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手机、AI、VR、无人机、智能汽车等8大行业中的智能传感器是怎样运作的?
发布者:任你博娱乐 发布时间:2019-02-16 07:17

 

   

  摇动手机就可以控制赛车方向;拿着手机在操场散步,就能记录你走了几公里?这些你越来越熟悉的场景,都少不了天天伴你身旁的智能手机。而手机能完成以上任务,主要都是靠内部安装的传感器。你知道手机中的传感器有多少种?又是倚靠那些原理来运作!

  光线传感器类似于手机的眼睛。人类的眼睛能在不同光线的环境下,调整进入眼睛的光线,例如进入电影院,瞳孔会放大来让更多光线进入眼睛。而光线传感器则可以让手机感测环境光线的强度,用来调节手机屏幕的亮度。而因为屏幕通常是手机最耗电的部分,因此运用光线传感器来协助调整屏幕亮度,能进一步达到延长电池寿命的作用。光线传感器也可搭配其他传感器一同来侦测手机是否被放置在口袋中,以防止误触。

  透过红外线LED灯发射红外线,被物体反射后由红外线探测器接受,藉此判断接收到红外线的强度来判断距离,有效距离大约在10米左右。它可感知手机是否被贴在耳朵上讲电话,若是则会关闭屏幕来省电;距离传感器也可以运用在部分手机支持的手套模式中,用来解锁或锁定手机。

  iPhone 4/4s与iPhone 5/5s的距离传感器与光传感器位置

  透过压电效应来实现。重力传感器内部有一块重物与压电片整合在一起,透过正交两个方向产生的电压大小,来计算出水平的方向。运用在手机中时,可用来切换横屏与直屏方向,运用在赛车游戏中时,则可透过水平方向的感应,将数据运用在游戏里,来转动行车方向。

  作用原理与重力传感器相同,但透过三个维度来确定加速度方向,功耗小但精度低。运用在手机中可用来计步、判断手机朝向的方向。

  测量电阻变化来确定磁场强度,使用时需要摇晃手机才能准确判断,大多运用在指南针、地图导航当中。

  陀螺仪能够测量沿一个轴或几个轴动作的角速度,是补充MEMS加速度计(加速度传感器)功能的理想技术。事实上,如果结合加速度计和陀螺仪这两种传感器,系统设计人员可以跟踪并捕捉3D空间的完整动作,为终端用户提供更真实的用户体验、精确的导航系统及其他功能。手机中的「摇一摇」功能(例如摇动手机就能抽签…)、体感技术,还有VR视角的调整与侦测,都是运用到陀螺仪的作用。

  地球上方特定轨道上运行着24颗GPS卫星,它们会不停的向全世界各地广播自己的位置坐标与时间戳(timestamp,指格林威治 奔 1970年01月01日00 00分00秒到现在为止的总秒数),手机中的GPS模块透过卫星的瞬间位置来起算,以卫星发射坐标的时间戳与接收时的时间差来计算出手机与卫星之间的距离。可运用在定位、测速、测量距离与导航等用途。

  目前主流的技术是电容式指纹传感器,然而超音波指纹传感器也有逐渐流行起来趋势。电容式指纹传感器作用时,手指是电容的一极、另一极则是硅芯片数组,透过人体带有的微电场与电容传感器之间产生的微电流,指纹的波峰波谷与传感器之间的距离形成电容高低差,来描绘出指纹的图形。而超音波指纹传感器原理也类似,但不会受到汗水、油污的干扰,辨识速度也更为快速。运用在手机中可用来解锁、加密、支付等等。

  作用原理是霍尔磁电效应,当电流通过一个位于磁场中的导体时,磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的的作用力,从而在导体的两端产生电势差。主要运用在翻盖解锁、合盖锁定屏幕等功能当中,苹果的Smart cover还有多个品牌的官方手机配件,都运用了这项技术。

  将薄膜与变组器或电容连接在一起,当气压产生变化时,会导致电阻或电容数值发生变化,藉此量测气压的数据。GPS也可用来量测海拔高度但会有10米左右的误差,若是搭载气压传感器,则可以将误差校正到1米左右;也可用来辅助GPS定位,来确认所在楼层位置等信息。苹果的iPhone 6/6s系列都搭载了气压传感器。

  透过高亮度的LED灯照射手指,因心脏将血液压送到毛细血管时,亮度(红光的深度)会呈现周期性的变化。再透过摄影机捕捉这一些规律性的变化,并将数据传送到手机中进行运算,进而判断心脏的收缩频率,得出每分钟的心跳数。

  血液当中血红蛋白与氧合血红蛋白对于红光的吸收比率不同,用红外光与红光LED同时照射手指,并测量反射光的吸收光谱,藉此量测血含氧量。可用于运动或健康领域的应用。

  某些半导体、金属或金属化合物的光电发射效应,在紫外线照射下会释放出大量电子,透过检测这种放电效应可计算出紫外线强度。主要用途也在运动与健康领域。

  整体而言,前7种传感器大多是目前智能手机的标准配备,指纹传感器也有越来越普及的趋势。较后方的传感器,则多常见在智能手环以及较顶级、高端的手机中。透过这些传感器的作用,能让手机拥有高过你我想象的功能,就彷佛让手机越来越智能了,你说是吗?

  罗伯特.博世、奥地利微(AMS)、Cambridge CMOS Sensors(CCS)、Micronas、Synkera、苏州能斯达(汉威电子子公司)、武汉微纳传感科技、炜盛科技、森斯特(北京)电子科技有限公司(Nenvitech)、深圳市戴维莱传感技术开发有限公司、武汉四方光电科技有限公司、速丽德(Solidsense)、城市技术(CityTechnology)等等

  Epson Toyocom、 深迪半导体(上海)有限公司(Senodia)、水木智芯科技(北京)有限公司(TuMEMS)等等

  虚拟现实中的传感设备主要包括两部分:一部分用于人机交互而穿戴于操作者身上的立体头盔显示器、数据手套、数据衣等,另一部分是用于正确感知而设置在现实环境中的各种视觉、听觉、触觉、力觉等。

  用来检测传感器受到的加速度的大小和方向的,它通过测量组件在某个轴向的受力情况来得到结果,表现形式为轴向的加速度大小和方向(XYZ),但用来测量设备相对于地面的摆放姿势,则精确度不高,该缺陷可以通过陀螺仪得到补偿。

  工作原理是通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角,并计算角速度,通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。它的强项在于测量设备自身的旋转运动,但不能确定设备的方位。

  磁力计又刚好可以弥补上面陀螺仪的那个缺陷,它的强项在于定位设备的方位,可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角。

  用于追踪动作的传感器包括:FOV深度传感器、摄像头、陀螺仪、加速计、磁力计和近距离传感器等。当前,每家VR硬件厂商都在使用自己的技术,索尼使用PlayStation摄像头作为定位追踪器,而Vive和Oculus也在使用自己的技术。

  加速度计用于确定位置和无人机的飞行姿态。像任天堂Wii控制器或iPhone屏幕位置,这些小的MEMS传感器在维持飞行控制中起到关键的作用。MEMS加速度传感器有多种方式感知运动姿态,一种类型的技术能够感知微型集成电路的微小运动。

  另一种加速度计的技术为热对流技术,没有移动部件,而是通过一个“热气团”的位移来感知的运动变化。这类传感器灵敏度较高,在稳定车载摄像机、电影制作等应用起着至关重要的作用。

  惯性测量单元结合GPS是维持方向和飞行路径的关键。随着无人机智能化的发展,方向和路径控制是重要的空中交通管理规则。惯性测量单元采用的多轴磁传感器,在本质上都是精准度极高的小型指南针,通过感知方向将数据传输至中央处理器,从而指示方向和速度。

  倾角传感器,集成了陀螺仪和加速度计为飞行控制系统提供保持水平飞行的数据。这类传感器和陀螺仪,结合加速度计,能够测量到细微的运动变化,使得倾角传感器能够应用于移动程序,如汽车或无人驾驶飞机的陀螺仪补偿。

  空气质量的好坏,是人们最关注的一个话题。实时监测空气质量好坏,大气污染程度已经成为一个热点,当然大气监测传感器在其中就起着至关重要的作用。目前 炜盛科技的大气监测传感器已被广泛应用于城市大气环境监测、工厂厂区无组织排放污染气体监测以及环境评价监测等。可监测多种气体,包括:臭氧、一氧化碳、 二氧化硫、二氧化氮等。

  无人机上的电能消耗和使用非常重要,尤其是在电池供电的情况下。电流传感器可用于监测和优化电能消耗,确保无人机内部电池充电和电机故障检测系统的安全。电流传感器工作通过测量电流(双向),理想的情况下提供电气隔离,以减少电能损耗和消除电击损坏用户系统的机会。

  在无人机,电子罗盘提供关键性的惯性导航和方向定位系统的信息。基于各向异性磁阻(AMR)技术的传感器,较其他传感器相比有明显的地功耗优势,同时具有高精度、响应时间短等特点,非常适用于无人机的应用。

  流量传感器可以用于有效地监测电力无人机燃气发动机的微小空气流速。许多气体发动机质量流量传感器都采用热式技术,主要利用加热的元件和至少一个温度传感器来量化质量流量。MEMS热式气体质量流量传感器也在微计量范围内利用热原理及其适用于对重量要求较高的领域。

  传感器在可穿戴设备中起到至关重要的作用。因为可穿戴设备最基本的功能就是通过传感器实现运动传感。以小米手环为例,就用到了ADI的MEMS加速度和心率传感器来实现运动和心率监测;Apple Watch内部除了MEMS加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风,还有使用脉搏传感器。

  Apple Watch内部除了MEMS加速度计、陀螺仪、MEMS麦克风,还有使用脉搏传感器

  传感器是智能家居控制系统实现控制的基础,随着技术的发展,越来越多的传感器被用到智能家居系统中,只有你想不到的,没有你做不到的,这里就不一一列举了。

  车联网是物联网发展的重大领域,智能汽车是车联网的核心,正处于高速发展中。在智能汽车时代,主动安全技术成为备受关注的新兴领域,需要改进现有的主动安全系统,比如侧翻(rollover)与稳定性控制(ESC),这就需要MEMS加速度传感器和角速度传感器来感测车身姿态。

  语音将成为人与智能汽车的重要交互方式,MEMS麦克风将迎来发展新机遇。MEMS传感器在汽车领域还有很多应用,包括安全气囊(应用于正面防撞气囊的高g值加速度计和用于侧面气囊的压力传感器)、汽车发动机(应用于检测进气量的进气歧管绝对压力传感器和流量传感器)等。

  自动驾驶技术的兴起,进一步推动了MEMS传感器进入汽车。虽然GPS接收器可以计算自身位置和速度,但在GPS信号较差的地方(地下车库、隧道)和信号受到干扰的时候,汽车的导航会受到影响,这对自动驾驶来说是致命的缺陷。

  利用MEMS陀螺仪和加速度计获取速度和位置(角速度和角位置),车辆任何细微的动作和倾斜姿态,都被转化为数字信号,通过总线,传递给行车电脑。即便在最快的车速状态下,MEMS的精度和反应速度也能够适应。得益于硅体微加工、晶片键合等技术的发展,精度已经上升到0.01。

  智能工厂利用物联网技术加强信息管理和服务,掌握产销流程、提高生产过程的可控性、减少生产线上人工的干预、及时正确地采集生产线数据,以合理的安排生产计划与生产进度,并优化供应链。

  传感器应用非常广泛,工业生产各个环节都需要传感器进行监测,并把数据反馈给控制中心,以便对出现异常节点进行及时干预,保证工业生产正常进行。业界普遍认为,新一代的智能传感器是智能工业的“心脏”,它让产品生产流程持续运行,并让工作人员远离生产线和设备,保证人身安全和健康。

  MEMS让传感器小型化、智能化,MEMS传感器将在智慧工业时代大有可为。MEMS温度、湿度传感器可用于环境条件的检测,MEMS加速度计可以用来监测工业设备的振动和旋转速度。高精度的MEMS加速度计和陀螺仪可以为工业机器人的导航和转动提供精确的位置信息。

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