Accelerometer vs. Gyroscoop: Wat is het verschil?

Er worden veel verschillende sensorapparaten gebruikt om de positie en oriëntatie van een object te bepalen. De meest voorkomende van deze sensoren zijn de gyroscoop en de versnellingsmeter. Hoewel vergelijkbaar in doel, meten zij verschillende dingen. Wanneer ze in één apparaat worden gecombineerd, kunnen ze een zeer krachtig scala aan informatie opleveren.

Wat is een gyroscoop?

Een gyroscoop is een apparaat dat gebruik maakt van de zwaartekracht van de aarde om de oriëntatie te helpen bepalen. Het ontwerp bestaat uit een vrij draaiende schijf, rotor genaamd, gemonteerd op een draaiende as in het midden van een groter en stabieler wiel. Terwijl de as draait, blijft de rotor stilstaan om de centrale zwaartekracht aan te geven, en dus welke kant “naar beneden” is.”

“Een typisch type gyroscoop wordt gemaakt door een relatief massieve rotor in drie ringen te hangen die gimbals worden genoemd,” volgens een studiegids van de Georgia State University. “Het monteren van elk van deze rotors op lagervlakken van hoge kwaliteit verzekert dat er zeer weinig torsie kan worden uitgeoefend op de binnenrotor.”

Gyroscopen werden voor het eerst uitgevonden en genoemd in de 19e eeuw door de Franse natuurkundige Jean-Bernard-Léon Foucault. Pas in 1908 ontwikkelde de Duitse uitvinder H. Anschütz-Kaempfe het eerste werkbare gyrokompas, aldus Encyclopedia Britannica. Het was gemaakt om te worden gebruikt in een duikboot. Daarna, in 1909, werd het gebruikt om de eerste automatische piloot te maken.

Wat is een versnellingsmeter?

Een versnellingsmeter is een compact apparaat dat is ontworpen om niet-gravitationele versnellingen te meten. Wanneer het voorwerp waarin het is ingebouwd, vanuit stilstand naar een willekeurige snelheid gaat, is de versnellingsmeter ontworpen om te reageren op de trillingen die met een dergelijke beweging gepaard gaan. Hij maakt gebruik van microscopische kristallen die onder spanning komen te staan wanneer trillingen optreden, en uit die spanning wordt een spanning gegenereerd om een meting van de versnelling te verkrijgen. Versnellingsmeters zijn belangrijke componenten voor apparaten die fitness en andere metingen in de gekwantificeerde zelfbeweging bijhouden.

De eerste versnellingsmeter heette de Atwood machine en werd uitgevonden door de Engelse natuurkundige George Atwood in 1783, volgens het boek “Practical MEMS,” door Ville Kaajakari.

Toepassingen van een gyroscoop of versnellingsmeter

Het belangrijkste verschil tussen de twee apparaten is simpel: het ene kan rotatie waarnemen, het andere niet. In zekere zin kan de versnellingsmeter de oriëntatie van een stilstaand voorwerp ten opzichte van het aardoppervlak meten. Wanneer een voorwerp in een bepaalde richting versnelt, kan de versnellingsmeter geen onderscheid maken tussen die versnelling en de versnelling die door de aantrekkingskracht van de aarde wordt opgewekt. Als men deze handicap in aanmerking neemt bij gebruik in een vliegtuig, verliest de versnellingsmeter al snel veel van zijn aantrekkingskracht.

De gyroscoop behoudt zijn doeltreffendheid doordat hij de rotatiesnelheid rond een bepaalde as kan meten. Bij het meten van de rotatiesnelheid rond de rolas van een vliegtuig geeft hij een werkelijke waarde aan totdat het object zich stabiliseert. Met behulp van de sleutelprincipes van het impulsmoment helpt de gyroscoop de oriëntatie aan te geven. Ter vergelijking: de versnellingsmeter meet lineaire versnelling op basis van trillingen.

De typische twee-assige versnellingsmeter geeft gebruikers een richting van de zwaartekracht in een vliegtuig, smartphone, auto of ander apparaat. Ter vergelijking: een gyroscoop is bedoeld om een hoekpositie te bepalen op basis van het principe van starheid van de ruimte. De toepassingen van elk apparaat verschillen nogal drastisch ondanks hun gelijkaardige doel. Een gyroscoop, bijvoorbeeld, wordt gebruikt bij de navigatie op onbemande luchtvaartuigen, kompassen en grote boten, en helpt uiteindelijk bij de stabiliteit van de navigatie. Accelerometers zijn even wijdverbreid in gebruik en zijn te vinden in de machinebouw, machines, hardware monitoring, bouw en constructie monitoring, navigatie, transport en zelfs consumentenelektronica.

De verschijning van de accelerometer in de consumentenelektronicamarkt, met de introductie van wijdverbreide apparaten als de iPhone die hem gebruiken voor de ingebouwde kompas-app, heeft zijn algehele populariteit in alle takken van software bevorderd. Het bepalen van de schermoriëntatie, het fungeren als kompas en het ongedaan maken van acties door simpelweg met de smartphone te schudden zijn enkele basisfuncties die afhankelijk zijn van de aanwezigheid van een versnellingsmeter. In de afgelopen jaren is de toepassing ervan in consumentenelektronica uitgebreid tot persoonlijke laptops.

Sensoren in gebruik

Het gebruik in de praktijk illustreert het best de verschillen tussen deze sensoren. Versnellingsmeters worden gebruikt om de versnelling te bepalen, hoewel een versnellingsmeter met drie assen de oriëntatie van een platform ten opzichte van het aardoppervlak kan bepalen. Zodra dat platform echter begint te bewegen, worden de metingen moeilijker te interpreteren. Bijvoorbeeld, in een vrije val zou de versnellingsmeter nul versnelling aangeven. In een vliegtuig dat een draai maakt met een hellingshoek van 60 graden, zou een drieassige versnellingsmeter een verticale versnelling van 2 G registreren, waarbij de helling volledig wordt genegeerd. Uiteindelijk kan een versnellingsmeter alleen niet worden gebruikt om vliegtuigen goed georiënteerd te houden.

Accelerometers worden in plaats daarvan gebruikt in allerlei elektronische consumentenartikelen. Een van de eerste smartphones die er gebruik van maakte was bijvoorbeeld Apple’s iPhone 3GS met de introductie van functies als de kompas-app en schudden om ongedaan te maken, aldus Wired.

Een gyroscoop zou in een vliegtuig worden gebruikt om te helpen bij het aangeven van de snelheid van rotatie rond de rolas van het vliegtuig. Als een vliegtuig rolt, zal de gyroscoop niet-nul waarden meten totdat het platform zich nivelleert, waarna het een nulwaarde zou lezen om de richting van “naar beneden” aan te geven. Het beste voorbeeld van het aflezen van een gyroscoop is dat van de hoogte-indicator op typische vliegtuigen. Deze wordt voorgesteld door een cirkelvormig display met het scherm in tweeën gedeeld, waarbij de bovenste helft blauw is om de lucht aan te geven, en de onderste rood om de grond aan te geven. Wanneer een vliegtuig een bocht maakt, verschuift de oriëntatie van het scherm mee met de bocht om rekening te houden met de werkelijke richting van de grond.

Het beoogde gebruik van elk toestel beïnvloedt uiteindelijk de bruikbaarheid ervan in elk gebruikt platform. Veel apparaten hebben baat bij de aanwezigheid van beide sensoren, hoewel veel vertrouwen op het gebruik van slechts een. Afhankelijk van het type informatie dat je moet verzamelen – versnelling of oriëntatie – zal elk apparaat verschillende resultaten opleveren.

Aanvullende rapportage door Alina Bradford, Live Science contributor.