精密仪器设计技术基础第三次作业.docxVIP

题目：试详细解释智能手机如何感知机身的旋转与方位？并绘出其传感器工作原理图。智能手机感知机身的旋转与方位有两种方法，一种是通过重力传感器，另一种是通过陀螺仪，但本质上都是一样的，都是用来检测重力相对于手机的方位，来判断机身的旋转与方位。下面是这两种传感器的详细介绍。重力传感器在手机上的重力传感器是测量内部一片重物的重力在两个（或三个）正交方向的分力大小，来判定水平方向。通过对力敏感的传感器，感受手机在变换姿势时，重心的变化，使手机光标变化位置从而实现选择的功能，支持摇晃切换所需的界面和功能。重力感应器是利用压电效应的原理来工作的。所谓压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体，加在晶体上的外力除了使晶体发生变形以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质极化的现象称为压电效应”。重力感应技术就是利用了其内部加速度造成晶体变形产生电压这个特征，计算出产生电压和所施加的加速度之间的关系，就可以将加速度转化为电压输出。建立一个固连在手机上的三维坐标系，如图1所示。Y坐标轴是手机的底端（包含按键的那端）到顶端的方向，而且这个方向是Y轴的正方向，X坐标轴则是从左至右的走向，Z坐标轴正走向则是面向使用者的方向。这个坐标系可以形象的理解为将右手背对着屏幕放置，拇指即指向X轴的正方向，伸出食指和中指，食指指向Y轴的正方向，中指所指示的方向即是Z轴的正方向。图1 手机上的三维坐标系实际工作中，由于重力的作用，会使压电元件产生形变，根据压电器件的性质会产生一个电压，通过测量压电片两端的电压的大小就可以确定重力在某个方向上的分力的大小。测出重力加速度在X、Y、Z方向上的分力大小，就可以确定重力方向相对于手机的方位，从而感知机身的旋转与方位。陀螺仪除了压电原理的重力传感器方式，在一些较高端的智能手机上还使用陀螺仪，它的感应精度更加灵敏。手机上用的一般都是MEMS陀螺仪，也就是微机电陀螺仪，MEMS陀螺仪利用科里奥利力——旋转物体在有径向运动时所受到的切向力。MEMS陀螺仪通常有两个方向的可移动电容板。径向的电容板加震荡电压迫使物体作径向运动（有点像加速度计中的自测试模式），横向的电容板测量由于横向科里奥利运动带来的电容变化（就像加速度计测量加速度）。因为科里奥利力正比于角速度，所以由电容的变化可以计算出角速度。当然，接下来就是处理这个角速度，通过相关的算法，模拟出手机的移动动作。相对传统重力感应，陀螺仪由于重心始终在正中，因此可以很精确地判断手机正确的方向，这在导航中显得非常实用。图2 科里奥利力原理图MEMS陀螺仪利用了科里奥利力现象，其原理如图2所示。当图中的物体 M沿X轴做周期性振动或其他运动的时候，与此同时，X轴与Y轴平面坐标系绕Z轴做角速度为的旋转运动，那么，此时就会在该物体上产生一个沿Y轴方向的科里奥利力，其矢量可按下面的公式计算。在上面的公式中，F(t)是科里奥利力，m 是该物体的质量，是坐标系旋转的角速度，χ(t)是该物体的矢量速度。关于MEMS陀螺仪的设计原理，可以通过图3来表述：当承载物体的支架处于旋转状态时，如果物体被力驱动着在径向上来回做运动或者震荡，那么，此时该物体就会在横向上受到科里奥利力的作用，此作用有可能使物体在横向作微小的震荡，其震荡的相位正好与驱动力相差 90 度。图3 MEMS陀螺仪的驱动和传感一般情况下，MEMS 陀螺仪的设计和工作原理均是利用振动物体传感角速度的概念。其内部构造中通常有两个方向的可移动电容板，如图4所示。给径向的电容板施加震荡的电压，从而能够迫使物体在径向上做运动；而横向的电容板则是用来测量电容变化的，这个电容变化是由物体所受到的横向科里奥利力运动引起的。由于科里奥利力是正比于角速度的，所以由电容的变化可以计算出物体运动的角速度。图4 MEMS陀螺仪中的电容板连接方式参考文献[1]无名.手机更智能——重力感应和电子罗盘技术,电脑迷,2011.11.[2]李超. 重力感应技术在智能手机及平板电脑中的应用分析, 技术应用.[3]李蕾. MEMS 惯性传感器在智能遥控系统中的研究与应用[D], 中国海洋大学信息科学与工程学院，2012.