盘点智能手机中的传感器应用及技术原理

智能手机能支持那么多的娱乐应用,归根结底在于它里面集成的各类传感器,包括重力感应器、加速度传感器、陀螺仪、电子罗盘和指纹传感器等。

  随着现代信息技术的飞速发展,智能手机已经成为人们生活不可获取的一部分,同时其职能也从一开始的通讯发展到现在的娱乐、社交甚至生产。而智能手机能支持那么多的娱乐应用,归根结底在于它里面集成的各类传感器,包括重力感应器、加速度传感器陀螺仪、电子罗盘和指纹传感器等。


  重力传感器

  在iOS、Android平台中,很多游戏都运用到重力传感器,比如极品飞车系列、现代战争系列等等,它们带给用户新鲜的体验。还有手机横竖屏智能切换和照片查看时自动换朝向,都需要运用重力传感器。

  重力传感器的工作原理是利用压电效应实现,传感器内部一块重物和压电片整合在一起,通过正交两个方向产生的电压大小,来计算出水平方向。一般手机系统默认重力感应的中心为水平放置。但是在应用中,用户在娱乐时难以做到让手机永远保持水平姿势。所以,用户也可以自己选择设置持握状态下的中心。但是如果手机只装配了重力感应器的话,那它最多只能感应倾斜90度,如果再加上三轴加速度传感器,那就扩展到360度了。

  三轴加速度传感器

  三轴加速度传感器是手机中另一个非常重要的传感器,它可以测出手机相对于水平面的倾斜度。可用于计步、感知手机摆放位置朝向角度等。

  其工作原理与重力传感器相同,也是压电效应,并通过三个维度确定加速度方向。

  陀螺仪

  最早,陀螺仪大多应用于直升飞机中,以保持飞机姿态,块头也比较大。有了MEMS技术之后,把它的体积变小很多,可以集成到手机里面,价格也降低很多。

  它的工作原理是利用角动量守恒原理(一个正在高速旋转的陀螺,它的旋转轴没有受到外力影响时,旋转轴的指向是不会有任何改变的),来判别物体在空间中的相对位置、方向、角度和水平的变化。三轴陀螺仪可以替代三个单轴陀螺仪,可同时测定6个方向的位置、移动轨迹及加速度。

  事实上,如果结合加速度计和陀螺仪这两种传感器,系统设计人员可以跟踪并捕捉3D空间的完整动作,为终端用户提供更真实的用户体验、精确的导航系统及其他功能。手机中的“摇一摇”功能(例如摇动手机就能抽签…)、体感技术,还有VR视角的调整与侦测,都是运用到陀螺仪的作用。

  电子罗盘

  电子罗盘可以用来感知方位,这在无GPS信号或网络状态不好的时候,很有用处。它是通过地球磁场来进行分辨的,紧急情况下可以当作指南针使用,感知东南西北的方向。

  气压传感器

  将薄膜与变阻器或电容连接在一起,当气压产生变化时,会导致电阻或电容数值发生变化,藉此量测气压的数据。GPS也可用来量测海拔高度但会有10米左右的误差,若是搭载气压传感器,则可以将误差校正到1米左右;也可用来辅助GPS定位,来确认所在楼层位置等信息。苹果的iPhone6/6s系列都搭载了气压传感器。

  GNSS

  GNSS的全称是全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem),它是泛指所有的卫星导航系统,包括全球的、区域的和增强的,如美国的GPS、俄罗斯的Glonass、欧洲的Galileo、中国的北斗卫星导航系统,以及相关的增强系统,如美国的WAAS(广域增强系统)、欧洲的EGNOS(欧洲静地导航重叠系统)和日本的MSAS(多功能运输卫星增强系统)等,还涵盖在建和以后要建设的其他卫星导航系统。


  指纹传感器

  目前主流的技术是电容式指纹传感器,然而超音波指纹传感器也有逐渐流行起来趋势。电容式指纹传感器作用时,手指是电容的一极、另一极则是硅芯片数组,透过人体带有的微电场与电容传感器之间产生的微电流,指纹的波峰波谷与传感器之间的距离形成电容高低差,来描绘出指纹的图形。而超音波指纹传感器原理也类似,但不会受到汗水、油污的干扰,辨识速度也更为快速。运用在手机中可用来解锁、加密、支付等等。


  3D深度传感器

  感知距离和深度,对多数人的双眼来说都是轻松而自然的。但让智能手机也能探测到环境深度特征,可并不容易。普通的摄像头无法单独完成这一任务,必须依靠深度传感器。

  手机人脸识别功能采用的是TOF,3D成像技术,TOF是Timeofflight的简写,直译为飞行时间的意思。所谓飞行时间法3D成像,是通过给目标连续发送光脉冲,随后用深度传感器接收从物体返回的光,根据探测光脉冲的飞行(往返)时间来得到目标物距离。


  霍尔传感器

  霍尔传感器主要运用在翻盖解锁、合盖锁定屏幕等功能当中,苹果的Smartcover还有多个品牌的官方手机配件,都运用了这项技术。

  其工作原理是霍尔磁电效应,当电流通过一个位于磁场中的导体时,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力,从而在导体的两端产生电势差。

  距离传感器

  距离传感器可用于检测手机是否贴在耳朵上正在打电话,以便自动熄灭屏幕达到省电的目的。

  它是利用光线传感器进行实现的,通过识别外界光线的强弱,来感应传感器到用户间的距离变化。具体工作原理是红外LED灯发射红外线,被近距离物体反射后,红外探测器通过接收到红外线的强度,测定距离。距离传感器同时拥有发射和接收装置,一般体积较大。


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