科普:手机传感器

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传感器Sensor就是手机里那些可以被测量并且能按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。一般这类传感器都是由敏感元件以及转换元件组成。

手机上的那些能够通过芯片来感应的元器件,如反应距离值、光线值、温度值、亮度值和压力值等。

在手机上增加传感器是需要满足一些特定条件的,比如操作系统本身的支持、需要开发对应的应用去配合传感器的数据记录、保证传感器测算的精读、控制传感器的尺寸以及成本等。

1.NFC(Near Field Communication)

原理:即近场通信,是一种近距离高频无线通信技术。这个技术由非接触式射频识别(RFID)演变而来,由飞利浦半导体、诺基亚和索尼共同研制开发,其基础是RFID及互连技术。该技术在在13.56MHz频率运行于10厘米距离内。其传输速度有106 Kbit/秒、212 Kbit/秒或者424 Kbit/秒三种。NFC具有传输速度快、安全性能强、功耗低等特点。NFC在单一芯片上结合感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能,能在短距离内兼容设备进行识别和交换数据。NFC采用主动和被动两种读取模式。

用途:

1.数据传输,数据传输可在两部手机间近距离传输包括图片、音乐、通讯录等。


2.交通刷卡:支持NFC功能的手机能够在公交地铁上代替公交卡进行支付。而NFC手机公交刷卡相较于普通的公交卡或一卡通也有很多的便利之处,首先在公交卡没钱的情况下,它可以让用户免去排队烦恼,直接在手机上进行充值。其次,能够查看余额信息。最后它也免去了人们出门有时忘带公交卡的麻烦。


3.移动支付:目前移动支付已经成为人们生活中的常行为,支付宝、微信支付火遍大街小巷。近期,Apple Pay、Samsung Pay和小米支付等移动支付的流行,又让移动支付火了一把。而无论是Apple Pay、Samsung Pay还是小米支付,使用了都是手机的NFC功能。相较微信、支付宝的二维码扫码支付,NFC支付也有很多优势。首先安全性方面更高,具有不可复制性同时也无法获取用户信息;此外,NFC支付更加便捷,无法联网,只要在支持银联闪付的pos机上刷卡支付即可。


4.门禁卡:此功能用到的是NFC的卡模式,具备NFC功能的智能手机可读取和写入门禁卡信息,然后便可化身门禁卡使用了。


5.浏览海报信息:该功能是在NFC的读卡器模式,在该模式下,具备读写功能的NFC手机可从TAG中采集数据 然后根据应用的要求进行处理。有些应用可以直接在本地完成,而有些应用则需要通过与网络交互才能完成。基于该模型的典型应用包括电子广告读取和车票 电影院门票售卖等。如,在电影海报或展览信息背后贴有TAG标签,用户可以利用支持NFC协议的手机获得有关详细信息 或是立即联机使用信用卡购票。此外,还能获取公交站站点信息、公交地图等信息。


6.万物互联:除了上述功能外,NFC功能还可以使手机与其它支持NFC功能的设备相连接,如一些支持蓝牙的音箱可通过NFC与手机相连,与相应的打印机相连可直接打印手机里的照片等。



2.光线感应器(Ambient Light Sensor)

原理:光敏三极管,接受外界光线时,会产生强弱不等的电流,从而感知环境光亮度。

用途:通常用于调节屏幕自动背光的亮度,白天提高屏幕亮度,夜晚降低屏幕亮度,使得屏幕看得更清楚,并且不刺眼,有的还可以自由控制按键呼吸灯的明暗状态。也可用于拍照时自动白平衡。还可以配合下面的距离传感器检测手机是否在口袋里防止误触。

光线传感器其实跟人的眼睛有些相似。人的眼睛在不同光线环境下,能够调节进入眼睛的光线。而光线传感器则是根据不同光线环境来调整手机屏幕的亮度,从而减低电量的消耗,增强手机的续航能力。

应用手机:苹果iPhone XR、vivo X23、华为Mate 20、三星GALAXY Note 9等。



3.距离感应器(Proximity Sensor)

原理:距离传感器的组成非常简单,由一个红外LED灯和红外辐射光线探测器组成。位置大概在手机听筒的附近。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,一般有效距离在10cm内。距离传感器同时拥有发射和接受装置,一般体积较大。

用途:通话中防止误操作,检测手机是否贴在耳朵上正在打电话,以便自动熄灭屏幕,防止误触到屏幕影响通话。也可用于皮套、口袋模式下自动实现解锁与锁屏动作,达到避免误触及省电的目的。

距离传感器一般是配合着光线传感器来使用,位于手机正面听筒周围,这样就存在一个问题,手机的额头上开了太多洞或黑色长条不太好看,所以苹果一直在想方设法减少开孔、或者隐藏开孔。黑色面板的手机可以轻易隐藏这两个传感器,苹果从iPhone5开始,将光线传感器做成了白色,很好的隐藏了起来,但很多国产手机厂商暂时无法做到,他们只能选用更小尺寸的传感器,将光线+距离传感器放在一起做成更小的长条形,或者和摄像头一样大的大圆形,这样相对好看一些。锤子的传感器也是长条形,但直接放在了听筒里面,也算是隐藏了起来。

应用手机:华为Mate 20、苹果iPhone XR、一加6T等。



4.重力传感器

原理: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。

用途:手机横竖屏智能切换、拍照照片朝向、重力感应类游戏(如滚钢珠)、信息接收(摇一摇),通过重力传感器来实现更丰富的交互控制。

应用手机:荣耀Magic 2、三星GALAXY Note 9、魅族16th等。



5.加速度传感器

原理:和重力传感器略微有些重叠,但事实上却又不一样,也是压电效应,通过三个维度确定加速度方向,但功耗更小,但精度低。加速度传感器是多个维度测算的,主要测算一些瞬时加速或减速的动作。

用途:最典型的就是计步器功能了,加速度传感器可以检测交流信号以及物体的振动。人在走动的时候会产生一定规律性的振动,而加速度传感器可以检测振动的过零点,从而计算出人所走的步或跑步所走的步数,从而计算出人所移动的位移,并且利用一定的公式可以计算出卡路里的消耗。

比如测量手机的运动速度,在游戏里能通过加速度传感器触发特殊指令。日常应用中的一些甩动切歌、翻转静音等也都用到了这枚传感器。

应用手机:苹果iPhone XR、一加6T、小米MIX 3、苹果iPhone XS等。



6.指纹传感器

指纹传感器是实现指纹自动采集的关键器件,目前主要分为两类,光学指纹传感器和半导体指纹传感器。

光学指纹传感器:主要是利用光的折射和反射原理,光从底部射向三棱镜,并经棱镜射出,射出的光线在手指表面指纹凹凸不平的线纹上折射的角度及反射回去的光线明暗就会不一样。CMOS或者CCD的光学器件就会收集到不同明暗程度的图片信息,就完成指纹的采集。

半导体指纹传感器:这类传感器,无论是电容式或是电感式,其原理类似,在一块集成有成千上万半导体器件的“平板”上,手指贴在其上与其构成了电容(电感)的另一面,由于手指平面凸凹不平,凸点处和凹点处接触平板的实际距离大小就不一样,形成的电容/电感数值也就不一样,设备根据这个原理将采集到的不同的数值汇总,也就完成了指纹的采集。

从2013年开始,指纹传感器开始在智能手机中爆发式增长。它可以自动采集用户指纹,以此实现保护隐私的目的。不过现在具有指纹传感器的手机并不仅仅是解锁设备,而是和移动支付相互结合,包括Apple Pay、Sumsang Pay在内都是以指纹传感器为前提来交互。

应用手机:华为Mate 20、三星GALAXY Note 9、小米MIX 3、OPPO R17 等。



7.陀螺仪传感器(Gyroscope)

原理:角动量守恒,一个正在高速旋转的物体(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。陀螺仪就是以这个原理作为依据,用它来保持一定的方向。陀螺仪传感器是一个简单易用的基于自由空间移动和手势的定位和控制系统,它原本是运用到直升机模型上;还记得当时iPhone 4刚推出时的杀手级应用么?没错它就是陀螺仪。平时手机里标配的都是三轴陀螺仪,可追踪6个方向的位置、移动轨迹及加速度变化。

用途:体感、摇一摇(晃动手机实现一些功能)、平移/转动/移动手机可在游戏中控制视角、VR虚拟现实、在GPS没有信号时(如隧道中)根据物体运动状态实现惯性导航。日常我们玩的一些射击或赛车游戏都需要用到这种陀螺仪,很多应用也借助陀螺仪传感器来工作,例如3D拍照、全景导航等。

应用手机:华为Mate 20、OPPO R17、vivo X23、苹果iPhone XR等。



8.磁场传感器(MagneTIsm Sensor)

原理:利用各向异性磁致电阻材料来测量平面磁场,感受到微弱的磁场变化时会导致自身电阻产生变化,从而检测出磁场强度以及方向位置,所以手机要旋转或晃动几下才能准确指示方向。

用途:一般用在常见的指南针或是地图导航中,帮助手机用户实现准确定位。如果你不分东南西北,用地图中的电子罗盘可以轻松实现定位。还有金属探测器APP。

应用手机:OPPO R17等。



9.GPS位置传感器

原理: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卫星的坐标信息。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。

用途:地图、导航、测速、测距。随着4G网络普及,GPS被应用在更多场景,比如与智能硬件配合实现远程定位监控,或是设备丢失后定位查找。这里需要分清一个概念,手机一般标配的是A-GPS,所谓A-GPS是在接收导航卫星信号的基础上通过移动网络更快速的定位,比普通的GPS更先进一些。

应用手机:荣耀Magic 2、魅族16th等。



10.气压传感器

原理:气压传感器之前一直被用在军工手机当中,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。

用途:一般GPS能计算出你的位置,但对于一些高度上的变化是需要气压传感器来测算。安装了气压传感器的手机能测算你一天上了多少个楼层,或是用于室内定位等,而内部的气压传感器主要是测试设备封闭程度。GPS计算海拔会有十米左右的误差,气压传感器主要用于修正海拔误差(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。

应用手机:华为Mate 20、苹果iPhone XR、苹果iPhone XS等。



11.温度传感器

今年MWC上一款支持热成像测试的三防手机让人记忆深刻,它用到的就是温度传感器。温度传感器是用来检测手机本身温度变化的,可以看出手机的发热程度。扩展功能方面,温度传感器也能检测外界空气中的温度变化,甚至是用户当前的体温。


12.霍尔传感器

原理: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。

用途:有些手机会随机标配一些保护套,当合上保护套时手机会自动锁屏,打开保护套之后设备又会自动解锁。

应用手机:荣耀Magic 2、魅族16th、华为Mate 20等。



13.紫外线传感器

原理: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。

用途:运动、健康类。通过摄像头拍户外光源从而换算成放电效应测出紫外线强度。现在应用这种传感器的手机并不多见,而且测算的稳定性也有待进一步观察。


14.心率传感器

原理: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。

用途:运动、健康类。心率传感器在穿戴设别中比较常见,但在手机上的应用一般是设置在手机背部的位置,通过高亮度的LED光源照射手指的方式转换为对应数据来测算心率,测试的时候需要手指保持平稳,否则测试出的结果会有较大偏差。


15.血氧传感器

原理: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。

用途:运动、健康。