手機(jī)中的陀螺儀原理是什么？

陀螺儀的工作原理是什么？它是如何被放置在手機(jī)中的？

看視頻時(shí)，不論是豎直擺放手機(jī)還是橫向擺放，畫面都會(huì)自動(dòng)調(diào)整到適合的大??；玩游戲時(shí)移動(dòng)手機(jī)的位置可以實(shí)現(xiàn)意想不到的設(shè)計(jì)效果；拍照時(shí)即使手部輕微抖動(dòng)，也不會(huì)影響畫質(zhì)的清晰穩(wěn)定。

想要實(shí)現(xiàn)上面這些功能就離不開我們手機(jī)中一個(gè)非常重要的組件-----陀螺儀。這個(gè)名字聽起來甚是熟悉，他不是以前火車上經(jīng)常售賣的玩具嗎？那我們就從這個(gè)最經(jīng)典的機(jī)械陀螺儀講起。

當(dāng)我們拉動(dòng)細(xì)線，讓中間的轉(zhuǎn)子快速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，她的旋轉(zhuǎn)軸總是指向一個(gè)相對(duì)固定的方向，這一物理現(xiàn)象被稱為陀螺的定軸性，除此之外，陀螺還有一個(gè)神奇的特性，進(jìn)動(dòng)性。

即如果外界施加一個(gè)作用或者力矩在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸上，那么旋轉(zhuǎn)軸并不會(huì)沿施力方向運(yùn)動(dòng)，而是順著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)向前90度垂直于施力方向運(yùn)動(dòng)。

基于以上兩種特性，在陀螺的外面加上一個(gè)萬象支架就會(huì)發(fā)現(xiàn)，無論外圍的支架如何變化，高速旋轉(zhuǎn)的陀螺總是穩(wěn)定不變的據(jù)西漢《西京雜記》記載，早在我國古代就出現(xiàn)過類似的“被中香爐”，無論外面的熏球如何滾動(dòng)，里面的香盂總會(huì)保持水平狀態(tài)。

在此之后，相當(dāng)長的一段時(shí)間里，陀螺儀只是在生活中進(jìn)行著簡單的應(yīng)用。直到1850年，法國物理學(xué)家萊昂傅科正式提出了陀螺儀一詞，它才開始走進(jìn)科學(xué)的視野。其中最早應(yīng)用陀螺儀的便是航海領(lǐng)域。

我們就假設(shè)將一個(gè)陀螺儀放置在一艘輪船上來具體講解陀螺儀的工作原理。

第一種情況，船體發(fā)生了Roll搖晃，也就是桶滾，由于轉(zhuǎn)子和其旋轉(zhuǎn)軸具有較大慣性，只要不直接施加扭矩，就會(huì)保持原有姿態(tài)，而外環(huán)軸可以靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，因此就會(huì)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)。

第二種情況，船體發(fā)生了Pitch搖晃，也就是俯仰。這時(shí)，相應(yīng)方向上的內(nèi)環(huán)軸會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而內(nèi)部的轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)軸依舊會(huì)保持平衡。

第三種情況，船體發(fā)生了Yaw搖晃，也就是偏航。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸兩端的連接頭就會(huì)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)。

綜上所述，在輪船發(fā)生同滾俯仰偏航時(shí)，陀螺儀就可以通過自身的調(diào)節(jié)，讓轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)軸一直保持平衡，后來不僅僅是航海領(lǐng)域，航空航天以及軍事武器中都會(huì)使用以陀螺儀為核心的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。

現(xiàn)在隨著物理學(xué)的不斷進(jìn)步，陀螺儀的類型也越來越多，精度也日益提高，那么回到開頭提到的手機(jī)陀螺儀，它到底長什么樣子？又是如何放置在手機(jī)中的呢？

其實(shí)現(xiàn)在在電子產(chǎn)品中使用的并不是刻板印象中的陀螺儀，而是一種和芯片形狀類似的微機(jī)電陀螺儀，它的工作原理也不再是角動(dòng)量守恒，而是一種實(shí)際并不存在的力-----科里奧利力。

我們可以通過一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行理解，兩位實(shí)驗(yàn)者分別坐在支架的兩端，互相拋球，這時(shí)能夠輕松地接到對(duì)方的球，但是一旦支架旋轉(zhuǎn)起來，事情就變得不簡單了。以房間為參考系，球還是直直地拋出了，但是從實(shí)驗(yàn)者的視角觀察球走的并不是直線，而是拐了一個(gè)彎。

如果將這種偏移歸結(jié)為一個(gè)外加力的作用，那么這個(gè)力就是“科里奧利力”。它和離心力一樣，并不是在慣性系中真實(shí)存在的力，而是慣性作用，在非慣性系內(nèi)的體現(xiàn)。

那么，微機(jī)電陀螺儀是如何利用科里奧利力的呢？

首先給鏡像電容板施加震蕩電壓，使質(zhì)量塊被迫做徑向運(yùn)動(dòng)，緊接著，隨著陀螺儀的旋轉(zhuǎn)，橫向的電容板就可以測(cè)量科里奧利力帶來的電容變化，又因?yàn)榭评飱W利力與角速度成正比，所以通過電容變化就可以計(jì)算出角速度，當(dāng)然，這還只是一個(gè)軸向的運(yùn)動(dòng)變化，如果xyz軸都能顧及到，就能實(shí)現(xiàn)360度無死角測(cè)量的陀螺儀了。

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