微型陀螺前景广阔,但占领市场主流尚需时日

日期:2020-07-13 11:10:57 作者:guest 浏览: 查看评论 加入收藏

智能手机的各种功能离不开传感器支持——加速度计、磁强计、温度传感器、GPS 组件和陀螺。当然,这些传感器都要占用手机内空间,并消耗电量。因此,它们一方面让手机更智能,一方面让手机电池消耗得更快。

在各类型产品中,激光陀螺被认为是微型陀螺的理想方案,其最突出的优点是理论上能提供信噪比很高的输出信号。不过到目前为止,这种理论优势尚未在产品中实现。

图丨激光陀螺也可以做的很大,比如这个航天用途的陀螺

优势和劣势

为了解释产品化面临的阻碍,需要检视激光陀螺的工作原理。激光被送入一个环形光路中,一半的光沿顺时针方向运动,另外一半的光沿逆时针方向运动,然后两束光在环形光路的另一端汇聚混合。

如果环形光路自身是静止的,那么这 2 束光混合之后的输出光,跟进入环形光路的输入光相比,不会有什么区别。

但是,如果环形光路自身在旋转,那么其中一束光走过的路程会比另外一束光稍微长一些。这导致两束光汇合之后,输出光与输入光有略微不同。

如果测量输入光和输出光的功率,会发现后者的功率低于前者。陀螺旋转越快,这个效应越显著。这种测量具有极高的灵敏度——足以探测极其微弱的引力波,因此基于此原理的激光陀螺也可望拥有极高的灵敏度。

激光陀螺对地球的转动非常敏感,但是很遗憾,它对气温变化、行人脚步、建筑工地和人的话语声同样敏感。不仅如此,激光陀螺的灵敏度跟其体积成正比,但智能手机需要的传感器却是越小越好。

弥补缺陷的工程设计

此外,激光陀螺在工程上也存在诸多挑战。比如,理论上两束光的光路长度应该完全一致,但是在工程中总是会存在差异。此外,气温也会导致输出信号的系统性偏差,而这种偏差无法跟陀螺转动产生的信号区分开来。

工程师的改进办法是:让 2 束光在不同的环形光路中运动,而每个环形光路中的光的方向快速变化。比如,第一个环形光路首先输入沿顺时针方向前进的光,然后切换到输入沿逆时针方向前进的光,再切换回来。第二个环形光路的切换顺序刚好相反。

借助这种设计能消除大部分系统误差:其中 1 个环形光路的光程可能比另外 1 个环形光路长一点,但这无关紧要——通过平均,这种偏差可以被消除。气温的变化也可以通过快速切换 2 个环的光行方向来消除——当然,前提是 2 个环的温度相同。如果 2 个环的温度不同,仍然无法通过这种快速切换方式来消除。

此外,光不只是在环中走 1 圈,而是走几千圈。陀螺对旋转的灵敏度跟走的圈数成正比,这个原理可以允许小陀螺也获得很高的精度。

最终,激光陀螺可以做到只有几个平方毫米大小,对气温和制造误差的敏感度远远低于早期激光陀螺。

仍然不够好

不过,激光陀螺进入手机的那一天仍然尚未到来。首先,尽管研究报告论证了高灵敏度激光陀螺理论上可以做得很小,但是其性能仍然赶不上目前的商用产品。具体地,激光陀螺的角漂移是市面现有产品的 1000 倍。当然,看好激光陀螺的业界人士希望,这种差异的来源是现有商用陀螺内部补偿系统,而不是物理原理规定的激光陀螺性能上限。

激光陀螺最具吸引力的优势在于:其体积和功耗比现有商用陀螺更好。业界预期,10 年内,用于手机的激光陀螺可能实现商品化。

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