手机电容触摸屏的工作原理(手机中的陀螺仪原理是什么？)

Posted 2023-05-26

篇首语：时危见臣节，世乱识忠良。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了手机电容触摸屏的工作原理(手机中的陀螺仪原理是什么？)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

陀螺仪的工作原理是什么？它是如何被放置在手机中的？

看视频时，不论是竖直摆放手机还是横向摆放，画面都会自动调整到适合的大小；玩游戏时移动手机的位置可以实现意想不到的设计效果；拍照时即使手部轻微抖动，也不会影响画质的清晰稳定。

想要实现上面这些功能就离不开我们手机中一个非常重要的组件-----陀螺仪。这个名字听起来甚是熟悉，他不是以前火车上经常售卖的玩具吗？那我们就从这个最经典的机械陀螺仪讲起。

当我们拉动细线，让中间的转子快速转动时，她的旋转轴总是指向一个相对固定的方向，这一物理现象被称为陀螺的定轴性，除此之外，陀螺还有一个神奇的特性，进动性。

即如果外界施加一个作用或者力矩在转子的旋转轴上，那么旋转轴并不会沿施力方向运动，而是顺着转子旋转向前90度垂直于施力方向运动。

基于以上两种特性，在陀螺的外面加上一个万象支架就会发现，无论外围的支架如何变化，高速旋转的陀螺总是稳定不变的据西汉《西京杂记》记载，早在我国古代就出现过类似的“被中香炉”，无论外面的熏球如何滚动，里面的香盂总会保持水平状态。

在此之后，相当长的一段时间里，陀螺仪只是在生活中进行着简单的应用。直到1850年，法国物理学家莱昂傅科正式提出了陀螺仪一词，它才开始走进科学的视野。其中最早应用陀螺仪的便是航海领域。

我们就假设将一个陀螺仪放置在一艘轮船上来具体讲解陀螺仪的工作原理。

第一种情况，船体发生了Roll摇晃，也就是桶滚，由于转子和其旋转轴具有较大惯性，只要不直接施加扭矩，就会保持原有姿态，而外环轴可以灵活转动，因此就会发生相对旋转。

第二种情况，船体发生了Pitch摇晃，也就是俯仰。这时，相应方向上的内环轴会发生转动，而内部的转子和旋转轴依旧会保持平衡。

第三种情况，船体发生了Yaw摇晃，也就是偏航。转子旋转轴两端的连接头就会发生相对旋转。

综上所述，在轮船发生同滚俯仰偏航时，陀螺仪就可以通过自身的调节，让转子和旋转轴一直保持平衡，后来不仅仅是航海领域，航空航天以及军事武器中都会使用以陀螺仪为核心的惯性制导系统。

现在随着物理学的不断进步，陀螺仪的类型也越来越多，精度也日益提高，那么回到开头提到的手机陀螺仪，它到底长什么样子？又是如何放置在手机中的呢？

其实现在在电子产品中使用的并不是刻板印象中的陀螺仪，而是一种和芯片形状类似的微机电陀螺仪，它的工作原理也不再是角动量守恒，而是一种实际并不存在的力-----科里奥利力。

我们可以通过一个简单的实验进行理解，两位实验者分别坐在支架的两端，互相抛球，这时能够轻松地接到对方的球，但是一旦支架旋转起来，事情就变得不简单了。以房间为参考系，球还是直直地抛出了，但是从实验者的视角观察球走的并不是直线，而是拐了一个弯。

如果将这种偏移归结为一个外加力的作用，那么这个力就是“科里奥利力”。它和离心力一样，并不是在惯性系中真实存在的力，而是惯性作用，在非惯性系内的体现。

那么，微机电陀螺仪是如何利用科里奥利力的呢？

首先给镜像电容板施加震荡电压，使质量块被迫做径向运动，紧接着，随着陀螺仪的旋转，横向的电容板就可以测量科里奥利力带来的电容变化，又因为科里奥利力与角速度成正比，所以通过电容变化就可以计算出角速度，当然，这还只是一个轴向的运动变化，如果xyz轴都能顾及到，就能实现360度无死角测量的陀螺仪了。