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 
информационно-
измерительных 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 информационно-
измерительных 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 экспериментально-
теоретические 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

 

(максимума 
и 
минимума 
модуля 
проводимости) 
определялись 
в 

предположении, что активное сопротивление цепи стремится к нулю.  

В этом случае параметры элементов цепи, приведенной на рисунке 1.1, 

определяются 
так 
называемым 
методом 
«резонанса-антирезонанса» 

(измеряют частоты резонанса, частоты антирезонанса, значения модулей 
проводимости на частотах резонанса и антирезонанса) [4]. 

При конечных значениях активного сопротивления цепи (уменьшении 

добротности) ситуация меняется: частота максимума модуля проводимости 
снижается, а частота минимума, наоборот, возрастает.  

Если резонансные частоты перестают совпадать с соответствующими 

частотами максимума и минимума модуля проводимости, то появляется 
дополнительная методическая погрешность определения параметров ПКЭ. 

Оценим влияние добротности на погрешность определения параметров 

резонансной цепи по модулю проводимости. 

Наиболее полно связь между частотной характеристикой модуля 

проводимости и параметрами ПКЭ была определена в [4]. В частности, 
максимальное и минимальное значения модуля проводимости равны: 












































1
2
1
2
1

2
1
2

p

m
m
М
R
Y


, 












































1
2
1
2
1

2
1
2

p

m
n
М
R
Y


, 

где  

2
1
2

2

1
|
|

|
|

|
|

|
|

|
|

|
|

1
|
|

|
|































































n

m

n

m

m

n

n

m

m

n

n

m

Y
Y

Y
Y

Y
Y

Y
Y

M







,              (1.6)