Современный смартфон – это сложное высокотехнологичное вычислительное устройство, которое мощнее тысяч бортовых компьютеров, полвека назад запускавших «Аполлоны» на Луну. Датчиков на борту флагманских мобильников тоже установлено едва не больше, чем на борту этого самого «Аполлона». Каждый из них незаметно, но добросовестно выполняет свою работу. Чем же занимаются все эти датчики смартфона, и как они устроены – подробнее читайте далее.
Сенсор освещения в смартфоне расположен на передней панели, обычно возле разговорного динамика (бывают исключения). Конструкционно он представляет полупроводниковый сенсор, чувствительный к потоку фотонов. В зависимости от его интенсивности, сенсор осуществляет управление подсветкой дисплея, с целью более эффективно расходовать заряд аккумулятора. Также он может выполнять вспомогательную функцию для других задач, работая с датчиком приближения.
Датчик приближения
Это – оптический или ультразвуковой сенсор, определяющий, нет ли предметов перед экраном. Он посылает очень слабый световой или звуковой импульс, а если тот отразился – регистрирует отраженный сигнал. За счет этого осуществляется автоматическая блокировка экрана в режиме разговора или при перевороте смартфона дисплеем вниз. Традиционно сенсор приближения откалиброван таким образом, что регистрирует лишь 2 состояния: «посторонний предмет ближе N (обычно 5) сантиметров» и «посторонний предмет дальше N см».
Акселерометр
Этот сенсор смартфона расположен на плате и представляет собой миниатюрный электромеханический прибор, регистрирующий малейшие движения. В обязанности этого датчика входит переключение ориентации экрана смартфона при наклоне, управление в играх, регистрация особых жестов управления (вроде потряхивания или постукивания по корпусу), а также замер шагов (путем подсчета ритмических колебаний в процессе ходьбы).
Обычный двухосевой акселерометр в смартфоне
Бывают двухосевые и трехосевые акселерометры. Особенностью акселерометра является то, что в состоянии покоя - одна из осей всегда будет показывать значение в районе 9-10 м/с 2 (в трехосевом трехмерном акселерометре). Это связанно с тем, что сила тяжести Земли составляет в среднем 9,8 м/с 2 .
Гироскоп
Гироскоп отвечает за определение движения и ориентации смартфона в пространстве. Он тоже конструкционно представляет MEMS (микроэлектромеханическую схему), расположенную на системной плате. Сферы его применени пересекаются с таковыми у акселерометра. Основные отличия состоят в том, что гироскоп имеет заметно большую точность и измеряет движение не в м/с 2 , а радианах или градусах на секунду. За счет этого его можно использовать для отслеживания поворотов головы в VR-гарнитуре, а также более точно реализовать жестовое управление.
Гироскоп MEMS под микроскопом
Магнитометр и датчик Холла
Магнитометр измеряет величину магнитного поля окружающего мира. Он также проводит измерения в трехмерном пространстве (по трем осям декартовых координат - X, Y и Z). Основная функция магнитометра – более точное определение местоположения в ходе навигации. В этом режиме использования он выполняет функцию цифрового компаса. Благодаря тому, что одна из осей, которая расположена в плоскости с Северным полюсом Земли, регистрирует постоянно повышенный фон. Магнитометр помогает более точно определять, в какую сторону относительно севера движется смартфон.
Магнитометр смартфона
Часто магнитометр называют датчиком Холла, однако это не совсем тождественные понятия. Подробнее о датчике Холла мы писали в другой статье . Отличия состоят в том, что первый является более универсальным и чувствительным. Магнитометр способен производить замеры магнитного излучения, в то время как только регистрирует его наличие/отсутствие и уменьшение/усиление. В современных смартфонах отдельный датчик Холла обычно не ставят, так как универсальный магнитометр полностью покрывает его функциональность.
Одной из альтернативных функций магнитометра является поиск проводки в стенах. Проводник под напряжением генерирует слабое электромагнитное излучение, а чувствительность сенсора составляет единицы микротесла. Если водить смартфоном по стене, то в месте заложения кабеля магнитный фон будет повышенным.
Датчик гравитации
Измеряет силу притяжения нашей планеты в трехмерном пространстве. В состоянии покоя (когда смартфон лежит на столе), его показания должны совпадать с акселерометром: по одной из осей сила гравитации будет близка к 9,8 м/с 2 . Самостоятельно этот сенсор обычно не используется, но помогает работе других. В режиме навигации он определяет, в какой стороне земная поверхность, чтобы быстрее определить правильное положение смартфона. При использовании в VR за счет сенсора гравитации осуществляется правильное позиционирование картинки.
Датчик линейного ускорения в смартфоне
Принцип его работы практически идентичен акселерометру, единственное отличие кроется в инертности. То есть, показания этого сенсора не зависят ни от каких глобальных внешних факторов (вроде гравитации). Единственное, что он регистрирует – это скорость перемещений смартфона в пространстве относительно его прежнего положения.
Определять положение аппарата в пространстве датчик линейного ускорения не способен (нет привязки к внешним ориентирам), но это и не нужно (с данной задачей отлично справляются сенсор гравитации и акселерометр). Отсутствие привязки к внешним ориентирам позволяет поворачивать объекты на дисплее безотносительно этих ориентиров, например, в играх. Также данный сенсор, в совокупности с другими, повышает общую точность определения движений.
Датчик вращения
Он определяет направление и частоту вращения смартфона относительно одной из осей трехмерного пространства. Как и датчик ускорения, является независимым и не привязан к внешним ориентирам. Часто выполняется в составе одного модуля с сенсором линейного ускорения. Отдельно, как правило, не задействуется, но позволяет корректировать работу других сенсоров для повышения точности. Также помогает при управлении жестами, например, покрутив смартфон в кисти руки активируется камера.
Гироскоп MEMS в разрезе
Температурные датчики
Современный смартфон обильно напичкан цифровыми термометрами. Конструкционно они представляют собой термопару: резистор с двумя выводами, сопротивление между которыми меняется в зависимости от температуры. Так как он относительно примитивен, то может быть выполнен даже внутри полупроводникового чипа.
В каждом смартфоне обязательно имеется датчик температуры батареи. При ее перегреве он отключает зарядку или снижает силу тока на выходе, чтобы предотвратить закипание электролита, которое влечет возгорание или взрыв. Также распространены термометры внутри SoC (в количестве от пары штук – до десятка и более). Они измеряют температуры процессорных ядер, графического ускорителя, различных контроллеров. Иногда встречаются и датчики окружающей температуры, но они распространены слабо. Причина тому – низкая точность, так как тепло от внутренностей аппарата и рук пользователя искажает показания.
Датчик давления (барометр) в смартфоне
Барометр в смартфоне измеряет атмосферное давление (в мм ртутного столба, бар или паскалях). Он позволяет корректнее определять местоположение и высоту над уровнем моря, так как при подъеме давление снижается. Также он может использоваться в качестве альтиметра, замеряя высоту над уровнем моря, но точность оставляет желать лучшего, так как атмосферное давление меняется вместе с погодой. Еще меньше востребована функция корректировки прогноза погоды в метеорологических программах и виджетах.
Гигрометр
Гигрометр измеряет влажность воздуха. Его основное предназначение очевидно, но популярностью данный сенсор не пользуется. В теории с его помощью можно корректировать данные прогноза погоды. Зная показания, можно также управлять микроклиматом в помещении, включив увлажнитель или осушитель воздуха. Единственный из известных смартфонов с гигрометром – уже старенький Samsung Galaxy S4.
Пульсометр или датчик сердечного ритма в смартфонах
Пульсометр способен измерять частоту и ритм сердечных сокращений. В процессе занятий спортом он дает возможность наблюдать за работой сердца и корректировать нагрузки для повышения эффективности тренировок. Недостатком пульсометра является потребность в плотном контакте смартфона с частью тела, в которой кровеносные сосуды находятся близко к поверхности (например, пальцами), чтобы уловить малейшие пульсации. Из-за этого популярности в смартфонах он не приобрел, а вот в смарт-часах и фитнес трекерах встречается повсеместно.
Акселерометр измеряет ускорение и позволяет смартфону определять характеристики движения и положения в пространстве. Именно этот датчик работает, когда вертикальная ориентация меняется на горизонтальную при повороте устройства. Он же отвечает за подсчёт шагов и измерение скорости движения во всевозможных приложениях-картах. Акселерометр даёт информацию о том, в какую сторону повёрнут смартфон, что становится важной функцией в различных приложениях с .
Этот сенсор сам состоит из маленьких датчиков: микроскопических кристаллических структур, под влиянием сил ускорения переходящих в напряжённое состояние. Напряжение передаётся акселерометру, который интерпретирует его в данные о скорости и направлении движения.
Гироскоп
Этот датчик помогает акселерометру ориентироваться в пространстве. Он, например, позволяет делать на смартфон . В играх с гонками, где управление происходит с помощью перемещения устройства, работает как раз гироскоп. Он чувствителен к поворотам устройства относительно своей оси.
В смартфонах используются микроэлектромеханические системы, а первые подобные приборы, сохраняющие ось при поворотах, появились ещё в начале XIX века.
Магнитометр
Последний в тройке сенсоров для ориентации в пространстве - магнитометр. Он измеряет магнитные поля и, соответственно, может определить, где находится север. Функция компаса в различных приложениях с картами и отдельные программы-компасы работают с помощью магнитометра.
Подобные датчики есть в металлодетекторах, так что можно найти специальные приложения, превращающие смартфон в такой прибор.
Магнитометр действует в тандеме с акселерометром и GPS для определения географического положения и навигации.
GPS
Где бы мы были без технологии GPS (Global Positioning System)? Смартфон соединяется с несколькими спутниками и высчитывает своё положение на основании углов пересечения. Бывает, что спутники недоступны: например, при большой облачности или внутри помещений.
GPS не использует данные мобильной сети, поэтому геолокация работает и вне зоны покрытия сотовой связи: даже если саму карту загрузить не получится, точка геолокации всё равно будет.
При этом функция GPS тратит много заряда аккумулятора, поэтому лучше её отключать вне надобности.
Ещё один способ геолокации, хотя и не очень точный, - это определение расстояния от вышек сотовой связи. Смартфон добавляет к данным GPS другую информацию, например силу мобильного сигнала, для уточнения местоположения.
Барометр
Многие смартфоны, в том числе iPhone, имеют этот сенсор, измеряющий атмосферное давление. Он нужен для регистрации изменения погоды и определения высоты над уровнем моря.
Бесконтактный выключатель
Этот сенсор обычно находится около динамика в верхней части смартфона и состоит из инфракрасного диода и датчика света. Он использует невидимый человеку луч, чтобы определить, находится ли устройство возле уха. Так смартфон «понимает», что во время разговора по телефону нужно отключить дисплей.
Датчик освещённости
Как можно догадаться по названию, этот сенсор измеряет уровень освещённости окружающей среды, что позволяет автоматически настраивать комфортную яркость дисплея.
Датчики с каждым новым поколением смартфонов становятся всё более эффективными, маленькими и менее энергозатратными. Поэтому не стоит думать, что, например, функция GPS в устройстве, которому уже несколько лет, будет работать так же хорошо, как в новом. И даже если в информации о новых смартфонах не указывают характеристики всех этих датчиков, будьте уверены, что именно они позволяют вам пользоваться многими впечатляющими функциями современных гаджетов.
Смартфон, с которым вы наверняка не расстаетесь весь день, знает, где вы находитесь, как вы его держите и с какой скоростью двигаетесь. Тем не менее, основные инновации в сфере датчиков для мобильных девайсов еще впереди, причем ждут нас в совсем недалеком будущем. Сейчас мы наблюдаем зарождение новой эры – смартфонов, анализирующих различные параметры окружающей среды и постоянно их записывающие для использования приложениями и сервисами в повседневной жизни.
Итак, какие сенсоры, датчики и другие хитрые измерительные микро-девайсы можно найти в современных смартфонах?
- Датчик приближения : умеет с помощью инфракрасного луча определять, что вы поднесли смартфон к уху для разговора и дает команду на отключение экрана, чтобы вы ненароком не задели ухом или щекой какую-нибудь сенсорную кнопку на дисплее во время разговора.
- Датчик жестов : отслеживает движения, главным образом – глаз или руки, и отдает смартфона заранее запрограммированные команды (допустим, пролистать страничку в браузере или вывести на экран последние уведомления).
- Гироскоп : определяет вращение смартфона в пространстве по трем осям (часто работает вместе с акселерометром).
- Акселерометр : определяет положение смартфона в пространстве по трем осям (часто используется и в других портативных устройствах).
- Геомагнитный датчик (компас): использует магнитное поле Земли для ориентации по сторонам света (активно используется в навигационных сервисах).
- Датчик температуры/влажности : измеряет температуру окружающей среды и влажность воздуха
- Барометр : благодаря этому датчику смартфон может измерить атмосферное давление
- Датчик Холла : благодаря этому датчику смартфон определяет, закрыт или открыт чехол
- Датчик движения : определяет движение iPhone (используется в мобильных играх и для разблокировки iPhone).
- Датчик освещенности : автоматически настраивает яркость экрана в зависимости от освещенности
- Датчик гравитации : как правило, это акселерометр, содержащий небольшой грузик или трубочку. Перемещение грузика помогает смартфону определить, наклоняют ли его вправо или влево, вперед или назад. Работает в основном в мобильных играх.
- Сканер отпечатков пальцев : используется в смартфонах (iPhone 5s, Galaxy S5) для идентификации пользователя по отпечатку палцев.
- Датчик сердцебиения : умеет измерять пульс владельца смартфона (Galaxy S5)
Вот сколько датчиков может содержать современный смартфон. Скажем спасибо трудолюбивым китайцам, благодаря которым стоимость всех этих датчиков не превышает и сотни рублей. В будущем можно ожидать появления в мобильных девайсах новых датчиков и сенсоров для измерения (шагомер? микрометр? толщиномер?). Но и без внедрения в смартфоны новых датчиков ваш верный мобильный девайс знает достаточно, чтобы через API передавать собранные данные для работы множества приложений и сервисов: управление «умным» домом, геофенсинг, отслеживание состояние вашего здоровья и физической активности, коммуникации с «умным» автомобилем и смарт-часами и так далее. Будущее – уже на горизонте.
Современный смартфон может быть настолько многофункциональным, что его владелец не всегда в курсе всех характеристик и возможностей своего аппарата. Например, вы знаете, что такое датчик Холла в смартфоне? Как он работает и для чего нужен? Предлагаем вам узнать об этой характеристике больше!
Что значит датчик Холла в смартфоне?
Мы уже в курсе, зачем гаджету модуль приближения или гироскоп. Но что такое датчик Холла в смартфоне? Это определитель положения, чье действие основано на эффекте Холла. Данный приборчик фиксирует как наличие магнитного поля, так и измеряет его напряженность.
Датчик и сам эффект назван по имени известного физика Э. Холла. Именно этот ученый установил, что при помещении в центр магнитного поля проводника-пластины, по которой идет переменный ток, в нем (поле) проявится холловское напряжение - поперечная разность потенциалов.
В описанном случае электроны в проводнике отклоняются строго перпендикулярно направлению самого магнитного поля. Отсюда их плотность на разных частях пластины будет отличной. Вот эту разность потенциалов и фиксирует измеритель.
А что такое датчик Холла в смартфоне? Это еще более простой прибор - он призван определять лишь наличие магнитного поля, не измеряя его напряженность. Кроме того, гаджет наверняка снабжён еще и магнитным датчиком, который позволяет использовать ваш смартфон в качестве компаса.
Где он применяется?
Мы с вами установили, что такое датчик Холла в смартфоне. Однако гаджеты - это не единственная сфера применения изобретения, которое также отличается возможностью бесконтактного управления каким-либо устройством.
Надо сказать, что эффект Холла был открыт сравнительно давно - в 1879 году. А впервые применили его на практике только спустя 75 лет после этого события. Полезен он оказался для автомобилей - датчик использовали для измерения угла расположения коленвала, распредвала. В более старых моделях машин датчик Холла определял момент образования искры.
- бесконтактные выключатели;
- системы, предназначенные для чтения магнитных кодов;
- устройства, используемые для бесконтактного определения в проводниках силы тока;
- измерители уровня жидкости;
- ионные ракетные двигатели.
Кроме того, было выяснено, что датчик Холла способен заменять магнитоуправляемые герметичные контакты - герконы. Они имеют широкую сферу применения: микроэлектроника, охранные сигнализации, клавиатуры, лифты, наушники.
Зачем датчик Холла в смартфоне?
Мы с вами выяснили, что данный прибор определяет наличие магнитного поля. Но тогда для чего нужен датчик Холла в смартфоне сегодня? Все просто - он определяет, открыт или закрыт "умный" чехол с магнитной застежкой. Если магнит далеко (датчик "не видит" его на определенном расстоянии), то дается команда на включение дисплея. Если же застежка близко (а значит, пользователь закрыл чехол), то датчик сигнализирует системе, что экран нужно перевести в спящий режим.
Полезен этот измеритель и для бамперов для смартфонов с "окошком" на дисплее. Так, например, если вы захлопнули чехол, то датчик Холла это фиксирует. Он дает сигнал системе, что нужно транслировать на экране заставку, специально предназначенную для "оконца". Чаще всего это время, дата, важные уведомления. Убрали дверку чехла - команда от датчика на отображение на дисплее полной информации.
Другие функции в смартфонах
Взаимодействие с магнитными крышками - это самое распространенное применение датчика в современных гаджетах. Однако надо отметить, что он с успехом использовался в более ранних моделях смартфонов:
- Функция "цифровой компас" действовала благодаря датчику Холла. И сегодня он используется навигационными приложениями для общего улучшения позиционирования и более высокой точности определения вектора движения.
- Активация/дезактивация подсветки при открытии/закрытии устройства-"раскладушки". Здесь действие схоже с современной ситуацией с магнитными крышками чехлов.
Есть ли в моем телефоне датчик Холла?
Чтобы ответить на вопрос в подзаголовке, проще всего обратиться к характеристике вашего гаджета на официальном сайте производителя или в инструкции к девайсу. Однако не все изготовители указывают, снабжено ли конкретное устройство датчиком Холла.
Но существует простой способ проверки. Если к модели вашего смартфона выпускаются "умные" обложки или чехлы (в т. ч. и с "окошками"), имеющие магнитную застежку, то, скорее всего, в аппарате датчик Холла есть.
Среди популярных сегодня на рынке моделей этот модуль имеют следующие:
- Lenovo Vibe S1.
- Meizu Pro5.
- Meizu M2 Mini.
- LG Nexus 5X.
- Meizu M2 Note и проч.
К сожалению, в современных смартфонах возможности датчика Холла сильно усечены. Это объясняется минимизацией толщины корпуса, желанием производителя снизить расход заряда батареи, отсутствием потребности в расширенных за счет него функциях. Сегодня задач у датчика две - взаимодействие с "умным" чехлом или обложкой и карманный компас.
Современные мобильные телефоны оборудованы вспомогательными датчиками, которые нужны для правильной работы устройства. Помимо этого, они увеличивают его многофункциональность. На некоторых моделях установлен датчик Холла в телефоне. Что это такое, зачем он нужен и как работает, описано ниже.
Что это?
Датчик Холла – это прибор, фиксирующий магнитное поле и его напряженность. В смартфонах используется упрощенный аналог устройства, который определяет только наличие магнитного поля без считывания его напряженности по осям.
Работа прибора основана на эффекте Холла, открытом в 1879 году. Если проводник, по которому течет электрический ток, поместить в постоянное магнитное поле, под его действием электроны отклоняются к одной из граней пластины. В этой части накапливается отрицательный заряд, в то время, когда на противоположной грани собирается положительный заряд. Процесс продолжается до того момента, пока образовавшееся электрическое поле не скомпенсирует магнитную составляющую силы Лоренца. Образованная разность потенциалов на краях пластины фиксируется датчиком Холла.
В смартфонах он представлен микросхемой, которая на выходе создает информационный сигнал в двух состояниях:
- единица (сигнал подается);
- ноль (сигнал отсутствует).
Мобильный телефон его считывает и в зависимости от состояния сигнала выполняет то или иное действие.
Важно! Датчик можно устанавливать рядом с микроконтроллерами или логическими элементами – он не влияет на их работу.
Узнать, есть ли датчик Холла в вашем гаджете, можно, прочитав инструкцию к смартфону, в которой это должно быть указано. Или сделайте так, как показано на видео.
Зачем нужен?
Этот прибор имеет широкий спектр возможностей в зависимости от системы, в которой используется. Но в смартфонах раскрыть его потенциал полноценно невозможно по нескольким причинам:
- компактные размеры мобильного телефона;
- сокращение потребления заряда аккумулятора;
- нет необходимости.
В смартфонах датчик Холла используется в двух случаях:
- в цифровом компасе и для улучшения геопозиционирования, обеспечивая быстрый «холодный» старт GPS-навигатора;
- взаимодействие с магнитным чехлом для смартфона.
Принцип взаимодействия с магнитным чехлом
Магнитные чехлы блокируют/разблокируют экран гаджета при закрытии/открытии защитной крышки. Работу этой функции обеспечивает датчик Холла, встроенный в устройство: он реагирует на приближение/удаление магнита на флипе, в результате чего магнитное поле меняется. Это регистрируется датчиком, который подает смартфону команду на разблокировку/блокировку экрана.
В некоторых чехлах сделано окошко для отображения определенного участка экрана, на котором видны часы, сообщения, пропущенные вызовы и проч. Этот тоже эффект обеспечивается датчиком Холла, который определяет, нужно полностью заблокировать экран или оставить часть активной.
При этом сам магнит, встроенный в флип чехла, не вредит смартфону, что наглядно показано на видео.
