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生活中你所不知道的科技─感測器原理介紹(一)

 
 
 
日常生活中有著各式各樣的加速度感測器搭配陀螺儀的應用,例如:手機的賽車遊戲、計步器、室內三維定位等…,這些便利讓我們感到習以為常,而忽略了去探所其原理為何。而此主題將分成兩篇文章撰寫,本篇文章將針對感測器的原理作介紹,並於第二篇文章中以實際用於我們生活中的感測器為例,讓讀者們更加瞭解到其實這些常被我們所忽略的科技技術,它的原理及應用到底為何?
 
 
圖一:(a)圖片說明:加速度感測器結構。(網站名稱:元件雜誌/網址:2cm.com)
▲圖一:(a)圖片說明:加速度感測器結構。(網站名稱:元件雜誌/網址:2cm.com)
 
圖一:(b)圖片說明:三軸加速度感測器示意圖。(網站名稱:ITW01/網址:https://itw01.com/9ZHEBF9.html)
▲圖一:(b)圖片說明:三軸加速度感測器示意圖。(網站名稱:ITW01/網址:https://itw01.com/9ZHEBF9.html)
 
加速度感測器的物理原理
 

加速度的感測基本原理相當簡單,這類加速度計是利用特殊矽材料特質而設計出的可移動式結構,它的機械結構(如圖一:(a))包括可移動的質量塊與彈簧連接感測器的相對固定端,分別作為電容的兩極。當外界因加速度而使得質量塊與彈簧固定端發生相對位移時,兩極間的電容量即會產生變化,透過特殊電路可將此變化量轉換成相對應的輸出訊號,進而得到相對加速度值。

 
但是如果只有一個方向的加速度感測器,在應用方面來說相對是較少的,因此,為了適用於真實的3D世界,我們再進一步將它擴增立體三個方向,也就是三軸加速度感測器,因此其能檢測X、Y、Z的加速度資料,並根據三軸資訊來判斷當前的運動狀態,進而推廣出大量的應用端,圖一:(b)即為三軸加速器的示意圖。
 
陀螺儀感測器的物理原理
 

陀螺儀(如圖二:(a))是一種用來感測與維持方向的裝置,基於角動量守恆(Angular Momentum)的理論設計出來的。陀螺儀主要是由一個位於軸心且可旋轉的轉子構成。陀螺儀一旦開始旋轉,由於轉子的角動量,讓陀螺儀有抗拒方向改變的趨向。而這些現象是由於它的兩個基本特性:一為定軸性,另一則為逆動性,這兩種特性都是建立在角動量守恆的原則下。

 
而現今普遍使用的則是微機電陀螺儀(簡稱MEMS陀螺儀),其內部結構如圖二:(b)所示。陀螺儀的MEMS內部設計,核心元件是一個經過微加工之機械元件,利用科氏力(Coriolis)原理把角速率轉換成特定感應結構直向位移,進而取得變化量資訊。其工作原理是由相互正交的振動和轉動引起的交變科氏力,振動物體被柔軟的彈性結構懸掛在基底之上。整體動力學系統是二維彈性阻尼系統,在這個系統中振動和轉動誘導的科氏力把正比於角速度的能量轉移到傳感模式。
 
 
圖二:(a)定軸的陀螺儀。(圖片來源:果殼科技有意思/網址:guokr.com)
▲圖二:(a)定軸的陀螺儀。(圖片來源:果殼科技有意思/網址:guokr.com)
 
圖二:(b)MEMS陀螺儀的結構示意圖。(圖片來源:MoneyDJ理財網/網址:masterlink.com)
▲圖二:(b)MEMS陀螺儀的結構示意圖。(圖片來源:MoneyDJ理財網/網址:masterlink.com)
 

隨著半導體及微機電技術的進步,讓這些感測器體積變得更小、成本降低,進而可應用在手機、運動手環等隨身裝置上。經過上述文章介紹後,相信各位讀者對加速度感測器以及陀螺儀有了基本的認識與瞭解,接下來,我們將在下一篇文章「生活中你所不知道的科技(二)─生活中的感測器」中介紹有關於生活中實際應用感測器的例子。

 

總編輯:國立中山大學資訊工程學系 黃英哲教授

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫」執行團隊撰稿)

 

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