جيروسكوب ذو بنية مهتزة

طُوِّر هذا النوع من الجيروسكوبات بواسطة شركتي GEC-Marconi و Ferranti في ثمانينيات القرن الماضي باستخدام سبائك معدنية مزودة بعناصر كهرضغطية وتصميم كهرضغطي خزفي متكامل. وفي تسعينيات القرن نفسه، أنتجت شركة Inertial Engineering الأمريكية في كاليفورنيا جيروسكوبات CRG مزودة بآلية إثارة وقراءة مغناطيسية كهربائية، بينما أنتجت شركة Watson Industries نسخًا كهرضغطية خزفية منها. أما النسخة الحاصلة على براءة اختراع مؤخرًا من شركة Innalabs، فتستخدم تصميمًا رنانًا أسطوانيًا مصنوعًا من سبيكة Elinvar، مزودًا بعناصر كهرضغطية خزفية للإثارة والقراءة في قاعدته.

أدت هذه التقنية إلى زيادة كبيرة في عمر المنتج ( MTBF > 500000 ساعة)؛ ومقاومتها للصدمات (>300 جم ) تجعلها مؤهلة للتطبيقات التكتيكية (متوسطة الدقة).

يعمل الرنان في نمط الرنين من الدرجة الثانية. عادةً ما يكون عامل الجودة حوالي 20000، وهو ما يحدد مستوى الضوضاء والحركة العشوائية الزاوية . الموجات المستقرة عبارة عن تذبذبات بيضاوية الشكل بأربع عقد وأربع بطون موزعة على محيط الحافة.

الزاوية بين كل زوج من العقد والبطون المتجاورة هي 45 درجة. يتم تحفيز أحد أنماط الرنين الإهليلجية بسعة محددة . عندما يدور الجهاز حول محوره الحساس (على طول ساقه الداخلية)، فإن قوى كوريوليس الناتجة المؤثرة على عناصر الكتلة المهتزة للرنان تُحفز نمط الرنين الثاني. الزاوية بين المحورين الرئيسيين للنمطين هي أيضًا 45 درجة.

تعمل حلقة تحكم مغلقة على إيقاف الرنين الثاني، وتتناسب القوة اللازمة لإيقاف هذا الرنين طرديًا مع معدل دوران الإدخال. تُسمى حلقة التحكم هذه بنمط إعادة توازن القوة .

تُنتج العناصر الكهروإجهادية الموجودة على الرنان قوىً وتستشعر الحركات المُستحثة. يوفر هذا النظام الكهروميكانيكي مستوى منخفضًا من الضوضاء الخارجة ونطاقًا ديناميكيًا واسعًا، وهو ما تتطلبه التطبيقات الصعبة، ولكنه يعاني من ضوضاء صوتية شديدة وأحمال زائدة عالية.

يمكن تحفيز مادة كهرضغطية على الاهتزاز، ويمكن قياس الحركة الجانبية الناتجة عن قوة كوريوليس لإنتاج إشارة مرتبطة بمعدل الدوران. ^{[ 2 ]}

يستخدم هذا النوع من الجيروسكوب زوجًا من الكتل الاختبارية التي يتم تحريكها حتى تصل إلى حالة الرنين. ويتم قياس إزاحتها عن مستوى التذبذب لإنتاج إشارة مرتبطة بمعدل دوران النظام.

سجّل فريدريك ويليام ميريديث براءة اختراع لمثل هذا الجهاز عام 1942 أثناء عمله في المؤسسة الملكية للطائرات (RAE). وجرى تطويره لاحقًا في المؤسسة الملكية للطائرات عام 1958 على يد جي إتش هانت وإيه إي دبليو هوبز، اللذين أثبتا انحرافًا أقل من درجة واحدة في الساعة، أو (2.78 × 10⁻⁴ )°/s. ^{[ 3 ]}

تستخدم الأنواع الحديثة من الجيروسكوبات التكتيكية شوكات رنانة مزدوجة مثل تلك التي تنتجها شركة Systron Donner الأمريكية في كاليفورنيا وشركة Safran الفرنسية . ^{[ 4 ]}

يُعرف أيضًا باسم جيروسكوب الرنان نصف الكروي أو HRG، ويستخدم رنان كأس النبيذ نصف كرة صلبة رقيقة مثبتة بساق سميكة. يتم تحريك نصف الكرة مع ساقها إلى رنين انحنائي، وتُقاس نقاط العقد للكشف عن الدوران. يوجد نوعان أساسيان من هذا النظام: أحدهما يعتمد على نظام معدل التشغيل ( وضع القوة لإعادة التوازن )، والآخر يعتمد على نظام تكاملي ( وضع الزاوية الكاملة ). عادةً ما يُستخدم النوع الثاني مع إثارة بارامترية مُتحكم بها. من الممكن استخدام كلا النظامين بنفس المكونات، وهي ميزة فريدة لهذه الجيروسكوبات.

في التصميمات أحادية القطعة (أي أن الكأس نصف الكروي والساق (أو السيقان) يشكلان جزءًا متجانسًا) المصنوعة من زجاج الكوارتز عالي النقاء ، يمكن الوصول إلى عامل جودة (Q) أكبر من 30-50 مليون في الفراغ ، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في الانحرافات العشوائية. ويُحدَّد عامل الجودة (Q) بالطلاء، وهو طبقة رقيقة للغاية من الذهب أو البلاتين ، وبفقدان الطاقة في التركيب. ^{[ 5 ]} ويجب ضبط هذه الرنانات بدقة عن طريق التآكل الدقيق للزجاج باستخدام حزمة أيونية أو عن طريق الاستئصال بالليزر . ويعمل المهندسون والباحثون في العديد من البلدان على تطوير هذه التقنيات المتطورة. ^{[ 6 ]}

تُعتبر شركتا سافران ونورثروب غرومان من كبرى الشركات المصنعة لأجهزة توليد الطاقة الحرارية. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تُدار عجلة لتدور جزءًا من دورة كاملة حول محورها. ويُقاس ميل العجلة لإنتاج إشارة مرتبطة بمعدل الدوران. ^{[ 9 ]}

يمكن بناء مستشعرات الانحراف في السيارات باستخدام جيروسكوبات هيكلية مهتزة. تُستخدم هذه الجيروسكوبات للكشف عن حالات الخطأ في الانحراف مقارنةً بالاستجابة المتوقعة عند توصيلها كمدخل لأنظمة التحكم الإلكتروني في الثبات بالتزامن مع مستشعر عجلة القيادة. ^{[ 12 ]} من الممكن نظريًا أن توفر الأنظمة المتقدمة خاصية الكشف عن الانقلاب بالاعتماد على جيروسكوب هيكلي مهتز ثانٍ، ولكن من الأرخص إضافة مقاييس تسارع طولية ورأسية إلى مقياس التسارع الجانبي الموجود لهذا الغرض.

تستخدم لعبة WarioWare: Twisted! لجهاز نينتندو جيم بوي أدفانس جيروسكوبًا كهرضغطياً لرصد الحركة الدورانية. ويستخدم جهاز التحكم سوني سيكس أكسس لجهاز بلاي ستيشن 3 جيروسكوبًا واحدًا بتقنية MEMS لقياس المحور السادس (الانحراف). أما ملحق نينتندو وي موشن بلس، فيستخدم جيروسكوبات MEMS متعددة المحاور من إنتاج شركة InvenSense لتعزيز قدرات استشعار الحركة في جهاز التحكم عن بُعد الخاص بجهاز وي . ^{[ 13 ]} كما تحتوي معظم الهواتف الذكية وأجهزة الألعاب الحديثة على جيروسكوبات MEMS.

تُستخدم الجيروسكوبات ذات البنية الاهتزازية بشكل شائع في طائرات الهليكوبتر التي يتم التحكم فيها عن بُعد للمساعدة في التحكم في مروحة الذيل ، وفي الطائرات التي يتم التحكم فيها عن بُعد للمساعدة في الحفاظ على ثبات الوضع أثناء الطيران. كما تُستخدم أيضًا في وحدات التحكم في الطيران متعددة المراوح ، نظرًا لأن هذه الطائرات غير مستقرة ديناميكيًا هوائيًا بطبيعتها ولا يمكنها البقاء في الجو دون تثبيت إلكتروني.

تستخدم شركة إبسون للروبوتات جيروسكوبًا كوارتزيًا بتقنية MEMS، يُسمى QMEMS، للكشف عن الاهتزازات والتحكم بها في روبوتاتها. وهذا يساعد الروبوتات على تحديد موضع أداة النهاية بدقة عالية أثناء الحركة السريعة والتباطؤ المفاجئ. ^{[ 14 ]}

تستخدم العديد من أنظمة تثبيت الصورة في كاميرات الفيديو والكاميرات الثابتة جيروسكوبات ذات بنية اهتزازية.

يمكن أيضًا إحداث التذبذب والتحكم فيه في الجيروسكوبات ذات البنية المهتزة لتحديد مواقع المركبات الفضائية مثل كاسيني-هويجنز . ^{[ 15 ]} تعمل هذه الجيروسكوبات الرنانة نصف الكروية الصغيرة المصنوعة من زجاج الكوارتز في الفراغ. كما توجد نماذج أولية لجيروسكوبات رنانة أسطوانية معزولة مرنًا (CRGs) ^{[ 16 ] [ 17 ]} مصنوعة من الياقوت أحادي البلورة عالي النقاء . يتميز الياقوت الأبيض عالي النقاء بمعامل جودة (Q) أكبر بعشر مرات من زجاج الكوارتز المستخدم في الجيروسكوبات الرنانة نصف الكروية، إلا أن هذه المادة صلبة وتتمتع بخواص تباينية . توفر هذه الجيروسكوبات تحديدًا دقيقًا لموقع المركبة الفضائية على ثلاثة محاور، وتتميز بموثوقية عالية على مر السنين لعدم احتوائها على أجزاء متحركة.

تستخدم سيجواي جيروسكوبًا هيكليًا مهتزًا من صنع شركة Silicon Sensing Systems لتحقيق استقرار منصة المشغل. ^{[ 18 ]}