Современные методы и средства формирования измерительных сигналов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Федеральное государственное бюджетное 
образовательное учреждение высшего образования 
«Казанский национальный исследовательский 
технологический университет» 
 
 
 
 
В. В. Кузьмин, Р. К. Нургалиев, А. А. Рыжова 
 
 
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА 
ФОРМИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ 
СИГНАЛОВ 
 
 
Учебное пособие 
 
2-е издание, переработанное и дополненное 
 
 
Рекомендовано федеральным учебно-методическим объединением в системе высшего образования по укрупненным группам специальностей и направлений подготовки 27.00.00 «Управление в технических 
системах» 
 
 
 
 
 
Казань 
Издательство КНИТУ 
2020 

УДК 658.51.012.011.56(075) 
ББК 32.965я7

К89

Печатается по решению редакционно-издательского совета  
Казанского национального исследовательского технологического университета 

Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. Ю. К. Евдокимов 
д-р техн. наук, проф. К. Х. Гильфанов 

К89 

Кузьмин В. В. 
Современные методы и средства формирования измерительных сигналов : учебное пособие / В. В. Кузьмин, Р. К. Нургалиев, А. А. Рыжова; Минобрнауки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – 
2-е изд., доп. и перераб. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2020. – 360 с.

ISBN 978-5-7882-2922-5

Во второе издание (первое вышло в 2017 г.) внесен ряд дополнений и 
исправлений. В частности, дополнены и исправлены разделы и главы, в которых рассматриваются физические принципы преобразования различных технологических параметров в стандартные сигналы связи, технические структуры и области практического применения. Дополнительно представлена информация о способах метрологического обеспечения значительного числа типов современных средств формирования измерительных сигналов различного 
формата. 
Предназначено для бакалавров и магистрантов направлений подготовки 
27.03.04 «Управление в технических системах», 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» и 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника». 
Подготовлено на кафедре систем автоматизации и управления технологическими процессами. 

ISBN 978-5-7882-2922-5
© Кузьмин В. В., Нургалиев Р. К., 

Рыжова А. А., 2020

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2020

УДК 658.51.012.011.56(075) 
ББК 32.965я7

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Содержание книги полностью соответствует рабочей программе 
по дисциплине «Датчики АСОИУ», которая относится к дисциплинам 
профессионального цикла и изучается в обязательном порядке магистрантами направлений подготовки 15.04.04 «Автоматизация технологических процессов и производств» и 09.04.01 «Информатика и вычислительная техника» по программам «Автоматизация процессов 
контроля и управления потоками энергоносителей», «Информационно-измерительные системы». 
Объектом изучения дисциплины «Датчики АСОИУ» являются 
автоматизированные системы обработки информации и управления 
(в частности, АСУТП), а ее предметом – специальная аппаратура, 
предназначаемая для формирования измерительных сигналов в составе указанных систем. 
Информация о физических принципах преобразования различных технологических параметров в электрические сигналы, а также о 
технических структурах, типах и модификациях современных средств 
формирования измерительной информации различного формата подбиралась в основном из фундаментальных отечественных и зарубежных 
источников, 
а 
также 
из 
соответствующей 
нормативнотехнической документации. При этом преследовалась цель максимального соответствия представляемого материала в сущностном 
плане требованиям Федерального государственного образовательного 
стандарта высшего образования № 1484 от 21.11.14. 
Авторы готовы внимательно и с благодарностью учесть критические замечания и предложения читателей. 

ВВЕДЕНИЕ 

В современных АСУТП передача измерительной информации 
из различных контрольных точек технологических объектов к устройствам цифровой обработки осуществляется с помощью сигналов связи, которые формируются датчиками различных физических величин. 
При этом физические величины, характеризующие текущие состояния 
контролируемых или управляемых объектов, принято называть технологическими параметрами, а под термином датчик понимается 
техническое средство, которое обеспечивает преобразование текущих 
значений технологического параметра, воздействующего на его вход, 
в эквивалентный по величине сигнал связи нужного формата и имеет 
нормированные метрологические характеристики.  
В качестве датчиков в АСУТП наряду со специализированными 
устройствами могут использоваться также различные измерительные 
приборы, оборудованные соответствующими унифицированными передающими преобразователями. Современные серийно выпускаемые 
датчики обычно имеют достаточно сложную функциональную структуру, включающую в себя целый ряд преобразовательных звеньев. 
Каждое такое звено с определенной нормированной точностью выполняет какую-то одну частную преобразовательную функцию и называется измерительным преобразователем. По месту, которое занимают измерительные преобразователи в структурах датчиков или измерительных каналов, их разделяют на первичные и промежуточные. 
Первичные измерительные преобразователи являются чувствительными элементами датчиков, их сенсорами. Они непосредственно 
воспринимают воздействие контролируемых технологических параметров и преобразуют их значения в пропорциональные, естественные первичные измерительные сигналы. Для того чтобы конвертировать первичные измерительные сигналы в выходные сигналы нужного 
формата, их обычно подвергают ряду преобразований, которые осуществляются в промежуточных преобразовательных звеньях. В зависимости от способа формирования выходных сигналов измерительные 
преобразователи подразделяются на активные и пассивные. В преобразователях активного типа энергия технологических параметров, 
воздействующая на их входы посредством того или иного физического эффекта, преобразуется в энергетически активные выходные сигналы в виде механического усилия, ЭДС, силы тока и т. п. В пассивных преобразователях под воздействием входных переменных изменяется выходной импеданс. Это происходит за счет соответствующих 

вариаций активного сопротивления, емкости или индуктивности самих преобразовательных звеньев. Для формирования энергетически 
активных сигналов преобразователи пассивного типа включаются в 
качестве звеньев модуляторов в потенциометрические, мостовые или 
резонансные измерительные схемы, питаемые от внешних источников 
энергии. 
Необходимо отметить развивающуюся в настоящее время тенденцию постепенного превращения датчиков из однофункциональных 
технических средств в многофункциональные, способные, кроме основной своей функции, выполнять основные этапы первичной обработки измерительной информации, осуществлять самодиагностику, 
дистанционную настройку рабочего диапазона и даже выполнение ряда простых алгоритмов управления. Такая многофункциональность 
стала возможной в результате оснащения датчиков встроенными микропроцессорными вычислительными устройствами. 
Быстрое развитие микропроцессорной техники, лавинообразное 
увеличение мощности микропроцессоров при одновременном уменьшении их размеров и серьезном удешевлении сделали экономически 
выгодным и технически целесообразным включение их в электронные 
блоки датчиков практически любых типов. При соответствующем 
программировании встраиваемых микропроцессорных вычислительных устройств датчики приобретают способность адаптироваться к 
внешним условиям путем самостоятельной перенастройки своих рабочих характеристик в зависимости от изменения внешних условий. 
За такими датчиками закрепилось название интеллектуальные [1, 2]. 
Интеллектуальные датчики, помимо существенно расширенных 
функциональных возможностей и значительно улучшенных метрологических характеристик, при автономном использовании имеют интерфейсы к стандартным цифровым полевым сетям, что делает их информационно совместимыми практически с любыми современными 
цифровыми средствами автоматизации.  
Статистика показывает, что наибольшее число параметров, которые определяют состояние различных технологических объектов и 
подлежат контролю или регулированию в процессе работы АСУТП, 
представляют собой физические величины неэлектрической природы. 
Они, как правило, с помощью различного рода чувствительных элементов вначале преобразуются в пропорциональные механические 
усилия или деформации, а затем посредством ряда преобразовательных операций конвертируются в электрические или кодовые сигналы 
нужного формата.  

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДАТЧИКОВ

Процессы формирования измерительных сигналов и их переда
чи по каналам связи неизбежно связаны с преобразованием контролируемых параметров в другие физические величины, функционально с 
ними связанные, но более удобные для использования в конкретных 
системах автоматики. Такие переходы основываются на различных 
физических эффектах. 

То, о чем передается информация, в теории передачи принято 

называть предметами сообщений или просто сообщениями. Применительно к измерительным каналам АСУТП под сообщениями следует 
понимать значения технологических параметров, которые характеризуют состояние контролируемых или управляемых объектов. 

Сообщения бывают непрерывными и дискретными. Непрерыв
ные сообщения в определенных пределах могут принимать бесконечный ряд значений и передаются аналоговыми сигналами. Примерами 
сообщений дискретного типа может служить информация, передаваемая цифровыми, импульсными или двухуровневыми (двухпозиционными) сигналами. 

Для передачи сообщений от источников различным приемным 

устройствам требуются соответствующие носители, такие, например, 
как электрический ток, электромагнитные или акустические волны и 
ряд других. В результате специально организованных воздействий на 
определенные (так называемые информативные) параметры носителей формируются сигналы, а сам этот процесс называется модуляцией. 

Количество способов модуляции, т. е. способов формирования 

сигналов связи, зависит от того, каким количеством информативных 
параметров обладает конкретный носитель. Постоянный ток, например, обладает единственным информативным параметром – амплитудным значением. Поэтому возможен только один способ его модуляции – амплитудный. 

Переменный синусоидальный ток (или напряжение), характери
зуется тремя информативными параметрами: амплитудой 
0
U , часто
той 
0f  и фазой 
0
 : 
)
2
sin(
0
0
0





t
f
U
U
. Изменение любого из

этих параметров может быть использовано в качестве сигнала для передачи информации. Таким образом, возможно три способа модуляции переменного тока: амплитудный, частотный и фазовый. Это об

стоятельство расширяет возможности использования его в качестве 
носителя. 

Сигналы, создаваемые при помощи модуляции, как правило, 

относятся к категории аналоговых и используются для передачи непрерывных сообщений. Однако это понятие распространяется также и 
на случаи, когда информативные параметры носителей изменяются 
скачкообразно от условно «нулевых» до максимальных значений. В 
частности, при постояннотоковом носителе подобный процесс может 
рассматриваться как амплитудная модуляция с получением дискретного двухпозиционного сигнала. 

При передаче информации по радиоканалам в качестве среды
носителя используются высокочастотные гармонические электромагнитные волны, модулируемые низкочастотными колебаниями. Пример амплитудной модуляции высокочастотных гармонических колебаний низкочастотными колебаниями показан на рис.1.1. 

Рис. 1.1. Амплитудная модуляция высокочастотного сигнала 

На этом рисунке y – технологический параметр, изменяющий 

свои значения по закону 
)
(t
f
y 
; 
)
(t
U Д
– напряжение на выходе

звена, которое осуществляет преобразование параметра 
)
(t
y
в экви
валентный электрический сигнал в виде напряжения 
)
(t
U Д
; k – коэф
фициент передачи этого преобразовательного звена; 
OД
U
– начальное

значение сигнала; 
)
(t
U H
 – исходный закон изменения амплитуды

информативного параметра среды-носителя; 
)
(t
U M
 – характер изме
нения амплитудных значений носителя, модулированного напряжением 
)
(t
U Д
; 1t и 2t – моменты начала и окончания процесса модуляции. 

Источником среды-носителя в приведенном примере служит ге
нератор высокочастотных гармонических колебаний напряжения по 
закону 
)
2
sin(
0
0
0





t
f
U
U
. В качестве информативного параметра 

носителя выбрано амплитудное значение выходного напряжения 

)
(t
U H
. 
Для осуществления модулирующего воздействия параметром 

)
(t
f
y 
, изменяющимся с малой частотой, на параметр
)
(t
U H
, его 

значения предварительно при помощи соответствующего измерительного преобразователя конвертируются в электрическое напряжение 

)
(t
U Ä
, которое при помощи специальной электрической схемы вклю
чается в систему управления выходным напряжением высокочастотного генератора и изменяет амплитудные значения его выходного напряжения по закону 


)
2
sin(
)
(
0
0
0
0








t
f
t
f
k
U
U
U
Д
H
m
, одно
значно отображающему закон изменения параметра 
)
(t
f
y 
. Отно
шение 

H

Д
U
U

0

0
, называемое глубиной модуляции, всегда < 1. 

Иногда при передаче сообщений преобразования сигналов про
исходят со сменой носителя. Наглядным примером может служить 
обычный телефонный разговор, в процессе которого звуковой сигнал 
в виде акустических волн на входе в канал связи при помощи микрофона конвертируется в электрические колебания, а затем, в выходном 
звене канала (т. е. в наушниках), электрические колебания снова преобразуются в звуковые. 

По каналам связи к получателям поступают не сами предметы 

сообщений, а их отображения (символы) в виде сигналов, определенных наборов цифр, букв или графических изображений. Сигналы, 
воспринимаемые непосредственно и непрерывно, изменяющие свои 
значения, относятся к категории динамических символов, а цифры, буквы и графические отображения информации, фиксируемые на бумажных или иных носителях, являются статическими символами. 

Передача информации при помощи символов возможна только 

при условии наличия некоторого кода, который устанавливает значе

ния каждого символа или отдельных их комбинаций. Отображение 
предметов сообщения при помощи символов называется кодированием. 

Необходимо отметить, что кодироваться могут только сообще
ния дискретного характера, поскольку число элементов любого кода 
может быть только конечным. По этой причине непрерывные сообщения (в том числе аналоговые сигналы связи) перед кодированием 
должны быть обязательно дискретизированы. 

Под дискретизацией или квантованием по уровню непрерывных 

функций называется операция по замене бесконечного числа их возможных значений последовательным рядом дискретных рациональных чисел. Осуществив квантование непрерывного сообщения по 
уровню, можно все уровни его значений закодировать и передавать 
информацию при помощи соответствующего кода. Для передачи измерительной информации используется главным образом числовые 
коды на основе двоичной, троичной, восьмеричной, десятичной и шестнадцатеричной систем счисления. 

Источниками измерительных сигналов в системах автоматики 

служат датчики различных физических величин, а основными рабочими характеристиками датчиков являются функция преобразования, 
коэффициент передачи, чувствительность, диапазон значений входных и выходных параметров, а также метрологические и ряд других 
показателей. 

Датчики проектируются таким образом, что они сами и боль
шинство преобразовательных элементов, входящих в их функциональные структуры, обладают свойством направленности или необратимости преобразований. Это означает, что изменение значений 
параметров, воздействующих на входы датчиков вызывают соответствующие изменения выходных сигналов, в то время как обратные воздействия отсутствуют. 

Однозначная функциональная зависимость между значениями 

выходного сигнала датчика 
)
(t
y
 и соответствующими им значениями 

параметра 
)
(t
x
, воздействующего на его вход при различных устано
вившихся (статических) состояниях, называется функцией преобразования или статической характеристикой. 

Статическим называется такое состояние датчиков, при котором 
их входные и выходные переменные сохраняют постоянные значения. 
У переменнотоковых сигналов, в частности, при статических или ус

тановившихся режимах постоянными остаются действующие (осредненные) значения силы тока или напряжения, а актуальные значения 
этих величин, естественно, гармонически изменяются. 
Как видно из рис. 1.2, функции преобразования могут быть линейными (1, 3) и нелинейными (2, 4, 5, 6), четными (2–4) или нечетными (2–5) (симметричными или несимметричными), реверсивными 
(2–5) и нереверсивными. Важнейшей характеристикой функции преобразования является параметр 

dx
dy
x
y
k
x










0
lim
,  
        (1.1) 

который называется коэффициентом передачи или чувствительностью. 
У звеньев с функциями преобразования типа 
x
k
y


 или 

0
y
x
k
y



, где 
0y
– постоянная составляющая выходного сигнала, 
этот коэффициент постоянен во всем диапазоне возможных значений 
входного параметра х, а у звеньев с нелинейными функциями он изменяется в зависимости от х. 

а 
 б 

Рис. 1.2. Разновидности функций преобразования 

Для четных функций преобразования характерно равенство 



)
(x
y
x
y


, а для нечетных 

)
(x
y
x
y



.