مباني فيزيك
در طراحي حسگر و مبدل، همواره از قوانين يا اصول فيزيك يا شيمي كه كميت مورد نظر را به برخي از پديده هاي قابل اندازه‌گيري ربط مي‌دهند، استفاده مي‌شود. فهرست زير، خلاصه‌ي بسياري از قوانين و مباني فيزيكي را كه در طراحي حسگر و مبدل مطرح مي‌باشند، ارائه مي‌دهد. مثال‌هايي از كاربردها نيز در اين فهرست ذكر شده‌اند، اين فهرست براي يك طراح مبدل كه در مورد روش اندازه‌گيري يك كميت فيزيكي تحقيق مي‌كند، بي‌اندازه مفيد است. هر مبدل، از نظر فيزيكي يك يا چند اصل از اين اصول را در عملكرد خود به كار مي‌گيرد. در تعريف هر يك از اين اصول پارامترهاي مربوط به آن پررنگ شده‌اند.
· قانون آمپر: بر رساناي حامل جريان كه در يك ميدان مغناطيسي قرار دارد نيرويي وارد مي‌شود.
اساس عملكرد گالوانومتر كه با اندازه‌گيري انحراف سيم پيچ واقع در يك ميدان مغناطيسي دائم، جريان را اندازه‌گيري مي‌كند، همين قانون است.
· اصل ارشميدس: نيروي شناوري كه بر يك شئ غوطه ور يا شناور وارد مي‌شود با وزن سيال جابجا شده برابر است. حجم سيال جابجا شده به چگالي آن بستگي دارد.
چگالي سنج با توپك غوطه‌ور، از اين اثر براي اندازه‌گيري چگالي سيال (براي مثال ضديخ اتومبيل) استفاده مي‌كند.
· معادله‌ي برنولي: ذخيره شدن انرژي در سيال رابطهاي را بين فشار و سرعت سيال پيش بيني مي‌كند.
لوله‌ي پيتوت از اين اثر براي اندازه‌گيري سرعت هواپيما استفاده مي‌كند.
· قانون بيوساوار: هر رساناي حامل جريان با ميداني مغناطيسي احاطه شده است. حسگر مغناطيسي از اين اثر به عنوان يك روش غير تداخلي اندازه‌گيري جريان استفاده مي‌كند.
· قانون بيوت: سرعت انتقال حرارت از ميان يك محيط با اختلاف دماي دو طرف آن، تناسب مستقيم دارد.
اين اصل مبناي ثابت‌های زماني مربوط به حسگر‌هاي دمايی مي‌باشد.
· قانون بلادنو: با تمركز ناخالصي‌ها در مايع، دماي انجماد آن افت كرده و دماي جوش آن افزايش پيدا مي‌كند.
· قانون بويل: در يك گاز ايده‌آل به ازاي هر دماي ثابت، حاصل ضرب فشار- حجم داراي مقدار ثابتي مي‌باشد.
· قانون براگ: شدت يک دسته اشعه‌ي x كه توسط يك شبكه‌ي كريستالي شكسته شده است با ميزان جدايش صفحه‌ي كريستال و طول موج شعاع مرتبط است.
سيستم شكست اشعه‌ي x از اين اثر براي اندازه‌گيري ابعاد شبكه‌ي كريستالي استفاده مي‌كند.
· قانون برستر: شاخص شكست ماده، به زاويه‌ي شكست يا ارسال نور تك قطبي بستگي دارد.
از پنجره برستر قرار گرفته بر لوله‌ي ليزر براي فرستادن مقداري از توان به شكل شعاع ليزري استفاده مي‌شود.
از ليزرها به طور گسترده‌اي در سيستم‌هاي اندازه‌گيري استفاده مي‌شود.
· اثر باتر فلاي: سيستم هاي غير خطي گردابي، نسبت به شرايط اوليه حساسيت نشان مي‌دهند.
· نيروي سانتريفوژ: به هر جسمي كه در مسيري منحني حركت كند نيرويي به سمت داخل و همراستا با شعاع انحناء وارد مي‌شود.
· قانون چارل: در هر گاز ايده‌آل به ازاي حجم ثابت، حاصل ضرب فشار- دما ثابت خواهد بود.
· اثر كريستين سن: پودرهايي كه در يك مايع مخلوط مي‌شوند خواص شكست سيال را تغيير مي‌دهند.
· اثر كور بينو: در صفحه‌اي كه در يك ميدان مغناطيسي مي‌چرخد جريان القا مي‌شود.
· اثر كورييوليس: بر جسمي كه نسبت به يك قاب چرخان ( مانند زمين ) در حال حركت باشد نيرويي نسبت به قاب وارد مي‌گردد.
دبي سنج كورييوليس، از اين اثر براي اندازه‌گيري نرخ دبي جرمي در لوله‌اي u شكل كه تحت ارتعاشات دوراني مي‌باشد استفاده مي‌كند.
· قانون كولن: بارهاي الكتريكي بر يكديگر نيرو وارد مي‌كنند.
· قانون كوري ويس: مواد فرو مغناطيسي در دمايي به نام دماي گذرا از خود رفتاري پارامغناطيسي نشان مي‌دهند.
· اصل دالامبر: شتاب هر جرم، با نيرويي كه در خلاف جهت شتاب ، به آن اعمال شده است مساوي است.
· اثر فركانس دي باي: هدايت هر الكتروليت با فركانس افزايش مي‌يابد (يعني مقاومت آن كاهش مي‌يابد).
· اثردوپلر: فركانس دريافتي از هر منبع موج ( همانند صدا يا نور ) به سرعت حركت آن منبع بستگي دارد. سرعت سنج دوپلرليزري، از انحراف فركانسي نور ليزر انعكاسي از ذرات مخلوط شده در سيال، براي اندازه‌گيري سرعت حركت آن استفاده مي‌كند.
· اثر اديسون: هر گاه فلزي در خلاء گرم شود، از خود ذرات بارداري با نرخي وابسته به دما منتشر مي‌كند (يعني انتشار ترمويونيك).
تقويت كننده‌ي لامپ خلاء بر مبناي اين اصل كار مي‌كند و در آن الكترون‌ها به منظور تقويت جريان ، انتشار يافته و كنترل مي‌شوند.
· قانون فارادي در الكتروليز: سرعت جابجايي يا تخليه‌ي يوني، با جريان الكتروليتي متناسب است.
· قانون فارادي در القاء مغناطيسي: سيم پيچ توسط نيروي الكتروموتيو (يعني نيرويي كه تمايل به ايجاد جريان در آن دارد) در مقابل تغيير شار ميدان مغناطيسي مقاومت مي‌كند.
ولتاژهاي القا شده در سيم پيچ‌هاي ثانويه‌ي ترانسفورماتور تفاضلي متغير خطي (LVDT) ناشي از اين اثر است.
· اثر گوس: مقاومت رسانا با مغناطيسي شدن آن افزايش مي‌يابد.
· قانون گلادستون- ديل: ضريب شكست ماده، به چگالي آن بستگي دارد.
· اثر ژيروسكوپي: جسمي كه حول يك محور در حال دوران است در مقابل چرخش حول محورهاي ديگر مقاومت مي‌كند. ژيروسكوپ ناوبري از اين اثر استفاده مي‌كند تا با كمك چرخ لنگري كه روي قاب نصب شده است و دوران ثابت در فضا را تضمين مي‌كند موقعيت جسم را رديابي نمايد.
· اثر هال: اگر جرياني از ميدان مغناطيسي عبور كند ولتاژي عمود بر آن ايجاد مي‌گردد. حسگر مجاورتي اثر هال ، تغيير يك ميدان مغناطيسي را بر اثر حضور يك شئ فلزي آشكار مي‌كند.
· اثر هرتز: نور ماوراء بنفش بر تخليه‌ي جرقه دو سر يك فاصله هوايي تاثير مي‌گذارد.
· اثر جانسون-رابك: اصطكاك رابطهاي بين رسانا، نيمه رسانا، يا عايق با افزايش ولتاژ دو سر آنها افزايش مي‌يابد.
· قانون ژول: با عبور جريان از مقاومت، گرما توليد مي‌شود.
طراحي بادسنج با سيم داغ بر مبناي اين اصل است.
· اثر كِر: اعمال ولتاژ به دوسر يك شئ سبب قطبيت نوري مي‌گردد.
نمايشگرهاي كريستال مايع (LCDها) بر مبناي اين اصل كار مي‌كنند.
· قانون كلراش: هر ماده‌ي الكتروليت داراي هدايت محدودي است (كمترين مقاومت)
· قانون لامبرت كاسين: درخشندگي منعكس شده از يك سطح با كسينوس زاويه ي برخورد نور تغيير مي‌كند.
· قانون لنز: اگر رساناي حامل جريان در ميدان مغناطيسي حركت كند با نيرويي مخالف مواجه مي‌شود.
· قانون لورنتز: اگر ذره‌ا‌ي باردار در ميدان الكتريكي و با ميدان مغناطيسي حركت كند با نيروهايي ناشي از آنها مواجه مي‌شود.
· اثر مگنوس: هر گاه سيالي از جسم در حال دوران عبور كند، آن جسم با نيرويي عمود بر جهت حركت سيال مواجه مي‌شود.
· اثر مسنر: اگر ماده‌اي فوق رسانا در ميدان مغناطيسي قرار گيرد آن را مختل كرده و با هيچ ميدان داخلي مواجه نيست.
· قانون مورفي: هر چيزي كه بتواند اشتباه برود در زمان اشتباه و در مكان اشتباه، اشتباه خواهد رفت. آزمايشات شما در آزمايشگاه غالباً تائيد كننده‌ي اين قانون است.
· اثر نرست: جريان گرمايي عبوري از خطوط ميدان مغناطيسي باعث توليد ولتاژ مي‌گردد.
· قانون نيوتن: شتاب يك جسم با نيروي وارد بر آن متناسب است.
· قانون اهم: جريان عبوري از مقاومت با افت ولتاژ دو سر آن متناسب است.
· قانون پاركينسون: كار بشر تا پر كردن زمان اختصاص داده شده براي آن، توسعه مي‌يابد.
· اثر پلتير: عبور جريان از اتصال بين دو فلز باعث جذب و يا آزاد شدن گرما در آن مي‌گردد.
اندازه‌گيري هاي ترموكوپلي مي توانند تحت تاثير اين اصل باشند.
اثر هدايت نوري : هرگاه نور به مواد نيمه رساناي خاصي برخورد كند مقاومت آنها كاهش مي‌يابد.
ديود نوري كه به طور وسيعي در زوج هاي آشكار ساز نوري بكار مي‌رود، بر مبناي اين اثر ساخته شده است.
· اثر برق نوري: هرگاه نور با كاتد فلزي برخورد كند، الكترون‌ها از آن متصاعد شده وبه يك آند جذب مي‌گردند كه در نتيجه جريان ايجاد مي‌شود.
عملكرد يك لامپ ضرب كننده نوري بر مبناي اين اثر است.
· اثر ولتاژ نوري: هرگاه نور به يك نيمه رساناي در تماس با يك پايه‌ي فلزي برخورد كند، توليد ولتاژ مي‌نمايد.
عملكرد يك سلول خورشيدي بر مبناي اين اثر است.
· اثر پيزوالكتريك: هر گاه يك كريستال تحت كرنش قرار گيرد بار الكتريكي در عرض آن جابه‌جا مي‌گردد.
شتاب سنج پيزوالكتريك قطبيت باري ناشي از تغيير شكل را در دو سر كريستال پيزو الكتريكي كه بر اثر اينرسي يك جرم حاصل مي‌گردد، اندازه‌گيري مي‌كند. توانايي يك دهني پيزو الكتريك در تبديل امواج فشار صوتي به سيگنال ولتاژي نتيجه‌اي از اين اصل است.
· اثر پيزورزيستيو: مقاومت با تنش اعمالي متناسب است.
اين اثر به طور نسبي در رفتار كرنش‌سنج دخالت دارد.
· اثر پينچ: مقطع عرضي يك رساناي مايع با جريان كاهش مي‌يابد.
· اثر پواسون: هر ماده در جهتي عمود بر تنش وارد به آن تغيير شكل مي‌دهد.
اين اثر در عملكرد كرنش‌سنج داراي نقشي نسبي است.
· اثر پايروالكتريك: تغيير دما باعث قطبي شدن كريستال مي‌گردد.
· قضيه‌ي راليق: شتاب سيال با تشكيل حباب در آن مرتبط است.
· اثر رائولت: مقاومت هر رسانا با تغيير طول آن تغيير مي‌كند.
اين اثر در عملكرد كرنش‌سنج داراي نقشي نسبي است.
· اثر سي‌بيك: در محل اتصال دو فلز نامشابه اختلاف ولتاژي پديد مي‌آيد كه به دما بستگي دارد.
اين اثر در عملكرد ترموكوپل نقش اساسي دارد.
· اثر حافظه‌‌ي شكلي: هرگاه فلزي كه گرم شده است تغيير شكل داده شود به شكل اصلي خود برخواهد گشت.
· قانون اسنل: پرتوهاي نور بازتابش شده يا شكست يافته در برخورد نوري، به زاويه‌ي برخورد بستگي دارند.
· اثر استارك: هرگاه منبع الكترومغناطيس در ميدان الكتريكي قوي قرار گيرد خطوط طيفي آن شكسته مي‌شوند.
· قانون استفن-بولتزمن: حرارت تشعشع يافته از جسم سياه با توان چهارم دماي آن متناسب است.
طراحي دماسنج‌هاي تشعشعي بر مبناي همين اصل است.
· قانون استوكس: طول موج نور منتشر شده از يك ماده‌ي فلورسانس همواره بزرگتر از طول موج فوتون‌هاي جذب شده مي‌باشد.
· اثر اصطكاك-برقي: حركت نسبي و اصطكاك بين دو فلز نامشابه، توليد ولتاژ مي‌نمايد.
· قانون ويدمان- فرانز: نسبت رسانايي حرارتي به رساناي الكتريكي ماده، با دماي مطلق آن متناسب است.
· اثر وين: هدايت يك الكتروليت با ولتاژ اعمالي به آن افزايش مي‌يابد (يعني مقاومت آن كاهش پيدا مي‌كند).
· قانون وين در جابجايي: چنان كه دماي ماده‌ي التهابي افزايش يابد، طيف نور منتشر شده توسط آن به طرف نور آبي جابجا مي‌شود.
سلام دوستان