惯性传感器的基础知识 ～陀螺仪传感器、加速度传感器～

所谓陀螺仪传感器

陀螺仪传感器也被称为角速度传感器，是一种利用科里奥利力将物体的旋转或方向的变化作为角速度来检测，并以电信号方式输出的传感器。

角速度是指单位时间内的旋转角度。
换句话说，角速度是角度除以时间，单位用dps (degree per second)来表示。
譬如，60秒钟旋转一周的物体的角速度为360deg ÷ 60sec = 6 dps。

关于科里奥利力

要理解陀螺仪传感器，首先需要弄清科里奥利力。

科里奥利力是在旋转系统中作用于运动物体的表观力。
作为一个解释科里奥利力是什么的例子，我们将利用从右图A点向B点抛掷球时的轨迹进行说明。

首先，如果A点和B点都是固定的位置，球就会从A点直线飞到B点。

1) 物体在静止坐标上的运动

接着，我们假设连接A点和B点的坐标是旋转的。这种情况下，无论坐标是否旋转，球都将沿着从A点抛出的方向直线飞行，因此它将远离B点飞行。

2) 物体在旋转坐标上的运动

此时，若以旋转坐标为基准来看，它就像一个侧向力作用在球上偏移方向而行。
这个作用于侧面的表观力叫做科里奥利力。

3) 物体基于旋转坐标的运动

换句话说，如果科里奥利力可以测量，也就可以求得角速度。

振动式陀螺仪传感器的原理

接下来就陀螺仪传感器中最常见的振动式陀螺仪传感器，说明其原理。
振动式陀螺仪传感器在让振子振动的状态下检测振子旋转产生的科里奥利力，求得角速度。
检测方式包括压电方式和静电电容方式等。

1. 压电方式
   首先，说明压电方式的原理。
   首先，如图a)所示，在非旋转状态下使得振子沿X轴方向按一定周期振动。可以说，这就是前项中在A点和B点抛掷球的状态。
   如b)所示，当对其施加旋转时，在Y轴方向会产生科里奥利力，振子向Y轴方向拐弯，由于压电效应产生电压。
   通过测量此电压来检测科里奥利力，求得角速度。

   

   

2. 静电电容方式
   接下来说明静电电容方式的原理。
   首先，如c)所示，在非旋转状态下向驱动电极施加矩形波的电压，使得振子沿X轴方向按一定周期振动。此时，假设检测电极与振子间的静电电容C1和C2处于相等的状态。
   如d)所示，当对其施加旋转时，在Y轴方向会产生科里奥利力，振子向Y轴方向偏移。
   此时，检测电极与振子间的静电电容C1和C2出现差异，C1≠C2。
   通过测量此静电电容差来检测科里奥利力，求得角速度。

   

   

   

陀螺仪传感器的使用方法

陀螺仪传感器用于检测物体的运动(旋转)，显示或校正该运动，并根据该运动令其做别的动作。
下面记载各自的使用例。

1. 显示运动 : 汽车导航 等
   在电波无法到达的地方检测并显示汽车向哪个方向转弯。


2. 校正运动 : 相机抖动校正等
   检测拍摄过程中的相机抖动(角度变化)，校正镜头角度，消除图像失真。


3. 根据运动令其做别的动作 : 汽车的侧边气囊、防侧滑（ESC） 等
   检测汽车翻车，激活侧边气囊
   检测汽车打滑，进行4轮的刹车控制以保持汽车姿势稳定。

所谓加速度传感器

加速度传感器是检测物体运动速度变化时产生的惯性力，作为加速度以电信号方式输出的传感器。

这意味着当物体在点1以v1的速度在t时间内运动到点2，达到速度v2时，加速度a为(v2-v1)/t。
(这种情况下，其前提是从点1到点2的加速度是常数)

此加速度与惯性力有着相关关系。
譬如，当你坐在车里开动车子(加速)时，你会感觉到你的身体被向后推；相反，当你停车(减速)时，你会感觉到你被向前推。
这是因为当物体的速度变化(加速、减速)时惯性力起作用之故。

换句话说，如果惯性力F可以测量，就可求得加速度。
但是，实际输出值往往用重力加速度(G)来表示。
1.0G = 9.8m/s²
加速度传感器不仅可以获得加速度(运动)信息，还可以通过信号处理获得重力、振动、冲击等信息。

加速度传感器的原理

加速度传感器的基本结构与前项所述的陀螺仪传感器的基本结构相似，像陀螺仪传感器一样，包括压电方式和静电电容方式等，这里我们使用静电电容方式来简单解说其原理。

首先，如a)所示，在加速度0的状态下平衡锤处于检测电极间的中间，因此检测电极与平衡锤间的静电电容C1和C2处于相等的状态。
如b)所示，当对其施加加速度时，在相反方向会产生惯性力，平衡锤向Y轴方向偏移。
此时，检测电极与平衡锤间的静电电容C1和C2出现差异，使得C1>C2。
通过测量此静电电容差来检测惯性力，求得加速度。