Новые методы измерений
Разработка новых промышленных изделий невозможна без создания информационно-измерительных систем. Исследования в области нанотехнологий, биотехнологий возможны только в том случае, если существуют системы измерений, позволяющие определять параметры объектов с необходимой точностью.
Проектирование современных средств измерения и контроля: от измерительных приборов и высокоинтеллектуальных датчиков до сложнейших измерительно-вычислительных комплексов, используемых в космонавтике, атомной энергетике, биологии, медицине, бытовой аппаратуре — основные цели этого направления.
Для этого необходимо разрабатывать современное обеспечение для метрологии и измерительной техники, аналоговой и цифровой микроэлектроники, аналоговых и цифровых измерительных устройств, адаптивных и интеллектуальных средств измерений, телеизмерений, информационно-измерительных систем, теории и практики программирования, вычислительной техники, современных информационно-измерительных технологий, разработки микропроцессорных систем и устройств на основе микроконтроллеров, разработки и ведения электронных баз данных.
Основные направления работы:
- Цифровые голографические измерительные системы (ЦГИС) для определения напряженно-деформированного состояния объектов
Голографические измерительные системы обладают рядом преимуществ перед другими методами измерений. Оптические информационные технологии пережили бум после изобретения лазеров и голографии. Оптические свойства объектов, сложность их формы практически перестали играть роль, а поэтому интерференционные методы оказались теперь пригодными для исследования промышленных деталей и конструкций в заводских условиях. Однако большие надежды, которые возлагались на голографические методы, не оправдались. Это связано с необходимостью регистрации промежуточных голограмм. Сложность процесса регистрации привела к тому, что ГИС использовались только для лабораторных исследований или для исследований уникальных объектов. В настоящее время существуют фотоматрицы с разрешением, достаточным для регистрации голографических изображений. В этом случае весь процесс получения и расшифровки голограмм становится цифровым. Стоимость установки снижается, появляется возможность использовать ГИС в процессе производства и функционирования изделий. Прослеживая тенденцию развития когерентно-оптических систем измерения, контроля и диагностики на ближайшее время можно заключить, что они будут состоять на 10% из оптики, 10% из механики, на 20% из электроники и на 60% из алгоритмического и математического обеспечения. Поэтому наиболее важное значение приобретает разработка новых алгоритмических подходов, методов расшифровки и математических методов обработки.
Защищено 3 докторские диссертации:
- «Голографические измерительные системы», Козачок А.Г., 1989.
- «Разработка и исследование когерентно-оптических измерительных систем: Голографические интерферометры, Фурье-анализ интерферограмм, целочисленные методы», Солодкин Ю.Н., 1992 г.
- «Методы расширения динамического диапазона и повышения точностных характеристик в автоматических интерференционных измерительных системах», Гужов В.И., 1999 г.
Опубликованы 2 монографии:
- Козачок А.Г. Голографические методы исследования в экспериментальной механике — М.: Машиностроение.- 1984.- 176 c.
- Гужов В.И., Ильиных С.П. Компьютерная интерферометрия. — Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. — 252с.
- В 1991 г. защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук «Разработка, исследование и применение голографических измерительных систем, основанных на методе фазовых псевдосдвигов» Ильиных Сергей Петрович
- В 1998 г. защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук «Разработка методов цифровой спекл-интерферометрии с расширенным динамическим диапазоном» Нечаев Виктор Георгиевич
- В 2013 г. защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук «Разработка системы неразрушающего контроля на основе методов цифровой голографической интерферометрии» Кузнецов Роман Александрович
- В 2015 г. защищена диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук «Разработка измерительной системы на основе анализа интерференционных картин с произвольными фазовыми сдвигами» Хайдуков Дмитрий Сергеевич
- Расширение динамического диапазона и повышение точности на основе методов модулярной арифметики
Интерференционные методы исследования позволяют с помощью бесконтактных методов исследовать с высокой точностью профиль оптических изделий. Однако опорный пучок должен быть близок к исследуемому профилю. Поэтому измерение асферических поверхностей вызывает достаточные затруднения. Расширение динамического диапазона становится возможным при использовании предложенного нами метода на основе целочисленного метода анализа фазовых значений, определенных в пределах периода. Теоретическая оценка этого метода показывает, что расширение динамического диапазона возможна на несколько порядков. Но для этого необходимо разработать новые методики измерений, позволяющие снизить погрешность измерений.
Разработано математическое обеспечение аппарата модулярных вычислений для использования в измерительных голографических системах.
Готовится в 2016-2017 г. докторская диссертация Ильиных С.П.
- Метрологическое обеспечение высокоточных измерений
Все системы измерений нуждаются в эталоне для поверки систем. Высокие точности современных систем приводят к тому, что разработчики заявляют выходные параметры более высокие, чем существующие эталоны. Нами предложен способ, который основан на отношении целочисленных констант для проверки качества измерительного эксперимента. Поскольку в качестве эталона используются целочисленные отношения, то без использования физических эталонов возможна точная количественная оценка метрологических параметров измерительных систем.
- Измерительные системы для определения 3-D профиля сложных объектов
Методики фазовых измерений, которые хорошо разработаны для когерентных интерференционных систем, можно перенести на методы бесконтактных исследований с помощью структурированного освещения. В этом случае снижается погрешность измерений. Предполагается достичь погрешности измерения профиля до 0.01 мм.
- Системы распознавания объектов на основе исследования 3-D профиля
Высокая точность при измерении профиля позволяет разработать системы распознавания на основе анализа 3-D профиля человеческого лица. Системы распознавания по двумерным фотографиям не позволяют достичь необходимого процента обнаружения. Работы, которые велись на протяжении 50 лет, не позволили создать полностью автоматических систем распознавания. В тоже время наиболее перспективным направлением работ в этом направлении является анализ информации, полученной из измерений трехмерного профиля.
- Интерферометрия при структурированном освещении
Высокая точность измерений, которая может быть достигнута с помощью методов структурированного излучения, позволяет определять разность между двумя состояниями объекта: до и после нагружения. В настоящее время основной методикой для измерения напряженно-деформированного состояния авиационных конструкций является использование тензодатчиков. Использование бесконтактных методик является более перспективным. Разрабатывается система на основе методов структурированного излучения, которая позволяет достичь погрешности измерений не уступающей использованию тензометрических систем. Такие системы могут быть использованы в реальных заводских условиях.
- Измерительные системы на основе методов спекл-интерферометрии и оптической интерферометрии
Интерференционные картины, которые получаются с помощью когерентного освещения, имеют ярко выраженную спекл-структуру. Основные разрешающие уравнения интерферометрии основаны на косинусоидальном характере их распределения. Система спеклов существенно искажает профиль полос. Поэтому результирующие фазовые поля измеряются со значительной систематической погрешностью. Нами предложена новая система разрешающих уравнений, которая позволяет использовать спекл-картину как информационную часть сигнала. Разработка спекл-интерференционных систем имеет преимущества перед классическими интерференционными системами, поэтому разработка математических алгоритмов расшифровки достаточно перспективна.
Защищена кандидатская диссертация: «Разработка методов цифровой спекл-интерферометрии с расширенным динамическим диапазоном» Нечаевым В.Г.
- Разработка системы автоматического управления для стабилизирования лазеров
Технология изготовления лазерных диодов с каждым годом улучшается. Однако характеристики каждого прибора являются уникальными. Разрабатывается система для стабилизации лазерных диодов по току и температуре. Цель работы — изготовление лазерных систем в нижнем ценовом диапазоне с параметрами достаточными для использовании в области голографических измерительных систем.
- Модификация оптических микроскопов
В настоящее время существует парк оптических микроскопов, который может быть модифицирован. Для этого в качестве окуляров могут быть установлены фотокамеры для оцифровки и ввода изображений в компьютер. Это позволяет провести автоматический цифровой анализ микроскопических изображений. Наличие бинокулярных приставок позволяет восстановить объемное изображение, которое в оптических микроскопах отсутствует. Использование столиков, снабженных шаговыми двигателями и управляемых от компьютера, позволяет расширить поле изучаемых объектов.
- Разработка системы для обеспечения пространственного сверхразрешения
Оптические системы обеспечивают высокую точность при определении z-координаты. В настоящее время системы на основе низкогерентного освещения достигают разрешения 0,1 нм. Однако пространственное разрешение ограничивается физическим пределом оптической микроскопии — 0.5 длины волны, используемой для освещения (~200 нм). Разрабатываемая система основана на анализе 3-d профиля изучаемой поверхности при перемещении матрицы на долю единичного фотодетектора. Используемые математические алгоритмы анализа обеспечивают разрешение, превышающее дифракционный предел. Подобные системы способны приблизить оптические системы по пространственному разрешению к электронным микроскопам.
- Разработка компьютерной модели двигательной системы человека
Для разработки системы управления необходимо разработать модель человеческого тела, включающего скелетную систему, систему мышц, нервную систему. Такая модель может быть использована для обучения студентов биомеханике человеческого тела. Основная цель – разработать модель, на которой можно отрабатывать систему управления движением человеческого тела. Первый этап управление мышцами лица на основе объектной модели, управление движения руки, управление перемещением при вертикальном расположении корпуса.
- Создание и развитие интерфейсов между робототехническим устройством и живым организмом
- Разработка блока управления роботизированной искусственной рукой с помощью нервных импульсов головного мозга.
Предполагается разработать новые технологии создания нейроинтерфейсов на основе использования дополнительных источников информации об активности мозга (ЭЭГ, ЭМГ, движений глаз и др.). Предполагается на основе данных разработать методы, алгоритмы и программы для формирования прямых моделей электрической активности мозга для реконструкции функциональной структуры головного мозга человека по данным энцефалографии. Для этого необходимо разработать алгоритмы декодирования управляющих когнитивных сигналов мозга, создать систему телеметрии и биоуправления на основе обратной связи.
Данный проект предполагает следующие направления работы:
- 1. Разработка системы для анализа электроэнцефалограмм (ЭЭГ) головного мозга. Для этого на кафедре ССОД имеется электроэнцелограф-анализатор ЭЭГА-21/26 «Энзефалан-131-02», который регистрирует электрическую активность при размещении электродов на поверхности головы. Для реализации программного обеспечения анализа заключено соглашение с руководством компании «Медикон», которое передало нам копию прошивки устройства и комплекса программ для управления (SDK).
- 2. Для уточнения зон активности на основе магнитно-резонансного томографического (МРТ) исследования необходимо построить точную модель коры головного мозга исследуемого человека. Для этого по срезам, полученным в результате (МРТ) строится объемная модель поверхности мозга и уточняются зоны активности, полученные в результате ЭЭГ.
- 3. Построение робототехнической модели руки человека. Разрабатывается и с помощью 3D-принтера создается модель кисти руки и система управления ее движением.
- 4. Разработка блока управления роботизированной искусственной рукой с помощью нервных импульсов, полученных в результате ЭЭГ измерений.
- Система автоматического регулирования газожидкостных потоков в конденсаторах систем охлаждения
Интенсификация процесса теплообмена в системах охлаждения повышает КПД тепловой машины до 20%. Результаты исследования режимов течения двухфазных потоков имеют широкий спектр применения: нефтегазовый кластер промышленности, геотермальные станции, все виды холодильной техники и др. Внедрение таких систем в промышленные холодильные установки и холодильники для домашнего использования может обеспечить экономический эффект и обеспечить улучшение экологии.
- Определение формы солитонов, отвечающим уравнениям Веселова-Новикова, Шредингера, Си-Гордона
Проблема формирования формы солитонов имеет несомненную научную новизну. Решения уравнения Веселова-Новикова, в которых определена форма солитонов позволяют регулировать вибрационные процессы в реальных гидравлических системах, в том числе в нефте- газопроводах, в системах использующих рабочие тела в виде двухфазных сред. Солитонные решения уравнений Шредингера, Си-Гордона отображают реальные процессы, происходящие в устройствах оптоволоконной передачи информации, в гетероструктурных полупроводниковых системах, физике плазмы и др. Определение формы таких солитонов позволяет существенно повысить эффективность и надежность соответствующих устройств.