1、1传感器在手机中的应用鲁建全（郑州外国语学校，河南 郑州 450001）贾晓燕（郑州市第二十四中学，河南 郑州 450007） 关键词：手机，传感器，应用摘要：传感器的应用越来越广泛，现在的手机搭载了很多传感器，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、磁传感器等。给用户带来了丰富的应用和体验。正文：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
2、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、磁传感器等。1、声传感器：就是手机话筒。打电话时，能把声音信号转变为电信号。现在手机常用的是驻极体电容式麦克风。驻极体话筒体积小，结构简单，电声性能好。其声电转换的关键元件是驻极体振动膜。它是一片极薄的高分子极化塑料膜片，在其中一面蒸发上一层金属薄层。膜片的另一面与金属极板之间用薄的绝缘衬圈隔离开。这样，金属薄膜与金属极板之间就形成一
3、个电容。高分子塑料膜上生产时就注入了一定的电荷 Q，由于没有放电回路，这个电荷量是不变的，在声波的作用下，极化膜随着声音震动，因此和金属极板的距离也跟着变化，电容就随声波变化。由电容公式 ，可知 。驻极体总的电荷量不变，电容变化时，电容CUC两极间的电压就会跟着变化，最后再通过阻抗非常高的场效应管将电容两端的电压取出来，同时进行放大，就把声音信号转变为电压信号了。2、光传感器：光传感器在手机上有两个应用。一个是用在手机拍照的感光元件。与数码相机一样，感光芯片是拍照手机的最关键光电转换部件，相当于老式照相机的感光底片，能够把拍摄对象的光信号转换为电信号，经过处理，最后生成一幅电子照片。一般手机镜
4、头的感光元件是 CMOS 传感器，英文全称是“Complementary Metal Oxide Semiconductor”，中文即“互补金属氧化物半导体” ， CMOS 传感器的每个象素由一个感光二极管和与之连接的一个放大器及 A/D 转换电路组成。从拍摄对象过来的光线经过镜头的透镜组，成像在 CMOS 传感2器上，利用感光二极管进行光电转换，将图像转换为电信号，通过放大器及 A/D 转换电路将数据输出 。光传感器的第二个应用是用来探测环境的亮度。手机自动根据所处环境的光线来控制屏幕的亮度和键盘灯的开关。比如在明亮的室外，键盘灯关闭；屏幕更亮，以便能看清屏幕。在暗处，按键时键盘灯就会亮，屏
5、幕较暗，以便看清按键，防止屏幕刺眼。这样既保护了眼睛又节省了能量。在拍照时，光线传感器根据环境亮暗来确定曝光时间及 LED 闪光灯是否打开，从而拍摄出高质量的照片。手机中探测环境亮度的光线传感器件一般是光敏三极管。芯片封装在带有玻璃透镜的管壳内，环境光线通过透镜汇聚照射在芯片上。光照增强时，光电流增加，再经过光敏三极管的放大作用，就把光信号转化为电信号了。3、触摸传感器现在的手机大部分用的是触摸屏，通过触摸屏可以方便地实现点击确认、内容切换、翻页、手写输入等多种人机交互功能。触摸屏又叫触控面板，是一个高精度的触摸传感器，能够把手指在屏幕上的位置及动作信息转换为电信号，实现对手机的控制。目前手机
6、常用的触摸屏有两类：一类是电容式触摸屏，一类是电阻式触摸屏。iPhone4S 手机采用的是电容式触摸屏。普通电容式触摸屏的感应屏是一块四层复合玻璃屏，玻璃屏的内表面和夹层各涂有一层导电层，最外层是一薄层矽土玻璃保护层。当我们用手指触摸在感应屏上的时候，人体的电场让手指和和触摸屏表面形成一个耦合电容，对于高频电流来说，电容是导体，相当于手指从接触点吸走一个微弱的电流。这个电流分别从触摸屏的四角上的电极中流出，并且流经这四个电极的电流与手指到四角的距离成正比，控制器通过对这四个电流比例及强弱的精确计算，得出触摸点的位置及触摸力度。电阻式触摸屏包含上下叠合的两个透明层：薄膜和玻璃。薄膜和玻璃相邻的一
7、面上均涂有 ITO(纳米铟锡金属氧化物)涂层，ITO 具有很好的导电性和透明性。当触摸屏表面受到的压力（如通过笔尖或手指进行按压）足够大时，薄膜下层的 ITO 会接触到玻璃上层的ITO，相当于该处导通。利用分压器原理可产生代表 X 坐标和 Y 坐标的电压，经过转换电路送到处理器，通过运算转化为屏幕上的 X、Y 坐标值，实现把触摸位置的信息转换为电信号。4、重力传感器重力传感器能利用重力方向感知手机目前的姿态，如竖立、横立、平放等，程序可以调用重力传感器的信息做出相应的反馈。重力传感器的一个应用是：用手机观看图片、视频或浏览网页时，把手机从竖着拿变为横着拿时，页面内容就自动反应过来，从竖屏显示变
8、换为横屏显示，方便人们浏览，极具人性化。手机中的重力传感器一般是利用压电效应来实现的。一个小重物，放在两片相互垂直的压电薄片上，实际上重物和压电片是做成一体的。当手机倾斜一定角度且保持静止时，重力在垂直两个压电薄片方向的分力与手机倾斜角度有关，压电片受力不同，输出电压不同，控制器通过读取压电片输出的电压的比例关系，计算出压电片与水平方向的夹角，从而得到手机静止时的姿态信息。这样，利用重力的分力和压电效应，把手机姿态信息转换为电压信号。5、加速度传感器加速度传感器也叫运动传感器，它能捕捉手机的几种典型运动模式如摇晃、甩动、翻转等。达到用运动控制手机的目的。一款手机的音乐播放器利用加速度传感器可实
9、现以下3功能：向右甩动播放下一曲，向左甩动播放上一曲，向上甩动增大音量，向下甩动减小音量，翻转实现静音，这是一种非常轻松有趣的控制方式。有的手机上有记步器软件，也是利用加速度传感器来实现的。当手机放在衣袋中，人在行走或跑步时，手机也跟着上下移动，加速度传感器能记录上下移动的频率，根据人的步频，就可估算出人的速度、一段时间前进距离和消耗的热量。目前手机上的运动传感器多为电容式。它的工作的原理是：一个质量块可以在某个轴上运动，一个微型弹簧一端固定，另一端连接质量块，质量块与电容器的一个极板固连在一起，电容器的另一个极板固定。当手机在该方向有加速度时，质量块就会压缩或拉伸弹簧，使得电容器两极板距离变
10、化，引起电容的变化。若电容器带电量不变，两极板间的电压就会随距离的变化而变化。这样手机某一方向加速度信号就转变为电压信号了。现在的加速度传感器通常把X、Y、Z三个相互垂直方向传感器集成到一起，使传感器能够感知手机在三维空间的运动情况。6、方向传感器有些游戏和应用，需要测量手机绕某个轴转过的角度及旋转的角速度，这就需要能感知空间方位及角度的传感器。iphone4S 手机上的方向传感器俗称三轴陀螺仪。陀螺仪的工作原理是这样的：传感器中有一个高速旋转的陀螺，不管手机如何倾斜，由于陀螺效应，陀螺的轴向始终与初始方向平行，这样就可以通过测量手机轴向与陀螺轴向的偏角计算出实际方向。手机里陀螺仪实际上不是机
11、械式的旋转陀螺，而是一个结构非常精密的，微型的电子陀螺仪，也叫微机电陀螺仪。iPhone 4是世界上第一台内置MEMS（微机电系统）三轴陀螺仪的手机，可以感知来自六个方向的角度变化。该陀螺仪芯片内部包含有一块微型磁性体，可以在手机进行旋转运动时产生的科里奥力作用下向X、Y、Z三个方向发生位移，使得电容传感器的极板发生移动，从而使得电容发生改变。电容值的变化将被转化为电压，再经模数转换，变成可供处理器使用的数字信号。7、位置传感器利用手机进行定位与导航，是目前智能手机非常实用的功能。若想实现定位与导航，手机必须能够实时探测出所在处的位置信息，即经纬度。手机有一种定位方式是利用GPS导航卫星定位。
12、GPS 定位的原理是这样的：手机搭载有GPS卫星信号接收模块，它通过接收处于天空不同位置的三颗以上的GPS定位卫星发射的信号，得到信号从发射到接收的时间间隔（精确到ns级） ，算出此时手机到三颗卫星的距离。若这时三颗卫星的位置信息已知，根据这三个距离便可确定手机所在的位置。因此可以说，手机GPS卫星信号接收模块就相当于位置传感器。8、磁场传感器有的手机上有一款软件叫电子罗盘，手机平放时，画面中的指南针能指示南北方向，并可显示此时手机轴向与南北方向的偏角。这个功能是通过磁场传感器来实现的。利用磁场传感器及手机的GPS系统和电子地图，就可实现电子导航，能方便确定自己所处的位置及方向。磁场传感器的核
13、心元件是各向异性磁阻（AMR） 。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，当其所在空间的磁场强弱及方向发生变化时，磁阻的电阻值就发生变化，利用这种磁阻组成电桥，地磁场的方向与磁场传感器夹角不同时，各桥臂的电阻也不同，传感器输出的电流也不同，传感器输出的电流就与该夹角对应。这样，手机轴向的朝向信息就转换成了电流信号。49、距离传感器触摸屏手机在接听电话时，当手机移动到耳边时，屏幕自动锁定，防止脸部碰到屏幕引起误操作，同时手机屏幕灯会自动熄灭，节省电能。当接完电话拿开手机时，屏幕灯会自动开启，并且自动解锁。这个功能的实现利用了距离传感器。工作原理：传感器发射特别短暂的红外光脉冲，光脉冲被物体表面反射回来后又被传感器接收，传感器通过测量发射与接收的时间差，计算手机屏幕与物体表面之间的距离，实现对手机的智能控制。以上列举了目前手机上常用的传感器。相信在不久的将来，将会有更多的传感器应用到手机上。比如探测身边环境的温度传感器、湿度传感器、气压传感器、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。（手机：15838286372 电子信箱：）
