معرفی سنسور ژیروسکوپ

سنسور ژیروسکوپ برای اندازه گیری و حفظ حرکت دورانی جسم است که بر اساس فناوری MEMS ساخته می شود. این سنسورها کوچک و ارزان هستند و سرعت زاویه ای جسم را اندازه می گیرند. واحد سرعت زاویه ای، درجه بر ثانیه (°/s) یا دور بر ثانیه (RPS) است. به بیان دیگر سرعت زاویه ای، سرعت چرخش جسم است.

سنسور ژیروسکوپ MEMS چگونه عمل می کند؟

سنسور ژیروسکوپ MEMS با استفاده از اثر کوریولیس (Coriolis Effect) سرعت زاویه ای را اندازه گیری می کند. با توجه به شکل زیر، اگر به جسمی که با سرعت مشخص در یک جهت مشخص حرکت می کند (فلش قرمز)، سرعت زاویه ای در جهت نشان داده شده (فلش سبز) اعمال شود، نیرویی در جهت عمود بر حرکت جسم به آن وارد می شود (فلش آبی). مشابه با سنسور شتاب سنج، جابجایی جسم موجب تغییر ظرفیت خازن ها در ساختار سنسور می شود که با اندازه گیری آن، سرعت زاویه ای قابل محاسبه است. 

ساختار ساده شده ی میکرو سنسور ژیروسکوپ در شکل زیر آورده شده است. همان طور که گفته شد، اعمال سرعت زاویه ای به جسم در حال حرکت باعث حرکت قسمت منعطف جسم در جهت عمود بر حرکت آن می شود. به عبارت دیگر جسم در راستای محور z می چرخد و در راستای دو محور دیگر هیچ چرخشی قابل اندازی گیری نخواهد بود.

سنسورهای ژیروسکوپ سه محوره

با استفاده از سنسورهای ژیروسکوپ MEMS سه محوره (به عنوان مثال GY-25 که در شکل آمده) می توان چرخش را حول سه محور x، y و z اندازه گیری کرد. همچنین ژیروسکوپ های سه محوره کوچکتر، ارزانتر و پر کاربردتر هستند.

نحوه عملکرد ژیروسکوپ سه محوره

نحوه عملکرد ژیروسکوپ سه محوره به این صورت است که هنگامیکه ژیروسکوپ دور یک محور خاص می چرخد، اثر کوریولیس باعث ایجاد یک لرزش می شود که توسط MEMS تشخیص داده می شود. سپس سیگنال خروجی دمدوله، تقویت و فیلتر می شود تا ولتاژی که متناسب با سرعت زاویه ای است را ایجاد کند. برای هر محور، ولتاژ آنالوگ با استفاده از مبدل آنالوگ به دیجیتال 16 بیتی (ADC) به ولتاژ دیجیتال تبدیل می شود تا در نهایت توسط میکروکنترلر خوانده شود. محدوده اندازه گیری این ژیروسکوپ ها می تواند یکی از 250+/-، 500+/-، 1000+/- و 2000+/- باشد. 

کاربرد سنسورهای ژیروسکوپ

سنسورهای ژیروسکوپ می توانند جهت و میزان چرخش حرکت اجسام را تعیین کنند و به همین دلیل در سیستم های ناوبری اتوماتیک کاربرد دارند. به عنوان مثال، برای ایجاد تعادل در ربات می توان از یک سنسور ژیروسکوپ برای اندازه گیری میزان چرخش ربات از حالت تعادل استفاده کرد تا به این ترتیب موتور با دریافت دستوراتی، حرکت ربات را اصلاح کند تا ربات بتواند تعادل خود را حفظ کند.

نکته: ژیروسکوپ ها در دستگاه هایی که نیاز به چرخش سریع دارند، به کار نمی روند. بلکه در دستگاه هایی که در هر محور به میزان کم می چرخند، کاربرد دارند. ژیروسکوپ ها با تشخیص این تغییرات کوچک، موجب حفظ تعادل در دستگاه می شوند. همچنین سنسور ژیروسکوپ سرعت خطی یا شتاب جسم را اندازه گیری نمی کند و تنها سرعت زاویه ای را اندازه می گیرد.

فناوری MEMS یا سیستم میکرو الکترومکانیکی چیست؟

 MEMS یک فناوری است که به طور کلی از اجزای بسیار کوچک مکانیکی و الکترومکانیکی تشکیل شده است. ابعاد فیزیکی سیستم های MEMS میتواند از کمتر از یک میکرون تا چند میلیمتر باشد. MEMS از ساختارهای مینیاتوری، میکروسنسورها و میکرو عملگرها ساخته شده اند. میکرو سنسورها و میکرو عملگرها با هم یک مبدل یا transducer را تشکیل میدهند که انرژی را از حالتی به حالت دیگر تبدیل میکند. 

در فناوری MEMS سنسورها، عملگرها و ساختارهای مینیاتوری روی یک زیرلایه سیلیکونی با مدارهای مجتمع ادغام میشوند. برای ساخت قطعات MEMS از فرآیند ماشین کاری میکرونی یا micromachining استفاده میشود که در آن قسمتی از ویفر زدایش یا یک لایه جدید به آن افزوده میشود. 

نمونه هایی از فناوری MEMS

سیستم روی تراشه (SoC) که در که در گوشی های موبایل جهت صفحه نمایش را تنظیم می کند،یک نمونه کاربردی از فناوری MEMS است. با توجه به اینکه سیستم MEMS روز به روز کوچکتر می شود، در نتیجه به توان مصرفی کمتری نیاز خواهند داشت و همچنین هزینه کمتری برای ساخت آن نیاز است.

• در اینترنت اشیا (IoT) و طراحی خانه های اتوماتیک
• سیستم های سرمایشی و گرمایشی سنسور دار برای سیستم های مدیریت ساختمان
• گرد هوشمند برای تشخیص تغییرات محیطی در اتاق تمیز آزمایشگاه های نانو
• میکرونازل برای کنترل جریان جوهر در چاپگرهای جوهر افشان
• ژیروسکوپ ، فشارسنج ، شتاب سنج و میکروفون های کوچک برای پشتیبانی از برنامه های موبایل
• سنسورهای فشار یکبار مصرف برای استفاده در مراقبت های بهداشتی
• سوئیچ های نوری که امکان کنترل یک سیگنال نوری توسط سیگنال نوری دیگر را می دهد
• کیسه هوا (airbag)، سیستم مانیتورینگ فشار باد لاستیک (TPMS) و کنترل پایداری الکترونیکی (ESC)
• پمپ انسولین قابل پوشیدن برای کنترل دیابت

چگونه از سنسور ژیروسکوپ استفاده کنیم؟

اصلی ترین سخت افزاری که برای اتصال ژیروسکوپ نیاز است منبع تغذیه و واسط ارتباطی است. برای اطلاعات بیشتر در مورد سنسور و چگونگی اتصالات آن میتوان به دیتاشیت سنسور مراجعه کرد. 

انواع واسط ارتباطی در سنسور ژیروسکوپ

بطور کلی سنسورها می توانند دو نوع واسط ارتباطی آنالوگ و دیجیتال داشته باشند.

1) ژیروسکوپ با واسط دیجیتال از پروتکل های ارتباطی SPI یا I2C استفاده می کند. سنسور با استفاده از این واسط می تواند به راحتی با یک میکروکنترلر ارتباط برقرار کند. یکی از محدودیت های واسط دیجیتال، حداکثر نرخ ارسال است. واسط I2C دارای حداکثر نرخ ارسال 400 هرتز است. اما واسط SPI نرخ ارسال بیشتری ارائه می دهد.

2 ) ژیروسکوپ با واسط آنالوگ سرعت زاویه ای را با استفاده از ولتاژ متغیر که معمولا مقدارش بین زمین (صفر ولت) و ولتاژ تغذیه است، نشان می دهد. به کمک واحد ADC میکروکنترلر می توان سیگنال را خواند. ژیروسکوپ های آنالوگ معمولاً ارزان تر هستند و گاهی اوقات بسته به نحوه خواندن سیگنال آنالوگ، می توانند دقیقتر باشند.

انتخاب منبع تغذیه مناسب

ژیروسکوپ های MEMS اغلب کم مصرف هستند. جریان مصرفی آن ها در حدود چند میلی آمپر یا میکرو آمپر است. ولتاژ تغذیه این سنسورها معمولا 5 ولت یا کمتر است. باید به این نکته توجه داشت که در واسط های دیجیتال، خطوط 5 ولت به 5 ولت و 3.3 ولت به 3.3 ولت وصل شوند. به دلیل اینکه سنسورها با واسط دیجیتال می توانند در حالت ” sleep mode” یا “low power” قرار بگیرند، می توان از آنها در برنامه هایی که باتری منبع تغذیه است، استفاده کرد که این یک مزیت نسبت به ژیروسکوپ آنالوگ محسوب می شود.

چگونه یک ژیروسکوپ انتخاب کنیم؟

معیارهای زیادی برای انتخاب ژیروسکوپ وجود دارد که در اینجا برخی از مهم ترین آنها آورده شده است:

1) محدوده اندازه گیری

محدوده کامل اندازه گیری یا full-scale range ژیروسکوپ، بیشترین سرعت زاویه ای است که ژیروسکوپ می تواند اندازه بگیرد. برای انتخاب نوع ژیروسکوپ جسمی که سرعت زاویه ای آن قرار است اندازه گیری شود، مهم است. به عنوان مثال آیا جسم مورد اندازه گیری، یک گرامافون با دور کند است یا یک چرخ با سرعت بالا ؟

2) حساسیت سنسور

حساسیت بر حسب میلی ولت بر درجه بر ثانیه (mV/°/s) بیان می شود و میزان تغییرات ولتاژ برای یک سرعت زاویه ای مشخص را تعیین می کند. به عنوان مثال، اگر حساسیت یک سنسور ژیروسکوپ 30mV/°/s و میزان تغییرات ولتاژ در خروجی 300 میلی ولت باشد، یعنی سنسور با نرخ 10 s/° چرخیده است. بنابراین با افزایش حساسیت، محدوده اندازه گیری کاهش می یابد و بالعکس.

3) خطای سنسور

هر سنسوری دارای مقداری خطای اندازه گیری است. می توان زمانی که سنسور ژیروسکوپ بی حرکت و ساکن است با اندازه گیری خروجی سنسور، میزان خطا را مشخص کرد. با وجود اینکه انتظار می رود که در این حالت، مقدار صفر را نشان دهد، اما معمولاً یک مقدار کوچک غیر صفر است که معمولاً خطای انحرافی یا خطای بی ثباتی نامیده می شود.

دمای سنسور به طور قابل توجهی بر میزان خطای اندازه گیری تأثیر می گذارد. برای کنترل میزان خطا در ژیروسکوپ ها یک سنسور دما قرار دارد. بنابراین می توان دمای سنسور را خوانده و تغییرات وابسته به دما را اصلاح کرد. به منظور اصلاح این خطا‌ها ژیروسکوپ باید کالیبره شود. این کار با ساکن نگه داشتن ژیروسکوپ و صفر کردن همه مقادیر خوانده شده در کد برنامه‌ صورت می‌گیرد.