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陀螺儀的工作原理(圖文)

時間:2018-12-06 09:30:40來源:網絡 作者:admin 點擊:
在介紹陀螺儀的工作原理之前,先給大家科普一下什么是陀螺儀,在現在電子產品中,陀螺儀應用很廣的就是手機,在智能手機中應用最多,如手機導航、定位、衛星三軸陀螺儀定位,陀螺儀基本上就是運用物體高速旋轉時,角動量很大,旋轉軸會一直穩定指向一個方向的性質,所制造出來的定向儀器。不過它必需轉得夠快,或者慣量夠大(也可以說是角動量要夠大)。不然,只要一個很小的力矩,就會嚴重影響到它的穩定性。
MEMS陀螺儀并不是最早應用在消費電子上的運動傳感器,加速度傳感器、電子羅盤早先一步進入了消費電子市場。雖然以重力為參照的加速度傳感器和以地磁為參照的電子羅盤可以在地球表面形成垂直和水平面的三維空間覆蓋,但因為二者均以地球而并非物體本身為參照物,因此不能很好地模擬物體的整個運動過程。此外,由于加速度傳感器容易受到線性運動時產生的力的干擾、電子羅盤容易受到諸如金屬及手機等其他磁場的干擾,其應用受到了很大的局限。

陀螺儀這個測量角速度的傳感器不僅以物體本身作為參照物,而且具有很高的精度,因此可以對其他運動傳感器做有益的補充,從而使得運動檢測更加完備。、

  任天堂的Wii最初采用了三軸(X、Y、Z)加速度傳感器,后來又增加了陀螺儀。任天堂早就知道光有三軸加速度傳感器是不夠的。只是當時市面上還沒有消費電子級別的陀螺儀可以使用,直到Invensense推出了第一款用于消費電子的MEMS陀螺儀。這一情況也發生在了蘋果CEO喬布斯的身上。在2010年6月iPhone 4的發布會上,喬布斯親自演示了陀螺儀帶來的偵測出物體水平方向旋轉的創新應用—這一應用是單獨基于其他運動傳感器無法實現的。因此,通過了解陀螺儀的工作原理,我們可以切身體會到任天堂和蘋果對陀螺儀曾經的企盼,而且也可以幫助國內的消費電子終端廠商巧妙地應用該器件以實現多樣化的創新應用。


  陀螺儀可以對加速度傳感器和電子羅盤進行有益的補充。當三軸陀螺儀加上三軸加速度傳感器形成六軸的運動傳感器之后,基本上可以檢測到所有形式的運動,包括速度、方向、位移等參數。物體的運動無外乎六種,X、Y、Z三個方向的位移和X、Y、Z三個方向的轉動。這六種運動方式組成了物體完整的運動軌跡。如果在六軸運動傳感器上加上電子羅盤,則在檢測運動軌跡的同時還可以修正絕對位置,實現完美的物體運動軌跡跟蹤。因此,未來陀螺儀的進一步發展應用,是和加速度傳感器及電子羅盤緊密聯系的。
  加速度傳感器相當于一個重錘在中間的彈簧系統,四面八方有彈簧撐著它。平放在桌面時,有的彈簧被拉長,有的被壓扁。變化時,不同的彈簧受到不同的壓縮,從而偵測出不同方向的力。它的典型應用包括手機/相機畫面水平和垂直的切換。

  電子羅盤主要偵測地磁。常見的電子羅盤主要基于霍爾效應。但是地磁環境不完美,比如地磁的南極在地球不同的表面不一定指的同一個北方;而在地球不同緯度,地磁的方向和水平方向的夾角也不同。因此電子羅盤只能指一個大致的方向,然后進行修正。此外,電子羅盤還容易受到如金屬、揚聲器、天線等磁場的干擾。尤其是應用在手機上時,需要特別小心地在PCB上選一個合適的位置。

  陀螺儀偵測的是角速度。基于科里奧利力的原理:當一個物體在坐標系中直線移動時,假設坐標系做一個旋轉,那么在旋轉的過程中,物體會感受到一個垂直的力和垂直方向的加速度。“臺風的形成就是基于這個原理。地球轉動帶動大氣轉動,如果大氣轉動時受到一個切向力,便容易形成臺風。而北半球和南半球臺風轉動的方向是不一樣的。用一個形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。

  而要在MEMS器件中實現該原理做成陀螺儀,則復雜許多。先用MEMS做一個震動系統,通過快速穩定的震動產生一個線性的運動V,當V的平面有一個旋轉的拓撲出來的時候,就可以檢測出科里奧利力的方向,根據公式可以算出角速度。用不同方向的震動來偵測出X、Y、Z軸的角速度,并可通過穩定的震蕩去掉重力的干擾。
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