Girômetro

Um girômetro é um instrumento que mede uma velocidade angular . É usado principalmente em veículos (aviões, barcos, submarinos, etc.) para medir a velocidade angular.

Uma unidade inercial , que desenvolve informações de direção, atitude e posição, usa três girômetros e três acelerômetros .

Definição

O girômetro é um sensor de movimento. Ele fornece informações de velocidade angular em relação a um referencial inercial (ou seja, fixo em relação às estrelas).

Em francês, distinguimos o girômetro e o giroscópio, que é um sensor de posição angular. A distinção às vezes é sutil porque o mesmo dispositivo pode operar como um giroscópio ou girômetro.

Princípios físicos de medição girométrica

Girômetros ópticos

A medição da velocidade angular é uma aplicação do efeito Sagnac . Consideramos um caminho óptico circular (raio R) no vácuo animado por um movimento rotacional em velocidade . Depois de um tempo , o ponto P é colocado na posição P '. Dois feixes de laser percorrem o caminho na direção oposta. É possível mostrar que a diferença do caminho óptico para uma dada direção de rotação está próxima de onde c é a velocidade da luz . Esta expressão também pode ser escrita (com S a superfície limitada pelo círculo descrito) e generalizada para todas as superfícies. $\ómega$ $\ Delta t$ $\ alpha R$ ${\ frac {4 \ pi R ^ {2}} {c}} \ omega$ ${\ frac {4S} {c}} \ omega$

Demonstração

O bloco está parado

O raio de luz executa o caminho óptico com uma duração . $t = {\ frac {2 \ pi R} {c}}$

o bloco é animado por uma velocidade , consideramos o raio movendo-se na mesma direção do bloco. $\ómega$

O ponto P move-se para o ponto P ' e . ${\ displaystyle \ alpha = \ omega * (t + \ Delta t)}$ ${\ displaystyle 2 \ pi R + \ alpha R = c * (t + \ Delta t)}$

Combinando as três equações anteriores, obtemos (carro ) e . $\ Delta t = {\ frac {2 \ pi R ^ {2} \ omega} {(cR \ omega) c}} \ simeq {\ frac {2 \ pi R ^ {2} \ omega} {c ^ {2 }}}$ $c \ gg R \ omega$ $\ Delta t = t {\ frac {R \ omega} {c}}$

Portanto, temos e, portanto . $\ Delta t \ ll t$ $\ alpha \ simeq \ omega t \ simeq {\ frac {2 \ pi R} {c}} \ omega$

A diferença nos caminhos ópticos devido à rotação está, portanto, perto de onde S é a superfície limitada pelo círculo descrito. $\ alpha R = {\ frac {2 \ pi R ^ {2}} {c}} \ omega = {\ frac {2S} {c}} \ omega$

Fazendo o mesmo raciocínio para o outro raio, obtemos uma diferença de caminho óptico em P 'entre os dois raios . $\ Delta p = {\ frac {4S} {c}} \ omega$

A mesma relação é obtida levando-se em consideração os índices de refração e a relatividade especial .

A interferência vai permitir o acesso à diferença do caminho óptico e, portanto, à velocidade de rotação.

Existem dois tipos de girômetros ópticos: o giroscópio a laser e o girômetro de fibra óptica .

Girômetros mecânicos

Girômetros com elementos rotativos

O efeito giroscópico pode ser entendido com um pião : em vez de cair, o pião permanece em equilíbrio enquanto estiver girando. Em princípio, pode permanecer no mesmo eixo mesmo que o seu suporte seja inclinado, de modo que o ângulo entre a fresadora e o suporte permite medir a rotação do suporte.

Este efeito, devido à conservação do momento angular, possibilita a construção de instrumentos de medição. Eles podem funcionar como giroscópio ou girômetro.

Girômetros vibratórios

Esses girômetros são baseados em corpos que vibram de acordo com um determinado modo de vibração (ou direção) e cuja rotação permitirá excitar outro modo (ou direção) devido ao aparecimento de um acoplamento ligado à força de Coriolis . A medição da amplitude de vibração deste modo parasita permite voltar à velocidade angular. Este princípio é particularmente usado para microssistemas produzidos por microfabricação .

Formulários

Girômetros (ou giroscópios) são usados:

para estabilizar uma direção ou um quadro mecânico de referência, por exemplo, para estabilizar uma câmera, uma antena ou uma mira infravermelha de um buscador de mísseis,
em sistemas de orientação de mísseis ou foguetes,
em sistemas de piloto automático de aeronaves
em associação com acelerômetros , para determinar a posição, velocidade e atitude de um veículo (avião, tanque, barco, submarino, etc.). Nesse caso, é um equipamento denominado unidade de inércia .

Este equipamento pode ser complementar a um GPS, exceto em aplicações onde não pode ser utilizado (submarinos, satélites).

Notas e referências

Léger 1999 , 1. Definições e princípios
Radix 1999 , 2.3 Girometria por comparação de fase
Radix 1999 , 2.2 Comparação de caminhos ópticos
Radix 2000
Lefèvre 2008

Veja também

Bibliografia

Jean-Claude Radix , girômetros ópticos , publicações técnicas para engenheiros ,10 de setembro de 1999( leia online )
Jean-Claude Radix , giroscópios mecânicos e girômetros com elemento rotativo , edições técnicas do engenheiro ,10 de março de 2000( leia online )
Pierre Léger , giroscópios mecânicos vibrantes , engenharia editorial técnica ,10 de dezembro de 1999( leia online )
Hervé Lefèvre , Do efeito sagnac ao girômetro de fibra óptica , Conferência do ciclo "Física na Primavera 2008" com o tema "A rotação, o giro",19 de março de 2008( leia online )