陀螺儀的工作原理 陀螺儀和重力傳感器有何區(qū)別

陀螺儀，又叫角速度傳感器，是用高速回轉(zhuǎn)體的動(dòng)量矩敏感殼體相對(duì)慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個(gè)或二個(gè)軸的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置。

同時(shí)，利用其他原理制成的角運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置起同樣功能的裝置也稱陀螺儀。

陀螺儀的名字由來(lái)

陀螺儀名字的來(lái)源具有悠久的歷史。

據(jù)考證，1850年法國(guó)的物理學(xué)家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)中地的轉(zhuǎn)子（rotor），由于它具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一固定方向，因此傅科用希臘字 gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）兩字合為“gyro scopei ”一字來(lái)命名該儀器儀表。

最早的陀螺儀的簡(jiǎn)易制作方式如下：即將一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個(gè)萬(wàn)向支架上，靠陀螺的方向來(lái)計(jì)算角速度。

其中，中間金色的轉(zhuǎn)子即為陀螺，它因?yàn)閼T性作用是不會(huì)受到影響的，周邊的三個(gè)“鋼圈”則會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的改變姿態(tài)而跟著改變。

通過(guò)這樣來(lái)檢測(cè)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，而這三個(gè)“鋼圈”所在的軸，也就是三軸陀螺儀里面的“三軸”，即X軸、y軸、Z軸

三個(gè)軸圍成的立體空間聯(lián)合檢測(cè)各種動(dòng)作，然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動(dòng)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳給控制系統(tǒng)。

因此一開(kāi)始，陀螺儀的最主要的作用在于可以測(cè)量角速度。

陀螺儀的基本組成

當(dāng)前，從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以把它看成是一個(gè)剛體，剛體上有一個(gè)萬(wàn)向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。

所以陀螺的運(yùn)動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，更確切地說(shuō)，一個(gè)繞對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。

將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。

陀螺儀的基本部件有:

陀螺轉(zhuǎn)子（常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動(dòng)方法來(lái)使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見(jiàn)其轉(zhuǎn)速近似為常值）；

內(nèi)、外框架（或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的結(jié)構(gòu)）；

附件（是指力矩馬達(dá)、信號(hào)傳感器等）。

陀螺儀的工作原理

陀螺儀偵測(cè)的是角速度。

其工作原理基于科里奧利力的原理：

當(dāng)一個(gè)物體在坐標(biāo)系中直線移動(dòng)時(shí)，假設(shè)坐標(biāo)系做一個(gè)旋轉(zhuǎn)，那么在旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，物體會(huì)感受到一個(gè)垂直的力和垂直方向的加速度。

臺(tái)風(fēng)的形成就是基于這個(gè)原理，地球轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大氣轉(zhuǎn)動(dòng)，如果大氣轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)受到一個(gè)切向力，便容易形成臺(tái)風(fēng)，而北半球和南半球臺(tái)風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向是不一樣的。

用一個(gè)形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。

具體來(lái)說(shuō)，陀螺儀，是一個(gè)圓形的中軸的結(jié)合體。

而事實(shí)上，靜止與運(yùn)動(dòng)的陀螺儀本身并無(wú)區(qū)別，如果靜止的陀螺儀本身絕對(duì)平衡的話，拋除外在因素陀螺儀是可以不依靠旋轉(zhuǎn)便能立定的。

而如果陀螺儀本身尺寸不平衡的話，在靜止下就會(huì)造成陀螺儀模型傾斜跌倒，因此不均衡的陀螺儀必然依靠旋轉(zhuǎn)來(lái)維持平衡。

陀螺儀本身與引力有關(guān)，因?yàn)橐Φ挠绊?，不均衡的陀螺儀，重的一端將向下運(yùn)行，而輕的一端向上。

而在旋轉(zhuǎn)中，陀螺儀如果遇到外力導(dǎo)致，陀螺儀轉(zhuǎn)輪某點(diǎn)受力。

陀螺儀會(huì)立刻傾斜，而陀螺儀受力點(diǎn)的勢(shì)能如果低于陀螺儀旋轉(zhuǎn)時(shí)速，這時(shí)受力點(diǎn)，會(huì)因?yàn)橥勇輧x傾斜，在旋轉(zhuǎn)的推動(dòng)下，陀螺儀受力點(diǎn)將從斜下角，滑向斜上角。

而在向斜上角運(yùn)行時(shí)，陀螺儀受力點(diǎn)的勢(shì)能還在向下運(yùn)行。

這就導(dǎo)致陀螺儀到達(dá)斜上角時(shí)，受力點(diǎn)的剩余勢(shì)能將會(huì)將在位于斜上角時(shí)，勢(shì)能向下推動(dòng)。

陀螺儀的作用

這陀螺儀和重力傳感器有什么區(qū)別呢？

區(qū)別很多，但最大的區(qū)別就是重力傳感對(duì)于空間上的位移感受維較少，能做到6個(gè)方向的感應(yīng)就已經(jīng)很不錯(cuò)了，而陀螺儀則是全方位的。

這很重要，毫不夸張的說(shuō)，這兩者不是一個(gè)級(jí)別上的產(chǎn)品。

可能看到這里，大家還是會(huì)覺(jué)得有些迷惑，既然陀螺儀很厲害，那么它在手機(jī)上到底有什么用呢？

第一大用途

導(dǎo)航

陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)始，就用于導(dǎo)航，先是德國(guó)人將其應(yīng)用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機(jī)的導(dǎo)航能力將達(dá)到前所未有的水準(zhǔn)。

實(shí)際上，目前很多專業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機(jī)上安裝了相應(yīng)的軟件，其導(dǎo)航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機(jī)上用的導(dǎo)航儀。

第二大用途

可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會(huì)讓手機(jī)的拍照攝像能力得到很大的提升。

第三大用途

各類游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測(cè)游戲者手的位移，從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果。

第四大用途

可以用作輸入設(shè)備，陀螺儀相當(dāng)于一個(gè)立體的鼠標(biāo)，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認(rèn)為是一種類型。

第五大用途

未來(lái)最有前景和應(yīng)用范圍的用途，那就是可以幫助手機(jī)實(shí)現(xiàn)很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的功能。

陀螺儀的兩大動(dòng)力特性

陀螺儀最主要的基本特性是它的定軸性（inertia or rigidity）和進(jìn)動(dòng)性（precession），這兩種特性都是建立在角動(dòng)量守恒的原則下。

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定軸性（inertia or rigidity）

當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在沒(méi)有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個(gè)固定的方向；同時(shí)反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。

這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。

其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量愈大，穩(wěn)定性愈好；轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。

進(jìn)動(dòng)性（precession）

當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

陀螺儀的應(yīng)用

陀螺儀在航天航空中的應(yīng)用

陀螺儀器最早是用于航海導(dǎo)航，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，它在航空和航天事業(yè)中也得到廣泛的應(yīng)用。

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陀螺儀器不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。

根據(jù)需要，陀螺儀器能提供準(zhǔn)確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號(hào)。

以便駕駛員或用自動(dòng)導(dǎo)航儀來(lái)控制飛機(jī)、艦船或航天飛機(jī)等航行體按一定的航線飛行。

在導(dǎo)彈、衛(wèi)星運(yùn)載器或空間探測(cè)火箭等航行體的制導(dǎo)中，則直接利用這些信號(hào)完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。

作為精密測(cè)試儀器，陀螺儀器能夠?yàn)榈孛嬖O(shè)施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導(dǎo)彈發(fā)射井等提供準(zhǔn)確的方位基準(zhǔn)。

由此可見(jiàn)，陀螺儀器的應(yīng)用范圍是相當(dāng)廣泛的，它在現(xiàn)代化的國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中均占重要的地位。

陀螺儀在消費(fèi)電子領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用

陀螺儀的出現(xiàn)，給了消費(fèi)電子很大的應(yīng)用發(fā)揮空間。

比如就設(shè)備輸入的方式來(lái)說(shuō)，在鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏之后，陀螺儀又給我們帶來(lái)了手勢(shì)輸入，由于它的高精度，甚至還可以實(shí)現(xiàn)電子簽名；

還比如讓智能手機(jī)變得更智慧：除了移動(dòng)上網(wǎng)、快速處理數(shù)據(jù)外，還能“察言觀色”，并提供相應(yīng)的服務(wù)。

導(dǎo)航

陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)始，就用于導(dǎo)航，先是德國(guó)人將其應(yīng)用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機(jī)的導(dǎo)航能力將達(dá)到前所未有的水準(zhǔn)。

實(shí)際上，目前很多專業(yè)手持式GPS上也裝了陀螺儀，如果手機(jī)上安裝了相應(yīng)的軟件，其導(dǎo)航能力絕不亞于目前很多船舶、飛機(jī)上用的導(dǎo)航儀。

相機(jī)防抖

陀螺儀可以和手機(jī)上的攝像頭配合使用，比如防抖，這會(huì)讓手機(jī)的拍照攝像能力得到很大的提升。

提升游戲體驗(yàn)

各類手機(jī)游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類游戲，甚至包括一些第一視角類射擊游戲，陀螺儀完整監(jiān)測(cè)游戲者手的位移，從而實(shí)現(xiàn)各種游戲操作效果，如橫屏改豎屏、賽車游戲拐彎等等。

作為輸入設(shè)備

陀螺儀還可以用作輸入設(shè)備，它相當(dāng)于一個(gè)立體的鼠標(biāo)，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類似，甚至可以認(rèn)為是一種類型。

同時(shí)，除了我們熟悉的智能手機(jī)以外，汽車上也用了很多微機(jī)電陀螺儀，在高檔汽車中，大約采用25至40只MEMS傳感器，用來(lái)檢測(cè)汽車不同部位的工作狀態(tài)，給行車電腦提供信息，讓用戶更好的控制汽車。

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編輯：黃飛

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