陀螺仪传感器是什么原理

陀螺仪传感器，也称为角速率传感器或角速度传感器，是一种感测角速度的设备。

简单来说，角速度就是单位时间内旋转角度的变化量，角速度通常以度/秒（度/秒）表示。

原始的陀螺仪

刚体上有一个万向支点，而陀螺可以绕着这个支点作三个自由度的转动，所以陀螺的运动是属于刚体绕一个定点的转动运动，更确切地说，一个绕对称轴高速旋转的飞轮转子叫陀螺。将陀螺安装在框架装置上，使陀螺的自转轴有角转动的自由度，这种装置的总体叫做陀螺仪。

陀螺仪侦测的是角速度。

其工作原理基于科里奥利力的原理：当一个物体在坐标系中直线移动时，假设坐标系做一个旋转，那么在旋转的过程中，物体会感受到一个垂直的力和垂直方向的加速度。

台风的形成就是基于这个原理，地球转动带动大气转动，如果大气转动时受到一个切向力，便容易形成台风，而北半球和南半球台风转动的方向是不一样的。用一个形象的比喻解释了科里奥利力的原理。

陀螺仪，是一个圆形的中轴的结合体。而事实上，静止与运动的陀螺仪本身并无区别，如果静止的陀螺仪本身绝对平衡的话，抛除外在因素陀螺仪是可以不依靠旋转便能立定的。而如果陀螺仪本身尺寸不平衡的话，在静止下就会造成陀螺仪模型倾斜跌倒，因此不均衡的陀螺仪必然依靠旋转来维持平衡。

想象一下，我们生活在一个黑盒子里面，我们将如何测量我们盒子的平面和大地平面的角度呢？

在黑盒子里面，我们可以让一个陀螺仪加速旋转起来，此时，重力正好和旋转面垂直，根据外面三个铁环的角度，我们就可以知道自己这个黑盒子的三个自由度上的角度了，也就是我们的欧拉角。

MEMS 陀螺仪

在微机械领域，也就是MEMS传感器领域，芯片内部可不是安装了一个上面那样高速旋转的陀螺，它的检测更直观，利用的是弹簧让一个质量块往复运动起来，然后通过垂直于运动方向的敏感轴来测量角速度。说起来难理解，看图比较清楚。

上图中展示了一个轴的陀螺仪传感器构造，首先在一个平面上有一个框架，内部有一个活动的质量块，质量块通过弹簧固定在内部的一个方框上，也就是图中标注的驱动 y 轴，陀螺仪工作时，会驱动质量块在y 轴上往复运动。此时，如果整个框架顺时针旋转，那么内部固定质量块的框架就会朝一个方向偏移，此时通过测量偏移的大小值即可得到旋转的速度。

如何检测这个偏移量呢？总不能拿一把尺子去量一下偏移了多少毫米吧。测量距离还是有很多其他方法的，在微机械领域，一般使用电容来测量距离。

两个极板之前的距离可以通过以上公式来计算，介电常数 e0 是已知量，面积是固定的，我们设计两个相互运动的极板的面积。只要我们测量出 C 电容量，那我们就能算出距离来。

电容如何检测呢？这个就有点过于复杂了，这个电容的变化量只有几个 fF，这玩意叫飞法，Femto Farad, fF，10⁻¹⁵F。这个暂时研究不了，反正最后都得转成电压信号，因为模拟量到数字量的量化目前绝大部分得用电压。

陀螺仪传感器有多种类型。这里按尺寸和性能绘制了不同类型的陀螺仪传感器。