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智能手机中传感器的应用-机制111-李家星

发布时间:2019-06-29 17:49 来源:未知 编辑:admin

  智能手机中传感器的应用-机制111-李家星_工学_高等教育_教育专区。传感器课程设计

  题目:智能手机中传感器的应用 学 专 班 学 院:机械工程学院 业:机械制造及其自动化 级:机制 111 号:1108030387 学生姓名:李家星 指导教师:冯治国 2013 年 12 月 1 日 一:智能手机发展应用以及相关传感器发展 世界上公认的第一部智能手机 IBM Simon(西蒙 个人通讯设备)诞生于 1993 年,它由 IBM 与 BellSouth 合作制造。西蒙于 1992 年的拉斯维加斯 COMDEX(通讯产业商业展览)上 首次展示出概念产品。 随着制作工艺水平不断提高, 智能手机的发展重心已经从硬件设施 的改造转移到系统以及软件的开发上来。智能手机除了具备手机的通话功能外,还具备了 PDA 的大部分功能,特别是个人信息管理以及基于无线数据通信的浏览器,GPS 和电子邮件 功能。智能手机为用户提供了足够的屏幕尺寸和带宽,既方便随身携带,又为软件运行和内 容服务提供了广阔的舞台,很多增值业务可以就此展开,如:股票、新闻、天气、交通、商 品、应用程序下载、音乐图片下载等等。结合 3G 通信网络的支持,智能手机的发展趋势, 势必将成为一个功能强大,集通话、短信、网络接入、影视娱乐为一体的综合性个人手持终 端设备 在智能手机的带动下,以陀螺仪、加速计、压力传感器为代表的传感器得到了快速的发 展, 而随着应用种类的不断丰富和功能的提高, 一台移动终端设备上需要的传感器感测功能 越来越多。 这使得传感器所能处理的应用场景, 远远要高于消费者单独把手机当成一个通信 工具,或者当成一个媒体娱乐工具要更复杂。主要运用领域有以下几个: (1)社交网络:移动互联时代的到来,智能手机的流行已成为手机市场的一大趋势。 这类移动智能终端的出现改变了很多人的生活方式及对传统通讯工具的需求, 人们不再满足 于手机的外观和基本功能的使用,而开始追求手机强大的操作系统给人们带来更多、更强、 更具个性的社交化服务。智能手机也几乎成了这个时代不可或缺的代表配置。如今,越来越 多的消费者已经将购机目标定位在智能手机身上。 与传统功能手机相比, 智能手机以其便携、 智能等的特点,使其在娱乐、商务、时讯及服务等应用功能上能更好的满足消费者对移动互 联的体验。 (2)军事领域:其一,通过 3G、4G 等无线通讯系统,智能手机能迅速建立起军用通讯 网络, 实现作战指令、 情报传输。 作战人员可利用智能手机对重点目标及周围环境进行拍照、 摄像, 并自动搭配 GPS 信息上传给作战单元或指挥部, 后者可据此迅速进行巡航导弹目标区 匹配制导,进一步缩短从发现目标到打击目标的时间,提高作战效能。其二,手机上的部分 软件,可以精确测算风速、重力、地球转速等微小因素对弹道的影响,修正射击诸元,提高 射击精度。2009 年 8 月,驻阿富汗英军在 1853 米距离击毙一名指挥官,创英军最远 狙杀记录,枪上配套的 iphone 手机功不可没。美国一家公司也为 M110 狙击步枪配置了 iphone 智能手机,通过在机上安装“苹果播放器”系统和相关软件实现上述功能。其三, 通过智能手机无线信号, 可对自己发射的微型无人机和机器人进行遥控, 也可接管其它无人 机和机器人,完成侦察、监视任务。法国某公司开发的一款微型无人机,通过智能手机便可 实时观看显示屏上无人机拍摄的视频图像。 (3)当然,智能手机大规模装备部队也面临诸多问题:战场适应性不够强,尚不能完 全适应高温、严寒、潮湿、沙尘等恶劣战场环境;保密性不够高,容易受到黑客入侵,造成 情报失泄密;稳定性不够好,抗干扰能力有待提高。针对这些问题,外军根据作战需要,充 分利用已有技术改造民用智能手机,大力推进智能手机装备部队的步伐。 (4)美国陆、海、空三军都制定了各自的军用智能手机发展计划,在陆军已经取得明 显成效。2011 年 2 月,美国陆军实施了“旅级部队现代化项目”,其中一项重要内容便是 为一线部队配备智能手机。可以预见,智能手机不久将会作为美军士兵标准配置,出现在战 场上。 二:智能手机运用的传感器技术 2-1.智能手机 10 个常见传感器: (1)方向传感器。 (2)距离传感器。 (3)陀螺仪传感器。 (4)电子罗盘。 (5)重力传感器。 (6)磁力传感器。 (7)光线)线)旋转矢量传感器。 (10)压力传感器。 2-2 手机距离传感器原理。 其原理是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。 手机使用的距离传感器是利用测时间来实现距离测量的 一种传感器. 红外脉冲传感器(核心部件)通过发射特别短的光脉冲,并测量此光脉冲从发 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。下图为苹果 4s 距离传 感 器 转 换 电 路 图 参 考 图 样 。 (1)光学式位移传感器(智能传感器 ZX-L-N 系列等) 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/(A+B),并加上 适当的拉线系数‘k’和残留误差‘C’,可求得公式为: 位移量=A/(A+B)+K+C。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)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。 (3)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。 (4)距离传感器的应用:用于手机上:当接通电话时,如果挡住距离传感器(在辅助摄像 头和光线感应器之间的不明显的小长方形)的话,屏幕会变黑。也就是在你接电话时,屏幕 会变黑,节约电。 5230 上也有这个,接打电话时,感应器贴近皮肤,触摸屏就无效了,是 为了防止误操作, 因为是触摸屏幕, 还是很有用的。 这里以 N97mini 为例子说下作用: N97mini 是触屏,所以在你接电话的 时候距离传感器会起作用,当你脸靠近屏幕,屏幕灯会熄灭,并自动锁屏,可以防止你的脸 误操作,当你脸离开,屏幕灯会自动开启,并且自动解锁。 2-3 手机线性加速度传感器。 加速度传感器的应用可应用在控制,手柄振动和摇晃,仪器仪表,汽车制动启动检测,地震 检测,报警系统,玩具,结构物、环境监视,工程测振、地质勘探、铁路、桥梁、大坝的振 动测试与分析;鼠标,高层建筑结构动态特性和安全保卫振动侦察上。 (1)压电式 压电式传感器是利用弹簧质量系统原理。 敏感芯体质量受振动加速度作用后产生一个与加速 度成正比的力, 压电材料受此力作用后沿其表面形成与这一力成正比的电荷信号。 压电式加 速度传感器具有动态范围大、频率范围宽、坚固耐用、受外界干扰小以及压电材料受力自产 生电荷信号不需要任何外界电源等特点, 是被最为广泛使用的振动测量传感器, 与压阻和电 容式相比,其最大的缺点是压电式加速度传感器不能测量零频率的信号。 (2)压阻式 应变压阻式加速度传感器的敏感芯体为半导体材料制成电阻测量电桥, 其结构动态模型仍然 是弹簧质量系统。在灵敏度和量程方面,从低灵敏度高量程的冲击测量,到直流高灵敏度的 低频测量都有压阻形式的加速度传感器。 同时压阻式加速度传感器测量频率范围也可从直流 信号到具有刚度高, 测量频率范围到几十千赫兹的高频测量。 超小型化的设计也是压阻式传 感器的一个亮点。 压阻式加速度传感器的缺点是受温度的影响较大, 实用的传感器一般都需 要进行温度补偿。在价格方面,大批量使用的压阻式传感器成本价具有很大的市场竞争力, 但对特殊使用的敏感芯体制造成本将远高于压电型加速度传感器。 2-3 陀螺仪传感器 陀螺仪传感器原本是运用到直升机模型上的,已经被广泛运用于手机这类移动便携设备上 (IPHONE 的三轴陀螺仪技术)。 陀螺仪的原理就是,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在 不受外力影响时,是不会改变的。人们根据这个道理,用它来保持方向。然后用多种方法读 取轴所指示的方向, 并自动将数据信号传给控制系统。 我们骑自行车其实也是利用了这个原 理。轮子转得越快越不容易倒,因为车轴有一股保持水平的力量。现代陀螺仪可以精确地确 定运动物体的方位的仪器,它在现代航空,航海,航天和国防工业中广泛使用的一种惯性导 航仪器。 传统的惯性陀螺仪主要部分有机械式的陀螺仪, 而机械式的陀螺仪对工艺结构的要 求很高。70 年代提出了现代光纤陀螺仪的基本设想,到八十年代以后,光纤陀螺仪就得到 了非常迅速的发展,激光谐振陀螺仪也有了很大的发展。光纤陀螺仪具有结构紧凑,灵敏度 高,工作可靠。光纤陀螺仪在很多的领域已经完全取代了机械式的传统的陀螺仪,成为现代 导航仪器中的关键部件。(智能手机本身也是强大的导航仪) 上图是手机中的三轴陀螺仪简图 上图为转换电路图 三.传感器与手机系统的关系 在智能手机中,用户主动或者被动向手机传递物理信息,如晃动,旋转,远离接近,触摸, 语音等等, 此时相应传感器则根据相应动作为为系统采集信息, 而系统根据相应信息作出相 应指令,下达各软件,如有需要,如见会驱动硬件,扬声器等,以便满足用户需求。而系统 根据用户指令则可以启用或者关闭相应传感器, 例如对于加速度传感器, 用户可根据是否需 要对游戏重力操作下达指令给系统, 以控制该传感器的启用与关闭。 下面结合手机使用来举 例。 (1)距离传感器又叫位移传感器,距离传感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,距离传感器可 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。当接通电话时,如果挡住距离传感器(在辅助摄像头和光线 感应器之间的不明显的小长方形)的话,屏幕会变黑。也就是在你接电话时,屏幕会变黑, 节约电。 5230 上也有这个,接打电话时,感应器贴近皮肤,触摸屏就无效了,是为了防止 误操作,因为是触摸屏幕,还是很有用的。这里以 N97mini 为例子说下作用:N97mini 是触 屏,所以在你接电话的时候距离传感器会起作用,当你脸靠近屏幕,屏幕灯会熄灭,并自动 锁屏,可以防止你的脸误操作,当你脸离开,屏幕灯会自动开启,并且自动解锁。 (2)加速度传感器,年轻人喜欢使用手机玩游戏,例如玩“沼泽竞技”和“空中快车” (重 力感应控制游戏操作)时,你不用按键,而通过手机的倾斜或左右前后移动来完成高难度动 作,你仿佛置身游戏之中,这就是因为手机内置的加速度传感器能感知手机的物理运动。如 果喜欢经典的触屏或按键操作,可在系统中选择关闭启用该传感器。 (3)陀螺仪,可以帮助手机实现很多增强现实的功能。增强现实是近期才冒出的概念,和 虚拟现实一样,是计算机的一种应用。大意是可以通过手机或者电脑的处理能力,让人们对 现实中的一些物体有跟深入的了解。如果大家不理解,举个例子,前面有一个大楼,用手机 摄像头对准它, 马上就可以在屏幕上得到这座大楼的相关参数, 比如楼的高度, 宽度, 海拔, 如果连接到数据库,甚至可以得到这座大厦的物主、建设时间、现在的用途、可容纳的人数 等等。 这种增强现实技术可不是用来满足大家的好奇心,在实际生产上,其用途非常 广泛,比如盖房子,用手机一照,就知道墙是否砌歪了?歪了多少? 再比如,假如您是 一位伊拉克抵抗美军的战士,平时只需要揣着一部此类手机,去基地那里转转,出来什么坦 克,装甲车或者直升机,用手机对准拍下,马上就能判断出武器的型号,速度、运动方向。 还有,如果手机上安装了相应的软件,其导航能力绝不亚于目前很多船舶、飞机上用的导航 仪。当然,目前市面上很大部分手机没有配备该传感器,一般资金投入较多的品牌的手机会 配备该传感器。目前,手机传感器趋于微型化、高精度、高可靠性、低功耗、智能化、数字 化发展。这不仅促进了智能手机的发展,而且可导致建立新型工业,是 21 世纪新的经济增 长点。 四.对传感器技术的认识 4-1.传感器定义: 传感器是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受(或响应)与检出功 能, 并使之按照一定规律转换成与之对应的可输出信号的元器件或装置的总称。 传感器一般 被认为由敏感 元件、转换元件、测量电路三部分组成,有时还需外加辅助电源[2] 。传感 器可以直接接触被测对象,也可以不接触。通常对传感器设定了许多技术要求,有一些是对 所有类型传感器都适用的, 也有只对特定类型传感器适用的特殊要求。 针对传感器的工作原 理和结构在不同场合均需要的基本要求是: 高灵敏度、抗干扰的稳定性、线性、容易调节、 高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长、可重复性、抗老化、高响应速率、抗环境影响、 互换性、低成本、 宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作范围等 4-2.传感器技术:是涉及传感(检测)原理、传感器设计、传感器开发和应用的综合技术。 4-3.传感器技术的发展趋势: 传感器技术发展趋势可以从以下几方面来看。 一是开发新材料、 新工艺和开发新型传感器;二是实现传感器的多功能、高精度、集成化和智能化;三是通过 传感器与其它学科的交叉整合,实现无线)新材料开发,传感器材料是传感器技术的重要基础,由于材料科学的进步,使传感器 技术越来越成熟,传感器种类越来越多。例如采用纳米材料制作的传感器具有庞大的界面, 提供大量的气体通道,导通电阻很小,有利于传感器向微型化发展。 (2)多功能集成传感器,在一块集成传感器上可以同时测量多个被测量称为多功能集成传 感器。例如最近国内已经研制硅压阻式复合传感器,可以同时测量温度和压力等。 (3)集成化技术 ,集成温度传感器、集成压力传感器等早已被使用,今后将有更多集成传 感器被开发出来。 (4)智能化传感器,智能化传感器是一种带微处理器的传感器。兼有检测判断和信息处理 功能,智能化传感器是传感技术未来发展的主要方向。 (5)加工技术微精细化,随着传感器产品质量档次的提升,加工技术的微精细化在传感器 的生产中占有越来越重要的地位。微机械加工技术是近年来随着集成电路工艺发展起来的, 它是离子束、电子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术,目前已越来越多地用于 传感器制造工艺。 (6)多学科交叉融合。

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