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利用科里奥利力的微机械陀螺仪工作原理、结构和性能参数

时间:2012-03-23 22:26:36来源:物联网在线 作者:物联网在线 点击:
微机械工艺的发展和成熟,使得微机械陀螺仪在消费电子中的广泛应用成为可能,并且已有相应的产品面世,如罗技的空中鼠标。这些都使业界相信微机械陀螺仪很快就会成为继微机械加速计之后用于动作感测的另一重要元件。

陀螺仪又称角速度计可以用来检测旋转的角速度和角度。正如我们所熟知,传统的机械式陀螺、精密光纤陀螺和激光陀螺等已经在航空、航天或其它军事领域得到了广泛地应用。然而,这些陀螺仪由于成本太高和体积太大而不适合应用于消费电子中。微机械陀螺仪由于内部无需集成旋转部件,而是通过一个由硅制成的振动的微机械部件来检测角速度,因此微机械陀螺仪非常容易小型化和批量生产,具有成本低和体积小等特点。近年来,微机械陀螺仪在很多应用中受到密切地关注,例如,陀螺仪配合微机械加速度传感器用于惯性导航、在数码相机中用于稳定图像、用于电脑的无线惯性鼠标等等。

微机械工艺的发展和成熟,使得微机械陀螺仪在消费电子中的广泛应用成为可能,并且已有相应的产品面世,如罗技的空中鼠标。这些都使业界相信微机械陀螺仪很快就会成为继微机械加速计之后用于动作感测的另一重要元件。

微机械陀螺仪的工作原理(科里奥利力)

MEMS陀螺仪利用科里奥利力(Coriolis force,又称为科氏力)现象。科氏力是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。

科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性,在旋转体系中进行直线运动的质点,由于惯性的作用,有沿着原有运动方向继续运动的趋势,但是由于体系本身是旋转的,在经历了一段时间的运动之后,体系中质点的位置会有所变化,而它原有的运动趋势的方向,如果以旋转体系的视角去观察,就会发生一定程度的偏离。 

科里奥利力(Coriolis force)有些地方也称作哥里奥利力,简称为科氏力,是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性。

旋转体系中质点的直线运动科里奥利力是以牛顿力学为基础的。1835年,法国气象学家科里奥利提出,为了描述旋转体系的运动,需要在运动方程中引入一个假想的力,这就是科里奥利力。引入科里奥利力之后,人们可以像处理惯性系中的运动方程一样简单地处理旋转体系中的运动方程,大大简化了旋系的处理方式。由于人类生活的地球本身就是一个巨大的旋转体系,因而科里奥利力很快在流体运动领域取得了成功的应用。

但实际上,科里奥利力是不存在的,是由于人处在转动系中时所认为的匀速直线运动与惯性系中的匀速直线运动不同所致。对于转动系中的人来说,匀速直线运动是指物体相对于转盘的速度不变的运动。而对于在惯性系中的人来说,匀速直线运动是指相对地面速度不变的运动。于是可以通过按照两个参考系的匀速直线运动的标准分别计算极短时间dt内的位移,然后再在转动系中分析这两个位移的差异,进而求出科里奥利力。

如图1所示,当一个质点相对于惯性系做直线运动时相对于旋转体系,其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系,我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线,这个力就是科里奥利力。

以下为科里奥利力的物理导出方法。

由以上方程计算得到加速度主要有三项组成,分别为径向加速度、科里奥利加速度和向心加速度。


                                                 
其中, 为圆盘转动的角速度矢量; 为质点的径向速度值; 为质点的径向运动方向矢量。

如果物体在圆盘上没有径向运动或是圆盘没有旋转,科里奥利力就不会产生。 (责任编辑:Ioter)

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