什么是陀螺仪？(手机中陀螺仪的原理是什么？)

陀螺仪的工作原理是什么？它是如何放在手机里的？

看视频时，无论手机是垂直放置还是水平放置，屏幕都会自动调整到合适的大小；玩游戏时，移动手机的位置可以达到意想不到的设计效果。拍照时即使手微微抖动，也不会影响画质的清晰度和稳定性。

要实现这些功能，我们的手机离不开一个非常重要的部件——陀螺仪。这个名字听起来很熟悉。不是以前火车上卖的玩具吗？让我们从这个经典的机械陀螺仪开始。

当我们拉动螺纹使中间的转子快速旋转时，它的旋转轴总是指向一个相对固定的方向。这种物理现象称为陀螺的同轴度。除此之外，陀螺还有一个神奇的特性，进动。

也就是说，如果外界对转子的转轴施加一个动作或力矩，转轴不会向施力方向移动，而是沿着转子的旋转方向向前移动90度，并与施力方向垂直。

基于以上两个特点，如果在陀螺外侧增加一个万象支架，你会发现无论外支架如何变化，高速旋转的陀螺始终是稳定的。据西汉《西京杂记》记载，类似的“香炉”早在中国古代就出现了，不管外面的烟团怎么滚，里面的香坛永远保持水平状态。

之后的很长一段时间，陀螺仪只是简单的用在日常生活中。直到1850年，法国物理学家莱昂·福柯正式提出陀螺仪这一术语，陀螺仪才开始进入科学视野。其中，深圳Lifenet陀螺仪最早应用的是导航领域。

让我们假设在船上放置一个陀螺仪，详细解释陀螺仪的工作原理。

在第一种情况下，船体滚动，即桶滚动。由于转子及其转轴具有很大的惯性，只要不直接施加扭矩，就会保持原来的姿态，而外圈轴可以灵活转动，因此会发生相对转动。

第二种情况，船体有俯仰晃动，即俯仰。此时，相应方向的内环轴将旋转，而内转子和旋转轴将保持平衡。

第三种情况，船体偏航，即偏航。转子转轴两端的连接器会相对转动。

综上所述，当船舶在俯仰和偏航状态下滚动时，陀螺仪可以通过自身的调节保持转子和转轴之间的平衡。之后，以陀螺仪为核心的惯性制导系统不仅将用于海上领域，还将用于导航空航空航天和军事武器。

现在，随着物理学的不断进步，陀螺仪的种类越来越多，其精度也在日益提高。那么，回到开头提到的手机陀螺仪，它是什么样子的呢？它是如何放在手机里的？

其实现在电子产品用的不是定型的陀螺仪，而是形状类似芯片的微机电陀螺仪。它的工作原理不再是角动量守恒，而是一种实际上并不存在的力——科里奥利力。

我们可以通过一个简单的实验来理解它。两个实验者坐在支架的两端，互相扔球。这时，他们可以很容易地接到对方的球。然而，一旦支架旋转，事情就变得困难了。以房间为参照系，球被直抛，但从实验者的角度来看，球并没有直线前进，而是转了一个弯。

如果这种偏移归因于外力，那么这个力被称为科里奥利力。和离心力一样，它不是惯性系中的真实力，而是惯性作用在非惯性系中的体现。

那么，MEMS陀螺仪是如何利用科里奥利力的呢？

首先对镜像电容板施加振荡电压，迫使的质量径向移动。然后，随着陀螺仪的旋转，横向电容板可以测量科氏力带来的电容变化。因为科里奥利力与角速度成正比，所以角速度可以通过电容变化来计算。当然，这只是轴向运动变化。如果能考虑xyz轴，陀螺仪可以360度无死角测量。