陀螺儀傳感器的工作原理

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　　角速度傳感器對于大多數人來說是很陌生的詞匯，但它的另一個名字卻為大眾所熟知——陀螺儀。陀螺儀是非常令人困惑的物體，因為它們以特殊的方式移動，甚至似乎可以抵抗重力。這些特殊特性使陀螺儀在從自行車到航天飛機上的高級導航系統的所有事物中都極為重要。一架典型的飛機在從指南針到自動駕駛儀的各個方面都使用大約十幾個陀螺儀。俄羅斯和平號空間站使用了11個陀螺儀來保持對太陽的定向，哈勃太空望遠鏡也有一批導航陀螺儀。陀螺效應也是溜溜球和飛盤等游戲的核心!陀螺儀傳感器的應用如此廣泛和重要，今天小編就帶大家了解一下它的工作原理。

圖1 陀螺儀傳感器

　　1.什么是陀螺儀

　　陀螺儀(來自古希臘語γ?ρο?g?ros，“圓”和σκοπ?ωskopéō，“看”)是用于測量或保持方向和角速度的設備。它是一個旋轉的輪子或圓盤，其中旋轉軸(旋轉軸)可以自由地自行呈現任何方向。旋轉時，根據角動量守恒，該軸的方向不受支架傾斜或旋轉的影響。

　　基于其他工作原理的陀螺儀也存在，例如電子設備中的微芯片封裝的MEMS陀螺儀(有時稱為陀螺儀)、固態環形激光器、光纖陀螺儀和極其靈敏的量子陀螺儀。陀螺儀是一種儀器，由一個安裝在兩個或三個萬向節上的輪子組成，提供樞軸支撐，用于允許輪子圍繞單個軸旋轉。一組三個萬向節，一個安裝在另一個具有正交樞軸的萬向節，可用于允許安裝在最里面的萬向節上的輪具有保持獨立于其支撐的空間方位的方位。

　　在具有兩個萬向節的陀螺儀的情況下，作為陀螺儀框架的外部萬向節被安裝為圍繞由支撐件確定的其自身平面中的軸樞轉。這個外云臺擁有一個旋轉自由度，它的軸沒有。第二萬向節，即內萬向節，安裝在陀螺儀框架(外萬向節)中，以繞其自身平面中的軸線樞轉，該軸線始終垂直于陀螺框架(外萬向節)的樞軸。這個內云臺有兩個旋轉自由度。通過考慮自行車的前輪，最容易理解陀螺儀的行為。如果車輪從垂直方向傾斜，使車輪頂部向左移動，則車輪的前輪緣也向左轉。換言之，轉輪的一個軸上的旋轉產生第三個軸的旋轉。

圖2 陀螺儀

　　2.陀螺儀傳感器的分類

　　根據尺寸和性能，陀螺儀傳感器有多種類型：

　　環形激光陀螺儀：環形激光陀螺儀基本上具有環形激光。環形激光器二在同一路徑上具有兩個相互獨立的反向傳播諧振模式。兩種共振模式的頻率差異可用于檢測物體的旋轉。

　　光纖陀螺儀：光纖陀螺儀遵循薩格納克效應。它的工作原理是通過光纖線圈的光的干涉原理。我們將兩束光從兩個相反的方向注入光纖，相移可以通過干涉法測量。

　　量子陀螺儀：量子陀螺也被稱為超流體陀螺，正在逐步取代機械陀螺。這種類型的陀螺儀使用流體材料來檢測不同運動物體的方向變化。

　　振動陀螺儀：振動陀螺儀是最常用的陀螺儀傳感器。它也是一個非常容易使用的輕松設備。在這種類型的陀螺儀中，可以使用振動結構來檢測運動物體的旋轉速度。振動陀螺儀具有各種重要特性，例如溫度頻率系數、比例因子等等。

　　3.陀螺儀傳感器的工作原理

　　科里奧利力或科里奧利效應用于角動量的測量。陀螺儀傳感器的工作原理是角動量守恒。它通過保持角動量起作用。在陀螺儀傳感器中，轉子或紡車安裝在樞軸上。樞軸允許轉子在稱為萬向節的特定軸上旋轉。在這里，我們將一次使用兩個云臺。一個云臺將安裝在另一個云臺上。這將賦予轉子三個自由度。每當我們旋轉陀螺儀的轉子時，陀螺儀將繼續指向同一方向。

　　所有旋轉的物體都具有陀螺特性，物體在任何陀螺運動中可以體驗到的主要屬性是空間剛性和進動。陀螺儀傳感器類似陀螺，旋轉的物體無論是否受到外力影響，本身的旋轉軸的方向是不會改變的，所以陀螺的會一直保持著直立，那么陀螺儀傳感器也會利用這一點保持物體的方向。物體可以通過某些方式讀取可以產生旋轉軸的旋轉方向，并且進行數據傳輸，將方向數據傳給控制系統，讓設備實現一定的反應。陀螺儀傳感器的靈敏度很高，工作穩定可靠，體積小巧，功能強大。

　　4.陀螺儀的應用

　　傳感角速度：可用于傳感運動物體角運動的變化率。這可用于檢測運動運動。

　　感應角度：也可以使用陀螺儀傳感器檢測角度。此應用程序用于汽車導航和游戲控制器。

　　傳感控制機制：我們還可以使用陀螺傳感器來檢測由于各種外部因素引起的振動?？梢詫⒋藨贸绦蛴糜谙鄼C抖動控制和車輛控制。

　　5.陀螺儀傳感器相關問題

　　5.1陀螺儀是干什么用的?

　　微機電系統(MEMS)陀螺儀是檢測和測量物體角運動的運動傳感器。它們測量物體圍繞特定軸的旋轉速率：1軸、2軸和3軸。

　　5.2什么是手機陀螺儀?

　　手機中的陀螺儀可以感應手機的線性方向以自動旋轉屏幕。雖然陀螺儀負責旋轉方向，但加速度計會感應相對于設備參考系的線性變化。

　　5.3陀螺儀在日常生活中是如何使用的?

　　陀螺儀用于船舶和飛機的羅盤和自動駕駛儀、魚雷的轉向機構以及安裝在太空運載火箭、彈道導彈和軌道衛星中的慣性制導系統。

　　5.4陀螺儀傳感器有什么用?

　　陀螺儀可以理解為用于保持參考方向或在導航、穩定器等方面提供穩定性的設備。類似地，智能手機中存在陀螺儀或陀螺儀傳感器以感測角旋轉速度和加速度。

　　5.5陀螺儀可以永遠旋轉嗎?

　　如果懸掛電子設備保持供電，極端的旋轉對稱性、無摩擦和低阻力將使轉子的角動量保持旋轉約15,000年。

　　6.結語

　　以上就是陀螺儀傳感器工作原理的介紹了，除了用于指南針、飛機、計算機指點設備等之外，陀螺儀還被引入到消費電子產品中。陀螺儀在消費電子產品中的首次使用或應用是由史蒂夫喬布斯在蘋果iPhone中推廣的。由于陀螺儀允許計算方向和旋轉，設計師已將它們納入現代技術。與之前許多智能手機中的單獨加速度計相比，陀螺儀的集成允許更準確地識別3D空間內的運動。消費電子產品中的陀螺儀經常與加速度計(加速度傳感器)結合使用，以實現更強大的方向和運動感應。