三轴陀螺仪是一种用于测量物体角速度（绕X、Y、Z三个相互垂直轴旋转的速率）的传感器。它在现代科技中应用广泛（如智能手机、无人机、机器人、导航系统等），其核心原理主要基于以下物理学基础：

1. 核心物理原理：科里奥利效应 (Coriolis Effect)

   • 核心概念： 当一个物体在旋转参考系中进行径向运动时，它会受到一个垂直于运动方向的惯性力，称为科里奥利力。
   • 在陀螺仪中的应用： 现代主流的三轴陀螺仪（尤其是MEMS微机电系统陀螺仪）利用这个效应来检测旋转。它包含一个高速振动（振荡）的质量块（称为“谐振器”或“振动质量”）。

2. 工作过程（以MEMS陀螺仪为例）：

   • 驱动模式： 陀螺仪内部有一个可活动的高频谐振结构（通常是音叉状或梳齿状）。在静电力或压电力驱动下，这个质量块以特定的固定频率和振幅沿着一个轴线（称为驱动轴，例如X轴）进行高频往复振动（直线运动）。这是一种受控的“径向运动”。初始状态时，系统记录振动的位置或振幅基准。
   • 感测模式（角速度检测）：
     • 当整个陀螺仪（连同其内部振动的质量块）绕测量轴（例如Z轴）发生旋转（即产生角速度）时，由于陀螺仪外壳和基座参与了旋转，而振动质量块由于惯性试图保持其原有的振动平面不变。
     • 根据科里奥利效应，质量块在旋转参考系中进行的振动（驱动方向运动）会感生一个垂直于驱动方向和旋转方向的力，即科里奥利力。这个力作用于质量块上。
     • 这个科里奥利力会迫使质量块在其原有驱动振动的基础上，沿着垂直于驱动轴和旋转轴的第三个轴（即感测轴，例如Y轴）产生一个微小的、同步的振动位移（运动） 。这个位移的大小与驱动方向的速度以及施加的角速度大小成正比。
   • 信号检测： 通过集成在感测轴方向的电容式传感器（或其他类型的传感器，如压阻式），可以精确地检测到这个由科里奥利力引起的微小位移变化。感测电极测量振动质量块与固定电极之间电容的变化（位移导致间隙变化）。
   • 角速度计算： 传感器将检测到的电容变化（代表感测方向位移）转换为电信号（通常是电压信号）。这个信号的大小与感测方向的位移成正比，而位移又与驱动速度（已知且恒定）和旋转角速度成正比。通过复杂的电路（前置放大器、解调电路、滤波器等）处理这个信号，最终输出一个与绕感测轴角速度成正比的电压信号。

3. “三轴”的实现：

   • 一个典型的“三轴”陀螺仪芯片内部通常集成了三组独立的感测结构：
     • 一组用于检测绕X轴的角速度（设计为驱动轴是Y，感测轴是Z）。
     • 一组用于检测绕Y轴的角速度（驱动轴是Z，感测轴是X）。
     • 一组用于检测绕Z轴的角速度（驱动轴是X，感测轴是Y）。
   • 这三套结构在芯片内正交布置，各自工作，互不干扰，共同实现对三维空间中任意方向旋转角速度的测量。

关键点总结：

• 输入： 物体的角速度（旋转速率）。
• 测量原理： 利用科里奥利效应，将旋转角速度转换为振动质量块在垂直方向上的微小位移。
• 信号转换： 通过电容式传感器（最常见）检测位移，转换为电信号。
• 输出： 与绕特定轴角速度成正比的模拟电压或数字信号（经过ADC转换）。
• 最终得到的数据： 角速度（°/s 或 rad/s） ，绕三个垂直轴（X， Y， Z）的分量。

重要说明：

• 陀螺仪输出的是角速度（旋转的快慢），直接读数不是绝对的角度（朝向）。为了得到角度（例如姿态角），需要将角速度输出对时间进行积分。积分过程会累积误差（漂移），因此实际应用中常结合加速度计（提供静止或匀速直线运动下的绝对姿态参考）和磁力计（提供绝对方位角参考）进行传感器融合（如卡尔曼滤波），以获得更稳定准确的角度信息。
• 陀螺仪本身存在误差源，包括零偏（零位误差）、噪声、灵敏度误差、轴间交叉敏感等，需要进行校准。
• MEMS陀螺仪因其体积小、成本低、功耗低、可靠性高而被广泛应用，其核心就是基于科里奥利效应的振动结构。

应用（得益于以上原理）：

• 姿态稳定与控制： 无人机、平衡车、机器人、摄像机稳定云台（通过测量姿态变化速率来实时调整）。
• 导航系统（INS的一部分）： 车辆、船舶、飞机（与加速度计组合，通过积分推算位置和方向，但需外部如GPS修正漂移）。
• 手势识别/人机交互： 游戏手柄、VR/AR控制器（追踪用户手部或头部转动）。
• 屏幕旋转： 智能手机自动切换横屏竖屏。
• 图像防抖： 相机/手机通过检测微小晃动来移动镜头或电子裁切补偿。