Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope)

Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope)
Nhóm 2
Gyroscope là gì
Gyroscope là một thiết bị dùng để đo hoặc duy
trì sự định hướng
Có thể gặp Gyroscope ở đâu?
•
Hàng không: Inertial guidance system (Xem thêm:
/>•
Máy tự động: Cảm biến vận tốc góc (Xem thêm:
)
•
Giải trí / tiêu dùng:Cảm biến hiện thực ảo (
), pointing device
•
Tự động hoá trong công nghiệp: Điều khiển chuyển động, robotics
Nguyên lý hoạt động
•
Cấu tạo đơn giản gồm bánh đà (đĩa quán tính) quay với tốc độ
cao gắn lỏng lên khung đỡ.
•
Khi khung ngoài quay, nó tác động
moment ngoại lực vào đĩa, làm đĩa
chịu thêm chuyển động quay theo
phương vuông góc với phương quay
của khung (tuế sai)
Nguyên lý hoạt động
•
Khi đĩa xoay với vận tốc rất cao, sự chuyển hướng theo moment ngoại lực
được giảm thiểu (do hầu hết đã bị chuyển sang phương vuông góc) giúp

gyroscope hầu như duy trì được độ nghiêng của nó.
•
Hiện tượng mà sự quay theo trục này được chuyển thành sự quay theo trục
kia đã được dùng để giám sát độ nghiêng (trong máy bay)
Nguyên lý hoạt động
Cảm biến Gyroscope
•
Cũng như gyroscope, cảm biến gyroscope cũng lợi dụng hiện tượng một vật
đang xoay tròn biến chuyển động theo một phương thành chuyển động theo
phương khác vuông góc.
•
Các loại cảm biến Gyroscope:
–
Spinning Mass Gyro (loại Gyroscope nói ở trên)
–
Vibrating Gyroscope (MEMS Gyroscope)
–
Optical Gyroscope
Vibrating Gyroscope
•
Cảm biến MEMS gyroscope: đo vận tốc xoay của vật, với chuyển động input
và output là chuyển động tịnh tiến (thường là dao động)
•
Cảm biến MEMS gyroscope dựa trên hiệu ứng Coriolis.
Hiệu ứng Coriolis
Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong các hệ qui chiếu
quay so với các hệ quy chiếu quán tính. Nó được thể hiện
qua hiện tượng lệch quĩ đạo của những vật chuyển động
trong hệ qui chiếu này.
Hiệu ứng Coriolis

•
Sự lệch quĩ đạo do một loại lực quán tính gây ra, gọi là lực Coriolis. Lực
Coriolis được xác định bằng công thức sau:
Vận tốc của vật
Vận tốc xoay
Cấu tạo chung
Các cảm biến gyroscope sử dụng một khối
proof mass dao động theo một phương được
gọi là phương sơ cấp.
Khối này đồng thời
bị quay quanh một trục,
làm xuất hiện lực Coriolis
khiến nó có thêm dao động theo phương khác, gọi là phương
thứ cấp.
Vibrating Gyroscope
•
Trên phương chuyển động thứ cấp này có gắn bản cực tụ điện để nhận biết
sự thay đổi điện dung gây bởi chuyển động này, và từ đó là vận tốc xoay.
Vibrating Gyroscope
•
Đo chuyển động thứ cấp:
MEMS Vibrating Gyroscope
Vibrating Ring Gyroscope
Vibrating Ring Gyroscope
Vibrating Bar Gyroscope
Laser gyroscope
•
Laser gyroscope sử dụng sự giao thoa ánh sáng laser bên trong một vành
quang học để nhận biết thay đổi về phương hướng và sự xoay, ứng dụng
hiệu ứng Sagnac.

•
Hệ thống gồm 2 tia laser được phát từ cùng một nguồn, đi ngược chiều nhau
theo một đường ống dẫn khép kín (nhờ các gương hay sợi quang), trên một
nền xoay. Trên đường trở về nguồn phát, chúng được cho thoát ra khỏi thiết
bị theo cách sao cho có thể tạo ra giao thoa.
Laser gyroscope
Laser gyroscope
•
Khi nền xoay, vị trí nguồn phát cũng như vị trí đích đến thay đổi trong suốt
thời gian truyền của laser, do đó, một tia sẽ có hành trình ngắn đi còn tia kia
phải đi dài hơn, kết quả là hệ giao thoa bị dịch chuyển → từ độ dịch chuyển
của hệ giao thoa có thể suy được vận tốc xoay của nền.
A enclosed area
P perimeter (beam path length)
λ optical wavelength
n normal vector to A
Ω rotation vector
Laser gyroscope
Laser gyroscope
•
Ưu điểm:
–
Không có bộ phận chuyển động → Không có ma sát → Chính xác hơn cảm
biến cơ khí.
–
Nhỏ gọn, vững chắc.
–
Không có xu hướng chống lại sự thay đổi về hướng như cảm biến cơ khí.
•
Nhược điểm:

–
Bị hiệu ứng « lock-in » ở vận tốc xoay nhỏ, mất đi tính chính xác. Khắc phục:
tạo rung động tần số cao (dither, một dạng nhiễu, dùng để làm ngẫu nhiên
những sai số lượng tử, được dùng nhiều trong xử lý tín hiệu số)
Thank you for your attention!