陀螺仪传感器的工作原理

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　　角速度传感器对于大多数人来说是很陌生的词汇，但它的另一个名字却为大众所熟知——陀螺仪。陀螺仪是非常令人困惑的物体，因为它们以特殊的方式移动，甚至似乎可以抵抗重力。这些特殊特性使陀螺仪在从自行车到航天飞机上的高级导航系统的所有事物中都极为重要。一架典型的飞机在从指南针到自动驾驶仪的各个方面都使用大约十几个陀螺仪。俄罗斯和平号空间站使用了11个陀螺仪来保持对太阳的定向，哈勃太空望远镜也有一批导航陀螺仪。陀螺效应也是溜溜球和飞盘等游戏的核心!陀螺仪传感器的应用如此广泛和重要，今天小编就带大家了解一下它的工作原理。

图1 陀螺仪传感器

　　1.什么是陀螺仪

　　陀螺仪(来自古希腊语γῦροςgûros，“圆”和σκοπέωskopéō，“看”)是用于测量或保持方向和角速度的设备。它是一个旋转的轮子或圆盘，其中旋转轴(旋转轴)可以自由地自行呈现任何方向。旋转时，根据角动量守恒，该轴的方向不受支架倾斜或旋转的影响。

　　基于其他工作原理的陀螺仪也存在，例如电子设备中的微芯片封装的MEMS陀螺仪(有时称为陀螺仪)、固态环形激光器、光纤陀螺仪和极其灵敏的量子陀螺仪。陀螺仪是一种仪器，由一个安装在两个或三个万向节上的轮子组成，提供枢轴支撑，用于允许轮子围绕单个轴旋转。一组三个万向节，一个安装在另一个具有正交枢轴的万向节，可用于允许安装在最里面的万向节上的轮具有保持独立于其支撑的空间方位的方位。

　　在具有两个万向节的陀螺仪的情况下，作为陀螺仪框架的外部万向节被安装为围绕由支撑件确定的其自身平面中的轴枢转。这个外云台拥有一个旋转自由度，它的轴没有。第二万向节，即内万向节，安装在陀螺仪框架(外万向节)中，以绕其自身平面中的轴线枢转，该轴线始终垂直于陀螺框架(外万向节)的枢轴。这个内云台有两个旋转自由度。通过考虑自行车的前轮，最容易理解陀螺仪的行为。如果车轮从垂直方向倾斜，使车轮顶部向左移动，则车轮的前轮缘也向左转。换言之，转轮的一个轴上的旋转产生第三个轴的旋转。

图2 陀螺仪

　　2.陀螺仪传感器的分类

　　根据尺寸和性能，陀螺仪传感器有多种类型：

　　环形激光陀螺仪：环形激光陀螺仪基本上具有环形激光。环形激光器二在同一路径上具有两个相互独立的反向传播谐振模式。两种共振模式的频率差异可用于检测物体的旋转。

　　光纤陀螺仪：光纤陀螺仪遵循萨格纳克效应。它的工作原理是通过光纤线圈的光的干涉原理。我们将两束光从两个相反的方向注入光纤，相移可以通过干涉法测量。

　　量子陀螺仪：量子陀螺也被称为超流体陀螺，正在逐步取代机械陀螺。这种类型的陀螺仪使用流体材料来检测不同运动物体的方向变化。

　　振动陀螺仪：振动陀螺仪是最常用的陀螺仪传感器。它也是一个非常容易使用的轻松设备。在这种类型的陀螺仪中，可以使用振动结构来检测运动物体的旋转速度。振动陀螺仪具有各种重要特性，例如温度频率系数、比例因子等等。

　　3.陀螺仪传感器的工作原理

　　科里奥利力或科里奥利效应用于角动量的测量。陀螺仪传感器的工作原理是角动量守恒。它通过保持角动量起作用。在陀螺仪传感器中，转子或纺车安装在枢轴上。枢轴允许转子在称为万向节的特定轴上旋转。在这里，我们将一次使用两个云台。一个云台将安装在另一个云台上。这将赋予转子三个自由度。每当我们旋转陀螺仪的转子时，陀螺仪将继续指向同一方向。

　　所有旋转的物体都具有陀螺特性，物体在任何陀螺运动中可以体验到的主要属性是空间刚性和进动。陀螺仪传感器类似陀螺，旋转的物体无论是否受到外力影响，本身的旋转轴的方向是不会改变的，所以陀螺的会一直保持着直立，那么陀螺仪传感器也会利用这一点保持物体的方向。物体可以通过某些方式读取可以产生旋转轴的旋转方向，并且进行数据传输，将方向数据传给控制系统，让设备实现一定的反应。陀螺仪传感器的灵敏度很高，工作稳定可靠，体积小巧，功能强大。

　　4.陀螺仪的应用

　　传感角速度：可用于传感运动物体角运动的变化率。这可用于检测运动运动。

　　感应角度：也可以使用陀螺仪传感器检测角度。此应用程序用于汽车导航和游戏控制器。

　　传感控制机制：我们还可以使用陀螺传感器来检测由于各种外部因素引起的振动。可以将此应用程序用于相机抖动控制和车辆控制。

　　5.陀螺仪传感器相关问题

　　5.1陀螺仪是干什么用的?

　　微机电系统(MEMS)陀螺仪是检测和测量物体角运动的运动传感器。它们测量物体围绕特定轴的旋转速率：1轴、2轴和3轴。

　　5.2什么是手机陀螺仪?

　　手机中的陀螺仪可以感应手机的线性方向以自动旋转屏幕。虽然陀螺仪负责旋转方向，但加速度计会感应相对于设备参考系的线性变化。

　　5.3陀螺仪在日常生活中是如何使用的?

　　陀螺仪用于船舶和飞机的罗盘和自动驾驶仪、鱼雷的转向机构以及安装在太空运载火箭、弹道导弹和轨道卫星中的惯性制导系统。

　　5.4陀螺仪传感器有什么用?

　　陀螺仪可以理解为用于保持参考方向或在导航、稳定器等方面提供稳定性的设备。类似地，智能手机中存在陀螺仪或陀螺仪传感器以感测角旋转速度和加速度。

　　5.5陀螺仪可以永远旋转吗?

　　如果悬挂电子设备保持供电，极端的旋转对称性、无摩擦和低阻力将使转子的角动量保持旋转约15,000年。

　　6.结语

　　以上就是陀螺仪传感器工作原理的介绍了，除了用于指南针、飞机、计算机指点设备等之外，陀螺仪还被引入到消费电子产品中。陀螺仪在消费电子产品中的首次使用或应用是由史蒂夫乔布斯在苹果iPhone中推广的。由于陀螺仪允许计算方向和旋转，设计师已将它们纳入现代技术。与之前许多智能手机中的单独加速度计相比，陀螺仪的集成允许更准确地识别3D空间内的运动。消费电子产品中的陀螺仪经常与加速度计(加速度传感器)结合使用，以实现更强大的方向和运动感应。