Измерительная техника и информационно-измерительные системы

И. В. РЯБОВ, И. В. ПЕТУХОВ 
 
 
 
 
 
ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА 
И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ  
СИСТЕМЫ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2025 

УДК 53.08 
ББК 30.10 
Р98 
 
 
Рецензенты: 
д. ф.-м. н., проф., проректор по науке  
Марийского государственного университета Леухин А. Н.; 
к. т. н., проф., зав. каф. информатики Поволжского государственного  
технологического университета Кревецкий А. В. 
 
 
 
 
 
 
 
Рябов, И. В. 
Р98   
Измерительная техника и информационно-измерительные системы : учебное пособие / И. В. Рябов, И. В. Петухов. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2025. – 336 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2260-4 
 
Рассматриваются теоретические основы измерительной техники, методы и средства измерений физических величин, различные датчики для 
измерения электрических и неэлектрических величин, способы аналогоцифрового преобразования, а также измерительные информационные системы. 
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям «Управление и информатика в технических системах» и «Проектирование и технологии ЭВС», а также направлений бакалавриата «Управление в технических системах» и «Конструирование и технология ЭС». 
 
УДК 53.08 
ББК 30.10 
 
 
ISBN 978-5-9729-2260-4 © Рябов И. В., Петухов И. В., 2025 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2025 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2025 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ................................. 5 
ПРЕДИСЛОВИЕ ......................................................................................... 6 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................. 7 
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ  
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ .............................................................. 11 
1.1. Основные понятия и определения метрологии ............................... 11 
1.2. Единицы физических величин .......................................................... 16 
1.3. Классификация и методы измерений ............................................... 17 
1.4. Классификация средств измерений .................................................. 21 
1.5. Метрологические характеристики средств измерений .................. 28 
1.6. Классификация погрешностей .......................................................... 32 
1.7. Модели измерительного процесса ................................................... 39 
1.8. Систематические погрешности ........................................................ 42 
1.9. Случайные погрешности ................................................................... 46 
1.10. Обработка результатов измерений ................................................. 56 
1.11. Суммирование погрешностей ......................................................... 62 
1.12. Формы записи результатов измерений .......................................... 64 
Контрольные вопросы .............................................................................. 66 
2. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН .............................................................. 67 
2.1. Электромеханические измерительные приборы ............................. 67 
2.2. Электромеханические приборы с преобразователями ................... 89 
2.3. Измерительные трансформаторы тока и напряжения .................... 93 
2.4. Электронные измерительные приборы .......................................... 104 
2.5. Цифровые измерительные приборы .............................................. 109 
2.6. Измерительные мосты и компенсаторы ........................................ 112 
Контрольные вопросы ............................................................................ 123 
3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИЗМЕРЕНИИ  
НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ....................................................... 125 
3.1. Основные характеристики измерительных преобразователей .... 125 
3.2. Схемы включения преобразователей в мостовые схемы ............. 131 
3.3. Динамические свойства преобразователей ................................... 144 
3.4. Классификация измерительных преобразователей ...................... 149 
Контрольные вопросы ............................................................................ 153 
4. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ............................... 154 
4.1. Фотоэлектрические преобразователи ............................................ 154 
4.2. Емкостные преобразователи ........................................................... 165 
4.3. Тепловые преобразователи ............................................................. 173 
4.4. Ионизационные преобразователи .................................................. 188 

4.5. Реостатные преобразователи .......................................................... 197 
4.6. Тензорезистивные преобразователи .............................................. 203 
4.7. Индукционные преобразователи .................................................... 213 
4.8. Магнитоупругие преобразователи ................................................. 225 
4.9. Генераторные преобразователи ...................................................... 234 
4.10. Гальванические преобразователи ................................................. 240 
Контрольные вопросы ............................................................................ 245 
5. КЛАССИФИКАЦИЯ АЦП. МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ  
И ПОСТРОЕНИЯ АЦП .......................................................................... 246 
5.1. Аналого-цифровое преобразование сигналов ............................... 246 
5.2. Классификация АЦП ....................................................................... 248 
5.3. Построение АЦП ............................................................................. 253 
Контрольные вопросы ............................................................................ 263 
6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ ............. 264 
6.1. Основные термины и определения ................................................ 264 
6.2. Роль информационных процессов .................................................. 267 
6.3. Виды и структуры измерительных информационных систем ..... 268 
6.4. Основные компоненты ИИС ........................................................... 269 
6.5. Математические модели и алгоритмы измерений  
измерительных информационных систем ............................................ 271 
6.6. Разновидности измерительных информационных систем ........... 274 
6.7. Телеизмерительные системы .......................................................... 283 
6.8. Системы автоматического контроля .............................................. 287 
6.9. Системы технической диагностики ............................................... 291 
6.10. Системы распознавания образов .................................................. 294 
6.11. Особенности проектирования ИИС ............................................. 297 
6.12. Интерфейсы информационно-измерительных систем ............... 313 
Контрольные вопросы ............................................................................ 317 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................... 318 
Приложение 1. Основные и производные единицы ............................ 319 
Приложение 2. Перечень основополагающих стандартов ................. 324 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ...................................................................... 331 

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 
 
АИС – аппроксимирующая информационная система  
АЦП – аналого-цифровое преобразование  
ВАХ – вольтамперная характеристика 
ГСП – государственная система приборов 
ГСТ – генератор стабильного тока  
ИВК – измерительно-вычислительный комплекс 
ИИП – индукционные измерительные приборы  
ИИС – измерительная информационная система 
ИМ – измерительный механизм 
ИС – измерительная система 
ИТН – измерительный трансформатор напряжения 
ИТТ – измерительный трансформатор тока 
ИУ – измерительные установки 
КПТ – компенсатор постоянного тока 
КТС – комплексное техническое средство  
МКС – система (метр, килограмм, секунда) 
МП – масштабные преобразователи 
МЭП – магнитоэлектрические приборы 
СГС – система (сантиметр, грамм, секунда) 
СИ – средство измерений 
ТЗ – техническое задание 
ТП – технический проект 
ТЭО – технико-экономическое обоснование 
УУ – устройство управления  
ФД – фотодиод  
ФДПУ – ферродинамические измерительные приборы 
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь  
ЦИП – цифровые измерительные приборы  
ЦОУ – цифровое отсчетное устройство  
ЭВ – электронные вольтметры 
ЭДИП – электродинамические измерительные приборы 
ЭМИП – электромагнитные измерительные приборы  
ЭСИП – электростатические измерительные приборы 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
Предлагаемое читателям учебное пособие написано для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям 220100 «Управление и информатика в технических системах» и 210200 «Проектирование и технологии ЭВС», а также 
направлений бакалавриата 220400.62 «Управление в технических 
системах» и 21100.62 «Конструирование и технология ЭС». 
В учебном пособии рассматриваются теоретические основы 
измерительной техники, методы и средства измерений физических величин, различные датчики для измерения электрических 
и неэлектрических величин, способы аналого-цифрового преобразования, а также измерительные информационные системы. 
Авторы выражают благодарность доктору физико-математических наук, профессору проректору по науке Марийского государственного университета Леухину А. Н. и заведующему кафедрой информатики Поволжского государственного технологического университета, кандидату технических наук, профессору Кревецкому А. В., взявшему на себя труд по рецензированию данной книги и сделавшему ряд замечаний, учтенных при 
доработке рукописи. 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Трудно переоценить роль информационно-измерительной 
техники и измерительных технологий во всех сферах деятельности и жизни общества. Еще великий Галилео Галилей (XVII век) 
утверждал: «Надо измерять все измеряемое и делать измеримым 
то, что пока еще не поддается измерению». Измерение – один из 
важнейших способов познания. Также стало крылатой фразой 
изречение Д. И. Менделеева: «Наука начинается с тех пор, как 
начинают измерять; точная наука немыслима без меры». 
В различные исторические периоды состояние мер и измерительной техники находилось в зависимости от хозяйственной 
деятельности, общественных, религиозных и других факторов 
жизни общества. 
Крупнейшие строительные работы глубокой древности на 
реке Ниле, строительство храмов, дворцов, надгробий в Египте 
возможны были только при достаточно хорошо разработанной 
технике линейных, поверхностных, объемных измерений и 
наличии довольно точных узаконенных мер. 
Широко известны древние меры Египта, Вавилона и Руси. 
Принципы построения вавилонской системы мер проникли в 
другие страны (Сирию, Финикию, Индию, Турцию и др.). Вавилоняне впервые в истории народов установили единицы времени: год, месяц, час, минуты, секунды. Им же принадлежит идея 
построения кратных и дробных производных однородных единиц измерения. 
Наиболее ранняя попытка создания узаконенных мер имела 
место в Греции в период правления Соломона (VI век до нашей 
эры). Мерой длины в то время в Греции был фут, равный приблизительно 297 мм. 
В более позднее время попытка введения мер, обязательных 
для всех измерений и одинаковых во всей стране, имела место в 
Англии в 1001 и 1215 гг., во Франции в 1321 г., в Австрии в 
1438 г. Узаконенные меры появились в Англии в 1494 г. Во 
Франции эталон длины туаз (1735), в России эталон единицы 
массы один фунт (1747), в Англии были изготовлены эталоны 
единицы длины – ярд и единица массы – фунт (1766). 

В 1790 г. в Учредительном собрании Франции был поставлен 
вопрос о создании и узаконении единой и для всех обязательной, контролируемой государственной системы мер. Платиновые эталоны метра и килограмма в 1799 г. были переданы на 
хранение в архив Французской республики. Вся совокупность 
метрических мер, созданных и узаконенных во Франции в конце 
XVIII века, легла в основу метрической системы мер, некоторые 
единицы метрических мер вошли в качестве основных единиц в 
систему единиц СИ. 
В связи с бурным развитием науки об электричестве стали 
создаваться электроизмерительные приборы. Русский академик 
Г. В. Рихтер изобрел в 1745 г. электрометр, А. Ампер в 1820 г. 
демонстрировал первый гальванометр, О де ля Рив в 1837 г. изготовил и демонстрировал тепловой электроизмерительный прибор, 
Ф. Уппенборн в 1881 г. изобрел электромагнитный прибор. Карл 
Гаусс в 1832 г. изложил методику составления системы магнитных единиц, которую Вебер (1804–1891) дополнил электрическими единицами. М. О. Доливо-Добровольскому принадлежит 
первенство в создании индукционных приборов – ваттметра, фазометра и др. 
В 1867 г. в Париже был организован Международный комитет мер и весов, основная задача которого состояла в тщательном изучении метрических мер, сравнении их с другими мерами, выявлении и разработке возможностей использования их 
внутри каждой страны и для международных отношений. 
В России таким учреждением было депо образцовых мер и 
весов (1842); с 1893 г. – главная палата мер и весов, которую 
возглавил Д. И. Менделеев. 
Электроизмерительные приборы, имеющие более 250-летнюю 
историю, обязаны своим развитием работам Вольта, Ампера, Фарадея. Им принадлежит первенство в создании приборов прямого 
преобразования – гальванометров, амперметров, вольтметров. 
История создания приборов с уравновешиванием измеряемой 
величины начинается с 1841 г., когда предложены четырехплечий 
мост (Уитстон) и компенсационный метод измерения постоянного напряжения (компенсатор Поггенорфа). 
Кроме того, в XIX веке найдены основные принципы преобразования неэлектрических величин в электрические: термо

электрический эффект (Томас Зеетек, Уильям Томсон), пьезоэффект, тензоэффект (О. Д. Хвольсон). 
Дальнейшему развитию электроизмерительных приборов способствовало изобретение электронной лампы: в 1904 г. появился 
диод, а в 1910 г. – триод и пентод. Сочетание усилителей и выпрямителей с магнитоэлектрическим измерительным механизмом 
позволило создать электронные вольтметры, частотомеры, фазометры. Изобретение электронно-лучевой трубки в 1911 г. привело 
к созданию электронно-лучевого осциллографа, который становится универсальным электроизмерительным прибором. Развитие 
электроники дало возможность разрабатывать автоматические 
компенсаторы и мосты. 
Таким образом, классическая основа электроизмерительной 
техники дополнилась приборами с автоматическим уравновешиванием и электронными измерительными приборами. 
Создание микросхем, микропроцессоров и ЭВМ способствовало появлению измерительных устройств нового типа – аналого-цифровых преобразователей (АЦП), в результате чего появились цифровые измерительные приборы (ЦИП). Интенсивное 
развитие ЦИП, обладающих рядом преимуществ по сравнению 
с аналоговыми приборами, определило развитие измерительной 
техники XX века. 
Усложнение технологии производства, развитие научных исследований в различных областях жизни привело к необходимости измерения и контроля сотен и тысяч параметров одновременно. Появился новый класс информационно-измерительной 
техники – измерительные информационные системы, выполняющих роль сбора, обработки, передачи, хранения, отображения 
и воздействия информации на объект исследования. 
Работы в области информационно-измерительной техники и 
измерительных технологий позволили в последние годы создать 
новый раздел теории и практики измерений – виртуальные и 
интеллектуальные измерительные приборы и системы. Информационно-измерительная техника играет все большую роль в 
информатизации общества. Роль информационных процессов в 
общественной жизни человека огромна. Она выражается в повышении эффективности производстве удовлетворении духов

ных потребностей, улучшении условий труда, отдыха, здоровья 
и природных условий. 
Информатизация общества подразумевает: 
− создание правовых, экономических, технологических, социальных профессионально-образовательных условий, для того 
чтобы любая, необходимая для решения личных и социальных 
проблем информация, кроме определенной законом секретной 
информации, была доступна в любе время, в любой точке, любому потенциальному пользователю; 
− наличие аппаратных и программных средств, телекоммуникационных систем, видеоконференцсвязи, обеспечивающих 
доступность и наглядность информации; 
− обеспечение индустриально-технологической базы для развития рамках международного разделения труда конкурентоспособных информационных технологий; 
− реализацию принципа фундаментального повсеместного 
внедрения информационных технологий, и, в первую очередь, в 
сферу производства.