一文探秘MEMS陀螺儀工作原理與特性

陀螺儀，又叫角速度傳感器，是用高速回轉(zhuǎn)體的動量矩敏感殼體相對慣性空間繞正交于自轉(zhuǎn)軸的一個或二個軸的角運(yùn)動檢測裝置，同時，利用其他原理制成的角運(yùn)動檢測裝置起同樣功能的裝置也稱陀螺儀。

陀螺儀的名字由來

陀螺儀名字的來源具有悠久的歷史。據(jù)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(zhuǎn)，首先發(fā)現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動中地的轉(zhuǎn)子（rotor），由于它具有慣性，它的旋轉(zhuǎn)軸永遠(yuǎn)指向一固定方向，因此傅科用希臘字 gyro（旋轉(zhuǎn)）和skopein（看）兩字合為“gyro scopei ”一字來命名該儀器儀表。

最早的陀螺儀的簡易制作方式如下：即將一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個萬向支架上，靠陀螺的方向來計算角速度，簡易圖如下圖所示。

其中，中間金色的轉(zhuǎn)子即為陀螺，它因為慣性作用是不會受到影響的，周邊的三個“鋼圈”則會因為設(shè)備的改變姿態(tài)而跟著改變，通過這樣來檢測設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)，而這三個“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，三個軸圍成的立體空間聯(lián)合檢測各種動作，然后用多種方法讀取軸所指示的方向，并自動將數(shù)據(jù)信號傳給控制系統(tǒng)。因此一開始，陀螺儀的最主要的作用在于可以測量角速度。

陀螺儀的基本組成

當(dāng)前，從力學(xué)的觀點(diǎn)近似的分析陀螺的運(yùn)動時，可以把它看成是一個剛體，剛體上有一個萬向支點(diǎn)，而陀螺可以繞著這個支點(diǎn)作三個自由度的轉(zhuǎn)動，所以陀螺的運(yùn)動是屬于剛體繞一個定點(diǎn)的轉(zhuǎn)動運(yùn)動，更確切地說，一個繞對稱軸高速旋轉(zhuǎn)的飛輪轉(zhuǎn)子叫陀螺。將陀螺安裝在框架裝置上，使陀螺的自轉(zhuǎn)軸有角轉(zhuǎn)動的自由度，這種裝置的總體叫做陀螺儀。

陀螺儀的基本部件有:陀螺轉(zhuǎn)子（常采用同步電機(jī)、磁滯電機(jī)、三相交流電機(jī)等拖動方法來使陀螺轉(zhuǎn)子繞自轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)，并見其轉(zhuǎn)速近似為常值）；內(nèi)、外框架（或稱內(nèi)、外環(huán)，它是使陀螺自轉(zhuǎn)軸獲得所需角轉(zhuǎn)動自由度的結(jié)構(gòu)）；附件（是指力矩馬達(dá)、信號傳感器等）。

陀螺儀的工作原理

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(dāng)一個物體在坐標(biāo)系中直線移動時，假設(shè)坐標(biāo)系做一個旋轉(zhuǎn)，那么在旋轉(zhuǎn)的過程中，物體會感受到一個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原理，地球轉(zhuǎn)動帶動大氣轉(zhuǎn)動，如果大氣轉(zhuǎn)動時受到一個切向力，便容易形成臺風(fēng)，而北半球和南半球臺風(fēng)轉(zhuǎn)動的方向是不一樣的。用一個形象的比喻解釋了科里奧利力的原理。

陀螺儀的兩大動力特性

陀螺儀是一種既古老而又很有生命力的儀器，從第一臺真正實(shí)用的陀螺儀器問世以來已有大半個世紀(jì)，直到現(xiàn)在，陀螺儀仍在吸引著人們對它進(jìn)行研究，這是由于它本身具有的特性所決定的。陀螺儀最主要的基本特性是它的定軸性（inertia or rigidity）和進(jìn)動性（precession），這兩種特性都是建立在角動量守恒的原則下。人們從兒童玩的地陀螺中早就發(fā)現(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺可以豎直不倒而保持與地面垂直，這就反映了陀螺的定軸性。研究陀螺儀運(yùn)動特性的理論是繞定點(diǎn)運(yùn)動剛體動力學(xué)的一個分支，它以物體的慣性為基礎(chǔ)，研究旋轉(zhuǎn)物體的動力學(xué)特性。

定軸性（inertia or rigidity）。當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)時，在沒有任何外力矩作用在陀螺儀上時，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變，即指向一個固定的方向；同時反抗任何改變轉(zhuǎn)子軸向的力量。這種物理現(xiàn)象稱為陀螺儀的定軸性或穩(wěn)定性。其穩(wěn)定性隨以下的物理量而改變：轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量愈大，穩(wěn)定性愈好；轉(zhuǎn)子角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。

進(jìn)動性（precession）。當(dāng)轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，若外力矩作用于外環(huán)軸，陀螺儀將繞內(nèi)環(huán)軸轉(zhuǎn)動；若外力矩作用于內(nèi)環(huán)軸，陀螺儀將繞外環(huán)軸轉(zhuǎn)動。其轉(zhuǎn)動角速度方向與外力矩作用方向互相垂直，這種特性，叫做陀螺儀的進(jìn)動性。進(jìn)動角速度的方向取決于動量矩H的方向(與轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)角速度矢量的方向一致)和外力矩M的方向，而且是自轉(zhuǎn)角速度矢量以最短的路徑追趕外力矩。

審核編輯 黃宇