Sie haben sich ein Video auf YouTube im Hochformat angesehen und die Bildschirmfläche war nicht ausreichend. Um dieses Problem zu lösen, haben Sie getan, was jeder mit einem Smartphone tun würde. Drehen Sie das Telefon auf die Seite.
Sobald Sie dies getan haben, verschlang das Video den gesamten Bildschirm und alle Menüoptionen waren unsichtbar, aber woher wusste Ihr Telefon von seiner Ausrichtung?
Nun, zusätzlich zu dem Bildschirm mit hoher Bildwiederholfrequenz und einer großartigen Benutzeroberfläche verfügt Ihr Telefon über mehrere Sensoren, die seine Ausrichtung im Raum erkennen, aber wie funktionieren diese Sensoren?
Die grundlegenden Kräfte der Natur verstehen
Obwohl Sie bei Regen den Wind im Gesicht und das Wasser auf den Händen spüren können, können Sie die fundamentalen Kräfte der Natur nicht spüren.
Diese Kräfte umfassen die Gravitationskraft und die elektromagnetische Kraft. Obwohl diese Kräfte nicht greifbar sind, beeinflussen sie alles, was wir tun. Tatsächlich erkennt der Bildschirm Ihres Smartphones kleine Änderungen der elektromagnetischen Kräfte, um Ihren Finger zu erkennen. Darüber hinaus wird Ihr Körpergewicht auch durch die Schwerkraft bestimmt.
Einfach ausgedrückt, übt die Schwerkraft eine Kraft auf Objekte aus, die sie mit einer Geschwindigkeit von 9,8 m/s^2 beschleunigt. Aufgrund dieser Beschleunigung fallen die Dinge beim Werfen auf den Boden zurück.
Andererseits kann die elektromagnetische Kraft nicht wie die Schwerkraft empfunden werden. Wenn Sie jedoch einen Kompass irgendwo auf der Welt platzieren würden, würde er das Magnetfeld der Erde in diesem Bereich erkennen und sich auf den Nordpol ausrichten.
Obwohl elektromagnetische Kräfte mehrere technologische Fortschritte ermöglicht haben, sind sie nicht alle für immer und elektromagnetische Strahlung in hohen Dosen kann es für den menschlichen Körper gefährlich sein.
Verständnis der Sensortechnologie auf Ihrem Smartphone
Die Sensoren auf Ihrem Smartphone erkennen Veränderungen in den Naturkräften, um ihre Orientierung im Raum zu verstehen, aber wie funktionieren diese Sensoren?
Nun, Ihr Smartphone hat Tausende von Sensoren auf seinem Motherboard, sondern drei Hauptsensortypen, die es Ihrem Telefon ermöglichen, Änderungen in seiner Ausrichtung zu erkennen.
Diese Orientierungserkennungssensoren verwenden mikroelektromechanische Systeme (MEMS), um die Kräfte der Natur zu messen. Um Daten zu messen, verwenden MEMS-Geräte in Silizium eingebettete mechanische Teile, um ein elektrisches Signal zu erzeugen. Anhand dieser Signale erkennt Ihr Smartphone Veränderungen der auf es einwirkenden Kräfte.
Im Folgenden wird kurz erklärt, wie diese Sensoren funktionieren.
- Beschleunigungsmesser: Wie der Name schon sagt, wird ein Beschleunigungsmesser verwendet, um die Beschleunigungsänderungen auf einem Smartphone zu erkennen. Um diese Änderungen zu erkennen, verwendet der Beschleunigungsmesser das Trägheitsgesetz, das besagt, dass ein Körper in Ruhe so lange in Ruhe bleibt, bis eine äußere Kraft einwirkt. Um dieses Konzept zu nutzen, wird in einem MEMS-Sensor eine feste Masse zwischen federähnlichen Strukturen aufgehängt. Daher bleibt die feste Masse aufgrund ihrer Trägheit, die die Federn zusammendrückt, an Ort und Stelle, wenn das Telefon beschleunigt wird. Diese Federkompression erzeugt ein elektrisches Signal, das dem Smartphone mitteilt, dass es beschleunigt wird.
- Gyroskop: Das Gyroskop überwacht die Rotationskräfte auf Ihrem Smartphone. Diese Drehung misst die auf das Smartphone wirkende Coriolis-Kraft, um abzuschätzen, wie stark es sich um seinen Schwerpunkt gedreht hat. Einfach ausgedrückt wirkt die Coriolis-Kraft auf jeden Körper innerhalb eines rotierenden Objekts aufgrund seiner Rotation. Das Gyroskop verwendet ein ähnliches Design wie ein Beschleunigungsmesser, ist jedoch modifiziert, um Änderungen zu erkennen, wenn sich das Smartphone dreht.
- Magnetometer: Aufgrund der im Erdkern fließenden Ströme wird er von einem Magnetfeld umhüllt. Die Erkennung dieser Felder hilft dem Smartphone, seine Ausrichtung mit dem wahren Norden des Erdmagnetfelds zu verstehen. Smartphones sind mit einem dreiachsigen Hall-Effekt-Sensor ausgestattet, um diese Änderungen zu erkennen. Dieser Sensor verwendet die Faradayschen Gesetze der elektromagnetischen Induktion, um Magnetfelder zu erkennen. Nach diesem Gesetz erzeugt ein stromdurchflossener Leiter eine elektromotorische Kraft, wenn sich das ihn umgebende Magnetfeld ändert. Aufgrund dieser Spannungsänderungen können die Sensoren verwendet werden, um ihre Ausrichtung in Bezug auf die magnetischen Pole der Erde zu erkennen.
Nachdem wir nun ein grundlegendes Verständnis der Sensoren in unseren Smartphones haben, können wir uns ansehen, wie sie zusammenarbeiten, um die Position Ihres Smartphones zu erkennen.
Woher weiß Ihr Telefon, wann es den Bildschirm drehen soll?
Wie bereits erläutert, kann der Beschleunigungsmesser Beschleunigungsänderungen erkennen, aber diese Daten allein können nicht verwendet werden, um die Ausrichtung eines Smartphones zu erkennen. Der Grund ist, dass auf den Beschleunigungsmesser immer die Schwerkraft wirkt und es für den Sensor schwierig ist zu erkennen, wann die Beschleunigungsänderungen das Smartphone drehen sollen.
Um dieses Problem zu lösen, nutzen Smartphones die Sensorfusion, die es ermöglicht, dass verschiedene Sensoren miteinander kommunizieren. Um die Ausrichtung eines Telefons zu erkennen, kommuniziert der Beschleunigungsmesser mit dem Gyroskop und dem Magnetometer.
Wenn sich ein Telefon dreht, erkennt der Beschleunigungsmesser daher Beschleunigungsänderungen und kommuniziert dann mit dem Gyroskop. Aufgrund dieser Kommunikation kann das Smartphone nachvollziehen, ob die Beschleunigungsänderungen für die Drehung bestimmt sind.
Allerdings ist das Gyroskop fehleranfällig, da es die auf das Smartphone einwirkenden Gewichtskräfte nicht berücksichtigen kann. Daher wird ein dritter Sensor benötigt, um die Änderungen in der Ausrichtung eines Smartphones zu erkennen. Dieser Sensor ist nichts anderes als das Magnetometer auf Ihrem Gerät.
Dieses Magnetometer wird verwendet, um die Positionsänderungen des Smartphones in Bezug auf das Erdmagnetfeld zu erfassen. Diese Daten werden zusammen mit den Daten des Beschleunigungsmessers und des Gyroskops verwendet, um zu entscheiden, ob Ihr Bildschirm im Hoch- oder Querformat sein muss.
Ist Sensorik die Zukunft?
Der Beschleunigungsmesser, das Gyroskop und das Magnetometer erkennen Veränderungen der fundamentalen Naturkräfte, indem sie die Gesetze der Trägheit und der elektromagnetischen Induktion nutzen.
Smartphones nutzen diese Grundgesetze, um Funktionen wie Autorotation und optische Bildstabilisierung zu ermöglichen. Allerdings bieten Smartphones jetzt innovative Funktionen, indem sie Daten von verschiedenen Sensoren kombinieren.
Ein Paradebeispiel dafür ist die Veröffentlichung der Crash-Erkennung auf Apple-Geräten, die Daten von diesen Sensoren ermöglicht, einen Unfall zu erkennen und Rettungsdienste zu alarmieren.
