Gyrometer

Et gyrometer er et instrument som måler en vinkelhastighet . Den brukes hovedsakelig i kjøretøy (fly, båter, ubåter ...) for å måle vinkelhastigheten.

En treghetsenhet , som utvikler kurs-, holdnings- og posisjonsinformasjon, bruker tre gyrometer og tre akselerometre .

Definisjon

Den gyrometer er en bevegelsessensor . Den gir informasjon om vinkelhastighet i forhold til en treghetsreferanseramme (det vil si fast med hensyn til stjernene).

På fransk skiller vi ut gyrometeret og gyroskopet som er en vinkelposisjonssensor. Forskjellen er noen ganger subtil fordi den samme enheten kan fungere som et gyroskop eller gyrometer.

Fysiske prinsipper for gyrometrisk måling

Optiske gyrometre

Vinkelhastighetsmåling er en applikasjon av Sagnac-effekten . Vi betrakter en sirkulær optisk bane (radius R) i vakuum animert av en rotasjonsbevegelse i hastighet . Etter en stund plasseres punkt P i posisjon P '. To laserstråler kjører stien i motsatt retning. Det er mulig å vise at den optiske baneforskjellen for en gitt rotasjonsretning er nær der c er lysets hastighet . Dette uttrykket kan også skrives (med S overflaten begrenset av den beskrevne sirkelen) og generaliseres for alle overflater. ω{\ displaystyle \ omega}Δt{\ displaystyle \ Delta t}αR{\ displaystyle \ alpha R}4πR2vs.ω{\ displaystyle {\ frac {4 \ pi R ^ {2}} {c}} \ omega}4Svs.ω{\ displaystyle {\ frac {4S} {c}} \ omega}

Demonstrasjon

• Blokken er fortsatt

Lysstrålen utfører den optiske banen med en varighet . t=2πRvs.{\ displaystyle t = {\ frac {2 \ pi R} {c}}}

• blokken animeres med en hastighet , vi betrakter strålen som beveger seg i samme retning som blokken.ω{\ displaystyle \ omega}

Punkt P beveger seg til punkt P ', og . α=ω∗(t+Δt){\ displaystyle \ alpha = \ omega * (t + \ Delta t)}2πR+αR=vs.∗(t+Δt){\ displaystyle 2 \ pi R + \ alpha R = c * (t + \ Delta t)}

Ved å kombinere de tre forrige ligningene får vi (bil ) og . Δt=2πR2ω(vs.-Rω)vs.≃2πR2ωvs.2{\ displaystyle \ Delta t = {\ frac {2 \ pi R ^ {2} \ omega} {(cR \ omega) c}} \ simeq {\ frac {2 \ pi R ^ {2} \ omega} {c ^ {2}}}}vs.≫Rω{\ displaystyle c \ gg R \ omega}Δt=tRωvs.{\ displaystyle \ Delta t = t {\ frac {R \ omega} {c}}}

Så vi har og derfor . Δt≪t{\ displaystyle \ Delta t \ ll t}α≃ωt≃2πRvs.ω{\ displaystyle \ alpha \ simeq \ omega t \ simeq {\ frac {2 \ pi R} {c}} \ omega}

Forskjellen i optiske baner på grunn av rotasjonen er derfor nær der S er overflaten begrenset av den beskrevne sirkelen. αR=2πR2vs.ω=2Svs.ω{\ displaystyle \ alpha R = {\ frac {2 \ pi R ^ {2}} {c}} \ omega = {\ frac {2S} {c}} \ omega}

• Ved å gjøre det samme resonnementet for den andre strålen, får vi en optisk baneforskjell ved P 'mellom de to strålene .Δs=4Svs.ω{\ displaystyle \ Delta p = {\ frac {4S} {c}} \ omega}

 

Det samme forholdet oppnås ved å ta hensyn til brytningsindeksene og den spesielle relativiteten .

Den interferens vil tillate tilgang til forskjellen i optisk bane, og derfor til rotasjonshastigheten.

Det finnes to typer optiske gyrometers: den laser -gyroskop , og fiberoptisk gyrometer .

Mekaniske gyrometre

Gyrometre med roterende elementer

Den gyroskopiske effekten kan forstås med en topp  : i stedet for å falle, forblir toppen i balanse så lenge den roterer. I prinsippet kan den forbli på samme akse selv om støtten er vippet, så vinkelen mellom ruteren og støtten gjør det mulig å måle rotasjonen på støtten.

Denne effekten, på grunn av bevaring av vinkelmoment, gjør det mulig å konstruere måleinstrumenter. De kan fungere som et gyroskop eller som et gyrometer.

Vibrerende gyrometre

Disse gyrometre er basert på legemer som vibrerer i henhold til en viss vibrasjonsmåte (eller retning) og hvis rotasjon vil gjøre det mulig å opphisse en annen modus (eller retning) på grunn av utseendet til en kobling knyttet til Coriolis-kraften . Måling av vibrasjonsamplituden til denne parasittmodusen gjør det mulig å gå tilbake til vinkelhastigheten. Dette prinsippet brukes spesielt for mikrosystemer produsert ved mikrofabrikasjon .

applikasjoner

Gyrometre (eller gyroskoper) brukes:

• for å stabilisere en retning eller en mekanisk referanseramme, for eksempel for å stabilisere et kamera, en antenne eller et infrarødt syn på en missilsøker,
• i rakett eller rakettstyresystemer
• i autopilotsystemer for fly
• i forbindelse med akselerometre , for å bestemme posisjon, hastighet og holdning til et kjøretøy (fly, tank, båt, ubåt osv.). I dette tilfellet er det et utstyr som kalles treghetenhet .

Dette utstyret kan være komplementært til en GPS bortsett fra i applikasjoner der sistnevnte ikke kan brukes (ubåter, satellitter).

Merknader og referanser

1. Léger 1999 , 1. Definisjoner og prinsipper
2. Radix 1999 , 2.3 Gyrometri ved fasesammenligning
3. Radix 1999 , 2.2 Sammenligning av optiske baner
4. Radix 2000
5. Lefèvre 2008

Se også

Bibliografi

• Jean-Claude Radix , Optiske gyrometre , Tekniske publikasjoner for ingeniører ,10. september 1999( les online )
• Jean-Claude Radix , Mekaniske gyroskop og gyrometre med roterende element , ingeniørens tekniske utgaver ,10. mars 2000( les online )
• Pierre Léger , vibrerende mekaniske gyroer , Technical Publishing engineering ,10. desember 1999( les online )
• Hervé Lefèvre , Fra sagnac-effekten til det fiberoptiske gyrometeret , Konferanse om syklusen "Fysikk våren 2008" om temaet "Rotasjonen, spinnet",19. mars 2008( les online )

Relaterte artikler

• GPS
• Gyroskop