陀螺仪演变过程（福祉科普陀螺仪的故事）

前言

陀螺仪是一类测量物体运动角速度的设备，常常用于物体运动姿态的测量以及惯性导航，它的应用及其广泛，小到手机、体感游戏机、平衡车，大到飞机、导弹都离不开它。前几天，福祉君给大家介绍了“陀螺仪”这个名词以及它的基本原理，相信大家对它有了一定的了解。今天，福祉君将带大家更加深入的了解各式各样的陀螺仪。

机械式陀螺仪的原理及种类

陀螺仪的原理可以用一个名词概括：科里奥利力矩（Coriolis Moment）。

三维空间内的物体的运动一般由X、Y、Z三个互相垂直的轴表达，如果一个物体绕Z轴高速转动，那么此时如果给它一个绕Y轴方向运动的角速度，那么它将会在绕X轴方向产生一个力矩，公式表达如下

MX=K·ωY

式中：MX是绕X轴方向的力矩

K是比例系数

ωY是该物体绕Y轴方向运动的角速度

下面这个陀螺不会掉下来就是因为科里奥利力矩的缘故。

（图片来源网络）

只要在陀螺仪内部设置一个高速旋转的装置，那么陀螺仪外加的旋转速度便可以通过检测另一个轴上的力矩推导出来。随着微机电技术的发展，陀螺仪的体积越来越小，在陀螺仪内部放置高速旋转的装置往往是难以实现的，因此有些陀螺仪通过一个高速震动的装置来代替高速旋转。

1.音叉式陀螺仪（Tuning Fork Gyroscope）

音叉式陀螺仪是一种微型陀螺仪，常用于日常生活中的电子产品中，其体积小、价格便宜，缺点是精度不高、抗冲击性差。其结构及原理如下图所示，陀螺仪中设置两个驱动电极，可以驱动与之相邻的质量块做高速震动，如同“音叉”一般。此时如果给陀螺仪外加一个平面内的角速度，那么在与高速震动垂直的方向便会产生科里奥利力，使结构产生形变，使质量块靠近/远离感应电极，从而引起电极电荷的变化，达到检测角速度的目的。

价格亲民 5星

精度可靠 2星

抗冲击性 2星

量程宽泛 3星

体积小巧 5星

2.平衡环式陀螺仪（Gimbal Gyroscope）

平衡环式陀螺仪是一种研发时间较早的微型陀螺仪，与音叉式陀螺仪相似，同样具有体积小、价格便宜、精度不高、抗冲击性差等特点。其结构及原理如下图所示，陀螺仪内部由两个相交的环组成，故此得名平衡环式陀螺仪。陀螺仪通过电极驱动外环绕着驱动轴来回震动，此时如果给陀螺仪一个外部的角速度，那么将会产生科里奥利力矩，使内环出现形变，通过检测形变即可确定角速度的大小。

平衡环式陀螺仪（图片来源：参考文献2）

价格亲民 5星

精度可靠 2星

抗冲击性 2星

量程宽泛 3星

体积小巧 5星

3.压电式陀螺仪（Piezoelectric Material Gyroscope）

压电式陀螺仪的主要原理为压电材料的压力-电特性。主要结构如下图所示，陀螺仪整体由一块压电材料构成，通过对压电材料的一个方向施加高频电压，压电特性使压电材料产生高频振动。这时如果存在外部旋转，将会在与振动垂直的方向产生科里奥利力，该力会使压电材料产生该方向上的形变，由于压电特性将会生成一定的电压，通过对电压的检测即可计算角速度的大小。

压电式陀螺仪（图片来源：参考文献3）

价格亲民 3星

精度可靠 3星

抗冲击性 4星

量程宽泛 3星

体积小巧 3星

4.磁悬浮式陀螺仪（Magnetic Levitated Gyroscopes）

磁悬浮式陀螺仪是一种精度非常高的陀螺仪设备。主要结构如下图所示，陀螺仪内部有一个靠磁力悬浮并旋转的转子，当陀螺仪存在外部旋转时，另一轴上将产生科里奥利力矩，使转子出现倾斜，转子与平台之间距离的变化可导致电荷的变化，由电极检测电荷的变化即可推算角速度的大小。

磁悬浮式陀螺仪（图片来源：参考文献4）

价格亲民 3星

精度可靠 5星

抗冲击性 3星

量程宽泛 3星

体积小巧 5星

光学式陀螺仪的原理光学式陀螺仪（Optical Gyroscopes）

除了传统的机械式陀螺仪之外，还有光学式的陀螺仪，主要原理是萨格纳克效应（Sagnac Effect）。光学式陀螺仪的结构如下图所示，包括光源、相位调节器以及接收器。相位调节器可以将一部分光束透过，也可以反射一部分光束，这样就形成了两道方向相反的光束。如果在平面内存在旋转，那么两道光束将会产生相位差（萨格纳克效应），通过接收器检测相位差即可推算角速度的大小。这种陀螺仪抗冲击性特别强，且量程特别大。

光学式陀螺仪（图片来源：参考文献5）

价格亲民 2星

精度可靠 4星

抗冲击性 5星

量程宽泛 5星

体积小巧 3星

结束语

陀螺仪是一种能够精确地确定运动物体方位的仪器，它是现代航空、航海、航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导航仪器，它的发展对一个国家的工业、国防和其它高科技的发展具有十分重要的战略意义。

通过福祉君的科普，相信大家对陀螺仪的种类有了基本的认识。希望本文能够在大家选择陀螺仪的时候提供一些帮助，帮助大家找到符合自己需求陀螺仪设备。

参考文献

1. Sharma A, Zaman FM and Amini BV. A high-Q in-plane SOI tuning fork gyroscope. Proceedings of IEEE Sensors, 2004, 1: 467–470.

2. Greiff P, Boxenhorn B and King T. Silicon monolithic micromechanical gyroscope. International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, 1991, pp. 966–968.

3. Maenaka K, Kohara H, Nishimura M, Fujita T. Novel solid micro-gyroscope. Micro Electro Mechanical Systems, MEMS 2006, pp. 634–637.

4. Shearwood C, Ho KY , Williams CB , Gong H. Development of a levitated micromotor for application as a gyroscope. Sensors & Actuators, 2000, vol. 83, pp. 85–92.

5. Ford C, Ramberg R, Johnson K, Bergulund W, et al. Cavity element for resonant micro optical gyroscope. IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine, 2000, vol. 15, no. 12, pp. 33-36.

文/Nova

,