الجيروسكوبات عالية الأداء

النقاط الرئيسيةالمنتج: جيروسكوبات عالية الأداءسمات:قياس دقيق لمعدل الدوران مع انحياز منخفضالتعويض عن أخطاء درجة الحرارة والاهتزازاستقرار الانحياز الصفري كمؤشر أداء رئيسيتؤثر حساسية الاهتزاز (حساسية g وحساسية g2) على الأداءالتطبيقات:الفضاء الجوي، والسيارات، والصناعة، والإلكترونيات الاستهلاكيةالمزايا:دقة عالية مع تعويض درجة الحرارة والاهتزازتحسين الاستقرار مع متوسط ​​الأجهزة المتعددةتعمل مكونات مقاومة الاهتزاز على تحسين الأداءالقيود: تُعد حساسية الاهتزاز مصدرًا رئيسيًا للخطأقد لا يمكن تحقيق استقرار الانحياز الصفري إلا في الظروف المثاليةيمكن أن تؤثر الصدمات الميكانيكية على الأداء ملخص: عند اختيار الجيروسكوب، من الضروري مراعاة تقليل أكبر مصدر للخطأ. في معظم التطبيقات، تُعد حساسية الاهتزاز المصدر الأكبر للخطأ. يمكن تحسين المعايير الأخرى بسهولة عن طريق المعايرة أو حساب متوسط ​​قراءات عدة مستشعرات. يُعد استقرار الانحياز الصفري أحد المكونات ذات هامش الخطأ الأقل. عند تصفح أدلة بيانات الجيروسكوبات عالية الأداء، يركز معظم مصممي الأنظمة أولاً على مواصفات استقرار الانحياز الصفري. فهو يصف الحد الأدنى لدقة الجيروسكوب، ويُعدّ بطبيعة الحال أفضل مؤشر يعكس أداءه! مع ذلك، قد تتعرض الجيروسكوبات الفعلية لأخطاء لأسباب مختلفة، مما يجعل من المستحيل على المستخدمين الحصول على استقرار الانحياز الصفري العالي المذكور في دليل البيانات. في الواقع، لا يمكن تحقيق هذا الأداء العالي إلا في المختبر. تتمثل الطريقة التقليدية في استخدام التعويض لتقليل تأثير مصادر الخطأ هذه إلى أقصى حد ممكن. ستناقش هذه المقالة مختلف هذه التقنيات وقيودها. أخيرًا، سنتناول نموذجًا بديلًا آخر، وهو اختيار الجيروسكوبات بناءً على أدائها الميكانيكي وكيفية تحسين استقرار انحيازها عند الضرورة. خطأ بيئيتتميز جميع الجيروسكوبات الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) متوسطة ومنخفضة السعر بانحياز زمني صفري وخطأ في عامل القياس، كما أنها تتأثر بتغيرات درجة الحرارة. لذا، يُعدّ تعويض درجة الحرارة في الجيروسكوبات ممارسة شائعة. وبشكل عام، يكمن الغرض من دمج مستشعرات درجة الحرارة في الجيروسكوبات في هذا الغرض. لا تُعدّ الدقة المطلقة لمستشعر درجة الحرارة مهمة، بل الأهم هو قابلية التكرار والتوافق الوثيق بين قراءة المستشعر ودرجة الحرارة الفعلية للجيروسكوب. ويستطيع مستشعر درجة الحرارة في الجيروسكوبات الحديثة تلبية هذه المتطلبات بسهولة تامة. يمكن استخدام العديد من التقنيات لتعويض درجة الحرارة، مثل مطابقة المنحنى متعدد الحدود، والتقريب الخطي القطعي، وغيرها. طالما تم تسجيل عدد كافٍ من نقاط درجة الحرارة واتُخذت التدابير الكافية أثناء عملية المعايرة، فإن التقنية المستخدمة تحديدًا لا تُؤثر على النتيجة. على سبيل المثال، يُعد عدم كفاية وقت التخزين عند كل درجة حرارة مصدرًا شائعًا للخطأ. ومع ذلك، بغض النظر عن التقنية المستخدمة أو مدى الدقة، فإن التخلف الحراري - الفرق في الناتج بين التبريد والتسخين إلى درجة حرارة محددة - سيظل العامل المحدد. يوضح الشكل 1 منحنى التخلف الحراري لجيروسكوب ADXRS453. تتغير درجة الحرارة من +25 درجة مئوية إلى +130 درجة مئوية، ثم إلى -45 درجة مئوية، وأخيرًا تعود إلى +25 درجة مئوية، مع تسجيل نتائج قياس الانحياز الصفري للجيروسكوب غير المُعاوَض. يوجد فرق طفيف في خرج الانحياز الصفري عند +25 درجة مئوية بين دورة التسخين ودورة التبريد (حوالي 0.2 درجة مئوية/ثانية في هذا المثال)، وهو ما يُعرف بالتخلف الحراري. لا يمكن التخلص من هذا الخطأ عن طريق التعويض، لأنه سيحدث بغض النظر عما إذا كان الجيروسكوب قيد التشغيل أم لا. بالإضافة إلى ذلك، تتناسب قيمة التخلف الحراري طرديًا مع مقدار "التحفيز" الحراري المُطبق. أي أنه كلما اتسع نطاق درجة الحرارة المُطبقة على الجهاز، زاد التخلف الحراري.الشكل 1. خرج الانحياز الصفري لـ ADXRS453 غير المعوض أثناء دورات درجة الحرارة (-45 درجة مئوية إلى +130 درجة مئوية)إذا كان التطبيق يسمح بإعادة ضبط الانحياز الصفري عند بدء التشغيل (أي بدء التشغيل بدون تدوير)، أو تصفير الانحياز الصفري في الموقع، فيمكن تجاهل هذا الخطأ. وإلا، فقد يُشكل هذا عاملاً مُحدداً لأداء استقرار الانحياز الصفري، حيث لا يُمكننا التحكم في ظروف النقل أو التخزين. مضاد-اهتزازفي الوضع المثالي، يقيس الجيروسكوب معدل الدوران فقط، ولا يتدخل في أي وظائف أخرى. مع ذلك، في التطبيقات العملية، ونظرًا للتصميم الميكانيكي غير المتماثل و/أو عدم كفاية دقة التصنيع الدقيق، فإن جميع الجيروسكوبات تتأثر بدرجة معينة من التسارع. في الواقع، تتجلى حساسية التسارع بأشكال خارجية متعددة، وتختلف شدتها باختلاف التصميم. عادةً ما تكون الحساسية الأكبر هي حساسية التسارع الخطي (أو حساسية g) وحساسية تصحيح الاهتزاز (أو حساسية g²). ولأن معظم الجيروسكوبات تُستخدم في أجهزة تتحرك و/أو تدور في مجال جاذبية أرضية مقدارها 1g، فإن حساسية التسارع غالبًا ما تكون المصدر الأكبر للخطأ. تعتمد الجيروسكوبات منخفضة التكلفة عمومًا على تصميمات أنظمة ميكانيكية بسيطة للغاية وصغيرة الحجم، ولم يتم تحسين أدائها في مقاومة الاهتزازات (لأن ذلك يهدف إلى خفض التكلفة)، لذا قد يتسبب الاهتزاز في أضرار جسيمة. ليس من المستغرب أن تكون حساسية التسارع (g) أعلى من 1000 درجة/ساعة/تسارع الجاذبية الأرضية (أو 0.3 درجة/ثانية/تسارع الجاذبية الأرضية)، أي أكثر من عشرة أضعاف حساسية الجيروسكوبات عالية الأداء! ​​بالنسبة لهذا النوع من الجيروسكوبات، فإن استقرار الانحراف الصفري ليس ذا أهمية كبيرة. يمكن أن يتسبب دوران طفيف للجيروسكوب في مجال جاذبية الأرض في حدوث أخطاء كبيرة نظرًا لحساسيته لتسارع الجاذبية الأرضية (g) ومربعه (g²). بشكل عام، لا يحدد هذا النوع من الجيروسكوبات حساسية الاهتزازات، بل تكون قيمتها الافتراضية عالية جدًا. يحاول بعض المصممين استخدام مقاييس تسارع خارجية لتعويض حساسية التسارع (عادةً في تطبيقات وحدات القياس بالقصور الذاتي حيث يوجد مقياس التسارع المطلوب مسبقًا)، مما قد يُحسّن الأداء في بعض الحالات. مع ذلك، ولأسبابٍ عديدة، لا يُمكن تحقيق تعويض حساسية التسارع بشكلٍ كامل. تتغير حساسية التسارع لمعظم الجيروسكوبات بتغير تردد الاهتزاز. يُظهر الشكل 2 استجابة جيروسكوب Silicon Sensing CRG20-01 للاهتزاز. تجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن حساسية الجيروسكوب تقع ضمن نطاق المواصفات المُحددة (تتجاوزه قليلًا عند بعض الترددات المُحددة، وهو أمر قد لا يكون ذا أهمية)، فإن معدل التغير من التيار المستمر إلى 100 هرتز هو 12:1، لذا لا يُمكن إجراء المعايرة ببساطة عن طريق قياس الحساسية عند التيار المستمر. في الواقع، ستكون خطة التعويض مُعقدة للغاية، وتتطلب تغيير الحساسية وفقًا للتردد.الشكل 2. استجابة حساسية الجاذبية لجهاز استشعار السيليكون CRG20-01 لنغمات جيبية مختلفةتكمن صعوبة أخرى في مطابقة استجابة الطور بين مقياس التسارع المُعَوِّض والجيروسكوب. فإذا لم تكن استجابة الطور بينهما متطابقة، فقد تتضخم أخطاء الاهتزاز عالية التردد! ومن هنا، يُمكن استخلاص استنتاج آخر: بالنسبة لمعظم الجيروسكوبات، لا يكون تعويض حساسية التسارع فعالاً إلا عند الترددات المنخفضة. غالبًا ما يكون معايرة الاهتزاز غير مُنظَّمة، ربما بسبب اختلافات طفيفة أو كبيرة بين المكونات المختلفة. ومن المحتمل أيضًا أن يكون السبب ببساطة هو عدم رغبة مُصنِّعي الجيروسكوبات في إجراء الاختبارات أو تنظيمها (مع العلم أن الاختبار قد يكون صعبًا). على أي حال، يجب أخذ تصحيح الاهتزاز في الاعتبار لأنه لا يُمكن تعويضه بواسطة مقياس التسارع. على عكس استجابة مقياس التسارع، سيتم تصحيح خطأ خرج الجيروسكوب. الاستراتيجية الأكثر شيوعًا لتحسين حساسية gتتمثل الخطوة الثانية في إضافة عنصر ميكانيكي مضاد للاهتزاز، كما هو موضح في الشكل 3. يُظهر الشكل جيروسكوب سيارة من باناسونيك مُزال جزئيًا من غلافه المعدني. يتم عزل الجيروسكوب عن الغلاف المعدني بواسطة عنصر مطاطي مضاد للاهتزاز. يُعد تصميم عناصر مقاومة الاهتزاز أمرًا بالغ الصعوبة نظرًا لأن استجابتها غير ثابتة عبر نطاق ترددي واسع (خاصةً عند الترددات المنخفضة)، وتختلف خصائص التخميد فيها باختلاف درجة الحرارة ومدة الاستخدام. وكما هو الحال مع الحساسية، قد تختلف استجابة تصحيح الاهتزاز للجيروسكوب باختلاف التردد. حتى في حال تصميم عناصر مقاومة للاهتزاز بنجاح لتخفيف الاهتزازات ذات النطاق الترددي الضيق في طيف ترددي معروف، فإن هذه العناصر غير مناسبة للتطبيقات العامة التي قد تشهد اهتزازات واسعة النطاق.الشكل 3. مكونات نموذجية مضادة للاهتزازالمشاكل الرئيسية الناجمة عن سوء الاستخدام الميكانيكيفي العديد من التطبيقات، قد تحدث حالات إساءة استخدام روتينية قصيرة الأجل، والتي، على الرغم من أنها لا تُلحق ضرراً بالجيروسكوب، إلا أنها قد تؤدي إلى أخطاء جسيمة. إليك بعض الأمثلة.تستطيع بعض الجيروسكوبات تحمل زيادة معدل الدوران دون إظهار أداء غير طبيعي. يوضح الشكل 4 استجابة جيروسكوب Silicon Sensing CRG20 لمدخلات معدل الدوران التي تتجاوز النطاق المحدد بنسبة 70% تقريبًا. يُظهر المنحنى على اليسار استجابة CRS20 عندما يتغير معدل الدوران من 0 درجة/ثانية إلى 500 درجة/ثانية ويبقى ثابتًا. بينما يُظهر المنحنى على اليمين استجابة الجهاز عندما ينخفض ​​معدل الإدخال من 500 درجة/ثانية إلى 0 درجة/ثانية. عندما يتجاوز معدل الإدخال نطاق القياس المحدد، يتذبذب الخرج عشوائيًا بين المسارات.الشكل 4. استجابة مستشعر السيليكون CRG-20 لمعدل إدخال 500 درجة/ثانية  تُظهر بعض الجيروسكوبات ميلًا إلى "التوقف" حتى عند تعرضها لصدمات لا تتجاوز بضع مئات من الغرامات. على سبيل المثال، يُظهر الشكل 5 استجابة جيروسكوب VTI SCR1100-D04 لصدمة مقدارها 250 غرامًا لمدة 0.5 مللي ثانية (تتمثل طريقة توليد الصدمة في إسقاط كرة فولاذية قطرها 5 مم من ارتفاع 40 سم على لوحة الدوائر المطبوعة بجوار الجيروسكوب). لم يتضرر الجيروسكوب نتيجة الصدمة، ولكنه توقف عن الاستجابة لمدخلات معدل الدوران، ويحتاج إلى إيقاف تشغيله ثم إعادة تشغيله لإعادة العمل. هذه ظاهرة شائعة، إذ تُظهر جيروسكوبات مختلفة سلوكًا مشابهًا. من الحكمة التحقق مما إذا كان الجيروسكوب المقترح قادرًا على تحمل الصدمة في التطبيق.الشكل 5. استجابة VTI SCR1100-D04 لصدمة مقدارها 250 غرامًا لمدة 0.5 مللي ثانيةمن الواضح أن هذه الأخطاء ستكون جسيمة للغاية. لذلك، من الضروري تحديد حالات إساءة الاستخدام المحتملة في أي تطبيق بدقة، والتحقق مما إذا كان الجيروسكوب يتحملها. اختيار نموذج جديدفي حساب هامش الخطأ، يُعدّ استقرار الانحياز الصفري أحد أصغر المكونات، لذا عند اختيار جيروسكوب، يُفضّل التركيز على تقليل مصدر الخطأ الأقصى. في معظم التطبيقات، تُشكّل حساسية الاهتزاز المصدر الأكبر للخطأ. مع ذلك، قد يرغب المستخدمون أحيانًا في مستوى ضوضاء أقل أو استقرار انحياز صفري أفضل من الجيروسكوب المُختار. لحسن الحظ، لدينا حل لهذه المشكلة، وهو حساب المتوسط. بخلاف أخطاء التصميم المتعلقة بالبيئة أو الاهتزازات، فإن خطأ استقرار الانحياز الصفري لمعظم الجيروسكوبات يتسم بخصائص الضوضاء. بمعنى آخر، لا يوجد ترابط بين استقرار الانحياز الصفري للأجهزة المختلفة. لذلك، يمكننا تحسين أداء استقرار الانحياز الصفري بأخذ متوسط ​​عدة أجهزة. إذا تم حساب متوسط ​​n جهازًا، فإن التحسن المتوقع هو √n. كما يمكن تحسين الضوضاء واسعة النطاق باستخدام طريقة حساب متوسط ​​مماثلة. خاتمةلطالما اعتُبرت استقرارية الانحياز الصفري المعيار المطلق لمواصفات الجيروسكوب، ولكن في التطبيقات العملية، غالبًا ما تكون حساسية الاهتزاز عاملًا أكثر أهمية يحد من الأداء. يتم اختيار الجيروسكوب بناءً على مقاومته للاهتزاز.-تعتبر قدرة الاهتزاز معقولة، حيث يمكن تحسين المعايير الأخرى بسهولة من خلال المعايرة أو حساب متوسط ​​عدة مستشعرات. الملحق: حساب الأخطاء الناتجة عن الاهتزازلحساب الخطأ الناتج عن الاهتزاز في تطبيق معين، من الضروري فهم السعة المتوقعة للتسارع والتردد الذي قد يحدث عنده هذا التسارع.l  ينتج عن الجري عادةً ذروة تبلغ 2 جرام، وهو ما يمثل حوالي 4٪ من الوقت.l  اهتزاز المروحية مستقر إلى حد كبير. معظم مواصفات المروحيات تتضمن اهتزازًا واسع النطاق بمقدار 0.4 جي ودورة تشغيل بنسبة 100%.l  يمكن أن تميل السفن (وخاصة القوارب الصغيرة) في المياه المضطربة بزاوية تصل إلى ± 30 درجة (مما ينتج عنه اهتزازات بقوة ± 0.5 جرام). ويمكن افتراض أن دورة التشغيل تبلغ 20%.l  بالنسبة لمعدات البناء مثل آلات التسوية والرافعات الأمامية، فإن اصطدام شفراتها أو جرافاتها بالصخور يُنتج قوة تسارع عالية (50 جم) وتأثيرًا قصيرًا. تبلغ قيمة دورة التشغيل النموذجية 1%. عند حساب الخطأ الناتج عن الاهتزاز، من الضروري مراعاة حساسية كل من g و g2. وبأخذ تطبيق المروحية كمثال، يكون الحساب كما يلي:الخطأ = [خطأ حساسية g] + [خطأ حساسية g2]=[0.4 غرام حساسية × 3600 ثانية/ساعة × 100%]+[(0.4 جم) 2 × حساسية جم2 × 3600 ثانية/ساعة × 100%]إذا تم تعويض حساسية g بواسطة مقياس التسارع، فإن حساسية g فقط هي التي تنخفض، وهذا الانخفاض هو معامل التعويض. MG502جيروسكوبات أحادية المحور عالية الدقة بتقنية MEMS من طراز MG-502 --