不可思議的陀螺儀

動態 2016.07.04

你曾經是否被這類東西驚呆過:

無人機的自穩定

自平衡車

感覺這么多年物理白學了

防抖控制桿

你們也來湊熱鬧?這個就算了~~~~

也許你猜出來了,它們都有一個叫陀螺儀傳感器的東西。這個東西在手機上主要是用來檢測手機姿態的,我們玩體感游戲少不了它,一些手機拍照時候的防抖也要用到它。
不過,這個看似普及的東西來歷其實非常高大上,它到底是個什么東西呢?

陀螺儀轉動起來神奇的自然力量讓他違背自然定律

現在手機里面的陀螺儀傳感器已經進化成一塊小小的芯片了,但是在陀螺儀出現的時候,它卻是一個機械裝置。

手機里面的陀螺儀

目前,人們普遍認為是1850年法國的物理學家萊昂·傅科(J.Foucault)為了研究地球自轉,發明了陀螺儀。那個時代的陀螺儀可以理解成把一個高速旋轉的陀螺放到一個萬向支架上面,這樣因為陀螺在高速旋轉時保持穩定,人們就可以通過陀螺的方向來辨認方向,確定姿態,計算角速度。

萬向支架可以保證無論怎么轉動,陀螺都不會倒,萬向支架這個東西最早可以追溯到中國幾千年前的香爐。

陀螺儀發明以后,首先被用在航海上(當年還沒有發明飛機),后來被用在航空上。因為飛機飛在空中,是無法像地面一樣靠肉眼辨認方向的,而飛行中方向都看不清楚危險性極高,所以陀螺儀迅速得到了應用,成為飛行儀表的核心。

導彈陀螺儀

到了第二次世界大戰,各個國家都玩命的制造新式武器,德國人搞了慣性制導系統的飛彈去炸英國。慣性制導系統采用用陀螺儀確定方向和角速度,用加速度計測試加速度,然后通過數學計算,就可以算出飛彈飛行的距離和路線,然后控制飛行姿態,爭取讓飛彈落到想去的地方。

不過,從此以后,以陀螺儀為核心的慣性制導系統就被廣泛應用于航空航天,今天的導彈里面依然有這套東西,而隨著需求的刺激,陀螺儀也在不斷進化。

最早的陀螺儀都是機械式的,里面真有高速旋轉的陀螺,而機械的東西對加工精度有很高的要求,還怕震動,因此機械陀螺儀為基礎的導航系統精度一直都不太高。

于是,人們開始尋找更好的辦法,利用物理學上的進步,發展出激光陀螺儀,光纖陀螺儀,以及微機電陀螺儀(MEMS)。

這些東西雖然還叫陀螺儀,但是它們的原理和傳統的機械陀螺儀已經完全是兩碼事了。

光纖陀螺儀利用的是薩格納克(Sagnac)效應,通過光傳播的特性,測量光程差計算出旋轉的角速度,起到陀螺儀的作用,替代陀螺儀的功能。

激光陀螺儀也是通過算光程差計算角速度,替代陀螺儀。

微機電陀螺儀則是利用物理學的科里奧利力,在內部產生微小的電容變化,然后測量電容,計算出角速度,替代陀螺儀。

iPhone和我們的智能手機里面所用的陀螺儀,就是微機電陀螺儀(MEMS)。


目前,傳統上的機械陀螺儀正在被淘汰,有高精度需求的地方用的是激光陀螺儀,而普及方面則是微機電陀螺儀。

因為微機電陀螺儀(MEMS)屬于微電子產品,發展迅速,而且成本越來越低,所以用途越來越廣。我們的智能手機因為有檢測動態的需求,于是就用上了微機電陀螺儀(MEMS)。

雙陀螺儀控制獨輪車的平衡

本來陀螺儀是高大上的存在,但是因為微機電陀螺儀(MEMS)的出現,低成本的陀螺儀可以用在很多領域。

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

而在游戲機里面,各種體感操作功能的背后都是微機電陀螺儀(MEMS)。

在無人機、穿戴式設備,物聯網,甚至現在熱炒的工業4.0,互聯網+上面,同樣離不開它,只要是需要檢測運動狀態的地方,就有微機電陀螺儀(MEMS)。

165年前,萊昂·傅科發明陀螺儀是為了科學研究。如今,這個小東西卻讓我們的生活有了翻天覆地的改變,如果沒有它,就沒有飛機,沒有火箭,沒有現代生活,這恐怕是他的發明者都沒有想到的。小小的陀螺儀,讓我們的世界變得更美好。
 

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