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微型陀螺前景廣闊，但占領(lǐng)市場主流尚需時日

發(fā)表時間：2018-11-19　次數(shù)：575　作者：DeepTech深科技

智能手機(jī)的各種功能離不開傳感器支持——加速度計、磁強(qiáng)計、溫度傳感器、GPS 組件和陀螺。當(dāng)然，這些傳感器都要占用手機(jī)內(nèi)空間，并消耗電量。因此，它們一方面讓手機(jī)更智能，一方面讓手機(jī)電池消耗得更快。

在各類型產(chǎn)品中，激光陀螺被認(rèn)為是微型陀螺的理想方案，其最突出的優(yōu)點是理論上能提供信噪比很高的輸出信號。不過到目前為止，這種理論優(yōu)勢尚未在產(chǎn)品中實現(xiàn)。

圖丨激光陀螺也可以做的很大，比如這個航天用途的陀螺

優(yōu)勢和劣勢

為了解釋產(chǎn)品化面臨的阻礙，需要檢視激光陀螺的工作原理。激光被送入一個環(huán)形光路中，一半的光沿順時針方向運(yùn)動，另外一半的光沿逆時針方向運(yùn)動，然后兩束光在環(huán)形光路的另一端匯聚混合。

如果環(huán)形光路自身是靜止的，那么這 2 束光混合之后的輸出光，跟進(jìn)入環(huán)形光路的輸入光相比，不會有什么區(qū)別。

但是，如果環(huán)形光路自身在旋轉(zhuǎn)，那么其中一束光走過的路程會比另外一束光稍微長一些。這導(dǎo)致兩束光匯合之后，輸出光與輸入光有略微不同。

如果測量輸入光和輸出光的功率，會發(fā)現(xiàn)后者的功率低于前者。陀螺旋轉(zhuǎn)越快，這個效應(yīng)越顯著。這種測量具有極高的靈敏度——足以探測極其微弱的引力波，因此基于此原理的激光陀螺也可望擁有極高的靈敏度。

激光陀螺對地球的轉(zhuǎn)動非常敏感，但是很遺憾，它對氣溫變化、行人腳步、建筑工地和人的話語聲同樣敏感。不僅如此，激光陀螺的靈敏度跟其體積成正比，但智能手機(jī)需要的傳感器卻是越小越好。

彌補(bǔ)缺陷的工程設(shè)計

此外，激光陀螺在工程上也存在諸多挑戰(zhàn)。比如，理論上兩束光的光路長度應(yīng)該完全一致，但是在工程中總是會存在差異。此外，氣溫也會導(dǎo)致輸出信號的系統(tǒng)性偏差，而這種偏差無法跟陀螺轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的信號區(qū)分開來。

工程師的改進(jìn)辦法是：讓 2 束光在不同的環(huán)形光路中運(yùn)動，而每個環(huán)形光路中的光的方向快速變化。比如，第一個環(huán)形光路首先輸入沿順時針方向前進(jìn)的光，然后切換到輸入沿逆時針方向前進(jìn)的光，再切換回來。第二個環(huán)形光路的切換順序剛好相反。

借助這種設(shè)計能消除大部分系統(tǒng)誤差：其中 1 個環(huán)形光路的光程可能比另外 1 個環(huán)形光路長一點，但這無關(guān)緊要——通過平均，這種偏差可以被消除。氣溫的變化也可以通過快速切換 2 個環(huán)的光行方向來消除——當(dāng)然，前提是 2 個環(huán)的溫度相同。如果 2 個環(huán)的溫度不同，仍然無法通過這種快速切換方式來消除。

此外，光不只是在環(huán)中走 1 圈，而是走幾千圈。陀螺對旋轉(zhuǎn)的靈敏度跟走的圈數(shù)成正比，這個原理可以允許小陀螺也獲得很高的精度。

最終，激光陀螺可以做到只有幾個平方毫米大小，對氣溫和制造誤差的敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于早期激光陀螺。

仍然不夠好

不過，激光陀螺進(jìn)入手機(jī)的那一天仍然尚未到來。首先，盡管研究報告論證了高靈敏度激光陀螺理論上可以做得很小，但是其性能仍然趕不上目前的商用產(chǎn)品。具體地，激光陀螺的角漂移是市面現(xiàn)有產(chǎn)品的 1000 倍。當(dāng)然，看好激光陀螺的業(yè)界人士希望，這種差異的來源是現(xiàn)有商用陀螺內(nèi)部補(bǔ)償系統(tǒng)，而不是物理原理規(guī)定的激光陀螺性能上限。

激光陀螺最具吸引力的優(yōu)勢在于：其體積和功耗比現(xiàn)有商用陀螺更好。業(yè)界預(yù)期，10 年內(nèi)，用于手機(jī)的激光陀螺可能實現(xiàn)商品化。

-End-

編輯：離子心責(zé)編：XHR

參考：

https://arstechnica.com/science/2018/11/tiny-laser-gyroscopes-awesome-though-still-need-work/