Для чего нужны и как работают акселерометр, гироскоп, магнитометр и GPS.
Ваш смартфон - настоящее произведение инженерного искусства. Он сочетает в себе функции по меньшей мере десятка разных гаджетов. И большей частью своих удивительных возможностей он обязан разнообразным сенсорам. Но каким именно и как они устроены?
Как телефон подсчитывает ваши шаги? Расходует ли GPS ваш трафик? На какие датчики нужно обратить внимание при выборе нового телефона? Вот все, что вам нужно знать о современном смартфоне.
Акселерометр
Один из наглядных примеров работы акселерометра - анимированные стикеры Snapchat
Акселерометр отслеживает изменение скорости движения устройства и его повороты вокруг своей оси. Такие датчики устанавливаются не только в телефонах, но и в фитнес-трекерах - именно с их помощью смартфон может подсчитывать ваши шаги, даже если у вас нет никаких носимых гаджетов.
Анализируя данные акселерометра, приложения могут определить, в какую сторону направлен телефон, - эта технология находит все более широкое применение с распространением дополненной реальности.
Существуют различные типы акселерометров, но самый распространенный - пьезоэлектрический. В таких акселерометрах сенсор представляет собой микроскопический кристалл, который деформируется под действием сил ускорения. При этом кристалл вырабатывает электрический ток. Анализируя силу тока, система определяет, как быстро и в каком направлении движется ваш телефон. Поэтому Snapchat добавляет на карту забавный стикер с автомобилем, когда вы используете приложение за рулем.
Акселерометр является одним из самых важных датчиков вашего телефона: без него вы не могли бы пользоваться автоматическим поворотом экрана, а навигационные приложения не могли бы определять текущую скорость.
Гироскоп
Гироскоп дает точные данные о положении смартфона в пространстве, что бывает полезно в играх и при создании 360-градусных фотографий
Гироскоп помогает акселерометру с гораздо более высокой точностью определить, как именно ваш телефон ориентирован в пространстве. Поэтому 360-градусные панорамы выглядят так впечатляюще.
Всякий раз, когда вы запускаете на смартфоне гоночный симулятор и наклоняете экран, чтобы повернуть руль, именно гироскоп помогает приложению понять, что вы делаете. Поскольку при этом вы не перемещаетесь в пространстве, этих условий было бы недостаточно недостаточно для работы акселерометра.
Гироскопы используются не только в телефонах. Их можно найти в самолетах, где они помогают определить высоту и положение, и в системах стабилизации, которые позволяют фото- и видеокамерам делать плавную съемку в движении.
Старые гироскопы, которые еще можно найти в самолетных высотомерах, используют механическое движение маховика, но гироскоп в вашем смартфоне представляет собой микроэлектромеханическую систему (МЭМС) - крошечный инерциальный датчик, который может поместиться на печатной плате.
Впервые МЭМС-гироскопы были использованы в iPhone 4 в 2010 году - и произвели фурор: никогда еще телефон не умел определять свою ориентацию в пространстве с такой точностью. Сегодня мы считаем это чем-то само собой разумеющимся.
Магнитометр
Именно благодаря магнитометру работает компас в вашем телефоне.
Последний из трех главных датчиков, ответственных за определение положения телефона в пространстве, - это магнитометр. Его название говорит само за себя: он регистрирует магнитные поля и таким образом может определить, в каком направлении находится север.
Когда вы включаете режим компаса на Картах Apple или в Google Maps, именно магнитометр определяет, как нужно развернуть карту. Существуют и отдельные приложения, которые эмулируют работу компаса.
Магнитометры также можно найти в металлодетекторах - они могут обнаруживать магнитные металлы. Существуют даже приложения-металлодетекторы для смартфона!
Сам по себе этот датчик мало на что способен, но если соединить его показания с данными, поступающими с акселерометра и модуля GPS, можно точно определить ваше расположение, что очень полезно при построении маршрутов.
Спутники GPS всегда знают, где находится ваш телефон.
Ах, GPS, где бы мы были без тебя? Вероятно, блуждали бы где-то в глуши, проклиная день, когда решили сменить бумажные карты, компас и секстант на электронные устройства.
GPS-модуль в вашем телефоне связываются со спутниками на орбите, чтобы определить, где именно на поверхности планеты вы находитесь. Для этого даже не нужна сотовая сеть: если ваш телефон потерял сигнал, вы все равно можете видеть свое местоположение, хотя загрузить подробную карту вам, скорее всего, не удастся.
Фактически телефон поочередно связывается с несколькими спутниками, а затем вычисляет, где вы находитесь, по задержке сигнала. Если связаться со спутниками не удается, - например, когда вы находитесь в помещении или под очень плотной облачностью, - определить ваше положение не получится.
GPS не расходует трафик, но связь со спутниками и вычисления могут сильно сказаться на заряде батареи, поэтому многие руководства рекомендуют отключать GPS-навигацию, чтобы дольше оставаться на связи. По этой же причине модуль GPS обычно не включается в более мелкие устройства - например, в большинство смарт-часов.
GPS- не единственный способ определить ваше положение на карте: его можно приблизительно установить по расстоянию до сотовых вышек. Однако высокой точности без него не добиться. Современные GPS-модули объединяют данные от спутников с показаниями компаса и уровнем сигнала сети, чтобы определить ваше местоположение с точностью до нескольких метров.
Лучшие из остальных датчиков
Если хотите, ваш телефон будет регулировать яркость экрана в соответствии с окружающим освещением.
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.
Современный смартфон - это мини компьютер, который уже давно стал персональным помощником человека в бытовых и бизнес делах. Чтобы смартфон или любой другой "умный" гаджет обладал столькими функциями, в нем размещено множество датчиков. В рамках этой статьи поговорим про датчик Холла в телефоне. Что это такое, читайте ниже.
Что это за датчик?
Датчик Холла - датчик определения положения который основан на эффекте Эдвина Холла. Используется в смартфоне в роли магнитометра, как основа для работы электронного компаса и не только. Его задача - фиксировать наличие магнитного поля и определять его изменение.
Эффект Холла был открыт еще 1879 году в тонких пластинках золота, но использовать его в технике смогли только через 75 лет, когда наладили производство полупроводниковых пленок с нужными для него свойствами. Ему нашли применение в автомобилях - он помогал делать измерения угла положения распредвала/коленвала.
В смартфоне используется упрощенный аналог устройства, определяющий только наличие магнитного поля без определения напряженности по осям. Реализация довольно проста: помещенный в магнитное поле проводник, по которому проходит электрических ток, способствует тому, что электроны отклоняются к одной из граней пластины. Электроны в этой части накапливают отрицательный заряд, на противоположной грани - положительный. Процесс продолжается до момента, пока образовавшееся электрическое поле не компенсирует магнитную составляющую силы Лоренца. Образованная разность потенциалов (которую именуют холловским напряжением) на краях пластины фиксируется датчиком Холла. В телефоне он реализован микросхемой, на выходе которой создается сигнал в двух состояниях:
- единица (1 - есть сигнал);
- ноль (0 - сигнала нет).
В зависимости от считанной информации с датчика смартфон выполняет запрограммированное действие.
Сейчас этот эффект применяется в разных технических реализациях. Кроме современных телефонов, повседневное применение нашлось:
- в системах электронного зажигания ДВС;
- в приводах дисководов;
- двигателях кулеров компьютерной техники;
- в электроизмерительных приборах для реализации бесконтактного измерения силы тока;
- в ионных реактивных двигателях.
Для чего он нужен в телефоне?
Несколько лет назад, магнитометр с дюжиной возможностей можно было встретить только во флагманских смартфонах. Сейчас же, он установлен практически в каждый телефон. Смартфон, укомплектованный магнитометром (работающим по принципу датчика Холла) позволял измерять величину электромагнитной индукции различных приборов, управлять бесконтактно некоторыми функциями телефона (например листание фотографий с помощью жестов, без физического контакта) и т.д.
Хотя магнитометр и установлен во множество мобильных устройств, не в каждом его функции реализованы на полную.
Делается это по техническим (например, не хватает места в конструкции телефона или для уменьшения энергопотребления) и финансовым (в бюджетных моделях) причинам. Если убрать все дополнительные функции, задача упомянутого сенсора сводится к двум основным функциям:
- Цифровой компас. Используется навигационными программами для ускорения позиционирования и более точного определения направления движения. При помощи датчика, GPS поиск происходит быстрее.
- Взаимодействие с аксессуарами. Приобретя магнитный чехол для смартфона, датчик позволит смартфону включать и отключать дисплей в зависимости от удаления/приближения магнита на аксессуаре.
Эффект "выключения дисплея" можно заметить при закрытой крышке в раскладных телефонах.
Взаимодействие датчика и магнитного чехла
Взаимодействие реализовано простым образом: при открытии чехла, магнит расположенный в флипе, удаляется от дисплея. Происходит разрыв проводника с магнитным полем, холловское напряжение снижается и запускается цепочка включения дисплея. После этого дисплей будет разблокирован.
Как вы уже догадались, при закрытии чехла происходит обратное и экран блокируется.
В Некоторых чехлах сделаны окошка, для отображения информации при закрытой крышки чехла. Отображение информации и блокировка экрана происходит по тому же принципу. Датчик холла определяет положение смартфона и "решает", блокировать ли дисплей телефона, или оставить включенным.
Если вы переживаете, что магнит на флипе навредит смартфону, сбросте этот груз с плечь. Магнит не вредит смартфону! Чтобы в этом убедится, посмотрите видео.
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.
Датчик Холла, служащий для определения наличия магнитного поля, носит имя ученого — физика, открывшего одноименный принцип. А именно: было обнаружено, что в проводнике, попадающем в магнитное поле, изменялось напряжение тока, появляется ЭДС (электродвижущая сила). Подобные элементы устройств бывают цифровые и аналоговые.
Этот датчик определяет наличие магнитного поля.
Зачем нужен датчик Холла? Если магнитное поле есть, прибор показывает цифру — его величину. Причем аналоговый показывает его полярность, помимо значения. А цифровой при отсутствии поля выдает «ноль», в присутствии — некоторую цифру.
Области применения датчиков Холла
Датчиками Холла укомплектованы многие устройства, а также они применяются сами по себе для измерения напряженности поля. Это электрические и ракетные двигатели, система зажигания автомобилей, измерители, приборы с бесконтактным воздействием.
Датчик Холла помогает автоматически отключать экран девайса, когда чехол закрыт.
Устройства для мобильной связи также содержат в своем составе этот сенсор. За что отвечает датчик Холла в смартфоне? В современном устройстве мобильной связи данный прибор является измерительным элементом, распознающим присутствие, отсутствие, интенсивность и изменение магнитного поля. Возможности датчика не ограничиваются измерениями. Также он определяет наличие возможности бесконтактного взаимодействия.
На датчике Холла основан магнитометр, присутствующий во многих «навороченных» и продвинутых мобильных устройствах. Но не во всех случаях подобная возможность реализуется полностью. В основном, это две следующие функции.
- Компас для программ навигации, позволяющий быстрее определять местоположение и направление.
- Взаимодействие смартфона с аксессуарами, например, с магнитным чехлом, блокирующим экран при его открытии. Или включение, выключение дисплея в раскладных телефонах при движении крышки.
Принцип действия датчика
Контролируя состояние устройства, датчик Холла осуществляет бесконтактное переключение от нерабочего режима к рабочему и обратно. Бесконтактный способ исключает загрязнение и механические нагрузки. Можно представить себе этот элемент в виде пластины из полупроводника с малой толщиной.
Когда постоянный ток проходит через него, на краях появляется малое напряжение. Магнитное поле, как известно, проходит перпендикулярно электрическому и усиливает эту величину пропорционально магнитной индукции. Датчик Холла создает электрические импульсы с низким напряжением, что и нашло применение в бесконтактных системах, реализующих принцип сенсорного реагирования.
Датчик Холла в устройствах мобильной связи: планшетах, смартфонах, телефонах
При наличии датчика Холла (Hall sensor) в конструкции смартфонов и планшетов, особенно дорогостоящих, он выполняет функцию реагирования на усиление поля. Производители не указывают присутствие этого элемента в устройстве. Но «умный чехол», имеющийся в числе аксессуаров для планшета, смартфона, обязательно связан с ним. С помощью этого дополнения планшет разблокируется или блокируется при открытии и закрытии соответственно.
В чехол встроен магнит, реагирующий на датчик Холла в планшете. Когда оболочка закрыта, магнит находится рядом с сенсором Холла, что блокирует экран. При открытии «книжки» — чехла магнит отдаляется, экран включается. Такое дополнение к планшету не вредит самому устройству, как некоторые могут подумать.
Ранее сенсором Холла были снабжены только самые выдающиеся устройства от ведущих фирм. Сейчас магнитометр встречается во многих телефонах. Он управляет многими возможностями, например, листает фотографии посредством жестов.
Датчик Холла в телефоне реализует не все функции из-за недостатка места, экономии потребления энергии и финансовой нецелесообразности. Однако, он ускоряет поиск GSM в устройствах, взаимодействует с дополнениями типа чехла, с помощью которого сенсор принимает решения по активизации экрана.