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一文看懂智能手机常用传感器

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2022-07-11
 
不同环境下屏幕会自动调节亮度;接通电话靠近耳朵屏幕会自动息屏;摇动手机就可以控制赛车方向;拿着手机散步,就能记录你走了多少步;这些熟悉的场景,都少不了天天伴你身旁的智能手机。
智能手机之所以被称之为智能,是因为它提升了用户交互的体验,而这些都是传感器功劳。那么什么是手机传感器? 手机传感器都能做什么又是怎么工作的? 下面一起来看看。

什么是手机传感器?

简单来说,传感器(Sensor)就是手机里那些可以感知周围环境并且能按照一定的规律转换成可用输出电信号的芯片或装置。一般这类Sensor都是由敏感元件以及转换元件组成。
  • 1、多点触控电容屏幕

2007 年初,苹果对外发布了它们的新产品 iPhone,在这之前,iPod 已经非常普及,许多人都在设想苹果的手机会是什么样子,有人将 iPod 的触控滚轮 PS 为老式电话的拨号盘,等 iPhone 真正展现到大家眼前时,还是惊呆了。这款手机竟然没有实体按键!当然,没有实体按键的智能手机之前也有,但需要配置一只笔,因为采用的是电阻屏幕,灵敏度是个问题。iPhone 的屏幕采用了电容屏幕,反应灵敏,并且支持多点触控,通过十个手指就可以很精准的操作。就连产品发布后,许多人还在怀疑打字的时候会不会太痛苦,你现在低头看看自己的手机,就知道现在已经不是个问题了。
多点触控屏幕,让 iPhone 有了触觉。

 

2、环境光传感器(Ambient Light Sensor简称ALS)

类似于手机的眼睛。可以让手机感测环境光线的强度,用来自动调节手机屏幕的亮度。给出最佳视觉体验且能进一步延长电池续航能力。ALS也可搭配其他传感器一同来侦测手机是否被放置在口袋中,以防止误触。

 

 

 

3、距离传感器(proximity sensor简称PS)

透过红外线LED灯发射红外线,被物体反射后由红外线探测器接受,借此判断接收到红外线的强度来判断距离,有效距离大约在10米左右。通过红外线感应,可以检测到人脸与手机屏幕的距离,如果贴近,就会将屏幕关掉,这样既能省电,又能避免脸部触碰产生的误操作。
 

4、重力传感器(G-Sensor)

 

 

透过压电效应来实现,可用来切换横屏与直屏方向,运用在赛车游戏中时,则可透过水平方向的感应,将数据运用在游戏里,来转动行车方向。
 

5、加速度传感器(Accelerometer sensor)

加速度传感器用来感知手机的运动情况,它的原理就像在一个盒子里装个铁球,由于重力的作用,如果转动盒子的方向,各个侧面收到的铁球的压力是不同的,以此来判断盒子的朝向。基于加速度传感器,手机可以实现横屏时,内容自动转成宽屏显示。
 

6、地磁传感器(Magnetism Sensor)

有了 GPS,虽然能够定位,但是无法辨别方向。只有你拿着手机朝一个方向走上 20 米,才能通过位移估算你的方向,但这还是不够精准。在卫星信号不好的地方,定位的偏差可能都有几百米,这种估算的方向完全不可信。有了地磁传感器就是手机有了指南针,打开地图,我们不只是知道当前位置,还会知道我们当前的手机朝向。
 

7、陀螺仪(Gyroscope sensor)

陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴动作的角速度,是补充MEMS加速度计的理想技术。结合加速度计和陀螺仪这两种传感器,可以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。
你应该打过陀螺,也见过独轮电动平衡车,这两种东西都利用了一种物理原理。就是转动的物体,会沿着轴心方向保持稳定。转动的陀螺即使被碰一下,还是会晃动几下回到稳定朝下。而陀螺仪还有个特性就是可以通过转动位移,来计算出转动加速度。
虽然在手机中通过加速度传感器可以感知到手机的倾斜,但无法很好的计算手机的旋转,特别在玩一些赛车游戏的时候,你无法实现手机晃动灵敏的控制方向盘。有了陀螺仪就不一样了,乔布斯在现场演示了一个拆积木的游戏,通过手机旋转,可以从不同的角度去拆积木。
手机中用的陀螺仪并不是这种旋转轮子式的机械陀螺,而是一种微机电结构(MEMS)的,通过转动时的电容变化量来测定角速度,再配合加速度计传感器,来计算姿态。

 

8、气压传感器(气压计,barometer sensor)

分为变容式或变阻式气压传感器,将薄膜与变阻器或电容连接起来,气压变化导致电阻或电容的数值发生变化,从而获得气压数据。

GPS计算海拔会有十米左右的误差,气压传感器主要用干修正海拔误差(将至1米左右),当然也能用来辅助GPS定位立交桥或楼层位置

将薄膜与变组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,借此量测气压的数据。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,有助干提高GPS(全球定位系统)的精度。

此外,在一些户外运用需要测量气压值时,此时搭配气压传感器的手机也能派上用场,在iOS的健康应用中,可以计算出你爬了几层楼

 
9、内部温度传感器(Internal Temperature Sensor)

 

随着手机功耗越和电池容量越来越大,温度传感器应运而生,加入温度传感器并不是为了测外部温度,主要是为了监测手机本身是否过热。手机温度过热时,会提示关机一段再开机。
 

10、指纹传感器(FPG)

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、另一极则是矽晶片阵列,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。可以自动采集用户指纹,以此实现保护隐私的效果,通常被用作一种安全措施。
电容指纹传感器原理:手指构成电容的一极,另一极是硅品片阵列,通过人体带有的微电场与电容传感器间形成微电流,指纹的波峰波谷与感应器之间的距离形成电容高低差,从而描绘出指纹图像,
超击波播约传感器原理:超声波多用干测是距离,比加海底地形测绘用的声纳系统。超声波指纹识别的原理也相同,就是自接扫描并测经指纹纹理,其至连主子都台测经!来。因此超声波获得的指纹是3D立体的,而电容指纹是2D平面的。超声波不仅识别速度更快、而且不受汗水油污的干扰、指纹细节更丰富难以破解。
被广泛应用于加密、解锁、支付。
 

11、近场无线通信(NFC)

在 iPhone 5S 上有了指纹识别,而 iPhone 6 上就增加了近场无线通信(也是电磁波),两个叠加到一起,就成了 Apple Pay,从此刷卡变成了刷手机,输入密码变成了刷指纹。虽然这些技术以前都有,但是苹果擅长就是把它们整合成优质的服务。
 

12、压力传感器(3D Touch)

iPhone 6S 增加了屏幕压力传感器,能够采集到按压力度,这样在交互上可以玩出新花样来。屏幕能够感知到手按压的力度,但人并不会感受到屏幕真的被按压下去了。为了给人以反馈,内部增加了一个叫 TAPTIC Engine 的设备,根据压力,会产生振动,这样人就能感受到按压了。
此后iPhone 将 Home 键换成了非机械按压式的,如果你按着没感觉,是不是很不爽?所以苹果把在实现 3D Touch 所用到的 TAPTIC Engine 振动器加大,按压的时候振动一下,给你一种错觉,按键按压下去了。有了这种方式,一是不容易损坏,二是防水性更好,三是在玩游戏的时候,可以采用振动反馈,想象一下振动手柄,给予最佳游戏体验。
 

13、GPS位置传感器

地球特定轨道上运行着24颗GPS卫星,每一颗卫星都在时刻不停地向全世界广播自己的当前的位置坐标及时间戳信息。手机GPS模块通过天线接收到这些信息。GPS模块中的芯片根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据,根据卫星发射坐标的时间戳与接收时的时间差计算出卫星与手机的距离,采用空间距离后方交会的方法。确定待测点的位置坐标。
GPS位詈传感器主要作用是通讨天线来接收到卫星的坐标信息帮用户定位,随着4G网络普及,GPS被应用在更多场号,比如与智能硬件配合实现远程定位监控,或是设备于生后定位查找,被广泛应用在地图、导航、测速、测距等。
 

14、霍尔传感器(Hall Sensor)

霍尔磁电效应,当电流通过一个位于磁场中的导体的时候,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。
霍尔传感器安装在手机上主要功能就是使用智能皮套(磁皮套),扣上皮套后屏幕就会在皮套上留出的小窗口中出现一个小窗口界面,用来接听来电或阅读短信。
 

15、紫外线传感器(UV sensor)

利用某些半导体、金属或金属化合物的光电发射效应,在紫外线照射下会释放出大量电子,检测这种放电效应可计算出紫外线强度。
某些半导体、金属或金属化合物的光电发射效应,在紫外线照射下会释放出大量电子,透过检测这种放电效应可计算出紫外线强度。主要用途也在运动与健康领域。探测环境中的辐射水平。
 

16、心率传感器

用高亮度LED光源照射手指,当心脏将新鲜的血液压入毛细血管时,亮度(红色的深度)呈现如波浪般的周期性变化,通过摄像头快速捕捉这一有规律变化的间隔再通过手机内应用换算,从而判断出心脏的收缩频率。得每分钟的心跳数。
通过检测用户手指上血管每分钟的脉动数量获得用户的心率数据。心率传感器在穿戴设别中比较常见。
 

17、血氧传感器:

血液中血红蛋白和氧合血红蛋白对红外光和红光的吸收比率不同,用红外光和红光两个LED同时照射手指,测量反射光的吸收光谱,就可以测量血氧含量。
 

18、深度3D传感技术

深度3D传感技术根据工作原理可以分为三种:RGB双目、TOF和结构光。

RGB双目技术算法要求高,并容易受光线影响,在较暗或者高度曝光的情况下效果都非常差,因此很少被采用。目前应用比较多的是TOF和结构光。
TOF(time of flight)技术工作原理是通过泛光照明器(固态激光器或者LED)发射近红外(~850nm或940nm)的脉冲波,脉冲波遇到物体以后反射回来,被传感器(sensor)收集到。

系统通过计算sensor上每个像素脉冲波之间的频率差或时间差,再通过算法得到每个位置的精确3维深度。

结构光技术的基本原理是,通过近红外激光器,将具有一定结构特征的光线投射到被拍摄物体上,再由专门的红外摄像头进行采集。
这种具备一定结构的光线,会因被摄物体的不同深度区域,而采集不同的图像相位信息,然后通过运算单元将这种结构的变化换算成深度信息,以此来获得三维结构。
简单来说就是,通过光学手段获取被拍摄物体的三维结构,再将获取到的信息进行更深入的应用。
 

19、Ultra Wideband(UWB)

简单来说,它是一种新的近距离通信技术,和蓝牙、WIFI 在解决类似的问题。它的优势是可以提供厘米级的定位能力,并且可以实现更好的近距离传输,在 10 米内可以实现百兆甚至 GB 级别的传输速度。UWB 可能会扩展不少游戏或其它应用场景,还有待挖掘。