搜索
信号处理技术研讨课大作业大作业成绩复核人题目：多种手机传感器的原理及应用学院：机电与信息工程学院专业：通信工程年级班级：2014级二班姓名：叶坤学号：201400800679任课教师：崔文韬，叶准学年学期：2014-2015学年第2学期多种手机传感器的原理及应用叶坤201400800679（山东大学（威海）机电与信息工程学院，山东威海264209）摘要：传感器的应用越来越广泛，现在的手机搭载了很多传感器，报告主要介绍了几种典型的传感器及其在手机中的应用，如重力感应器、光线传感器、距离感应器、心率感应器、气压感应器、三轴陀螺仪等。这些传感器的应用为智能手机增加感知能力，使手机能够知道自己做什么，甚至做什么的动作。关键词：重力感应器；光线感应器；距离感应器；气压感应器TheprincipleandapplicationofavarietyofmobilephonesensorYekun201400800679(SchoolofelectricalandInformationEngineering,ShandongUniversity,Weihai264209,China)Abstract:Sensorismoreandmorewidelyused,andnowthemobilephoneisequippedwithmanysensors，Thereportmainlyintroducesseveraltypicalsensoranditsapplicationinmobilephone,suchasthegravitysensor,lightsensor,proximitysensor,heartratesensor,pressuresensor,threeaxisgyroscope.Theapplicationofsensorsforintelligentmobilephonemobilephonetoincreaseawareness,toknowwhattodo,ordowhataction.Keywords:Gravitysensor,lightsensor;;distancesensor;pressuresensor引言：传感器在生活中的应用越来越广泛，现在的智能手机上搭载了很多种类的传感器。依托这些传感器，软件开发者开发出了各种应用程序，使手机的应用范围大大拓展，给用户带来了前所未有的使用体验。现代技术中，传感器是指这样的一类元件：它能够感受诸如力、温度、光、声、化学成分等非电学物理量，并能把它们按照一定的规律转换为电压、电流等电学物理量，或转换为电路的通断。把非电学量转换为电学量，就可以很方便地进行测量、传输、处理和控制了。手机上主要搭载的传感器有声传感器、光传感器、触摸传感器、重力传感器、加速度传感器、方向传感器、距离传感器、气压感应器等。正文一、传感器的定义和分类:1.1传感器的定义能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。1.2传感器的分类可以按不同的观点对传感器进行分类：（1）按工作原理，可分为物理传感器和化学传感器。（2）按传感器的用途，可分为位置传感器，液面传感器，能耗传感器，速度传感器，热敏传感器，加速度传感器，射线辐射传感器，振动传感器，湿敏传感器，气敏传感器，真空度传感器和生物传感器等。（3）按传感器应用的材料，可分为以下几类：按其所用的材料的类别分为金属，聚合物，陶瓷和混合物；按材料的物理性质分为导体，绝缘体，半导体和磁性材料；按材料的晶体结构分为单晶，多晶和非晶材料。（4）按传感器的输出信号，可分为模拟传感器，数字传感器。（5）按照传感器制造工艺，可分为：集成传感器，薄膜传感器和陶瓷传感器。二、几种典型传感器的原理及应用2.1加速度传感器加速度有两种，一个是静态的加速度，把加速度传感器倾斜一个角度，重力场会在感应场上产生一个分量，通过这个分量，可以测量出手机倾斜了多少角度，由此实现一些前后左右的控制；另外一种就是所谓的动态加速度，可以侦测速度，撞击等。加速度传感器可以用来检测角度，手机上下左右摇摆，加速度传感器会将对应信息传送给中央处理器，通过软件实现菜单选择，翻页，图像切换等操作，当手机反转90°时，可以自动在竖屏幕显示和横屏幕显示之间切换，方便用户使用，在赛车，滑雪等游戏中，加速度传感器甚至可以取代方向键，通过前后左右的角度变换实现转弯，加速，刹车等动作，使游戏更具娱乐性。加速度传感器还可以用于计步器，检测并记录走路或跑步的步数，从而计算路程。当结合个人特征，如身高，体重等信息，可以通过软件算热量消耗，看到锻炼效果，这样，手机又具备了健身功能。加速度传感器还可以使手机具有应急报警功能，如果用户受重大撞击，或者跌倒，加速度传感器会立刻将相关信息传给中央处理器，如果事故后一段时间内用户没有动作，则判定用户受到伤害，立刻通过手机报警，如果手机中有GPS，还可以自动启动GPS，并将位置信息传送给救援部门，达到急救目的，这一点对越来越多的老人大有裨益。2.2光线感应器光线感应器由投光器和受光器组成，投光器将光线聚焦，在传输至受光器，最后通过感应器接收变成电器信号。光线感应的用途是可以根据周围环境光线调节手机屏幕本身的亮度。光电传感器在手机上的应用主要是根据环境光线明暗来判断用户的使用条件，从而对手机进行智能调节，达到节能和方便用户使用的目的。黑暗环境下自动降低背光亮度，以免背光太亮刺眼。太阳下自动增加屏幕亮度，是显示更清楚。手机移动到耳边打电话时，自动关闭屏幕和背光，可以延长手机续航时间，同时关闭触摸屏，又可以达到防止打电话过程中误触屏幕挂断电话的操作。还有的利用光线亮度来控制铃声音量，如手机装在衣服口袋或是皮包里时，就大声振铃，而取出时，环境光改变了，振铃就随着减小，这个功能很有意思，一方面可以避免铃声过小漏接电话，一方面适应环境的需要，避免影响其他人，同时还能省电。2.3气压感应器气压传感器主要的传感元件是一个对气压传感器内的强弱敏感的薄膜和一个顶针开控制，电路方面它连接了一个柔性电阻器。当被测气体的压力强降低或升高时，这个薄膜变形带动顶针，同时该电阻器的阻值将会改变。电阻器的阻值发生变化。从传感元件取得0-5V的信号电压，经过A/D转换由数据采集器接受，然后数据采集器以适当的形式把结果传送给CPU。很多空气的气压传感器的主要部件为变容式硅膜盒。当该变容硅膜盒外界大气压力发生变化时顶针动作，单晶硅膜盒随着发生弹性变形，从而引起硅膜盒平行板电容器电容量的变化来控制气压传感器。可以通过压力传感器测量大气压，进而根据气压值计算出海拔高度，同时还能够根据温度传感器数据来结果进行修正，以得到更精确的数据，同时成本会更低。如果说用压力传感器来计算海拔算是一项不错的应用，那么利用压力传感器来辅助导航，你是不是会觉得惊讶呢?由于导航仪市场较为混乱，产品质量良莠不齐，因此经常会出现导航仪瞎指挥的现状。如你在高架桥上时GPS却可能会指挥你转弯，但其实并没有转弯出口。这往往是由于GPS存在误差，不能够判断车子在高架桥上还是桥下所致。但如果再加上气压传感器，测量出所处的高度，就能够将误差降低到1米左右，随着精度提升导航也将变得更加精确。同时当用户处于楼宇内时，内置感应器可能会无法接收到GPS信号，从而不能够识别地理位置。配合气压传感器、加速计、陀螺仪等就能够实现精确定位。这样当你在商场购物时，你能够更好找到目标商品。2.4距离感应器距离感应器的基本原理是：利用各种元件检测对象物的物理变化量，通过将该变化量换算为距离，来测量从传感器到对象物的距离位移的机器。根据使用元件不同，分为光学式位移传感器、线性接近传感器、超声波位移传感器等。手机使用的距离传感器是利用测时间来实现距离测量的一种传感器.红外脉冲传感器通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间来计算与物体之间的距离。距离传感器的主要应用:用于手机上：当接通电话时，如果挡住距离传感器（在辅助摄像头和光线感应器之间的不明显的小长方形）的话，屏幕会变黑。也就是在你接电话时，屏幕会变黑，节约电。在比较高端的手机上距离感应器还可以实现快速一览、空中唤醒等功能。红外线是指波长比红光还长的电磁波,在光谱中波长自0.76至400微米的一段称为红外线，红外线是不可见光线。近红外线或称短波红外线，波长0.76～1.5微米，穿入人体组织较深,约5～10毫米；远红外线或称长波红外线，波长1.5～400微米，多被表层皮肤吸收，穿透组织深度小于2毫米。由于红外线波长比较长,所以具有较强的衍射性能,常用于远程遥控,远程拍照,勘测等等.2.5三轴陀螺仪三轴陀螺仪：同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪，而3轴的一个就能替代三个单轴的。3轴的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好，是激光陀螺的发展趋势。三轴陀螺仪原理如图所示。很多手机中内置三轴陀螺仪，它可以与加速器和指南针一起工作，可以实现6轴方向感应，三轴陀螺仪更多的用途会体现在GPS和游戏效果上。一般来说，使用三轴陀螺仪后，导航软件就可以加入精准的速度显示，对于现有的GPS导航来说是个强大的冲击，同时游戏方面的重力感应特性更加强悍和直观，游戏效果将大大提升。这个功能可以让手机在进入隧道丢失GPS信号的时候，凭借陀螺仪感知的加速度方向和大小继续为用户导航。目前手机中采用的三轴陀螺仪用途主要体现在游戏的操控上，有了三轴陀螺仪，我们在玩现代战争等第一人称射击游戏时，可以完全摒弃以前通过方向按键来控制游戏的操控方式，我们只需要通过移动手机相应的位置，既可以达到改变方向的目的，使游戏体验更加真实、操作更加灵活。2.6心率感应器三星GalaxyS5是第一款把心率检测技术内置到硬件里的手机。在三星GalaxyS5推出之前在Android和iOS平台上就有许多的第三方的检测心率的应用，只不过它们是通过手机的闪光灯的照射配合摄像头来收集获取用户的心率状况。其实LED闪光灯照射和或者像GalaxyS5一样的心率传感器来检测心率状况的原理并不是非常的复杂。用亮度很高的射灯，比如摄像头的LED闪光灯或者像是三星GalaxyS5一样内置一颗能够照射到皮下毛细血管的光源和检测器，把手指按在光源和摄像头上，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或者检测器监测这一有规律变化的间隔，再通过手机内应用的扫描放大，再换算，从而判断出心脏的收缩频率。下图是红外线检测心率的原理图和手机检测心率原理大致相似：手机里内置更多适应人体工程学的传感器是未来智能手机发展的趋势，iPhone5s的指纹识别功能和三星GalaxyS5心率检测模块都是这方面的先驱者，未来我们将会看到更多人性化的科技产品出现在我们的生活中。总结：以上列举了目前手机上常用的传感器，它们在我们日常的生活中看似很微小，但有时候却起着巨大的作用。相信在不久的将来，将会有更多的传感器应用到手机上。比如湿度传感器、紫外线传感器、大气污染物传感器等，为我们的生活及出行提供更多的帮助。能测量体温、血压、监控心率的传感器，像身边的保健医生随时呵护我们的健康。传感器就像手机的眼睛和耳朵，让手机变得越来越聪明，功能越来越强大。参考文献1、《传感器在手机中的应用》鲁建全2、《传感器与传感技术》（第三版）何道清，张禾，谌海云科学出版社3、《传感器手册》鲍丙豪，周燕，许桢英化学工业出版社