ژیروسکوپ (Gyroscope)، در فیزیک (Physics)
انواع حسگرها (Sensor) را در آموزش زیر شرح دادیم :
ژیروسکوپ (Gyroscope) :
ژیروسکوپ وسیله ای است که سرعت زاویه ای (نرخ چرخش) یک جسم را حول یک یا چند محور اندازه گیری می کند. برخلاف شتاب سنج که حرکت خطی را اندازه می گیرد، ژیروسکوپ حرکت دورانی را حس می کند. این سنسورها در سیستم های ناوبری، کنترل پایداری، رباتیک، و لوازم الکترونیکی مصرفی (مانند تلفن های هوشمند برای چرخش صفحه و بازی ها) کاربرد گسترده ای دارند. واحد اندازه گیری سرعت زاویه ای معمولا درجه بر ثانیه (
\[ ^\circ/s \]) یا رادیان بر ثانیه (
\[ rad/s \]) است.
انواع مختلفی از ژیروسکوپ ها بر اساس اصول فیزیکی متفاوت وجود دارد:
ژیروسکوپ مکانیکی (چرخ طیار): نوع کلاسیک که از یک چرخ در حال چرخش با سرعت بالا استفاده می کند. بر اساس قانون بقای تکانه زاویه ای، این چرخ تمایل دارد محور چرخش خود را حفظ کند. با چرخش پایه، گشتاورهایی ایجاد می شود که می توان آنها را اندازه گیری کرد. این نوع بسیار دقیق اما حجیم، گران و دارای قطعات متحرک است و امروزه کمتر استفاده می شود.
ژیروسکوپ نوری (فیبر نوری و حلقه لیزری): بر اساس اثر ساگناک (Sagnac effect) کار می کنند. در این اثر، دو پرتو نور در خلاف جهت هم در یک مسیر دایره ای (حلقه) حرکت می کنند. وقتی حلقه می چرخد، مسیر نوری مؤثر برای دو پرتو متفاوت می شود و اختلاف فازی بین آنها ایجاد می گردد که متناسب با سرعت چرخش است. این نوع بسیار دقیق، بدون قطعه متحرک و با قابلیت اطمینان بالا است، اما نسبتا گران و بزرگ است. در هواپیماها، موشک ها و کشتی ها استفاده می شود.
ژیروسکوپ ارتعاشی (MEMS): رایج ترین نوع در وسایل الکترونیکی. بر اساس اثر کوریولیس کار می کند. یک جرم (proof mass) به نوسان در یک راستا (راستای محرک) واداشته می شود. وقتی سنسور حول محور عمود بر راستای نوسان می چرخد، نیروی کوریولیس (
\[ F_c = -2m \vec{\Omega} \times \vec{v} \]) جرم را در راستای سوم (راستای حس) منحرف می کند. این انحراف متناسب با سرعت زاویه ای (
\[ \Omega \]) است و با روش های خازنی اندازه گیری می شود.
\[ \vec{F}_c = -2m (\vec{\Omega} \times \vec{v}) \]ژیروسکوپ های MEMS کوچک، کم مصرف و ارزان هستند، اما دقت و پایداری آنها در طولانی مدت کمتر از انواع نوری است. آنها معمولا دارای نویز و رانش (drift) هستند و برای جبران این خطاها، در سیستم های ناوبری اینرسی (INS) با شتاب سنج و گاهی مغناطیس سنج ترکیب می شوند (فیوژن سنسور).
کاربردها: تلفن های هوشمند (تشخیص چرخش صفحه، بازی های واقعیت مجازی)، پهپادها و کوادکوپترها (تثبیت پرواز و ناوبری)، خودروها (کنترل پایداری الکترونیکی - ESP، تشخیص واژگونی)، رباتیک (کنترل تعادل)، ناوبری اینرسی (کشتی ها، زیردریایی ها، موشک ها)، و تثبیت کننده های تصویر (دوربین های حرفه ای، گیمبال).
