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手机陀螺仪原理图 1 引言 近日，有网友爆料，称其利用滚筒研究滚动速度的时候，发现在滚筒不旋转的条件下，让滚筒自由下落，Phyphox也有滚动速度输出。 十分诡异。 这个问题值得研究，因为这涉及到角速度测量的可靠性；如果Phyphox的角速度测量不可靠，则基于智能手机陀螺仪开展的各种实验探究都无法得到可靠的结论。 2 探究轴向加速度对角速度测量的影响 按照这位网友提供的思路，笔者进行了多组实验探究，最终发现，仅仅是某一轴向的线性加速度对该轴向上的角速度测量有影响。 笔者将手机正面朝上，突然自由释放，手机在Z方向的线性加速度突然由0增大为g，Phyphox输出的角速度值竟然为0.5弧度/秒，自由落体时间大约0.9秒，计算可得，手机在下落过程中，沿着Z轴轴向旋转了22°。 其实，手机在下落过程中并未旋转。
实验说明，如果手机在某轴线方向上存在线性加速度，则会对该方向上的角速度测量产生干扰。
3 文献检索 文献检索发现，智能手机中的陀螺仪并不是运用旋转定向原理设计制作的。传统的陀螺仪主要是利用角动量守恒原理，因此它主要是一个不停转动的物体，它的转轴指向不随承载它的支架的旋转而变化。但是微机械陀螺仪的工作原理不是这样的，因为要用微机械技术在硅片衬底上加工出一个可转动的结构可不是一件容易的事。 微机械陀螺仪的设计和工作原理可能各种各样，但是公开的微机械陀螺仪均采用振动物体传感角速度的概念。利用振动来诱导和探测科里奥利力而设计的微机械陀螺仪没有旋转部件、不需要轴承，可以用微机械加工技术大批量生产。
绝大多数微机械陀螺仪依赖于由相互正交的振动和转动引起的交变科里奥利力。振动物体被柔软的弹性结构悬挂在基底之上。整体动力学系统是二维弹性阻尼系统，在这个系统中，振动和转动诱导的科里奥利力与转动角速度成正比。 而这种测量科里奥利力作用效果的是梳齿电容，就像两把梳子梳齿相对插入对方，梳齿彼此插入的深度与电容成正比；梳状电容的电容改变量正比于振动物体的位移偏移量，也正比于科里奥利力，也正比于旋转角速度。 振动物体如果受到转轴方向的加速度，振动物体就会发生垂直错位，导致梳齿电容的梳齿上下错位，最终也能导致梳齿电容发生变化，Phyphox就会根据因梳齿上下错位导致的梳齿电容变化，做出系统绕转轴旋转的错误判断。 值得庆幸的是，由于振动物体上下位移的范围很小，这种因轴向线性加速度导致的角速度测量偏差不太大。 4 建议 智能手机中常用的MEMS微机械陀螺仪是工作在轴向加速度为零的条件下的，轴向加速度的存在会对轴向角速度的测量产生干扰，因此在利用Phyphox测量某个轴向的角速度时，应该确保该轴向的线性加速度为零。 值得庆幸的是，我们测量某个轴向的角速度时，该轴向的线性加速度往往都为零。 |
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