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-ме-
тодическим объединением в системе выс-
шего образования по укрупненным груп-
пам специальностей и направлений подго-
товки 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 сиг-
налов : учебное пособие / В. В. Кузьмин, Р. К. Нургалиев, А. А. Ры-
жова; 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 кото-
рых рассматриваются физические принципы преобразования различных тех-
нологических параметров в стандартные сигналы связи, технические струк-
туры и области практического применения. Дополнительно представлена ин-
формация о способах метрологического обеспечения значительного числа ти-
пов 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 тех-
нологических процессов и производств» и 09.04.01 «Информатика и вычисли-
тельная техника». 
Подготовлено на кафедре систем автоматизации и управления техноло-
гическими 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 
нормативно-
технической 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 пе-
редающими преобразователями. Современные серийно выпускаемые 
датчики обычно имеют достаточно сложную функциональную струк-
туру, включающую в себя целый ряд преобразовательных звеньев. 
Каждое такое звено с определенной нормированной точностью вы-
полняет какую-то одну частную преобразовательную функцию и на-
зывается измерительным преобразователем. По месту, которое зани-
мают измерительные преобразователи в структурах датчиков или из-
мерительных каналов, их разделяют на первичные и промежуточные. 
Первичные измерительные преобразователи являются чувстви-
тельными элементами датчиков, их сенсорами. Они непосредственно 
воспринимают воздействие контролируемых технологических пара-
метров и преобразуют их значения в пропорциональные, естествен-
ные первичные измерительные сигналы. Для того чтобы конвертиро-
вать первичные измерительные сигналы в выходные сигналы нужного 
формата, их обычно подвергают ряду преобразований, которые осу-
ществляются в промежуточных преобразовательных звеньях. В зави-
симости от способа формирования выходных сигналов измерительные 
преобразователи подразделяются на активные и пассивные. В преоб-
разователях активного типа энергия технологических параметров, 
воздействующая на их входы посредством того или иного физическо-
го эффекта, преобразуется в энергетически активные выходные сиг-
налы в виде механического усилия, ЭДС, силы тока и т. п. В пассив-
ных преобразователях под воздействием входных переменных изме-
няется выходной импеданс. Это происходит за счет соответствующих 

вариаций активного сопротивления, емкости или индуктивности са-
мих 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 тен-
денцию постепенного превращения датчиков из однофункциональных 
технических средств в многофункциональные, способные, кроме ос-
новной своей функции, выполнять основные этапы первичной обра-
ботки измерительной информации, осуществлять самодиагностику, 
дистанционную настройку рабочего диапазона и даже выполнение ря-
да простых алгоритмов управления. Такая многофункциональность 
стала возможной в результате оснащения датчиков встроенными мик-
ропроцессорными вычислительными устройствами. 
Быстрое развитие микропроцессорной техники, лавинообразное 
увеличение мощности микропроцессоров при одновременном умень-
шении 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 вычислитель-
ных устройств датчики приобретают способность адаптироваться к 
внешним условиям путем самостоятельной перенастройки своих ра-
бочих 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 метроло-
гических характеристик, при автономном использовании имеют ин-
терфейсы к стандартным цифровым полевым сетям, что делает их ин-
формационно совместимыми практически с любыми современными 
цифровыми средствами автоматизации.  
Статистика показывает, что наибольшее число параметров, ко-
торые 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 эле-
ментов вначале преобразуются в пропорциональные механические 
усилия или деформации, а затем посредством ряда преобразователь-
ных 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 контроли-
руемых 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. Примени-
тельно к измерительным каналам АСУТП под сообщениями следует 
понимать значения технологических параметров, которые характери-
зуют состояние контролируемых или управляемых объектов. 

Сообщения бывают непрерывными и дискретными. Непрерыв-

ные сообщения в определенных пределах могут принимать бесконеч-
ный ряд значений и передаются аналоговыми сигналами. Примерами 
сообщений дискретного типа может служить информация, передавае-
мая цифровыми, импульсными или двухуровневыми (двухпозицион-
ными) 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 носите-
лей 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, напри-
мер, обладает единственным информативным параметром – ампли-
тудным значением. Поэтому возможен только один способ его моду-
ляции – 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 пе-
редачи информации. Таким образом, возможно три способа модуля-
ции 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 не-
прерывных 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 дискрет-
ного двухпозиционного сигнала. 

При передаче информации по радиоканалам в качестве среды-

носителя используются высокочастотные гармонические электромаг-
нитные волны, модулируемые низкочастотными колебаниями. При-
мер амплитудной модуляции высокочастотных гармонических коле-
баний 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 напряжени-
ем 
)
(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 включается 
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
, однозначно 
отображающему закон изменения параметра 
)
(t
f
y 
. Отношение 


H

Д
U
U

0

0
, называемое глубиной модуляции, всегда < 1. 

Иногда при передаче сообщений преобразования сигналов происходят 
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 пре-
образуются в звуковые. 

По каналам связи к получателям поступают не сами предметы 

сообщений, а их отображения (символы) в виде сигналов, определен-
ных наборов цифр, букв или графических изображений. Сигналы, 
воспринимаемые непосредственно и непрерывно, изменяющие свои 
значения, относятся к категории динамических символов, а цифры, бу-
квы и графические отображения информации, фиксируемые на бу-
мажных 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 кодировани-
ем. 

Необходимо отметить, что кодироваться могут только сообще-

ния дискретного характера, поскольку число элементов любого кода 
может быть только конечным. По этой причине непрерывные сооб-
щения (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 воз-
можных значений последовательным рядом дискретных рациональ-
ных чисел. Осуществив квантование непрерывного сообщения по 
уровню, можно все уровни его значений закодировать и передавать 
информацию при помощи соответствующего кода. Для передачи из-
мерительной информации используется главным образом числовые 
коды на основе двоичной, троичной, восьмеричной, десятичной и ше-
стнадцатеричной систем счисления. 

Источниками измерительных сигналов в системах автоматики 

служат датчики различных физических величин, а основными рабо-
чими характеристиками датчиков являются функция преобразования, 
коэффициент передачи, чувствительность, диапазон значений вход-
ных 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 функцио-
нальные структуры, обладают свойством направленности или необ-
ратимости преобразований. Это означает, что изменение значений 
параметров, воздействующих на входы датчиков вызывают соответст-
вующие изменения выходных сигналов, в то время как обратные воз-
действия 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 преобразо-
вания 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 (осред-
ненные) значения силы тока или напряжения, а актуальные значения 
этих величин, естественно, гармонически изменяются. 
Как видно из рис. 1.2, функции преобразования могут быть ли-
нейными (1, 3) и нелинейными (2, 4, 5, 6), четными (2–4) или нечет-
ными (2–5) (симметричными или несимметричными), реверсивными 
(2–5) и нереверсивными. Важнейшей характеристикой функции пре-
образования 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



.