陀螺儀工作原理，你懂了嗎？

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

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

陀螺儀名字的來(lái)源具有悠久的歷史。

據考證，1850年法國的物理學(xué)家萊昂·傅科（J.Foucault）為了研究地球自轉，首先發(fā)現高速轉動(dòng)中地的轉子（rotor），由于它具有慣性，它的旋轉軸永遠指向一固定方向，因此傅科用希臘字 gyro（旋轉）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)高速旋轉的陀螺放到一個(gè)萬(wàn)向支架上，靠陀螺的方向來(lái)計算角速度，簡(jiǎn)易圖如下圖所示。

其中，中間金色的轉子即為陀螺，它因為慣性作用是不會(huì )受到影響的，周邊的三個(gè)“鋼圈”則會(huì )因為設備的改變姿態(tài)而跟著(zhù)改變。

通過(guò)這樣來(lái)檢測設備當前的狀態(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)將數據信號傳給控制系統。

因此一開(kāi)始，陀螺儀的最主要的作用在于可以測量角速度。

當前，從力學(xué)的觀(guān)點(diǎn)近似的分析陀螺的運動(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(zhù)這個(gè)支點(diǎn)作三個(gè)自由度的轉動(dòng)。

所以陀螺的運動(dòng)是屬于剛體繞一個(gè)定點(diǎn)的轉動(dòng)運動(dòng)，更確切地說(shuō)，一個(gè)繞對稱(chēng)軸高速旋轉的飛輪轉子叫陀螺。

將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉軸有角轉動(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:

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

• 內、外框架（或稱(chēng)內、外環(huán)，它是使陀螺自轉軸獲得所需角轉動(dòng)自由度的結構）；

• 附件（是指力矩馬達、信號傳感器等）。

陀螺儀偵測的是角速度。

其工作原理基于科里奧利力的原理：

當一個(gè)物體在坐標系中直線(xiàn)移動(dòng)時(shí)，假設坐標系做一個(gè)旋轉，那么在旋轉的過(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。

臺風(fēng)的形成就是基于這個(gè)原理，地球轉動(dòng)帶動(dòng)大氣轉動(dòng)，如果大氣轉動(dòng)時(shí)受到一個(gè)切向力，便容易形成臺風(fēng)，而北半球和南半球臺風(fēng)轉動(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)圓形的中軸的結合體。

而事實(shí)上，靜止與運動(dòng)的陀螺儀本身并無(wú)區別，如果靜止的陀螺儀本身絕對平衡的話(huà)，拋除外在因素陀螺儀是可以不依靠旋轉便能立定的。

而如果陀螺儀本身尺寸不平衡的話(huà)，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來(lái)維持平衡。

陀螺儀本身與引力有關(guān)，因為引力的影響，不均衡的陀螺儀，重的一端將向下運行，而輕的一端向上。

而在旋轉中，陀螺儀如果遇到外力導致，陀螺儀轉輪某點(diǎn)受力。

陀螺儀會(huì )立刻傾斜，而陀螺儀受力點(diǎn)的勢能如果低于陀螺儀旋轉時(shí)速，這時(shí)受力點(diǎn)，會(huì )因為陀螺儀傾斜，在旋轉的推動(dòng)下，陀螺儀受力點(diǎn)將從斜下角，滑向斜上角。

而在向斜上角運行時(shí)，陀螺儀受力點(diǎn)的勢能還在向下運行。

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

這陀螺儀和重力傳感器有什么區別呢？

區別很多，但最大的區別就是重力傳感對于空間上的位移感受維較少，能做到6個(gè)方向的感應就已經(jīng)很不錯了，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，那么它在手機上到底有什么用呢？

導航

陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)始，就用于導航，先是德國人將其應用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機的導航能力將達到前所未有的水準。

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

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

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

可以用作輸入設備，陀螺儀相當于一個(gè)立體的鼠標，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類(lèi)似，甚至可以認為是一種類(lèi)型。

未來(lái)最有前景和應用范圍的用途，那就是可以幫助手機實(shí)現很多增強現實(shí)的功能。

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。

定軸性（inertia or rigidity）

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

這種物理現象稱(chēng)為陀螺儀的定軸性或穩定性。

其穩定性隨以下的物理量而改變：轉子的轉動(dòng)慣量愈大，穩定性愈好；轉子角速度愈大，穩定性愈好。

進(jìn)動(dòng)性（precession）

當轉子高速旋轉時(shí)，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內環(huán)軸轉動(dòng)；若外力矩作用于內環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉動(dòng)。

MEMS陀螺儀

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

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)控制系統中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號傳感器。

根據需要，陀螺儀器能提供準確的方位、水平、位置、速度和加速度等信號。

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

在導彈、衛星運載器或空間探測火箭等航行體的制導中，則直接利用這些信號完成航行體的姿態(tài)控制和軌道控制。

作為精密測試儀器，陀螺儀器能夠為地面設施、礦山隧道、地下鐵路、石油鉆探以及導彈****井等提供準確的方位基準。

由此可見(jiàn)，陀螺儀器的應用范圍是相當廣泛的，它在現代化的國防建設和國民經(jīng)濟建設中均占重要的地位。

陀螺儀的出現，給了消費電子很大的應用發(fā)揮空間。

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

還比如讓智能手機變得更智慧：除了移動(dòng)上網(wǎng)、快速處理數據外，還能“察言觀(guān)色”，并提供相應的服務(wù)。

陀螺儀自被發(fā)明開(kāi)始，就用于導航，先是德國人將其應用在V1、V2火箭上，因此，如果配合GPS，手機的導航能力將達到前所未有的水準。

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

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

各類(lèi)手機游戲的傳感器，比如飛行游戲，體育類(lèi)游戲，甚至包括一些第一視角類(lèi)射擊游戲，陀螺儀完整監測游戲者手的位移，從而實(shí)現各種游戲操作效果，如橫屏改豎屏、賽車(chē)游戲拐彎等等。

陀螺儀還可以用作輸入設備，它相當于一個(gè)立體的鼠標，這個(gè)功能和第三大用途中的游戲傳感器很類(lèi)似，甚至可以認為是一種類(lèi)型。

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