ژیروسکوپ ها چه کارکردی دارند؟

ژیروسکوپ ها برای اندازه گیری نرخ زاویه ای یا جهت گیری در مورد یک بردار جهتی معین طراحی شده اند. آنها معمولاً به شکل یک شیء یا روتور دیسکی شکل هستند که در حلقه‌های نگهدارنده نور به نام گیمبال معلق هستند. گیمبال ها دارای یاتاقان های تقریباً بدون اصطکاک هستند که دیسک مرکزی را از گشتاور بیرونی جدا می کند. 

هنگامی که ژیروسکوپ روی محور خود با سرعت بالا می چرخد، در برابر حرکات در جهات خاص مقاومت می کند و تعادل فوق العاده ای را همانطور که در ویدیوی زیر مشاهده می کنید نشان می دهد. ژیروسکوپ‌های سنتی بر این اساس کار می‌کنند که یک جسم در حال چرخش که عمود بر جهت چرخش کج می‌شود، دارای تقدیم است. تقدم دستگاه را در جهت عمودی نگه می دارد تا بتوان زاویه نسبت به سطح مرجع را اندازه گیری کرد. ژیروهای چند محوره اندازه گیری را در دو یا سه جهت متعامد ارائه می دهند.

ژیروسکوپ ها در بسیاری از کاربردها از جمله محیط های آموزشی، شیوه های حمل و نقل و روباتیک استفاده می شوند. در محیط‌های یادگیری، اغلب به‌عنوان راهی برای نشان دادن اینکه چگونه یک ژیروسکوپ می‌تواند به طور مداوم به یک جهت اشاره کند، استفاده می‌شود. در ماشین‌های مختلف، دوچرخه‌ها و کشتی‌ها، موتورها رفتار ژیروسکوپ را تقلید می‌کنند. در اتومبیل های مسابقه ای نیروهای ژیروسکوپی موتور به حفظ اتومبیل در مسیر کمک می کند. آنها تعادل موتور را در هنگام حرکت آسان تر می کنند و ژیروسکوپ برای تثبیت کشتی ها استفاده می شود.

 فناوری ژیروسکوپ به چه شکلی است؟

 دو نوع اساسی از ژیروسکوپ وجود دارد: سرعت، یکپارچه کننده سرعت

ژیروس‌های سرعت، دستگاه‌های تک درجه آزادی (SDOF) هستند که عمدتاً یک مهار الاستیک محور چرخش حول محور خروجی دارند. سیگنال خروجی با تقدیم گیمبال تولید می شود که متناسب با نرخ زاویه ای کیس در مورد محور ورودی است. اکثر ژیروسکوپ ها ژیروسکوپ های نرخی هستند.

ژیروس‌های یکپارچه‌کننده سرعت نیز دستگاه‌های SDOF هستند، اما عمدتاً از یک مهار چسبناک محور چرخش حول محور خروجی استفاده می‌کنند. سیگنال خروجی با تقدیم گیمبال تولید می‌شود که متناسب با انتگرال نرخ زاویه‌ای کیس است. محور ورودی

اندازه گیری نرخ زاویه ای

انتخاب ژیروسکوپ نیاز به درک تکنیک های اندازه گیری نرخ زاویه ای دارد. ژیروسکوپ های نوری اجازه انعکاس اشعه لیزر را چندین بار در داخل یک محفظه می دهند. اگر محفظه بچرخد، مدت زمان بین لحظه انتشار لیزر و دریافت نهایی متفاوت است.

 نوری - ژیروسکوپ های نوری اجازه انعکاس پرتو لیزر را چندین بار در یک محفظه می دهند. اگر محفظه بچرخد، مدت زمان بین لحظه انتشار لیزر و دریافت نهایی متفاوت است. فرستنده لیزر با گذشت زمان خراب می شود، و فیبر شکننده است و عمر محدودی دارد.

• با ژیروسکوپ لیزری حلقه ای (RLG)، بازتاب لیزر با آینه های داخل محفظه به دست می آید.

• با فیبر نوری ژیروسکوپ (FOG)، بازتاب لیزر با یک سیم پیچ از فیبر نوری به دست می آید.

جرم چرخان - ژیروهای جرمی در حال چرخش از جرمی با حرکت پیوسته با محور آزاد (گیمبال) استفاده می کنند. آنها بسیار شکننده هستند و نیاز به نگهداری منظم دارند. هنگامی که یک ژیروسکوپ جرمی در حال چرخش عنوان می‌شود، اثر ژیروسکوپی باعث جهش می‌شود - حرکت متعامد به حس شیب جهت - در امتداد محور جرم در حال چرخش، که نشان می‌دهد زاویه حرکت کرده است. از آنجایی که محدودیت‌های مکانیکی باعث عوامل خطای متعددی می‌شوند، محور یک ژیروسکوپ جرمی در حال چرخش معمولاً با فنر ثابت می‌شود. کشش فنر متناسب با سرعت تقدم است. ژیروهای تنظیم شده خشک یا ژیروهای تنظیم شده پویا، ژیروسکوپ های جرمی در حال چرخش هستند که به گونه ای طراحی شده اند که پس از رسیدن سرعت چرخش به سرعت مشخص شده، محدودیت های مکانیکی بسیار کوچکی ایجاد کنند. ژیروسکوپ تنظیم شده پویا را نباید با ژیروقطب نما، یک وسیله چرخشی بزرگ که برای چرخش و حفظ جهت چرخش زمین ساخته شده است، اشتباه گرفت. ژیروسکوپ ها همیشه خوانش شمال واقعی را ارائه می دهند، در حالی که ژیروسکوپ های تنظیم شده خشک اطلاعاتی در مورد تغییر نسبی زاویه ها ارائه می دهند.

ارتعاش - ژیروهای ارتعاشی از فناوری سیستم میکرو الکترومکانیکی (MEMS) و یک چنگال تنظیم ارتعاشی کوارتز برای اندازه‌گیری نیروی کوریولیس استفاده می‌کنند. هنگامی که می چرخد، یک عنصر ارتعاشی (رزوناتور ارتعاشی) در معرض اثر کوریولیس قرار می گیرد و باعث ایجاد ارتعاش ثانویه متعامد به جهت ارتعاش اصلی می شود. با تشخیص لرزش ثانویه، ژیروسکوپ می تواند سرعت چرخش را تشخیص دهد. برخی از ژیروهای ارتعاشی پیزو، سرامیکی یا کوارتز نامیده می شوند زیرا از اثر پیزو الکتریک برای اعمال و تشخیص ارتعاش استفاده می کنند. توجه داشته باشید که لرزش و تشخیص لزوما از اثر پیزو استفاده نمی کنند. اکثر ژیروهای پیزو، سرامیکی و کوارتز به تولید انبوه می رسند و نیاز به نگهداری کمی دارند. محصولاتی که از یک چنگال تنظیم یا عنصر ارتعاشی پرتویی (اغلب مثلثی) با تکیه گاه محکم برای پایه یا کیس استفاده می کنند، ممکن است نتوانند بین ارتعاش ثانویه و ارتعاش خارجی تمایز قائل شوند. دامپرهایی که حرکت چرخشی را تحت تاثیر قرار می دهند، تنها پاسخ ژیروسکوپ را بدتر می کنند. در نتیجه، برخی از تامین کنندگان از یک عنصر حلقه ای شکل استفاده می کنند که توسط پره ها آویزان شده و در یک حرکت فشرده و بیضی شکل بالا و پایین می لرزد. با این طراحی، لرزش خارجی حالت ارتعاش فشرده و بیضی را ایجاد نمی کند. سیستم تعلیق فقط جانبی از پره های اطراف، عنصر را در برابر ارتعاشات و ضربه های خطی محافظت می کند، صرف نظر از اینکه ژیروسکوپ چگونه به پایه بسته شده است.

چه مشخصات فنی مهمی دارند؟

  مشخصات فیزیکی هر دو نوع ژیروسکوپ شامل حداکثر ابعاد و وزن است.

• حداکثر ابعاد -    حداکثر ابعاد نشان دهنده بزرگترین ابعاد (طول، عرض، ارتفاع یا قطر) است و اندازه دستگاه را نشان می دهد.

• وزن -    وزن کلی واحد.  

خروجی

سیگنال خروجی با تقدیم گیمبال تولید می شود، اما متناسب با انتگرال نرخ زاویه ای کیس در مورد محور ورودی است. گزینه های خروجی شامل ولتاژ آنالوگ، حلقه جریان، پالس یا فرکانس و خروجی سوئیچ یا رله است.

• ولتاژ آنالوگ -  دستگاه ها خروجی های ولتاژ DC مانند +/-5 V، 0 - 10 V و غیره تولید می کنند.

• حلقه جریان -  دستگاه ها خروجی های حلقه جریان مانند 0 - 20 میلی آمپر، 4 - 20 میلی آمپر، 10-50 میلی آمپر و غیره را تولید می کنند.

• پالس/فرکانس -  خروجی کنترل یک مقدار فرکانس آنالوگ، یک قطار پالس یا یک متغیر مشابه است.

• خروجی سوئیچ / رله -  خروجی یک کلید یا رله است که می تواند "روشن" یا "خاموش" باشد. 

محورهای زاویه ای / چرخشی

ژیروسکوپ ها از نظر محورهای زاویه ای یا چرخشی و مشخصات نرخ زاویه ای متفاوت هستند. سه انتخاب برای محورهای زاویه ای یا چرخشی وجود دارد: تک محوری، دو محوری و سه محوری.

• ژیروهای تک محوری نرخ زاویه ای حول یک محور را حس می کنند.

• ژیروهای دو محوره نرخ زاویه ای را حول دو محور متعامد حس می کنند.

• ژیروهای سه محوری نرخ زاویه ای را حول سه محور متعامد حس می کنند.

نرخ زاویه ای

 نرخ زاویه ای شامل سه ویژگی است: محدوده نرخ زاویه ای، خطی بودن و پهنای باند.

 محدوده سرعت زاویه ای حداکثر سرعت چرخشی است که ژیروسکوپ برای آن رتبه بندی می شود. اگر بتوان یک محصول یا سری را برای نرخ های مختلف پیکربندی کرد، آنگاه محدوده حداکثر فهرست شده است.

 خطی بودن زاویه ای یا خطی محور چرخشی در محدوده دمای عملیاتی به صورت درصد (±) از مقیاس کامل اندازه گیری می شود.

 پهنای باند زاویه ای محدوده فرکانسی است که ژیروسکوپ قبل از خاموش شدن، مشخصات دقت را برآورده می کند.

 از آنجایی که ژیروسکوپ ها تقریبا همیشه قادر به پاسخگویی DC هستند، تنها نقطه رول آف با فرکانس بالا 3-dB گنجانده شده است.

 استانداردها

ژیروسکوپ ها باید از مشخصات و استانداردهای مختلف برای اطمینان از طراحی و عملکرد مناسب پیروی کنند. 

• BS 2G 112 -   مشخصات ژیروسکوپ های جهت دار هوا رانده برای هواپیما.

• MIL-B-16129 -   این مشخصات یک بلبرینگ فولادی با دقت بالا، باز (یا مغناطیسی) را برای استفاده در ژیروسکوپ های اژدر پوشش می دهد.

• MIL-G-25591 –   این مشخصات یک نوع ژیروسکوپ سوئیچینگ نرخ را پوشش می دهد که نوع MC-1 نامیده می شود.

  منبع: globalspec.com