कंपन संरचना जाइरोस्कोप

आईईईई द्वारा कोरिओलिस स्पंदनात्मक जाइरोस्कोप (सीवीजी) के रूप में परिभाषित कंपन संरचना जाइरोस्कोप, जाइरोस्कोप है जो घूर्णन की दर निर्धारित करने के लिए कंपन संरचना का उपयोग करता है। वाइब्रेटिंग स्ट्रक्चर जाइरोस्कोप अधिक हद तक मक्खियों के डम्बल (डिप्टेरा के क्रम में कीड़े) की तरह काम करता है।

अंतर्निहित भौतिक सिद्धांत यह है कि कंपन वस्तु उसी तल में कंपन करना जारी रखती है, यदि उसका समर्थन घूमता हो। कोरिओलिस प्रभाव वस्तु को उसके समर्थन पर बल लगाने का कारण बनता है, और इस बल को मापकर रोटेशन की दर निर्धारित की जा सकती है।

कंपन संरचना जाइरोस्कोप समान त्रुटिहीनता के पारंपरिक गायरोस्कोप की तुलना में सरल और सस्ते हैं। माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक सिस्टम टेक्नोलॉजी के साथ निर्मित सस्ती वाइब्रेटिंग स्ट्रक्चर जाइरोस्कोप स्मार्टफोन, गेमिंग डिवाइस, कैमरा और कई अन्य अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।

संचालन का सिद्धांत

आवृत्ति पर विमान में कंपन करने वाले दो सबूत द्रव्यमानों पर विचार करें (जैसे माइक्रोइलेक्ट्रोमेनिकल सिस्टम जीरो में)। $\omega _{r}$. कोरिओलिस प्रभाव के बराबर प्रमाण द्रव्यमान पर त्वरण उत्पन्न करता है $a_{\mathrm {c} }=2(\Omega \times v)$, कहाँ $v$ वेग है और $\Omega$ घूर्णन की कोणीय आवृत्ति है। प्रमाण द्रव्यमान का इन-प्लेन वेग किसके द्वारा दिया जाता है $X_{\text{ip}}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)$, यदि इन-प्लेन स्थिति द्वारा दी गई है $X_{\text{ip}}\sin(\omega _{r}t)$. आउट-ऑफ़-प्लेन गति $y_{\text{op}}$, रोटेशन द्वारा प्रेरित, द्वारा दिया गया है:

$y_{\text{op}}={\frac {F_{c}}{k_{\text{op}}}}={\frac {1}{k_{\text{op}}}}2m\Omega X_{\text{ip}}\omega _{r}\cos(\omega _{r}t)$

कहाँ

$m$ प्रमाण द्रव्यमान का द्रव्यमान है,

$k_{\text{op}}$ समतल दिशा के बाहर स्प्रिंग नियतांक है,

$\Omega$ ड्रिवेन प्रूफ मास मोशन के समतल और लम्बवत् घूर्णन सदिश का परिमाण है।

नापने के जरिए $y_{\text{op}}$, हम इस प्रकार रोटेशन की दर निर्धारित कर सकते हैं $\Omega$.

कार्यान्वयन

बेलनाकार गुंजयमान जाइरोस्कोप (CRG)

1980 के दशक में GEC Marconi और Ferranti द्वारा इस प्रकार के जाइरोस्कोप को संलग्न पीजोइलेक्ट्रिक तत्वों और सिंगल-पीस पीज़ोसिरेमिक डिज़ाइन के साथ धातु मिश्र धातुओं का उपयोग करके विकसित किया गया था। इसके बाद, 90 के दशक में, मैग्नेटो-इलेक्ट्रिक उत्तेजना और रीडआउट वाले सीआरजी कैलिफोर्निया में अमेरिकी-आधारित इनर्टियल इंजीनियरिंग, इंक द्वारा उत्पादित किए गए थे, और वाटसन इंडस्ट्रीज द्वारा पीजो-सिरेमिक वेरिएंट। इनैलैब्स द्वारा हाल ही में पेटेंट किए गए वैरिएंट में Elinvar -टाइप मिश्र धातु से बने बेलनाकार डिज़ाइन गुंजयमान यंत्र का उपयोग किया गया है, जिसमें इसके तल पर उत्तेजना और पिकऑफ़ के लिए पीज़ोसिरामिक तत्व हैं।

इस सफलता प्रौद्योगिकी ने उत्पाद जीवन में अधिक वृद्धि की (MTBF> 500,000 घंटे); इसके सदमे प्रतिरोध (>300G) के साथ, इसे सामरिक (मध्य-त्रुटिहीनता) अनुप्रयोगों के लिए योग्य होना चाहिए।

गुंजयमान यंत्र अपने दूसरे क्रम के गुंजयमान मोड में संचालित होता है। क्यू-फैक्टर सामान्यतः लगभग 20,000 होता है; जो इसके शोर और कोणीय यादृच्छिक चाल को पूर्व निर्धारित करता है। स्थायी तरंगें अण्डाकार आकार के दोलन हैं जिनमें चार एंटीनोड और रिम के साथ परिधि में स्थित चार नोड होते हैं।

दो आसन्न एंटीनोड - नोड्स के बीच का कोण 45 डिग्री है। अण्डाकार अनुनाद मोड में से निर्धारित आयाम के लिए उत्साहित है। जब उपकरण अपने संवेदनशील अक्ष (इसके आंतरिक तने के साथ) के बारे में घूमता है, तो परिणामी कोरिओलिस बल गुंजयमान यंत्र के कंपन द्रव्यमान तत्वों पर कार्य करता है जो दूसरे गुंजयमान मोड को उत्तेजित करता है। दो विधाओं के प्रमुख अक्षों के बीच का कोण भी 45 डिग्री है।

बंद लूप दूसरे गुंजयमान मोड को शून्य पर ले जाता है, और इस मोड को शून्य करने के लिए आवश्यक बल इनपुट रोटेशन दर के समानुपाती होता है। इस नियंत्रण पाश को बल-पुनर्संतुलन मोड नामित किया गया है।

गुंजयमान यंत्र पर पीजो-इलेक्ट्रिक तत्व बल और संवेदी प्रेरित गति उत्पन्न करते हैं। यह इलेक्ट्रोमेकैनिकल सिस्टम कम आउटपुट शोर और बड़ी गतिशील रेंज प्रदान करता है जिसकी मांग करने वाले अनुप्रयोगों की आवश्यकता होती है, किन्तु तीव्र ध्वनिक शोर और उच्च अधिभार से पीड़ित होता है।

piezoelectric गायरोस्कोप

पीजोइलेक्ट्रिक सामग्री को कंपन करने के लिए प्रेरित किया जा सकता है, और कोरिओलिस बल के कारण पार्श्व गति को रोटेशन की दर से संबंधित संकेत उत्पन्न करने के लिए मापा जा सकता है।

ट्यूनिंग कांटा जाइरोस्कोप

इस प्रकार के जाइरोस्कोप अनुनाद के लिए संचालित परीक्षण द्रव्यमान की जोड़ी का उपयोग करते हैं। दोलन के तल से उनके विस्थापन को प्रणाली के घूर्णन की दर से संबंधित संकेत उत्पन्न करने के लिए मापा जाता है।

फ्रेड्रिक मेरेडिथ|एफ.{{nbsp}डब्ल्यू। मेरेडिथ ने 1942 में शाही विमान प्रतिष्ठान में काम करते हुए इस तरह के उपकरण के लिए पेटेंट अंकित कराया। 1958 में जी.एच. द्वारा आरएई में और विकास किया गया। हंट और A.E.W. हॉब्स, जिन्होंने 1°/h या (2.78.1) से कम के बहाव का प्रदर्शन किया×10⁻⁴)°/से. टैक्टिकल जाइरोस के आधुनिक वेरिएंट्स में दोगुने ट्यूनिंग कांटा ्स का उपयोग होता है, जैसे कि कैलिफोर्निया में अमेरिकी निर्माता सिस्ट्रॉन डोनर और फ्रांसीसी निर्माता :fr:Safran Electronics & Defence|Safran Electronics & Defence / Safran Group द्वारा उत्पादित।

वाइन-ग्लास गुंजयमान यंत्र

अर्धगोल गुंजयमान यंत्र जाइरोस्कोप या एचआरजी भी कहा जाता है, वाइन-ग्लास अनुनादक मोटी तने द्वारा लंगर डाले हुए पतले ठोस-राज्य गोलार्ध का उपयोग करता है। इसके तने के साथ गोलार्द्ध को वंक अनुनाद के लिए प्रेरित किया जाता है और रोटेशन का पता लगाने के लिए नोडल बिंदुओं को मापा जाता है। इस तरह की प्रणाली के दो बुनियादी संस्करण हैं: ऑपरेशन के दर शासन (फोर्स-टू-रिबैलेंस मोड) पर आधारित है और दूसरा वेरिएंट ऑपरेशन के एकीकृत शासन (पूर्ण-कोण मोड) पर आधारित है। सामान्यतः, बाद वाले का उपयोग नियंत्रित पैरामीट्रिक उत्तेजना के संयोजन में किया जाता है। ही हार्डवेयर के साथ दोनों व्यवस्थाओं का उपयोग करना संभव है, जो कि इन जाइरोस्कोप के लिए अनूठी विशेषता है।

उच्च शुद्धता वाले क्वार्ट्ज ग्लास से बने सिंगल-पीस डिज़ाइन (अर्थात, अर्धगोल कप और स्टेम अखंड भाग बनाते हैं) के लिए, वैक्यूम में 30-50 मिलियन से अधिक क्यू कारक तक पहुंचना संभव है, इसलिए संगत रैंडम वॉक बेहद कम हैं। क्यू कोटिंग, सोने या प्लेटिनम की अत्यंत पतली फिल्म, और स्थिरता के नुकसान से सीमित है। इस तरह के गुंजयमान यंत्रों को कांच के आयन-बीम सूक्ष्म-क्षरण या लेजर पृथक्करण द्वारा ठीक किया जाना चाहिए। कई देशों के इंजीनियर और शोधकर्ता इन परिष्कृत अत्याधुनिक तकनीकों के और सुधार पर काम कर रहे हैं। Safran और Northrop Grumman Hemispherical resonator gyroscope के प्रमुख निर्माता हैं।

वाइब्रेटिंग व्हील जाइरोस्कोप

पहिये को अपनी धुरी के चारों ओर पूर्ण घुमाव के अंश को घुमाने के लिए चलाया जाता है। घुमाव की दर से संबंधित संकेत उत्पन्न करने के लिए पहिये के झुकाव को मापा जाता है।

एमईएमएस जाइरोस्कोप्स

कंपन संरचना एमईएमएस जाइरोस्कोप

सस्ते वाइब्रेटिंग स्ट्रक्चर माइक्रोइलेक्ट्रोमैकेनिकल सिस्टम्स (MEMS) जाइरोस्कोप व्यापक रूप से उपलब्ध हो गए हैं। ये अन्य एकीकृत परिपथों के समान ही पैक किए जाते हैं और ये एनालॉग या डिजिटल आउटपुट प्रदान कर सकते हैं। कई स्थितियों में, ही हिस्से में कई अक्षों के लिए जाइरोस्कोपिक सेंसर सम्मिलित होते हैं। कुछ हिस्सों में छह डिग्री स्वतंत्रता वाले आउटपुट को प्राप्त करने के लिए कई जीरोस्कोप और accelerometers (या एकाधिक-अक्ष जीरोस्कोप और एक्सेलेरोमीटर) सम्मिलित होते हैं। इन इकाइयों को जड़त्वीय मापन इकाइयाँ या IMU कहा जाता है। Panasonic, Robert Bosch GmbH, InvenSense, Seiko Epson, Sensonor, Hanking Electronics, STMicroelectronics, फ्रीस्केल सेमीकंडक्टर और एनालॉग डिवाइस प्रमुख निर्माता हैं।

आंतरिक रूप से, एमईएमएस जाइरोस्कोप ऊपर उल्लिखित तंत्रों में से या अधिक के लिथोग्राफिक रूप से निर्मित संस्करणों का उपयोग करते हैं (ट्यूनिंग फोर्क्स, वाइब्रेटिंग व्हील्स, या विभिन्न डिजाइनों के गुंजयमान ठोस, अर्थात, ऊपर उल्लिखित टीएफजी, सीआरजी या एचआरजी के समान)। MEMS जायरोस्कोप का उपयोग ऑटोमोटिव रोल-ओवर रोकथाम और एयरबैग सिस्टम, छवि स्थिरीकरण में किया जाता है, और कई अन्य संभावित अनुप्रयोग हैं।

जाइरोस्कोप के अनुप्रयोग

InnaLabs, IAV 2020 से कोरिओलिस वाइब्रेटरी जाइरोस्कोप।

ऑटोमोटिव

ऑटोमोटिव यॉ सेंसर को वाइब्रेटिंग स्ट्रक्चर जाइरोस्कोप के आसपास बनाया जा सकता है। स्टीयरिंग व्हील सेंसर के संयोजन के साथ इलेक्ट्रॉनिक स्थिरता नियंत्रण प्रणाली के इनपुट के रूप में कनेक्ट होने पर अनुमानित प्रतिक्रिया की तुलना में यव में त्रुटि राज्यों का पता लगाने के लिए इनका उपयोग किया जाता है। उन्नत प्रणालियाँ दूसरे वीएसजी के आधार पर रोलओवर डिटेक्शन की कल्पना कर सकती हैं, किन्तु उपस्तिथा पार्श्व में अनुदैर्ध्य और ऊर्ध्वाधर त्वरणमापी को इस अंत तक जोड़ना सस्ता है।

मनोरंजन

निंटेंडो गेम ब्वॉय एडवांस गेम वारियोवेयर: ट्विस्टेड! घूर्णी गति का पता लगाने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक जाइरोस्कोप का उपयोग करता है। Sony SIXAXIS PS3 नियंत्रक छठे अक्ष (यॉ) को मापने के लिए एकल MEMS जाइरोस्कोप का उपयोग करता है। निनटेंडो Wii MotionPlus गौण, Wii रिमोट की गति संवेदन क्षमताओं को बढ़ाने के लिए InvenSense द्वारा प्रदान किए गए बहु-अक्ष MEMS जाइरोस्कोप का उपयोग करता है। अधिकांश आधुनिक स्मार्टफोन और गेमिंग उपकरणों में MEMS जाइरोस्कोप भी होते हैं।

शौक

कंपन संरचना जाइरोस्कोप सामान्यतः रेडियो-नियंत्रित हेलीकाप्टरों में हेलीकॉप्टर के टेल रोटर को नियंत्रित करने में मदद करने के लिए और रेडियो-नियंत्रित हवाई जहाजों में उड़ान के समय रवैया स्थिर रखने में मदद के लिए उपयोग किया जाता है। उनका उपयोग multirotor उड़ान नियंत्रकों में भी किया जाता है, क्योंकि मल्टीरोटर स्वाभाविक रूप से वायुगतिकीय रूप से अस्थिर होते हैं और इलेक्ट्रॉनिक स्थिरीकरण के बिना हवाई नहीं रह सकते।

औद्योगिक रोबोटिक्स

एप्सन रोबोट अपने रोबोट पर कंपन का पता लगाने और नियंत्रित करने के लिए क्यूएमईएमएस नामक क्वार्ट्ज एमईएमएस जाइरोस्कोप का उपयोग करते हैं। यह रोबोट को उच्च गति और तेज-मंदी गति में उच्च परिशुद्धता के साथ रोबोट के अंत प्रभावक की स्थिति में मदद करता है।

फोटोग्राफी

वीडियो और स्थिर कैमरों पर कई छवि स्थिरीकरण प्रणालियां कंपन संरचना जाइरोस्कोप का उपयोग करती हैं।

अंतरिक्ष यान अभिविन्यास

दोलन के लिए कंपन संरचना जाइरोस्कोप में भी प्रेरित और नियंत्रित किया जा सकता है कैसिनी-ह्यूजेंस जैसे अंतरिक्ष यान की स्थिति। क्वार्ट्ज ग्लास से बने ये छोटे गोलार्द्ध गुंजयमान जाइरोस्कोप वैक्यूम में काम करते हैं। प्रत्यास्थ रूप से विघटित बेलनाकार गुंजयमान जाइरोस्कोप (CRG) के प्रोटोटाइप भी हैं उच्च शुद्धता वाले एकल-क्रिस्टलीय नीलम से बना है। उच्च शुद्धता वाले ल्यूको-नीलम में एचआरजी के लिए उपयोग किए जाने वाले क्वार्ट्ज ग्लास की तुलना में क्यू-फैक्टर का मूल्य अधिक होता है, किन्तु यह सामग्री कठोर होती है और इसमें असमदिग्वर्ती होने की दशा होती है। वे अंतरिक्ष यान की त्रुटिहीन 3 अक्ष स्थिति प्रदान करते हैं और वर्षों से अत्यधिक विश्वसनीय हैं क्योंकि उनके पास कोई गतिमान भाग नहीं है।

अन्य

सेगवे मानव ट्रांसपोर्टर ऑपरेटर प्लेटफॉर्म को स्थिर करने के लिए सिलिकॉन सेंसिंग सिस्टम्स द्वारा बनाई गई कंपन संरचना जीरोस्कोप का उपयोग करता है।

बाहरी संबंध

• Proceedings of Anniversary Workshop on Solid-State Gyroscopy (May 19–21, 2008. Yalta, Ukraine). - Kyiv-Kharkiv. ATS of Ukraine. 2009. - ISBN 978-976-0-25248-5. See also the next meetings at: International Workshops on Solid-State Gyroscopy [2].
• Silicon Sensing – Case Study: Segway HT
• Apostolyuk V. Theory and Design of Micromechanical Vibratory Gyroscopes
• Prandi L., Antonello R., Oboe R., and Biganzoli F. Automatic Mode-Matching in MEMS Vibrating Gyroscopes Using Extremum Seeking Control //IEEE Transactions on Industrial Electronics. 2009. Vol.56. - P.3880-3891.. [3]
• Prandi L., Antonello R., Oboe R., Caminada C., and Biganzoli F. Open-Loop Compensation of the Quadrature Error in MEMS Vibrating Gyroscopes //Proceedings of 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society – IECON-2009. 2009. [4]