传感器的原理和作用 - 物联网的关键！你真的了解传感器？

　　典型传感器的原理和作用

　　上面我们已经谈到，传感器种类繁多，全面覆盖介绍是一项繁杂的工作，我们以iPhone 6为例，介绍一下传感器的原理和功用。

　　iPhone 6手机中主要传感器一览

　　iPhone 6手机中主要传感器型号功能

　　（一）运动/加速度传感器 Motion sensor/accelerometer

　　加速传感器的原理

　　在iPhone 6中的加速传感器芯片为InvenSense公司的MP67B芯片，这是一个六轴加速度和重力传感器。而在之前的历代iPhone 手机中该传感器采用的是STMicroelectronics 公司生产的芯片。

　　手机加速传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，比如重力。加速传感器原理：运用压电效应实现，一片“重力块”和压电晶体做成一个重力感应模块，手机方向改变时，重力块作用于不同方向的压电晶体上的力也随之改变，输出电压信号不同，从而判断手机的方向。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。他可以根据重力感应产生的加速度来推算出手机相对于水平面的倾斜度。

　　MP67B芯片

　　加速度传感器的应用

　　重力感应常用于自动旋转屏幕以及一些游戏，但是它本身局限性比较大，因为他是根据重力判断方向，通过感应重力正交两个方向的分力大小，来判断水平方向。常见的应用加速度传感器的手机app是一些运动型的游戏，如极品飞车。这个时候可以通过重力判断水平垂直防线。

　　（2）光传感器 Ambient Light sensor

　　光传感器的原理

　　在iPhone 6手机上，光传感器芯片选用的是AMS公司的TSL2581芯片。环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。

　　光线感应器由投光器和受光器组成，投光器将光线聚焦，在传输至受光器，最后通过感应器接收变成电器信号。光线感应的用途是可以根据周围环境光线调节手机屏幕本身的亮度。

　　环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。市场出售的有光敏电阻、光敏二极管、光电三极管、硅光电池等。

　　TSL2581芯片

　　光传感器的应用

　　在iPhone 6手机上，显示屏消耗的电量一般高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度。

　　(3)电子罗盘 eCompass

　　电子罗盘的原理

　　从iPhone 3GS开始，iPhone手机中开始内置电子罗盘传感器。在iPhone 6手机中，电子罗盘芯片类型为由AKM公司生产的 AKM 8963芯片。AKM公司生产的电子罗盘传感器芯片一直服务于历代iPhone 手机之中。

　　电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值；向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值；向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。磁场测量范围为±2Gauss。通过采用12位A/D转换器，磁力仪能够分辨出小于1mGauss的磁场变化量，我们便可通过该高分辨力来准确测量出200-300mGauss的X和Y方向的磁场强度，不论是在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位置。

　　AKM8963芯片

　　电子罗盘的应用

　　电子罗盘的应用很广泛，一个简单的使用电子罗盘传感器的实例是iPhone 手机上的指南针app，通过指南针app可以实现在手机不联网的情况下进行指示方向，不依靠地图类app来指路，节省流量，方便快捷。在地图类的app中，电子罗盘也被用来配合设备的GPS和其他位置功能达到指向的功能。

　　(4)距离传感器 Proximity sensor

　　距离传感器的原理

iPhone6上的距离传感器（左边Unknown）

　　通过发射特别短的并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间间隔来计算与物体之间的距离。此方法叫做飞行时间法（flying time）。iPhone上的距离传感器的型号一直未能得知。

　　距离传感器的应用

　　这个传感器能够判断iPhone 6手机距离你有多近，这个传感器的一个作用是当手机贴近耳朵的时候能够自动的关闭屏幕。

　　(5)指纹识别传感器 fingerprint sensor

　　指纹识别传感器的原理

　　在iPhone 6手机中选用的是TMDR 92芯片。苹果手机从iPhone 5s开始支持指纹识别，iPhone 6及iPhone6 plus依旧支持，它的指纹识别传感器的供应商为Authen Tec公司。

　　指纹识别传感器位于iPhone 6手机的HOME键下方，Home键周围的光环也是感应性的，当手指靠近时就能检测到。用户也能很快知道自己的指纹是否正在被扫描而无需点按Home键。iPhone 6手机内的指纹识别传感器是 500dpi的阵列阵列，就这一点，就可以确定是电容式指纹采集方式。然后电容式会有一个问题，也可以算是特征，就是如何让手指带电，以及，如何检测到手指在采集区，并让检测电容阵列带电，（电容阵列一直带电很伤电容的，毕竟是很精密的设备），所以5s的不锈钢圆环就是起这个作用，让手指带电，并且检测到手指接触后，触发电容检测阵列加电。

　　TMDR 92芯片

　　指纹识别传感器的应用

　　指纹识别传感器位于iPhone 6手机的HOME键下方，有了他，用户可以安东home键来进行解锁。有了它，用户可以免输入密码，确保更加安全的操作。最近，支付宝的ios app也已经支持了指纹识别，用户无需输入支付宝开启密码来开启支付宝，也不需要输入支付宝的支付密码，仅仅需要按动iPhone手机的HOME键就能够实现支付的功能。

　　(6)陀螺仪 gyroscope

　　陀螺仪的原理

　　iPhone 手机使用的陀螺仪芯片是Invensens公司的 MPU-6700。陀螺仪从2010年发布的iPhone 4手机开始在iPhone 手机中内置。

MPU-6700顶部和底部封装照片

　　陀螺仪能够同时测定6个方向的位置，移动轨迹，加速。 单轴的只能测量一个方向的量，也就是一个系统需要三个陀螺仪，而3轴的一个就能替代三个单轴的。3轴的体积小、重量轻、结构简单、可靠性好，是激光陀螺的发展趋势。

　　陀螺仪应用

　　它的主要作用是运用在游戏的控制上。通过三轴陀螺仪，我们只需要通过移动手机相应的位置，就可以达到改变方向的目的。比如平衡球游戏或者极品飞车，就是应用了陀螺仪的原理，完全摒弃以前通过方向按键来控制游戏的操控方式，使游戏更加真实，操作更加灵活。

　　（7）气压计 Barometer

　　气压计的原理

　　iPhone 6手机采用的气压计芯片是来自Bosch公司的MBP280芯片。

　　普通的气压计原理是根据气压计里面水银的高度是由大气压支撑，也就是说，大气压有多大，水银柱的液面就会有多高，所以气压计中，水银越高，气压越大。通过水银柱的高度，分割气压计的精确度，就可以来测量当前的气压了。

　　iPhone手机中的气压计类似于现实生活中的这些气压计，不过没有了液体水银，代替的是两个传感器之间的转换来将压力转换成另外一个传感器可以测量的量。

　　MBP280芯片

　　气压计的应用

　　其实气压计的基本作用只是测量大气的压强，更重要的应用是为了尽用三维空间的功用来辅助GPS，通过气压的高低来判断设备的高度，再配合GPS所取得的经度和纬度来更快地计算出设备所在的位置。所以气压计在地图类，使用GPS或天气类的app中也有广泛的应用。

　　在weathersignal app中的应用

　　（8）MEMS麦克风

　　iPhone 5背部使用了第三个麦克风来降噪，可实现高清晰度录像，很快成为业界标准。iPhone 6 Plus也是如此。

　　5上的三个麦克风有一个来自楼氏电子（Knowles Electronics），5S上有两个，6 Plus上却没有发现楼氏的身影，看起来是换供应商了，也可能会影响今明两年的麦克风市场格局。

　　第三个麦克风可辨认出来自意法半导体，MEMS内核来自欧姆龙，封装尺寸3.36×2.54×1.0毫米。

麦克风一

麦克风二

麦克风三

　　另外， 像湿度传感器，相机传感器，声波传感器，触摸屏传感器，温度传感器，压力传感器等，由于它们的资料较少，且实际上如声波传感器，触摸屏传感器已经十分普遍地运用在智能手机上，而温度，湿度传感器与气压传感器功能类似，都属于环境传感器，且属于第一次出现在iPhone 手机上，相关资料相对较少，故不再具体讨论。