Научный архив: статьи

Требования к точности и широте диапазонов измерений ударных ускорений возрастают по мере усложнения производственной базы в науке и технике. В этой связи актуальная метрологическая задача – снижение погрешностей при поверке и калибровке ударных акселерометров. Один из способов увеличения точности измерений ударных ускорений – снижение у эталонных средств погрешностей, возникающих при воспроизведении и передаче единицы ударного ускорения. Воспроизведение ударных ускорений реализовано во множестве установок, работающих на различных физических принципах. Однако ни одной из существующих установок, ни серией однотипных установок не удается перекрыть полностью весь диапазон встречаемых на практике пиковых значений ускорений и длительностей импульсов. Отечественные метрологические лаборатории испытывают потребность в эталонной установке, способной перекрыть диапазон значений ударных ускорений средних интенсивностей, широко востребованный для поверки и калибровки ударных акселерометров, а также для испытаний при разработке и производстве такого оборудования. Цели исследования – разработать, изготовить и испытать макет ударной установки, которую впоследствии, после апробирования, будет возможно использовать в качестве прототипа эталонной ударной установки для поверки и калибровки преобразователей ударного ускорения. Отправной точкой исследования стал обзор характеристик и возможностей Государственного первичного специального эталона единицы ускорения при ударном движении ГЭТ 57–84, рабочих эталонов 2-го разряда (поверочных ударных установок и вибростендов, работающих в ударном режиме) и мировых аналогов. На основе анализа литературных данных выбрана оптимальная схема с пневматическим поршнем, реализованная в конструкции ударной установки для вторичного метода калибровки акселерометров SE-201 (производитель SPEKTRA Schwingungstechnik und Akustik GmbH). Оборудование для исследования: модуль сбора данных D002 (производитель ООО «ГТЛАБ»); зарядовый кондиционирующий усилитель NEXUS2692-A (производитель Brüel & Kjær Sound and Vibration Measurement); акселерометр 1C301HA (производитель ООО «ГТЛАБ»). Реализованы методы численного моделирования и численного расчета; экспериментальный и измерительный методы. Применены программные продукты: GTL (разработчик ООО «ГТЛАБ»); Ansys LS-DYNA (разработчик ANSYS, Inc.). Разработаны, изготовлены и апробированы модели молота и наковальни (двух соударяющихся тел) массой по 1 кг из закаленной стали 40Х. На их основе разработан и изготовлен макет ударной установки. Экспериментально подтверждены результаты численного моделирования ударного взаимодействия молота и наковальни на разработанном макете: ударная установка воспроизводит необходимые режимы ударных импульсов, соответствующих рабочему эталону 2-го разряда (пиковые значения ударных ускорений – в диапазоне до 10⁵ м/с² при длительностях импульсов – от 0,1 мс). Оценено влияние пластических деформаций молота и наковальни на амплитуду и длительность ударного импульса. Приведены зависимости пиковых ускорений и длительностей импульсов от материала и толщины демпфирующих прокладок и высоты сброса молота. Наконец, показаны возможности разработанной установки послужить прототипом эталонной ударной установки для поверки и калибровки преобразователей ударного ускорения. В развитие описанной в статье темы автор запланировал исследования, направленные на оптимизацию моделей молота и наковальни, например, на уменьшение их веса. Также будет изучено влияние геометрии и массы наковальни на ее собственные частоты. Рассматривается возможность внедрения лазерного интерферометра в эталонную установку для обеспечения калибровки и поверки абсолютным методом.

Метрологическое обеспечение средств измерений, периодическая поверка и калибровка которых затруднены или невозможны (так называемых неизвлекаемых средств измерений), ограничено первичной поверкой до ввода в эксплуатацию. С развитием современного приборостроения такие средства измерений становятся все более востребованными, в особенности – на опасных производственных объектах. Однако отсутствует методология контроля точности измерений, проводимых при помощи неизвлекаемых средств измерений. Как следствие, отсутствуют и механизмы прогнозирования технического состояния и метрологического отказа таких средств измерений. Цель работы – ревизия современных подходов к оценке метрологических характеристик неизвлекаемых средств измерений и построение на их основе функциональной модели процесса функционирования средств измерений со встроенной функцией мониторинга точности измерений, позволяющей спрогнозировать метрологический отказ и повысить достоверность результатов измерений. Автор провел анализ ключевых нормативных документов. Методическим материалом послужили МИ 3676-2023 «ГСИ. Рекомендации по определению интервалов между поверками средств измерений. Основные положения»; ГОСТ Р 8.673–2009 «ГСИ. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения»; ГОСТ Р 8.734–2011 «ГСИ. Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Методы метрологического самоконтроля». В итоге построена обобщенная модель функционирования средств измерений со встроенной функцией мониторинга точности измерений. Полученные результаты позволяют провести моделирование процесса функционирования разрабатываемых средств измерений со встроенной функцией мониторинга точности измерений с целью определения необходимых параметров проектирования и значений нормированных метрологических характеристик. Статья ориентирована на практическое применение разработчиками, испытателями и конечными потребителями средств измерений со встроенной функцией мониторинга точности измерений.

Воспроизведение и передача единицы силы в диапазоне от 10 Н до 1 МН в Российской Федерации осуществляется с применением Государственного первичного эталона единицы силы ГЭТ 32–2011 согласно Государственной поверочной схеме. Однако современная промышленность на новом витке развития остро нуждается в обеспечении единства измерений для сил, превышающих 1 МН. Государственная поверочная схема для передачи единицы силы в обсуждаемом нами диапазоне подразумевает применение метода совокупных измерений. Данный метод удовлетворяет текущим требованиям производственных процессов, однако имеет ряд существенных ограничений, препятствующих повышению точности измерительных средств в диапазоне свыше 1 МН до уровня, сопоставимого с методом прямых измерений. Цель представленного в статье исследования – рассмотреть и изучить ряд факторов, оказывающих влияние на результат измерений средств измерений силы, реализующих метод совокупных измерений. Отправной точкой для достижения указанной цели стало определение факторов, снижающих точность метода совокупных измерений силы при использовании групп параллельно нагружаемых динамометров. Для выявления и оценки указанных факторов применен метод анализа нормативных документов и литературных источников. Экспериментальная часть работы реализована с использованием группы динамометров из состава ГЭТ 32–2011. Метод совокупных измерений реализован с использованием параллельно нагружаемых динамометров. Градуировка дополнительных каналов многоканальных динамометров проведена путем проведения нескольких рядов нагружений динамометра на эталоне единицы силы с применением призмы. Анализ теоретической базы показал, что центральная проблема – систематическая погрешность, возникающая из-за отклонения векторов прилагаемых сил от осей чувствительности динамометров. Для решения данной проблемы разработаны теоретическая модель, количественно оценивающая это влияние, и новый метод градуировки дополнительных каналов многоканальных динамометров с использованием призмы, позволяющий компенсировать данную погрешность. Результаты представленной в статье работы могут рассматриваться как перспективное направление для продолжения исследований влияния описанных в настоящей статье факторов на результаты измерений силы, предполагая в перспективе повышение точности измерений силы в диапазоне от 1 до 9 МН.

Пересмотр стандартов на методы определения механических свойств металлов выявил острую необходимость стандартизации подходов к оценке неопределенности, обеспечивающих метрологическую прослеживаемость к государственным первичным эталонам. Цель работы – систематизация методов оценки неопределенности измерений работы удара и выявление доминирующих факторов, влияющих на точность. На основе классической концепции, описанной в ГОСТ 34100.3–2017 (ISO/IEC Guide 98-3:2008) «Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения», проведены математический и практический анализ и сравнение трех подходов. Установлено: метод для копров, соответствующих ГОСТ 10708–82 «Копры маятниковые»,– наиболее простой; метод калибровки по ISO 148-2:2016 «Metallic materials – Charpy pendulum impact test Part 2: Verification of testing machines» – наиболее прецизионный. Показано, что применение стандартных образцов утвержденного типа, в отличие от других методов, обеспечивает прослеживаемость к опорному значению и автоматически учитывает вклады от износа ножа и опор. В ходе исследования выявлены метрологические противоречия в новой версии ГОСТ 9454–2025 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах»: доказано, что предложенные в нем алгоритмы исключают потерю энергии на качание и потенциальную энергию маятника, что приводит к опасному занижению оценки неопределенности. Вычисленные бюджеты неопределенности показали, что на практике доминирующими источниками являются разрешение шкалы и несовпадение центров удара. Полученные алгоритмы планируется включить в проект межгосударственного стандарта на поверку маятниковых копров и использовать при разработке новых стандартных образцов утвержденного типа.

Испытания металлов на ударную вязкость по методу Шарпи наряду со статическими испытаниями на растяжение составляют основу оценки их конструкционной прочности и надежности в самых разных отраслях промышленности. В настоящее время прослеживаемость измерений, проводимых при испытаниях на ударную вязкость с применением маятниковых копров, обеспечивается в основном результатами их поверки. Действующие методики поверки не учитывают критическую значимость одной из основных подсистем копра – подсистему нанесения удара и разрушения образца. В результате копёр, признанный по результатам поверки годным, в действительности показывает завышенные результаты измерений поглощенной энергии из-за ее паразитных потерь. Анализ российских и международных стандартов по испытаниям на ударную вязкость, публикаций отечественных и зарубежных авторов позволил выявить факторы, приводящие к завышенному результату измерения поглощенной энергии классическими копрами. Проведенные межлабораторные сличительные испытания, с одной стороны, это подтвердили, а с другой – обосновали нецелесообразность построения прослеживаемости измерений на основе классического метода испытаний на ударную вязкость. Предложено в качестве основы обеспечения прослеживаемости измерений к действующему Государственному первичному эталону единицы силы ГЭТ 32–2011 применение эталонного маятникового копра наивысшей точности, поддерживающего инструментированный метод испытаний. Наличие в его составе измерительного преобразователя силы позволило рассматривать его в качестве рабочего эталона для дальнейшей передачи единицы силы эталонным мерам (образцам). А от них – инструментированным и классическим копрам соответственно. Предложено также включение эталонного копра непосредственно в состав совершенствуемых Государственного первичного эталона единицы силы ГЭТ 32–2011 или Государственного первичного эталона единицы ударного ускорения ГЭТ 57–84. Для устранения проблемы, связанной с завышенными результатами измерения поглощенной энергии, необходима разработка и утверждение типа мер и стандартных образцов силы и поглощенной энергии. А для массового внедрения рассмотренного подхода, кроме государственной поверочной схемы, необходимы разработка единой методики поверки и ее распространение на все маятниковые копры, эксплуатируемые в России. Описанные выше меры позволят в действительности обеспечить единство измерений при испытаниях на ударную вязкость, проводимых с применением как классических, так и инструментированных копров.

Весы неавтоматического действия – одно из самых распространенных средств измерений массы. В Российской Федерации допущены к применению весы, соответствующие требованиям международного стандарта ГОСТ OIML R76–1–2011 «ГСИ. Весы неавтоматического действия. Часть 1. Метрологические и технические требования. Испытания». Также допустимы весы, изготовленные по технической документации производителя (авторы материала вводят понятие «весы по ТУ», подразумевая аббревиатуру ТУ, или технические условия, как один из вариантов технической документации). Соответственно, подходы к испытаниям весов в целях утверждения типа применяются в зависимости от разновидности весов. Однако отсутствие единого подхода к испытаниям создает условия для недобросовестной конкуренции между испытательными центрами. Проведенный Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) в 2025 году анализ зафиксировал системные нарушения в практике испытаний у ряда аккредитованных центров. Первый шаг к устранению проблем – приведенный в настоящей статье анализ основных ошибок, допускаемых испытательными центрами при испытаниях весов неавтоматического действия в целях утверждения типа. Опорным документом для обзора стал протокол заседания комиссии «Измерения механических величин» при Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) от 25 сентября 2025 года. Также в работе систематизированы данные 26 федеральных и ведомственных нормативных документов: законодательных актов, методик измерений, российских и зарубежных государственных стандартов. Результатом анализа стали объединенные в одной публикации разъяснения требований ГОСТ OIML R76–1–2011 к процедурам испытаний. Особое внимание уделено требованиям к защите весов, отбору образцов для испытаний, температурным испытаниям с последовательными циклами нагрева-охлаждения и эксплуатационным испытаниям на помехи. Показано, что изготовленные не в соответствии с ГОСТ OIML R76–1–2011 весы не выдерживают процедуру испытаний на соответствие данному документу при строгом соблюдении его требований. Настоящая публикация подготовлена с опорой на результаты анализа, проведенного Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт), направленного на устранение условий для недобросовестной конкуренции и угроз недостоверных результатов измерений. В 2025 году начата и в 2026-м продолжается актуализация ГОСТ OIML R76–1–2011 с внесением уточнений и требований, соответствующих современной практике. Выводы статьи могут послужить практическим руководством при проведении указанной работы. Публикация адресована широкому кругу читателей, в первую очередь, – испытателям, производителям и пользователям весов.

В рамках метрологического обеспечения Государственного первичного эталона единиц магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и градиента магнитной индукции ГЭТ 12–2025 с интервалом в пять лет проводятся прецизионные измерения геометрических параметров обмоток кварцевой меры КС-4. Однако традиционная процедура измерений КС-4 – долговременная и затратная, потому что требует применения специального оборудования, сложных методов и трудоемкого учета погрешностей. Оптимизировать процедуру измерений возможно, если взамен разработать альтернативную возможность определения константы КС-4 без потери точности. Исследования в этом направлении ведут в лаборатории государственных эталонов в области магнитных измерений ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева», сотрудниками которой являются авторы настоящей статьи. Авторы статьи сосредоточили поиск альтернативной возможности определения константы КС-4 на методе «сопротивление – частота» (Rf-метод). Измерительный эксперимент включал порядка 20 серий измерений. Было использовано оборудование из состава ГЭТ 12–2205 и реализована методика определения константы КС-4 на основании измерений частоты и сопротивления. В результате исследования была доказана жизнеспособность предлагаемого альтернативного метода. Установленная на данной итерации эксперимента погрешность альтернативного метода в пять раз превышает погрешность традиционного геометрического метода определения константы. Однако выявлены потенциальные возможности улучшения характеристик точности альтернативного метода. Результаты представленного в статье исследования станут основой для дальнейших экспериментов по развитию Rf-метода после совершенствования использованного оборудования и программного обеспечения. При получении в дальнейшем положительных результатов Rf-метод будет внедрен в процедуру метрологического обеспечения Государственного первичного эталона ГЭТ 12–2025. Публикация стала вкладом в отраслевую дискуссию, вызванную происходящим в метрологическом сообществе переопределением единиц Международной системы единиц (SI) и возросшей точностью измерений единиц сопротивления и частоты. Представленный в статье экспериментальный материал придаст импульс к поиску оптимальных решений по совершенствованию отечественной эталонной базы в области магнитных измерений.

Представлено экспериментальное исследование влияния количества фоновых изображений на эффективность обучения модели YOLOv8n для обнаружения объектов на синтетических данных. На основе ранее установленного оптимального числа кадров на фон (1000) проведён анализ зависимости качества обнаружения от числа фоновых сцен в диапазоне от 10 до 150. Эксперименты показали, что оптимальным является использование 40–60 фонов, обеспечивающих наилучший баланс между обобщающей способностью и предотвращением переобучения. Выявлено, что стандартный файл best. pt не всегда соответствует лучшей эпохе обучения, что требует пересмотра критериев выбора модели. Предложены практические рекомендации по улучшению синтетических датасетов, включая расширение аугментаций, вариативность условий съёмки и адаптивную генерацию.

Исследованы особенности ЭПР-сигналов в семенах сои (Glycine max (L.) Merr.) сорта Дельта после воздействия гамма-излучения и низкоэнергетических электронов с энергиями 100 и 120 кэВ. Измерения проводили для измельчённых цельных семян и отдельно выделенной семенной оболочки. Поглощённые дозы составляли 1, 2, 3, 4 и 5 кГр, контрольные образцы не подвергали облучению. Установлено, что в цельных семенах после гамма-облучения формируется дозозависимое усиление центрального синглетного сигнала с g ≈ 2,0036, связанного с углеродцентрированными радикалами, при сохранении секстета ионов Mn2+ как фонового парамагнитного компонента. В семенной оболочке наиболее выраженный ЭПР-сигнал наблюдался после электронного облучения, что согласуется с ограниченной проникающей способностью низкоэнергетических электронов и преимущественным воздействием на поверхностные структуры семени. При дозе 5 кГр на 14-е сутки амплитуда сигнала в семенной оболочке превышала контрольный уровень в 3,5 раза для электронов с энергией 100 кэВ и в 6,1 раза для электронов с энергией 120 кэВ, при этом через 3 месяца она составляла, соответственно, 65,4 и 50,7 % от значений, зарегистрированных на 14-е сутки. Полученные результаты показывают, что амплитуда центрального ЭПР-сигнала может использоваться как диагностически значимый признак радиационной обработки сои, а анализ семенной оболочки особенно информативен при обработке низкоэнергетическими электронами.

Для детального анализа микрорельефа поверхности семян ячменя, обработанных нетермической аргоновой плазмой при атмосферном давлении, использован метод атомно-силовой микроскопии. Образцы обрабатывали СВЧ-плазмой в течение 30 минут и сравнивали с контролем. Методом атомно-силовой микроскопии на отечественном сканирующем зондовом микроскопе СММ-2000 получены топографические кадры с разрешением до 10 нм, вычислены параметры средней шероховатости Ra, среднего размера зёрен Sm микронеровностей на поверхности семян и размера субзёрен S, из которых состоят эти зёрна, а также проведён гранулометрический анализ распределения зёрен по диаметру. После плазменной обработки Ra увеличился с 56 до 94 нм, Sm – с 2,37 до 3,45 мкм, тогда как S уменьшился с 224 до 199 нм, а медианный диаметр зёрен – со 159 до 134 нм. Наблюдаемые изменения находятся в пределах естественной неоднородности рельефа семян.

Рассмотрена технология лазерно-наведенного разряда (ЛНР) как перспективного гибридного метода дистанционной обработки материалов, объединяющего микронную точность лазерного управления плазменным каналом с высокой энергоэффективностью электрического разряда. Описаны принципы инициирования разряда и влияние покрытия образца (свободной поверхности, масляной и полиэтиленовой плёнок) на морфологию и энергетические характеристики обработки материалов. Проведён сравнительный анализ ЛНР и традиционной электроэрозионной обработки, показавший преимущества первого метода: точное позиционирование разряда, контролируемую и минимальную зону термического влияния, отсутствие толстого рекристаллизованного слоя, а также возможность прямой обработки диэлектриков и широкозонных полупроводников без предварительной металлизации. Полученные результаты имеют практическую ценность для развития производств в микроэлектронике, оптоэлектронике и биомедицинской инженерии, где критически важны высокий энерговклад, минимальное тепловое воздействие и работа с труднообрабатываемыми функциональными материалами.

Исследована зависимость концентрации электронов в плазме несамостоятельного газового разряда в смесях азота и кислорода при давлении газа десятки Торр от интенсивности падающих на нее миллиметровых (ММ) электромагнитных волн с частотой 45 ГГц. Разряд поддерживался сторонним ультрафиолетовым излучением. Найдена нелинейная высокочастотная восприимчивость такой фотоионизационной (ФИ) плазмы. Показано, что ФИ плазма может быть использована в качестве нелинейной среды для ММ излучения с интенсивностью от 10 Вт/см2 до пробойного ее значения порядка 10 кВт/см2. Быстродействие такой нелинейной плазменной среды около 10 мкс. Изучена возможность использования ФИ плазмы в качестве нелинейного элемента в волноводных фазовращателях ММ диапазона длин волн. Показано, что при прохождении через ФИ плазму длиной 20 см, созданную в металлическом волноводе, разность фаз между ММ волнами с интенсивностью большей W = 300 Вт/см2 и интенсивностью меньше 20 мВт/см2 будет приблизительно π радиан, а разность фаз между ММ волнами с интенсивностью W = 7 кВт/см2 и интенсивностью 700 Вт/см2 будет около π/3. Рассмотрены два варианта конструкции волноводного интерферометра Маха-Цандера с плазменной нелинейной средой, один из которых может быть использован для селекции импульсов ММ излучения по мощности, другой – для быстрого изменения поляризации ММ волн.