傳感器原理與應(yīng)用

題目：智能手機中傳感器的研究學(xué)院：機械工程學(xué)院專業(yè)：機械制造及自動化班級：—學(xué)號：學(xué)生姓名:指導(dǎo)教師:2013年12月10日【前言】科技的發(fā)展給人們的工作和生活帶來了更多的便利，突出的一點就是便攜設(shè)備越來越多的來到我們的身邊。智能手機、數(shù)碼相機、MP3、MP4、掌上電腦等體積小、功能強大的電子設(shè)備我們隨處可見，其中智能手機更是到了兒乎不可缺少的地步。根據(jù)艾媒咨詢發(fā)布的?2012中國手機應(yīng)用市場年度報告》顯示，截止2012年12月底，中國手機網(wǎng)民規(guī)模已達(dá)到4.5億人；中國智能手機用戶數(shù)達(dá)到3.8億人。2013年全球智能手機出貨量將達(dá)到8.65億部，同比增長30.27%,占所有手機出貨量的43.90%o2013年國內(nèi)智能手機的出貨量將達(dá)到2.60億部,年增率達(dá)36.2%。這些都足以證明智能手機在我們現(xiàn)代生活中己經(jīng)開始普及了，并且正成為一種生活的必須品。人們對智能手機的要求也越來越高，電話、短信、多媒體等等都只是基本應(yīng)用，而更智能、更人性化的手機才是用戶的追求的目標(biāo)。山東大學(xué)哲學(xué)與社會發(fā)展學(xué)院教授馬廣海認(rèn)為，智能手機提高了人們的生活質(zhì)量，改變了人們的生活方式，“這是科技進(jìn)步、社會發(fā)展的必然，不必將其視作洪水猛獸。用發(fā)展的眼光看，現(xiàn)在去判斷這種改變對中國人來說是好是壞還為時尚早”。伴隨著智能手機的快速發(fā)展，人們對手機的智能化、人性化提出了更高的要求。因此，用以實現(xiàn)和滿足人們要求的功能的應(yīng)用中的各種各樣的傳感器越來越豐富。我們對傳感器原理的認(rèn)識就越來越有必要，這是對未來智能手機的創(chuàng)新性設(shè)計的基礎(chǔ)。第一章傳感器的應(yīng)用狀況1.1傳感器的定義手機傳感器，顧名思義就是用在手機上的傳感器。國家標(biāo)準(zhǔn)GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。1.2傳感器在智能手機中的應(yīng)用智能手機自推出以來，其內(nèi)置傳感器逐漸增多，傳感器所能實現(xiàn)的功能也日益多樣化，極大的滿足了用戶對智能手機功能的需求，從依賴于重力傳感器的各種游戲，到依靠距離傳感器實現(xiàn)的通話滅屏，再到指南針功能下的電子羅盤等等，一個小小的智能手機以各種傳感器為依托實現(xiàn)了許多有趣的功能。譬如：1）三軸陀螺儀目前智能手機中三軸陀螺儀的應(yīng)用主要在游戲的操控上。三軸陀螺儀是用于測量或維持方向的設(shè)備，基于角動量守恒原理，能判斷物體在空間中的相對位置、方向、角度以及水平的變化作用，最終根據(jù)用戶的動作輸出相對應(yīng)的指令。譬如，著名游戲現(xiàn)代戰(zhàn)爭3就是可以依靠陀螺儀進(jìn)行瞄準(zhǔn)射擊的。開啟陀螺儀之后，這就意味著我們需要不斷轉(zhuǎn)動身體進(jìn)行操作，可以完全摒棄以前通過方向按鍵來控制游戲的操控方式，我們只需要通過移動手機相應(yīng)的位置，既可以達(dá)到改變方向的目的，使游戲體驗更加真實、操作更加靈活。2）加速度傳感器加速度傳感器可以用來檢測角度。手機上下左右擺動，加速度傳感器會將對應(yīng)信息傳送給中央處理器，通過軟件實現(xiàn)菜單選擇、翻頁、圖像切換等操作。當(dāng)手機反轉(zhuǎn)90度時，可以自動在豎屏顯示和橫屏顯示之間切換，方便用戶使用。在賽車、滑雪等游戲中，加速度傳感器甚至可以取代方向鍵，通過前后左右的角度變換實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎、加速、剎車等動作，使游戲更具娛樂性。3）指紋識別傳感器指紋識別在手機上的應(yīng)用最初主要是身份識別，即相當(dāng)于密碼識別只有主人的指紋信息得到驗證才能允許使用設(shè)備。隨著半導(dǎo)體和軟件技術(shù)的發(fā)展，手機將逐漸成為一種可隨時隨地獲取個人和公司數(shù)據(jù)的移動終端，因此需要確保用戶訪問的安全性，以防止未授權(quán)訪問。比如在電子商務(wù)中，指紋識別的應(yīng)用將免去用戶多重繁瑣的密碼操作，即簡化流程乂具備更高的安全級別。在行業(yè)應(yīng)用中，指紋識別也可以有廣泛的應(yīng)用。例如今后警察可在一個犯罪高發(fā)區(qū)截住一名嫌疑人,要求其提供指紋而不是身份證或汽車駕照，取得指紋后可以通過手機上網(wǎng)，訪問指紋數(shù)據(jù)庫，得到嫌疑人真實身份信息。指紋識別技術(shù)將對我們的生活有更深遠(yuǎn)的意義。4）光電傳感器光電傳感器在手機上的應(yīng)用主要是根據(jù)環(huán)境光線明暗來判斷用戶的使用條件，從而對手機進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能和方便用戶使用的目的。黑暗環(huán)境下自動降低背光亮度，以免背光太亮刺眼。太陽下自動增加屏幕亮度，使顯示更清楚。手機移到耳邊打電話時，自動關(guān)閉屏幕和背光，可以延長手機續(xù)航時間，同時關(guān)閉觸摸屏，乂可以達(dá)到防止打電話過程中誤觸屏幕掛斷電話的誤操作。甚至還有手機利用光線亮度控鈴聲音量的功能，即通過外界光線的強弱，來控制鈴聲的大小，如手機裝在衣服口袋或是皮包里時，就大聲振鈴，而取出時，環(huán)境光線改變了，振鈴就隨著減小。一方面可以避免鈴聲過小誤接電話，一方面乂可以適應(yīng)環(huán)境的需要，避免影響他人，同時還能節(jié)省電量。第二章傳感器的工作原理及測量電路本章重點介紹加速度傳感器和光電傳感器的工作原理及測量電路，以及它們之間的協(xié)同關(guān)系。2.1加速度傳感器的工作原理及測量電路2.1.1加速度傳感器的工作原理多數(shù)加速度傳感器是根據(jù)壓電效應(yīng)的原理來工作的。所謂的壓電效應(yīng)就是：“某些電介質(zhì)（晶體），如圖2.1所示，當(dāng)沿著一定方向施加力變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面會產(chǎn)生符號相反的電荷，當(dāng)外力去掉后，乂重新恢復(fù)為不帶電狀，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)圖2.1壓電效牌原理一般壓電加速度傳感器主要由壓電原件、質(zhì)量塊、基座及外殼等組成。傳感器固定安裝在殼內(nèi)，當(dāng)傳感器和被測物體一起受到振動時，壓電元件受到質(zhì)量塊慣性的作用，根據(jù)牛頓第二定律，慣性力是加速度的函數(shù)。慣性力作用在壓電元件上，產(chǎn)生正比于加速度的電荷，當(dāng)傳感器選定后，質(zhì)量m為常數(shù)，輸出電荷q=dF=dma電荷大小與加速度成正比。根據(jù)電荷或電壓就知道加速度大小。2.1.2加速度傳感器的測量電路壓電傳感器的輸出信號很弱，內(nèi)阻很高，需要低噪聲電纜傳輸，要求前置放大器有相當(dāng)高的輸入阻抗。前置放大器有兩個作用，一是放大微弱的信號，二是阻抗變換（將傳感器高阻輸出變換為低阻輸出）。根據(jù)等效電路，壓電元件可以是電源，也可以是電荷源，故有電壓放大器和電荷放大器。在這里重點介紹電壓放大器，壓電傳感器與電壓放大器連接的等效電路如圖2.2所示。Ca圖2.2電壓放大器等效電路在圖2.2中，u為壓電元件產(chǎn)生的電荷；Ca為壓電傳感器的電容；Cc為連接電纜的寄生電容；Ri為外接電路的輸入端阻抗；Ci為外接電路的輸入端電容；Ra為傳感器泄露電阻。1）在測試動態(tài)量時，為了建立一定的輸出電壓并進(jìn)行不失真測量，壓電式傳感器的測量電路必須有高輸入阻抗，并在輸入端并聯(lián)一定的電容在測試動態(tài)量時，為了建立一定的輸出電壓并進(jìn)行不失真測量，壓電式傳感器的測量電路必須有高輸入阻抗，并在輸入端并聯(lián)一定的電容Ci以加大時間常數(shù)RiCo2）由于壓電式傳感器的輸出電信號很微弱，而且傳感器本身有很大內(nèi)阻，為此，通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟挠捎趬弘娛絺鞲衅鞯妮敵鲭娦盘柡芪⑷?，而且傳感器本身有很大?nèi)阻，為此，通常把傳感器信號先輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃髦校?jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大、檢波電路再將信號輸給指示儀表或記錄器。2.1.3傳感器檢測信息與控制系統(tǒng)關(guān)系當(dāng)智能手機上下左右擺動，加速度傳感器會將對應(yīng)信息傳送給中央處理器，中央處理器通過軟件來控制手機實現(xiàn)菜單選擇、翻頁、圖像切換等操作。當(dāng)手機反轉(zhuǎn)90度時，加速度傳感器檢測到手機的角度變化，從而將信息傳給中央處理器，這樣手機就可以自動在豎屏顯示和橫屏顯示之間切換，方便用戶使用。傳感器檢測信息與控制系統(tǒng)的關(guān)系如圖2.3所示。檢測信號圖2.3傳感器檢測信息與控制系統(tǒng)的關(guān)系2.2光電傳感器的工作原理及測量電路2.2.1光電傳感器的工作原理光電傳感器是以光為測量介質(zhì)、以光電器件為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，它具有非接觸、快速、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于自動控制、智能設(shè)備、導(dǎo)航系統(tǒng)、廣播電視等各個領(lǐng)域。光電器件的工作原理是利用各種光電效應(yīng)。光照射某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)吸收光能后，電子的能量和電特性發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類，而智能手機的光電傳感器主要是應(yīng)用內(nèi)光電效應(yīng)。光在半導(dǎo)體中傳播時具有衰減現(xiàn)象，即產(chǎn)生光吸收。當(dāng)光線照在物體上，入射光強的改變使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的物理現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。兒乎所有高電阻率半導(dǎo)體都有光電導(dǎo)效應(yīng)，這是由于入射光線作用下,電子吸收光子能量，電子從價帶被激發(fā)到導(dǎo)帶上，過渡到自由狀態(tài)，同時價帶也因此形成自由空穴，使導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴濃度增大，電阻率減少。為使電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子的能量Eo應(yīng)大于禁帶寬度Eg。電子能級示意圖如圖2.4示。

光(Eo)自144可犬態(tài)電子吸收光子能最自由電子所占能步禁櫛Eg<Eo電子價電子所占能帶光(Eo)自144可犬態(tài)電子吸收光子能最自由電子所占能步禁櫛Eg<Eo電子價電子所占能帶2.2.2光電傳感器的測量電路光電傳感器的直接測量就是光本身，即可以測量光的有無，也可以測量光強的變化。光電測量系統(tǒng)的一般組成形式如圖2.5示，主要包括光源、光通路、光電元件和測量電路四個部分。電—輸出量Y圖2.5光電測量系統(tǒng)組成框圖電—輸出量Y光電傳感器在手機上的應(yīng)用主要是根據(jù)環(huán)境光線明暗來判斷用戶的使用條件，從而光電傳感器通過檢測用戶的手機使用條件的變化，并且將其傳給手機的中央處理器；中央處理器通過控制手機中控制手機屏幕的軟件控制其工作狀態(tài)。從而對手機進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能和方便用戶使用的目的。黑暗環(huán)境下自動降低背光亮度，以免背光太亮刺眼。太陽下自動增加屏幕亮度，使顯示更清楚。手機移到耳邊打電話時，自動關(guān)閉屏幕和背光，可以延長手機續(xù)航時間，同時關(guān)閉觸摸屏，乂可以達(dá)到防止打電話過程中誤觸屏幕掛斷電話的誤操作。傳感器檢測信息與控制系統(tǒng)的關(guān)系如圖2.6所示。

檢測信號圖2.6傳感器檢測信息與控制系統(tǒng)的關(guān)系本論文重點介紹了加速度傳感器和光電傳感器在智能手機中的應(yīng)用，并簡單介紹了兒種傳感器在智能手機中的應(yīng)用。如指紋識別傳感器在安全方面、三軸陀螺儀在具體應(yīng)用方面和實現(xiàn)玩游戲更具人性化。通過分析了各種傳感器具有的功能，從而使傳感器在現(xiàn)今快速發(fā)展的年代給家庭帶來更多的便利。傳感器無論是智能手機或者是在工業(yè)、醫(yī)療、航天等方面都有其優(yōu)越性，因此它發(fā)展前景非常好，應(yīng)用也會越來越廣泛。各種傳感器在智能手機中功能需求的設(shè)計是一個相當(dāng)大的難題，由于時間和條件限制，論文只作了其中一部分研充，仍存在一些問題需要今后去研究解決。自己對能手機中的各種傳感器的應(yīng)用狀況、工作原理、測量電路以及傳感器檢測信息與控制系統(tǒng)相互關(guān)系的簡單研究發(fā)現(xiàn)，對于各類傳感器的工作原理及測量電路的理解有一定的難度，以及如何更好地應(yīng)用于智能手機使得用戶的體驗更人性化、更智能化。隨著技術(shù)工作者的不斷努力，不久就會有更趨完善的方案的出現(xiàn)。通過本次對智能手機中部分傳感器的研究，真正認(rèn)識到傳感器的應(yīng)用是如此的