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光纖陀螺尋北儀發展與應用
- 2019-07-01-

陀螺儀自從19世紀中期被發明之后,經歷了漫長的演化革新過程,現在已經遍布于生產生活的各個領域。小到手機、游戲手柄,大到衛星、導彈,都能見到它的身影。雖然都是完成同樣的工作,但是它們的血統不同,身價相差極大。下面我們就一一拆解這個陀螺家族。


MEMS陀螺儀

MEMS陀螺儀是目前應用最廣泛的消費級陀螺儀。它將多軸陀螺儀集成在一片微小的芯片上,達到了極高的集成度,從而大量應用于消費電子產品,例如手機、游戲機、無人機、汽車應用等。MEMS陀螺儀內部沒有旋轉陀螺,它的測量原理也與傳統機械陀螺截然不同。它不依靠陀螺的定軸性進行測量,而是依靠經典力學中的科里奧利力。

 

單軸MEMS陀螺儀

在單軸MEMS陀螺儀中,使用壓電效應制作出一個在平面中往復振動的機構。當傳感器發生敏感方向上的旋轉時,該往復振動就變成了旋轉體系中的徑向運動,從而受到一個將振動體拉離振動平面的科里奧利力,振動體隨之發生形變。傳感器通過檢測振動體與底面間的微小電容變化,來對旋轉速度進行計算測量。 


三軸MEMS陀螺儀

三軸MEMS陀螺儀的原理與單軸MEMS陀螺儀相同。在x,y方向上制作了往復振動的機構,通過檢測振動機構與底面間的微小電容變化,對這兩個軸上的旋轉速度進行測量。對于繞z軸的旋轉,則會在振動機構上產生側向的科里奧利力,使振動機構產生側向偏移,在兩側的梳裝結構中(綠色區域)可以檢測到微小的電容變化。這樣就可以分別測量x,y,z三軸上轉動??臻g上的任意旋轉又都可以按照矢量分解到x,y,z這三個正交軸上,于是三軸MEMS陀螺儀便可對空間上的任意旋轉進行測量。MEMS陀螺儀體積小,成本低,廣泛應用于消費電子領域。但它的缺點是測量精度低,零飄大,容易受到溫度、震動的影響。在精度要求較高的應用中,則多使用光纖陀螺儀。


光纖陀螺尋北儀

光纖陀螺尋北儀是目前使用較為廣泛的高精度陀螺儀,大量應用于航空、航天、軍事、機器人等對精度要求較高的領域。光纖陀螺內部既沒有旋轉部件,也沒有振動機構,它的原理又與前兩種陀螺儀截然不同。光纖陀螺儀是利用薩格納克效應和激光的干涉原理來測量旋轉速度。光纖陀螺儀中盤繞著長距離的光纖形成環狀光路。從同一激光源發出的激光被分為兩路,分別從光纖的兩端進入,延相反的方向傳播。在汽車應用中,MEMS陀螺以其緊湊的體積和低廉的價格用于車身穩定控制等輔助駕駛功能。光纖陀螺則靠精準的測量結果用于自動駕駛中,為各種自動駕駛應用提供定位基準。


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