Senzorii giroscopici sunt folosiți pentru măsurarea orientărilor unghiulare și a vitezelor unghiulare a aeronavelor, navelor, vehiculelor și a diverselor dispozitive mecanice. Acești senzori sunt utilizați frecvent în sistemele de control pentru stabilizarea sistemelor de vehicule. Întrucât un corp în rotire (un giroscop) necesită un cuplu exterior pentru a-și schimba (precesie) axa de rotire, este clar că dacă acest gyro este montat pe un vehicul rigid, astfel încât să existe un număr suficient de grade de libertate (cel mult trei) între gyro și vehicul, axa de rotație va rămâne neschimbată în spațiu, indiferent de mișcarea vehiculului. Prin urmare, axa de rotire a unui gyro va oferi o referință în raport cu care poate fi măsurată orientarea vehiculului (de exemplu, azimut sau deviere, înălțime și unghiuri de rulare) și viteza unghiulară. Orientarea poate fi măsurată folosind senzori unghiulari la pivoții structurii, care montează gyro-ul pe vehicul. Viteza unghiulară în jurul unei axe ortogonale poate fi determinată; de exemplu, prin măsurarea cuplului de precesie (care este proporțional cu viteza unghiulară) folosind un senzor marcă tensometrică; sau prin măsurare folosind un resolver, deflecția unui arc torsional care restrânge precesia. Deflecția unghiulară în ultimul caz este proporțională cu cuplul de precesie și, prin urmare, cu viteza unghiulară.

Pentru a măsura vitezele unghiulare se folosește un gyro de viteză. Aranjamentul prezentat în figura 6.35a poate fi utilizat pentru a explica principiul său de operare.

FIGURA 6.35 (a) Gyro de viteză; (b) cuplul giroscopic
necesar pentru a schimba direcția unui vector de moment unghiular

Un disc rigid (disc giroscopic) de moment polar de inerție J este rotit la viteză unghiulară ω în jurul rulmenților fără frecare folosind un motor cu viteză constantă care se învârte în jurul unei axe. Momentul unghiular H în jurul aceleași axe este dat de

Acest vector este prezentat de linia solidă din figura 6.35b. Datorită vitezei unghiulare (ratei) Ω, care este cantitatea de măsurat (măsurand sau intrare senzor), vectorul H se va schimba prin unghiul Ω∙Δt într-un timp infinitezimal, Δt, după cum se arată. Mărimea variației rezultate în momentul unghiular este ΔH = Jω·Ω·Δt; sau viteza de variație a momentului unghiular este dH/dt = Jω·Ω. Pentru a efectua această rotație (precesie), trebuie aplicat un cuplu în direcția ortogonală indicată de ΔH în figura 6.35b, care este aceeași cu direcția de rotație θ din figura 6.35a. Dacă această direcție este restricționată de un arc torsional de rigiditate K și un amortizor cu constanta de amortizare rotativă B, cuplul rezistiv corespunzător este Kθ+Bθ˙. A doua lege a lui Newton (cuplul = viteza de variație a momentului unghiular) dă jωΩ = Kθ+Bθ˙ sau

Din acest rezultat, se vede că atunci când B este foarte mică, rotația unghiulară θ la rulmenții de suspensie (măsurată, de exemplu, printr-un resolver) va fi proporțională cu viteza unghiulară care trebuie măsurată (Ω).

6.9.2 Dispozitive de forță Coriolis

Considerați o masă m care se deplasează la viteza v în raport cu un cadru rigid. Dacă cadrul însuși se rotește cu o viteză unghiulară ω, se știe că accelerația lui m are un termen dat de 2ω × v. Aceasta este cunoscută sub numele de accelerația Coriolis. Forța asociată 2mω × v este forța Coriolis. Această forță poate fi sesizată fie direct folosind un senzor de forță, fie măsurând o deflecție rezultată într-un element flexibil și poate fi utilizată pentru a determina variabilele (ω sau v) din forța Coriolis. Rețineți că forța Coriolis este oarecum similară cu forța giroscopică, chiar dacă conceptele sunt diferite. Din acest motiv, dispozitivele bazate pe efectul Coriolis sunt, de asemenea, denumite în mod frecvent giroscoape. Conceptele Coriolis câștigă popularitate în senzorii bazate pe sisteme microelectromecanice (MEMS), care utilizează tehnologii MEMS.

6.10 Senzori optici și lasere