Použití gyroskopů je vedle akcelerometrů další možností, jak měřit pohyb, změnu polohy nebo natočení a otáčení. V nabídce firmy Analog Devices lze nalézt miniaturní gyroskopy, které jsou díky technologii MEMS integrovány spolu s logikou na jednom chipu.

Gyroskopy jsou již dlouhou dobu známy a využívány pro měření a určování změny polohy nebo natočení libovolného předmětu, ke kterému jsou připevněny. Dříve však bylo možné použít je mechanické provedení, případně optické s využitím světla, světlovodných vláken. Dnes je již lze ale najít v integrované podobě klasických součástek obsahující mimo samotný snímač i celou škálu vyhodnocovacích obvodů a logiky. Výstup je pak analogový, digitální nebo obojí. Díky tomu lze gyroskopy použít i v běžných aplikacích, nejen ve vědě a výzkumu. Například dnes běžné přesné určování pozice a sledování pohybu objektů přes GPS by bez gyroskopů nebylo možné.

Použití gyroskopů

 

• Detekce a měření rotačního pohybu
• Stabilizační jízdní systémy automobilů
• Zpřesňování pozice systémů GPS
• Stabilizace obrazu a předmětů
• Zjišťování změny polohy, detekce pohybu
• Měření setrvačnosti
• Měření náklonu
• Detekce převrácení, např. automobilu
• Navádění a řízení raket, letadel, robotů apod.
• atd.

Obecný princip gyroskopů MEMS

Gyroskopy jsou obecně určené pro měření úhlové rychlosti, tzn. údaj o tom, jak se měřený objekt rychle otáčí, v jednotkách stupňů/sekundu (°/s). Rotaci je možné typicky měřit vzhledem k jedné ze tří os z, y, x, někdy označované jako svislá (kolmá) osa (yaw axis), příčná osa (pitch axis) a podélná osa (roll axis) - viz. obrázek 1. V tomto článku uváděné gyroskopy, vyráběné jako integrované MEMS obvody pracující na principu Coriolisovy síly, umění měřit pouze v jednom směru - kolmém na plochu chipu (yaw axis). Pro jiné směry je nutné zajistit správné natočení a umístění součástky.

Co je to Coriolisova síla a jak se projevuje ?

K dobrému pochopení principu dále uvedených senzorů - gyroskopů je nutné si alespoň stručně připomenout, co to je tzv. Coriolisova síla. Základní poučka z fyziky by mohla znít například takto: Coriolisova síla je tzv. virtuální síla, která působí na libovolný hmotný předmět či objekt, který se pohybuje rychlostí v v soustavě rotující kolem osy rotace úhlovou rychlostí ω (FC = 2 . m . v x ω, kde x je vektorový soucin).

Jednodušeji to lze vysvětlit například dle obrázku 2., kde se nějaká slečna pohybuje určitou rychlostí v od středu rotujícího kruhu k jeho okraji. Přitom na ni působí vzrůstající virtuální síla (Coriolisova síla), která má maximální velikost u kraje kotouče. Stejná síla tak působí na všechny hmotné objekty na naší planetě, protože ta je právě takovou soustavou otáčející se pravidelně kolem své osy. Podle vzorce pak na severní polokouli působí (stáčí objekt) ve směru hodinových ručiček, na jižní pak v protisměru. Na rovníku je síla nulová, na pólech maximální. Praktický důsledek lze například pozorovat v točení vírů při odtoku vody z umyvadla nebo u tornáda, vymleté pravé břehy řek nebo více opotřebované pravé kolejnice na jednosměrných železničních tratích.

Stejného účinku se pak využívá i mechanických gyroskopech - viz. obrázek 3. Zde při pohybu objektu, upevněného na pružinách uvnitř rámu, směrem ven (k okraji rotujícího kotouče) na něj působí Coriolisova síla směrem doleva, při opačném směru pohybu objektu pak doprava. Protože velikost a směr této síly je úměrný i velikosti úhlové rychlosti a směru otáčení, lze tento systém s úspěchem využít pro jejich měření.

Příklad provedení samotného MEMS snímače

Při praktickém použití Coriolisovy síly v integrovaných gyroskopech se využívá technologie MEMS, kde se vytváří na chipu spolu s elektrickými obvody i mechanické mikrosoučásti, které tvoří samotný snímač. Různí výrobci sice používají trošku odlišné struktury, ale základní princip je vždy podobný a dá se znázornit obrázkem 4.

Základ tvoří rezonující struktura (resonationg mass) upevněná v rámu (inner frame), která se vlivem vlastní mechanické rezonance, zde reprezentované pružinami (springs), pohybuje v uvedeném směru (Mass drive direction) - kolmém na směr otáčení (viz. obrázek 5.). Přitom vzniká Coriolisova síla úměrná úhlové rychlosti otáčení, která stlačí vnější pružiny rámu a způsobí vzájemný posuv měřících plošek (Coriolis sense fingers) fungující jako elektrody vzduchových kondenzátorů. Výstup je tedy změna kapacity úměrná úhlové rychlosti otáčení °/s.

Integrované gyroskopy iMEMS firmy Analog Devices

V součastnosti k nejznámějším a nejdostupnějším integrovaným gyroskopům patří výrobky firmy Analog Devices, nejnověji řada ADXRSxxx. Tyto obvody integrují vše potřebné v "hranatých" pouzdrech BGA rozměrů 7 x 7x 3 mm. Uvnitř se skrývá jak samotný snímač - gyroskop (rate ), tak veškeré vyhodnocovací a řídící bloky - viz. blokové schéma na obrázku 6.

Jádrem obvodu je samotný snímač (Rate Sensor), na který jsou "navěšeny" rezonanční obvody (Resonator Loop) pro generování pohybu snímače (popis viz. dále), obvody zpracování výstupního signálu snímače (Coriolis signal channel), testovací obvody (Self-test), obvody nábojové pumpy pro generování napětí pro rezonanční obvody, interní teplotní senzor a obvody referenčního zdroje napětí. Celý chip je provedený technologií iMEMS (integrated micro electro-mechanical system), kombinující mechanický snímač s již zmíněnými elektrickými bloky - viz. obrázek 7.

Obr. 7. Reálná struktura chipu gyroskopu ADXRS300

Strukturu samotného snímače gyroskopu (viz. obrázek 8.) tvoří takové dva čtvercové polykřemíkové rámy (inner frame), každý obsahující rezonanční strukturu (resonating mass) zajišťující nutnou pohybovou složku k vytvoření Coriolisovy síly (drive direction)). Pohyb tohoto pružně upevněného meandru je zajišťován rezonančními piezoelektrickými budícími obvody, které jej přivedou do oblasti vlastní mechanické rezonance na frekvenci 14 kHz. Funkce je tedy shodná s principem uvedeným již výše v článku. Při otáčení součástky kolem jejího středu, je tak působící Coriolisova síla převáděna na změnu kapacity prostřednictvím změny vzdálenosti mnoha elektrod po stranách snímače (Coriolis Sense Fingers). Struktura je duální z důvodu potlačení vlivu nežádoucích externích rezonancí a nárazových šoků obvodu, které se na výstupu obvodu projevují jako nežádoucí šum.

Z pohledu elektrických vlastností a rozhraní jsou obvody řady ADXRSxxx vybaveny analogovým výstupem na pinu RATEOUT, který dává lineární napětí v rozsahu 0.25 až 4.75 V přímo úměrné měřenému úhlovému zrychlení - viz. obrázek 9. Hlavní parametry obvodů uvedené řady je možné vidět v tabulce 1.

 

Závěr

Integrované gyroskopy (senzory úhlové rychlosti) jsou velmi zajímavé obvody, o kterým se, dle mého názoru, stále ještě málo ví. Přitom se dají použít v mnoha aplikacích, všude tam, kde je nutné přesně měřit rychlost otáčení v řádech desítek otáček za minutu nebo měřit a detekovat i velmi rychlá natočení či pootočení. Pro bližší a popdrobnější informace odkazuji na datasheety součástek a na stránky výrobce - www.analog.com.

DOWNLOAD & Odkazy

• Domovská stránka firmy Analog Devices - www.analog.com
  
  
• Katalogový list obvodu ADXRS300 (194 kB)
• Katalogový list obvodu ADXRS150 (521 kB)
• Katalogový list obvodu ADXRS401 (414 kB)
  
  
• Další články týkající se senzorů na serveru automatizace.HW.cz