L’HRG preso in esame opera usando un sistema a bilanciamento di forze in cui la misura della rotazione avviene mediante la misura della forza che il sistema di controllo interno deve applicare alla struttura vibrazionale per fare in modo che i nodi (e gli antinodi) siano stazionari nel sistema rotante del giroscopio.
Vediamo nello specifico quali sono le componenti del sistema di controllo interno del sensore, schematizzate in figura 7.4.
Figura 7.4. Schematizzazione dell’elettronica del sistema di controllo interno del giroscopio
Come si osserva dallo schema, in corrispondenza dei nodi e degli anti- nodi vengono posti degli elettrodi. Gli elettrodi corrispondenti ad un nodo (ND ) ed un antinodo (AD ) vengono collegati alla componente attuatrice del circuito (Driving Circuitry) mentre i restanti nodo (NP ) ed antinodo (AP ) vengono collegati alla parte di misura del circuito (Pickoff Circuitry). Sono
CAPITOLO 7. HEMISPHERICAL RESONATOR GYRO (HRG) 44 proprio i circuiti di Drive e Pickoff che formano, insieme all’elettronica del Digital Signal Processor (DSP ) il sistema di controllo interno al giroscopio. Il circuito di Drive induce sull’ antinodo a cui `e collegato una tensione che genera una vibrazione di ampiezza ad essa proporzionale. Se il giro- scopio non `e in rotazione sui punti nodali non si ha oscillazione per cui il sistema di Pickoff collegato all’elettrodo nodale rivela segnale nullo. Nel momento in cui il giroscopio `e soggetto ad una rotazione i nodi ruotano e si spostano per cui sull’elettrodo corrispondente si ha segnale non nullo e proporzionale allo spostamento del nodo dal suo punto di equilibrio. Nel momento in cui il segnale misurato dal circuito di Pickoff sull’elettrodo nodale `e non nullo, ovvero `e presente una rotazione, entra in funzione il sistema di Amplitude control che forza il moto su questi elettrodi facendo in modo che su di essi l’oscillazione sia nulla. Dal valore di tensione forzante `e possibile risalire al valore dello spostamento e quindi a quello della velocit`a angolare che `e ad esso proporzionale.
Alcune componenti del sistema di controllo servono a mantenere la giu- sta vibrazione della struttura cilindrica in modo da ridurre al minimo gli errori di misura. Il frequency control controlla la frequenza della tensione forzante applicata e la porta il pi`u possibile vicino al valore di quella di ri- sonanza per avere la massima vibrazione possibile ed ottendere la massima precisione nella misura. Il quadrature control invece, lavora sempre sulle frequenza ma serve ad eliminare i problemi legati alle differenze di frequen- ze di risonanza dei due nodi della struttura vibrante. Il rate control fa s`ı che, in assenza di rotazione del sistema, in corrispondenza dei nodi non ci siano vibrazioni ed il segnale sia effettivamente nullo. Il phase lock lavora sulle fasi dei segnali per fare in modo che non ci siano segnali in quadratura.
Verifica specifiche tecniche giroscopio
Per valutare l’effettiva funzionalit`a del giroscopio sono state effettuate mi- sure atte a verificare le caratteristiche come da specifiche e a trovare i limiti di utilizzo dello stesso all’interno dell’esperimento.
Per raggiungere tale scopo il giroscopio viene posizionato sulla tavola mobile in modo da misurare le risposte dello stesso alle sollecitazioni controllate e verificare quindi il corretto comportamento. Prima di procedere si ricorda che il giroscopio in esame `e biassiale e gli assi di rotazione x e y sono quelli riportati in figura 8.1
Figura 8.1. Assi di rotazione del giroscopio
8.1
Fattore di scala
Come visto nel capitolo relativo alla descrizione del funzionamento del gi- roscopio, la quantit`a che viene misurata in sensori di questo tipo `e una tensione. In uscita si ha quindi il valore della tensione applicata dal si- stema di controllo per mantenere nulla la tensione sugli elettrodi nodali di
CAPITOLO 8. VERIFICA SPECIFICHE TECNICHE GIROSCOPIO 46 driving. Tra questo valore di tensione e la velocit`a angolare esiste una corri- spondenza lineare mediante il fattore di scala. Per ottenere misure corrette va quindi verificata l’esattezza del fattore di scala specificato dal produttore. Nelle specifiche tecniche `e stato dichiarato che nel modo non differenziale i fattori di scala sono equivalenti nelle due direzioni e valgono:
SCx = 200mV /(deg/s) ± 3%
SCy = 200mV /(deg/s) ± 3% (8.1) Per verificare il fattore di scala il giroscopio `e stato posizionato sulla tavola in modo che gli assi di sensibilit`a siano diretti lungo le rispettive direzioni di moto della tavola stessa.
Le misure sono state fatte confrontando la misura in V olt del giroscopio con lo spostamento misurato dagli LVDT.
Per la verifica del valore SCy `e stato inviato un segnale sinusoidale lungo la
direzione x portando gli LVDT a misurare un segnale del tipo:
x (t) = A · sin (ω t + φ) (8.2) Questo spostamento lineare, con la configurazione trapezoidale dei fili porta un tilt di angolo δ variabile nel tempo secondo la relazione:
δx =
x (t) [mm] 13890 [mm] =
A [mm]
13890 [mm] · sin (ω t + φ) (8.3) a cui corrisponde una velocit`a angolare, diretta lungo l’asse y, pari alla sua derivata: Ωy = ˙δx= A [mm] 13890 mmω cos (ω t + φ) = = A [mm] 13890 mm ω sin ω t + φ + π 2 (8.4)
Il valore 13890 `e la lunghezza del pendolo ottenuto prolungano virtual- mente i fili di sospensione della tavola.
Confrontando le relazioni 8.2 e 8.4 ne segue che i segnali che misurano spostamento lineare e velocit`a angolare hanno la stessa forma ma il segna- le misurato dagli LVDT deve essere sfasato di π/2 rispetto al segnale di risposta del giroscopio e le ampiezze dei due devono essere proporzionali mediante il fattore ω
13890.
Queste caratteristiche si possono osservare qualitativamente nei grafici in figura 8.2 nel dominio del tempo.
Discorso analogo vale per il moto lungo la direzione y e la corrispondente velocit`a angolare Ωx.
CAPITOLO 8. VERIFICA SPECIFICHE TECNICHE GIROSCOPIO 47
Figura 8.2. Valutazione qualitativa: in rosso `e evidenziato lo sfasamento di π/2 e in blu l’ampiezza della sinusoide
Dalle misure effettuate risulta che i fattore di scala sono: SCxmeas = 187 mV /(deg/s) ± 10%
SCymeas = 186 mV /(deg/s) ± 10%
(8.5) che sono in accordo con quanto dichiarato nelle specifiche.