ACCELEROMETER and GYROSCOP

ACCELEROMETER dan GYROSCOPE

A.     Accelerometer

Accelerometer adalah sebuah perangkat yang mengukur percepatan yang tepat . Hal ini tidak selalu sama dengan percepatan koordinat (perubahan kecepatan dari perangkat dalam ruang), tetapi agak jenis percepatan terkait dengan fenomena berat badan yang dialami oleh massa uji yang berada dalam kerangka acuan dari perangkat accelerometer . Untuk contoh di mana jenis percepatan berbeda, accelerometer akan mengukur nilai saat duduk di tanah, karena massa ada bobot, meskipun mereka tidak mengubah kecepatan. Namun, accelerometer di gravitasi jatuh bebas ke arah pusat bumi akan mengukur nilai nol karena, meskipun kecepatan meningkat, berada dalam kerangka acuan di mana ia ringan .

Dengan mengukur berat badan, accelerometer mengukur percepatan jatuh bebas kerangka referensi ( kerangka acuan inersial ) relatif terhadap dirinya sendiri (accelerometer).

Accelerometers kebanyakan tidak menampilkan nilai mereka mengukur, tetapi pasokan ke perangkat lain. Accelerometers nyata juga memiliki keterbatasan praktis dalam seberapa cepat mereka menanggapi perubahan dalam percepatan , dan tidak dapat merespon perubahan atas perubahan frekuensi tertentu.

Model tunggal dan multi-sumbu accelerometer yang tersedia untuk mendeteksi besar dan arah percepatan yang tepat (atau g-force ), sebagai vektor kuantitas, dan dapat digunakan untuk orientasi akal (karena arah perubahan berat badan), percepatan koordinat ( asalkan menghasilkan g-force atau perubahan g-force), getaran, guncangan , dan jatuh (kasus di mana perubahan percepatan yang tepat, karena cenderung menuju nol). Micromachined accelerometers semakin hadir di perangkat elektronik portabel dan video pengendali permainan, untuk mendeteksi posisi perangkat atau memberikan masukan permainan.

Pasangan accelerometers diperpanjang atas wilayah ruang dapat digunakan untuk mendeteksi perbedaan (gradien) dalam percepatan yang tepat dari frame referensi yang terkait dengan poin. Alat ini disebut gradiometers gravitasi , karena mereka mengukur gradien di medan gravitasi. Pasangan seperti accelerometers dalam teori juga dapat mendeteksi gelombang gravitasi .

A.1. Prinsip Accelerator

Accelerometer mengukur percepatan yang tepat , yang merupakan percepatan itu pengalaman relatif terhadap terjun bebas dan percepatan yang dirasakan oleh orang-orang dan benda-benda. Dengan kata lain, pada setiap titik dalam ruang-waktu dengan prinsip kesetaraan menjamin keberadaan lokal kerangka inersia , dan accelerometer mengukur percepatan relatif terhadap frame yang. Percepatan tersebut populer diukur dalam hal g-force .

Sebuah accelerometer pada saat istirahat relatif terhadap permukaan bumi akan menunjukkan sekitar 1 atas g, karena setiap titik di permukaan bumi adalah percepatan ke atas relatif terhadap kerangka inersia lokal (bingkai benda jatuh bebas di dekat permukaan). Untuk mendapatkan percepatan gerak sehubungan dengan Bumi, "gravitasi offset" ini harus dikurangkan dan koreksi untuk efek yang disebabkan oleh rotasi bumi ke frame inersia.

Alasan munculnya offset gravitasi adalah prinsip kesetaraan Einstein , yang menyatakan bahwa efek gravitasi pada objek yang bisa dibedakan dari percepatan. Ketika dipertahankan tetap dalam medan gravitasi, misalnya, menerapkan kekuatan darat reaksi atau dorong ke atas setara, kerangka acuan untuk accelerometer (casing sendiri) mempercepat atas sehubungan dengan kerangka acuan jatuh bebas. Dampak dari percepatan ini yang bisa dibedakan dari percepatan lain dialami oleh instrumen, sehingga accelerometer tidak dapat mendeteksi perbedaan antara duduk di sebuah roket di landasan peluncuran, dan berada di roket yang sama di dalam ruang sementara itu menggunakan mesin untuk mempercepat pada 1 g. Untuk alasan serupa, accelerometer akan membaca nol dalam setiap jenis jatuh bebas . Hal ini termasuk penggunaan dalam pesawat ruang angkasa meluncur di luar angkasa jauh dari massa, sebuah pesawat ruang angkasa yang mengorbit bumi, pesawat dalam busur parabola "nol-g", atau jatuh bebas-dalam kekosongan. Contoh lain adalah bebas jatuh di ketinggian yang cukup tinggi bahwa efek atmosfer dapat diabaikan.

Namun ini tidak termasuk penurunan (non-bebas) di mana hambatan udara menghasilkan tarik kekuatan yang mengurangi percepatan, sampai konstanta kecepatan terminal tercapai. Pada kecepatan terminal accelerometer akan menunjukkan 1 ke atas g percepatan. Percepatan diukur dalam SI satuan meter per detik per detik (m / s ^2), dalam cgs satuan gal (Gal), atau yang populer dalam hal g-force (g).

Untuk tujuan praktis untuk menemukan percepatan benda sehubungan dengan bumi, seperti untuk digunakan dalam sistem navigasi inersia , gravitasi pengetahuan lokal diperlukan. Hal ini dapat diperoleh dengan mengkalibrasi perangkat beristirahat, atau dari model yang dikenal gravitasi pada posisi saat ini perkiraan.

Aplikasi

Rekayasa

Accelerometers dapat digunakan untuk mengukur percepatan kendaraan. Mereka mengevaluasi kinerja kedua kereta mesin / drive dan sistem pengereman.

Accelerometers dapat digunakan untuk mengukur getaran pada mobil, mesin, bangunan, sistem kontrol proses dan instalasi keamanan. Dia juga dapat digunakan untuk mengukur aktivitas seismik, kecenderungan, getaran mesin, jarak dan kecepatan yang dinamis dengan atau tanpa pengaruh gravitasi. Aplikasi untuk accelerometers yang mengukur gravitasi, dimana accelerometer secara khusus dikonfigurasi untuk digunakan dalam gravimetri , disebut gravimeters .

Komputer notebook dilengkapi dengan akselerometer dapat berkontribusi untuk Quake-Catcher Network (QCN), sebuah proyek BOINC yang bertujuan untuk penelitian ilmiah dari gempa bumi.

Biologi

Accelerometers juga semakin banyak digunakan dalam ilmu biologi. Frekuensi tinggi rekaman bi-aksial atau tri-aksial percepatan (> 10 Hz) memungkinkan diskriminasi pola perilaku sedangkan hewan keluar dari pandangan. Selanjutnya, rekaman percepatan memungkinkan peneliti untuk mengukur tingkat di mana seekor hewan itu mengeluarkan energi di alam liar, baik oleh penentuan ekstremitas-stroke frekuensi atau langkah-langkah seperti percepatan tubuh secara keseluruhan yang dinamis Pendekatan tersebut sebagian besar telah diadopsi oleh para ilmuwan kelautan karena ketidakmampuan untuk mempelajari hewan di alam liar pengamatan visual yang menggunakan, namun peningkatan jumlah ahli biologi terestrial yang mengadopsi pendekatan serupa. Perangkat ini dapat dihubungkan ke amplifier untuk memperkuat sinyal.

Industri

Accelerometers juga digunakan untuk pemantauan kesehatan mesin berputar peralatan seperti pompa , penggemar, rol, kompresor , dan menara pendingin ,. Program pemantauan getaran terbukti menghemat uang, mengurangi downtime, dan meningkatkan keselamatan di pabrik di seluruh dunia dengan mendeteksi kondisi seperti misalignment poros, ketidakseimbangan rotor, kegagalan gigi atau kesalahan bantalan yang dapat menyebabkan perbaikan mahal. Accelerometer vibration memungkinkan pengguna untuk memantau mesin dan mendeteksi kesalahan sebelum peralatan berputar gagal. Program pemantauan getaran yang digunakan dalam industri seperti manufaktur otomotif, aplikasi mesin alat, produksi farmasi, pembangkit listrik, pulp dan kertas, makanan dan minuman produksi, air dan air limbah, tenaga air, petrokimia dan manufaktur baja.

Bangunan dan struktur pemantauan

Accelerometers digunakan untuk mengukur gerakan dan getaran struktur yang terkena beban dinamis. Beban dinamis berasal dari berbagai sumber termasuk:

• Aktivitas manusia - berjalan, berlari, menari atau melompat-lompat
• Bekerja mesin - di dalam sebuah gedung atau di daerah sekitarnya
• Pekerjaan konstruksi - tumpukan mengemudi, pembongkaran, pengeboran dan penggalian
• Pindah beban pada jembatan
• Kendaraan tabrakan
• Dampak beban - puing jatuh
• Konkusi beban - ledakan internal dan eksternal
• Tutup elemen struktur
• Angin beban dan hembusan angin
• Udara ledakan tekanan
• Hilangnya dukungan karena kegagalan tanah
• Gempa bumi dan gempa susulan

Mengukur dan merekam bagaimana struktur menanggapi masukan ini sangat penting untuk menilai keamanan dan kelangsungan hidup struktur. Jenis pemantauan ini disebut Pemantauan Dinamis.

Aplikasi Medis

Zoll AED Plus menggunakan CPR-D • padz yang berisi accelerometer untuk mengukur kedalaman penekanan dada CPR.

Dalam beberapa tahun terakhir, Nike , Polar, dan perusahaan lainnya telah memproduksi dan memasarkan jam tangan olahraga bagi pelari yang mencakup footpods , berisi accelerometers untuk membantu menentukan kecepatan dan jarak untuk pelari yang mengenakan unit.

Di Belgia, accelerometer berbasis counter langkah yang dipromosikan oleh pemerintah untuk mendorong orang untuk berjalan seribu langkah setiap hari.

Herman Trainer Digital menggunakan akselerometer untuk mengukur gaya pemogokan di pelatihan fisik.

Navigasi

Inertial Navigation System (INS) adalah navigasi bantuan yang menggunakan sensor komputer dan gerak (akselerometer) untuk terus menghitung melalui perhitungan posisi mati, orientasi, dan kecepatan (arah dan kecepatan gerakan) dari objek yang bergerak tanpa perlu eksternal referensi. Istilah lain yang digunakan untuk mengacu pada sistem navigasi inersia atau perangkat erat terkait termasuk sistem bimbingan inersia, platform referensi inersial, dan variasi lainnya.

Accelerometer saja tidak cocok untuk menentukan perubahan ketinggian jarak di mana penurunan vertikal gravitasi adalah signifikan, seperti untuk pesawat dan roket. Di hadapan gradien gravitasi, proses reduksi kalibrasi dan data numerik tidak stabil.

Transportasi

Accelerometers digunakan untuk mendeteksi puncak dalam kedua profesional dan di amatir peroketan.

Accelerometers juga digunakan dalam rol Intelligent Compaction. Accelerometers digunakan bersama giroskop dalam bimbingan inersia sistem.

Salah satu penggunaan yang paling umum untuk MEMS accelerometers dalam airbag sistem penyebaran untuk mobil modern. Dalam hal ini accelerometers digunakan untuk mendeteksi percepatan negatif cepat kendaraan untuk menentukan kapan sebuah tabrakan telah terjadi dan tingkat keparahan tabrakan. Penggunaan lain otomotif umum adalah dalam kontrol stabilitas elektronik sistem, yang menggunakan accelerometer untuk mengukur kekuatan lateral yang menikung. Meluasnya penggunaan accelerometers dalam industri otomotif telah mendorong biaya mereka turun drastis. aplikasi otomotif lain adalah pemantauan kebisingan, getaran dan kekerasan (NVH), kondisi yang menyebabkan ketidaknyamanan bagi pengemudi dan penumpang dan juga dapat menjadi indikator mekanik kesalahan.

Memiringkan kereta api menggunakan akselerometer dan giroskop untuk menghitung kemiringan yang diperlukan.

Vulkanologi

Accelerometers elektronik modern yang digunakan dalam perangkat penginderaan jauh dimaksudkan untuk pemantauan aktif gunung berapi untuk mendeteksi gerakan magma

Konsumen elektronik

Accelerometers semakin sering dimasukkan ke dalam perangkat elektronik pribadi.

masukan Gerak

Beberapa smartphone , pemutar audio digital dan asisten pribadi digital mengandung akselerometer untuk kontrol antarmuka pengguna, accelerometer sering digunakan untuk menyajikan pandangan landscape atau potret layar perangkat, berdasarkan cara perangkat sedang diadakan.

Automatic Collision Notification (ACN) sistem juga menggunakan accelerometers dalam sistem untuk panggilan untuk membantu dalam hal terjadi kecelakaan kendaraan. Sistem ACN menonjol pada OnStar pelayanan AACN, Ford Link's 911 Assist, Toyota's Safety Connect, Lexus Link, atau BMW Assist. Selain dilengkapi accelerometer smartphone juga memiliki perangkat lunak yang tersedia untuk di-download ACN. ACN sistem diaktifkan oleh deteksi kekuatan G-forces.

Nintendo Wii konsol permainan video menggunakan kontroler disebut Wii Remote yang berisi accelerometer tiga sumbu dan dirancang terutama untuk input gerak. Pengguna juga memiliki pilihan untuk membeli sebuah gerak-sensitif tambahan lampiran, Nunchuk , sehingga masukan gerak bisa dicatat dari kedua tangan pengguna independen. Juga digunakan pada sistem Nintendo 3DS.

Sony PlayStation 3 menggunakan DualShock 3 jarak jauh yang menggunakan accelerometer tiga sumbu yang dapat digunakan untuk membuat kemudi lebih realistis dalam game balap, seperti Motorstorm dan Burnout Paradise .

Pada Nokia 5500 olahraga fitur 3D accelerometer yang dapat diakses dari perangkat lunak. Hal ini digunakan untuk pengakuan langkah (menghitung) dalam aplikasi olahraga, dan untuk pengakuan tekan gerakan pada antarmuka pengguna. Tekan gerakan dapat digunakan untuk mengendalikan pemutar musik dan aplikasi olahraga, misalnya untuk mengubah ke lagu berikutnya dengan menekan melalui pakaian saat perangkat ini dalam saku. Kegunaan lain untuk accelerometer pada telepon Nokia termasuk Pedometer fungsionalitas dalam Nokia Sports Tracker . Beberapa perangkat lainnya menyediakan fitur tilt penginderaan dengan komponen yang lebih murah, yang tidak accelerometer benar.

Tidur fase jam alarm menggunakan sensor accelerometric untuk mendeteksi gerakan tidur, sehingga dapat membangunkan orang ketika ia / dia tidak dalam fase REM, sehingga lebih mudah terbangun.

Orientasi penginderaan

Sejumlah perangkat abad ke-21 menggunakan akselerometer untuk menyesuaikan layar tergantung pada arah perangkat diadakan, misalnya beralih antara potret dan  landscape modus. Perangkat tersebut mencakup banyak PC tablet dan beberapa smartphone dan kamera digital.

Misalnya, Apple menggunakan accelerometer LIS302DL di iPhone , iPod Touch dan 4 -5 th kemudian iPod Nano memungkinkan perangkat untuk tahu kapan itu dimiringkan pada sisinya. Pengembang pihak ketiga telah memperluas penggunaan dengan aplikasi fantastis seperti elektronik bobbleheads . Pada telepon BlackBerry Storm itu juga merupakan pengguna awal fitur ini orientasi penginderaan.

Pada Nokia N95 dan Nokia N82, accelerometers telah tertanam di dalamnya. Hal ini terutama digunakan sebagai sensor kemiringan untuk tag orientasi untuk foto yang diambil dengan built-in kamera, kemudian berkat update firmware itu menjadi tersedia ke aplikasi lain.

Pada Januari 2009, hampir semua ponsel baru dan kamera digital berisi setidaknya sensor kemiringan dan kadang-kadang accelerometer untuk tujuan rotasi otomatis gambar, gerak-sensitif mini-games, dan untuk memperbaiki goyang saat mengambil foto.

Gambar stabilisasi

Camcorder menggunakan akselerometer untuk stabilisasi gambar . Kamera masih menggunakan akselerometer untuk menangkap anti-blur. Kamera memegang gertakan dari CCD menutup ketika kamera bergerak. Ketika kamera masih (jika hanya untuk milidetik, karena bisa menjadi kasus untuk getaran), CCD sedang memotret. Sebuah contoh aplikasi yang telah menggunakan teknologi tersebut adalah VS2 Glogger, aplikasi ponsel yang berjalan pada Symbian OS berbasis telepon dengan accelerometer seperti Nokia N96 . Beberapa kamera digital, berisi accelerometers untuk menentukan orientasi foto yang diambil dan juga untuk memutar gambar ketika mau melihat.

Perangkat integritas

Banyak laptop fitur accelerometer yang digunakan untuk mendeteksi drop. Jika sebuah drop terdeteksi, kepala hard disk yang diparkir untuk menghindari kehilangan data dan mungkin kepala atau disk akan rusak oleh goncangan berikutnya.

gravimetri

Sebuah gravimeter atau gravitometer, adalah alat yang digunakan dalam gravimetri untuk mengukur lokal medan gravitasi . Gravimeter adalah tipe accelerometer, kecuali bahwa accelerometers rentan terhadap semua getaran termasuk kebisingan , yang menyebabkan percepatan osilasi. Hal ini menetral di gravimeter dengan isolasi getaran integral dan pemrosesan sinyal . Meskipun prinsip penting dari desain adalah sama seperti dalam akselerometer, gravimeters biasanya dirancang untuk menjadi jauh lebih sensitif dibandingkan akselerometer untuk mengukur perubahan yang sangat kecil di dalam bumi 's gravitasi , dari 1 g . Sebaliknya, accelerometers lainnya sering dirancang untuk mengukur 1000 g atau lebih, dan banyak melakukan multi-aksial pengukuran. Kendala pada resolusi temporal biasanya kurang untuk gravimeters, sehingga resolusi yang dapat ditingkatkan dengan mengolah output dengan lebih lama "konstanta waktu".

Jenis accelerometer

• Piezoelektrik accelerometer
• Modus geser accelerometer
• Permukaan micromachined kapasitif ( MEMS )
• Termal (submicrometre CMOS proses)
• Micromachined Massal kapasitif
• Micromachined Massal resistif piezoelektrik
• Capacitive pegas massa dasar
• Elektromekanis Servo (Servo Angkatan Saldo)
• Null-balance
• Strain gauge
• Resonansi
• Magnetik induksi
• Optik
• Permukaan gelombang akustik (SAW)
• Laser accelerometer
• DC respon
• Suhu tinggi
• Frekuensi rendah
• Tinggi gravitasi
• Triaksial
• Modally disetel dampak palu
• Kursi pad accelerometers
• Pendulating mengintegrasikan accelerometer gyroscopic

B.      Gyroscope

Giroskop adalah alat untuk mengukur atau mempertahankan orientasi , berdasarkan prinsip-prinsip kekekalan momentum sudut . Pada dasarnya, sebuah giroskop mekanik adalah roda berputar atau disk yang berporos bebas untuk mengambil setiap orientasi. Meskipun orientasi ini tidak tinggal tetap, perubahan dalam respon terhadap eksternal torsi jauh lebih sedikit dan dalam arah yang berbeda dari itu akan tanpa momentum sudut besar yang terkait dengan tingkat tinggi dari disk berputar dan momen inersia . Karena torsi eksternal diminimalkan dengan me-mount perangkat di gimbal , orientasi masih hampir tetap, terlepas dari setiap gerak dari platform yang sudah terpasang.

Giroskop berdasarkan prinsip-prinsip operasi lain juga ada, seperti, elektronik microchip-paket MEMS giroskop perangkat yang ditemukan dalam perangkat konsumen elektronik, solid-state laser cincin , giroskop serat optik , dan sangat sensitif giroskop kuantum .

Aplikasi giroskop termasuk sistem navigasi inersia mana kompas magnetik tidak akan bekerja (seperti dalam teleskop Hubble ) atau tidak akan cukup tepat (seperti dalam ICBM ), atau untuk stabilisasi kendaraan terbang seperti radio-dikontrol helikopter atau kendaraan udara tak berawak . Karena presisi tinggi mereka, giroskop juga digunakan untuk menjaga arah dalam terowongan pertambangan.

Deskripsi dan diagram

Diagram roda giro. Reaksi panah tentang sumbu output (biru) sesuai dengan kekuatan diterapkan terhadap sumbu masukan (hijau), dan sebaliknya.

Dalam sistem mekanis atau perangkat, sebuah giroskop konvensional adalah mekanisme yang terdiri dari rotor journal berputar sekitar satu sumbu , yang jurnal rotor yang dipasang di dalam gimbal cincin atau gimbal inner journal untuk osilasi dalam gimbal luar untuk total dua gimbal.

Gimbal outer atau cincin, yang merupakan bingkai giroskop, sudah terpasang sehingga poros sekitar sebuah sumbu dalam pesawat sendiri ditentukan oleh dukungan. Gimbal outer ini memiliki satu derajat kebebasan rotasi dan sumbu tidak memiliki. Gimbal inner adalah dipasang di frame giroskop (luar gimbal) sehingga poros sekitar sebuah sumbu dalam pesawat sendiri yang selalu tegak lurus terhadap sumbu penting dari frame giroskop (luar gimbal). Gimbal inner ini memiliki dua derajat kebebasan rotasi.

Poros dari roda berputar mendefinisikan sumbu putar. Rotor berputar journal tentang sumbu, yang selalu tegak lurus terhadap sumbu gimbal inner. Jadi rotor memiliki tiga derajat kebebasan rotasi dan sumbu memiliki dua. Roda menanggapi gaya yang diterapkan terhadap sumbu input oleh kekuatan reaksi tentang sumbu output.

Perilaku giroskop dapat mudah diketahui oleh pertimbangan roda depan sepeda. Jika roda bersandar jauh dari vertikal sehingga bagian atas roda bergerak ke kiri, pelek roda depan juga berubah ke kiri. Dengan kata lain, rotasi pada satu sumbu roda berputar menghasilkan rotasi sumbu ketiga.

Sebuah gyroscope flywheel akan roll atau menolak tentang sumbu keluaran tergantung pada apakah gimbal output yang bebas-atau tetap-konfigurasi. Contoh beberapa bebas-output-gimbal perangkat akan menjadi referensi sikap giroskop digunakan untuk merasakan atau mengukur lapangan , gulungan dan yaw sudut dalam pesawat ruang angkasa atau pesawat udara.

Animasi dari roda giro dalam aksi

Pusat gravitasi dari rotor dapat berada dalam posisi tetap. Rotor berputar secara bersamaan sekitar satu sumbu dan mampu berosilasi tentang dua sumbu yang lain, dan dengan demikian, kecuali untuk resistensi inheren karena rotor berputar, ia bebas untuk mengubah ke segala arah di sekitar titik tetap. Beberapa giroskop telah setara mekanik diganti untuk satu atau lebih elemen. Sebagai contoh, rotor berputar dapat ditangguhkan dalam cairan, bukannya pivotally terpasang di gimbal. Sebuah control moment gyroscope (CMG) adalah contoh dari perangkat fixed-output-gimbal yang digunakan pada pesawat ruang angkasa untuk menahan atau mempertahankan sudut sikap yang diinginkan atau arah menunjuk menggunakan kekuatan resistensi gyroscopic.

Dalam beberapa kasus khusus, gimbal outer (atau ekuivalen) dapat dihilangkan sehingga rotor hanya memiliki dua derajat kebebasan. Dalam kasus lain, pusat gravitasi dari rotor dapat offset dari sumbu osilasi, dan dengan demikian, pusat gravitasi dari rotor dan pusat suspensi rotor tidak mungkin bertepatan.

Sejarah

Giroskop ditemukan oleh Léon Foucault pada tahun 1852. Replica dibangun oleh Dumoulin-Froment untuk universelle Pameran di 1867. Konservatorium Nasional dan museum Seni Kerajinan, Paris.

Yang dikenal paling awal giroskop-seperti instrumen dibuat oleh Jerman Johann Bohnenberger , yang pertama kali menulis tentang hal itu pada tahun 1817. Pada awalnya ia menyebutnya "Mesin". mesin Bohnenberger itu didasarkan pada lingkup besar berputar. Pada tahun 1832, Amerika Walter R. Johnson mengembangkan perangkat serupa yang didasarkan pada disk yang berputar. Para matematikawan Perancis Pierre-Simon Laplace , bekerja di École Polytechnique di Paris, direkomendasikan mesin untuk digunakan sebagai bantuan pengajaran, dan dengan demikian ia datang ke perhatian Léon Foucault . Pada tahun 1852, Foucault digunakan dalam sebuah eksperimen yang melibatkan rotasi bumi. Ini adalah Foucault yang memberikan perangkat nama modern, dalam sebuah percobaan untuk melihat (skopeein Yunani, untuk melihat) rotasi bumi (gyros Yunani, lingkaran atau rotasi ), yang terlihat di 8 sampai 10 menit sebelum gesekan memperlambat rotor berputar.

Pada 1860-an, munculnya motor listrik memungkinkan untuk giroskop untuk berputar selamanya, hal ini menyebabkan prototipe pertama gyrocompasses . Laut fungsional pertama gyrocompass telah dipatenkan pada tahun 1904 oleh penemu Jerman Hermann Anschütz-Kaempfe . Amerika Elmer Sperry diikuti dengan desain sendiri akhir tahun, dan negara-negara lain segera menyadari pentingnya militer dari penemuan-dalam suatu masa di mana kecakapan angkatan laut adalah ukuran yang paling signifikan dari kekuasaan militer-dan menciptakan industri mereka sendiri giroskop. Para Perusahaan giroskop Sperry cepat diperluas untuk menyediakan pesawat dan stabilisator angkatan laut juga, dan pengembang giroskop lain mengikuti.

Pada tahun 1917, Perusahaan Chandler dari Indianapolis , menciptakan "giroskop Chandler", sebuah giroskop mainan dengan string menarik dan alas. Chandler terus memproduksi mainan sampai perusahaan ini dibeli oleh TEDCO inc. pada tahun 1982. Mainan Chandler masih diproduksi oleh TEDCO hari ini.

Pada beberapa dekade pertama abad ke-20, penemu lainnya berusaha (gagal) untuk menggunakan giroskop sebagai dasar untuk awal kotak hitam sistem navigasi dengan menciptakan sebuah platform yang stabil dari mana pengukuran percepatan akurat dapat dilakukan (dalam rangka untuk memotong kebutuhan untuk bintang penampakan untuk menghitung posisi). Prinsip yang sama kemudian digunakan dalam pengembangan sistem bimbingan inersia untuk rudal balistik .

Selama Perang Dunia II, giroskop menjadi komponen utama untuk pesawat-pesawat dan anti incaran.

Giroskop juga sedang digunakan dalam perangkat elektronik portabel seperti generasi sekarang Apple iPad dan iPhone. Accelerometer menyediakan komponen penginderaan 6 gerak, mengukur tingkat dan kecepatan rotasi dalam ruang (roll, pitch dan yaw).

Properti

Sebuah giroskop beroperasi dengan kebebasan di semua tiga sumbu. Rotor akan mempertahankan arah spin porosnya terlepas dari orientasi dari frame luar.

Giroskop Sebuah pameran sejumlah perilaku termasuk presesi dan angguk kepala . Giroskop dapat digunakan untuk membangun gyrocompasses , yang melengkapi atau mengganti kompas magnetik (di kapal, pesawat terbang dan pesawat ruang angkasa, kendaraan pada umumnya), untuk membantu stabilitas ( Hubble Space Telescope , sepeda, sepeda motor, dan kapal) atau digunakan sebagai bagian dari bimbingan inersia sistem. Efek gyroscopic digunakan dalam puncak, bumerang, yo-Yos, dan Powerballs . Banyak perangkat berputar lainnya, seperti roda gaya , berperilaku dalam cara giroskop, meskipun efek gyroscopic tidak digunakan.

Persamaan mendasar yang menggambarkan perilaku giroskop adalah:

dimana pseudovectors τ dan L adalah, masing-masing, torsi pada giroskop dan perusahaan momentum sudut , skalar I adalah yang momen inersia , yang ω vektor adalah kecepatan sudutnya, dan α vektor adalah percepatan sudutnya.

Maka dari ini bahwa torsi τ diterapkan tegak lurus terhadap sumbu rotasi, dan karena itu tegak lurus ke L, hasil dalam sebuah rotasi terhadap sumbu tegak lurus baik τ dan L. Gerakan ini disebut presesi . Kecepatan sudut presesi Ω _P diberikan oleh perkalian silang :

Presesi pada giroskop

Presesi dapat ditunjukkan dengan menempatkan sebuah giroskop berputar dengan sumbu horizontal dan didukung longgar (gesekan terhadap presesi) pada salah satu ujungnya. Alih-alih jatuh, seperti yang mungkin diharapkan, giroskop muncul untuk menentang gravitasi dengan tersisa dengan sumbu horizontal, ketika ujung sumbu yang tersisa tidak didukung dan ujung bebas dari sumbu perlahan menggambarkan lingkaran pada bidang horizontal, yang dihasilkan presesi berputar. Efek ini dijelaskan oleh persamaan di atas. Torsi pada giroskop dipasok oleh beberapa kekuatan: gravitasi yang bekerja pada pusat ke bawah perangkat massa, dan gaya yang sama bertindak atas untuk mendukung salah satu ujung perangkat. Rotasi dihasilkan dari torsi ini tidak menurun, seperti bisa intuitif diharapkan, menyebabkan perangkat untuk jatuh, tetapi tegak lurus baik torsi gravitasi (horizontal dan tegak lurus sumbu rotasi) dan sumbu rotasi (horizontal dan keluar dari titik support), yaitu, tentang sumbu vertikal, menyebabkan perangkat untuk memutar perlahan tentang titik pendukung.

Berdasarkan besarnya torsi konstan τ, kecepatan dari presesi giroskop Ω _P adalah berbanding terbalik dengan L, besarnya momentum sudutnya:

di mana θ adalah sudut antara vektor _P dan L Ω. Jadi, jika spin giroskop melambat (misalnya, akibat gesekan), mengurangi momentum sudutnya sehingga tingkat kenaikan presesi. Hal ini berlanjut sampai perangkat tidak dapat untuk memutar cukup cepat untuk mendukung beratnya sendiri, ketika berhenti precessing dan jatuh dukungan, terutama karena gesekan terhadap presesi penyebab lain presesi yang masuk menyebabkan jatuh.

Dengan konvensi, ketiga vektor - torsi, spin, dan presesi - semua berorientasi dengan menghormati satu sama lain menurut aturan tangan kanan .

Untuk mudah memastikan arah efek giro, hanya ingat bahwa roda bergulir cenderung, ketika bersandar ke samping, untuk mengubah ke arah yang ramping.

Variasi

girostat

Sebuah girostat adalah varian dari giroskop. Ini terdiri dari roda flywheel besar tersembunyi dalam casing padat. Perilaku di atas meja, atau dengan berbagai modus suspensi atau dukungan, berfungsi untuk menggambarkan pembalikan penasaran hukum biasa kesetimbangan statis karena perilaku gyrostatic dari roda flywheel interior terlihat ketika diputar cepat. Yang girostat pertama dirancang oleh Lord Kelvin untuk menggambarkan keadaan yang lebih rumit dari gerak tubuh yang berputar ketika bebas untuk berkeliling pada bidang horisontal, seperti gasing berputar di trotoar, atau lingkaran atau sepeda di jalan.

MEMS

Sebuah MEMS giroskop mengambil ide dari Foucault pendulum dan menggunakan elemen bergetar, yang dikenal sebagai MEMS (Micro Electro-Mechanical System). Gyro berbasis MEMS awalnya dibuat praktis dan producible oleh Systron Donner Inertial (SDI). Hal ini, SDI adalah produsen besar MEMS giroskop.

FOG

Sebuah giroskop serat optik (FOG) adalah sebuah giroskop yang menggunakan interferensi cahaya untuk mendeteksi rotasi mekanik. Sensor adalah kumparan sebanyak 5 km dari serat optik. Pengembangan rendah-rugi single-mode serat optik pada awal tahun 1970 untuk industri telekomunikasi memungkinkan pengembangan Sagnac efek gyros serat optik.

VSG atau CVG

Sebuah fiber optic gyroscope (VSG), juga disebut coriolis vibratory gyroscope (CVG), menggunakan resonator yang terbuat dari paduan logam yang berbeda. Ini mengambil posisi antara akurasi rendah, rendah-biaya giroskop MEMS dan akurasi lebih tinggi dan lebih tinggi-biaya FOG. Parameter akurasi ditingkatkan dengan menggunakan bahan intrinsik rendah redaman, vacuumization resonator, dan elektronik digital untuk mengurangi drift bergantung pada temperatur dan ketidakstabilan sinyal kontrol.

High-Q Wine-Glass Resonators untuk sensor yang tepat seperti HRG atau CRG didasarkan pada Bryan "efek gelombang inersia". Mereka terbuat dari tinggi kemurnian kaca kuarsa atau dari single-kristal safir .

DTG

Sebuah dynamically tuned gyroscope (DTG) adalah sebuah rotor ditangguhkan oleh gabungan universal dengan pivot lentur. Kekakuan lentur semi independen dari tingkat spin. Namun, inersia dinamis (dari efek reaksi gyroscopic) dari gimbal menyediakan kekakuan pegas negatif sebanding dengan kuadrat dari kecepatan putaran (Howe dan Savet, 1964; Lawrence, 1998). Oleh karena itu, pada kecepatan tertentu, yang disebut kecepatan tuning, dua momen membatalkan satu sama lain, membebaskan dari torsi rotor, kondisi yang diperlukan untuk giroskop yang ideal.

London moment

Sebuah London moment giroskop bergantung pada kuantum mekanik fenomena , dimana berputar superkonduktor menghasilkan medan magnet yang sumbu garis sama persis dengan sumbu putar dari rotor gyroscopic. Sebuah magnetometer menentukan orientasi medan yang dihasilkan, yang interpolasi untuk menentukan sumbu rotasi. Giroskop jenis ini bisa sangat akurat dan stabil. Sebagai contoh, yang digunakan dalam Gravity Probe B percobaan mengukur perubahan dalam orientasi sumbu giroskop berputar untuk lebih dari 0,5 milliarcseconds (1,4 × 10 ^-7 derajat) selama satu tahun. Hal ini setara dengan pemisahan sudut lebar rambut manusia dilihat dari 32 kilometer (20 mil) jauhnya.

The GP-B terdiri dari giro yang hampir-sempurna bola berputar massal terbuat dari kuarsa leburan , yang menyediakan dielektrik dukungan untuk lapisan tipis niobium superkonduktor material. Untuk menghilangkan gesekan ditemukan di bantalan konvensional, rotor perakitan berpusat oleh medan listrik dari enam elektroda. Setelah awal spin-up oleh jet helium yang membawa rotor ke 4.000 RPM , perumahan giroskop dipoles adalah dievakuasi ke vakum ultra tinggi untuk mengurangi drag pada rotor. Asalkan suspensi elektronik tetap bertenaga, ekstrim simetri rotasi , kurangnya gesekan, dan drag rendah akan memungkinkan momentum sudut dari rotor untuk tetap berputar selama sekitar 15.000 tahun.

Sebuah DC sensitif SQUID magnetometer mampu membedakan perubahan sebagai kecil sebagai satu kuantum , atau sekitar 2 × 10 ^-15 Wb , digunakan untuk memantau giroskop. Sebuah presesi, atau memiringkan, dalam orientasi rotor menyebabkan momen London medan magnet bergeser relatif terhadap perumahan. Bidang bergerak melewati sebuah superkonduktor lingkaran penarik tetap untuk perumahan, mendorong arus listrik kecil. Arus menghasilkan tegangan pada hambatan shunt , yang memutuskan untuk koordinat bola dengan mikroprosesor. Sistem ini dirancang untuk meminimalkan Lorentz torsi pada rotor.

menggunakan modern

Selain digunakan dalam kompas, pesawat perangkat komputer, menunjuk, dll, giroskop telah diperkenalkan ke elektronik konsumen. Sejak giroskop memungkinkan perhitungan orientasi dan rotasi, desainer telah memasukkan mereka ke teknologi modern. Integrasi giroskop telah memungkinkan untuk pengakuan yang lebih akurat gerakan dalam ruang 3D dari accelerometer tunggal sebelumnya dalam sejumlah smartphone. Scott Steinberg, dikenal karena kritik pada teknologi baru dirilis, mengatakan bahwa penambahan baru dari giroskop di iPhone 4 dapat "benar-benar mendefinisikan kembali cara kita berinteraksi dengan aplikasi download".

Nintendo telah terintegrasi giroskop ke dalam Wii konsol Wii Remote controller dengan sepotong tambahan hardware yang disebut " Wii MotionPlus ". Hal ini juga termasuk dalam 3DS, yang mendeteksi gerakan saat berputar.

Menggabungkan data accelerometer dan giroskop.

Langkah pertama dalam menggunakan sebuah perangkat yang menggabungkan kombinasi IMU accelerometer dan giroskop adalah untuk menyelaraskan mereka sistem koordinat. Cara termudah untuk melakukannya adalah untuk memilih sistem koordinat accelerometer sebagai sistem koordinat Anda referensi. Data accelerometer yang paling lembar akan menampilkan arah X, Y, Z sumbu relatif terhadap citra chip fisik atau perangkat. Sebagai contoh di sini adalah arah dari X, Y, Z sumbu seperti yang ditunjukkan dalam spesifikasi untuk Acc_Gyro papan:

Langkah berikutnya adalah:

- Mengidentifikasi output giroskop yang sesuai dengan RateAxz, nilai-nilai RateAyz dibahas di atas.
- Menentukan apakah output tersebut perlu dibalik karena posisi fisik giroskop relatif terhadap accelerometer

Jangan berasumsi bahwa jika giroskop memiliki output ditandai X atau Y, itu akan sesuai dengan setiap sumbu dalam sistem koordinat accelerometer, bahkan jika output ini merupakan bagian dari unit IMU. Cara terbaik adalah untuk menguji itu.

Berikut adalah urutan sampel untuk menentukan output dari giroskop sesuai dengan nilai RateAxz dibahas di atas.

- Mulai dari menempatkan perangkat dalam posisi horisontal. Kedua X dan output Y dari accelerometer akan output tegangan nol-g (misalnya untuk Acc_Gyro board ini 1.65V)
- Awal berikutnya perangkat berputar di sekitar sumbu Y, cara lain untuk mengatakan itu adalah bahwa Anda memutar perangkat di pesawat XZ, sehingga X dan Z accelerometer perubahan output dan output Y tetap konstan.
- Sementara memutar perangkat pada catatan kecepatan konstan yang giroskop perubahan output, output giroskop lain harus tetap konstan
- Output giroskop yang berubah selama rotasi di sekitar sumbu Y (rotasi di pesawat XZ) akan memberikan nilai masukan untuk AdcGyroXZ, dari mana kita menghitung RateAxz
- Langkah terakhir adalah untuk memastikan arah rotasi sesuai dengan model kami, dalam beberapa kasus, Anda mungkin harus membalikkan nilai RateAxz karena posisi fisik giroskop relatif terhadap accelerometer
- Tampil lagi tes di atas, memutar perangkat di sekitar sumbu Y, kali ini memantau output X dari accelerometer (AdcRx dalam model kita). Jika AdcRx tumbuh (yang pertama 90 derajat rotasi dari posisi horisontal), maka AdcGyroXZ harus menurun. Hal ini disebabkan kenyataan bahwa kita sedang memantau vektor gravitasi dan bila perangkat berputar di satu arah vektor akan memutar dalam arah yang berlawanan (relatif terhadap sistem coordonate perangkat, yang kita gunakan).