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Principe d’un capteur gyroscopique

* Un gyroscope est un solide de révolution tournant à grande vitesse autour de son axe de révolution et suspendu par son centre de masse de façon idéale.

* Le corps tournant présente : - un moment d'inertie axial important ;

- une rotation axiale rapide.

* Le mouvement présente alors une très grande stabilité :

C’est la raideur RAIDEUR GYROSCOPIQUE qui se manifeste par des mouvements très lents de l'axe du gyroscope, donc des vitesses angulaires très faibles (et des accélérations angulaires encore plus faibles).

Æ cas de la toupie ou de la terre.

* Le gyroscope s'oppose à toute action extérieure tendant à lui imposer une rotation :

Ainsi lorsqu'un gyroscope est soumis à une rotation imposée (ou un moment de force extérieur), il réagit en créant un couple gyroscopique et adoptant une rotation telle qu'elle ait tendance à déplacer l'axe du gyroscope sur l'axe de la rotation transversale imposée Æ phénomène de précession.

La rotation se fait à 90° de celle espérée. C'est le PARADOXE GYROSCOPIQUE

C'est ce qui explique par exemple que lorsque l'on se penche sur un vélo, celui-ci a tendance à tourner lorsque l'on roule : le poids exercé induit un moment horizontal perpendiculaire à l'axe de rotation propre de la roue, qui va donc chercher à s'aligner avec ce nouveau moment. Un avion qui décolle (rotation de l’avion) aura tendance à virer du fait de l’effet gyroscopique de l’hélice.

* Si l’axe d’un capteur gyroscopique est bloqué :

l’effet gyroscopique se répercute sur les supports de l’axe. Des capteurs du type piézo-

électrique placés au niveau de ces support peuvent détecter cet effet gyroscopique (couple

gyroscopique) et délivrer une tension image de l’action extérieure appliquée.

* Il peut servir à stabiliser une trajectoire :

En effet, embarqué sur un véhicule (avion, navire…), il conserve une direction constante.

Lorsque le véhicule change de trajectoire, le gyroscope semble tourner par rapport au véhicule. Un

système adéquat peut donc permettre de contrôler la trajectoire du véhicule. Ce système présente

l'avantage par rapport à une boussole de n'être pas soumis aux aléas du champ magnétique

(perturbations par une masse métallique, correction par rapport au nord.

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CAPTEUR GYROSCOPIQUE

* Les capteurs gyroscopiques ENC-03J (MURATA) du satellite permettent de mesurer la

vitesse de rotation SΩ du satellite sur lui même. * Pour connaître les trois composantes vectorielles de

SΩ =

ΩΩΩ

zyx

il faut trois capteurs formant un trièdre.

Ω = ²²² zyx Ω+Ω+Ω

* Principe du capteur.

Au niveau d’un satellite, trois capteurs gyroscopiques mesurent trois forces de CORIOLIS et permettent de connaître les trois composantes de la vitesse angulaire (ou de rotation) du satellite par rapport à son centre de gravité. Fxcoriolis = 2.m.ΩΩx ∧∧ Vr m : masse du corps en mouvement ( ≈ masse du capteur) en kg ; Ωx : vitesse angulaire du corps en rd.s-1 ; vr : vitesse relative du corps en m.s-1 (dans le repère tournant à Ωx) ;

m

ΩΩx

Fx

V r

La vitesse rV est imposée et varie périodiquement (changement de sens avec amplitude VrMAX ) ;

la force de Coriolis aura la même fréquence que vr(t). La vitesse angulaire Ωx à mesurer impose l’intensité maximale de la force de Coriolis ;

FxMAX = 2.m.VrMAX..ΩΩx ; FxMAX = K.ΩΩx.

0s xs

zs

ysΩ

ΩΩx

y

z

cap2

cap1cap3

* L’origine Os du repère « satellite » décrit l’orbite circulaire ;

* Le repère lié au satellite est en rotation par rapport à un repère de référence (repère orbital local). Les mesures doivent permettre de caler les deux repères.

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* FxMAX est détectée par effet piézoélectrique :

apparition d’un potentiel électrique sur certaines faces du cristal (quartz) lorsque celui-ci est soumis à une pression mécanique. Æ mode détection.

* Inversement le cristal peut se déformer du sous l’effet d’une D.D.P :

La constitution particulière du matériau piézoélectrique utilisé dans ce capteur (2 lames de polarité opposée) permet d’obtenir une vibration [ vitesse vr(t) périodique ] sous l’effet d’une DDP. Æ drive mode.

* Le capteur délivre une tension image de Fxcoriolis et donc de Ωx.