Come funzionano i giroscopi mems
Come funziona un giroscopio MEMS?
I giroscopi MEMS sono più utili dei giroscopi tradizionali perché generalmente misurano la velocità angolare e lo spostamento angolare. Le misurazioni della velocità angolare sono più utili perché lo spostamento angolare e la velocità possono essere misurati indirettamente nel tempo.
Esistono molte tecniche che possono essere utilizzate per rilevare la velocità angolare di un giroscopio MEMS. Queste tecniche hanno spesso una cosa in comune, ovvero utilizzano un blocco vibrante invece di un blocco rotante. Il blocco vibrante resiste alle variazioni della direzione assiale della vibrazione anche se la struttura ad esso collegata è rotante. Pertanto, lo stesso effetto di rilevamento della rotazione può essere ottenuto utilizzando la vibrazione anziché la rotazione completa e la rotazione completa è più difficile da ottenere nei dispositivi MEMS.
Il fenomeno fisico alla base dei giroscopi MEMS è l'effetto Coriolis. Questo fenomeno si verifica quando un L'oggetto si muove in direzione lineare in un piano di riferimento rotante. Supponiamo che tu sia in piedi su una giostra rotante che sta ruotando e che la posizione sia contrassegnata come t1. Se decidi di andare subito, puoi apprezzare l'effetto Coriolis.
Vettori di velocità e accelerazione presentati nell'effetto Coriolis.
Secondo la fisica, sappiamo che ogni punto su una giostra ha una velocità istantanea Ωr, dove Ω è la velocità di rotazione e r è il raggio del punto sul legno rotante. Quindi ogni vettore di velocità blu nella figura 1 ha un'ampiezza Ωr, e se ci si trova in qualsiasi punto, si avrà la stessa velocità tangenziale. Il vettore rosso di velocità costante rappresenta la velocità radiale ed è la velocità con cui si esce. Man mano che ti avvicini all'esterno, la tua velocità tangenziale aumenterà. Questo ottiene un effetto di semi-accelerazione dall'effetto di Coriolis, con un valore pari a Ωv, dove v rappresenta la velocità radiale.
Figura 1. Vettori di velocità e accelerazione presenti nell'effetto Coriolis
La seconda parte dell'accelerazione di Coriolis proviene dal vettore di accelerazione. Se si osservano i vettori rossi di velocità in t1 e t2, si noterà che le loro ampiezze sono le stesse, ma sono in direzioni diverse. Questo cambiamento di direzione del vettore velocità significa che ci deve essere un'accelerazione tangenziale nella direzione del vettore verde. Questa accelerazione è l'altra metà dell'accelerazione di Coriolis, che è anche uguale a Ωv. Pertanto, se si sommano due vettori di accelerazione indipendenti, è possibile ottenere 2Ωv. Se la tua massa è m, questa accelerazione ti applicherà 2Ωvm. Questa forza produce una controforza della stessa grandezza e direzione opposta sulla giostra, con un valore pari a –2 Ω vm. Poiché si tratta di un valore negativo, la direzione della forza è opposta alla direzione di rotazione.
Se stai tornando al centro del carosello, tutti i calcoli matematici sono gli stessi, tranne per il fatto che il vettore di velocità rosso ora punta all'interno, facendoli apparire con segni opposti. L'equazione finale per la tua reazione a questo punto è –2 Ω (–v) m, o 2 Ω vm. Quindi, se si entra, l'entità della reazione prodotta sulla giostra rimarrà la stessa, nella stessa direzione del senso di rotazione.
Per rappresentare visivamente un giroscopio MEMS, una persona può essere sostituita con un blocco di microvibrazione a movimento radiale e sostituire la giostra con qualsiasi struttura su cui si desidera montare il giroscopio.
Il microblocco m vibrerà avanti e indietro, producendo così una forza di Coriolis verticale della stessa frequenza. L'entità di queste forze è pari a ±2 Ωvm ed è direttamente proporzionale alla velocità angolare Ω del sistema complessivo. Queste forze causeranno la parte bianca del componente mostrato nella Figura 2 per essere spinto da un lato all'altro, e questi spostamenti possono essere rilevati come variazioni di capacità.
Figura 2. Implementazione di un giroscopio MEMS
A questo punto, ciò di cui il giroscopio ha bisogno è utilizzare il circuito pertinente per rilevare l'oscillazione del condensatore, convertirla in una tensione e quindi raddrizzare ed emettere una tensione CC. Lo scopo di questo circuito è convertire la velocità di rotazione in una tensione. Alcuni produttori di giroscopi stanno integrando tutte queste funzioni in un unico pacchetto, consentendo una soluzione piccola, efficiente ma conveniente. Alcuni produttori di giroscopi MEMS hanno adottato il metodo di condizionamento del segnale più semplice per ridurre il prezzo del prodotto, quindi sono necessari circuiti esterni per ottenere la regolazione del segnale e una misurazione accurata.
Le principali aree di applicazione del giroscopio MEMS
Campo industriale:
Nel campo del petrolio e dell'estrazione mineraria, il giroscopio mems è ampiamente utilizzato nell'estrazione del carbone e nell'esplorazione petrolifera. Utilizzando la struttura di vibrazione interna per determinare la velocità del bit e quindi determinare l'inclinazione del pozzo, l'orientamento, la faccia dell'utensile e altri parametri, è possibile realizzare il monitoraggio in tempo reale della traiettoria del pozzo e della posizione del bit per garantire che la profondità del pozzo raggiunga la posizione predeterminata. A differenza dei sensori tradizionali, i giroscopi MEMS presentano evidenti vantaggi nelle applicazioni di perforazione, i giroscopi MEMS sono più piccoli, hanno un consumo energetico inferiore e un costo inferiore; L'inclinometro giroscopico MEMS può ottenere i dati di misurazione in tempo reale dopo l'arresto della pompa, il che migliora notevolmente l'efficienza della costruzione e riduce i costi di costruzione. Allo stesso tempo, rispetto ai giroscopi meccanici, i giroscopi MEMS possono resistere a condizioni estreme come urti e vibrazioni del pozzo, non devono essere ricalibrati durante l'uso e consumano meno energia. ER-MG2-50/100, questo giroscopio è molto adatto per questo campo di applicazione, ha un sensore giroscopico MEMS ad alte prestazioni con instabilità di polarizzazione di 0,01-0,02 ° / ora e 0,0025 ° / √ di camminata casuale angolare di 0,0025-0,005 ° / ed è appositamente progettato per la ricerca del nord, il puntamento, l'allineamento iniziale negli strumenti di registrazione / strumenti giroscopici, attrezzature minerarie / di perforazione.
Campo aerospaziale:
nel campo aerospaziale, i giroscopi mems sono ampiamente utilizzati nel sistema di controllo dell'assetto degli aerei. Misurando la velocità angolare e l'angolo dell'aeromobile, le informazioni sull'assetto dell'aeromobile possono essere inviate in tempo reale per aiutare l'aeromobile a mantenere uno stato di volo stabile. Allo stesso tempo, i giroscopi mems possono essere utilizzati anche nel sistema di navigazione dell'aeromobile per fornire informazioni accurate sulla direzione e sulla posizione per aiutare l'aeromobile a navigare e posizionarsi.
Settore della navigazione automobilistica:
Nel campo della Navigazione automobilistica, i giroscopi MEMS sono utilizzati nei sistemi di navigazione dei veicoli. Misurando l'angolo di sterzata e la velocità di sterzata dell'auto, il giroscopio mems può monitorare lo stato di guida dell'auto in tempo reale, aiutando il sistema di navigazione a calcolare con precisione la posizione e la direzione del veicolo. Negli ambienti urbani, a causa dell'instabilità dei segnali GPS, i giroscopi mems possono fornire aiuti alla navigazione affidabili e migliorare la precisione e l'affidabilità dei sistemi di navigazione.
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