科普:手机里的陀螺仪到底是什么
陀螺儀是一種傳感器,這個(gè)東西在手機(jī)上主要是用來(lái)檢測(cè)手機(jī)姿態(tài)的,我們玩體感游戲少不了它,一些手機(jī)拍照時(shí)候的防抖也要用到它。
不過(guò),這個(gè)看似普及的東西來(lái)歷其實(shí)非常高大上,它到底是個(gè)什么東西呢?我們來(lái)看一下。
?一、陀螺儀的發(fā)明?
現(xiàn)在手機(jī)里面的陀螺儀傳感器已經(jīng)進(jìn)化成一塊小小的芯片了,但是在陀螺儀出現(xiàn)的時(shí)候,它確是一個(gè)機(jī)械裝置。
目前,人們普遍認(rèn)為是1850年法國(guó)的物理學(xué)家萊昂·傅科(J.Foucault)為了研究地球自轉(zhuǎn),發(fā)明了陀螺儀。那個(gè)時(shí)代的陀螺儀可以理解成把一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺放到一個(gè)萬(wàn)向支架上面,這樣因?yàn)橥勇菰诟咚傩D(zhuǎn)時(shí)保持穩(wěn)定,人們就可以通過(guò)陀螺的方向來(lái)辨認(rèn)方向,確定姿態(tài),計(jì)算角速度。
萬(wàn)向支架可以保證無(wú)論怎么轉(zhuǎn)動(dòng),陀螺都不會(huì)倒,萬(wàn)向支架這個(gè)東西最早可以追溯到中國(guó)幾千年前的香爐。
陀螺儀發(fā)明以后,首先被用在航海上(當(dāng)年還沒(méi)有發(fā)明飛機(jī)),后來(lái)被用在航空上。因?yàn)轱w機(jī)飛在空中,是無(wú)法像地面一樣靠肉眼辨認(rèn)方向的,而飛行中方向都看不清楚危險(xiǎn)性極高,所以陀螺儀迅速得到了應(yīng)用,成為飛行儀表的核心。
到了第二次世界大戰(zhàn),各個(gè)國(guó)家都玩命的制造新式武器,德國(guó)人搞了飛彈去炸英國(guó),這是今天導(dǎo)彈的雛形。從德國(guó)飛到英國(guó),千里迢迢怎么讓飛彈能飛到,還能落到目標(biāo)區(qū)域呢?
于是,德國(guó)人搞出來(lái)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)。慣性制導(dǎo)系統(tǒng)采用用陀螺儀確定方向和角速度,用加速度計(jì)測(cè)試加速度,然后通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算,就可以算出飛彈飛行的距離和路線,然后控制飛行姿態(tài),爭(zhēng)取讓飛彈落到想去的地方。
二戰(zhàn)時(shí)候,計(jì)算機(jī)也好,儀器也好,精度都是不太夠的,所以德國(guó)的飛彈偏差很大,想要炸倫敦,結(jié)果炸得到處都是,頗讓英國(guó)人恐慌了一陣。
不過(guò),從此以后,以陀螺儀為核心的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)就被廣泛應(yīng)用于航空航天,今天的導(dǎo)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(jìn)化。
?二、陀螺儀的進(jìn)化?
最早的陀螺儀都是機(jī)械式的,里面真有高速旋轉(zhuǎn)的陀螺,而機(jī)械的東西對(duì)加工精度有很高的要求,還怕震動(dòng),因此機(jī)械陀螺儀為基礎(chǔ)的導(dǎo)航系統(tǒng)精度一直都不太高。
于是,人們開(kāi)始尋找更好的辦法,利用物理學(xué)上的進(jìn)步,發(fā)展出激光陀螺儀,光纖陀螺儀,以及微機(jī)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(tǒng)的機(jī)械陀螺儀已經(jīng)完全是兩碼事了。
光纖陀螺儀利用的是薩格納克(Sagnac)效應(yīng),通過(guò)光傳播的特性,測(cè)量光程差計(jì)算出旋轉(zhuǎn)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(guò)算光程差計(jì)算角速度,替代陀螺儀。
微機(jī)電陀螺儀則是利用物理學(xué)的科里奧利力,在內(nèi)部產(chǎn)生微小的電容變化,然后測(cè)量電容,計(jì)算出角速度,替代陀螺儀。
iPhone和我們的智能手機(jī)里面所用的陀螺儀,就是微機(jī)電陀螺儀(MEMS)。
目前,傳統(tǒng)上的機(jī)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(jī)電陀螺儀。
因?yàn)槲C(jī)電陀螺儀(MEMS)屬于微電子產(chǎn)品,發(fā)展迅速,而且成本越來(lái)越低,所以用途越來(lái)越廣。我們的智能手機(jī)因?yàn)橛袡z測(cè)動(dòng)態(tài)的需求,于是就用上了微機(jī)電陀螺儀(MEMS)。
?三、無(wú)處不在的陀螺儀?
本來(lái)陀螺儀是高大上的存在,但是因?yàn)槲C(jī)電陀螺儀(MEMS)的出現(xiàn),低成本的陀螺儀可以用在很多領(lǐng)域。
除了我們熟悉的智能手機(jī)以外,汽車上也用了很多微機(jī)電陀螺儀,在高檔汽車中,大約采用25至40只MEMS傳感器,用來(lái)檢測(cè)汽車不同部位的工作狀態(tài),給行車電腦提供信息,讓用戶更好的控制汽車。
而在游戲機(jī)里面,各種體感操作功能的背后都是微機(jī)電陀螺儀(MEMS)。
在無(wú)人機(jī)、穿戴式設(shè)備,物聯(lián)網(wǎng),甚至現(xiàn)在熱炒的工業(yè)4.0,互聯(lián)網(wǎng)+上面,同樣離不開(kāi)它,只要是需要檢測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的地方,就有微機(jī)電陀螺儀(MEMS)。
165年前,萊昂·傅科發(fā)明陀螺儀是為了科學(xué)研究。如今,這個(gè)小東西卻讓我們的生活有了翻天覆地的改變,如果沒(méi)有它,就沒(méi)有飛機(jī),沒(méi)有火箭,沒(méi)有現(xiàn)代生活,這恐怕是他的發(fā)明者都沒(méi)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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總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的科普:手机里的陀螺仪到底是什么的全部?jī)?nèi)容,希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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