Ученые мира ищут новые методы измерений

Наш автор Виктор Грушников, кандидат технических наук, научный редактор, старший научный сотрудник отдела научной информации по машиностроению, транспорту и энергетике ВИНИТИ РАН, предлагает вниманию читателей обзор инновационных разработок, с которыми знакомят своих читателей зарубежные журналы. Они касаются новаций в области обеспечения единства измерений в сфере прикладных технологий.

По методу мультиспектральной термометрии

В тренде совершенствования технологии ядерных измерений находится инновационный метод мультиспектральной термометрии, разработанный и представленный в публикации Journal of Applied Optics.

Это рецензируемый научныйжурнал, издаваемый Оптическим обществом американских инженеров — сотрудниками Сианьского института оптики и точной механики.

В основе такой модифицированной радиационной термометрии пространственных точечных объектов лежит способ разбиения пикселей спектрального изображения. Решение проблемы значительных ошибок измерения температуры в пространстве, вызванных низкими температурами и высоким шумом в звуковых и видеосигналах, достигается математическим моделированием многоспектральной радиационной термометрии на принципах двухдиапазонной радиационной термометрии. После объединения от 2 до 20 пикселей мультиспектральная термометрия излучения в диапазонах 3,75–4,1 и 4,3–4,62 мкм продемонстрировала снижение влияния шума с меньшими погрешностями измерения температуры. Для абсолютно черного тела с разрешением 378,15 К относительные погрешности уменьшились с 1,52 и 2,19 до 0,26 и 0,74% соответственно, после объединения шести и восьми пикселей в двух разных полосах по сравнению с несоединенными звуковыми сигналами и изображениями.

Dong P., Zhou L., Liu Z., Cui K. Multi-spectral radiation thermometry of space point targets based on spectral image pixel binning. Applied Optics, 2024, vol. 63, no. 30, pp. 7900–7908. DOI: 10.1364/AO.537027.

На основе муаровой технологии измерения температуры

Волоконно-оптический датчик температуры на основе орбитального углового момента с защитой от аберраций и с исключением калибровки представляет собой несомненный интерес для современной прикладной метрологии.

Он представлен китайскими специалистами в этой сфере деятельности в публикации в издаваемом Технологическим университетом Чалмерса шведского Гетеборга Журнале световых технологий — Journal of Lightwave Technology. Недавно появившиеся интерферометры на основе орбитального углового момента предъявляют высокие требования к качеству вихревого пучка и калибровке системы. Предлагается новый волоконно-оптический интерферометр (ВОИ) на основе орбитального углового момента с муаровой технологией измерения температуры. Технология визуализированного муарового датчика используется для индикации изменения температуры путем вычисления вращения. Муаровый датчик обеспечивает устойчивость к аберрациям вихревого волнового фронта и точность калибровки. Были представлены результаты валидационных экспериментов со сравнением с существующими волоконно-оптическими интерферометрами на основе орбитального углового момента. Представлена сенсорная система с линейной чувствительностью к измерению температуры около 29 рад/°C, в которой в качестве чувствительной части используется всего 0,5 см полидиметилсилоксана. Разрешение при измерении температуры обсуждается в теории и эксперименте. Разрешение составляет 7,05 · 10^–5 °C в теории и 0,003 °C в экспериментах.

Zhang G., Cao J., Yu B., Zhang L. Orbital angular momentum-based optical fiber temperature sensor with aberration immunity and calibration exemption. Journal of Lightwave Technology, 2025, vol. 43, no. 2, pp. 937–941. DOI: 10.1109/JLT.2024.3457798.

Новый метод от Факультета информационной и компьютерной инженерии Северо-Восточного лесного университета китайского Харбина

Для повышения точности метода калибровки средств измерения температуры, не зависящего от источника, сотрудниками Факультета информационной и компьютерной инженерии Северо-Восточного лесного университета китайского Харбина предложен новый метод калибровки мультиспектрального пирометра, основанный на генетическом алгоритме Гаусса — Ньютона (GN-GA).

На основе закона Планка исследователями была создана модель зависимости мощности от температуры и напряжения на основе оптимизации ограничений. Зависимость напряжения от температуры для каждого спектрального канала была получена с использованием алгоритма GN-GA. Его использование в имитационном математическом моделировании показало, что в диапазоне 1000–3000 °C в качестве начальной и конечной точек соответственно алгоритм GN-GA, по сравнению с производным методом наименьших квадратов, продемонстрировал повышение точности экстраполяционной локализации значений температуры на 54,35, 63,96, 51,99 и 44,05% при длинах контролируемых волн излучения 0,4, 0,6, 0,8 и 1,0 мкм соответственно. Результаты эксперимента с абсолютно черным телом показали, что этот метод применим в мультиспектральной, пирометрической, экстраполяционной и температурно-калибровочной технике. Эта инновационная технология измерений температуры открывает новые возможности мониторинга этого важнейшего параметра многих термодинамических процессов с минимальной погрешностью, обычно вносимой из-за физических и/или статистических зависимостей характеристик этих процессов.

Xu X., He J., Wu J., Chen R., Zhou F., Wang B., Zhang Y., Wang Y., He J. Single-Mode Helical Sapphire Bragg Grating for High-Temperature Sensing // Journal of Lightwave Technology. 2025, Vol. 43, № 6. P. 2982–2987.

Инновационная разработка сотрудников Шэньчжэньского университета Китая

Несомненный интерес вызывает инновационная разработка сотрудников Шэньчжэньского университета Китая, создавших высокоточную одномодовую спиральную сапфировую волоконную брэгговскую решетку (СВБР), предназначенную для высокоточного измерения высоких температур.

По сути своей являющаяся потенциальным высокотемпературным датчиком, способным выдерживать температуру до 1900 °C, СВБР функциональна в широкополосном спектре отражения, который может быть достигнут только в многомодовом режиме, что значительно снижает эффективность измерения. В этой инновационной разработке предпринята успешная попытка получения одномодовой СВБР, основанной на спиральной структуре, созданной методом прямой записи фемтосекундным лазером. Обнаружено, что кольцеобразный рисунок надписи, нанесенный на сапфировое волокно, является неправильным из-за искажения фокуса, вызванного цилиндрической геометрией сапфирового волокна. Для решения этой проблемы был применен метод формирования щелевого луча. Благодаря оптимизированной ширине щели в 0,35 мм в сапфировое волокно можно успешно вписать правильные кольцевые узоры. Такая структура имеет максимальное отрицательное изменение показателя преломления —8,8·10^—3 и ширину 7,7 мкм, что позволяет использовать ее в качестве волновода с подавленной оболочкой. Кроме того, в сапфировых волокнах были созданы спиральные структуры различного диаметра. В экспериментальных апробациях были измерены профили режима пропускания в ближней зоне и спектры, показавшие, что может быть получена одномодовая спиральная СВБР диаметром 14 мкм и периодом 1,78 мкм, обладающая узкой полосой пропускания 0,18 нм и высокой отражательной способностью 66,3%. Такое устройство с СВБР в качестве сенсора продемонстрировало повышенную температурную чувствительность в 22,5 пг/°C при 20 °C, 27,5 пг/°C при 600 °C и 33,9 пг/°C при 1200 °C, что аналогично традиционной многомодовой СВБР. Однако ее температурная характеристика имеет гораздо лучшую повторяемость, чем у многомодовой СВБР, что достигается за счет одномодовой передачи с высокой стабильностью.

Xing J., Li Y., Cui S. The spectral-voltage calibration technology of multispectral pyrometers based on Gauss-Newton-genetic algorithm method for nonsource temperature regions // Microwave and Optical Technology Letters. 2024, Vol. 66, № 1. P. 337–345.

01.09.2025

---

448

Поделиться: