不可思议的陀螺仪

动态 2016.07.22

你曾经是否被这类东西惊呆过:

无人机的自稳定

自平衡车

感觉这么多年物理白学了

防抖控制杆

你们也来凑热闹?这个就算了~~~~

也许你猜出来了,它们都有一个叫陀螺仪传感器的东西。这个东西在手机上主要是用来检测手机姿态的,我们玩体感游戏少不了它,一些手机拍照时候的防抖也要用到它。
不过,这个看似普及的东西来历其实非常高大上,它到底是个什么东西呢?

陀螺仪转动起来神奇的自然力量让他违背自然定律

现在手机里面的陀螺仪传感器已经进化成一块小小的芯片了,但是在陀螺仪出现的时候,它却是一个机械装置。

手机里面的陀螺仪

目前,人们普遍认为是1850年法国的物理学家莱昂·傅科(J.Foucault)为了研究地球自转,发明了陀螺仪。那个时代的陀螺仪可以理解成把一个高速旋转的陀螺放到一个万向支架上面,这样因为陀螺在高速旋转时保持稳定,人们就可以通过陀螺的方向来辨认方向,确定姿态,计算角速度。

万向支架可以保证无论怎么转动,陀螺都不会倒,万向支架这个东西最早可以追溯到中国几千年前的香炉。

陀螺仪发明以后,首先被用在航海上(当年还没有发明飞机),后来被用在航空上。因为飞机飞在空中,是无法像地面一样靠肉眼辨认方向的,而飞行中方向都看不清楚危险性极高,所以陀螺仪迅速得到了应用,成为飞行仪表的核心。

导弹陀螺仪

到了第二次世界大战,各个国家都玩命的制造新式武器,德国人搞了惯性制导系统的飞弹去炸英国。惯性制导系统采用用陀螺仪确定方向和角速度,用加速度计测试加速度,然后通过数学计算,就可以算出飞弹飞行的距离和路线,然后控制飞行姿态,争取让飞弹落到想去的地方。

不过,从此以后,以陀螺仪为核心的惯性制导系统就被广泛应用于航空航天,今天的导弹里面依然有这套东西,而随着需求的刺激,陀螺仪也在不断进化。

最早的陀螺仪都是机械式的,里面真有高速旋转的陀螺,而机械的东西对加工精度有很高的要求,还怕震动,因此机械陀螺仪为基础的导航系统精度一直都不太高。

于是,人们开始寻找更好的办法,利用物理学上的进步,发展出激光陀螺仪,光纤陀螺仪,以及微机电陀螺仪(MEMS)。

这些东西虽然还叫陀螺仪,但是它们的原理和传统的机械陀螺仪已经完全是两码事了。

光纤陀螺仪利用的是萨格纳克(Sagnac)效应,通过光传播的特性,测量光程差计算出旋转的角速度,起到陀螺仪的作用,替代陀螺仪的功能。

激光陀螺仪也是通过算光程差计算角速度,替代陀螺仪。

微机电陀螺仪则是利用物理学的科里奥利力,在内部产生微小的电容变化,然后测量电容,计算出角速度,替代陀螺仪。

iPhone和我们的智能手机里面所用的陀螺仪,就是微机电陀螺仪(MEMS)。


目前,传统上的机械陀螺仪正在被淘汰,有高精度需求的地方用的是激光陀螺仪,而普及方面则是微机电陀螺仪。

因为微机电陀螺仪(MEMS)属于微电子产品,发展迅速,而且成本越来越低,所以用途越来越广。我们的智能手机因为有检测动态的需求,于是就用上了微机电陀螺仪(MEMS)。

双陀螺仪控制独轮车的平衡

本来陀螺仪是高大上的存在,但是因为微机电陀螺仪(MEMS)的出现,低成本的陀螺仪可以用在很多领域。

除了我们熟悉的智能手机以外,汽车上也用了很多微机电陀螺仪,在高档汽车中,大约采用25至40只MEMS传感器,用来检测汽车不同部位的工作状态,给行车电脑提供信息,让用户更好的控制汽车。

而在游戏机里面,各种体感操作功能的背后都是微机电陀螺仪(MEMS)。

在无人机、穿戴式设备,物联网,甚至现在热炒的工业4.0,互联网+上面,同样离不开它,只要是需要检测运动状态的地方,就有微机电陀螺仪(MEMS)。

165年前,莱昂·傅科发明陀螺仪是为了科学研究。如今,这个小东西却让我们的生活有了翻天覆地的改变,如果没有它,就没有飞机,没有火箭,没有现代生活,这恐怕是他的发明者都没有想到的。小小的陀螺仪,让我们的世界变得更美好。