors after irradiation is discovered which gives evidence that the presented method is applicable for prediction of dose radiation hardness of CMOS integrated circuits.

Keywords: method of diagnostics, thermal silicon dioxide, silicon on insulator, radiation hardness, Poole-Frenkel effect, charge carrier injection.

Пальгуев Д. А., Фитасов Е. С., Ильясафов А. Д.

СИСТЕМА РАСПОЗНАВАНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ МАЛОСКОРОСТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО ОБЪЕДИНЕННОЙ РАЗНОРОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ И НЕПОЛНЫМ ДАННЫМ ОТ ПРОСТРАНСТВЕННО-РАЗНЕСЕННЫХ ДАТЧИКОВ … 16

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.3

Аннотация: Интенсивное развитие класса малогабаритных БПЛА повлекло за собой создание комплексов с разнородными датчиками обнаружения подобных воздушных объектов. Такие комплексы включают, как правило, радиолокационные, оптические и ИК-датчики различных диапазонов. Проблема обработки и объединения разнородной информации, поступающей от пространственно-разнесенных и некогерентных датчиков в реальном масштабе времени, является в настоящее время актуальной. Рассмотрена информационная система сетевой структуры для сбора, обработки и объединения разнородной информации от датчиков-измерителей и выдачи объединенной информации потребителям.

Ключевые слова: разнородная информация, сетевая обработка, объединение информации.

Palguev D. A., Fitasov E. S., Ilyasafov A. D.

RECOGNITION SYSTEM FOR SMALL-SIZED LOW-SPEED AIR OBJECTS BASED ON COMBINED HETEROGENEOUS INFORMATION AND INCOMPLETE DATA FROM SPATIALLY SPACED SENSORS

Abstract: The intensive development of the class of small-sized UAVs led to the creation of complexes with heterogeneous sensors for detecting such aerial objects. Such complexes include, as a rule, radar, optical and IR sensors of various ranges. The problem of processing and combining heterogeneous information coming from spatially spaced and incoherent sensors in real time is currently very relevant.

Keywords: heterogeneous information, network processing, information integration.

***

Аракелян Э. К., Пащенко Ф. Ф., Косой А. А.

ОПТИМАЛЬНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ НАГРУЗОК ТЭС И ПУТИ ИХ ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ … 23

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.4

Аннотация: Рассмотрена возможность создания “умных сетей” на базе единой цифровой среды, начиная от генерации электроэнергии до ее потребления. В качестве проблемы, затрагивающей интересы генерации и распределения электроэнергии, приведена задача оптимального распределение активной и реактивной нагрузок между генерирующими агрегатами ТЭС. Указано, что неучет реактивной мощности при распределении электрической нагрузки между генерирующими агрегатами может привести к возможным ограничениям по пропускной способности элементов сети, невозможности использования перегрузочных способности турбин в часы прохождения пиковых нагрузок или при участии электростанции на балансирующем рынке. Для иллюстрации значимости потерь активной мощности при работе генераторов в режиме синхронного компенсатора приведены результаты расчетов потерь мощности в генераторе и трансформаторе турбоагрегатов мощностью 100 и 200 МВт. Также приведена методика и алгоритм оптимального распределения активной и реактивной нагрузок с применением цифровых моделей потерь активной мощности от реактивной нагрузки. Рассмотрены возможные направления интеллектуализации решения поставленной задачи в рамках концепции оптимального управления технологическими процессами с применением цифровых моделей.

Ключевые слова: умные сети, активная и реактивная нагрузки, оптимальное распределение, потери активной мощности, методика, алгоритм, декомпозиция задачи, критерии оптимизации, максимальная прибыль, минимальные потери активной мощности, интеллектуализация, цифровые модели.

Arakelyan E. K., Pashchenko F. F., Kosoy A. K.

OPTIMAL DISTRIBUTION OF ACTIVE AND REACTIVE LOADS OF THERMAL POWER PLANTS AND WAYS OF THEIR INTELLECTUALIZATION USING DIGITAL MODELS

Abstract: The possibility of creating “smart grids” based on a single digital environment, starting from the generation of electricity to its consumer, is considered. The problem of optimal distribution of active and reactive loads between generating units of thermal power plants is presented as a problem affecting the interests of generation and distribution of electricity. It is noted that failure to consider reactive power when distributing the electrical load between generating units may lead to possible limitations on the capacity of network elements, the inability to use the overload capacity of turbines during peak load hours or with the participation of a power plant in a balancing market. To illustrate the significance of active power losses when generators operate in synchronous compensator mode, the results of calculations of power losses in the generator and transformer of turbine units with a capacity of 100 and 200 MW are presented. The methodology and algorithm of optimal distribution of active and reactive loads using digital models of active power losses from reactive load are presented. The possible directions of intellectualization of the solution of the problem within the framework of the concept of optimal control of technological processes using digital models are considered.

Keywords: smart grids, active and reactive loads, optimal distribution, active power losses, methodology, algorithm, task decomposition, optimization criteria, maximum profit, minimum active power losses, intellectualization, digital models.

Степанова Л. Н., Кабанов С. И., Курбатов А. Н., Ельцов А. Е., Чернова В. В.

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В РЕЛЬСАХ … 31

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.5

Аннотация: Разработанная ультразвуковая (УЗ) система позволяет определять продольные механические напряжения в рельсах, уложенных в путь. С использованием метода акустоупругости, основанного на измерении характеристик упругих волн, проходящих в напряженно-упругой среде, оценивалось время распространения продольных, поперечных и трансформированных УЗ-волн в рельсах. Погрешность измерения времени их прихода не превышала 0,004 мкс. Для проведения измерений на рельс устанавливались два пьезоэлектрических датчика с частотой 2,5 МГц и углом ввода УЗ-волны, равным 18º. Один из них работал в режиме излучения, другой – в режиме приема волны. Третьим был раздельно-совмещенный датчик, устанавливаемый по середине между первым и вторым датчиками. Угол ввода УЗ-волны в этом датчике составлял 0º. Основным измеряемым параметром было время распространения волны от датчика, работающего в режиме излучения, до датчика, работающего в режиме приема. Продольное напряжение в рельсе рассчитывалось через время распространения продольной волны, трансформированной на донной поверхности рельса в поперечную волну, время распространения продольной волны раздельно-совмещенного датчика и акустоупругий коэффициент. Предложен способ, основанный на сравнении времен распространения продольных, поперечных и трансформированных волн, прошедших одинаковый путь в датчике и в контактном слое. В данной системе погрешность определения продольных механических напряжений в рельсах не превышала 10 %, что допустимо для практического применения.

Ключевые слова: диагностика, ультразвук, продольное механическое напряжение, акустоупругость, продольные, поперечные, трансформированные волны.

Stepanova L. N., Kabanov S. I., Kurbatov A. N., Yeltsov A. E., Chernova V. V.

ULTRASONIC SYSTEM FOR DETERMINATION OF LONGITUDINAL MECHANICAL STRESSES IN RAILS

Abstract: The developed ultrasonic (US) microprocessor system determines the longitudinal mechanical stresses in the rails laid on the track. Using the method of acoustoelasticity, based on measuring the characteristics of elastic waves passing in a stress-elastic medium, the time of propagation of longitudinal, transverse and transformed ultrasonic waves in rails was estimated. The error in measuring the time of their arrival did not exceed 0.004 μs. For measurements, two piezoelectric sensors with a frequency of 2.5 MHz and an ultrasonic wave entry angle of 18º were installed on the rail. One of them worked in the radiation mode, the other in the wave reception mode. The third was a separate-combined sensor, installed in the middle between the first and second sensors. The ultrasonic wave entry angle in this sensor was 0º. The main measured parameter was the propagation time of the wave from the sensor operating in the radiation mode to the sensor operating in the receive mode. Longitudinal stress in the rail was calculated through the propagation time of the longitudinal wave transformed on the bottom surface of the rail into a transverse wave, the propagation time of the longitudinal wave of the dual-coupled sensor, and the acoustoelastic coefficient. A method is proposed based on comparing the propagation times of longitudinal, transverse and transformed waves that have passed the same path in the sensor and in the contact layer. In this system, the error in determining the longitudinal mechanical stresses in the rails did not exceed 10 %, which is acceptable for practical use.

Keywords: diagnostics, ultrasound, longitudinal mechanical stresses, acoustoelasticity, longitudinal, transverse, transformed waves.

Филонов О. М., Бестугин А. Р., Киршина И. А., Овчинникова Н. А., Окин П. А.

АКУСТОЛАЗЕРНЫЙ МОДУЛЬ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОГАБАРИТНЫХ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В УРБАНИЗИРОВАННОЙ СРЕДЕ … 40

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.6

Аннотация: Приведены результаты предварительных исследований применения измерительного комплекса, включающего узконаправленные микрофоны и лазерные дальномеры для обнаружения неопознанных летательных аппаратов в городской среде. Дано техническое описание и принцип работы рассматриваемого комплекса и основные соотношения, позволяющие рассчитывать пространственные координаты объекта и высоту полета на основе результатов проводимых им измерений.

Ключевые слова: квадрокоптер, акустическая сигнатура, доплеровская частота, обнаружение, идентификация и локализация.

Filonov O. M., Bestugin A, R., Kirshina I. A., Ovchinnikova N. A., Okin P. A.

ACOUSTOLASER MODULE FOR THE DETECTION OF SMALL UNMANNED AERIAL VEHICLES IN URBAN ENVIRONMENTS

Abstract: The results of preliminary research into the use of a measuring system comprising narrowband microphones and laser rangefinders for the detection of unidentified aircraft in urban environments are presented. A technical description and the principle of operation of the complex under consideration and the main relationships are given that allow calculating the spatial coordinates of an object and the flight altitude based on the results of its measurements.

Keywords: quadrocopter, acoustic signature, Doppler frequency, detection, identification and localization.

Аристова Н. И., Чадеев В. М.

УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКОЙ МАТРИЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА … 46

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.7

Аннотация: Рассмотрена схема робототехнической ячейки матричного производства, способной обрабатывать заготовки различного типа и определять тип заготовки, которую промышленный робот может обработать с минимальной средней стоимостью. Задача решена с помощью методологии моделирования информационных процессов, позволяющей анализировать эффективность автоматизации заданного набора ТО.

Ключевые слова: гибкая робототехническая ячейка, матричное производство, промышленный робот, модель информационных процессов, анализ эффективности автоматизации технологических операций.

Aristova N. I., Chadeev V. M.

CONTROL OF TECHNOLOGICAL PREPARATION OF MATRIX PRODUCTION

Abstract: The scheme of a robotic cell of matrix production, capable of processing workpieces of various types, is considered. It is required to determine the type of workpiece that the industrial robot will process with the minimum average cost. The task was solved using the information process modeling methodology, which allows analyzing the efficiency of automation of a given set of maintenance.

Keywords: flexible robotic cell, matrix production, industrial robot, information process model, analysis of the efficiency of automation of technological operations.

Мещеряков А. Ю.

ТЕХНОЛОГИИ УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ ВОЗДУХА В СРЕДАХ ОБИТАНИЯ ЧЕЛОВЕКА … 50

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.8

Аннотация: С позиций системного подхода рассмотрены экологические факторы и риски, негативно влияющие на здоровье и качество жизни. В качестве объекта исследования выбрана воздушная среда. Поставлена задача удаления взвешенных в воздухе мелкодисперсных загрязнений. Использованы системный и комплексный подходы к решению поставленной задачи. Метод исследования состоит в сравнительном анализе результатов расчетов и экспериментальных данных. Обсуждены различные аспекты влияния экологических факторов на здоровье. С целью подтверждения гипотезы о возможности полного удаления из воздушной среды взвешенных загрязнений проведены экспериментальные исследования. Уделено внимание вопросам количественного изучения взвешенных в воздухе твердых мелкодисперсных частиц, представляющих наибольшую опасность для здоровья человека. Приведены некоторые результаты эксперимента по проверке разработанной технологии на целевом объекте. Обоснована возможность практического использования и эффективность разработанной технологии управления процессом осаждения твердых частиц на локальном приемнике.

Ключевые слова: системы, управление, процессы, качество жизни, здоровье, безопасность, среда обитания, экологические детерминанты, методы, технологии.

Mestcheryakov A. Yu.

AIR QUALITY TECHNOLOGIES IN HUMAN HABITATS

Abstract: From the standpoint of a systematic approach, environmental factors and risks that negatively affect health and quality of life are considered. The air environment was chosen as the object of study. The task was set to remove finely dispersed particles suspended in the air in artificial human habitats. Systematic and integrated approaches to solving the problem were used. A comparative analysis of the results of calculations and experimental data is used as research methods. Various aspects of the impact of environmental factors on health discussed. To confirm the hypothesis of the complete removal of suspended pollutants from the air, experimental studies were carried out. Attention paid to the issues of quantitative study of solid fine particles suspended in the air. It is shown, that such particles pose the greatest danger to human health. Some results of the experiment to test the developed technology on the target object are presented. The possibility of practical use and efficiency of the developed technology for controlling the process of solid particle deposition at a local receiver is substantiated.

Keywords: systems, management, processes, quality of life, health, safety, habitat, environmental determinants, methods, technologies.

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ПУБЛИЦИСТИКА

SCIENTIFIC AND TECHNICAL PUBLICISM

Кнорринг В. Г.

СРАВНЕНИЕ … 58

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.9

Аннотация: Сравнение – одна из наиболее важных операций, выполняемых в процессе измерения, но она еще недостаточно исследована. Обзор современной практики измерений обнаруживает ряд принципов элементарного сравнения (выявления некоторого бинарного отношения между объектами), а также несколько принципов “пропорционирующего сравнения”, т. е. сравнения измеряемой величины с образцовой величиной, отличающейся от измеряемой по размеру. Одним из таких принципов является использование материальной шкалы-посредника.

Ключевые слова: измерение, аналого-цифровое преобразование, бинарное отношение, электронный компаратор, материальная шкала, метрологическая терминология.

Knorring V. G.

COMPARISON

Abstract: Comparison is one of the most important operations in the process of measurement, but it is still insufficiently investigated. Survey of modern measurement practice reveals several principles of elementary comparison (detection of some binary relation between objects) and also several principles of “proportioning comparison”, that is comparison of the measurand and the reference quantity of different magnitude. One of these principles is the use of material mediator scale.

Keywords: measurement, analog-to-digital conversion, binary relation, electronic comparator, material scale, metrological terminology.

ХРОНИКА

CHRONICLE

Баранова Ю. А.

НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ … 63

DOI: https://doi.org/10.25728/datsys.2023.1.10

Аннотация: Представлены результаты прошедших в 2022 г. мероприятий, посвященных современным технологиям неразрушающего контроля и технической диагностики – IX Международного промышленного Форума “Территория NDT 2022. Неразрушающий контроль. Испытания. Диагностика» и выставки “NDT Russia 2022”.

Ключевые слова: неразрушающий контроль, техническая диагностика, NDT, дефектоскопия, цифровизация, сертификация, метрологическая аттестация.

Baranova Iu. A.

NEW TECHNOLOGIES FOR NON-DESTRUCTIVE TESTING

Abstract: The results of the events held in 2022 dedicated to modern technologies of non-destructive testing and technical diagnostics - the IX International Industrial Forum “The Territory of NDT 2022. Non-destructive testing. Tests. Diagnostics” and exhibitions “NDT Russia 2022”.

Keywords: non-destructive testing, technical diagnostics, NDT, flaw detection, digitalization, certification, metrological certification.