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.
Наличие множества датчиков в современных мобильных устройствах, это известный факт, но вот сколько их и для чего эти датчики применяются – загадка. Многие производители указывают только основные общеизвестные датчики в телефонах , вроде акселерометра , гироскопа и датчика приближения . Но подавляющее большинство производителей вообще мало что пишут об использованных датчиках и другой электроники, которой напичкан их девайс.
Мы решили разъяснить ситуацию с датчиками смартфонов и планшетов. Цель статьи – рассказать, какие бывают датчики, для чего они служат, в каких устройствах их можно найти и каким образом.
Датчиками называются различные устройства, считывающие дополнительную информацию. Данные решения делают работу с телефоном, планшетом или другим гаджетом удобнее и добавляют устройству функциональности.
Наличие множества датчиков в современных мобильных устройствах, это известный факт, но вот сколько их и для чего эти датчики применяются – загадка. Многие производители указывают только основные общеизвестные датчики, вроде акселерометра, гироскопа и датчика приближения. Но подавляющее большинство производителей вообще мало что пишут об использованных датчиках и другой электроники, которой напичкан их девайс.
Мы решили разъяснить ситуацию с датчиками смартфонов и планшетов. Цель статьи – рассказать, какие бывают датчики, для чего они служат, в каких устройствах их можно найти и каким образом.
Основные датчики в смартфонах и планшетах
Акселерометр
(accelerometer, датчик ориентации, датчик ускорения) – самый простой датчик, который встречается в любом смартфоне или планшете. Служит, в основном, для регистрации поворота смартфона из портретной ориентации в ландшафтную. Часто, именно акселерометр называют G-Sensor. Вообще, акселерометр регистрирует разницу ускорения объекта и гравитационного ускорения по трём осям. Затем электроника вычисляет разницу, делает выводы и отправляет сигнал программному обеспечению - когда и в какую сторону повернуть экран. Отсюда вытекает главный недостаток акселерометра – если нет ускорения или оно не велико, то акселерометр перестает регистрировать положение устройства в пространстве или делает это с большой погрешностью. Это негативно сказывается на точности управления устройством, к примеру, в играх или при управлении квадрокоптером. Здесь на помощь приходит следующий датчик.
Гироскоп
(gyroscope) – также служит для регистрации положения устройства в пространстве, но, в отличие от акселерометра, может регистрировать угол наклона по трем осям даже неподвижного устройства. С помощью гироскопа в играх повышается точность, поскольку разработчикам будет доступна информация об отклонении устройства в градусах с погрешностью всего в 1-2 градуса. Многие считают, что даже недорогие смартфоны и планшеты оснащены гироскопом. Однако наш эксперимент показал, что недорогие смартфоны и планшеты не могут похвастаться наличием гироскопа – только акселерометр. Вот несколько смартфонов и планшетов, где гироскоп обнаружить не удалось:Гироскоп мы также не обнаружили в ,
А вот, где есть пресловутый датчик:
Гироскоп мы также обнаружили в , . И не стоит сомневаться, что гироскоп и солидный набор других датчиков содержится в ТОПовых решениях вроде , и других лучших современных смартфонах.
Удивительно, но в LG G4S и Asus FonePad 8 (про который мы уже писали - ) гироскопа в списке датчиков не видно, зато полно вспомогательных сенсоров:
Справедливости ради, нужно отметить, что вспомогательные датчики, рассмотренные нами в самом конце статьи, могут нивелировать отсутствие гироскопического датчика, но, мы полагаем, не полностью.
Геомагнитный датчик
(geomagnetic field sensor, магнитометр) – датчик, реагирующий на магнитные поля земли. С его помощью можно определить стороны света, поэтому часто его называют электронный компас. В частности, наличие такого датчика сильно поможет устройствам без модуля GPS определить местоположение (не без помощи WiFi и вышек сотовой связи, разумеется). Магнитометр – один из ключевых датчиков, который совместно с акселерометром и гироскопом даёт возможность разработчикам использовать устройство на полную мощность. Иногда, для еще большего повышения точности, добавляют дополнительные аппаратные датчики схожей, но упрощенной функциональности вроде Geomagnetic Rotation vector sensor. Естественно, магнетометр можно использовать по прямому назначению: в качестве металлоискателя, для поиска проводки в стенах, в качестве компаса - ищите в магазинах приложений нужное.
Некоторые приложения для смартфонов, использующие геомагнитный датчик
Датчик приближения
(proximity sensor) – датчик позволяет определить предмет перед собой и расстояние до него. Представляет собой инфракрасный излучатель и приёмник. Когда на приемник не поступает излучения – предмета нет, а когда поступает – предмет, от которого отражается луч, есть. Этот датчик даёт возможность отключить дисплей, когда вы приблизили ухо к смартфону для совершения звонка. Продвинутые версии датчика используются в качестве датчика жестов (gesture sensor) – смартфон может распознать определенные жесты рук и совершить заданное действие. В некоторых случаях, датчик приближения может быть использован для отключения дисплея при использовании чехла (дешёвая альтернатива датчику Холла).Датчик освещенности
(light sensor, датчик света) – позволяет вычислить уровень внешней освещенности. Смартфон или планшет с датчиком освещенности способен самостоятельно повышать или снижать уровень яркости подсветки экрана, что очень удобно, поскольку регулировать яркости по нескольку раз в день не самое приятное занятие. В ТОПовых смартфонах и планшетах, может применяться продвинутая версия датчика освещенности – RGB сенсор, который способен уловить интенсивность основных цветов (красный, зеленый и синий) для дальнейшей настройки картинки на дисплее или для корректировки баланса для фотографирования. Такой датчик можно найти в Galaxy Note 3, например. А в Galaxy Note 4 функционал датчика света расширился до измерения не только в видимом диапазоне, ни в ультрафиолете. Таким ультрафиолетовым сенсором можно измерить уровень излучения и определить пригодное для загара время суток.
Заключение по основным датчикам
Итак, наличие у смартфона или планшета исключительно акселерометра говорит о том, что это устройство самого низкого ценового диапазона и умеет только «вращать экран». Это удел дешевых смартфонов и планшетов. Конечно, есть вероятность, что производитель не дал вменяемой информации о типах используемых датчиков – в этом случае нужно начинать читать обзоры, в которых подробно изучается аппаратная начинка устройства с помощью приложения System Info for Android, к примеру.
Наличие у смартфона акселерометра, геомагнитного датчика, датчика приближения и освещенности, говорит о его достаточной оснащенности, но он все еще не очень хорош для управления квадракоптером или игр, где управление наклоном/поворотом возложено на перемещение смартфона пользователем. Эту проблему решает гироскоп – устройства с гироскопом точно отслеживают малейшие отклонения.
Наличие всех вышеперечисленных сенсоров, большого набора вспомогательных датчиков (рассмотрены в конце статьи) и большинства нижеперечисленных сенсоров свидетельствует в пользу того, что перед вами продвинутый аппарат, использование которого станет удовольствием, а его возможности превзойдут все ваши ожидания – это лучшие планшеты и смартфоны.
Датчики в дорогих смартфонах и планшетах
Датчик Холла
(Hall sensor) – улавливает магнитное поле, как магнитометр, но имеет простой принцип действия, то есть реагирует только на усиления поля, а не регистрирует напряженность по осям. Применяется для использования обложек типа Smart Cover – позволяет отключать экран при приближении к нему встроенного в обложку магнита. Этот сенсор указывается производителями редко, поэтому обращайте внимание на доступные аксессуары для смартфона или планшета – если среди них есть «умный чехол», то датчик Холла присутствует.
Барометр
(pressure sensor) – датчик, измеряющий атмосферное давление. Может применяться как по прямому назначению, так и в качестве помощника модулям GPS/ГЛОНАСС для ускорения определения местоположения устройства и высоты над уровнем моря (альтиметр).
Термометр
(ambient temperature sensor) – датчик температуры окружающей среды. Впервые появился у Galaxy S4 для улучшения работы приложения S-Health, но теперь применяется во множестве других дорогих смартфонов.Датчик влажности
(гигрометр) – также впервые появился в Galaxy S4 в качестве расширения функционала S-Health.
Шагомер
(педометр, step detector) – говорящее название сенсора намекает, что он определяет шагнул человек или нет. Это действительно отдельный сенсор, позволяющий точнее определить шаги и уменьшить нагрузку на акселерометр, который является шагомером в большинстве смартфонов без выделенного сенсора. В помощь шагомеру иногда добавляются Step Counter sensor и, даже, pedestrian activity motion sensor – счетчик шагов и датчик активности пешехода (вероятно, оценивает темп ходьбы). Такой датчик есть, например, в LG Nexus 5 и Galaxy Note 3.
Сканер отпечатков пальцев
(fingerprint sensor, Touch ID) – сенсор, считывающий уникальный рисунок отпечатка пальца. Странно видеть сканер отпечатков в статье про датчики – его лучше было бы отнести к разделу статьи про обеспечение безопасности устройства. Однако этот сенсор по праву может считаться одним из важнейших датчиков современного смартфона. С его помощью можно не только обезопасить свой смартфон, но также применять для открытия определенных приложений или подтверждения платежа.
Сканер сетчатки глаза
(retina scanner) – считыватель уникальной сетчатки глаза, это первое место пьедестала обеспечения безопасности. Такой датчик уже давно на слуху, но его практической реализации в смартфонах или планшетах, пока что, замечено не было.
Датчик сердцебиения
(измеритель пульса, пульсометр) – впервые появился в Galaxy S5 для того, чтобы смартфон окончательно стал полноценным персональным тренером. Приложение S-Health стало получать больше данных о человеке до, во время и после тренировок и смогло давать более точные персональные рекомендации.
Дозиметр
- определяет дозу ионизирующего излучения или его мощность. Иными словами, можно измерить радиоактивный фон. Вживую, аппарат со встроенным дозиметром мы не встречали, но поговаривают, что в Японии есть смартфон Pantone 5, оснащенный этим датчиком. Мы не удивлены.
Вспомогательные датчики, которые можно встретить во многих смартфонах и планшетах
Иногда, для еще большего повышения точности, добавляют дополнительные аппаратные датчики схожей, но упрощенной функциональности (вы могли видеть их на представленных выше скриншотах).
Наверняка существуют и другие датчики, но секреты их применения все равно знают только разработчики операционных систем и другого программного обеспечения.
Современные телефоны сильно схожи с компьютерами - они устроены по общему принципу: материнская плата, процессор, видеоадаптер оперативная память.
Но главным отличием являются многочисленные датчики, без которых не обходится ни один смартфон: акселерометр, гироскоп, барометр, датчики температуры, освещённости приближения и т.д. Все они упрощают пользование телефоном и делают его умнее. Сегодня расскажем об особенностях и назначении магнитного датчика в современных смартфонах.
Зачем нужен магнитный датчик?
Этот датчик также принято называть . Эффект Холла был открыт почти 150 лет назад, но активно используется в разной технике по сегодняшний день. Датчик Холла обнаруживает магнитное поле, благодаря чему может определить положение смартфона в пространстве. Так, смартфон - достаточно скачать специальное приложение из Google Play (просто сделайте поиск по запросу «компас»).
В половине прошлого столетия датчик Холла использовали в автомобилях - это стало первым шагом внедрения таких технологий в быт человека. Далее разработку стали использовать в других сферах, включая мобильные технологии.
Магнитный датчик удобен вкупе с чехлом на магнитной застежке/защелке. За счёт этого можно сэкономить время, так как экран телефона будет автоматически выключаться при закрытии и включаться при открытии аксессуара. При наличии у чехла окошка незакрытое им пространство может быть активным, то есть можно будет проверять время, приложения и какие-то виджеты без открытия кейса и разблокировки смартфона. Нужно отметить, что магнит никак не вредит ни сенсору, ни другим датчикам или комплектующим телефона.
Как включить магнитный датчик на телефоне?
В большей части флагманов, выпускаемых как крупными брендами, так и более бюджетными компаниями, есть магнитный датчик. Он работает автоматически. Проверить наличие технологии можно в технических характеристиках определенного устройства или благодаря простым тестам:
- Можно сымитировать магнитный чехол, приложив к экрану телефона обыкновенный магнит. Если дисплей погаснет, значит сработал магнитный датчик.
- Скачайте приложение компаса, отключите интернет и проверьте, будет ли он работать. UPD. Нужно отметить, что в случае с компасом речь идет о более продвинутом геомагнитном датчике.
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.
