ژیروسکوپ سرعت زاویه‌ای یا سرعت چرخش حول یک محور را اندازه گیری میکند و از آن برای تشخیص و اندازه‌گیری جهت یا حرکت یک جسم استفاده میشود. انواع ژیروسکوپ‌ها عبارتند از ژیروسکوپ‌های مکانیکی، ژیروسکوپ‌های فیبر نوری و ژیروسکوپ‌های MEMS. از ژیروسکوپ‌ها در سیستم‌های ناوبری، دستگاه‌های واقعیت مجازی، رباتیک و ردیابی حرکت استفاده میشود.
ژیروسکوپ وسیله‌ای است که برای اندازه گیری یا حفظ جهت و سرعت زاویه‌ای استفاده میشود. ژیروسکوپ‌ها بر اساس اصل بقای تکانه زاویه‌ای کار می‌کنند.
آنها معمولاً از یک روتور چرخان و مجموعه ای از گیمبال ها یا تکیه‌گاه‌های محوری تشکیل شده‌اند. روتور چرخان در ژیروسکوپ حرکت زاویه ای را فراهم میکند.
نحوه کار ژیروسکوپ ها
طرح اولیه و اصلی هر ژیروسکوپ بر مبنای یک روتور یا چرخ چرخان است. هنگامی که روتور می‌چرخد، تکانه زاویه‌ای ایجاد میکند، تکانه زاویه‌ایی به صورت مختصر و ساده در حقیقت تمایل یک جسم به چرخش در همان جهت است، مگر اینکه نیروی خارجی بر آن اثر بگذارد. این بدان معنی است که محور چرخش روتور در فضا ثابت می‌ماند.
هنگامی که نیروهای خارجی مانند کج کردن یا چرخاندن دستگاه به ژیروسکوپ اعمال میشود، اثر ژیروسکوپی وارد عمل میشود. تکانه زاویه‌ای روتور در حال چرخش در برابر هرگونه تغییر جهت مقاومت میکند، اعمال نیروی خارجی باعث تغییر جهت ژیروسکوپ میشود یعنی جهت محور چرخش به تدریج در پاسخ به نیروهای خارجی تغییر میکند.
انواع ژیروسکوپ براساس تعداد محور
ژیروسکوپ ها را بر اساس تعداد محورهای آنها می‌توان به صورت زیر دسته بندی کرد:
ژیروسکوپ تک محوره
ژیروسکوپ تک محوره، چرخش حول یک محور را اندازه گیری میکند. این سنسورها سرعت زاویه‌ای را در یکی از حالات چرخش(Roll-چرخش حول محور طولی یا همان محور X)، گام ( Pitch-چرخش حول محور عرضی یا همان محور Y)، یا انحراف ( Yaw-چرخش حول محور عمودی یا همان محور Z) یک شی ارائه می‌دهد. ژیروسکوپ‌های تک محوره معمولاً در کاربردهایی مانند دوربین‌های تثبیت کننده، سیستم‌های ناوبری و هواپیماهای بدون سرنشین استفاده می‌شوند.
ژیروسکوپ دو محوره
یک ژیروسکوپ دو محوره چرخش را حول دو محور عمود بر هم اندازه گیری میکند و اطلاعات نرخ زاویه‌ای را در مورد دو جهت
خاص به طور همزمان ارائه می‌دهد. این نوع ژیروسکوپ اغلب در برنامه‌هایی استفاده میشود که نیاز به حسگر حرکتی دقیق‌تری دارند، مانند کنترلرهای بازی، دستگاه‌های واقعیت مجازی و…
ژیروسکوپ سه محوره
یک ژیروسکوپ سه محوره چرخش را حول هر سه محور X، Y و Z اندازه‌گیری میکند. اطلاعات نرخ زاویه‌ای در مورد چرخش، گام، و انحراف را به طور همزمان ارائه میکند. ژیروسکوپ‌های سه محوره به طور گسترده در کاربردهای مختلف از جمله گوشی‌های هوشمند، هواپیماهای بدون سرنشین، رباتیک و سیستم‌های هوافضا استفاده می‌شوند.
شایان ذکر است که بسیاری از ژیروسکوپ‌های مدرن چندین محور را در یک پکیج سنسور واحد ادغام می‌کنند و اندازه‌گیری‌های سه محوره یا چند محوری را در یک فرم فشرده ارائه می‌دهند. این ژیروسکوپ‌ها اغلب حسگرهای اضافی مانند شتاب سنج‌ها را نیز برای ارائه یک راه حل کامل سنجش حرکت در خود جای می‌دهند.
انتخاب نوع ژیروسکوپ به الزامات خاص موردنیاز هر پروژه مانند میزان درستی مدنظر، پیچیدگی، توان مصرفی و هزینه بستگی دارد.
انواع ژیروسکوپ براساس تکنولوژی به کار رفته در آنها
ژیروسکوپ‌های MEMS
ژیروسکوپ‌های MEMS (سیستم‌های میکروالکترومکانیکی) نوعی ژیروسکوپ هستند که در آنها برای ایجاد سنسورهای ژیروسکوپ مینیاتوری از فناوری میکروساخت استفاده میشود. این ژیروسکوپ‌ها بر روی یک تراشه سیلیکونی با استفاده از تکنیک‌های ساخت مدار مجتمع ساخته شده‌اند که به آنها اجازه می‌دهد بسیار فشرده، سبک وزن و مقرون به صرفه باشند.
ژیروسکوپ‌های MEMS معمولاً از یک جرم ارتعاشی یا یک سازه تشدید کننده استفاده می‌کنند که به عنوان جرم نمونه نوسانی شناخته میشود. این جسم وقتی ژیروسکوپ تحت چرخش قرار می‌گیرد، نیروی کوریولیس را تجربه میکند. این نیرو باعث انحراف جرم نمونه میشود و انحراف حاصل برای تعیین سرعت زاویه‌ای یا سرعت چرخش اندازه گیری میشود.
مزایا معایب و کاربردهای ژیروسکوپ MEMS:
ژیروسکوپ‌های MEMS به دلیل اندازه کوچک، توان مصرفی کم و سازگاری با فناوری مدار مجتمع، به طور گسترده در کاربردهای مختلف مورد استفاده قرار گرفته‌اند. آنها در گوشی‌های هوشمند برای سنجش حرکت و تثبیت تصویر، کنترلرهای بازی، دستگاه‌های واقعیت مجازی، هواپیماهای بدون سرنشین، رباتیک، سیستم‌های ناوبری و بسیاری دیگر از دستگاه‌های الکترونیکی که نیاز به تشخیص و اندازه‌گیری حرکت دارند، کاربرد دارند.
اما باید توجه داشت که این ژیروسکوپ‌ها در مقایسه با ژیروسکوپ‌های بزرگتر و دقیق‌تر ممکن است دارای محدودیت‌هایی مانند درستی کمتر، حساسیت به شرایط محیطی و دریفت احتمالی در طول زمان باشند. با این حال، پیشرفت‌های مداوم در فناوری MEMS منجر به بهبود قابل توجهی در عملکرد و قابلیت اطمینان آنها شده‌است.
ژیروسکوپ فیبر نوری (Fiber Optic Gyroscopes (FOG))
ژیروسکوپ‌های فیبر نوری (FOG) نوع دیگری از ژیروسکوپ‌ها هستند که از اصول فیبر نوری برای اندازه گیری سرعت یا چرخش زاویه‌ای استفاده می‌کنند.این ژیروسکوپ‌ها برخلاف ژیروسکوپ‌های MEMS به جای تکیه بر یک قطعه مکانیکی متحرک، از تداخل نور برای تشخیص چرخش‌ها استفاده می‌کنند.
در FOG، پرتو لیزر به دو مسیر تقسیم می شود: مسیرهای ساعتگرد (CW) و پاد ساعتگرد (CCW). این مسیرها از طریق یک سیم پیچ از فیبر نوری به شکل سیم پیچی که معمولاً چندین متر طول دارد هدایت می‌شوند. سیم پیچ فیبر به عنوان عنصر حسی ژیروسکوپ عمل میکند.
هنگامی که ژیروسکوپ تحت چرخش قرار می‌گیرد، پدیده ای به نام اثر ساگناک رخ می دهد. این اثر به دلیل تفاوت در مسافت طی شده توسط هر پرتو، باعث تغییر فاز بین پرتوهای نور CW و CCW میشود. هنگامی که پرتوها دوباره ترکیب می‌شوند، یک الگوی تداخلی تشکیل میشود. با اندازه گیری این الگوی تداخل، FOG می‌تواند نرخ چرخش را تعیین کند.
مزایا معایب و کاربردهای ژیروسکوپ فیبر نوری (FOGs):
یکی از مزایای FOGها درستی و پایداری بالای آنهاست. آنها قادر به تشخیص سرعت‌های زاویه‌ای بسیار کوچک هستند و پایداری طولانی مدت عالی دارند. FOGها همچنین محدوده دینامیکی وسیعی دارند، به این معنی که می‌توانند هم حرکات چرخشی آهسته و هم سریع را اندازه‌گیری کنند.
ژیروسکوپ‌های فیبر نوری معمولاً در کاربردهای مختلفی که در آنها به سنجش دقیق چرخش نیاز است، استفاده می‌شوند. آنها در سیستم‌های ناوبری برای هواپیماها، کشتی‌ها و زیردریایی‌ها و همچنین در واحدهای اندازه گیری اینرسی (IMU) برای وسایل نقلیه خودران و کاربردهای هوافضا استفاده می‌شوند. FOGها همچنین در رباتیک، تجهیزات صنعتی و حتی در برخی از دستگاه‌های الکترونیکی مصرفی نیز مورد استفاده قرار میگیرند.
ژیروسکوپ‌های فیبر نوری نسبت به ژیروسکوپ‌های MEMS بزرگتر و گرانتر هستند. با این حال، آنها از نظر درستی و پایداری عملکرد بالاتری دارند.
ژیروسکوپ‌های رینگ لیزری (Ring Laser Gyroscopes (RLG))
ژیروسکوپ‌های لیزری حلقه‌ای (RLGs) نوع دیگری از ژیروسکوپ هستند که برای اندازه گیری سرعت یا چرخش زاویه‌ای استفاده می‌شوند. RLGها بر اساس همان اصل FOGها عمل می‌کنند، با این تفاوت که به جای استفاده از فیبر نوری سیم پیچ، از یک حفره حلقه‌ای شکل که از آینه و لیزر تشکیل شده‌است، استفاده می‌کنند.
در یک RLG، دو پرتو لیزر در جهت مخالف در اطراف حلقه بسته‌ی تشکیل شده توسط حفره، حرکت می‌کنند. با چرخش ژیروسکوپ، تفاوت در مسافت طی شده توسط پرتوها باعث ایجاد اختلاف فاز میشود. این اختلاف فاز زمانی تشخیص داده میشود که پرتوها دوباره ترکیب می‌شوند و در نتیجه یک الگوی تداخل ایجاد میشود.
با تجزیه و تحلیل الگوی تداخل، RLG می‌تواند نرخ چرخش را تعیین کند. تشخیص تغییر فاز با استفاده از آشکارسازهای نوری انجام میشود که سیگنال‌های نور را به سیگنال‌های الکتریکی که قابل اندازه‌گیری و پردازش هستند تبدیل می‌کنند.
مزایا معایب و کاربردهای ژیروسکوپ لیزری حلقه ای (RLG):
یکی از مزایای ژیروسکوپ‌های لیزری حلقه‌ای(RLG) توانایی آنها در ارائه اندازه گیری دقیق و درست چرخش است. وضوح و پایداری عالی دارند و برای کاربردهایی که نیاز به دقت بالایی دارند، مانند سیستم‌های ناوبری برای هواپیما و فضاپیما، مناسب هستند.
RLGها معمولا در صنایع هوانوردی، هوافضا و دفاعی، سیستم‌های ناوبری اینرسی، سیستم‌هایAHRS و.. استفاده می‌شوند. از RLGها همچنین در کاربردهای مختلف علمی و تحقیقاتی که در آن سنجش دقیق چرخش ضروری است، استفاده میشود.
در مقایسه با FOG ها، RLG ها فشرده تر و سبک تر هستند و برای کاربردهایی که فضا محدود است مناسب هستند. با این حال، RLG ها می‌توانند به دلیل پیچیدگی طراحی و فرآیند تولید، گرانتر از FOGها باشند.
هر دو FOG و RLG فن آوری‌های به خوبی تثبیت شده‌ایی هستند و بسته به نیازهای خاص یک برنامه، نقاط قوت خود را دارند.
ژیروسکوپ‌های پیزوالکتریک
ژیروسکوپ‌های پیزوالکتریک نوعی ژیروسکوپ هستند که از اثر پیزوالکتریک برای اندازه گیری سرعت زاویه‌ای یا چرخش استفاده می‌کنند. اثر پیزوالکتریک توانایی برخی مواد برای ایجاد بار الکتریکی در هنگام قرار گرفتن در معرض فشار مکانیکی، و برعکس، تغییر شکل زمانی که میدان الکتریکی به آنها اعمال میشود، می‌باشد.
در یک ژیروسکوپ پیزوالکتریک، یک جرم ارتعاشی یا تشدید کننده برای تشخیص چرخش استفاده میشود. این جرم معمولاً از یک ماده پیزوالکتریک مانند کوارتز ساخته میشود. هنگامی که ژیروسکوپ می‌چرخد، اثر کوریولیس باعث میشود که جرم نیرویی عمود بر حرکت خود را تجربه کند که منجر به تغییر شکل آن میشود.
تغییر شکل جرم پیزوالکتریک یک سیگنال الکتریکی تولید میکند که سپس اندازه گیری و تجزیه و تحلیل میشود تا سرعت چرخش تعیین شود. این امر با حس کردن تغییرات در ویژگی‌های الکتریکی، مانند ولتاژ یا فرکانس، که به واسطه اثر پیزوالکتریک ایجاد میشود، انجام میشود.
مزایا معایب و کاربردهای ژیروسکوپ پیزوالکتریک:
یکی از مزایای ژیروسکوپ‌های پیزوالکتریک اندازه کوچک و توان مصرفی کم آنهاست. آنها را می‌توان در پکیج‌های جمع‌وجور تولید کرد و برای کاربردهایی که اندازه و وزن سنسور در آنها مهم است، مانند لوازم الکترونیکی مصرفی مانند گوشی‌های هوشمند، پوشیدنی‌ها و کنترلرهای بازی، مناسب هستند.
با این حال، ژیروسکوپ‌های پیزوالکتریک معمولاً در مقایسه با انواع دیگر ژیروسکوپ‌ها، مانند ژیروسکوپ‌های فیبر نوری (FOGs) یا ژیروسکوپ‌های لیزری حلقه‌ای (RLG) درستی و پایداری کمتری دارند. آنها اغلب در مواردی استفاده می‌شوند که به میزان نسبتاً متوسطی از درستی نیاز است.
در حالی که ژیروسکوپ های پیزوالکتریک محدودیت‌های خود را دارند، پیشرفت‌های مداوم در فناوری به بهبود عملکرد آنها ادامه می‌دهد و آنها را به طور فزاینده‌ای برای طیف وسیع‌تری از کاربردها قابل دوام میکند.
ژیروسکوپ Fluid
ژیروسکوپ‌های سیال سنسورهایی هستند که از ویژگی‌های یک سیال در حال چرخش برای اندازه گیری سرعت زاویه‌ای یا چرخش استفاده می‌کنند. آنها برای کاربردهای مختلف، از جمله سیستم‌های ناوبری، هدایت هوافضا، و حتی در اسباب بازی‌هایی مانند فرفره استفاده شده‌اند.
اصل پشت ژیروسکوپ‌های سیال بر پایه حفظ تکانه زاویه‌ای است. هنگامی که یک ظرف پر از مایع حول محور خود می‌چرخد، سیال داخل آن نیز به دلیل اینرسی شروع به چرخش میکند. سیال در حال چرخش یک اثر ژیروسکوپی ایجاد میکند که در برابر تغییر جهت ژیروسکوپ مقاومت میکند.
در داخل یک ژیروسکوپ سیال، معمولاً یک جرم یا روتور در حال چرخش وجود دارد که حاوی مایع است. این روتور توسط بلبرینگ یا ابزارهای دیگری پشتیبانی میشود تا اصطکاک را کاهش دهد و چرخش صاف را فراهم کند. همانطور که ژیروسکوپ چرخش زاویه‌ای را تجربه میکند، سیال داخل در برابر هر تلاشی برای تغییر جهت خود مقاومت میکند و آن را قادر می‌سازد تا ثباتش را نسبت به یک قاب مرجع خارجی حفظ کند.
سرعت چرخش روتور را می‌توان با استفاده از روش‌های مختلف تشخیص داد. یکی از روش‌های رایج، استفاده از سنسورهای نوری یا مغناطیسی است که تغییرات در موقعیت یا سرعت جرم دوار را تشخیص می‌دهد. این تغییرات سپس به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می شوند که می‌توانند بیشتر پردازش شوند و برای تعیین سرعت زاویه‌ای یا چرخش ژیروسکوپ استفاده شوند.
مزایا معایب و کاربردهای ژیروسکوپ سیال:
ژیروسکوپ‌های سیال مزایایی نسبت به سایر انواع ژیروسکوپ دارند. آنها حتی در محیط های چالش برانگیز مانند ارتعاشات بالا یا دماهای شدید نیز می‌توانند اندازه گیری‌های قابل اعتمادی را ارائه دهند. علاوه بر این، ساخت آنها می‌تواند در مقایسه با سایر فناوری های ژیروسکوپی نسبتاً ساده و مقرون به صرفه باشد.
با این حال، ژیروسکوپ‌های سیال محدودیت‌هایی نیز دارند. آنها می‌توانند به اختلالات خارجی حساس باشند و ممکن است در طول زمان دچار رانش شوند که نیاز به کالیبراسیون دوره ای دارد. علاوه بر این، اندازه و وزن آنها می‌تواند قابل توجه باشد و استفاده از آنها را در برنامه‌های خاصی که در آنها فشرده و کوچک بودن سنسور مهم است، محدود میکند.
با وجود این محدودیت‌ها، ژیروسکوپ‌های سیال همچنان در صنایع مختلف کاربرد پیدا می کنند. آنها به ویژه در شرایطی که استحکام و سادگی سنسور مهمتر از درستی فوق العاده است (مانند برخی از سیستم‌های ناوبری صنعتی و خودرویی) مفید هستند.