📘 Sensor Handbook: Principles, Technologies, and Modern Applications.
فصل ۱ – اصول و مبانی سنسورها (Core Concepts & Characteristics)
۱.۱ مقدمه (Introduction)
۱.۲ مفاهیم بنیادی و تعاریف (Fundamental Concepts and Definitions)
۱.۲.۱ تعریف سنسور و ترانسدیوسر (Sensor and Transducer Definitions)
۱.۲.۲ تفاوت سنسور، ترانسدیوسر و آشکارساز (Difference between Sensor, Transducer, and Detector)
۱.۲.۳ مفهوم کمیت اندازه‌گیری (Measurand Concept)
۱.۲.۴ متغیرهای محیطی و اثرات مزاحم (Environmental and Interfering Variables)
۱.۳ مشخصات عملکردی و پارامترهای فنی (Performance Characteristics and Parameters)
۱.۳.۱ دقت، صحت و تکرارپذیری (Accuracy, Trueness, and Repeatability)
۱.۳.۲ حساسیت و رزولوشن (Sensitivity and Resolution)
۱.۳.۳ پاسخ دینامیکی و باند مرده (Dynamic Response and Dead Band)
۱.۳.۴ محدوده کاری و اشباع (Range and Saturation)
۱.۳.۵ هیسترزیس و رانش (Hysteresis and Drift)
۱.۳.۶ خطی بودن و غیرخطی بودن (Linearity and Nonlinearity)
۱.۳.۷ نسبت سیگنال به نویز (Signal-to-Noise Ratio – SNR)
۱.۳.۸ امپدانس خروجی و اثر بار (Output Impedance and Loading Effect)
۱.۳.۹ پایداری و قابلیت اطمینان بلندمدت (Long-Term Stability and Reliability)
۱.۴ اصول فیزیکی و طبقه‌بندی سنسورها (Physical Principles and Classification)
۱.۴.۱ اصول فیزیکی تبدیل انرژی (Resistive, Capacitive, Inductive, Piezoelectric, Magnetic)
۱.۴.۲ سنسورهای فعال و غیرفعال (Active and Passive Sensors)
۱.۴.۳ روش‌های تحریک و تغذیه (Excitation and Powering)
– تحریک DC و AC (DC and AC Excitation)
– تغذیه ولتاژی و جریانی (Voltage or Current Biasing)
– اثر تغذیه بر حساسیت و خطی بودن (Influence of Excitation on Sensitivity and Linearity)
۱.۴.۴ مثال‌هایی از طبقه‌بندی کاربردی سنسورها (Application-Based Classification Examples)
۱.۵ مفاهیم طراحی و انتخاب سنسور (Design and Sensor Selection Principles)
۱.۵.۱ معیارهای انتخاب سنسور (Selection Criteria)
۱.۵.۲ تطبیق سیگنال خروجی با مدار واسط (Signal Conditioning Compatibility)
۱.۵.۳ ملاحظات اقتصادی و قابلیت اطمینان (Economic and Reliability Considerations)
۱.۶ جمع‌بندی (Summary and Conclusions)
فصل ۲ – سنسورهای دما (Temperature Sensors)
۲.۱ مقدمه (Introduction)
۲.۱.۱ اهمیت اندازه‌گیری دما در سامانه‌های مهندسی و کنترلی
۲.۱.۲ نقش سنسورهای دما در اتوماسیون و سامانه‌های هوشمند
۲.۱.۳ کاربردهای صنعتی، پزشکی و پژوهشی
۲.۱.۴ هدف و ساختار فصل
۲.۲ مبانی فیزیکی کمیت دما (Physical Principle of Temperature Measurement)
۲.۲.۱ تعریف دما و تفاوت آن با گرما (Temperature vs Heat)
۲.۲.۲ اصول ترمودینامیکی (قانون صفرم و قانون دوم ترمودینامیک)
۲.۲.۳ روابط بنیادی و واحدهای اندازه‌گیری (K، °C، °F)
۲.۲.۴ رفتار مواد نسبت به تغییرات دما (Temperature Dependence of Material Properties)
۲.۲.۵ اثرات محیطی (Environmental Influences)
۲.۳ اصول عملکرد عمومی سنسور دما (General Operating Principle of Temperature Sensors)
۲.۳.۱ مدل بلوکی و تابع انتقال (Block Diagram and Transfer Function)
۲.۳.۲ مفهوم حساسیت و خطی بودن (Sensitivity and Linearity)
۲.۳.۳ روش‌های تحریک و تغذیه (Excitation and Powering Methods)
۲.۳.۴ نویز حرارتی و اثرات دینامیکی (Thermal Noise and Dynamic Effects)
۲.۴ انواع سنسورهای دما (Types of Temperature Sensors)
۲.۴.۱ ترموکوپل‌ها (Thermocouples)
– اصول اثر سیبک (Seebeck Effect)
– ساختار، مواد و محدوده کاری
– مزایا، معایب و کاربردها
۲.۴.۲ مقاومت حرارتی RTD (Resistance Temperature Detectors)
– اصول تغییر مقاومت با دما
– مدل ریاضی و مدار پل ویتستون
– انواع فلزی (پلاتین، نیکل، مس)
۲.۴.۳ ترمیستورها (Thermistors)
– نوع NTC و PTC
– روابط نمایی و مدل انتقال حرارتی
۲.۴.۴ سنسورهای نیمه‌هادی (Semiconductor Temperature Sensors)
– سنسورهای دیودی و IC-Based
– خصوصیات الکتریکی و مزایا در سامانه‌های مجتمع
۲.۴.۵ سنسورهای مادون قرمز (Infrared Temperature Sensors)
– اصول تابش حرارتی و قانون استفان–بولتزمن
– سنجش غیرتماسی دما
– کاربرد در سیستم‌های تصویربرداری حرارتی
۲.۴.۶ سنسورهای MEMS و نانوساختار (MEMS & Nanostructured Sensors)
– فناوری ساخت و ابعاد میکرو
– مصرف توان پایین و پاسخ سریع
۲.۵ ویژگی‌های عملکردی و روش‌های کالیبراسیون (Performance and Calibration Techniques)
۲.۵.۱ دقت، پایداری و زمان پاسخ (Accuracy, Stability, and Response Time)
۲.۵.۲ روش‌های کالیبراسیون ایستا و دینامیکی (Static and Dynamic Calibration)
۲.۵.۳ اثرات نویز و جبران خطا (Noise and Error Compensation)
۲.۵.۴ مدل ریاضی کالیبراسیون چندجمله‌ای (Polynomial Calibration Models)
۲.۶ مقایسه فنی انواع سنسورهای دما (Comparative Analysis of Temperature Sensors)
۲.۶.۱ محدوده کاری، دقت و هزینه (Range, Accuracy, and Cost)
۲.۶.۲ رفتار غیرخطی و پایداری بلندمدت
۲.۶.۳ قابلیت استفاده در محیط‌های خاص (Extreme Environments)
۲.۷ روندهای نوین و تحقیقات آینده (Recent Trends and Future Developments)
۲.۷.۱ سنسورهای دمای بی‌سیم و اینترنت اشیا (IoT Temperature Sensing)
۲.۷.۲ نانوسنسورهای دمایی و کاربردهای زیستی (Nanostructured Thermal Sensors)
۲.۷.۳ فناوری MEMS و ASIC در سنسورهای مجتمع
۲.۷.۴ ترکیب سنسور دما با سایر کمیت‌ها (Multisensor Integration)
۲.۸ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
🎓 فصل ۳ – سنسورهای شتاب (Accelerometers / Acceleration Sensors)
۳.۱ مقدمه (Introduction)
۳.۱.۱ اهمیت اندازه‌گیری شتاب در سامانه‌های دینامیکی
۳.۱.۲ کاربرد در ناوبری، رباتیک، خودرو و هوافضا
۳.۱.۳ هدف و ساختار فصل
۳.۲ مبانی فیزیکی کمیت شتاب (Physical Principles of Acceleration Measurement)
۳.۲.۱ تعریف شتاب خطی و زاویه‌ای (Linear and Angular Acceleration)
۳.۲.۲ روابط دینامیکی پایه (قانون دوم نیوتن)
۳.۲.۳ اثر گرانش و تفکیک شتاب استاتیکی و دینامیکی
۳.۲.۴ واحدها و پارامترهای فیزیکی
۳.۳ اصول عملکرد عمومی شتاب‌سنج (General Operating Principle of Accelerometers)
۳.۳.۱ مدل بلوکی و تابع انتقال (Block Model and Transfer Function)
۳.۳.۲ مکانیزم حسگر جرم–فنر–دمپر (Mass–Spring–Damper Mechanism)
۳.۳.۳ اثر فرکانس طبیعی و ضریب میرایی
۳.۳.۴ روش‌های تحریک و اندازه‌گیری
۳.۴ انواع شتاب‌سنج‌ها (Types of Accelerometers)
۳.۴.۱ شتاب‌سنج‌های مکانیکی (Mechanical Accelerometers)
۳.۴.۲ شتاب‌سنج‌های پیزوالکتریک (Piezoelectric Accelerometers)
۳.۴.۳ شتاب‌سنج‌های پیزورزیستیو (Piezoresistive Accelerometers)
۳.۴.۴ شتاب‌سنج‌های خازنی (Capacitive Accelerometers)
۳.۴.۵ شتاب‌سنج‌های نوری و لیزری (Optical and Laser Accelerometers)
۳.۴.۶ شتاب‌سنج‌های MEMS (MEMS Accelerometers)
۳.۴.۷ مقایسه اصول عملکرد و ویژگی‌ها
۳.۵ مدل ریاضی و فیزیکی (Mathematical and Physical Modeling)
۳.۵.۱ مدل معادلات حرکت
۳.۵.۲ مدل‌سازی سیستم جرم–فنر
۳.۵.۳ تابع انتقال فرکانسی و حساسیت
۳.۶ ویژگی‌های عملکردی و کالیبراسیون (Performance and Calibration)
۳.۶.۱ خطی بودن، محدوده، حساسیت
۳.۶.۲ آزمون‌های دینامیکی و استاتیکی
۳.۶.۳ اثر نویز و دما
۳.۶.۴ جبران خطاهای اندازه‌گیری
۳.۷ مقایسه فنی انواع شتاب‌سنج‌ها (Comparative Analysis of Accelerometers)
۳.۸ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۳.۸.۱ شتاب‌سنج‌های نانوساختار (Nano-Scale Accelerometers)
۳.۸.۲ ترکیب با ژیروسکوپ و مغناطیس‌سنج در IMU
۳.۸.۳ شتاب‌سنج‌های بی‌سیم و هوشمند
۳.۹ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
🎓 فصل ۴ – سنسورهای ژیروسکوپ (Gyroscope Sensors)
۴.۱ مقدمه (Introduction)
۴.۱.۱ تعریف ژیروسکوپ و اهمیت آن در ناوبری
۴.۱.۲ تفاوت بین ژیروسکوپ و شتاب‌سنج
۴.۱.۳ کاربرد در هوافضا، دفاع، رباتیک و تثبیت موقعیت
۴.۲ مبانی فیزیکی حرکت زاویه‌ای (Physical Principles of Angular Motion)
۴.۲.۱ مفهوم گشتاور و ممان اینرسی
۴.۲.۲ اثر کوریولیس و دوران محور
۴.۲.۳ مدل ریاضی تغییر زاویه و سرعت زاویه‌ای
۴.۲.۴ پارامترهای فیزیکی (Bias, Drift, Scale Factor)
۴.۳ اصول عملکرد عمومی ژیروسکوپ (General Operating Principle of Gyroscopes)
۴.۳.۱ مدل بلوکی عملکرد
۴.۳.۲ مکانیزم حسگری (Coriolis-Based Sensing)
۴.۳.۳ رابطه ریاضی بین خروجی و سرعت زاویه‌ای
۴.۳.۴ تحریک و خوانش سیگنال
۴.۴ انواع ژیروسکوپ‌ها (Types of Gyroscopes)
۴.۴.۱ ژیروسکوپ‌های مکانیکی (Mechanical Gyroscopes)
۴.۴.۲ ژیروسکوپ‌های ارتعاشی (Vibratory Gyroscopes)
۴.۴.۳ ژیروسکوپ‌های نوری (Optical Gyroscopes – FOG & RLG)
۴.۴.۴ ژیروسکوپ‌های MEMS (MEMS Gyroscopes)
۴.۴.۵ ژیروسکوپ‌های کوانتومی و اتمی (Quantum and Atomic Gyroscopes)
۴.۵ مدل خطا و پایداری (Error Model and Stability)
۴.۵.۱ بایاس، نوفه زاویه‌ای و رانش دما
۴.۵.۲ تحلیل آلـن و انحراف بلندمدت
۴.۵.۳ مدل‌سازی ریاضی خطا
۴.۶ روش‌های کالیبراسیون (Calibration Techniques)
۴.۶.۱ آزمون استاتیکی و چرخشی
۴.۶.۲ مدل خطای پارامتری
۴.۶.۳ الگوریتم‌های جبران رانش
۴.۷ مقایسه فنی انواع ژیروسکوپ‌ها (Comparative Analysis of Gyroscopes)
۴.۸ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۴.۸.۱ ژیروسکوپ‌های MEMS دقیق با توان پایین
۴.۸.۲ ژیروسکوپ‌های فیبر نوری و لیزری نسل جدید
۴.۸.۳ کاربردهای هوش مصنوعی در پایداری سیگنال
۴.۹ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
فصل ۵ – سنسورهای مغناطیس‌سنج (Magnetometers)
۵.۱ مقدمه (Introduction)
۵.۱.۱ تعریف مغناطیس‌سنج و اهمیت آن در اندازه‌گیری میدان مغناطیسی
۵.۱.۲ نقش در ناوبری، زمین‌شناسی، پزشکی و صنایع دفاعی
۵.۱.۳ هدف و ساختار فصل
۵.۲ مبانی فیزیکی اندازه‌گیری میدان مغناطیسی (Physical Principles of Magnetic Field Measurement)
۵.۲.۱ روابط ماکسول و تعریف میدان مغناطیسی
۵.۲.۲ واحدهای اندازه‌گیری (Tesla، Gauss، Oersted)
۵.۲.۳ اثرات محیطی (دما، نویز، میدان‌های مزاحم)
۵.۲.۴ رفتار مواد فرومغناطیس و پارامغناطیس
۵.۳ اصول عملکرد عمومی مغناطیس‌سنج‌ها (General Operating Principle of Magnetometers)
۵.۳.۱ مدل بلوکی عملکرد
۵.۳.۲ تابع انتقال و حساسیت (Transfer Function and Sensitivity)
۵.۳.۳ جبران نویز و آفست (Offset and Noise Compensation)
۵.۴ انواع مغناطیس‌سنج‌ها (Types of Magnetometers)
۵.۴.۱ مغناطیس‌سنج سیم‌پیچی (Search Coil Magnetometers)
۵.۴.۲ مغناطیس‌سنج فلاکس‌گیت (Fluxgate Magnetometers)
۵.۴.۳ مغناطیس‌سنج اثر هال (Hall Effect Magnetometers)
۵.۴.۴ مغناطیس‌سنج‌های AMR / GMR / TMR (Magnetoresistive Magnetometers)
۵.۴.۵ مغناطیس‌سنج‌های کوانتومی (Quantum Magnetometers)
۵.۴.۶ مغناطیس‌سنج‌های MEMS (MEMS Magnetometers)
۵.۵ کالیبراسیون و جبران خطا (Calibration and Compensation)
۵.۵.۱ خطاهای سخت‌آهن و نرم‌آهن (Hard/Soft Iron Errors)
۵.۵.۲ مدل‌سازی بیضوی و فیت سه‌بعدی (Ellipsoid Fitting)
۵.۵.۳ روش‌های جبران دما و زمان
۵.۶ طراحی الکترونیکی و پردازش سیگنال (Electronic Design and Signal Processing)
۵.۷ مقایسه فنی انواع مغناطیس‌سنج‌ها (Comparative Analysis of Magnetometers)
۵.۸ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۵.۹ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
🎓 فصل ۶ – واحد اندازه‌گیری اینرسی (Inertial Measurement Unit – IMU)
۶.۱ مقدمه (Introduction)
۶.۱.۱ مفهوم IMU و جایگاه آن در سامانه‌های ناوبری
۶.۱.۲ اجزای اصلی (شتاب‌سنج، ژیروسکوپ، مغناطیس‌سنج)
۶.۱.۳ اهمیت IMU در رباتیک، هوافضا و پهپادها
۶.۲ ساختار کلی و اجزای تشکیل‌دهنده (Architecture and Components)
۶.۲.۱ شتاب‌سنج‌ها (Accelerometers)
۶.۲.۲ ژیروسکوپ‌ها (Gyroscopes)
۶.۲.۳ مغناطیس‌سنج‌ها (Magnetometers)
۶.۲.۴ سنسورهای کمکی (Auxiliary Sensors: Pressure, Temperature)
۶.۳ مدل ریاضی و فیزیکی (Mathematical and Physical Modeling)
۶.۳.۱ معادلات حالت و اندازه‌گیری (State & Measurement Equations)
۶.۳.۲ مدل نویز و خطا (Noise and Bias Models)
۶.۳.۳ ماتریس‌های کواریانس و حساسیت
۶.۴ اصول عملکرد و الگوریتم‌های فیلترینگ (Operating Principles and Filtering Algorithms)
۶.۴.۱ فیلتر کالمن (Kalman Filter)
۶.۴.۲ فیلتر کالمن توسعه‌یافته (Extended Kalman Filter)
۶.۴.۳ فیلتر مکمل (Complementary Filter)
۶.۴.۴ فیلتر تطبیقی (Adaptive Filter)
۶.۵ انواع پیکربندی IMU (Types of IMU Configurations)
۶.۵.۱ Strapdown IMU
۶.۵.۲ Gimballed IMU
۶.۵.۳ MEMS-based IMUs
۶.۶ کالیبراسیون و ارزیابی عملکرد (Calibration and Performance Evaluation)
۶.۶.۱ آزمون‌های استاتیکی و دینامیکی
۶.۶.۲ تحلیل آلن و مدل‌سازی رانش (Allan Variance & Bias Instability)
۶.۶.۳ روش‌های کالیبراسیون چندمحوره
۶.۷ کاربردها و روندهای نوین (Applications and Future Trends)
۶.۷.۱ ناوبری ترکیبی GNSS/INS
۶.۷.۲ رباتیک و سیستم‌های خودران
۶.۷.۳ MEMS و مینیاتوری‌سازی
۶.۸ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
🎓 فصل ۷ – سنسورهای شیب (Inclinometers / Tilt Sensors)
۷.۱ مقدمه (Introduction)
۷.۱.۱ تعریف و اهمیت اندازه‌گیری زاویه شیب
۷.۱.۲ کاربرد در صنایع، ساختمان و ناوبری
۷.۱.۳ ساختار فصل
۷.۲ مبانی فیزیکی اندازه‌گیری زاویه (Physical Principles of Inclination Measurement)
۷.۲.۱ اثر گرانش و مؤلفه‌های شتاب
۷.۲.۲ مفهوم Pitch و Roll
۷.۲.۳ روابط بین محورهای مختصات و زاویه شیب
۷.۳ اصول عملکرد عمومی (General Operating Principle of Inclinometers)
۷.۳.۱ مدل بلوکی سنسور شیب
۷.۳.۲ استخراج زاویه از داده‌های شتاب‌سنج (Angle Computation from Accelerometer Data)
۷.۳.۳ فیلتر و میانگین‌گیری برای پایداری خروجی
۷.۴ انواع شیب‌سنج‌ها (Types of Inclinometers)
۷.۴.۱ شیب‌سنج‌های مکانیکی (Mechanical Inclinometers)
۷.۴.۲ شیب‌سنج‌های مایع و الکترولیتی (Liquid/Electrolytic Inclinometers)
۷.۴.۳ شیب‌سنج‌های خازنی (Capacitive Inclinometers)
۷.۴.۴ شیب‌سنج‌های MEMS (MEMS Tilt Sensors)
۷.۵ ویژگی‌های عملکردی و روش‌های کالیبراسیون (Performance and Calibration Techniques)
۷.۵.۱ دقت، حساسیت و زمان پاسخ
۷.۵.۲ اثرات دما و ارتعاش
۷.۵.۳ روش‌های کالیبراسیون تک‌محوره و چندمحوره
۷.۶ کاربردها (Applications)
۷.۶.۱ سیستم‌های صنعتی و عمرانی
۷.۶.۲ رباتیک و پهپادها
۷.۶.۳ ناوبری سطحی و دریایی
۷.۷ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۷.۷.۱ شیب‌سنج‌های بی‌سیم (Wireless Tilt Sensors)
۷.۷.۲ سنسورهای MEMS چندمحوره
۷.۷.۳ ترکیب شیب‌سنج با IMU در سیستم‌های هوشمند
۷.۸ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
فصل ۸ – سنسورهای اندازه‌گیری سرعت (Velocity Measurement Sensors)
۸.۱ مقدمه (Introduction)
۸.۱.۱ تعریف و اهمیت اندازه‌گیری سرعت در سامانه‌های مهندسی
۸.۱.۲ کاربرد در سامانه‌های دوّار، ناوبری و کنترل حرکت
۸.۱.۳ هدف و ساختار فصل
۸.۲ مبانی فیزیکی کمیت سرعت (Physical Principles of Velocity Measurement)
۸.۲.۱ تعریف سرعت لحظه‌ای و متوسط
۸.۲.۲ ارتباط بین مکان، سرعت و شتاب (k = dx/dt)
۸.۲.۳ روش‌های اندازه‌گیری مستقیم و غیرمستقیم
۸.۲.۴ اثرات محیطی و محدودیت‌های فیزیکی
۸.۳ اصول عملکرد عمومی (General Operating Principle)
۸.۳.۱ مدل بلوکی و تابع تبدیل (Block Model and Transfer Function)
۸.۳.۲ سنجش آنالوگ و دیجیتال
۸.۳.۳ استخراج سرعت از داده‌های سنسور موقعیت و شتاب
۸.۴ انواع سنسورهای سرعت (Types of Velocity Sensors)
۸.۴.۱ سنسورهای القایی (Inductive Velocity Sensors)
۸.۴.۲ سنسورهای اپتیکی (Optical Velocity Sensors)
۸.۴.۳ سنسورهای مغناطیسی (Magneto-Electric Velocity Sensors)
۸.۴.۴ سنسورهای داپلر (Doppler Velocity Sensors)
۸.۵ مدل‌سازی و تحلیل (Modeling and Analysis)
۸.۵.۱ روابط الکتریکی و مکانیکی
۸.۵.۲ مدل خطی‌سازی و تابع انتقال
۸.۵.۳ اثر نویز و تداخل محیطی
۸.۶ ویژگی‌های عملکردی و کالیبراسیون (Performance and Calibration)
۸.۶.۱ دقت، حساسیت، محدوده و پاسخ زمانی
۸.۶.۲ آزمون‌های استاتیکی و دینامیکی
۸.۶.۳ جبران دما و نویز
۸.۷ کاربردها (Applications)
۸.۷.۱ موتورهای الکتریکی و رباتیک
۸.۷.۲ ناوبری سطحی و دریایی
۸.۷.۳ تجهیزات اندازه‌گیری صنعتی
۸.۸ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۸.۸.۱ حسگرهای سرعت MEMS
۸.۸.۲ ترکیب سرعت‌سنج با IMU و GNSS
۸.۸.۳ سیستم‌های هوشمند بی‌سیم (IoT Velocity Sensing)
۸.۹ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
🎓 فصل ۹ – انکودرها (Encoders)
۹.۱ مقدمه (Introduction)
۹.۱.۱ تعریف انکودر و نقش آن در اندازه‌گیری موقعیت و سرعت زاویه‌ای
۹.۱.۲ کاربرد در کنترل موتور، رباتیک و ابزار دقیق
۹.۱.۳ ساختار فصل
۹.۲ مبانی فیزیکی اندازه‌گیری موقعیت (Physical Principles of Position Measurement)
۹.۲.۱ مفهوم زاویه و موقعیت نسبی
۹.۲.۲ تبدیل چرخش مکانیکی به سیگنال الکتریکی
۹.۲.۳ روابط بین پالس، زاویه و سرعت
۹.۳ اصول عملکرد عمومی انکودر (General Operating Principle of Encoders)
۹.۳.۱ مدل بلوکی و نحوه تولید پالس
۹.۳.۲ مدار شمارش و تشخیص جهت چرخش
۹.۳.۳ پارامترهای کلیدی (Resolution, Accuracy, Linearity)
۹.۴ انواع انکودرها (Types of Encoders)
۹.۴.۱ انکودرهای افزایشی (Incremental Encoders)
۹.۴.۲ انکودرهای مطلق (Absolute Encoders)
۹.۴.۳ انکودرهای نوری (Optical Encoders)
۹.۴.۴ انکودرهای مغناطیسی (Magnetic Encoders)
۹.۴.۵ انکودرهای MEMS (MEMS-Based Encoders)
۹.۵ مدل‌سازی و تحلیل خطا (Error Modeling and Analysis)
۹.۵.۱ خطاهای مکانیکی (Mechanical Errors)
۹.۵.۲ خطاهای نوری و دیجیتال
۹.۵.۳ اثر نویز و تاخیر زمانی
۹.۶ کالیبراسیون و آزمون عملکرد (Calibration and Performance Testing)
۹.۶.۱ روش‌های کالیبراسیون زاویه‌ای
۹.۶.۲ آزمون تکرارپذیری و پایداری
۹.۶.۳ جبران آفست و خطی‌سازی دیجیتال
۹.۷ مقایسه فنی انواع انکودرها (Comparative Analysis of Encoders)
۹.۸ کاربردها (Applications)
۹.۸.۱ کنترل موقعیت موتورهای سروو و استپر
۹.۸.۲ سیستم‌های اندازه‌گیری دقیق و ربات‌های صنعتی
۹.۸.۳ سامانه‌های ناوبری و کنترل حرکت
۹.۹ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۹.۹.۱ انکودرهای نوری مینیاتوری
۹.۹.۲ فناوری انکودرهای مغناطیسی سه‌بعدی
۹.۹.۳ ترکیب با سنسورهای اینرسی در سامانه‌های هوشمند
۹.۱۰ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
🎓 فصل ۱۰ – سنسورهای داپلر (Doppler Sensors)
۱۰.۱ مقدمه (Introduction)
۱۰.۱.۱ تعریف اثر داپلر و اصول تغییر فرکانس
۱۰.۱.۲ اهمیت در اندازه‌گیری سرعت، جریان و حضور جسم
۱۰.۱.۳ هدف و ساختار فصل
۱۰.۲ مبانی فیزیکی اثر داپلر (Physical Principles of the Doppler Effect)
۱۰.۲.۱ تعریف اثر داپلر برای موج‌های صوتی و الکترومغناطیسی
۱۰.۲.۲ معادله تغییر فرکانس
۱۰.۲.۳ اثر زاویه و چندمسیره (Angle and Multipath Effects)
۱۰.۳ اصول عملکرد عمومی سنسور داپلر (General Operating Principle)
۱۰.۳.۱ ساختار بلوکی فرستنده–گیرنده
۱۰.۳.۲ آشکارسازی تغییر فاز یا فرکانس
۱۰.۳.۳ تبدیل فرکانس به سرعت و ولتاژ خروجی
۱۰.۴ انواع سنسورهای داپلر (Types of Doppler Sensors)
۱۰.۴.۱ داپلر صوتی (Acoustic Doppler Sensors)
۱۰.۴.۲ داپلر مایکروویو (Microwave Doppler Sensors)
۱۰.۴.۳ داپلر نوری (Optical Doppler Sensors)
۱۰.۴.۴ داپلر آلتراسونیک (Ultrasonic Doppler Sensors)
۱۰.۴.۵ داپلر MEMS (MEMS Doppler Sensors)
۱۰.۵ روش‌های پردازش و آشکارسازی سیگنال (Signal Detection and Processing Methods)
۱۰.۵.۱ آشکارسازی هم‌فاز (Homodyne) و ناهم‌فاز (Heterodyne)
۱۰.۵.۲ فیلترهای باندباریک و حذف نویز
۱۰.۵.۳ استخراج سرعت با FFT و آنالیز فرکانسی
۱۰.۶ ویژگی‌های عملکردی و کالیبراسیون (Performance Characteristics and Calibration)
۱۰.۶.۱ حساسیت فرکانسی و محدوده اندازه‌گیری
۱۰.۶.۲ آزمون‌های کالیبراسیون مرجع
۱۰.۶.۳ اثر دما، فشار و رطوبت بر خطا
۱۰.۷ مقایسه فنی انواع سنسورهای داپلر (Comparative Analysis of Doppler Sensors)
۱۰.۸ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۱۰.۸.۱ داپلر FMCW مجتمع در تراشه
۱۰.۸.۲ ترکیب با بینایی ماشین و لیدار
۱۰.۸.۳ سیستم‌های RF و بی‌سیم کم‌مصرف
۱۰.۹ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
🎓 فصل ۱۱ – تلفیق سنسورهای ناوبری (Sensor Fusion: IMU + GNSS)
۱۱.۱ مقدمه (Introduction)
۱۱.۱.۱ تعریف تلفیق سنسور (Sensor Fusion)
۱۱.۱.۲ ضرورت ترکیب IMU و GNSS برای ناوبری پایدار
۱۱.۱.۳ چالش‌های ناوبری مستقل و ماهواره‌ای
۱۱.۱.۴ کاربردها در پهپاد، خودرو خودران، و سامانه‌های هوافضایی
۱۱.۱.۵ هدف و ساختار فصل
۱۱.۲ مبانی فیزیکی و ریاضی ناوبری (Physical and Mathematical Foundations)
۱۱.۲.۱ سیستم‌های مختصات (Body, Navigation, ECEF, NED)
۱۱.۲.۲ معادلات سینماتیکی و دینامیکی ناوبری
۱۱.۲.۳ مدل‌های اندازه‌گیری حسگرهای اینرسی (Accelerometer & Gyroscope Models)
۱۱.۲.۴ مدل اندازه‌گیری GNSS (Pseudorange, Doppler)
۱۱.۲.۵ منابع نویز و خطا در هر سامانه
۱۱.۳ اصول عملکرد و معماری تلفیق (Fusion Architectures and Principles)
۱۱.۳.۱ مفهوم “Aiding” در ناوبری یکپارچه
۱۱.۳.۲ معماری‌های تلفیق داده‌ها
- Loosely Coupled
- Tightly Coupled
- Ultra-Tightly Coupled
۱۱.۳.۳ مدل بلوکی سامانه تلفیق
۱۱.۳.۴ نرخ داده، تأخیر زمانی و هم‌زمان‌سازی
۱۱.۴ مدل‌های فیلترینگ و تخمین حالت (State Estimation and Filtering Models)
۱۱.۴.۱ فیلتر کالمن استاندارد (Kalman Filter – KF)
۱۱.۴.۲ فیلتر کالمن توسعه‌یافته (Extended Kalman Filter – EKF)
۱۱.۴.۳ فیلتر کالمن بدون خطی‌سازی (Unscented Kalman Filter – UKF)
۱۱.۴.۴ فیلتر ذرات (Particle Filter – PF)
۱۱.۴.۵ انتخاب فیلتر بر اساس نوع سامانه (Real-Time, Embedded, AI-Assisted)
۱۱.۵ مدل خطاها و جبران‌سازی (Error Modeling and Compensation)
۱۱.۵.۱ خطاهای IMU (Bias, Drift, Scale Factor, Misalignment)
۱۱.۵.۲ خطاهای GNSS (Multipath, Ionospheric, Clock Error)
۱۱.۵.۳ مدل تصادفی خطا (Gauss–Markov Process)
۱۱.۵.۴ روش‌های جبران تطبیقی و وزنی
۱۱.۶ هماهنگی زمانی و هم‌ترازی (Time Synchronization and Alignment)
۱۱.۶.۱ هم‌زمان‌سازی سیگنال‌های GNSS و IMU
۱۱.۶.۲ تراز اولیه (Static & Dynamic Alignment)
۱۱.۶.۳ جبران تاخیر حسگر و Latency Correction
۱۱.۷ ارزیابی عملکرد (Performance Evaluation)
۱۱.۷.۱ شاخص‌های ارزیابی (CEP, DRMS, RMS)
۱۱.۷.۲ تحلیل آلن و مدل‌سازی خطا
۱۱.۷.۳ آزمون‌های میدانی و شبیه‌سازی مونت‌کارلو
۱۱.۸ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۱۱.۸.۱ تلفیق مبتنی بر هوش مصنوعی (AI-Assisted Sensor Fusion)
۱۱.۸.۲ ناوبری مقاوم در برابر Jam و Spoofing
۱۱.۸.۳ ادغام داده‌های لیدار، ویژن و UWB
۱۱.۸.۴ ناوبری کوانتومی و خودکالیبره
۱۱.۹ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
🎓 فصل ۱۲ – سنسورهای نوری و فاصله‌سنج (Optical & Distance Sensors)
۱۲.۱ مقدمه (Introduction)
۱۲.۱.۱ تعریف سنسورهای نوری و فاصله‌سنج
۱۲.۱.۲ نقش در اندازه‌گیری غیرتماسی و کنترل هوشمند
۱۲.۱.۳ حوزه‌های کاربرد: رباتیک، خودرو، پزشکی، هوافضا
۱۲.۱.۴ هدف و ساختار فصل
۱۲.۲ مبانی فیزیکی نور و فاصله (Physical Principles of Light and Distance)
۱۲.۲.۱ خواص نور (Intensity, Wavelength, Polarization)
۱۲.۲.۲ بازتاب، شکست و پراکندگی (Reflection, Refraction, Scattering)
۱۲.۲.۳ روش‌های اندازه‌گیری فاصله (ToF, Triangulation, Interferometry)
۱۲.۲.۴ اثرات محیطی و محدودیت‌های اپتیکی
۱۲.۳ اصول عملکرد عمومی سنسورهای نوری (General Operating Principles)
۱۲.۳.۱ ساختار بلوکی (Emitter → Target → Receiver → Signal Processing)
۱۲.۳.۲ تابع انتقال نوری و شدت بازتاب
۱۲.۳.۳ پارامترهای کلیدی: دقت، رزولوشن، برد، زاویه دید
۱۲.۴ انواع سنسورهای نوری و فاصله‌سنج (Types of Optical and Distance Sensors)
۱۲.۴.۱ سنسورهای فوتوالکتریک (Photoelectric Sensors)
۱۲.۴.۲ سنسورهای لیزری (Laser Distance Sensors)
۱۲.۴.۳ سنسورهای مثلث‌بندی (Triangulation Sensors)
۱۲.۴.۴ سنسورهای ToF (Time-of-Flight Sensors)
۱۲.۴.۵ سنسورهای تداخلی (Interferometric Sensors)
۱۲.۴.۶ سنسورهای LiDAR (Light Detection and Ranging)
۱۲.۴.۷ سنسورهای نوری MEMS / CMOS (Integrated Optical Sensors)
۱۲.۵ طراحی الکترونیکی و پردازش سیگنال (Electronic Design and Signal Processing)
۱۲.۵.۱ تقویت سیگنال و حذف نویز نوری
۱۲.۵.۲ مبدل‌های A/D پرسرعت و مدارهای زمان‌سنج
۱۲.۵.۳ فیلترکردن و میانگین‌گیری دیجیتال
۱۲.۵.۴ الگوریتم‌های بازسازی فاصله (Phase Detection, Correlation)
۱۲.۶ کالیبراسیون و ارزیابی دقت (Calibration and Accuracy Evaluation)
۱۲.۶.۱ کالیبراسیون هندسی و نوری
۱۲.۶.۲ تصحیح اثر زاویه دید و نور محیط
۱۲.۶.۳ آزمون‌های خطی بودن و پایداری حرارتی
۱۲.۶.۴ استانداردهای IEC و ISO برای سنسورهای اپتیکی
۱۲.۷ مقایسه فنی انواع سنسورهای نوری (Comparative Analysis of Optical Sensors)
۱۲.۷.۱ پارامترهای کلیدی: برد، دقت، زمان پاسخ، مصرف توان
۱۲.۷.۲ جدول مقایسه عملکردی بین ToF، LiDAR، و نوری MEMS
۱۲.۸ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۱۲.۸.۱ LiDAR حالت جامد (Solid-State LiDAR)
۱۲.۸.۲ حسگرهای نوری مجتمع (On-Chip Photonic Sensors)
۱۲.۸.۳ تلفیق داده‌های نوری با IMU و GNSS
۱۲.۸.۴ کاربرد هوش مصنوعی در بازسازی سه‌بعدی
۱۲.۹ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
🎓 فصل ۱۳ – سنسورهای شیمیایی و زیستی (Chemical & Biosensors)
۱۳.۱ مقدمه (Introduction)
۱۳.۱.۱ تعریف سنسورهای شیمیایی و زیستی
۱۳.۱.۲ اهمیت در پزشکی، محیط زیست، غذا، و صنایع دارویی
۱۳.۱.۳ تمایز میان Chemical Sensor و Biosensor
۱۳.۱.۴ هدف و ساختار فصل
۱۳.۲ مبانی فیزیکی و شیمیایی (Physical and Chemical Principles)
۱۳.۲.۱ مفاهیم پایه انتقال جرم و واکنش شیمیایی
۱۳.۲.۲ معادله نرنست و پتانسیل الکتروشیمیایی
۱۳.۲.۳ اصول الکتروشیمیایی (پتانسیومتری، آمپرو‌متری، کوندکتومتری)
۱۳.۲.۴ پویایی واکنش آنزیمی و مدل مایکلِس–منتن
۱۳.۲.۵ اثرات دما، pH و رطوبت بر پاسخ حسگر
۱۳.۳ اصول عملکرد عمومی (General Operating Principles)
۱۳.۳.۱ ساختار پایه حسگر شیمیایی/زیستی
Receptor → Transducer → Signal Conditioning → Output
۱۳.۳.۲ مفهوم انتخاب‌پذیری و گزینش‌پذیری (Selectivity)
۱۳.۳.۳ ویژگی‌های کلیدی: حساسیت، حد تشخیص، زمان پاسخ، پایداری
۱۳.۴ طبقه‌بندی سنسورهای شیمیایی (Types of Chemical Sensors)
۱۳.۴.۱ حسگرهای الکتروشیمیایی (Electrochemical Sensors)
۱۳.۴.۲ حسگرهای گازی (Gas Sensors: MOX, Electrochemical, NDIR)
۱۳.۴.۳ حسگرهای اپتوشیمیایی (Optochemical Sensors)
۱۳.۴.۴ حسگرهای مبتنی بر نانوساختار (Nanomaterial-Based Sensors)
۱۳.۵ طبقه‌بندی بیوسنسورها (Types of Biosensors)
۱۳.۵.۱ بیوسنسورهای آنزیمی (Enzymatic Biosensors)
۱۳.۵.۲ بیوسنسورهای ایمونولوژیکی (Immunosensors)
۱۳.۵.۳ بیوسنسورهای DNA و ژنتیکی (Genosensors)
۱۳.۵.۴ بیوسنسورهای سلولی و میکروبی (Cell-based Biosensors)
۱۳.۶ طراحی الکترونیکی و خوانش سیگنال (Electronic Design and Readout)
۱۳.۶.۱ مبدل‌های جریان و ولتاژ با نویز پایین
۱۳.۶.۲ فیلترکردن و حذف تداخل الکتروشیمیایی
۱۳.۶.۳ رابط‌های دیجیتال (I²C, SPI, USB, BLE)
۱۳.۶.۴ سیستم‌های آزمایشگاهی در تراشه (Lab-on-Chip Integration)
۱۳.۷ کالیبراسیون و ارزیابی عملکرد (Calibration and Performance Evaluation)
۱۳.۷.۱ خطی‌سازی منحنی پاسخ حسگر
۱۳.۷.۲ ارزیابی حساسیت، LOD و تکرارپذیری
۱۳.۷.۳ آزمون پایداری بلندمدت و Aging Effects
۱۳.۷.۴ استانداردهای ISO و IEEE برای حسگرهای شیمیایی
۱۳.۸ مقایسه فنی انواع سنسورها (Comparative Analysis of Chemical & Biosensors)
۱۳.۸.۱ پارامترهای مقایسه: حساسیت، پایداری، زمان پاسخ، هزینه
۱۳.۸.۲ جدول مقایسه عملکرد حسگرهای آنزیمی، اپتوشیمیایی و نانوساختار
۱۳.۹ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۱۳.۹.۱ حسگرهای نانویی و گرافنی (Graphene, CNT, Nanowire Sensors)
۱۳.۹.۲ بیوسنسورهای پوشیدنی و کاشتنی (Wearable & Implantable Biosensors)
۱۳.۹.۳ یکپارچه‌سازی با MEMS و IoT (Bio-IoT Systems)
۱۳.۹.۴ استفاده از هوش مصنوعی برای تحلیل سیگنال زیستی
۱۳.۱۰ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)
🎓 فصل ۱۴ – کالیبراسیون، خطا و عدم‌قطعیت اندازه‌گیری (Calibration, Error & Measurement Uncertainty)
۱۴.۱ مقدمه (Introduction)
۱۴.۱.۱ تعریف اندازه‌گیری و اهمیت دقت
۱۴.۱.۲ مفهوم کالیبراسیون در علم سنجش
۱۴.۱.۳ تمایز بین دقت، صحت و تکرارپذیری
۱۴.۱.۴ هدف و دامنه کاربرد فصل
۱۴.۲ مفاهیم بنیادی اندازه‌گیری (Fundamental Measurement Concepts)
۱۴.۲.۱ مدل کلی اندازه‌گیری
۱۴.۲.۲ کمیت‌های مؤثر و متغیرهای محیطی
۱۴.۲.۳ تعریف خطای تصادفی و سیستماتیک
۱۴.۲.۴ مفهوم حساسیت و ضریب کالیبراسیون
۱۴.۳ اصول و روش‌های کالیبراسیون (Principles and Methods of Calibration)
۱۴.۳.۱ تعریف رسمی طبق ISO/IEC 17025
۱۴.۳.۲ مراحل کالیبراسیون عملی
(آماده‌سازی – اعمال مرجع – اندازه‌گیری – محاسبه تابع کالیبراسیون)
۱۴.۳.۳ مدل ریاضی کالیبراسیون
۱۴.۳.۴ کالیبراسیون ایستا و دینامیکی (Static & Dynamic Calibration)
۱۴.۳.۵ انتخاب استاندارد مرجع (Primary / Secondary)
۱۴.۴ مدل‌سازی خطا (Error Modeling)
۱۴.۴.۱ مدل کلی خطا
(که b بایاس و n نویز تصادفی است)
۱۴.۴.۲ انواع خطاها: Offset, Scale, Misalignment, Drift
۱۴.۴.۳ تحلیل حساسیت و خطی‌سازی مدل‌ها
۱۴.۵ تعیین عدم‌قطعیت اندازه‌گیری (Measurement Uncertainty Evaluation)
۱۴.۵.۱ تعریف رسمی طبق GUM (JCGM 100:2008)
۱۴.۵.۲ منابع عدم‌قطعیت: ابزار، محیط، اپراتور، مدل
۱۴.۵.۳ ترکیب عدم‌قطعیت‌ها
۱۴.۵.۴ نوع A و نوع B (Type A / Type B)
۱۴.۵.۵ عدم‌قطعیت گسترده (Expanded Uncertainty, U = k·u_c)
۱۴.۶ تحلیل آماری خطا و پایداری (Statistical Error and Stability Analysis)
۱۴.۶.۱ میانگین، انحراف معیار و واریانس
۱۴.۶.۲ آزمون آلن واریانس (Allan Variance)
۱۴.۶.۳ تحلیل توزیع خطا و هیستوگرام
۱۴.۶.۴ آزمون نرمال بودن و خطای غیرگوسی
۱۴.۷ روش‌های جبران خطا (Error Compensation Methods)
۱۴.۷.۱ جبران بایاس و عامل مقیاس
۱۴.۷.۲ مدل‌سازی دمایی و جبران حرارتی
۱۴.۷.۳ فیلتر کالمن و جبران زمان‌واقعی (Real-Time Kalman Compensation)
۱۴.۷.۴ خودکالیبراسیون تطبیقی در سنسورهای هوشمند
۱۴.۸ استانداردها و الزامات بین‌المللی (Standards and International Requirements)
۱۴.۸.۱ ISO/IEC 17025 – الزامات آزمایشگاه‌های کالیبراسیون
۱۴.۸.۲ GUM – راهنمای بیان عدم‌قطعیت اندازه‌گیری
۱۴.۸.۳ IEEE Std 2700 – پارامترهای عملکرد حسگرها
۱۴.۸.۴ ISO 5725 – دقت و تکرارپذیری اندازه‌گیری‌ها
۱۴.۸.۵ NIST – ردیابی به استانداردهای SI
۱۴.۹ روندهای نوین و فناوری‌های آینده (Recent Trends and Future Developments)
۱۴.۹.۱ کالیبراسیون خودکار در حسگرهای هوشمند
۱۴.۹.۲ استفاده از هوش مصنوعی در مدل‌سازی خطا
۱۴.۹.۳ سیستم‌های Digital Twin برای ارزیابی خطا
۱۴.۹.۴ ارزیابی عدم‌قطعیت در سامانه‌های ناوبری خودران
۱۴.۱۰ نتیجه‌گیری (Conclusion)
منابع علمی (References)