«ژیروسکوپ» (Gyroscope) سنسوری است که برای اندازه‌گیری نرخ چرخش یا جهت یک جسم استفاده می‌شود. این وسیله با به‌کارگیری اصل پایستگی تکانه زاویه‌ای عمدتاً برای حفظ و تثبیت سیستم‌ها یا دستگاه‌هایی که در معرض نیروهای چرخشی یا زاویه‌ای هستند، به‌کار می‌رود. ژیروسکوپ‌ها معمولاً در صنایع هوافضا، دریایی، نظامی، خودروسازی و حتی در دستگاه‌های الکترونیکی مانند تلفن‌های همراه و دستگاه‌های ناوبری GPS مورد استفاده قرار می‌گیرند.
تاریخچه ژیروسکوپ
ژیروسکوپ اولین‌بار در سال ۱۸۱۷ توسط یک فیزیک‌دان آلمانی به‌نام «یوهان بوننبرگر» (Johann Bohnenberger) اختراع شد، وسیله‌ای ساده شامل یک دیسک چرخان آویزان شده توسط یک گیمبال که بوننبرگر آن را «ماشین» نامید و از آن برای نشان‌دادن چرخش زمین استفاده کرد.
در سال ۱۹۵۲، «ژان برنارد لئون فوکو» (Jean-Bernard-Léon Foucault) فیزیک‌دان فرانسوی نوع جدیدی از ژیروسکوپ را ابداع کرد و آن را «ژیروسکوپ فوکو» نامید. ژیروسکوپ فوکو دقیق‌تر از ژیروسکوپ بوننبرگ بود و برای انجام نخستین اندازه‌گیری‌های دقیق چرخش زمین مورداستفاده قرار گرفت.
در اواخر قرن نوزدهم، استفاده از ژیروسکوپ‌ها در کاربردهای گوناگونی همچون ناوبری، تثبیت و هدایت آغاز شد. در سال ۱۸۸۵، مخترع آلمانی «هرمان آنشوتس-کمپفه» (Hermann Anschütz-Kaempfe)، اولین قطب‌نمای ژیروسکوپی کاربردی را اختراع کرد. قطب‌نماهای ژیروسکوپی در کشتی‌ها و هواپیماها جهت حفظ مسیر حرکت استفاده می‌شوند.
همچنین، ژیروسکوپ‌ها در هواگردها و فضاپیماهای اولیه برای کمک به تثبیت و کنترل جهت به کار می‌رفتند. در سال ۱۹۱۰، مخترع آمریکایی «المر اسپری» (Elmer Sperry) نخستین ژیروسکوپ هواگرد را که از آن برای تثبیت هواپیماها در هنگام پرواز استفاده می‌شد، اختراع کرد.
اجزای ژیروسکوپ
اجزای اصلی ژیروسکوپ عبارت اند از:
- محور چرخش: محوری است که دیسک به‌دور آن می‌چرخد. محور چرخش توسط محور چرخ دوار که همان روتور است تعیین می‌شود. محور گیمبال داخلی که روتور باید دائماً به‌دور آن بچرخد، عمود بر این محور است.
- گیمبال: گیمبال تکیه‌گاهی است که قابلیت چرخش دارد و امکان چرخش بخش موردنظر حول یک محور را فراهم می‌کند. بخشی که روی داخلی‌ترین گیمبال از سه گیمبال قرار گرفته است، می‌تواند با نصب‌شدن روی بیرونی‌ترین گیمبال از سه گیمبال که دارای محورهای چرخش متعامد هستند، استقلال خود را از چرخش تکیه‌گاهش حفظ کند.
- روتور: هسته روتور از طریق استفاده از یاتاقان‌های بدون اصطکاک موجود در گیمبال‌ها، از گشتاورهای خارجی حفظ می‌شود. محور چرخ دوار، محور چرخش را مشخص می‌کند. روتور به دلیل توانایی در حفظ محور چرخش پرسرعت نزدیک مرکز روتور، پایداری بسیار خوبی در سرعت‌های بالا از خود نشان می‌دهد. روتور دارای سه درجه آزادی چرخشی است.
- قاب ژیروسکوپ: بیرونی‌ترین گیمبال در ژیروسکوپ است و به‌گونه‌ای قرار می‌گیرد که می‌تواند حول محوری در صفحه خود که توسط تکیه‌گاه تعیین می‌شود بچرخد.
طرز کار ژیروسکوپ
روتور بزرگی که روی حلقه‌های تکیه‌گاه یعنی گیمبال‌ها قرار می‌گیرد، ساختار اصلی یک ژیروسکوپ است. به دلیل وجود یاتاقان‌های بدون اصطکاک در گیمبال‌ها، مرکز روتور در برابر گشتاورهای خارجی محافظت می‌شود. محور چرخ دوار، محور چرخش را مشخص می‌کند. هنگامی که روتور حول یک محور می‌چرخد، سه درجه آزادی چرخشی دارد. روتور پس از به‌دست‌آوردن تعادل فوق‌العاده پایدار در سرعت‌های بالا، محور چرخش پرسرعت هسته‌اش را حفظ می‌کند.
پدیده تقدم در ژیروسکوپ
- زمانی که ژیروسکوپ تحت‌تأثیر نیروهای خارجی یا چرخش حول یک محور خاص قرار می‌گیرد، از تقدم (حرکت تقدیمی) برای تعیین جهت‌گیری استفاده می‌شود.
- تقدم زمانی رخ می‌دهد که بخش در حال چرخش روی یک محور، گشتاور خارجی عمود بر محور چرخشی را تجربه کند.
- گشتاور اعمال‌شده در جهت مخالف با استفاده از یک موتور یا ماشین دیگر، می‌تواند حرکت تقدیمی را متوقف و جهت را حفظ کند.
- دو ژیروسکوپ که عمود بر یکدیگر قرار گرفته‌اند نیز می‌توانند مانع حرکت تقدیمی شوند.
- برای محاسبه نرخ چرخش می‌توان از ضربه گشتاور مخالف در فواصل منظم استفاده کرد.
انواع ژیروسکوپ
- ژیروسکوپ مکانیکی
- ژیروسکوپ اپتیکی یا نوری
- ژیروسکوپ گازسوز
ژیروسکوپ مکانیکی
ژیروسکوپ مکانیکی
ژیروسکوپ مکانیکی بر اساس پایستگی تکانه زاویه‌ای عمل می‌کند و ازجمله شناخته‌شده‌ترین ژیروسکوپ‌ها محسوب می‌شود. وجود بلبرینگ برای چرخش ژیروسکوپ مکانیکی ضروری است. ژیروسکوپ‌های مدرن به دلیل داشتن نویز کمتر جایگزین ژیروسکوپ‌های قدیمی شده‌اند. این نوع ژیروسکوپ‌ها برای هدایت موشک و ناوبری هواگردهای بزرگ استفاده می‌شوند.
ژیروسکوپ اپتیکی یا نوری
این ژیروسکوپ‌ها متکی بر چرخ گردان یا بلبرینگ بوده و مبتنی بر پایستگی تکانه زاویه‌ای نیستند. در ژیروسکوپ‌های اپتیکی، از دو سیم‌پیچ فیبر نوری که در جهات مختلف چرخانده شده‌اند، استفاده می‌شود. این نوع ژیروسکوپ‌ها به دلیل بی‌حرکت بودن، در موشک‌ها و فضاپیماهای کنونی به کار می‌روند و تصور می‌شود محکم و بادوام باشند.
ژیروسکوپ یاتاقان گازی
با معلق کردن روتور به کمک گاز تحت‌فشار، سطح اصطکاک بین دو قطعه متحرک ژیروسکوپ گازسوز کاهش می‌یابد. هنگام ساخت تلسکوپ هابل، ناسا از یک ژیروسکوپ گازسوز استفاده کرد. ژیروسکوپ‌های گازسوز نسبت به انواع دیگر ژیروسکوپ‌ها دقیق‌تر و بی‌صداتر هستند.
اصول کار سنسور ژیروسکوپ
نیروی کوریولیس یا «اثر کوریولیس» (Coriolis effect) در اندازه‌گیری تکانه زاویه‌ای به کار می‌رود و سنسور ژیروسکوپ نیز بر اساس اصل پایستگی تکانه زاویه‌ای عمل می‌کند. در یک سنسور ژیروسکوپ، روتور یا چرخ دوار بر یک لولا سوار شده است. این لولا، چرخش روتور بر یک محور خاص که گیمبال نامیده می‌شود را امکان‌پذیر می‌کند. در اینجا از دو گیمبال که یکی از آن‌ها روی دیگری سوار شده است، استفاده می‌کنیم. ازاین‌رو، روتور سه درجه آزادی خواهد داشت. هرگاه روتور ژیروسکوپ را بچرخانیم، ژیروسکوپ همچنان به یک‌جهت اشاره می‌کند. در ادامه، عملکرد سنسور ژیروسکوپ ارتعاشی را توضیح خواهیم داد.
انواع سنسور ژیروسکوپ
سنسورهای ژیروسکوپ از نظر اندازه و کارایی انواع مختلفی دارند:
سنسور ژیروسکوپ لیزری حلقه‌ای
ژیروسکوپ لیزری حلقه‌ای اساساً یک لیزر حلقه‌ای دارد. این لیزر حلقه‌ای دارای دو حالت تشدیدکننده انتشار متضاد در یک مسیر است که مستقل از یکدیگرند. از اختلاف فرکانس این دو حالت تشدیدکننده می‌توان برای تشخیص چرخش اجسام استفاده کرد.
سنسور ژیروسکوپ فیبر نوری
این نوع ژیروسکوپ از «اثر سایناک» (Sagnac effect) پیروی می‌کند و بر اساس اصل تداخل نور که از سیم‌پیچ‌های فیبر نوری می‌گذرد کار می‌کند. با تزریق دو پرتو نور از دو جهت مخالف به فیبر نوری، می‌توان تغییر فاز را از طریق تداخل‌سنجی اندازه‌گیری کرد.
سنسور ژیروسکوپ کوانتومی
ژیروسکوپ کوانتومی که به‌عنوان ژیروسکوپ ابرسیال نیز شناخته می‌شود، به‌تدریج جایگزین ژیروسکوپ‌های مکانیکی خواهد شد. در این نوع ژیروسکوپ، از مواد سیال برای تشخیص تغییر جهت اجسام متحرک مختلف استفاده می‌شود.
سنسور ژیروسکوپ ارتعاشی
ژیروسکوپ ارتعاشی پرکاربردترین سنسور ژیروسکوپ محسوب می‌شود و استفاده از آن بسیار آسان است. در این نوع ژیروسکوپ می‌توان از ساختار مرتعش برای تشخیص نرخ چرخش اجسام متحرک استفاده کرد. ژیروسکوپ ارتعاشی دارای ویژگی‌های مهم و گوناگونی مانند ضریب دما-فرکانس، ضریب مقیاس و بسیاری موارد دیگر است.
در سنسور ژیروسکوپ ارتعاشی، یک بازوی محرک وجود دارد که در جهت خاصی می‌چرخد. بازوهای محرک به بازوهای حسگر متصل هستند. هنگامی که سنسور ژیروسکوپ ارتعاشی می‌چرخد، اثر کوریولیس یا نیروی کوریولیس روی بازوهای محرک اثر می‌گذارد. ارتعاش بازوهای محرک باعث حرکت در جفت بازوی حسگر ژیروسکوپ می‌شود که پتانسیلی متفاوت از سرعت زاویه‌ای حس‌شده توسط دستگاه ایجاد خواهد کرد. پس از آن، می‌توانیم سرعت زاویه‌ای را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کنیم.
سنسور ژیروسکوپ ممز MEMS
MEMS مخفف عبارت Micro-Electro-Mechanical-Systems می‌باشد. ژیروسکوپ‌های MEMS سایز بسیار کوچکی از سنسورهای ژیروسکوپی هستند که در دستگاه‌های الکترونیکی، کاربرد گسترده‌ای دارند. این ژیروسکوپ‌ها دارای یک المنت متحرک برای تعیین Angular velocity (سرعت زاویه‌ای) یک جسم در حال چرخش، می‌باشد.
ژیروسکوپ‌های MEMS در مقایسه با ژیروسکوپ‌های مکانیکی، اجسام در حال حرکت را تثبیت نمی‌کنند. سنسورهای ژیروسکوپ‌های MEMS سرعت زاویه‌ای را در هر سه جهت محاسبه می‌کنند.
این سنسورها فقط در محاسبه تعداد کمی از چرخش‌ها مانند چرخش انحرافی، در یک جسم آزادانه در حال حرکت کاربرد دارند.
ژیروسکوپ‌های MEMS به همراه سایر سنسورها (GPS، سنسور فشار و شتاب‌سنج) در تعیین موقعیت و جهت‌یابی اجسام کاربرد دارند.
ژیروسکوپ ممز به‌کاررفته در قطب‌نمای گردش‌سنج
یکی دیگر از کاربردهای این ژیروسکوپ در مشخص‌کردن جهت‌یابی محصول است. ژیروسکوپ‌های MEMS برای تعیین جهت‌یابی اجسام در فضای باز استفاده می‌شوند. به‌عنوان‌مثال، سنسورهای ژیروسکوپ در موارد زیر کاربرد دارند:
- کوادکوپتر یا کوادروتور (یکی از انواع پهپاد)، هواپیماها
- گوشی‌های هوشمند
- واقعیت مجازی (VR)
- گوشی‌های هوشمند
ژیروسکوپ‌های MEMS در گوشی‌های هوشمند برای موارد زیر استفاده می‌شوند:
- چرخش صفحه گوشی (زمان‌هایی که ما گوشی را می‌چرخانیم و می‌خواهیم ویدئو یا عکس روی صفحه گوشی هم بچرخد): این ویژگی از طریق سنسور ژیروسکوپ موبایل فراهم می‌شود و این سنسور، اطلاعات ورودی را برای چرخاندن گوشی به پروسسور دستگاه منتقل می‌کند. بدون این سنسور، ما نمی‌توانیم صفحه اسکرین گوشی خود را بچرخانیم.
- در گوشی های هوشمند، GPS به همراه یک ژیروسکوپ و فشارسنج برای جهت‌یابی و تعیین موقعیت استفاده می‌شود.
- در این دستگاه ها، پلتفرم Google Fit (گوگل فیت) از یک فشارسنج به همراه یک ژیروسکوپ برای پیگیری فعالیت‌های کاربر استفاده می‌کند.
مزایای ژیروسکوپ‌های ممز
✅ اندازه: ژیروسکوپ‌های ممز به‌طور قابل‌توجهی کوچک‌تر و سبک‌تر از همتای مکانیکی‌شان هستند. به‌همین دلیل، در کاربردهایی که محدودیت‌های اندازه و وزن حائز اهمیت است، ایده‌آل‌اند.
✅ هزینه: این نوع ژیروسکوپ‌ها به‌دلیل فرایند میکروساختشان، تولید مقرون‌به‌صرفه‌تری نسبت به ژیروسکوپ‌های متداول دارند. این ویژگی سبب شده است که در طیف وسیع‌تری از صنایع و کاربردها دردسترس باشند.
✅ مصرف برق: مصرف برق ژیروسکوپ‌های ممز کمتر از ژیروسکوپ‌های مکانیکی است؛ ویژگی‌ای که برای دستگاه‌های باتری‌خور و سیستم‌های کم‌مصرف بسیار حائز اهمیت است.
✅ قابلیت اطمینان: ساختار حالت جامد ژیروسکوپ‌های ممز، قابلیت اطمینان بالاتر و طول عمر عملیاتی بیشتری را نسبت به ژیروسکوپ‌های مکانیکی که مستعد فرسودگی هستند ارائه می‌دهد.
ژیروسکوپ G4300
کاربردهای ژیروسکوپ ممز
ژیروسکوپ‌های ممز کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارند که در ادامه به برخی از آن‌ها اشاره شده است:
- لوازم الکترونیکی مصرفی: ژیروسکوپ‌های ممز به‌طور گسترده‌ای در گوشی‌های هوشمند، تبلت‌ها و کنسول‌های بازی برای تشخیص جهت دستگاه به‌کار می‌روند و امکان چرخش صفحه نمایش و بازی‌های مبتنی بر حرکت را فراهم می‌کنند. همچنین به تثبیت تصویر در دوربین‌های عکاسی و فیلمبرداری کمک کرده و کیفیت عکس‌ها و ویدئوها را بهبود می‌بخشند.
- صنعت خودروسازی: این ژیروسکوپ‌ها در بخش خودروسازی نقش مهمی در سیستم‌های ایمنی خودرو مانند کنترل پایداری الکترونیکی و سیستم‌های ترمز ضدقفل ایفا می‌کنند. این سیستم‌ها به اندازه‌گیری دقیق دینامیک خودرو برای حفظ پایداری و جلوگیری از تصادفات متکی هستند.
- هوافضا و دفاع: در صنایع هوافضا و دفاع، استفاده از ژیروسکوپ‌های ممزی که دقت بالایی دارند، ضروری است. آن‌ها در سیستم‌های ناوبری و هدایت در هواپیماها، ماهواره‌ها و هواپیماهای بدون سرنشین مورد استفاده قرار می‌گیرند و با ارائه اطلاعات دقیق و قابل‌اعتماد درمورد جهت شئ، امکان مانورپذیری و کنترل دقیق را فراهم می‌کنند.
- اتوماسیون صنعتی: ژیروسکوپ‌های ممز در کاربردهای صنعتی مختلفی ازجمله رباتیک و سیستم‌های اتوماسیون که به حفظ پایداری و اطمینان از موقعیت‌یابی دقیق کمک می‌کنند استفاده می‌شوند. همچنین در تجهیزات نقشه‌برداری و ماشین‌آلات سنگین برای نظارت و کنترل حرکت و جهت مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- مراقبت بهداشتی و تجهیزات پزشکی: این ژیروسکوپ‌ها در بخش مراقبت بهداشتی، در تجهیزات پزشکی مانند سیستم‌های ناوبری جراحی و تجهیزات توان‌بخشی کاربرد دارند. آن‌ها به ردیابی و نظارت بر حرکت بیمار کمک کرده و تشخیص و درمان دقیق‌تری را ممکن می‌سازند.
- سنسور MEMS استفاده شده در گوشی های هوشمند:
این روزها سنسورهای ژیروسکوپ بخشی ضروری از گوشی‌های هوشمند به‌حساب می‌آیند. تمام بازی‌هایی که با استفاده از حواس حرکتی انجام می‌دهیم به کمک سنسور ژیروسکوپ امکان‌پذیرند. یکی از بهترین نمونه‌هایی که می‌توان نام برد، بازی بسیار محبوب Pokemon Go است که کاملاً بر اساس اصول سنسورهای ژیروسکوپی ساخته شده است. همچنین برای مشاهده ویدئوهای ۳۶۰ درجه در تلفن همراه نیز به ژیروسکوپ نیاز داریم.
ژیروسکوپ یک رابط کاربری گرافیکی تعاملی ارائه می‌دهد که با استفاده از آن کاربران قادر خواهند بود گزینه‌ها و منوها را به‌سادگی با چرخاندن گوشی خود انتخاب کنند. علاوه بر این، از ژیروسکوپ موجود در موبایل می‌توان برای تثبیت تصویر و ناوبری اینرسی GPS استفاده کرد.
برنامه هایی که از سنسور ژیروسکوپ استفاده می کنند.
برنامه‌های سنسور ژیروسکوپ در گوشی‌های هوشمندی استفاده می‌شوند که سنسور ژیروسکوپ داخلی ندارند. با استفاده از این برنامه‌ها، تلفن همراه به طور خودکار قادر به تشخیص انواع مختلف حرکت خواهد بود و بر اساس آن، اقدامات لازم را انجام خواهد داد. تعدادی از برنامه‌های سنسور ژیروسکوپ در ذیل آورده شده است.
برنامه‌های اندروید: AndroSensor، Wifi Analyzer، Metal Sniffer و Clinometer.
برنامه‌های آیفون: iBeer، Sleep Time و Views.
کاربردهای سنسور ژیروسکوپ
برخی از مهم‌ترین کاربردهای سنسور ژیروسکوپ به شرح زیر است:
- سنجش سرعت زاویه‌ای: می‌توان از سنسور ژیروسکوپ برای تشخیص نرخ تغییر حرکت زاویه‌ای در اجسام متحرک (مانند تشخیص حرکات ورزشی) استفاده کرد.
- سنجش زوایا: تشخیص زوایا به کمک سنسور ژیروسکوپ، در مسیریابی‌های اتومبیل و کنترلرهای بازی مورداستفاده قرار می‌گیرد.
- سنجش مکانیسم کنترل: تشخیص لرزش ناشی از عوامل خارجی مختلف، از دیگر کاربردهای سنسور ژیروسکوپ است که برای کنترل لرزش دوربین و کنترل وسیله نقلیه استفاده می‌شود.
- قطب‌نماهای ناوبری: قطب‌نماهای ژیروسکوپ مکانیکی در کشتی‌های بزرگی کاربرد دارند که موقعیت شمال را تعیین می‌کنند. این ژیروسکوپ‌ها جهت شمال را با درنظرگرفتن محور گردش زمین مشخص می‌کنند و مواد فرومغناطیسی روی عملکرد آن‌ها تأثیری ندارد؛ بنابراین، قطب‌نماهای ژیروسکوپی دقیق‌تر و معتبرتر از قطب‌نماهای مغناطیسی هستند.
- کمک به ثبات: ژیروسکوپ‌های مکانیکی می‌توانند به ثبات اجسام بزرگ متحرک مورداستفاده در نیروهای ژیروسکوپی کمک کنند. برای مثال، ژیروسکوپ‌ها در موارد زیر برای کمک به ثبات کاربرد دارند:
- تکان‌های هواپیماها
- دوچرخه‌های خودران یا اتوماتیک
- ساختمان‌های بزرگ
- هاوربرد یا اسکوتر برقی
- کمک به تعادل کشتی‌های بزرگ حین طوفان
ژیروسکوپ برای چه مواردی استفاده می‌شود؟
ژیروسکوپ معمولاً برای اندازه‌گیری جهت اجسام استفاده می‌شود. می‌توان از آن برای اندازه‌گیری حرکت زاویه‌ای اجسام متحرک نیز استفاده کرد.
ژیروسکوپ چه چیزی را اندازه‌گیری می‌کند؟
ژیروسکوپ به‌طورکلی نرخ تغییر حرکت زاویه‌ای یا جهت اجسام و تغییر زوایای اجسام متحرک را اندازه‌گیری می‌کند.
آیا ژیروسکوپ می‌تواند برق تولید کند؟
بله. ژیروسکوپ می‌تواند انرژی مکانیکی روتور را به انرژی الکتریکی تبدیل کند.
ژیروسکوپ‌ها چگونه تثبیت می‌شوند؟
ژیروسکوپ‌ها با استفاده از اصل تکانه زاویه‌ای تثبیت می‌شوند. درواقع، برای بازگرداندن ژیروسکوپ متحرک به حالت سکون از یک نیروی مقاومتی استفاده می‌شود.
چه چیزی باعث چرخش ژیروسکوپ می‌شود؟
در غیاب گشتاورهای خارجی، ژیروسکوپ تکانه زاویه‌ای خود را حفظ می‌کند. اعمال گشتاور خارجی در همان جهت یا در جهت مخالف تکانه زاویه‌ای باعث می‌شود ژیروسکوپ سرعت خود را افزایش یا کاهش دهد.
اثر ژیروسکوپی چیست؟
اثر ژیروسکوپی، توانایی (تمایل) جسم دوار برای حفظ جهت ثابت محور چرخش خود است. ژیروسکوپ‌ها در سرعت بالا نسبت به محور تقارن در حال چرخش هستند.
آیا ژیروسکوپ تحت‌تأثیر گرانش است؟
ژیروسکوپ‌ها به دلیل داشتن جرم، تحت‌تأثیر گرانش قرار می‌گیرند؛ اما هرچه سریع‌تر بچرخند، جاذبه تأثیر کمتری روی آن‌ها خواهد داشت.
ژیروسکوپ‌ها چه کاربردی دارند؟
ژیروسکوپ‌ها در قطب‌نماها و خلبانان اتوماتیک در کشتی‌ها و هواگردها، در مکانیسم‌های هدایت اژدرها و در سیستم‌های هدایت اینرسی نصب‌شده در پرتابگرهای فضایی، موشک‌های بالستیک و ماهواره‌های در حال چرخش استفاده می‌شوند.
منابع:
