Du tittade på en video på YouTube i stående läge, och skärmens fastigheter räckte inte till. För att lösa detta problem gjorde du vad alla personer med en smartphone skulle göra. Vänd telefonen på sidan.
Så fort du gjorde detta uppslukade videon hela skärmen och alla menyalternativ var osynliga, men hur visste din telefon om dess orientering?
Jo, förutom skärmen med hög uppdateringsfrekvens och ett fantastiskt användargränssnitt har din telefon flera sensorer som känner av dess orientering i rymden, men hur fungerar dessa sensorer?
Förstå naturens grundläggande krafter
Även om du kan känna vinden i ansiktet och vattnet på händerna när det regnar, är det du inte kan känna naturens grundläggande krafter.
Dessa krafter inkluderar gravitationskraften och den elektromagnetiska kraften. Även om dessa krafter är immateriella påverkar de allt vi gör. Faktum är att skärmen på din smartphone upptäcker små förändringar i elektromagnetiska krafter för att upptäcka ditt finger. Inte bara detta, utan din kroppsvikt definieras också på grund av gravitationskrafterna.
Enkelt uttryckt applicerar gravitationen en kraft på föremål som får dem att accelerera med en hastighet av 9,8 m/s^2. På grund av denna acceleration faller saker tillbaka på marken när du kastar dem.
Å andra sidan kan elektromagnetisk kraft inte kännas som gravitationskrafterna. Som sagt, om du skulle placera en kompass var som helst i världen, skulle den upptäcka jordens magnetfält i det området och anpassa sig till nordpolen.
Även om elektromagnetiska krafter har möjliggjort flera tekniska framsteg, är de inte alla för gott, och elektromagnetisk strålning i höga doser kan vara farligt för människokroppen.
Förstå sensortekniken på din smartphone
Sensorerna på din smartphone upptäcker förändringar i naturens krafter för att förstå dess orientering i rymden, men hur fungerar dessa sensorer?
Jo, din smartphone har tusentals sensorer på sitt moderkort, men tre huvudsensortyper som gör att din telefon kan upptäcka förändringar i dess orientering.
Dessa orienteringsdetektionssensorer använder Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) för att mäta naturens krafter. För att mäta data använder MEMS-enheter mekaniska delar inbäddade i kisel för att generera en elektrisk signal. Med hjälp av dessa signaler upptäcker din smartphone förändringar i krafterna som verkar på den.
Nedan ges en kort förklaring av hur dessa sensorer fungerar.
- Accelerometer: Som namnet antyder används en accelerometer för att upptäcka förändringarna i accelerationen på en smartphone. För att upptäcka dessa förändringar använder accelerometern tröghetslagen som säger att en kropp i vila kommer att stanna i vila tills och om inte en yttre kraft appliceras. För att använda detta koncept hängs en fast massa upp mellan fjäderliknande strukturer i en MEMS-sensor. Därför stannar den fasta massan på plats när telefonen accelereras på grund av dess tröghet som komprimerar fjädrarna. Denna fjäderkompression genererar en elektrisk signal som talar om för smartphonen att den accelereras.
- Gyroskop: Gyroskopet övervakar rotationskrafterna på din smartphone. Denna rotation mäter Coriolis-kraften som verkar på smarttelefonen för att uppskatta hur mycket den har roterat runt sin tyngdpunkt. Enkelt uttryckt verkar Corioliskraften på vilken kropp som helst inuti ett roterande föremål på grund av dess rotation. Gyroskopet använder en design som liknar en accelerometer men är modifierad för att upptäcka förändringar när smarttelefonen roterar.
- Magnetometer: På grund av strömmarna som flyter i jordens kärna, omsluter ett magnetfält den. Att upptäcka dessa fält hjälper smarttelefonen att förstå dess orientering mot den sanna norra delen av jordens magnetfält. Smartphones är utrustade med en tre-axlig Hall-effektsensor för att upptäcka dessa förändringar. Denna sensor använder Faradays lagar för elektromagnetisk induktion för att detektera magnetfält. Enligt denna lag genererar en strömförande ledare en elektromotorisk kraft när magnetfältet runt den förändras. På grund av dessa spänningsförändringar kan sensorerna användas för att detektera dess orientering avseende jordens magnetiska poler.
Nu när vi har en grundläggande förståelse för sensorerna i våra smartphones kan vi titta på hur de fungerar tillsammans för att upptäcka positionen för din smartphone.
Hur vet din telefon när den ska vända skärmen?
Som förklarats tidigare kan accelerometern upptäcka förändringar i accelerationen, men denna data ensam kan inte användas för att upptäcka orienteringen av en smartphone. Anledningen är att tyngdkrafterna alltid verkar på accelerometern, och det är svårt för sensorn att upptäcka när förändringarna i accelerationen är avsedda att rotera smarttelefonen.
Smartphones använder sensorfusion för att lösa detta problem, vilket gör att olika sensorer kan kommunicera med varandra. För att upptäcka en telefons orientering kommunicerar accelerometern med gyroskopet och magnetometern.
Därför, när en telefon roterar, upptäcker accelerometern förändringar i accelerationen och kommunicerar sedan med gyroskopet. På grund av denna kommunikation kan smarttelefonen förstå om förändringarna i accelerationen är avsedda för rotation.
Som sagt, gyroskopet är känsligt för fel eftersom det inte kan ta hänsyn till tyngdkrafterna som verkar på smarttelefonen. Därför behövs en tredje sensor för att upptäcka ändringarna i en smartphones orientering. Denna sensor är ingen mindre än magnetometern på din enhet.
Denna magnetometer används för att upptäcka förändringar i smarttelefonens position med avseende på jordens magnetfält. Dessa data, tillsammans med data från accelerometern och gyroskopet, används för att bestämma om din skärm måste vara i stående eller liggande läge.
Är sensorteknik framtiden?
Accelerometern, gyroskopet och magnetometern upptäcker förändringar i naturens grundläggande krafter genom att använda tröghetslagarna och elektromagnetisk induktion.
Smartphones använder dessa grundläggande lagar för att möjliggöra funktioner som autorotation och optisk bildstabilisering. Som sagt, smartphones erbjuder nu innovativa funktioner genom att kombinera data från olika sensorer.
Ett utmärkt exempel på detta är lanseringen av kraschdetektering på Apple-enheter som gör det möjligt för data från dessa sensorer att upptäcka en olycka och larma räddningstjänst.