Основы информационно-измерительных технологий в приборостроении

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего образования 
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 

 

 

 

 

В. Л. ЗЕМЛЯКОВ, С. Н. КЛЮЧНИКОВ, 

А. В. НАГАЕНКО 

 

ОСНОВЫ ИНФОРМАЦИОННО
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ  

В ПРИБОРОСТРОЕНИИ 

 

Учебное пособие 

 

 

 

 

 

Ростов-на-Дону – Таганрог 
Издательство Южного федерального университета 
2022 

УДК 681.2(075.8) 
ББК 34.9 я73 
    З-53 
 
Печатается по решению кафедры информационных и измерительных 
технологий Института высоких технологий 
и пьезотехники Южного федерального университета 
(протокол № 7 от 24.02.2022 г.) 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, заместитель директора по научной работе 
ФГБУН «Федеральный исследовательский центр Южный научный центр 
Российской Академии наук» (ЮНЦ РАН) Ю. И. Юрасов; 
 
кандидат технических наук, доцент кафедры ИИТ ИВТиПТ  
Южного федерального университета Б. В. Рябошапко  
  
 
           Земляков, В. Л. 
З-53    Основы информационно-измерительных технологий в приборостроении : учебное пособие / В. Л. Земляков, С. Н. Ключников, 
А. В. Нагаенко ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; 
Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2022. – 
130 с. 
ISBN 978-5-9275-4113-3 
 
 

Предлагаемое вниманию читателей учебное пособие составлено в первую 
очередь для студентов Института высоких технологий и пьезотехники Южного 
федерального университета и ориентировано на будущих специалистов в области 
современного 
приборостроения, 
информационных 
и 
информационноизмерительных технологий. Оно может быть использовано студентами при 
изучении дисциплины «Основы информационно-измерительных технологий в 
приборостроении» и написании выпускной квалификационной работы бакалавра.  
 

УДК 681.2(075.8) 
ББК 34.9 я73 
 
ISBN 978-5-9275-4113-3 

© Земляков В. Л., Ключников С. Н., Нагаенко А. В., 2022 
 © Южный федеральный университет, 2022 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ ……………  …………………………………………….. 
МОДУЛЬ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ………………..

1.1 Методы измерений в электрической цепи …………………….
1.2 Моделирование в LabVIEW …………………………………… 
1.3 Новые методы определения добротности и их компьютерное 

моделирование …………………...…………………………….. 

1.4 Моделирование акустических устройств …………………….. 

МОДУЛЬ 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ …..…. 

2.1 Исследование влияния температуры на свойства ПКЭ   ……. 
2.2 Исследование пьезоматериалов для пьезогенераторов……… 
2.3 Проектирование, изготовление и исследование 

пьезопреобразователя для ультразвукового уровнемера .….... 

МОДУЛЬ 3 ПРИБОРЫ И ИХ СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ ……………...

3.1 Система климат-контроля……………………………...………. 
3.2. Программно-аппаратный комплекс в среде LabVIEW ...…… 

МОДУЛЬ 4 ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА 
БАКАЛАВРА …………………………………………………………..

4.1 Подготовки и оформление ВКР ……………………………….. 
4.2 Пример оформления ВКР ……………………………………… 
4.3 Защита ВКР бакалавра ………………………………………….
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………….. 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………. 

 

4 
6 
6 
17 
 
29 
46 
57 
57 
67 
 
73 
83 
83 
91 
 
102 
104 
117 
126 
128 
128 

 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Информационно-измерительная техника и технологии – одно из 

направлений 
Приборостроения, 
которое 
обеспечивает 
сочетание 

современных контрольно-измерительных приборов с компьютерными 
системами обработки информации. Работа информационно-измерительной 
системы предполагает получение информации в виде электрического 
сигнала, его преобразование, передачу на значительные расстояния, их 
компьютерную обработку, обеспечивающую формирование баз данных и 
требуемого представления результатов. Сюда же относится компьютерное 
моделирование и аппаратно-программная реализация информационноизмерительных систем, разработка виртуальных и интеллектуальных 
средств измерения, а также программного обеспечения для систем 
технологического контроля, 
диагностики 
и 
мониторинга сложных 

технических объектов. 

Учебное пособие написано с целью оказания помощи студентам, 

специализирующимся в области информационных и измерительных 
технологий (ИИТ), в том числе, при подготовке ими выпускной 
квалификационной работ (ВКР) по направлению «Приборостроение». 

Студенты, как правило, выбирают в качестве ВКР как теоретические, 

так и экспериментальные работы. Также встречаются экспериментальнотеоретические работы, которые содержат элементы и теоретических, и 
экспериментальных работ. 

Теоретические работы, как правило, предполагают теоретические 

исследования, разработку метода измерений и его компьютерное 
моделирование, 
позволяющее 
подтвердить 
его 
работоспособность. 

Возможно также выполнение ВКР, когда бакалавр разрабатывает 
компьютерную модель для реализации уже известного метода измерений, 
осуществляет его компьютерное моделирование и подробное исследование. 
К 
теоретическим 
также 
можно 
отнести 
работы, 
посвященные 

исследованию, 
разработке 
компьютерной 
модели 
и 
проведению 

исследований виртуальных приборов и систем. 

Экспериментальные работы содержат результаты экспериментальных 

исследований студента, посвященных таким вопросам, как разработка и 
реализация макетов образцов приборов и их элементов, разработка 
аппаратно-программных 
составляющих 
приборов 
и 
систем, 

экспериментальное исследование и анализ методов измерений. К 
экспериментальным также относятся работы, посвященные технологии 
изготовления и свойствам материалов и элементов, используемых в 
приборостроении. 

К экспериментально-теоретическим можно отнести работы, в которых, 

например, 
совмещены 
разработка 
метода 
измерения 
и 
его 

экспериментальные исследования, либо компьютерное моделирование 
элементов или прибора в целом, с последующим экспериментальным 
исследованием образца, изготовленного по результатам моделирования. 

В первом, втором и третьем модулях пособия содержатся некоторые 

результаты научно-исследовательской работы авторов, которые, по их 
мнению, могут соответствовать уровню ВКР бакалавра. Этот материал, с 
одной стороны, имеет самостоятельное значение. С другой стороны, он 
может рассматриваться как образец того материала, который студент 
должен поместить в свою ВКР как собственный теоретический или 
экспериментальный результат (одно из основных требований при 
написании ВКР наличие в ней разделов, выполненных автором 
самостоятельно). Это важно для приобретения студентами навыков 
проведения самостоятельной научно-исследовательской работы. Четвертый 
модуль помимо основных требований к подготовке ВКР содержит 
подробные рекомендации по ее написанию.  

С учетом целевой направленности пособия, предполагается, что 

студенты освоили не только дисциплины теоретического обучения, но 
также владеют навыками работы с интегрированными программными 
средами Matlab и LabVIEW, владеют распространенными языками 
программирования и способны проводить измерения и обработку 
полученных результатов. 

Необходимо 
отметить, 
что 
предлагаемое 
читателям 
пособие 

методически является продолжением ранее выпущенного пособия по 
моделированию измерительных задач в среде Matlab+Simulink [1]. Поэтому 
здесь моделирование измерительных процессов проводится в среде 
графического программирования LabVIEW. Основные приемы работы в 
этой среде описаны, например, в [2,3]. 

 
 

МОДУЛЬ 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 

1.1 Методы измерений в электрической цепи  

Современные измерения очень разнообразны. Они различаются как 

способами получения результата, так и различными требованиями к точности 
измерений. Поскольку учебное пособие, в том числе, должно помочь бакалавру 
в написании теоретической ВКР с разработкой метода измерений, мы 
ограничимся только методами измерений в резонансной электрической цепи, 
например, с целью определения ее добротности. 

Для того, чтобы связать резонансную электрическую цепь с реальными 

элементами приборов (что и требуется при написании ВКР по направлению 
«Приборостроение»), 
выберем 
для 
проведения 
исследований 

эквивалентную электрическую схему пьезокерамического элемента (ПКЭ), 
который является пьезорезонатором и используется в пьезоэлектрическом 
приборостроении в качестве активного элемента пьезоэлектрических 
преобразователей. Эта схема показана рисунке 1.1 и содержит элементы с 
общепринятыми обозначениями. 

 

Рисунок 1.1 – Исследуемая электрическая цепь 

Комплексная проводимость схемы Y на произвольной частоте  

имеет две составляющие 
0
C

 и 
д
1 Z
, где 


C
L
j
R
Z


1
д



  

сопротивление последовательной RLC цепи, то есть:  

 

              
















C
L
j
R

С
j
Y







1

1
)
(
0

                             (1.1) 

В дальнейшем точку над Y будем опускать.  

Особенность электрической схемы, показанной на рисунке 1.1, 

заключается 
в 
наличии 
двух 
колебательных 
контуров: 

последовательного RLC  контура и параллельного 
0
RLCC  контура. 

Поэтому схема обладает двумя резонансами: последовательным ( RLC  
цепь) и параллельным (
0
RLCC  цепь). Последний резонанс иногда 

называют антирезонансом.  

Условие резонанса в электрической цепи, как известно, 

записывается в виде равенства реактивных составляющих отдельных 
ветвей. Для рассматриваемой электрической схемы: 

2

2

0

0
1

1

1
1













C
L
R

C
L

С

С










. 

Откуда следует, что 
0
1
1
1
1

0

2




























C
C
L
C
L
R




. 

Если пренебречь активными потерями 

0

R
, то частота 

последовательного резонанса 
p
  и частота параллельного резонанса 

(антирезонанса) 
a
  будут определяться соотношениями: 

                            













0

2
2
1
1
1
,
1

C
C
L
LC
a
p


.                              (1.2) 

Проводимость схемы на произвольной частоте характеризуются 

как модулем, так и фазой, или могут быть представлены в виде суммы 
активной и реактивной составляющих. В частности, для проводимости 
можно записать соотношение 
)
(
)
(
)
(



jB
G
Y


, в котором активная 

)
(
G
 и реактивная 
)
(
B
 составляющие определяются по формулам: 

                             


)
)
(
1(

1

1

)
(
2
2
2
2

м
Q
R
C
L
R

R
G













,                       

(1.3) 

                   


)
)
(
1(

)
(

1

1
)
(
2
м

2

м

0
2
2
0
Q
R

Q
C

C
L
R

C
L
C
B


























.      

где 






p
p 

)
(
, 
R
L
Q
p


м
  механическая добротность. 

Модуль проводимости |Y | = (G2 + B2)1/2.  
На рисунке 1.2 а,б показан пример зависимости от частоты модуля и 

активной составляющей проводимости в резонансной области частот: 
сплошная линия соответствует 
200
М 
Q
, пунктирная − 
50
M 
Q
. 

Частотные характеристики нормированы на свои максимальные значения.  

 

                                             
m
                           
n
       

 

                                            
p
                                                  

Рисунок 1.2 – Частотные характеристика модуля (а) и активной (б) 

составляющей проводимости 

Как видно из приведенных рисунков, на частотных характеристиках 

можно выделить ряд характерных точек. Например, точки максимума и 
минимума 
модуля 
проводимости, 
а 
также 
максимума 
активной 

составляющей.  

 

 

Y  

G 

а 

б

Для измерения электрической проводимости часто применяются 

схемы, использующие делители напряжения (последовательно с цепью 
устанавливается добавочный резистор). 

Для измерения активной составляющей проводимости удобно 

использовать фазовый (синхронный) детектор. Принцип его действия 
состоит в перемножении двух синусоидальных сигналов и последующем 
интегрировании результата. Если на входе синхронного детектора 
действуют два синусоидальных сигнала одинаковой частоты 
0
U  и 
1
U , то на 

его выходе будет сигнал вида 


cos
2
1
0U
U
, т.е. сигнал, при постоянном 

значении 
0
U
 прямо 
пропорциональный 
активной 
составляющей 

проводимости. 

Определение добротности электрической схемы 

(пьезорезонатора) по активной составляющим проводимости 

При измерении частотной зависимости активной составляющей 

проводимости (рисунок 1.3) добротность определяется по ширине 
резонансной кривой 


 на уровне 0,5 от максимального значения по 

формуле [4]: 








р
Qм
.                                                       (1.4) 

 

Рисунок 1.3 – Определение добротности по активной составляющей 

проводимости 

Определение добротности пьезорезонатора по модулю проводимости 

Этот метод требует измерений модуля проводимости в области 

резонансов (рисунок 1.4). 

 

p
    
a
  

Рисунок 1.4 – Определение добротности по измерениям модуля 

проводимости в области резонансов 

Для определения добротности выполняют следующие действия: 

измеряют частоты максимума и минимума модуля проводимости и сами 
значения модуля проводимости на этих частотах. Добротность определяют 
по формуле [4]: 

             

2
1

2
2

2

м















n

m

p
a

p

с
Y
Y
Mr
Q






.                              (1.5) 

В последней формуле М – так называемый фактор качества, а rc – 

отношение емкостей (формулы для их определения будут приведены ниже). 

Оценка погрешности определения параметров резонансной цепи  

по модулю проводимости 

Ранее была приведена формула, в соответствии с которой частоты 

резонанса и антирезонанса для эквивалентной электрической схемы ПКЭ 

Y  

m
Y
 

n
Y

