Прикладные аспекты. Экономика. Методические аспекты физического образования Под редакцией профессора А. В. Ляшенко Саратов Издательство Саратовского университета 2 011
|
Скачать 2.38 Mb.
|
|
Министерство обороны Российской Федерации Министерство промышленности и энергетики Саратовской области ОАО «Тантал», ОАО «НИИ-Тантал» Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского  Гетеромагнитная микроэлектроника Сборник научных трудов Выпуск 10 Гетеромагнитная микро- и наноэлектроника. Прикладные аспекты. Экономика. Методические аспекты физического образования Под редакцией профессора А. В. Ляшенко Саратов Издательство Саратовского университета 2  011УДК 621.382.029.6 ББК 548.537.611.44 Г44
В сборнике представлены материалы исследований по гетеромагнитной микроэлектронике и прикладным аспектам – лазерному манипулятору, зондовой микроскопии, устройствам защиты информации, управлению качеством образования, новому направлению «Экономика в промышленности». Для специалистов-разработчиков, экспертов, а также аспирантов и студентов. Редакционная коллегия : А. А. Игнатьев, д-р физ.-мат. наук, проф. (отв. редактор); М. Н. Куликов, канд. физ.-мат. наук, проф. (зам. отв. редактора); Л. Л. Страхова, канд. физ.-мат. наук, доц. (отв. секретарь); В. И. Борисов, д-р техн. наук, член-корр. РАН; С. Ю. Глазьев, д-р экон. наук, акад. РАН; О. Ю. Гордашникова, д-р экон. наук, проф.; Ю. В. Гуляев, д-р физ.-мат. наук, акад. РАН; Ю. А. Матвеев, д-р физ.-мат. наук; Е. А. Мокров, д-р техн. наук, проф.; О. А. Мызрова, канд. экон. наук, доц.; Е. А. Наумов, канд. экон. наук, проф.; С. А. Никитов, д-р физ.-мат. наук, проф., член-корр. РАН; А. А. Солопов, канд. экон. наук; С. П. Кудрявцева, канд. техн. наук, доц.; С. В. Овчинников, канд. физ.-мат. наук, доц.; Л. С. Сотов, канд. физ.-мат. наук, доц.; А. Л. Хвалин, канд. техн. наук, доц.; А. С. Краснощекова, инженер КБ КТ ОАО «НИИ-Тантал». УДК 621.382.029.6 ББК 548.537.611.44
 Предисловие В десятый выпуск сборника включены материалы по прикладным проблемам гетеромагнитной микроэлектроники, магнитной дефектоскопии, феррорезонансным датчикам вибрации, новым магнитным сплавам и методикам измерений стандартных образцов наноструктурных магнитных материалов. В сборнике нашли отражение :
В методическом разделе представлена статья по управлению качеством образования в России, США и странах Европы. Начиная с этого номера в сборнике вводится новое направление «Экономика в промышленности», что потребовало изменения состава редакционной коллегии авторитетных специалистов : директора института новой экономики Государственного университета управления академика РАН, доктора экономических наук С. Ю. Глазьева; профессора, доктора экономических наук О. Ю. Гордашникову; доцента, кандидата экономических наук О. А. Мызрову. Статьи в экономическом разделе посвящены анализу развития НИОКР в ОПК и факторов, влияющих на инновационную активность предприятий, особенностям реализации промышленной политики на предприятиях нанотехнологических производств, проблемам адаптации системы высшего профессионального образования в инновационной экономике.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, КОМПЬЮТЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ УДК 53.082.78 ПРИМЕНЕНИЕ ГЕТЕРОМАГНИТНЫХ ДАТЧИКОВ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ ЗА НЕМАГНИТНЫМИ ПРЕГРАДАМИ А. А. Игнатьев, М. Н. Куликов, А. А. Масленникова, А. В. Прозоркевич Саратовский государственный университет Россия, 410012, Саратов, Астраханская, 83 E-mail : IgnatievAA@info.sgu.ru Приводятся результаты экспериментального исследования характеристик магнитного градиентометра, состоящего из двух гетеромагнитных датчиков как части системы определения всех девяти компонент матрицы производных магнитного поля и обнаружения ферромагнитных тел за непрозрачными преградами. Ключевые слова : магнитный градиентометр, матрица производных магнитного поля, обнаружение ферромагнитных тел. Geteromagnetic Sensors Application for Detection and Localization of Ferromagnetic Objects for non-Magnetic Barriers A. A. Ignatiev, M. N. Kulikov, A. A. Maslennikova, A. V. Prozorkevich An experimental study of the characteristics of a magnetic gradiometer consisting of two geteromagnetic sensors as part of the system for the definitions of all components of the derivatives matrix of the magnetic field and detection of ferromagnetic bodies for opaque barriers. Key words : magnetic gradientometer, matrix of magnetic field derivatives, detection of ferromagnetic bodies. Поиск и локализация (т.е. определение координат, формы и размера) скрытых магнитных объектов являются важной технической задачей, для решения которой предложено много различных методов и технических устройств на их основе [1]. Особый интерес представляет магнитометрический метод, основанный на обнаружении и измерении аномалии магнитного поля Земли вблизи любого ферромагнитного объекта. Технические устройства, использующие магнитометрический метод, успешно применяются для поиска подводных лодок в океане [2], неразорвавшихся мин и снарядов под землей [3], трубопроводов, арматуры в железобетонных стенах [4] и т.д. Достоинство магнитометрического метода заключается в том, что по отношению к обнаруживаемому объекту он является пассивным, т.е. не воздействует на объект никакими сигналами и тем самым не обнаруживает себя. Для выделения слабого сигнала магнитной аномалии на фоне многочисленных внешних магнитных полей чаще всего используется градиентометрический метод, основанный на вычитании показаний двух магнитометров, разнесенных в пространстве на некоторое расстояние друг от друга, называемое базой градиентометра. Градиентометр «не замечает» слабоградиентные поля помех, но регистрирует большие градиенты полей вблизи ферромагнитных тел. В [5] описаны гетеромагнитные датчики, разработанные в СГУ совместно с ОАО «НИИ-Тантал» и позволяющие регистрировать малые изменения магнитного поля Земли. В настоящей работе приводятся результаты экспериментального исследования градиентометра, использующего гетеромагнитные датчики магнитного поля, и рассматриваются перспективы построения на этой базе градиентометрических систем. Простейшей теоретической моделью ферромагнитного тела во внешнем магнитном поле является магнитный диполь или набор диполей. В случае одного магнитного диполя индукция (в единицах СИ) определяется выражением
где p – магнитный момент диполя; r – вектор, соединяющий точку наблюдения и диполь; 0 = 410–7 Гн/м – магнитная постоянная. Для экспериментальной проверки возможности использования гетеромагнитных датчиков в градиентометре была собрана система из двух одноосных датчиков, измерительные оси которых параллельны и разнесены на расстояние a = 5 см, а магниточувствительные элементы лежат в одной плоскости, перпендикулярной измерительным осям (рис. 1).  Рис. 1. Градиентометр с двумя гетеромагнитными датчиками : а – схематическое изображение расположения датчиков (жирные точки) градиентометра, их измерительных осей (жирные стрелки) и используемой системы координат; б – внешний вид При измерении аномалий магнитного поля с использованием градиентометра вместо точного значения производной получается ее среднее значение на интервале (–a/2, a/2), т.е. центральная разностная производная в терминах сеточных функций. Результаты расчета относительной ошибки (погрешности) такой замены представлены на рис. 2. Видно, что для случаев (d/а) > 10 ошибка не превышает 1%.  Рис. 2. Относительные ошибки определения производных Bxx, Byy, Bzx за счет усреднения (момент диполя p = 0,1 А·м2) : а – зависимость от базы a при положении диполя в точке (0,05; 0,05; 0,5); б – зависимость от расстояния d по оси z до диполя при базе a = 0,05 м В качестве измеряемого объекта при исследовании возможностей гетеромагнитного магнитометра использовалась калибровочная катушка диаметром 3,6 см, содержащая N = 20 витков провода диаметром 0,5 мм и создающая магнитный момент 0,02 А·м2 при токе I = 1 А. Катушка могла ориентироваться и перемещаться в пространстве по трем взаимно-перпендикулярным направлениям относительно градиентометра. Результаты измерения компоненты градиента  при двух ориентациях магнитного момента в зависимости от смещения катушки вдоль оси x и соответствующие расчетные кривые представлены на рис. 3. Экспериментальные результаты определения разрешающей способности градиентометра при измерении магнитных полей, создаваемых двумя разнесенными в пространстве одинаковыми катушками, т.е. двумя дипольными моментами, представлены на рис. 4.  Рис. 3. Экспериментальные и расчетные зависимости компоненты градиента Bzx как функции смещения катушки вдоль оси x при двух ее ориентациях : а – p || z; б – p || x  Рис. 4. Экспериментальные и расчетные зависимости компоненты градиента Bzx для двух диполей как функции смещения их центра вдоль оси x для двух расстояний между диполями : а – 10 см; б – 15 см Приведенные на рис. 3 и 4 результаты показывают достаточную точность измерений и возможность практического использования гетеромагнитного градиентометра с базой, не превышающей двух расстояний между диполями и до диполей. Локализация (т.е. определение координат, формы и размеров) скрытых магнитных объектов представляет собой обратную задачу магнитостатики. Решению этой задачи посвящено большое количество работ, наиболее известными из которых являются [6–10]. В них было показано, что в отличие от прямой обратная задача – восстановление значений намагниченности (или распределения магнитной проницаемости) образца по известному результирующему полю вне его – в общем случае не имеет единственного решения. По измерениям магнитного поля вне тела нельзя заранее сказать, создается ли оно телом, имеющим единственное решение обратной задачи, или телом, имеющим варианты решения. Такой вывод можно сделать с той или иной степенью вероятности только по результатам проведенного расчета. Вероятностный характер суждений о результатах решения обратной задачи обусловлен, конечно, наличием случайных и систематических погрешностей измерений и вычислений, которые приводят к неустойчивости решения обратной задачи, когда небольшое изменение исходных данных может привести к большому изменению результатов расчета. Для борьбы с этой неустойчивостью предлагается вносить в алгоритм расчетов как можно больше дополнительной априорной информации об объекте исследования («регуляризация» решения обратной задачи в смысле А. Н. Тихонова). Используется также методика обработки данных, включающая повторные пересчеты при нескольких различных расчетных сетках и нескольких наборах других исходных параметров. Если все повторные расчеты дают близкие по заданному критерию результаты, то найденное решение считается однозначным и устойчивым (по заданному критерию). Если же результаты существенно различаются, то приходится вводить в алгоритм дополнительную информацию об объекте исследования, либо менять критерий и алгоритм решения задачи, либо, наконец, признать, что задача принципиально не имеет однозначного решения в данных условиях эксперимента. В последнем случае можно изменить условия эксперимента, чтобы сделать обратную задачу однозначной. Обозначим элементы матрицы производных :
Эта матрица симметрична и имеет нулевой след согласно уравнениям Максвелла :
так что содержит всего пять независимых элементов. Для локализации источника поля градиентным методом даже в случае одного магнитного диполя (6 неизвестных параметров) измерения в одной точке недостаточно. Число уравнений должно быть больше числа неизвестных, чтобы можно было выделить нужный корень системы нелинейных уравнений. Поэтому, измеряя производные как минимум в двух точках, получаем с учетом (1) систему нелинейных уравнений вида
относительно неизвестных pi и ri при заданных (измеренных) Bij (ij – символ Кронеккера). Величины pi входят в уравнения линейно, поэтому их можно исключить аналитически. Для этого выполним свертки Bij с вектором ri (по повторяющимся индексам подразумевается суммирование) :
Исключая из (5) и (6) скалярное произведение pk rk, получаем выражение для компонент магнитного момента диполя
Подставляя это выражение в формулу (4), получаем замкнутые уравнения для координат диполя, создающего известные градиенты Bij в фиксированных точках пространства :
где ek – проекции вектора r на координатные оси. Экспериментально определить все компоненты матрицы производных можно, например, с использованием двенадцати одноосных датчиков, расположенных так, как показано на рис. 5. Система позволяет непосредственно измерить пять элементов матрицы, отнесенных к точке пересечения диагоналей куба (точка 0). Остальные компоненты вычисляются с помощью уравнений Максвелла (3). В более простом варианте такую систему можно выполнить и в плоском виде, расположив десять одноосных датчиков в вершинах и на серединах сторон шестиугольника, как показано на рис. 6. Однако при этом интервал усреднения будет неодинаков для разных производных.  Корректное решение обратной задачи магнитостатики возможно лишь тогда, когда известны компоненты матрицы производных в как можно большем числе точек пространства (плоскости), в которых модули градиента заметно (в два-три раза) превышают уровень помех. Для этого необходимо иметь достаточно большую матрицу из элементарных измерительных ячеек либо систему перемещения ячеек по обследуемой поверхности. В том случае, когда достаточно обнаружения точки поверхности, под которой находится ферромагнитный объект, оценка глубины залегания и порядок величины его магнитного момента, можно использовать в измерительной ячейке меньшее число датчиков. Так, в промышленных установках поиска неразорвавшихся мин и снарядов обычно используются два градиентометра, состоящих из двух магнитометров каждый, т.е. всего четыре устройства [11]. В заключение проведем сравнение градиентометра и обычного магнитометра по параметру дальности обнаружения равномерно намагниченной до характерного значения M = 104 А·м2 ферромагнитной сферы радиуса R. В дипольном приближении фиксируем чувствительности градиентометра на уровне Δg = 100 нТл/см и магнетометра на уровне Δm = 100 нТл для продольной компоненты магнитного поля вдоль оси диполя. Результаты сравнения представлены на рис. 7, откуда видно, что при выбранных параметрах градиентометр становится предпочтительнее по выбранному параметру для объектов радиусом менее 1 мм.  Рис. 7. Дальность обнаружения магнитометром (пунктир) и градиентометром (сплошная линия) намагниченной сферы : а – в обычных единицах, б – в единицах радиуса сферы Точка пересечения кривых на рис. 7 определяется равенством
Эта оценка соответствует «идеальному» градиентометру (при a→0), для реальных градиентометров поправка незначительна (см. рис. 2) при достаточном удалении датчиков от источника поля. Изложенные в статье экспериментальные результаты носят предварительный характер и будут уточняться по мере совершенствования элементной базы устройства : предполагается замена датчиков, собранных на дискретных элементах, системой на кристалле. Такая замена позволит существенно повысить разрешающую способность градиентометра при исследовании субмикронных объектов и точность измерения производных поля, а также измерять параметры магнитного поля в различных точках одновременно. Это даст возможность исключить влияние импульсных помех и повысить надежность решения обратной задачи. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
|
,
.Похожие:
 |
Прикладные аспекты. Экономика. Методические аспекты физического образования... Гетеромагнитная микроэлектроника : сб науч тр. / под ред проф. А. В. Ляшенко. – Саратов : Изд-во Сарат ун-та, 2011. – Вып. 11 : Гетеромагнитная... |
|
Выпуск 3 Гетеромагнитная микро- и наноэлектроника. Прикладные аспекты... Гетеромагнитная микроэлектроника: Сб науч тр. / Под ред проф. А. В. Ляшенко. – Саратов: Изд-во Сарат ун-та, 2008. Вып. Гетеромагнитная... |
 |
Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко... Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых |
|
Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко... Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых |
|
Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко... Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых |
|
Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко... Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых |
|
Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко... Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых изданий, в которых |
|
Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко... Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и... |
|
Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко... Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и... |
|
Экономика в промышленности Под редакцией профессора А. В. Ляшенко... Решением Президиума вак министерства образования и науки РФ издание включено в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и... |
|
Л. И. Сокиркиной издательство саратовского университета Лингвометодические проблемы преподавания иностранных языков в высшей школе: Межвуз сб науч тр. / Под ред. Л. И. Со |
|
Аллен Астро- физические величины Переработанное и дополненное издание... Книга профессора Лондонского университета К. У. Аллена приобрела широкую известность как удобный и весьма авторитетный справочник.... |
|
Российской Федерации Федеральное агентство по здравоохранению и социальному развитию Под редакцией: заслуженного деятеля науки рф, д м н., профессора Г. Г. Автандилова, д м н., профессора В. Л. Белянинова |
|
Статьи в журналах А. М. Богданова Рффи 11-04-01861-а Окислительно-восстановительные фотоконверсии флуоресцентных белков: фундаментальные и прикладные аспекты 2011... |
|
Исследование осуществлено при участии и под редакцией д ф. н, профессора... Халина Н. В., Внучкова Т. Н., Пушкарева И. А., Серова Е. В., Бунчук О. М., Хребтова Т. С., Столярова Н. Н., Злобина Ю. И. Коннективистика:... |
|
Учебное пособие Челябинск 2018 удк: 617+616. 6](07) ббк: 54. 5+56.... Под редакцией проф. В. Н. Бордуновского – Челябинск: Издательство «пирс», 2018. – с |