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陀螺仪传感器工作原理深度解析

前言:

看过盗梦空间的同志们一定对电影中的跟上图的小物件很熟悉——陀螺仪,那么它的工作原理是什么呢?在手机等移动设备中是怎么应用的呢?现如今的技术又是怎么样的呢?本文将带你深入了解!

一、陀螺仪的历史

 陀螺仪*早是法国科学家在1850年在研究地球自转中获得灵感而发明的,如上图所示,将一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上,靠陀螺的方向来计算角速度,其简易图如下所示。

     中间金色的转子即为陀螺,它因为惯性作用是不会受到影响的,周边的三个“钢圈”则会因为设备的改变姿态而跟着改变,通过这样来检测设备当前的状态,而这三个“钢圈”所在的轴,也就是三轴陀螺仪里面的“三轴”,即X轴、y轴、Z轴,三个轴围成的立体空间联合检测手机的各种动作,陀螺仪的*主要的作用在于可以测量角速度。




 陀螺仪发明之后,首先应用在飞机上,后来有被德国用在导弹中,德国人设计出惯性指导系统,惯性制导系统可以采用陀螺仪确定方向和角速度,用加速度计测试加速度,就可以计算出导弹的路线,从而进行飞行姿态的控制。


 传统的惯性陀螺仪主要是机械式的陀螺仪,机械式的陀螺仪对工艺结构等要求很高,结构复杂,它的精度受到了很多方面的制约。随着技术的逐渐发展,渐渐的发展处了光纤、激光陀螺仪等等各种较为先进的陀螺仪,目前手机中使用的为MEMS原理的陀螺仪,即硅微机电陀螺仪。(MEMS:是指集中机械元素、微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。


二、MEMS陀螺仪的工作原理

      MEMS陀螺仪采用的是依赖于相互正交的震动和转动引起的交变科里奥利力。

MEMS陀螺仪利用coriolis,将旋转物体的角速度转换成与角速度成正比直流电压信号,其核心部件通过掺杂技术、光刻技术、腐蚀技术、LIGA技术、封装技术等批量生产的。

 陀螺仪的内部原理是这样的:对固定指施加电压,并交替改变电压,让一个质量块做振荡式来回运动,当旋转时,会产生科里奥利加速度,此时就可以对其进行测量;这有点类似于加速度计,解码方法大致相同,都会用到放大器。


  • 角速率由科氏加速度测量结果决定

  • 科氏加速度 = 2 × (w × 质量块速度)

  • w是施加的角速率(w = 2 πf)

  • 通过14 kHz共振结构施加的速度(周期性运动)快速耦合到加速度计框架

  • 科氏加速度与谐振器具有相同的频率和相位,因此可以抵消低速外部振动

  • 该机械系统的结构与加速度计相似(微加工多晶硅)

  • 信号调理(电压转换偏移)采用与加速度计类似的技术

  • 施加变化的电压来回移动器件,此时器件只有水平运动没有垂直运动。如果施加旋转,可以看到器件会上下移动,外部指将感知该运动,从而就能拾取到与旋转相关的信号。


上面的动画,只是抽象展示了陀螺仪的工作原理,而真实的陀螺仪内部构造是下面这个样子,别不小心误会了哦~


三、陀螺仪的应用


      “陀螺仪”是加速度传感器的升级版,加速度传感器能检测和感应某一轴向的线性动作,而陀螺仪能检测和感应3D空间的线性和动作,从而能够辨认方向、确认姿态、计算角速度。

       自乔布斯发布**款带陀螺仪的手机时,让手机玩优良飞车类的游戏就成为了可能。


首先就是能够对驾驶类游戏做出更真实的模拟。通过陀螺仪,能够对手机的偏转角度、速度、时间等进行测量,从而实现对游戏视野的变化和车辆方向速度的改变,让游戏的体验有了质的提升!


 其次是能够帮助摄像头进行防抖(OIS),通俗来说就是当你按下快门的那一刻,陀螺仪检测手机抖动的角度,然后根据角度来算出镜头模组需要补偿的距离,让镜头通过反向运动来抵消手机的抖动,从而实现镜头在拍摄的那一刻的优良静止,提高成片率。


   再次就是辅助GPS导航,在某些gps信号弱或者无信号的地方,比如隧道等,手机就可以根据之前定位的地点和陀螺仪检测的运动速度和时间和方向,推算出当前的位置,来达到暂时定位的目的。

    在手机的具体应用中,通常会采用A+G方案,即将加速度传感器和陀螺仪做在一起,从而节省一路I2C。