Giroskopski senzorji

Kot na mnogo podrocjih je tudi na razvoj giroskopskih senzorjev mocno vplivala vojaška industrija. Z razvojem letal, ladji, podmornic, iztrelkov in nenazadnje vesoljske tehnologije se je pojavila potreba po senzorju, ki bi kazal odklon od nekega referencnega položaja.
Že leta 1852 je g. Foucault podal definicijo giroskopa. Giroskop je naprava, ki ohranja svojo orientacijo v prostoru s pomocjo vrtece mase. Definicija nam razkriva osnovni princip senzorja in je bistvena za razumevanje njegovega delovanja. Na sliki 2.1 vidimo osnovno konfiguracijo mehanskega giroskopa.

Slika 2.1: Giroskop

Tak giroskop je že zelo zastarel in se ga danes v taki izvedbi le še redko uporablja. Z razvojem tehnologije, predvsem lasersko-opticne in mikroelektronske, so nastali senzoji, ki za svoje delovanje izrabljajo povsem drugacne fizikalne pojave kot klasicni giroskopi. Kljub temu pa vsi ti senzorji služijo istemu namenu in zato upraviceno nosijo isto ime. V nadaljevanju bodo opisani principi in delovanje tako klasicnega kot nekaterih sodobnejših giroskopov. Na zacetku bo obravnavan klasicni giroskop, sledila pa mu bosta še:
• Mikro Elektro-mehanski in
• Opticni giroskop

3 Klasicni giroskop

Prve prakticno uporabne izvedbe giroskopov so se pojavile s koncem devetnajstega stoletja. Njihov princip delovanja je temeljil na vrtecem se rotorju (giroskopski element) . Pridevnik klasicni so dobil monogo kasneje v casu ko so se zaceli pojavljati giroskopi, katerih delovanje je temeljilo na povsem drugacih fizikalnih nacelih.

3.1 Fizikalno ozadje [6]

Da bi lažje razumeli delovanje klasicnega giroskopa si najprej oglejmo fizikalno ozadje teh naprav. Zacnimo kar pri vsem dobro poznanem drugem Newton-vem zakonu.

?F = ma (1)

Ta pravi, da je vsota vseh sil, ki delujejo na masni delec enaka produktu mase in pospeška tega delca. Enacbo (1) lahko zapišemo tudi drugace.
?F = mv' (2)

Kjer je v hitrost , v' sprememba hitorosti po casu (dv/dt) in mv' sprememba tako imenovanega linearnega momenta. Ce sedaj izberemo koordinatno izhodišce O in vektor r, ki kaže pozicijo masnega delca v prostoru, lahko obe strani enacbi (2) vektorsko pomnožimo s tem vektrojem. Tako dobimo enacbo (3).
r x ?F = r x mv' (3)

V enacbi (3) izraz r x ?F predstavlja vsoto momentov (??Mo), ki delujejo na masni delec. Te momente povzrocajo sile, ki delujejo okoli koordinatnega izhodišca O. Enacbo (3) zato zapišemo drugace:
?Mo = r x mv' (4)

Vrtilno kolicino masnega delca predstavlja enacba (5).
Ho = r x mv (5)
Ce jo odvajamo po casu dobimo:
d(Ho)/dt = d(r x mv)/dt (6)

H'o = r' x mv + r x mv' (7)

Ker je v = dr/dt = r', lahko zapišemo:
H'o = r' x mr' + r x mv' (8)

Z upoštevanjem r' x mr' = m(r' x r') = 0, dobimo:
H'o = r x mv' (9)

Ce združimo enacbi (4) in (9) dobimo:
?Mo = H'o (10)

Enacba (10) pravi, da je vsota momentov, ki delujejo na delec, enaka spremembi vrtilne kolicine delca. Oziroma ce povemo drugace: Vrtilna kolicna se bo ohranjala ce vsota navorov enaka nic. Vendar pa je bila izpeljava narejena za masni delec. Vsako togo telo lahko predstavimo kot sistem masnih delcev. Tako moramo, da bi lahko fizikalno teorijo uporabili pri proucevanju giroskopov, enacbo (10) posplošiti na sistem masnih delcev.

Za vsak delec moramo sešteti navore in vrtilne kolicine.
?i[(r x ?F)i + (r x ?f)i] = ?i[H'o]i (11)

V enacbi (11) predstavlja clen ?f vsoto notranjih sil. Ker velja Newton-ov zakon o akciji in reakciji lahko clen ?i(r x ?f)i v enacbi (11) izpustimo. Zato je enacba za togo telo identicna enacbi za masni delec.

?i[r x ?F]i = ?i[H'o]i (12)

?Mo = H'o (13)

Ce sedaj skušamo enacbo (13) opisati z besedami. Vsota navorov okoli izhodišca O, ki delujejo na togo telo, je enaka spremembi vrtilne kolicine okoli tega istega izhodišca O.
Pri obravnavi giroskopov želimo imeti vrtilno kolicino Ho in njen casovni odvod H'o zapisano z enacbami, ki vsebujeo fizikalne velicine, ki jih lahko merimo. Te so : masa, radij, kotna hitrost in kotni pospešek. Predpostavimo, da ima masni delec telesa maso ?m in se okoli koordinatnega izhodišca vrti s kotno hitrostjo ?. Ker velja relacija v = ? x r lahko zapišemo naslednji enacbi:

[?Ho]i = r x ?mivi (14)

[?Ho]i = [r x (? x r)]i?mi (15)

Da dobimo relacije, ki se nanašajo na togo telo seštejemo prispevke vseh masnih delcev:
?i[?Ho]i = ?i[r x (? x r)]i?mi (16)

Ce ? limitiramo proti 0, potem postaneta ?[Ho]i in ?mi diferenciala, vsoto ?i pa lahko zamenjamo z integralom.

dHo = r x (? x r) dm (17)

Ho = r x (? x r) dm (18)

V izhodišce O postavimo kartezicni koordinatni sistem z osmi xyz. Vektorje Ho, r in ? definiramo kot:

Ho = Hx i + Hy j + Hz k (19)

r = x i + y j + z k (20)

? = ?x i + ?y j + ?z k (21)

V enacbi (18) upoštevamo gornje relacije, izracunamo vektorske produkte in dobimo:

Hx i + Hy j + Hz k =

[?x (y2+z2)dm - ?y xy dm - ?z xz dm] i
+ [- ?x xy dm+?y (x2+z2)dm - ?z yz dm] j
+ [- ?x zx dm - ?y yz dm+ ?z (x2+y2)dm]k
(22)
Integrali v enacbi (22) predstavljajo vztrajnostne momente. Namest vektorske zapišemo tri skalarne enacbe:
Hx = + Ixx?x - Ixy?y - Ixz?z (23)

Hy = - Iyx?x + Iyy?y - Iyz?z (24)

Hz = - Izx?x - Izy?y + Izz?z (25)

Gornje tri enacbe se mocno poenostavijo, ce izberemo koordinatni sistem tako, da vsaj dve osi izbranega koordinatnega sistema sovpadata z osema, ki predstavljata simetrijski osi obravnavanega telesa. Mešani produkti postanejo enaki nic in enacbe (23), (24), (25) dobijo obliko:

Hx = Ixx?x (26)

Hy = Iyy?y (27)

Hz = Izz?z (28)

Vrtilno kolicino togega telesa okoli posamezne osi lahko sedaj dolocimo, ce poznamo kotno hitrost in vztrajnostni moment okoli te osi.
V nadaljevanju si bomo ogledali kako zgoraj opisano teorijo uporabimo pri razlagi delovanja giroskopa.
Zamislimo si, da se telo na sliki 3.1 vrti s konstantno kotno hitrostjo ?x okoli osi X. Kotni pospešek bo torej enak nic. Ta predpostavka bo veljala skozi celotno obravnavo klasicnega giroskopa. Vztrajnostni moment telesa okoli osi X naj bo Ixx. Vrtilno kolicino predstavlja vektor Hx. Absolutno vrednost tega vektorja izracunamo s pomocjo enacbe (26) njegovo smer pa dolocimo s pravilom desnega vijaka. Sedaj zavrtimo os vrtenja X okoli osi Y s kotno hitrostjo ?. Vrtenje osi vrtenja se imenuje precesija.

Slika 3.1: Pojav precesije

Z vrtenje okoli osi Y se spreminja vrtilna kolicina telesa, to pa je po zakonu o ohranitvi vrtilne kolicine mogoce le ce v smeri Z nastopa moment. Iz tega sledi, da se pojavi moment, ki skuša zavrteti telo okoli osi Z. Ta moment, oziroma dvojico sil (reaction couple), ki je prikazan na sliki 3.2, imenujemo giroskopska dvojica.

Slika 3.2: Giroskopska dvojica

Dogajanje zapišemo z vektorsko enacbo:

M = ?Y x H (29)
Enacbo (29) predstavimo še z vektorji.

Slika 3.3: Prikaz z vektorji

Oziroma ce se problema lotimo z druge strani: Ce telo, ki se vrti s konstantno kotno hitrostjo okoli osi Y skušamo z nekim momentom zavrteti okoli osi Z bo to povzrocilo precesijo telesa - telo se bo zavrtelo okoli osi Y (razlaga se nanaša na sliko 3.1 in sliko 3.2) .
Zgoraj opisani fizikalni princip je bistven za razumevanje delovanja klasicnega giroskopa.

3.2 Sestavni deli in delovanje giroskopa [1,4]

Osnovni sestavni deli klasicnega giroskopa so :

a) giroskopski element – rotor, pogonski mehanizem, os in ležaji, okvir rotorja
b) kardanski okvirji – struktura okoli giroskopskskega elementa, ki omogoca prosto vrtenje okoli pravokotnih osi
c) dodatni elementi – pogonski motor, ležaji, senzorji za merjenje zasuka kardanskih okvirjev

Ce želimo pri obravnavi giroskopa uporabljati encbe, ki so bile predstavljene v razdelku 2.1 moramo narediti nekaj predpostavk:

a) Rotor se mora vrteti okoli simetricne osi.
b) Rotor se mora vrteti s konstantno hitrostjo.
c) Vrtilna kolicina v osi vrtenja je mnogo vecja od vrtilnih kolicin v ostalih smereh.
d) Masno središce vrtecega rotorja in središce celotne strukture mora sovpadati.
e) Predpostaviti moramo, da je celotna struktura trdna – okvirji in rotor so togi.

Glavni karakteristiki giroskopa sta inercija oziroma vztrajnost in precesija. Pojav precesije je bil razložen že v enem prejšnjih razdelkv. Druga karakteristika, inercija, pa je lastnost rotorja (vrtece mase), da ohranja orijentacijo v prostoru.

Na sliki 3.4 je prikazana osnovna konfiguracija giroskopa.

Slika 3.4: Osnovna konfiguracija giroskopa

Rotor, ki se vrti okoli svoje osi YY, je preko ležajev vpet v okvir, ki se lahko prosto vrti okoli osi XX. Ta je vpet v okvir, ki se prosto vrti okoli osi ZZ. Os ZZ je vležajena na osnovi okvir. Tako vpetje onemogoca zunanjim navorom, da bi rotor zvrteli v katerikoli smeri; vendar to veja samo pri predpostavki, da v ležajih ni nobenega trenja. Ker velja zakon o ohranitvi vrtilne kolicine, bo rotor ohranjal svojo orientacijo v prostoru, tudi kadar se bo pojavil navor, ki bo skušal zavrtel osnovni okvir giroskopa. Taka struktura je osnova za vse inštrumente in senzorje, ki za svoje delovanje izkorišcajo giroskopski princip.

3.3 Inštrumenti in senzorji, ki za svoje delovanje uporabljajo klasicni giroskop

V nadaljevanju bo predstavljeno nekaj inštrumentov in senzorjev, katerih delovanje sloni na klasicnem giroskopu. Nekaj od teh je že zelo zastarelih in se le še redko uporabljajo. Vecina teh senzorjev je dobilo sodobnejše naslednjike. Predstavitev njihovega delovanja bo zato nekoliko manj detaljna vendar vseeno dovolj, da bomo razumeli njihovo bistvo.

3.3.1 Giroskopski kompas [5]

Vsakomur poznani klasicni magnetni kompas ima kar nekaj slabosti. Ta kompas kaže smer magnetnega severa. Kot vemo magnetna in geografska pola Zemlje ne sovpadata. Medseboj sta premaknjena za nek kot, ki ga imenujemo varijacija. Varijacija pa ni konstantna ampak se s casom spreminja. Poleg tega lahko magnetno polje zemlje motijo objekti v bližini kompasa. Ce ga naprimer uporabljajo na veliki ladji ali letalu morajo upoštevati še dodaten odklon od pravega geografskega severa. Ta kot imenujemo devijacija. Slika 3.5 prikazuje odstopanje kompasnega in pravega meridijana.

Slika 3.5: Odstopanje magnetnega meridijana od geografskega

Kjer je: Np ... meridijan pravi, Nm ... meridijan magnetni, Nk ... meridijan kompasni.

Vse naštete težave reši giroskopski kompas. Ta za razliko od magnetnega kaže pravi geografski sever, ki je definiran s horizontalno komponento vektorja kotne hitrosti s katero se Zemlja vrti okoli svoje osi. Giroskopski kompas je shematicno prikazan na sliki 3.6.

Slika 3.6: Sperry-jev kompas

To je girskop s tremi prostostnimi stopnjami. Po izumitelju Elmerju A. Sperry-ju ga imenujemo Sperry-ijev kompas. Na notranji kardanski okvir ima namešceno uetež Q. Ta zagotavlja, da je os vrtenja vedno vzporedna Zemlji in je za delovanje giroskopskega kompasa bistvena. V vseh ostalih detajlih pa se ta giroskop ne razlikuje od ostalih.

3.3.1.1 Delovanje Sperry-jevega kompasa

Zamislimo si, da kompas postavimo kot prikazuje slika 3.7. Na zacetku (položaj 1) je os vrtenja vzporedna z zemeljskim horizontom in kaže proti vzhodu. Zaradi inercije giroskop ohranja svojo orientacijo glede na zvezdni koordinatni sistem. Z drugimi besedami povedano, ce bi os vrtenja giroskopskega elementa usmerili proti oddaljeni zvezdi, bi ta os vedno kazala na izbrano zvezdo. Vendar pa se zaradi rotacije zemlje giroskop odkloni relativno glede na Zemljin horizont. Zaradi tega odklona nastane moment, ki ga povzroca slia teže elementa Q. Ta skuša poravnati os vrtenja s horizontom. Ce pa se ozremo nazaj na enacbo (29) vidimo, da moment uteži Q povzroci precesijo giroskopa in ta se zacne sukati proti geografskem severu.

Slika 3.7: Delovanje Sperry-jevega kompasa

To vrtenje traja toliko casa dokler ni os vrtenja giroskopskega elementa naravnana na geografski sever. Takrat je momnet uteži enak nic. Dejanska izvedba Sperry-jevega giroskopa prikazuje slika 3.8.

Slika 3.8: Izvedba Sperry-jevega kompasa

3.3.2 Inštrumenti za zaznavaje orientacije [1,7]

Zgodovinsko gledano so bili inštrumenti za zaznavaje orientacije prvi, ki so za svoje delovanje izkorišcali giroskopski princip. V slabih vremenskih razmerah ko horizont (navidezna linija, ki povezuje kopno z ozracjem) ni, oziroma je slabo, viden je za varno upravljanje letala ali helikopterja potrebno uporabiti tak inštrument. Poleg tega pa ima cloveško telo omejeno sposobnost zaznavanja orijentacije vozila, ki pospešuje. Natancnost, ki jo potrebujemo za te namene je v razredu pol stopinje.
Najuspešnejši inštrument, ki je bil razvit za zaznavanje precnega in vodoravnega naklona (pitch and roll), se imenuje umetni horizont. Njegova shematicna zgradba je prikazana na sliki 3.9.

Slika 3.9: Shemeticni prikaz umetnega horizonta

Sestavljata ga giroskop z dvema prostostnima stopnjama in nihalo. Navpicna smer je definirana kot smer gravitacije. Za zaznavanje te smeri bi lahko uporabili navadno nihalo, vendar bi inštrument kazal pravilno samo ce vozilo nebi pospeševalo. Tako moramo pocakati, da vozilo neha pospeševati, kajti šele takrat bo odcitek inštrumenta pravilen.
Tudi tokrat nam težavo reši uporaba giroskopa. Nihalo skuša s pojavom precesije poravnati os vrtenja giroskopskega elementa z navidezno navpicno smerjo. Ker se precesija pri tem giroskopu dogaja z zelo nizko kotno hitrostjo (nekaj stopinj na minuto), giroskop deluje kot nizko prepustni mehanski filter. Tako z njegovo pomocjo izfiltriramo pospeške vozila v vseh smereh in ostane nam samo še komponenta gravitacijslega pospeška. To lahko nato preko mehanskih sklopov prenesemo na skalo inštrumenta. Pri novejših izvedbah odklone posameznih osi merimo z elektronskim senzorji zasuka in jih nato s pomocjo mikroprocesorja prikažemo na zaslonu. Celna plošca tipicnega umetnega horizonta je prikazana na sliki 3.10.

Slika 3.10: Celna plošca umetnega horizonta

3.3.3 Uporaba girosopskih senzorjev v regulacijski zanki

Najbolj ilustrativen primer take uporabe je uporaba v helikopterju za regulacijo rotacije okoli navpicne osi glavnega rotorja.
Vsi vemo, da ima klasicni helikopter, za izenacevanje navora glavnega rotorja, repni rotor. Vemo tudi, da navor, ki ga ustvarja glavni rotor, ni konstanten ampak se spreminja s korakom krakov rotorja. Poenostavljeno povedano kadar želimo, da se helikopter vzpenja se korak in s tem tudi navor poveca, kadar se helikopter spušca pa se dogaja ravno obratno. Navor skuša helikopter zavrteti okoli navpicne osi glavnega rotorja. Težavo reši repni rotor, ki izenacuje navor glavnega. Vendar je treba povdariti, da mora ta biti ta vkljucen v regulacijsko zanko. Saj bi bilo nemogoce, da bi pilot stalno popravljal korak repnega rotorja in s tem izenaceval navor glavnega rotorja. Jasno je, da za regulacijo potrebujemo referencno vrednost. To nam daje giroskop, ki kot smo že povedali ohranja orientacijo v prostoru.

3.4 Nekatere posebne izvedbe giroskopov [1]

V tem razdelku bo prikazano nekaj posebnih izvedb giroskopov. Njihova obravnava bo zelo površna, saj fizikalno ozadje njihovega delovanja presega okvire, ki so bili predstavljeni v razdelku 2.1. Izvedbe teh giroskopov najveckrat niso pricakale prakticne uporabe. Kljub temu pa nekateri uporabljajo izvirne rešitve in je zato njihovo delovanje zanimivo.

3.4.1 Elektrostaticni giroskop

Delovanje elektrostaticnega giroskopa temelji na lebdeci krogli v vakuumu. Prevodna krogla lebdi med elektricno nabitimi plošcami. Slika 3.11 prikazuje prerez elektrostaticnega giroskopa. Vrtenje krogle dosežemo s pomocjo sistema tuljav. Precesijo krogle zaznavamo opticno preko vzorca na krogli.

Slika 3.11: Elektrostaticni giroskop

3.4.2 Elektromagnetni giroskop

Elektromagnetni giroskop deluje podobno kot elektrostaticni. Vendar pa tu lebdenje krogle dosežemo s pomocjo magnetnega polja. Zato so potrebne supra prevodne tuljave, ki ustvarijo mocno magnetno polje. Na sliki 3.12 je prikazan elektromagnetni giroskop.

Slika 3.12: Elektromagnetni giroskop

3.4.3 Giroskopa z omejenim odklonom

Na slikah 3.13 in 3.14 sta prikazani še dve posebni izvedbi giroskopov. Pri obeh predstavlja giroskopski element vrteci se obroc. Lastnost teh giroskopv je omejeni odklon zaradi precesije. Zato za odjem signalov potrebujemo senzorje, ki zaznajo majhne kotne odklone. Posebnost prvega je, da ima obroc vležajen s posebnim hihrostaticnim ali pa s hidrodinamicnim ležajem.

Slika 3.13: Giroskop z omejenim odklonom (hidrostaticno vležajen)

Slika 3.14: Giroskop z omejenim odklonom ()

4 Mikro Elektro-Mehanski giroskopi [8]

Mikro-elektronska tehnologija je omogocila, razvoj novi mikro elektro – mehanskih giroskopskih senzorjev. Ti se uporabljajo predvsem za zaznavanje in merjenje kotne hitrosti. Osnova njihovega delovanja se skriva v pojavu, ki ga imenujemo Coriloisova sila. Že leta 1830 je G.G. de Corilois odkril, da se gibajoci predmeti v vrtecem sistemu za opazovalca, ki je v tem istem sistemu gibljejo z nekim pospeškom. Z drugimi besedami ce se predmet v vrtecem sistemu giblje v ravni crti bo opazovalec v tem sistemu videl odstopanja od te ravne crte. Kot primer si oglejmo kako bi opazovalec na Zemlji videl predmet, ki se giblje pravokotno na Zemljo. Slika 4.1 prikazuje dogajanje.

Slika 4.1: Pojav Corriolisovega pospeška na Zemlji

Vrtenje vibrirajoce silicijeve plošcice, povzroci nastanek Coriolis-ovega pospeška. Sprememba v smeri, ki jo povzroci nastali pospešek, gonilnega pretvornika inducira vibracije v smeri merilnega pretvornika. Ta nato inducirane vibracije pretvori v signal, ki je proporcionalen kotni hitrosti s katero vrtimo celotn strukturo.

4.1 Coriolis-ova sila

Na splošno se, da nastanek Coriolisovega pospeška opisati z enacbo (30)

a = 2?vsin(f) (30)

kjer je ? kotna hitrost strukture, v hitrost silicijeve plošcice, f pa je kot med ? in v. Ce predpostavimo, da sta ? in v pravokotna in da ima silicijeva plošcica maso m lahko zapišemo enacbo (31) za Coriolisovo silo:

F = 2?mv (31)

Rezultirajoca sila je pravokotna tako na kotno hitrost kot na hitrost plošcice. Coriolisova sila je preko pretvornika pretvorjena v napetost. Ker sta masa in hitrost znani velicini, brez težav dolocimo kotno hitrost. Na sliki 4.2 je shematicno prikazano dogajanje.

Slika 4.2: Princip delovanja mikro elektro-mehanskega giroskopa

4.2 Delovanje mikro-elektronskega giroskopa

Ce želimo zaznavati kotno hitrost je iz enacb razvidno, da je potrebno senzorski element (silicijevo plošcico) premikati s hitrostjo v. Prakticne izvedbe najpogo- steje uporabljajo vibrirajoco silicijevo plošcico. Plošcica vibrira v eni sami ravnini. Senzor sile zaznava samo sile, ki se pojavljajo z isto frekvenco kot vibrira plošcica. Ta nacin mocno izboljšuje razmerje signal-šum senzorja. Kot senzor premika, posredno sile, se najveckrat uporablja piezo-elektricni kristal ali pa premik merimo na principu spremembe kapacitivnosti.

4.3 Prednosti mikro elektro-mehanskih giroskopov:

a) ni premicnih delov (ležajev in drugih mehanskih komponent, ki se s caso obrabijo),
b) nizka poraba,
c) zanesljivost,
d) majhna obcutljivost na zunanje vplive (na velicine, ki jih ne merimo).

5 Opticni giroskop [8]

Glavna sestavna dela opticnega giroskopa sta obroc iz opticnih vlaken in laser. Njegovo delovanje temelji na pojavu, ki ga je leta 1931 prvi odkril fizik Sagnac (Sagnac effect). Dognal je, da ce v zaprto zanko spustimo snopa svetlobe v dveh razlicnih smereh in pri tem zanko zavrtimo, lahko izmerimo fazno razliko med tema dvema žarkoma.
Glej silko 5.1.

Slika 5.1: Osnovni fizikalni princip opticnega giroskopa

Laser nam zagotavlja žarek, ki je popolnoma v fazi. Ko žarek razdelimo na dvoje in ga nato zopet združimo nastane pojav, ki ga imenujemo interferenca. Ce sta žarka v fazi se njuna intenziteta sešteje in dobimo svetlo pika, ce pa sta žarka v protifazi se odštejeta tako nastane temna pika. Fazna razlika nastane zaradi razlicno dolgih poti, ki jih morata žarka prepotovati. Slika 5.2 razjasnjuje dogajanje.

Slika 5.2: Pojav interference pri opticnem giroskopu

Ko senzor (obroc iz opticnih vlaken) zavrtimo okoli simetricne osi se laser/detektor premakne za neko majhno razdaljo. To pa pomeni, da se enem žarku pot za to razdaljo poveca drugemu pa zmanjša. Ko jih zopet združimo dobimo nek interferencni vzorec. Na podlagi tega vzorca sklepamo na kotno hitrost vrtenja senzorja.

5.1 Sagnac-ov pojav

Pojav temelji na fiziklnem dejstvu, da je hitrost svetlobe konstantna. V opticni obroc v nasprotnih smereh pošljemo dva svetlobna žarka. Ker je hitrost svelobe konstantna, gibanje laser-ja in detektorja nima vpliva na žarka. Interferenco žarkov, ki se združita, zazna detektor.
Zamislimo si opticni obroc, ki se vrti v nasprotni smeri urinega kazalca gledano z vrha obroca (glej sliko 5.1). Laser generira laserski žarek, ki se nato razdeli na dva. Prvi potuje v smeri urinega drugi pa v nasprotni smeri. Žarek, ki potuje v nasproti smeri urinega kazalca, mora prepotovati nekoliko daljšo pot kot žarek, ki potuje v smeri urinega kazalca. Razlika v poti nastane zaradi premaknitve detektorja iz njegove prvotne lege. Ta razlika poti se odraža v fazni premaknitvi med žarkoma. Izracunamo jo jahko po enacbi :

?S = 8?nA?/c???? ??????????

kjer je A površina precnega prereza obroca, n število ovojev obroca, c hitrost svetlobe, ??valovna dolžina svelobe, ki jo oddaja laser, ??kotna hitrost s katero vrtimo obroc. Ker so v velicine A, n, c, ?????znane brez težav izmerjeno fazno premaknitev ?S prevedemo v kotno hitrost ?.
Laser nam zagotavlja zelo stabilen vir svetlobe s konstantno valovno dolžino. To pa odlocilno vpliva na zelo stabilno delovanje opticnega giroskopskega senzorja.

5.2 Prednosti opticnih giroskopov:

a) nimajo premicnih delov,
b) velika casovna stabilnost,
c) majhen vpliv temperature na tocnost meritve,
d) zanesljivost in dolga življenska doba,
e) majhna obcutljivost na velicine, ki jih ne merimo (vibracije, pospeški ....).

6 Zakljucek

Za giroskop lahko recemo, da je eden od senzorjev, ki je omogocil razvoj na mnogih podrocjih. Najvidnejšo vlogo pa je pravgotovo odigral pri napredku letalske in vesoljske tehnologije. Pravzaprav vesoljski poleti brez giroskopa ne bi bili mogoci.
Od prve definicije giroskopa je minilo že vec kot stoletje in pol. V tem casu je bilo razvito mnogo razlicnih giroskopskih senzorjev. Na zacetku so giroskopi temeljili izkljucno na klasicnem giroskopskem principu. Ti so uporabljali vrteco maso, katere os vrtenja se je zaradi pojava precesije odklonila. Tako je senzor lahko zaznaval odklon od referencnega položaja, kotno hitrost vrtenja ali pa pospešek. Z razvojem elektronike in optike pa so se (in se še vedno) pojavljali novi in novi giroskopi, katerih delovanje pa temelji na povsem drugacnih fizikalnih principih. Razvoj teh giroskopov je omogocil, predvsem zaradi cene in dimenzij, uporabo na mnogih drugih podrocjih kjer je bila uporaba teh senzorjev omejena.

7 Literatura

[1] Wrigley W., Hollister M. W., Denhard G. W.: Gyroscopic Theory, Design, and Instrumentation, The M.I.T. Press, Cambridge, Massachusetts, 1969

[2] Done G., Balmford D.: Bramwell’s Helicopter Dynamics, Butterworth-Heinemann Ltd, Oxford, 2001

[3] Levine L. S.: Gyro Fundamentals, John F. Rider Publisher, Inc., New York, 1964

[4] Bolton W.: Mechanical Science, Blackwell Science Ltd, London, 1998

[5] Vujanovic B.: Dinamika sa specialnim poglalavljima iz teorije giroskopa i stabilnosti kretanja, Hanacka Knjiga, Beograd, 1967

Drugi uporabljeni viri:

Internetne strani:

[6]

http://www.gyroscopes.org/math2.asp

[7]

http://www.gyroscopes.org/gallery.asp

[8]

http://www.xbow.com/Products/Inertial_Systems.htm

Ta prispevek je na portalu Publikacije.net objavil/a Aleš Hribar dne 2006-10-13.

Ocenite prispevek:

5 out of 54 out of 53 out of 52 out of 51 out of 5 

# of Ratings = 3 | Rating = 4/5