سنسور ژیروسکوپ چیست؟ کاربرد و انواع ژیروسکوپ

سیستم های ریز الکترومکانیکی (معروف به MEMS) فناوری دستگاه های الکترومکانیکی و مکانیکی بسیار کوچک هستند. پیشرفت در فناوری MEMS به ما در تولید محصولاتی همه کاره کمک کرده است. اکنون بسیاری از دستگاه های مکانیکی مانند شتاب سنج ، ژیروسکوپ و … با فناوری MEMS ساخته میشوند. این سنسورها مشابه IC های دیگر بسته بندی میشوند. شتاب سنج ها و ژیروسکوپ ها عملکردی مفید و مشابه دارند و اغلب با هم استفاده میشوند. شتاب سنج شتاب خطی یا حرکت جهت یک شی را اندازه گیری می کند ، در حالی که سنسور ژیروسکوپ سرعت زاویه ای یا شیب یا جهت گیری جانبی جسم را اندازه گیری می کند. سنسورهای ژیروسکوپ برای چندین محور نیز موجود است.

پیشنهاد میکنم ابتدا مقاله MEMS چیست را بخوانید زیرا به شما در درک محتویات این صفحه کمک بسیاری میکند.

سنسور ژیروسکوپ چیست؟

سنسور ژیروسکوپ وسیله ای است که می تواند جهت گیری و سرعت زاویه ای یک جسم را اندازه گیری کند. ژیروسکوپ ها پیشرفته تر از شتاب سنج ها هستند و می توانند شیب و جهت گیری جسم را اندازه بگیرند در حالی که شتاب سنج فقط می تواند حرکت خطی را اندازه گیری کند. سنسورهای ژیروسکوپ را سنسور Angular Rate Sensor یا Angular Velocity نیز می نامند. این حسگر ها در پروژه هایی استفاده می شوند که جهت گیری جسم توسط انسان دشوار است. اندازه گیری بر حسب درجه در ثانیه ، سرعت زاویه ای تغییر زاویه چرخش جسم در واحد زمان است.

نحوه کار سنسور ژیروسکوپ

حسگرهای ژیروسکوپ علاوه بر حس سرعت زاویه ای ، می توانند حرکت جسم را نیز اندازه گیری کنند. برای سنجش حرکات به صورت دقیق، اغلب سنسور های ژیروسکوپ با شتاب سنج ها ترکیب میشوند.

بسته به جهت سه نوع اندازه گیری سرعت زاویه ای وجود دارد.

• Yaw– چرخش افقی روی یک سطح صاف وقتی جسم از بالا دیده می شود.
• Pitch– چرخش عمودی همانطور که جسم از جلو دیده می شود.
• Roll– چرخش افقی وقتی جسم از جلو دیده می شود.

مفهوم نیروی کوریولیس در سنسور های ژیروسکوپ استفاده می شود. در این سنسور ها برای اندازه گیری سرعت زاویه ای ، سرعت چرخش سنسور به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. با مشاهده ارتعاش سنسور ژیروسکوپ می توان اصل کار سنسور ژیروسکوپ را درک کرد. این سنسور از یک عنصر ارتعاشی داخلی تشکیل شده است که از مواد بلوری به شکل دو T ساخته شده است. این سازه شامل یک قسمت ثابت در مرکز با ‘Sensing Arm’ متصل به آن و ‘Drive Arm’ در هر دو طرف است.

این ساختار دوتایی متقارن است. وقتی یک میدان الکتریکی با ارتعاش متناوب به بازوهای محرک اعمال شود ، ارتعاشات جانبی به طور مداوم تولید می شود. از آنجا که بازوهای Drive متقارن هستند ، وقتی یک بازو به سمت چپ حرکت می کند ، بازوی دیگر به سمت راست حرکت می کند ، بنابراین لرزش های نشتی را خنثی می کند. این قسمت ثابت را در مرکز نگه می دارد و بازوی سنجش ثابت است.

هنگامی که نیروی چرخشی خارجی به سنسور وارد می شود ، ارتعاشات عمودی بر روی بازوهای Drive ایجاد می شود. این امر منجر به لرزش بازوهای Drive در جهت بالا و پایین می شود که در نتیجه آن یک نیروی چرخشی بر روی قسمت ثابت در مرکز اثر می گذارد.

چرخش قسمت ثابت منجر به ارتعاشات عمودی بازوهای حسگر می شود. این ارتعاشات ایجاد شده در بازوی حسگر به عنوان تغییر در بار الکتریکی اندازه گیری می شود. این تغییر برای اندازه گیری نیروی چرخشی خارجی اعمال شده به سنسور به عنوان چرخش زاویه ای استفاده می شود.

انواع ژیروسکوپ

با پیشرفت تکنولوژی دستگاه های بسیار دقیق ، قابل اعتماد و مینیاتوری در حال تولید هستند. اندازه گیری دقیق تر جهت و حرکت در یک فضای سه بعدی با ادغام سنسور ژیروسکوپ امکان پذیر شد. ژیروسکوپ ها نیز در اندازه های مختلف با عملکرد متفاوت در دسترس هستند.

حسگرهای ژیروسکوپ بر اساس اندازه هایشان به کوچک و بزرگ تقسیم می شوند. از بزرگ به کوچک سنسور های ژیروسکوپ را میتوان ژیروسکوپ لیزری Ring ، ژیروسکوپ فیبر نوری ، ژیروسکوپ Fluid و ژیروسکوپ ارتعاشی نام برد.

کوچک بودن و استفاده راحت تر، ژیروسکوپ ارتعاشی را از محبوبیت بیشتری برخوردار کرده است. دقت ژیروسکوپ ارتعاشی به مواد عنصر ساکن مورد استفاده در سنسور و تفاوت های ساختاری بستگی دارد. بنابراین ، تولید کنندگان از مواد و ساختارهای مختلفی برای افزایش دقت ژیروسکوپ ارتعاشی استفاده می کنند.

سنسور ژیروسکوپ در موبایل

امروزه برای ایجاد یک تجربه کاربری خوب ، تلفن های هوشمند با انواع مختلف سنسور ها ساخته میشوند. استیو جابز اولین کسی بود که از فناوری ژیروسکوپ در لوازم الکترونیکی استفاده کرد. Apple iPhone اولین گوشی هوشمند دارای فناوری حسگر ژیروسکوپ بود. با کمک ژیروسکوپ در تلفن هوشمند می توان حرکات را با تلفن های خود تشخیص داد. تلفن های هوشمند معمولاً دارای نسخه الکترونیکی حسگر ژیروسکوپ ارتعاشی هستند.

برنامه موبایل حسگر ژیروسکوپ

برنامه Gyroscope Sensor به تشخیص شیب و جهت تلفن همراه کمک می کند. برنامه Gyroscope Sensor برای تلفن های هوشمند قدیمی که سنسور ژیروسکوپ ندارند مفید است. برنامه ای مانند GyroEmu و ماژول Xposed از شتاب سنج و مغناطیس سنج موجود در تلفن برای شبیه سازی سنسور ژیروسکوپ استفاده می کند. سنسور ژیروسکوپ بیشتر در گوشی های هوشمند برای انجام بازی ها استفاده می شود.

کاربرد ژیروسکوپ

سنسورهای ژیروسکوپ برای کربرد های زیادی استفاده می شود. ژیروسکوپ لیزر حلقه ای در شاتل های Aircraft و Source استفاده می شود و ژیروسکوپ فیبر نوری در اتومبیل های مسابقه ای و قایق های موتوری استفاده می شود.

سنسور های ژیروسکوپ ارتعاشی در سیستم های ناوبری اتومبیل ، سیستم های کنترل پایداری الکترونیکی وسایل نقلیه ، حسگر حرکت برای بازی های موبایل ، سیستم های تشخیص لرزش دوربین در دوربین های دیجیتال ، هلیکوپترهای رادیو کنترل ، سیستم های رباتیک و … استفاده می شوند.

با استفاده از سیستم تثبیت کننده تصویر مبتنی بر سنسور ژیروسکوپ ، تاری تصویر در دوربین ها قابل جبران است.

با درک رفتار و ویژگی های سنسور ژیروسکوپ، توسعه دهندگان در حال طراحی بسیاری از محصولات کارآمد و کم هزینه مانند کنترل جهت صندلی چرخدار ، سیستمی برای کنترل دستگاه های خارجی با استفاده از دستورات اشاره و … هستند.

برخی از سنسورهای ژیروسکوپ موجود در بازار MAX21000 ، MAX21001 ، MAX21003 ، MAX21100 هستند.