三軸陀螺儀工作原理_三軸陀螺儀原理圖

　　一般陀螺儀工作原理

　　陀螺儀一種用于測(cè)量角度以及維持方向的設(shè)備，原理是基于角動(dòng)量守恒原理。我們來看看陀螺儀的動(dòng)態(tài)原理圖，中間金色的那個(gè)轉(zhuǎn)子則是我們的“陀螺”，它因?yàn)閼T性作用是不會(huì)受到影響的，而周邊三個(gè)“鋼圈”則會(huì)因?yàn)樵O(shè)備改變姿態(tài)而跟著改變，通過這樣來檢測(cè)設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)。 而這三個(gè)“鋼圈”所在的軸，也就是我們?nèi)S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)手機(jī)的各種動(dòng)作，陀螺儀最主要的作用在 于它可以測(cè)量角速度。

　　陀螺儀和我們最常見的重力感應(yīng)有什么區(qū)別呢？重力感應(yīng)是通過感應(yīng)重力正交兩個(gè)方向的分力大小，來判斷水平方向，而陀螺儀則是一個(gè)立體的方向。也因?yàn)樘匦陨嫌兴煌勇輧x的應(yīng)用看起來會(huì)比重力感應(yīng)的更炫，更拉風(fēng)。陀螺儀對(duì)一般用戶來說最容易接觸到的用途估計(jì)就是可以用在各種大型游戲上了，用陀螺儀操 作起射擊游戲來，可要比用觸屏更加得心應(yīng)手很多。當(dāng)然，除了游戲，陀螺儀還可以配合其他設(shè)備配合GPS定位，像Google的街景就有利用到陀螺儀配合定位。

　　MEMS陀螺儀工作原理

　　要想將陀螺儀技術(shù)應(yīng)用于手機(jī)、MID、手柄、鼠標(biāo)、數(shù)碼相機(jī)這樣的小型設(shè)備中，將傳統(tǒng)陀螺儀小型化是必然，為此，MEMS陀螺儀正全面走進(jìn)數(shù)碼設(shè)備、游戲設(shè)備。MEMS是什么呢？MEMS（Micro Electro Mechanical systems，微電子機(jī)械系統(tǒng)）是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的前沿技術(shù)，其是一種可對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。它可將機(jī)械構(gòu)件、光學(xué)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)部件、電控系統(tǒng)集成為一整體單元的微型系統(tǒng)。

　　MEMS產(chǎn)品已被廣泛地應(yīng)用于。。。數(shù)碼相機(jī)（防抖防震器件，使用MEMS陀螺儀產(chǎn)品即便在持續(xù)震動(dòng)的環(huán)境中，也能準(zhǔn)確地進(jìn)行歸零的動(dòng)作）、筆記本電腦或MID、手機(jī)（如加速度計(jì)）、MP3/MP4、游戲機(jī)等消費(fèi)電子產(chǎn)品中。陀螺儀利用這種技術(shù)，可在硅片上形成微米尺度的精密諧振結(jié)構(gòu)，用來感應(yīng)角速度的大小和方向。

　　與傳統(tǒng)的利用角動(dòng)量守恒原理的陀螺儀相比，MEMS陀螺儀使用了不同的工作原理。傳統(tǒng)的陀螺儀是一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，其轉(zhuǎn)軸的指向不隨承載它的支架旋轉(zhuǎn)而變化。要把這樣一個(gè)不停轉(zhuǎn)動(dòng)的沒有支撐的能旋轉(zhuǎn)的物體用微機(jī)械技術(shù)在硅片襯底上加工出來，顯然難上加難。為此，MEMS陀螺儀在基于傳統(tǒng)陀螺儀特性的基礎(chǔ)上利用科里奧利力來實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的小型化。什么是科里奧利力呢？科里奧利力（Coriolis force）也就時(shí)常說的哥里奧利力、科氏力，它是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述，其來自于物體運(yùn)動(dòng)所具有的慣性，由于地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而作用于地球上運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的偏向力就是這樣的代表，地轉(zhuǎn)偏向力有助于解釋一些地理現(xiàn)象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。

　　MEMS陀螺儀是科里奧利力的最常見應(yīng)用，MEMS陀螺儀利用科里奧利力（旋轉(zhuǎn)物體在徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力），旋轉(zhuǎn)中的陀螺儀可對(duì)各種形式的直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反映，通過記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的測(cè)量與控制。為了產(chǎn)生這種力，MEMS陀螺儀通常安裝有兩個(gè)方向的可移動(dòng)電容板，“徑向的電容板加震蕩電壓迫使物體作徑向運(yùn)動(dòng)，橫向的電容板測(cè)量由于橫向科里奧利運(yùn)動(dòng)帶來的電容變化?！边@樣，MEMS陀螺儀內(nèi)的“陀螺物體”在驅(qū)動(dòng)下就會(huì)不停地來回做徑向運(yùn)動(dòng)或震蕩，從而模擬出科里奧利力不停地在橫向來回變化的運(yùn)動(dòng)，并可在橫向作與驅(qū)動(dòng)力差90°的微小震蕩。這種科里奧利力好比角速度，所以由電容的變化便可以計(jì)算出MEMS陀螺儀的角速度。

　　以意法半導(dǎo)體的MEMS陀螺儀為例，其核心元件是一個(gè)微加工機(jī)械單元，在設(shè)計(jì)上按照一個(gè)音叉機(jī)制運(yùn)轉(zhuǎn)（音叉機(jī)制的工作原理是通過安裝在音叉基座上的一對(duì)壓電晶體使音叉在一定共振頻率下振動(dòng)，當(dāng)音叉開關(guān)的音叉與被測(cè)介質(zhì)相接觸時(shí)，音叉的頻率和振幅將改變，音叉開關(guān)的這些變化由智能電路來進(jìn)行檢測(cè)，處理并將之轉(zhuǎn)換為一個(gè)開關(guān)信號(hào)）。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分通過靜電驅(qū)動(dòng)方法，使機(jī)械元件前后振蕩，產(chǎn)生諧振，利用科里奧利力把角速率轉(zhuǎn)換成一個(gè)特定感應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移，兩個(gè)正在運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)向相反方向做連續(xù)運(yùn)動(dòng)。只要從外部施加一個(gè)角速率，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)力，力的方向垂直于質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方向。產(chǎn)生的力使感應(yīng)質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移，位移大小與所施加的加速度速率大小成正比，位于旁邊的傳感器就能感應(yīng)出在定子和轉(zhuǎn)子之間引起的電容變化，從而實(shí)現(xiàn)操控功能。并且，由于在控制電路內(nèi)部嵌入了先進(jìn)的電源關(guān)斷功能，可以在不需要傳感器功能的時(shí)候關(guān)閉整個(gè)傳感器，或讓其進(jìn)入深度睡眠模式，便可大幅降低陀螺儀的總功耗。從而像手機(jī)等便攜式設(shè)備就會(huì)由此獲得更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。

　　三軸MEMS陀螺儀工作原理

　　三軸MEMS陀螺儀結(jié)合三軸MEMS加速度計(jì)實(shí)現(xiàn)的所謂六軸產(chǎn)品。三軸陀螺儀可以同時(shí)測(cè)定6個(gè)方向的位置、移動(dòng)軌跡和加速度。

　　從MEMS陀螺儀的應(yīng)用方向來看，陀螺儀能夠測(cè)量沿一個(gè)軸或幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)的角速度，可與MEMS加速度計(jì)（加速計(jì)）形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，如果組合使用加速度計(jì)和陀螺儀這兩種傳感器，設(shè)計(jì)者就能更好地跟蹤并捕捉三維空間的完整運(yùn)動(dòng)，為最終用戶提供現(xiàn)場(chǎng)感更強(qiáng)的用戶使用體驗(yàn)、精確的導(dǎo)航系統(tǒng)以及其它功能。

　　此外，為讓設(shè)計(jì)和制作的陀螺儀具有較高的加速度和較低的機(jī)械噪聲，或?yàn)樾Ｕ铀俣扔?jì)的旋轉(zhuǎn)誤差，一些廠商會(huì)使用磁力計(jì)來完成傳統(tǒng)上用陀螺儀實(shí)現(xiàn)的傳感功能，以完成相應(yīng)定位，讓陀螺儀術(shù)業(yè)有專攻。這表明，混合的陀螺儀、加速度計(jì)或磁感應(yīng)計(jì)結(jié)合的方案正成為MEMS陀螺儀技術(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)。