Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.02 – Машинознавство. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» МОН України, Київ, 2021.Дисертація присвячена розробленню адаптивної гідросистеми з перехресним зв'язком з покращеними статичними, енергетичними та динамічними характеристиками. Розроблено математичні моделі варіантів адаптивної гідросистеми на базі одного та двох регульованих насосів. Досліджено вплив режимів, умов роботи гідросистеми, а також параметрів регуляторів та параметрів перехресного зв'язку на динамічні характеристики. На експериментальному стенді проведено дослідження роботи гідросистеми в статичних та динамічних режимах роботи, визначено характеристики контролера з підсилювачем, підтверджено адекватність математичних моделей.Спроектовано дослідний зразок секційного розподільника з пропорційним електрогідравлічним керуванням. Розроблено схему адаптивної гідросистеми для мобільної робочої машини типу БАМ-2014, що випускається підприємством «Будагромаш» м. Київ. Встановлено, що втрати потужності при бурінні шурфу в модернізованій гідросистемі зменшуються на (7,7…13,7) кВт в контурі основного руху та на (13,3…15,6) кВт в контурі подачі. Очікуваний економічний ефект на мобільній робочій машині типу БАМ-2014 становить 44880 грн/рік.Ключові слова: адаптивна гідросистема, розподільник, перехресний зв'язок, мобільна машина, зменшення втрат потужності.^UThesis for the scientific degree of candidate of Technical Science on the speciality 05.02.02 – Machine Science. – National Technical University of Ukraine “Igor Sicorsky Kyiv Polytechnic Institute” of the Ministry of Education of Ukraine, Kyiv, 2021.The thesis is devoted to the development of an adaptive cross-linked hydraulic system with improved static, energy and dynamic characteristics.The analysis of works on research topics is carried out. The principle of operation has been substantiated and schemes of variants of an adaptive hydraulic system based on one and two variable pumps have been developed. The hydraulic system uses electro-hydraulic directional valves, a controller and a sensor system. In the developed versions of the adaptive hydraulic system, the controller implements a cross link between the two circuits, which allows matching the speed values of the hydraulic motors, ensuring the smooth operation of the machine and the maximum loading of the pumps by pressure.It is proposed to form the cross link, which is implemented by the controller, in the form of the sum of the main and corrective components. The correction component is the product of the derivative of the pressure sensor signal and the transmission coefficient. The correcting component is added to the main one with a certain time delay.Mathematical models of adaptive hydraulic systems based on one and two adjustable pumps have been developed. The mathematical models take into account the moments of inertia of the working mechanisms, the flow characteristics of the directional valve are determined on the basis of modeling the flow of working fluid through the working windows and experimentally determined characteristics of the controller. The influence of hydraulic system operating modes, as well as parameters of regulators and cross link parameters on dynamic characteristics has been studied. It was found that the dynamic characteristics of the adaptive hydraulic system depend on the ratio of the values of the design parameters of the pump regulator and the differential pressure valve. The optimal combinations of parameters of regulators and parameters of cross link are found.A prototype of a sectional directional valve with proportional electrohydraulic control is designed. The scheme of the adaptive hydraulic system for the mobile working machine of the BAM-2014 type which is issued by the “Budagromash” (Kyiv) enterprise of is developed. The operation of the adaptive hydraulic system with the hydraulic system of the base machine is compared. Power losses on auger drilling operations in the main contour are reduced by (7.7 -13.7) kW, and in the feed contour by (13.3 - 15.6) kW. Requirements are provided for the accuracy of stabilization of the speeds of the working mechanism, for the time of regulation and overshoot. The expected economic effect from the use of the developed adaptive hydraulic system on the mobile working machine type BAM-2014 is 44.880 UAH/year.Test stand for investigation of the adaptive hydraulic system based on a variable pump, directional control valve with proportional electrohydraulic control and a controller as well as the program for computation of static, dynamic and energy characteristics of the adaptive control system are implemented into the educational process in Vinnytsia National Technical University. The developed circuit of the adaptive hydraulic system and the sectional directional control valve design can also be used for developing hydraulic drives of other mobile machines, where it is necessary to provide regulation, stabilization and coordination of the speed modes of hydraulic engines, such as drilling-crane machines БКМ-2М, БКМ-3У. The results of the work can also be used at Kharkiv Tractor Plant, Drogobych Truck Crane Plant, Turbiv Machine-Building Plant, Kalynivka Machine-Building Plant.Key words: adaptive hydraulic system, directional valve, cross link, mobile machine, power loss reduction.

Базуючись на неперервному та дискретному рядах Вольтерри розроблено методи аналізу та мінімізації нелінійних спотворень у телекомунікаційних системах, а також розвинуто теоретичні засади та створено нові структури компенсаторів нелінійних ефектів. З використанням модифікованої матриці адмітанції та неперервного ряду Вольтерри опрацьовано єдиний опис систем з малими нелінійностями. Розроблено моделі базових нелінійних елементів, з яких можуть складатися нелінійні аналогові системи, а також модель нелінійного операційного підсилювача. Наведено методи й алгоритми обчислення міри гармонічних та інтермодуляційних спотворень, а також методи обчислення відгуку нелінійних систем на збудження періодичними сигналами. Створено програмне забезпечення, яке дає змогу розраховувати спотворення в широкосмугових телекомунікаційних підсилювачах, а також в активних аналогових фільтрах проведено його верифікацію на підставі співставлення результатів обчислень з даними вимірювання. Розроблено теорію стабільності частоти й амплітуди осциляцій у телекомунікаційних генераторах синусоїдальних коливань з використанням рівнянь стану, основою яких є ряди Вольтерри. Розроблено методи аналізу й обчислень нелінійних спотворень у генераторах синусоїдальних коливань, які можна описати за допомогою рівнянь стану. Одержано спеціальну форму дискретних рядів Вольтерри зі скінченною кількістю членів для бінарних вхідних сигналів, базуючись на якій з використанням граткових операторів, сигмоїдальних і радіальних функцій створено нові структури для нелінійних компенсаторів еха. Розроблено методи аналізу та проектування компенсаторів еха в основній смузі частот, а також компенсаторів еха для телетрансмісійних систем, що працюють з несучими сигналами. Проаналізовано питання, що стосуються різної частоти дискретизації вхідних і вихідних сигналів у компенсаторах еха, розроблено компенсатори у формі переплетених структур, які цей факт враховують.

  Скачати повний текст

Запропоновано концепцію розробки спеціалізованих біполярних аналогових інтегральних схем (ІС) для сенсорної техніки, яка базується на єдності алгоритмічних, схемотехнічних, конструктивних і технологічних рішень за комплексом задач забезпечення режимів живлення, формування характеристик перетворення та термостабілізації мікроелектронних сенсорів нового покоління. Запропоновано методи наскрізного моделювання та автоматизованого проектування аналогових ІС сенсорної техніки. Розроблено алгоритми функціонування та структуру спеціалізованих інтегральних термокомпенсаторів та сенсорних пристроїв з внутрішнім термостатуванням. Запропоновано диференційний механізм функціонування каналу теплопередачі твердотільних ІС, що базується на явищі теплопередачі. Наведений механізм покладено до основи нового багатопрофільного компонентf - теплокерованого операційного підсилювача. Розкрито теоретичні аспекти та принципи реалізації широкої серії сенсорних ІС з живленням за сигнальною шиною та з очікуваним режимом функціонуванння. Обгрунтовано вибір конструктивно-технологічних базисів.

  Скачати повний текст

Удосконалено науково-технічну базу проектування п'єзокерамічних перетворювачів динамічних тисків для систем керування. Розроблено та досліджено структурні схеми, амплітудно-частотні та фазо-частотні характеристики, передавальні функції, перехідні характеристики. Розвинуто математичне та схемотехнічне моделювання п'єзоперетворювачів з одно- та двоконтурним просторовим електромеханічним негативним зворотним зв'язком з підсилювачами заряду. Розроблено п'єзоперетворювачі з двоконтурним зворотним зв'язком з використанням підсилювача напруги у додатковому каналі зворотного зв'язку, що дозволяє проектувати п'єзоперетворювачі з більшою температурною та часовою стабільністю. Одержано аналітичні вирази для досягнення мінімуму похибки вимірювання п'єзоперетворювачів з одно- та двоконтурним просторовим електромеханічним негативним зворотним зв'язком.

  Скачати повний текст

Обгрунтовано шляхи вирішення актуальної науково-прикладної проблеми - розширення сфери застосування віброчастотних методів контролю на визначення густини рідин і газів, положення межі розподілу рідин або рідини та газу, концентрації вузької фракції суспенцзій за умов коливань температури, тиску, швидкості течії рідини або газу, густини та в'язкості рідкої фази суспензій. Обгрунтовано наукові засади розробки датчиків густини з двома механічними резонаторами (трубчастими, пластинчастими, циліндричними), датчиків положення межі розподілу рідин (з трубчастими замкненими камертонними резонаторами), експрес аналізаторів концентрації вузької фракції твердої фази суспензцій (з прямолінійними вертикально встановленими трубчастими резонаторам). Розроблено вимірювальні автоколивальні системи механічних резонаторів з мінімальним відхиленням частоти автоколивань від власної частоти резонатора. Запропоновано методи управління власними частотами резонаторів для адаптації датчиків до умов експлуатації. Розроблено методики проектування датчиків і визначення їх похибок за умов експлуатації, а також побудови інформаційно-вимірювальних систем з використанням віброчастотних датчиків. Розроблено математичні моделі віброчастотних датчиків гуситини рідин і газів, концентрації суспензій, положення межі розподілу рідин, які дозволяють одержати умови інваріантності датчиків до коливань температури, тиску, швидкості течії вимірювльної речовини, густини та в'язкості рідкої фази суспензій. Досліджено автоколивальні системи віброчастотних датчиків і визначено параметри усіх елементів систем (приймача та збудника коливань, підсилювача та ланцюга зворотного зв'язку), що забезпечують мінімальну похибку контролю. Розроблено регресійну модель для оцінювання похибки контролю та виміру віброчастотними датчиками за умов експлуатації.

  Скачати повний текст

Теоретично досліджено взаємодію електронних потоків з електромагнітними хвилями у напіпровідникових хвилевідних структурах круглого та прямокутного поперечних перерізів. Дослідження проведено з урахуванням дисипативних ефектів у напівровіднику під час відсутності та за умов зовнішнього постійного магнітного поля. Визначено ефективність пучково-плазмової взаємодії у розглянутих напівпровідникових хвилевідних структурах і з'ясовано вплив параметрів системи на ефективність взаємодії. Одержано нову інформацію про особливості взаємодії електронних потоків з власними хвилями напівпровідникових хвилевідних структур, що може бути використана в сучасній радіофізиці під час створення експериментальних зразків плазмових підсилювачів і генераторів. Розроблено практичні рекомендації для експериментального дослідження взаємодії електронних потоків з електромагнітними хвилями у напівпровідникових хвилевідних структурах.

  Скачати повний текст

Вивчено питання взаємодії та поширення хвиль у магнітосферах пульсарів і системах із плазмово-пучковою нестійкістю (ППН). Розглянуто процеси лінійної трансформації, індукованого розсіювання та трихвильової взаємодії хвиль у магнітосферах пульсарів. Розраховано їх вплив на можливість виходу випромінювання назовні. Досліджено вплив різноманітних типів неоднорідностей плазми на розвиток пучкової нестійкості. Розглянуто великомасштабні неоднорідності (ВКБ наближення) та дрібномасштабні осциляторні неоднорідності. Окремо описано поводження хвиль у разі проходження точки повороту на межі області ППН і розвиток ППН у періодично неоднорідній плазмі. Розв'язано задачу про самоузгоджену взаємодію хвиль і неоднорідностей в обмеженій системі в ППН (наприклад, НВЧ-підсилювачі), в якій виявлено виникнення розподіленого зворотного зв'язку і, як наслідок - робота системи в автомодуляційному режимі.

  Скачати повний текст

Дисертація присвячена вирішенню науково-прикладної проблеми вдосконалення методів та засобів перетворення параметрів електроенергії в напівпровідникових перетворювачах на основі високочастотних магнітних підсилювачів.Запропоновано методи для вирішення актуальної задачі створення загальної концепції побудови високоефективних компактних високочастотних НПЕ в широкому діапазоні вихідних потужностей (десятки Вт – одиниці кВт) та забезпечення високого рівня їх уніфікації задля мінімізації матеріальних, фінансових та інтелектуальних затрат на етапі як розробки перетворювачів, так і їх виробництва.Розроблено інтервальну макромодель енергетичної характеристики високочастотного магнітного підсилювача у вигляді функції від вихідних параметрів перетворювачів електроенергії, яку покладено в основу методу оптимізації масо-габаритних та цінових характеристик осердь магнітних підсилювачів в широкому діапазоні вихідних потужностей з метою створення технології проектування уніфікованого ряду НПЕ з оптимальними масо-габаритними характеристиками осердь ВМП.З метою побудови НПЕ з високим рівнем струму навантаження запропоновано та досліджено методи організації паралельної роботи як імпульсних стабілізаторів постійної напруги на високочастотних магнітних підсилювачах, так і високочастотних нерегульованих транзисторних інверторів, які забезпечують рівномірний розподіл струму навантаження між окремими стабілізаторами та високу стабільність синхронної та синфазної комутації високочастотних інверторів.Запропоновано новий метод побудови керованих перетворювачів на основі ВМП з виходом на змінному струмі із широким діапазоном регулювання частоти вихідної напруги, який забезпечує низький рівень електромагнітних завад та високий рівень динамічних характеристик.Запропоновано та досліджено методи побудови ІСПН на ВМП з синхронним випрямленням, в яких керування польовими транзисторами випрямляча здійснюється безпосередньо у функції напруг високочастотного силового трансформатора інвертора, а керування польовим транзистором у вихідному фільтрі у функції уже наявних в НПЕ напруг дроселів насичення ВМП без введення будь-яких додаткових елементів чи схем керування ними. Результати проведених експериментальних досліджень електромагнітної сумісності НПЕ на ВМП засвідчили низький рівень їх електромагнітних завад випромінювання. Задля покращення електромагнітної сумісності запропоновано та досліджено використання в цих перетворювачах коректорів коефіцієнта потужності, що реалізовують принцип ОСС (One Cycle Control).Проведено дослідження в частотній області НПЕ на ВМП при замкнутому зворотному зв'язку з використанням пакета прикладних програм PSPICE.Результати роботи використано при проектуванні керованого трьохканального імпульсного джерело живлення електричних гальм системи електроприводу антени великого діаметра (ДНТП «ТЕХАС-К», м. Тернопіль), імпульсного джерела живлення автомобільного радіосканера (ТОВ НВФ «Інтеграл», м. Тернопіль), джерела живлення радіопередавальних та приймальних пристроїв систем дистанційного керування енергооб'єктами та обліку електроенергії (ТОВ ТКБР «Стріла», м. Тернопіль).^UThe dissertation is devoted to a solution of an actual scientific and applied problem of improvement of methods and means of electric power conversion parameters in semiconductor converters on the basis of high-frequency magnetic amplifiers.Methods for solving the topical problem of creating a general concept for high-efficiency compact high-frequency power converters design with a wide range of output powers (tens of W - kW), and ensuring a high level of their unification to minimize material, financial and intellectual costs at the stages of power converters development and production were proposed.There was developed an interval macromodel of energy characteristic of high-frequency magnetic amplifier as a function of power converters' output parameters. It is the basis of the method for optimizing mass and dimensions, and price of MagAmp cores in a wide range of output power to create the design technology for unified series of power converters with optimal MagAmp core weight and dimensions characteristics.In order to design power converters with a high level of load current, the methods of parallel operation organization for both pulse DC voltage regulators on high-frequency magnetic amplifiers, and high-frequency unregulated transistor inverters are proposed and investigated. Uniformity of the load current distribution between the individual stabilizers is ensured by a single feedback on the output voltage and does not depend on the technological variance of the MagAmp cores' parameters. The high stability of synchronous and in-phase switching of high-frequency inverters is determined by the only independent level of the remagnetisation rate limit of MagAmp core with rectangular hysteresis loop in the inverters positive feedback loops by output voltages. Both methods are implemented without the introduction of any additional feedback loops, provided that there are no specialized control circuits and additional power supply for them, at minimal use of discrete elements for the entire system. The result is achieved by coherence and interaction of electromagnetic processes in semiconductor and magnetic elements.A new method for design of controlled power converters based on high-frequency MagAmps with AC output with a wide range of output voltage frequency regulation is proposed. It provides a low level of electromagnetic interference and a high level of dynamic characteristics.A method for design of power converters based on high-frequency MagAmps with synchronous rectification is proposed and investigated. It allows control of field-effect transistors of the rectifier directly as a function of the voltages of the inverter's high-frequency power transformer, and excludes the flow of short circuit currents in the rectifier without introducing any additional elements or control circuits for them. To achieve a higher efficiency of the power converters, it is proposed to control the MOSFET, which is used instead of the diode in the output filter of the power converter, in the function of the already existing MagAmp voltages. Moreover, this method of output filter realization does not require any additional elements or control circuits. The carried out experimental study of the proposed methods confirms their effectiveness and ensuring high efficiency of the power converters in a 100% range of load current variation.The results of experimental studies of the electromagnetic compatibility of power converters based on high-frequency MagAmps showed a low level of their electromagnetic interference. To improve the electromagnetic compatibility, the use of power factor correctors based on the principle of OCC (One Cycle Control), has been proposed and investigated.A mathematical model of Magamp power converter was derived. It was investigated in a frequency domain for a closed feedback loop using PSPICE software package.The results were used in the design of a controlled three-channel switching power supply for electric brakes of the electric drive system of large diameter antenna (State Scientific Production Firm TEXAS-K, Ternopil,) switching power supply of car radio scanner (Scientific Production Firm Integral, Ternopil,) power supply radio transmitting and receiving devices of systems for remote control of power objects and the accounting of electric power (Ternopil Design Office Strila, Ternopil.)

Досліджено запропоновані методи та структури відповідних двотактних схем. Наведено аналітичні вирази для статичної передатної характеристики та відповідних похибок лінійності. Одержано співвідношення для визначення динамічних характеристик базових схем двотактних підсилювачів постійного струму. Проведено порівняльне схемотехнічне моделювання відомих і запропонованих схем і показано, що двотактні симетричні ППС мають кращі статичні та динамічні характеристики у порівнянні з аналогами. Доведено, що застосування аналогових вузлів, побудованих на базі двотактних підсилювачів постійного струму, дозволяє суттєво покращити інтегральну лінійність перетворювачів форми інформації.

  Скачати повний текст

Описано особливості формування та доведено адекватність і практичні цінності частотних символьних моделей (ЧСМ) параметричних підсилювачів. З використанням сформованих ЧСМ одно- та двоконтурного параметричного підсилювача проведено різнобічне дослідження особливостей роботи цих підсилювачів та оцінювання їх асимптотичної стійкості, а також оптимізацію передавальної функції двоконтурного параметричного підсилювача. Встановлено, що основна перевага досліджуваного частотного символьного методу, у порівнянні з числовими методами, полягає у підвищенні цілеспрямованості розв'язування ряду практичних задач багатоваріантного аналізу параметричних підсилювачів, їх статистичного дослідження, оптимізації та синтезу.

  Скачати повний текст

Розроблено комплексну математичну модель з метою проведення розрахунків різних типів діодних і тріодних вістрійних структур. На підставі даної моделі здійснено моделювання досліджених структур з урахуванням кремнієвого вістря (КВ) і вістря, вкритого алмазноподібною плівкою (АПП). Уперше досліджено тріодну структуру на підставі КВ, вкритого АПП з сіткою, нанесеною на поверхню катоду. Обгрунтовано можливість одержання та підсилення коливань з урахуванням даних структур у діапазонах до 300 ГГц у тріодних структурах і до 1 000 ГГц у різноманітних модифікаціях діодних структур, а також зменшення робочих напруг у тріодних структурах до величини порядку 20 - 30 В на аноді та 10 - 15 В на сітці.

  Скачати повний текст

Дисертація присвячена вивченню електромагнітної взаємодії просторових гармонік черенковського та дифракційного випромінювань з полями відкритих електродинамічних систем пристроїв дифракційної електроніки. Проведено чисельний аналіз та експериментальне моделювання дифракційно-черенковського випромінювання в періодичних метало-діелектричних структурах. Експериментально досліджено багатозв'язні електродинамічні системи край високих частот (КВЧ). Побудовано лінійну одномірну теорію підсилювача на об'ємних хвилях та проаналізовано умови збудження плоско-паралельного відкритого хвилеводу дифракційним випромінюванням.

  Скачати повний текст

Проведено експериментальні і теоретичні дослідження енергетичних і динамічних характеристик систем нуклеїнова кислота-вода з різним нуклеотидним складом. Знайдено лінійну взаємозалежність між енергією дегідратації нуклеїнової кислоти та її AT/GC складом. Запропоновано гратчасту модель дифузії зв'язаної води вздовж поверхні молекули ДНК з урахуванням її фрактальних особливостей. На основі цієї моделі було отримано оцінні значення коефіцієнтів дифузії води в гідратному оточені ДНК. Розраховано значення фрактальної розмірності ДНК у різних конформаційних станах. При дослідженні властивостей системи ДНК-вода в умовах дії gamma-радіації знайдено, що в процесі опромінення водне оточення молекули ДНК у залежності від рівня вмісту води може виступати як стабілізатором структури ДНК, так і підсилювачем деструктивної дії радіації.

  Скачати повний текст

Досліджено частотні характеристики негармонійних коливань, що виникають під час взаємодії сповільнених електромагнітних хвиль із замкненими розподіленими електронними потоками у схрещених полях. Розроблено новий напрям фізичної електроніки - спектральне моделювання НВЧ-приладів, що містять електродинамічні системи й електронні потоки. Створено спектральні моделі таких приладів на базі використання методів миттєвих значень та комплексних амплітуд. Теоретичним шляхом одержано та проаналізовано спектри побічних і шумових коливань у приладах М-типу з розподіленим катодом. Встановлено причини підвищеного рівня шумів у статичному та динамічному режимах магнетронних систем та розглянуто можливі заходи щодо їх зниження. Запропоновано рішення, що дозволяють підвищити коефіцієнт посиленням підсилювачів М-типу.

  Скачати повний текст

Дисертаційна робота присвячена експериментальним дослідженням нелінійного оптичного підсилення світла та числовому моделюванню коливної динаміки домішкових нанокомплексів, яка формує профілі ВКР підсилення світла в різних типах одномодових волокон на основі кварцового скла. Актуальність теми у даний час обумовлена підвищеним інтересом до аналізу фізичних особливостей індивідуального та колективного впливу фононних коливань у серцевині волокон, які власне визначають ефективність підсилення оптичних сигналів за допомогою вимушеного комбінаційного розсіяння світла. В роботі проаналізовано наявні експериментальні дані вимірювання підсиленого спонтанного випромінювання (ПСВ) за схемою із зустрічною накачкою кварцового одномодового волокна в області 1420 нм…1650 нм; вивчено особливості коливної динаміки домішкових нанокомплексів при формуванні оптичного підсилення за рахунок вимушеного комбінаційного розсіяння (ВКР) шляхом багатомодової декомпозиції в кількох кварцових волокнах. Було вдосконалено методику розділення вимушених та спонтанних внесків у виміряних спектрах підсиленого спонтанного випромінювання. Розроблено методику гаусової фільтрації шумів вимірювального обладнання при реєстрації ПСВ в режимі холостого ходу нелінійного оптичного підсилювача. В роботі вперше запропоновано методику кількісного визначення величини індивідуального зсуву довжини хвилі ЛД накачки від інтенсивності його випромінювання.^UThe dissertation is devoted to experimental research of nonlinear optical amplification of light in singlemode fibers based on the silica glass and it contained the numerical modeling of oscillatory dynamics of doping nanocomplexes, which forms the Raman gain profiles of light in the different types of singlemode fibers based on the sislica glass. Actuality currently due to increased interest in analyzing physical characteristics of individual and collective influence of phonon vibrations in the fiber core that really determine the gain effectiveness of optical signals using stimulated Raman effect. The available experimental data of measurement of amplified spontaneous emission (ASE) using to the counter-pumping scheme in the silica singlemode fiber at the region of 1420 nm…1650 nm are analyzed; the peculiarities of the oscillatory dynamics of impurity nanocomplexes on the formation of optical amplification due to stimulated Raman effect by multimode decomposition in several types of silica fibers have been studied. The method of separation onto stimulated and spontaneous parts in the measured ASE spectra was improved. The Gaussian filtering technique of the measuring equipment noises at ASE registration in the idling mode of the nonlinear optical amplifier is developed. For the first time the quantitative determination technique of values of individual pumping LD wavelength shifts as function of its radiation intensity is offered in this work.

Дисертація містить результати теоретичних й експериментальних досліджень, що спрямовані на розробку концепції технологічних засад використання нанофотонних та наноелектрохімічних технологій для створення сенсорних систем. Їхнє застосування дозволяє покращити аналітичні характеристики систем, розширити функціональність, що включає збільшення номенклатури об'єктів, речовин, що можуть досліджуватися. Вперше запропоновано концепцію побудови надшвидкого потенціостату для реалізації високошвидкісних методів електрохімічної аналізу з використанням мікро-, ультрамікро- та наноелектродів, як сенсорів, яка базується на принципах внутришньокаскадних зв'язків, компенсації омічного падіння в модулі перетворення струм-напруга та застосування режиму повторювача на високих частотах для підсилювача, що керує протиелектродом сенсора. Набув подальшого розвитоку метод надшвидкої вольтамперометрії, що включає дослідження використання мікроелектродів та наноелектродів для електрохімічних досліджень. Отримав широкого розвитку метод хемілюмінесценції, що включає розробку нових композицій та застосування нанотехнологічного п'єзоелектричного активатора аналітичної хемілюмінесцентної реакції. Це дозволило розробити методики визначення біологічнозначущих компонентів рідких проб, таких як аскорбінова кислота, супероксиддисмутаза, гемін, тирозиназа. Продемонстровано перспективність використання методу електрогенерованої хемілюмінесценції в сенсорних системах, що включало розробку фізико-хімічної моделі процесів взаємодії етилформату з біпиридиновим комплексом рутенію, що описує механізм генерації аналітичного сигналу. Наведено дані та випрацьовані рекомендації з розробки інструментарію для нанофотонних та наноеле-ктрохімічних сенсорних систем.^UThe dissertation contains the results of theoretical and experimental researches directed on development of the concept of technological bases to use nanophotonic and nanoelectrochemical technologies for sensor system design. Their application allows to improve the analytical characteristics of the systems, to expand the functionality, which includes increasing the range of objects, substances that can be studied. For the first time the concept of construction of ultrafast potentiostat for realization of high-speed methods of electrochemical analysis with using micro-, ultra-micro- and nanoelectrodes as sensors is offered, which is based on the principles of intra-stage connections, ohmic drop compensation in current-to-voltage amplifier stage, introduction high frequencies compensation feedback to switch on the amplifier in repeater mode to control the counter electrode of the sensor. The method of ultrafast voltammetry was further developed, which includes research of the use of microelectrodes and nanoelectrodes for electrochemical assays. Optical signal detection instrumentation including devices for ultra-weak light registration were analyzed. It was verified that the metrological characteristic of modern photomultiplier tubes in counting mode stays significant for sensor system, however, the role of CMOS photodetector is increasing in portable and miniature sensor systems. The design and fabrication method of a microelectrode were proposed for the first time, that includes the sleeve as a technological element that pro-vides a combination of conductors in the electrode case. The design and fabrication method of ultramicroelectrode were proposed for the first time, which includes an additional technological process of the electrode end shaping to obtain the working electrode surface of submicron and nanometer level by pulling the working end, which is molten. Samples of microelectrodes with Ø6 μm glassy carbon material, with Ø25 μm gold working disk electrode surface, and Ø500 nm gold ultramicroelectrodes were fabricated accordingly to proposed fabrication methods. The method of chemiluminescence received further development that includes the development of new chemical compositions and sonication actuators to conduct the analytical reaction in the sensor system. For the first time the concept of building a sensor system on the principle of "point-of-care testing", which includes the use of nanotechnological piezoelectric actuator of the analytical chemiluminescent reaction. It allows to development of new analytical chemiluminescent technologies for determining the biologically significant components of liquid samples, such as ascorbic acid, superoxide dismutase, hemin, tyrosinase. The prospects of electrogenerated chemiluminescence analysis using sensor systems have been demonstrated, which includes the development of a physicochemical model of the interaction of ethyl formate co-reagent with electrochemiluminophore - ruthenium bi-pyridine complex, which describes the mechanism of analytical signal generation. The use of the diamond-like film dopped by nitrogen as electrode material in the technology of electrogenerated chemiluminescence has shown to improve the signal-to-noise ratio for the known ECL composition of the ruthenium bipyridine complex more than 8 times. The new sensor technology for electrode functionalization was developed that is based on carbon nanotubes bonding to substrate by intermediate sub-stance lipoic acid. Perspectives of formation sensitive layer of carbon nanotubes are shown. The experimental sensor system for electrochemical and electrochemiluminescent studies with ultramicroelectrodes was tested in high-speed polarization modes. The use of Langmuir-Blodget technology made it possible to create modified electrodes with binary systems containing luminophore such as ruthenium bipyridyl complex or rubrene. The use of water-insoluble luminophore in aqueous solutions by immobilization of reagent on the electrode for aqueous solution assays is shown. The optimal content of water-insoluble rubrene in the PMMA matrix in the ratio 1: 5 (in recalculation to monomer), 20% take more stable film is maximum of ECL signal generation. The design of several instruments for light detection with different principals were done for application in sensor systems that including colorimeter “C 1001”, apparatus “Spark” for photomultiplier tube (PMT) integration to a measurement system, fast pulse counter “Pulsar” to control operation of PMT in counting mode and propose interface to different measurement system with analog and digital data transfer, analyzer “ELAN-3D” for electrogenerated chemiluminescent analysis. The recommendations for the development of tools for nanophotonic and nanoelectrochemical sensor systems are presented.

Розроблено метод корекції характеристик підсилювального пристрою з метою реалізації шумового спряження у смузі частот з індукційним давачем сигналу. Для досягнення поставленої мети розроблено метод визначення шумових параметрів канонічної шумової моделі підсилювача. За результатами апробації створеного на його базі вимірювально-обчислювального комплексу підтверджено значне зменшення похибки у порівнянні з існуючими. Розроблено метод аналізу впливу додаткових елементів схеми підсилювача на частотні залежності його шумових параметрів. Запропоновано метод корекції характеристик даного пристрою, який за допомогою внесення додаткових коректуючих ланок до схеми дає змогу створити підсилювач, для якого оптимальна провідність давача сигналу для шумового спряження з ним у смузі частот має індуктивний характер імпедансу. Це дає змогу здійснювати шумове спряження з індукційним давачем сигналу в цій смузі. На базі розроблених методів і методик створено алгоритм спряження підсилювача з індукційним давачем сигналу в смузі частот, який визначає кроки від вибору джерела сигналу до експериментального підтвердження режиму шумового спряження, а також враховує вплив шумів наступних підсилювачів інформаційно-вимірювальних систем.

  Скачати повний текст

Розроблено метод вимірювання прискорення, за якого результатна частотна характеристика інтегрального акселерометра зміщується по частотній осі. Вдосконалено метод керування сигналом від ємнісного мікроакселерометра зустрічно-стрижневої конструкції, який відрізняється від існуючих тим, що сигнали від верхніх і нижніх фіксованих пластин конденсаторів мікроакселерометра подаються на вхід різницевого підсилювача постійного струму, що дає змогу опрацьовувати вхідні напруги нижче сотень мікровольт і вимірювати васокочастотні мікровібрації. Вдосконалено модель для схемотехнічного рівня проектування ємнісного мікродавача зустрічно-стрижневої конструкції, яка відрізняється від існуючих наявністю параметрів, що враховують вплив жорсткості балок і демпфірування повітря, чим забезпечується підвищення точності вихідних параметрів на 7 - 10 % та універсальності макромоделі.

  Скачати повний текст

Проведено дослідження динамічних процесів у надпровідних нелінійних системах, що мають метастабільні струмові стани, переходи між якими призводять до явища стохастичного резонансу (СР). Увагу акцентовано на керування СР в надпровідних квантових інтерферометрах (НКІ) та їх матрицях. Експериментально вивчено ефекти в надпровідних плівках, що дозволяють одержати СР. У гранульованих плівках ванадію виявлено ефект аномального гістерезису та нерівноважний шум, які пов'язані з фрустраційним потенціалом. Числовим розв'язком рівнянь руху НКІ досліджено залежності СР-посилення і спектрів вихідного сигналу від інтенсивності шуму, струмів управління і частоти сигналу. Показано, що керування СР дозволяє в 30 разів покращити чутливість надпровідних квантових інтерференційних детекторів (НКВІД) і використовувати СР-НКВІД для розв'язання принципово нових задач в експериментальній фізиці. Спостережено кооперативне явище, яке виникає за одночасної дії на нелінійну динамічну систему шуму й електромагнітного поля, і яке назване ефектом стохастично-параметричного резонансу (СПР). Запропоновано та проаналізовано схему надпровідного СР підсилювача на основі 4-термінального НКІ для зчитування квантового стану надпровідного потокового кубіта методом неперервних нечітких вимірювань.

  Скачати повний текст

Об'єктом дисертаційного дослідження є процеси перетворення сигналів в струмових ЦАП в яких застосовуються генератори однакових розрядних струмів, що комутуються у вузли резистивних матриць. Мета дисертаційного дослідження полягає у підвищенні лінійності багаторозрядних надлишкових ЦАП на базі генераторів однакових струмів за рахунок дотримання принципу суперпозиції ваг розрядів у діапазоні вихідного сигналу, а також використання інших аналогових вузлів з підвищеною лінійністю. Під час роботи над дисертацією використовувались методи досліджень, які базувалися: на теорії АЦП і ЦАП, теорії лінійних інтегральних схем, теорії електричних кіл і сигналів, методах введення вагової надлишковості у перетворювачі форми інформації, методах побудови двотактних буферів напруги, двотактних підсилювачів постійного струму, методах побудови термостабільних джерел постійного струму і напруги. Теоретичні результати: вперше запропоновано метод побудови багаторозрядних ЦАП із ваговою надлишковістю з комутацією однакових струмів у вузли резистивної матриці, в яких застосовуються генератори розрядних струмів із високими та надвисокими вихідними опорами, що дозволяє дотримуватися принципу суперпозиції ваг розрядів в діапазоні вихідного сигналу та істотно зменшити похибку диференційної нелінійності характеристики перетворення. Удосконалено математичну модель для розрахунку секційних резистивних матриць ЦАП залежно від типу конфігурації та характеристик надлишкової системи числення, яка використовується, що дозволяє проводити розрахунки секційних матриць для довільних надлишкових систем числення. Отримали подальшого розвитку методи підвищення точності широкосмугових високолінійних двотактних підсилювачів постійного струму за рахунок застосування складених транзисторів, принципу підсилення струмів та зворотних зв'язків по струму, що дозволяє збільшити їх лінійність та навантажувальну здатність і двотактних буферів напруги за рахунок застосування складених транзисторів та внутрішніх балансних зворотних зв'язків, що дозволяє збільшити їх вхідний опір. Отримали подальшого розвитку методи побудови термостабільних генераторів постійного струму і напруги із використанням напруги ширини забороненої зони напівпровідника за рахунок застосування складених транзисторів, відбивачів струму і додаткових зворотних зв'язків, що дозволяє збільшити їх термостабільність на 2-3 порядки. Практичні результати полягають у розробці структурних та принципових електричних схем: багаторозрядних (14-20 двійкових розрядів) струмових ЦАП із ваговою надлишковістю, що використовуються для генерування високолінійних сигналів; високоомних генераторів розрядних струмів (вихідний опір 107-109 Ом) для надлишкових ЦАП, завдяки чому зберігається принцип суперпозиції ваг розрядів в діапазоні вихідного сигналу під час їх перемикання; широкосмугових високолінійних двотактних підсилювачів постійного струму з балансними зворотними зв'язками (нелінійність вихідного струму 10-8 А в діапазоні вихідного сигналу ±1 мА), а також структурні та принципові електричні схеми двотактних буферів напруги (вхідний опір 1-10 ГОм); термостабільних джерел постійного струму і напруги із використанням напруги ширини забороненої зони напівпровідника (температурний коефіцієнт 0,006-0,3ppm/°C). Отримані результати доповнили також програми таких навчальних дисциплін, як «Лінійні інтегральні схеми», що викладається студентам бакалаврату, «Аналого-цифрові системи», що викладається студентам магістерської підготовки, та «Аналого-цифрові пристрої комп'ютерних систем», що викладається підготовки докторів філософії напряму 123 «Комп'ютерна інженерія». Саме ці результати дисертаційного дослідження, що націлені на розв'язання конкретних задач розроблення та використання інформаційно-вимірювальних систем, передані для впровадження у ТОВ МАЙТЕК ПЛЮС.^UThe object of the dissertation research are the processes of signal conversion into current DACs in which generators of the same bit currents are used, which are switched to the nodes of resistive matrices.The purpose of the dissertation research is to increase the linearity of multi-bit redundant DACs based on generators of the same currents by adhering to the principle of superposition of discharge weights in the output signal range, as well as the use of other analog nodes with increased linearity.During the dissertation research methods were used, which were based on: ADC and DAC theory, theory of linear integrated circuits, theory of electric circuits and signals, methods of introducing excess weight in the form converter, methods of constructing two-stroke voltage buffers, two-stroke DC amplifiers construction of thermostable sources of direct current and voltage.Theoretical results: for the first time a method of constructing multi-bit DACs with weight redundancy with switching of identical currents in resistive matrix nodes is used, which use discharge current generators with high and ultrahigh output resistances. nonlinearity characteristics of the transformation. The mathematical model for calculation of sectional resistive matrices of DAC depending on the type of configuration and characteristics of the redundant number system used is improved, which allows to perform sectional matrix calculations for arbitrary redundant number systems. Methods for improving the accuracy of broadband high-line two-stroke DC amplifiers through the use of folded transistors, the principle of amplification of currents and current feedback, which allows to increase their linearity and load capacity and two-stroke voltage buffers through the use of folded transistors and internal transistors connections, which increases their input resistance. Methods for constructing thermostable DC and voltage generators using the voltage of the band gap of the semiconductor through the use of folded transistors, current reflectors and additional feedback have been further developed, which allows to increase their thermal stability by 2-3 orders of magnitude.The practical results are the development of structural and basic electrical circuits: multi-bit (14-20 binary discharges) current DACs with excess weight, used to generate high-line signals; high-resistance generators of discharge currents (output resistance 107-109 Ohms) for excess DACs, thus maintaining the principle of superposition of the weights of the discharges in the range of the output signal during their switching; broadband high-line two-stroke DC amplifiers with balanced feedback (nonlinearity of 10-8 A output current in the output signal range ± 1 mA), as well as structural and basic electrical circuits of two-stroke voltage buffers (input resistance 1-10 Gм); thermostable sources of direct current and voltage using the voltage of the band gap of the semiconductor (temperature coefficient 0.006-0.3ppm / ° C).The results also complemented the programs of such disciplines as "Linear integrated circuits" taught to undergraduate students, "Analog-digital systems" taught to master's students, and "Analog-digital devices of computer systems" taught by doctoral students philosophy of direction 123 "Computer Engineering". It is these results of the dissertation research, which are aimed at solving specific problems of development and use of information and measuring systems, transferred for implementation to LLC MATEK PLUS.