手机中智能传感器

Android手机中的智能传

感器及其应用

随着技术的进步，手机已经不再是一个简单的通信工具，而是具有综合功能的便携式电子设备。手机的虚拟功能，比如交互、游戏、都是通过处理器强大的计算能力来实现的，但与现实结合的功能，则是通过传感器来实现。本文介绍了几种手机中常见的传感器的原理和用途。

Android智能手机自推出以来，其内置传感器逐渐增多，传感器所能实现的功能也日益多样化，极大的满足了用户对智能手机功能的需求，从依赖于重力传感器的各种游戏，到依靠距离传感器实现的通话灭屏，再到指南针功能下的电子罗盘等等，小小的一个Android智能手机以各种传感器为依托实现了许多有趣的功能。

1.距离传感器

这个传感器在手机上的应用是当我们打电话时，手机屏幕会自动熄灭，同时触摸屏无效，能够防止误操作。当脸离开屏幕时屏幕灯会自动开启，并且自动解锁,因此距离传感器位于手机屏幕上方。这个对于待机手机较短的智能手机来说是相当实用的,现在很多智能手机都装备的这个传感器。距离传感器和光线传感器位置如图.1

图1.距离和光线传感器

距离传感器原理：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，并测量光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，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。

2.光线传感器

光线传感器，也就是感光器，是能够根据周围光亮明暗程度来调节屏幕明暗的装置。光线传感器可以使用光敏三极管作为感光元件，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。在光线强的地方手机屏幕会变暗，达到节电并更好观看屏幕的效果，在光线暗的地方自动将屏幕变亮。可以在工具设置中设置自动调节屏幕亮度。这个传感器也主要起到节省手机电力的作用，自动调节屏幕亮度也能起到保护眼睛的作用。光线传感器位置如图1 光线传感器和距离传感器一般都是放在一起的，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，所以一些厂商为了减少开孔、或者隐藏开孔，将两个传感器集成到一个窗口下，或者使用黑色面板，黑色面板的手机可以轻易隐藏这两个传感器。

3.方向传感器

方向传感器就是陀螺仪，陀螺仪的测量物理量是偏转，倾斜时的转动角度。陀螺仪传感器最早应用于航空、航天和航海等领域。随着陀螺仪传感器成本的下降，现在很多智能手机都集成有陀螺。陀螺仪是一种用来传感与维持方向的装置，基于角动量守恒的理论设计出来的。陀螺仪主要是由一个位于轴心且可旋转的轮子构成，一旦开始旋转，由于轮子的角动量，陀螺仪就具有了抗拒方向改变的能

力。在手机上，仅用液体测平和加速度计没办法测量或重构出完整的3D动作，因此现在的手机大多采用三轴陀螺仪作为方位测量传感器。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。陀螺仪则可以对转动，偏转的动作做很好的测量，这样就可以精确分析判断出使用者的实际动作。而后根据动作，可以对手机做相应的操作！三轴陀螺仪的原理如图2。

图2.陀螺仪

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，我们只需要通过转到手机，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。

4.重力传感器与加速度传感器

重力传感器是根据压电效应的原理来工作的，所谓的压电效应就是“对于不存在对称中心的异极晶体加在晶体上的外力除了使晶体发生形变以外，还将改变晶体的极化状态，在晶体内部建立电场，这种由于机械力作用使介质发生极化的现象称为正压电效应”。

手机重力感应技术是利用压电效应实现的，简单来说是测量内部一片重物(重物和压电片做成一体)重力正交两个方向的分力大小，来判定水平方向。通过对力敏感的传感器，感受手机在变换姿势时，重心的变化，使手机光标变化位置从而实现选择的功能。如图3所示。

图3.重力传感器

重力感应器是由苹果公司率先开发的一种设备，现在基本所有的智能手机都带有这个传感器了。重力传感器可以实现自动转动屏幕，在查看图片和拍照时有很好的用户体验。

与重力传感器相同，加速度传感器也是压电效应，原理也相似，有的厂商就将两个传感器集成为一个。加速度传感器通过三个维度确定加速度方向，功耗小，但精度低。加速度传感器用于测量手机在3D角度上的加速度，可用于计步和防摔保护。

人在走路时身体会上下运动，这就有了一个加速度。手机中的加速度传感器能够检测这一动作。传感器输出的电信号经过处理后确定人走的步数，从而确定运动量。防摔保护也是利用加速度传感器设计的。利用加速度传感器检测自由落体状态，从而对迷你硬盘实施必要的保护。大家知道，硬盘在读取数据时，磁头与碟片之间的间距很小，因此，外界的轻微振动就会对硬盘产生很坏的后果，使数据丢失。而利用加速度传感器可以检测自由落体状态。当检测到自由落体状态时，让磁头复位，以减少硬盘的受损程度。

5.磁场传感器

磁力传感器简称为M-sensor，返回x、y、z三轴的环境磁场数据。地球的磁场像一个条形磁体一样由磁南极指向磁北极。在磁极点处磁场和当地的水平面垂直，在赤道磁场和当地的水平面平行，所以在北半球磁场方向倾斜指向地面。通过测量三个方向上磁场的强度确定方向。

磁力传感器的主要应用时指南针，要实现电子指南针功能，需要一个检测磁场的三轴磁力传感器和一个三轴加速度传感器。随着微机械工艺的成熟，意法半导体推出将三轴磁力计和三轴加速计集成在一个封装里的二合一传感器模块LSM303DLH，这是一款成本低、性能高的电子指南针模块。

6．摄像头

摄像头是一种光电转换装置，拍摄景物时通过镜头，将生成的光学图像投射到感光元件上，然后光学图像被转换成电信号，电信号再经过模数转换变为数字信号，数字信号经过DSP加工处理，再被送到手机处理器中进行处理，最终转换成手机屏幕上能够看到的图像。摄像图的成像原理与凸透镜的成像原理相似，当物体在2倍焦距外时可在1~2倍焦距之间成倒立缩小的实像，所以感光板位于镜头的一倍到两倍焦距之间。光路原理图如图4。

图4.摄像头光路图

摄像头除了拍照片和视频外还可以结合图像处理技术实现更复杂的功能。例如可以使用闪光灯拍摄手指的透光照片，可以用于测量心率。原理是：人的血液中的血氧含量在每次心跳前后是不同的，血氧含量高时血液为鲜红色，氧气被消耗后为暗红色。手机的强光灯照到手指上，摄像头拍到手指颜色周期性的变化，对拍摄到的图像进行处理，从而算出心率。一款手机测心率软件截图如下。