手机上的传感器《传感器原理》课程论文.doc

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1、目录一、 传感器的概念1二、 手机中传感器简介11、 霍尔传感器2 2、重力感应器33、加速度传感器44、方向感应器45、三轴陀螺仪56、距离传感器57、光线传感器（感应器）68、图像传感器79、电子罗盘，也叫方位感应器（传感器）810、磁力传感器9三、 手机距离传感器10 一、传感器的概念随着技术的进步，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的电子设备。你可以用手机听音乐，看电影，拍照等。手机变得无所不能。在这种情况下，各种传感器在手机中的应用应运而生国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元

2、件和转换元件组成”。像我们的楼道的声控灯、数码相机等都有传感器，甚至手机本身就是个将声音转化为数字信号的在转化回来的传感器，其的范围太广泛了。现在的智能手机比起之前的智能手机时代不仅仅是手机性能硬件上的提高，除了CPU那类的配置之外，新一代的智能手机在体验感和用户者得互动性上也更加的高。目前智能手机应用软件生态系统不断扩展，传感器这类与用户互动必备的东西功不可没。传感器让用户对应用软体更加着迷。事实上，目前智能手机应用软件生态系统不断扩展。传感器除了能增加体现感和用户互动这些理念性的东西外。游戏上传感器的应用也成为新的发展方向。就是体感装置在游戏设备的崛起一样，传感器在手机和平板上的发展会越来

3、越快。现在在游戏、健康照护、体能训练以及许多新应用都要用到传感器。由于智能手机中加入了各种传感器，使手机也变得越来越智能化。二、手机中传感器简介 下面主要介绍了几种典型的传感器及其在手机中的应用，如磁控传感器、光线传感器、触摸传感器（触摸屏的典型应用）、图像传感器（手机摄像头的应用）、磁阻传感器（电子指南针）、加速传感器（iphone4的三轴陀螺仪）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。 1、霍尔传感器霍尔传感器一个使用非常广泛的电子器件，在录像机、电动车、汽车、电脑散热风扇中都有应用。在手机中主要应用在翻盖或滑盖的控制电路中，通过翻盖或滑盖的

4、动作来控制挂掉电话或接听电话、锁定键盘及解除键盘锁等。利用霍尔效应做成的半导体元件就是霍尔元件（霍尔传感器）。霍尔传感器可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔传感器寿命较长，不易损坏。且对振动，加速度不敏感。作用时开关时间较快，一般为0.12ms，较干簧管传感器的13ms快得多。当磁场作用于霍尔元件时产生一微小的电压，经放大器放大及施密特电路后使三极管导通输出

5、低电平；当无磁场作用时三极管截止，输出为高电平。在滑盖手机中，霍尔传感器件在上盖对应的方向有一个磁铁，用磁铁来控制霍尔传感器传感信号的输出，当合上滑盖的时候，霍尔传感器输出低电平做为中断信号到CPU，强制手机退出正在运行的程序（例如正在通话的电话），并且锁定键盘、关闭LCD背景灯，当打开滑盖的时候，霍尔传感器输出1.8V高电平，手机解锁、背景灯发光、接通正在打入的电话。在翻盖或滑盖手机中霍尔传感器也比较容易找，它的位置一般在磁铁对应的主板的正面或反面，只要找到磁铁就一定能找到霍尔传感器。直板手机中没有这个电路。当磁铁靠近霍尔传感器的时候输出低电平0V，当磁铁离开的时候输出高电平1.8V。供电电

6、压NOKIA N73滑盖手机的霍尔传感器电路2、重力感应器手机重力感应技术：利用压电效应实现，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。手机重力感应指的是手机内置重力摇杆芯片，支持摇晃切换所需的界面和功能，甩歌甩屏，翻转静音，甩动切换视频等，重力感应器说的简单点就是，你本来把手机拿在手里是竖着的，你将它转90度，横过来，它的页面就跟随你的重心自动反应过来，也就是说页面也转了90度，极具人性化。现在基本上智能手机都有内置重力感应器，甚至有些非智能手机也

7、有内置3、 加速度传感器加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。因此其的范围比重力感应器要大，但是一般在手机被提到的加速度感应器时，其实就是指重力感应器，因此两者可以看做是等价的。l线性加速度传感器是加速度传感器减去重力影响获取的数据。单位是m/s2，坐标系统与加速度传感器相同。 加速度传感器、重力传感器和线性加速度传感器的计算公式如下： 加速度 = 重力 + 线性加速度 4、方向感应器手机方向传感器是指，安装在手机上用以检测手机本身处于何种方向状态的部件，而不是通常理解的指

8、南针的功能。手机方向检测功能可以检测手机处于正竖、倒竖、左横、右横，仰、俯状态。具有方向检测功能的手机具有使用更方便、更具人性化的特点。例如，手机旋转后，屏幕图像可以自动跟着旋转并切换长宽比例，文字或菜单也可以同时旋转，使你阅读方便;听MP3时。可能会有人说：这个跟那个重力感应器是一样的？这个两者是不一样的，方向感应器或者叫应用角速度传感器比较合适，一般手机的上的方向感应器是感应水平面上的方位角、旋转角和倾斜角的。这个如果你可能觉得有点理论的话，举个例子吧。有方向感应器的能很好的玩都市赛车游戏。而只有重力感应器也能玩，但是恩，很令人纠结。5、三轴陀螺仪三轴陀螺仪：即同时测定6个方向的位置，移动

9、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。对于激光陀螺则更多应用于军事方面，我们暂且不做讨论。不过我们可以看出iPhone4应用的三轴陀螺仪是较为先进的。如果说，重力感应器所能测的是直线的，方面感应器所测的是平面得，那么三轴陀螺仪所测的方向和位置则是立体的。特别是玩一些像彩虹六号，那种第一人称射击游戏，你会发现三轴陀螺仪的效果是很明显的。6、距离传感器距离传感器是利用测时间来实现测距离的原理，以检测物体的距离的一种传感器。工作原理：通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从

10、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。这个传感器在手机上的作用是当我们打电话时，手机屏幕会自动熄灭，当你脸离开，屏幕灯会自动开启，并且自动解锁。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。7、光线传感器（感应器） 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。就是在光线强的地方手机会自动关掉键盘灯，并且稍微加强屏幕亮度，达到节电并更好观看屏幕的效果，在光线暗的地方自动打开键盘灯。可以到工具设置中调节关掉。这个传感器也主要起到节省手机电力的作用，毕竟现在的智能手机的待机时间都很令人头痛，能节省就节省吧。

11、光敏电阻属半导体光敏器件，除具灵敏度高，反应速度快，光谱特性及r值一致性好等特点外，在高温，多湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，可广泛应用于照相机，太阳能庭院灯，草坪灯，验钞机，石英钟，音乐杯，礼品盒，迷你小夜灯，光声控开关，路灯自动开关以及各种光控玩具，光控灯饰，灯具等光自动开关控制领域，应用极为广泛，在手机上的应用具体为根据室内或者室外光线强度而自动调节屏幕的亮度，使用户在强光之下可以看清屏幕内容以及弱光之下不刺眼。 光敏电阻调光电路如上图是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周围光线变弱时引起光敏电阻的阻值增加，使加在电容C上的分压上升，进而使可控硅的导通角增大，达到增大

12、照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则RG的阻值下降，导致可控硅的导通角变小，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。上述电路中整流桥给出的是必须是直流脉动电压，不能将其用电容滤波变成平滑直流电压，否则电路将无法正常工作。原因在于直流脉动电压既能给可控硅提供过零关断的基本条件，又可使电容C的充电在每个半周从零开始，准确完成对可控硅的同步移相触发。8、图像传感器图像传感器，是组成数字摄像头的重要组成部分。根据元件的不同，可分为CCD（Charge Coupled Device，电荷耦合元件）和CMOS（Complementary Metal-Oxide Semi

13、conductor，金属氧化物半导体元件）两大类。CCD(Charge Coupled Device)，即“电荷耦合器件”，以百万像素为单位。数码相机规格中的多少百万像素，指的就是CCD的分辨率。CCD是一种感光半导体芯片，用于捕捉图形，广泛运用于扫描仪、复印机以及无胶片相机等设备。CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)，即“互补金属氧化物半导体”。CMOS传感器便于大规模生产，且速度快，成本较低，是数码相机关键器件的发展方向之一。下图是MTK芯片组手机的摄像头电路，当手机进入拍照或摄像状态时，电源会分别提供2.8V和1.8V供电电压给摄像头

14、组件接口的2脚和19脚，同时CPU送出复位信号到摄像头组件接口的4脚使摄像头复位，I2C总线信号送到摄像头组件接口的9脚、10脚，摄像头的控制信号分别送到摄像头组件接口的3脚、5脚、6脚、7脚、8脚。此时摄像头组件进入工作状态，摄像头捕捉的景物在图像传感器上转化成电信号后，经过摄像头组件U500的11脚18脚数据通信接口，送至CPU MT6225内部，在CPU内部的数字信号处理器中处理后，送至LCD显示出摄像头捕捉的景物。摄像头数据信号，一般有8-10个。手机摄像头模块的2.8V供电电压。手机摄像头接口手机摄像头模块的1.8V供电电压。摄像头的控制信号。手机的摄像头组件。MTK芯片组手机的摄像

15、头电路9、 电子罗盘，也叫方位感应器（传感器）电子罗盘，也叫数字指南针，是利用地磁场来定北极的一种方法。古代称为罗经，现代利用先进加工工艺生产的磁阻传感器为罗盘的数字化提供了有力的帮助。现在一般有用磁阻传感器和磁通门加工而成的电子罗盘。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。10、磁力传感器简称为M-sensor，返回x、y、z三轴的环境磁场数据。该数值的单位是微特斯拉（micro-Tesla），用uT表

16、示。单位也可以是高斯（Gauss），1Tesla=10000Gauss。磁力计工作原理在LSM303DLH中磁力计采用各向异性磁致电阻（Anisotropic Magneto-Resistance）材料来检测空间中磁感应强度的大小。这种具有晶体结构的合金材料对外界的磁场很敏感，磁场的强弱变化会导致AMR自身电阻值发生变化。在制造过程中，将一个强磁场加在AMR上使其在某一方向上磁化，建立起一个主磁域，与主磁域垂直的轴被称为该AMR的敏感轴，如图3所示。为了使测量结果以线性的方式变化，AMR材料上的金属导线呈45角倾斜排列，电流从这些导线上流过，如图4所示。由初始的强磁场在AMR材料上建立起来的主

17、磁域和电流的方向有45的夹角。当有外界磁场Ha时，AMR上主磁域方向就会发生变化而不再是初始的方向了，那么磁场方向和电流的夹角也会发生变化，如图5所示。对于AMR材料来说，角的变化会引起AMR自身阻值的变化，并且呈线性关系，如图6所示。图5磁场方向和电流方向的夹角图6-R特性曲线ST利用惠斯通电桥检测AMR阻值的变化，如图7所示。R1/R2/R3/R4是初始状态相同的AMR电阻，但是R1/R2和R3/R4具有相反的磁化特性。当检测到外界磁场的时候，R1/R2阻值增加R；而R3/R4减少R。这样在没有外界磁场的情况下，电桥的输出为零；而在有外界磁场时电桥的输出为一个微小的电压V。图7惠斯通电桥当

18、R1=R2=R3=R4=R，在外界磁场的作用下电阻变化为R时，电桥输出V正比于R。这就是磁力计的工作原理。四、 手机距离传感器距离感应器又叫位移传感器，距离感应器一般都在手机听筒的两侧或者是在手机听筒凹槽中，这样便于它的工作。当用户在接听或拨打电话时，将手机靠近头部，距离感应器可以测出之间的距离到了一定程度后便通知屏幕背景灯熄灭，拿开时再度点亮背景灯，这样更方便用户操作也更为节省电量。原理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。 分类光学式位移传感器（智能传

19、感器ZX-L-N系列等） 概要 光源发出的光通过透镜进行聚光，并照射到物体上。 物体发出的反射光通过受光透镜集中到一维的位置检测元件（PSD）上。如果物体的位置（距离测定器的距离）发生变化，PSD上成像位置将不同；如果PSD的两个输出平衡发生变化，PSD上的成像位置将不同，PSD的两个输出平衡会再次发生变化。 如果将这两个输出作为A、B，计算A/（AB），并加上适当的拉线系数k和残留误差C，可求得公式如下: 测得的值不是照度（亮度），而是A、B两个输出的位移量，因此即使与测定对象物之间的距离发生变化，受光光量发生变化也不会受影响，可以得到与距离的差、位置的偏移成比例的线性输出。 PSD方式与C

20、CD(CMOS)方式 PSD方式的原理特长： 将对象物上的光点光束投影到受光元件上时的重心位置换算为距离 CCD(CMOS)方式的原理特长： 分别检测对象物上的光点光束投影到受光元件上时的CCD(CMOS)的各像素的光量，并换算为距离。 CMOS与CCD的差异CCD是指Charge Coupled Device（电荷传输元件）的略称，而CMOS则是Complementary Metal Oxide Semi-conductor（互补性金属氧化半导体）的略称。CCD是根据动作原理而命名的，CMOS则是根据构造而命名的。 CMOS图像传感器CCD图像传感器读取方式分别读取每个像素的信号，进行扩大。

21、用存储继电器方式分别读取每个像素信号，最后进行扩大。优点消耗功率小。容易高速化。能使运算电路等一体化。画质好。实际使用长。缺点需要设法控制每个像素的分散。灵敏度约为CCD的1/5。消耗功率大。（高速化困难）。生产过程复杂。（成本高）应用如不使用CMOS，则难以进行物体识别、动态物体检测、距离传感器、超高速摄像和累积时间适应。图像压缩、累积时间适应和大型动态范围摄像是CMOS的擅长领域。静止画面百万像素N图像读入。 正反射方式和扩散反射方式 正反射方式扩散反射方式直接接受来自物体的正反射光的方式，对金属等表面有光泽的检测体也能稳定测量。投光光束面对测定面垂直投光，并接受反射光中的扩散反射光的方式

22、，可以扩大测定范围。 线性接近传感器（智能传感器ZX-E系列等） 线圈中如通过交流电，则会产生磁通，如通过金属对象物，则会在对象物中产生一种涡电流，发出磁通，防止这种变化。 其结果将使线圈的感应发生变化。 这种感应的变化量是线圈与对象物之间距离的函数，作为结果，能测量对象物的距离位移。 超声波位移传感器 由送波器向对象物发送超声波，通过受波器来接收其反射波。通过计算超声波从发送到接收为止所需的时间与音速之间的关系，来计算距离的方式。 位移传感器术语解说 分辨率 在测定对象物静止时，以距离来换算线性输出的摆动幅度，区别在数字输出时数据偏差的幅度和分辨率，称为重复精度。 直线性（线性） 线性输出相

23、对于理想直线的误差。 通常将其与整个测定范围（Full Scale：FS）相比，以百分比的形式来表示，如1FS。 温度特性 对应环境温度变化的线性输出变动量。 通常将其与整个测定范围（Full Scale：FS）相比，以FS/的形式来表现。 例）0.03FS/（FS20mm） 响应时间 物体的位移和宽度是在步进变化时的线性输出。为了使模拟输出在1090内变化，以响应时间来表现所需的时间。 希望正确测定位移时，请推迟响应时间的设定。 （这时响应性降低） 希望得到快速响应性时，请加快响应时间的设定。 （这时分辨率降低） 五 手机传感器未来展望 未来的智能手机还会不断的继续向前发展，并且与各类传感器

24、结合的结合也将更加紧密。传感器的出现让人们和电子设备的互动更加真实，更加有乐趣。同时，我们也期待人与智能手机操的互动能够更加多元化，利用传感器实现更多人性的功能与应用，就像在很多科幻电影中展现的未来时代一样，更加完美的人机互动方式将绝对离不开这小小的传感器。1.手机无线充电器：现在几乎所有的无线充电均无法拜托底座而进行真正的隔空充电，不过相较于传统的线冲方式，在来电话的时候，回信息的时候会便捷很多，不会被数据线而不断的困扰。而如果开发出适合无线充电外设，可以让手机方便的在诸如抱枕、音响等设备随时随地充电。狭义的无线供电在具体实现的时候又分成两种方式，一种通过电磁感应原理实现（还记得中学物理课本

25、里的特斯拉线圈么？XP），我们现在已经可以在智能手机等小型电器上实现的无线充电，电磁感应实现无线充电的感应距离小，传输功率有限，转化效率低，但是相对容易实现，目前Qi标准的无线充电技术就属于这一类；另一种则根据磁共振原理，理论上可以实现远距离和大功率的电能传输，并且安全无辐射，不过目前仍在实验室研发阶段，上需要更多技术突破，实现商业化有待时日。 电磁感应供电（左一）与磁共振供电（中/右）对比，后者更具优势诺基亚谷歌LG等厂商在今年下半年如雨推出支持Qi标准无线充电的产品一下子传进人们的视线，那么Qi无线充电技术到底是何方神圣呢？Qi无线充电技术Qi这种奇怪的字母组合出现在英文中算是比较罕见，而

26、这个Qi原来也只是一枚汉语拼音，笔者回译时才发现老外借用了中文“气”的发音，并且以“气”来表示无线充电系统也自有一番准确性和文艺范，所以下文开始使用“气系统”来表示Qi标准的无线充电系统。 简单而言气系统是一个通过电磁感应进行近距离电能传输的系统。如同已经曝光的Lumia 920/820充电底座那样，这个系统包括一个内置线圈的充电板，另外接受电能的那一方也需要内置特定规格的线圈，在充电过程中充电板和电器之间有双向无线信号的传输，数据量约为2kb/s（所以之前电磁炉给Lumia 920充电只是表象而已）。 Qi系统原理气系统分为低功率和中功率（诶？没有高功率XP）两个版本，低功率仅能达到至多5瓦

27、特的电力传输速率，中功率则可以达到120瓦特。无论何种功率版本，气系统的传输距离都比较有限，最多不能超过40mm也就是大约4cm（1.6英寸）的距离。气系统最初是由无线充电联盟(Wireless Power Consortium)最早于2009年8月提出，首个标准就是低功率版本，中功率标准在2011年提出。2.手机体温测试机：手机每个人都会随身携带，而随身带着体温计是很不方便的，如果手机有测体温的功能可以带来诸多便利。ZTP135SR型红外温度传感器是一种专门用于非接触式测量体温的器件。是通过对人体自身辐射红外能量的测量便能准确地测定人体表面温度。由于该波长范围内的光线不被空气所吸收，因而也可

28、利用人体辐射的红外能量精确地测量人体表面温度。所以非常适合应用在智能手机中更方便地、更健康地去关心我们的身体。3.手机检测心电图，上海交大医学院开发完成全国首个无线远程心电监控技术服务平台，专家们将这一系统称为便携式心电监护仪,由心电采集盒、装有特殊传输软件的智能手机和一台供医生接收心电图的远程终端构成。从心电采集盒延伸出的5根电极分别贴在患者身体的相应部位上。启动开关后，心电采集盒就开始工作，人的电生理信号转化为数字信号。这个采集盒上还配有蓝牙系统，能够即时将数字信号转入手机，由手机完成远程传输工作。当采集盒发现监护对象的心脏发生异常波动，如心跳突然加快时，就会自动采集信息并发送。24小时守候在终端的医生们能及时察看这些心电图，并在3分钟内用手机短消息回复监护对象诊断结果和医嘱。如果遇到病情严重，监护中心还会立即与用户家属取得联系。 4.其他：医疗方面：还可以发展用来检测血压、血糖、胆固醇等健康指标，并通过互联网访问在线信息库来查看相关的健康计划，并且可以通过医院和医生来咨询健康改善信息的传感器。环境方面：也可以发展成通过手机传感器检测环境温度，湿度，有害气体。还有在其他方面的发展也是不可估量的。第 19 页