Léon Foucault tarafından tasarlanan jiroskopların prototipleri mekanik jiroskoplardı. Bu tür jiroskopun tipik türü, dönen nispeten büyük bir rotorun gimbal adı verilen üç halkanın içine asılmasıyla yapılmıştır. Mekanik jiroskopların temel ilkesi, açısal momentumun korunumu yasasıdır, bir sistemin dönüşünün, harici torka maruz kalmadıkça sabit kalma eğilimidir. Mekanik jiroskoplar en yaygın veya bilinen jiroskop türüdür. Bambu yusufçuk, dönmesi için bilyeli yatağa dayanan herhangi bir jiroskopu içeren bu kategoriye uyar. Bu tür aletler genellikle havacılık cihazlarının ve gemilerin navigasyonunda kullanılır. Bununla birlikte, destek yataklarındaki sürtünme nedeniyle rotor yapısının doğasında bulunan dengesizlikler oluşabilir.
Bilim ve teknolojinin ilerlemesiyle birlikte yeni ilkelere dayalı yeni tür jiroskoplar sürekli öne çıkmış ve günlük hayatta uygulamalarını bulmuştur. Optik, halka lazer ve fiber optik jiroskoplar dahil olmak üzere en başarılı olanlardır. Bu cihazlar, zıt yönlerde dairesel bir yol etrafında iki ışık huzmesi gönderir. Yol dönerse, tam dönüş hızına bağlı olarak bir saçak girişimi deseni (alternatif açık ve koyu bantlar) tespit edilir. İlk olarak 1960’lı yıllarda, lazerin icadını ve fiber optiğin gelişmesini takiben ortaya çıkmışlardır. Optik jiroskoplar, mükemmel ölçüm hassasiyeti, hareketli parçası olmaması ve dolayısıyla sürtünme olmaması gibi avantajlara sahiptir. İlk halka lazer jiroskopu (RLG) 1963 yılında Mecek ve Davis tarafından üretilmiştir. Yüksek doğruluk seviyeleri, ucuz maliyetleri, yüksek güvenilirlikleri ve kolay bakımları sayesinde, RLG’ler Ataletsel Navigasyon Sistemlerine entegrasyon için mükemmeldir. Bugün, RLG’ler, uçaklardaki otopilot sistemlerinde ve GPS’in kullanımının güvenli olmadığı görevlerde güdümlü füzelerde mekanik jiroskop öncüllerini büyük ölçüde değiştirmiştir. Küresel halka lazer jiroskop pazarının 2026 yılına kadar 948,3 milyon ABD Doları piyasa değerine ulaşması ve 2018-2026 tahmin döneminde yıllık bileşik büyüme oranında % 3,5 oranında büyüyeceği tahmin edilmektedir.
Fiber optik jiroskop (FOG) bir başka başarılı optik jiroskoptur. İlk olarak 1970’li yıllarda önerilmiş, üzerinde çalışmalar yapılmış ve başlangıçta orta düzey uygulamalara ayrıldığı düşünülmüştür. 1978 yılında McDonald Company ilk pratik FOG’ları geliştirmiş, 1980 yılında Bergh ve ekibi ilk tamamen fiber optik jiroskopu tasarlamıştır. O zamandan beri, FOG’lar hızlı bir gelişme dönemi yaşamış, açısal hız ölçüm doğruluğu 0,001 ° / saate yükseltilmiş, stratejik performans seviyesine ulaşmış, sapma gürültüsü ve uzun vadeli stabilite açısından halka lazer jiroskopu aşmıştır. Hareketli ve aşınan parçaların olmamasına ek olarak, FOG’lar aynı zamanda küçük boyut, hafiflik, geniş dinamik aralık ve esnek tasarım avantajlarına da sahiptir. Bu, bir fiber optik jiroskobun performansının, uzunluğunu ve çapını değiştirerek ayarlanabileceği anlamına gelir. SİS’ler artık yavaş yavaş düşük maliyet yönünde yüksek güvenilirlik ve uzun hizmet ömrü gelişmeye devam etmektedir. FOG’lar, güdümlü füzelerde, uçaklarda ve araçlarda tutum ölçümü ve seyrüsefer için ataletsel seyrüsefer sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Küresel FOG 2016-2022 döneminde bileşik yıllık % 3,61 büyüme oranında büyümesi beklenmektedir.
MEMS jiroskopu, açısal hız sensörleri için en başarılı ticari modeldir ve mikro elektrik mekanik sistemler (MEMS) teknolojisine dayanırken seri üretime çok uygundur. MEMS teknolojisindeki gelişmelerden yararlanan MEMS jiroskopları, en önemli avantajlarına sahiptir, yani ucuz, küçük ve hafiftirler. Yaygın MEMS jiroskop tipi silikondan yapılmıştır ve havada bir çapa veya bazı yaylarla asılı büyük bir nesne vardır. Bir jiroskop çalışırken, asılı yapı titremeye devam eder. Jiroskop referansına göre bir dönme yaşadığından, asılı yapıya Coriolis kuvveti adı verilen bir kuvvet etki eder, onun titreşim yönüne dik bir yönde hareket etmesine neden olur. Bu hareket, dönme hızıyla orantılıdır ve bir mikro denetleyici tarafından yükseltilip okunabilen elektrik sinyallerine dönüştürülür, daha sonra açısal hız belirlenir. Bir zamanlar MEMS jiroskoplarının doğruluğu, optik ve mekanik jiroskoplar gibi rakiplerinden çok daha düşüktür ve nu nedenle, uygulamaları düşük kaliteli olarak sınırlandırılmıştır. Son 10-15 yılda, MEMS jiroskobunun hassasiyeti büyük ölçüde iyileşmiş ve taktik seviye seviyesine (0,1 ° / sa) ulaşmıştır. Küçük boyut, düşük maliyetler ve hafifliğin faydalarına ve iyileştirilmiş hassasiyeti ve çevresel stabilitesi vardır . bu nedenlerden dolayı MEMS cayro, tüketici elektronik cihazları, giyilebilir cihazlar, otomotiv güvenliği, kişisel ve araç navigasyonu gibi giderek daha fazla alanda uygulanmaktadır. Ayrıca sistemler, kontrol eden robotlar, stabilite kontrol sistemi, video oyunları ve oyuncaklarda kullanılır. MEMS jiroskopu, daha önce optik jiroskopların hakim olduğu pazarlara da girmiştir ve başarılı seri üretilen ticari üretimler sağlamıştır.
Jiroskop günümüzde hızlandırılmış gelişim için cesaret verici bir ivme gösterimektedir. Yeni prensiplere, yeni üretim sürecine ve yeni malzemelere dayanan yeni cihazlar, mikroskobik yarı küresel rezonatör, yüzey akustik dalga (SAW), elektrostatik (asılı), entegre optik, süper akışkan, elmas ve atomik jiroskoplar vb gibi birçok türü vardır. Jiroskobun uygulama alanı da hızla genişlmeye devam etmektedir. Uçaklardan araçlara, giyilebilir tıbbi cihazlara, akıllı telefonlarımızdan çocuk oyuncaklarına kadar insan hayatının hemen her alanını kapsamaktadır. Bu cihazlar, günlük hayatın kalitesini iyileştirmek için yaşam ortanı (okyanus keşfi, uzay keşfi, gezegen keşfi ve hatta gelecekte dış gezegen keşfi) keşfetmek için insanların en güçlü araçları olmuştur. Jiroskopun icadı çok eskilere dayalı olsa da hala günümüzde popiler olarak kullanılmaya devam etmektedir. Araştırmacıların ve bilim adamlarının çabalarıyla, jiroskoplar gittikçe daha müreffeh hale gelmekte ve tüm insanlığa fayda sağlamaktadır.
Jiroskopun Kökenleri
MÖ 500 yılına dayanan antik Çin’de, Yusufçuku taklit etmek için bambu yusufçuk adlı ilginç bir oyuncak icat etmiştir ve bu oyuncak çocuklar arasında çok popüler hale gelmiştir. Bu oyuncak ellerinin arasına sürtülmesinden havaya uçtuğundan, bambu yusufçuklarının en uzağa ve en yükseğe uçacağını görmek için eğlenceli bir oyun haline gelmesine neden olmuştur. Bambu yusufçuk, 2500 yıldan daha uzun bir geçmişe sahip olan erken bir jiroskop türüdür. Ancak Fransız fizikçi Jean-Bernard-Léon Foucault tarafından 19. yüzyılın ortalarında jiroskop adını almıştır. İki Yunan kökü birleştirerek deneysel aletini Dünya’nın rotasyon gözlemi için adlandırmış, daire veya rotasyon anlamına gelen jiroskop ve görmek anlamına gelen skopeeinden oluşmaktadır.
Dünyanın dönüşünü gösterme deneyi sırasında, jiroskopların Dünya’nın dönüşü ne olursa olsun uzaydaki orijinal yönlerini koruyabildiğini keşfetmiştir. Bu benzersiz, üstün nitelikli jiroskoplar, dönen bir nesnenin açısal hızını, bir aracın istenen yönünden sapmasını algılamak ve ölçmek için mükemmel sensörlerdir. O zamandan beri bu alet otonom navigasyon sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Encyclopedia Britannica’ya göre, ilk uygulanabilir jiroskop, 1908 yılında Alman mucit H.Anschütz-Kaempfe tarafından geliştirilmiş ve bu bir dalgıçta kullanılmak üzere icat edilmiştir.
Daha sonra, 1909 yılında, ilk otomatik pilot Amerikalı bir mucit Elmer A. Sperry tarafından oluşturulmuştur. Uçağın dönüş hızını ölçmek için kullanılan jiroskoplardan oluşmaktadır. Jiroskoplar bu bilgileri toplayarak uçağın uçuşunu stabilize etmeye yardımcı olabilir. 1916 yılında, bir Alman şirketinin Danimarka yolcu gemisinde direksiyon asistanı için jiroskoplar kullanılmış ve o zamandan beri, tutum kontrolü ve navigasyon sistemlerinde giderek daha popüler hale gelmiştir.
Kaynakça:
ixblue.com/fiber-optic-gyroscopes-technology
apps.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a363917.pdf
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu