Tento článek je desátým dílem našeho seriálu Techbox, ve kterém postupně rozebíráme a vysvětlujeme fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.
V širším slova smyslu je možné za senzory považovat jakýkoli zdroj informací, který předává data do nějaké řídicí jednotky. Této definici by odpovídaly i naše smysly, které předávají přes nervové dráhy informace do mozku, který je naší řídící jednotkou. Nás však senzory zajímají jako převodníky, které měří fyzikální veličiny a tyto informace převádí na elektronický signál. Ten pak využívá elektronické zařízení, v tomto případě mobilní telefon, k vykonávání nějaké činnosti.
S mobilními telefony jsou senzory spojeny od samotného začátku. Vždyť, co jsou mikrofon nebo klávesnice, ať již hardwarová, tak i ta virtuální na dotykovém displeji, než dalšími druhy senzorů. Stejně tak jsou senzory obrazové snímače použité v digitálních fotoaparátech. Dotykovými displeji jsme se věnovali v třetím a čtvrtém díle našeho seriálu. O tom, jak fungují digitální fotoaparáty, jste si mohli přečíst minule.
Dnes se tedy podíváme na zoubek méně viditelným senzorům, ale bez řady z nich, jako je například proximity senzor nebo akcelometr či gyroskop, se dnešní moderní telefony již neobejdou.
Akcelometr: Měříme, s jakým zrychlením se pohybujeme
Jedním ze základních pohybových senzorů v mobilních telefonech je akcelometr, což je přístroj, který měří vibrace nebo zrychlení (akceleraci) při pohybu různých objektů, v tomto případě telefonu. Akcelometry v mobilních telefonech fungují na principu piezoelektrického jevu, což je schopnost krystalu generovat elektrické napětí při jeho deformování. Toto elektrické napětí je přitom dobře měřitelné, protože hmota krystalu zůstává stejná a vytvořený elektrický náboje je tedy úměrný síle, která ho vygenerovala a také zrychlení.
Existují dva základní typy piezoelektrických akcelerometrů. Ten, se kterým se setkáme i v mobilních telefonech, bývá zabudovaný do obvodů telefonu a jeho elektrický náboj je přes FET tranzistor konvertován na napěťový výstup s nízkou impedancí, která je dobře měřitelná běžnými měřicími přístroji. To v případě piezoelektrického akcelometru s vysokou impedancí potřebujete speciální nastavení a přístroje. Proto se používají především ve vývojových zařízeních a v náročných podmínkách, kdy teploty překračují 120 stupňů Celsia a nízkou impedanci tak není možné použít. Impedance přitom můžeme definovat jako zdánlivý odpor součástky a fázový posuv napětí proti procházejícímu harmonickému střídavému proudu na určené frekvenci.
Možnosti využití akcelometrů jsou skutečně široké a setkáváme se s nimi všude kolem nás. Pomocí akcelometru se měří zrychlení automobilů, ale i měření jejich vibrací, stejně jako vibrací budov, strojů, ale i seismické aktivity nebo ve vulkanologii v přístrojích měřících pohyby lávy.
Své nezastupitelné místo má akcelometr i v inerciálních navigačních systémech, což je soustava akcelometrů a gyroskopů, které neodvozují polohu z pozice družic, jako u GPS, ale vzhledem k tomu, že osa gyroskopu zachovává svou pozici k inerciální souřadné soustavě, i v pohybujícím se tělese je možné s pomocí údajů o rychlosti a zrychlení určit přesnou polohu i bez výhledu na oblohu. Toho se hojně využívá například ve zbrojním průmyslu. S inerciální navigací a akcelometry obecně se setkáte například v ponorkách, letadlech nebo raketách.
V elektronice se s akcelometry můžeme potkat i v digitálních fotoaparátech nebo v noteboocích, kde detekují, že notebook padá a v pevných discích se zaparkují hlavy, aby nepoškodily plotny. Na principu akcelometrů fungují i různé krokoměry. V mobilních telefonech zase akcelometr měří nejen zrychlení, ale i orientaci telefonu. To využijete například ve hrách, či různých ovládacích gestech, kdy například pohybem telefonu přeskakujete při přehrávání mezi jednotlivými skladbami nebo pohybem aktualizujete aplikaci.
Barometr: Pomáhá v telefonech rychleji zaměřit nadmořskou výšku
Když řekneme barometr, tak si každý vybaví předpovídání počasí. Jedná se o speciální druh tlakoměru, který měří atmosférický tlak. Pokud je tlak vzduchu vyšší můžeme očekávat jasné počasí, jestliže tlak klesne, čeká nás zhoršení počasí. Kromě předpovídání počasí se barometry druhotně používají i k fyzikálnímu měření výšky v geodézii nebo v letectví.
První barometr vynalezl již v roce 1643 italský fyzik a matematik Evangelista Torricelli (1608 – 1647). Jeho barometr se skládá ze skleněné trubice. Ta je ohnutá a na jednom konci zatavená. Uvnitř trubice je rtuť a tím, jak na ní přes otevřený zahnutý konec působí atmosférický tlak, mění se i její hladina. Čím je tlak vzduch vyšší, tím výš je i její hladina.
Trvalo další dvě století, než barometr vylepšil francouzský vynálezce Lucien Vidi (1805 – 1866). Jeho barometre anéroide (francouzsky: tlakoměr bez kapaliny), pro který se vžilo označení aneroid. Někdy se také nazývá pérový barometr. Jak již naznačuje jeho název. Tento typ barometru může být mnohem menší a zcela se obejde bez jedovaté rtuti. Je tvořen tenkostěnnou kovovou krabičkou, která je hermeticky uzavřena a byl z ní vyčerpán vzduch. Díky tomu se působením atmosférického vlaku deformuje a tyto deformace jsou přenášeny na ručičky, které ukazují velikost atmosférického tlaku na stupnici.
Nejmodernějším typem je pak elektronický barometr, což je v podstatě elektronický tlakový senzor s analogově-digitálním převodníkem. Kromě různých meteostanic nebo outdoorového vybavení pro sportovce si právě elektronický barometr našel cestu i do mobilních telefonů. Jedním z modelů, kde jsme se s ním mohli setkat, byl například v roce 2011 Samsung Galaxy Nexus. Barometr však zde nebyl určen, jak by se mohlo zdát, k předpovídání počasí. Podle tehdejšího vyjádření Googlu byl jeho účel zcela jiný, ale také zajímavý. Pomáhal totiž systému GPS upřesnit nadmořskou výšku, kde se právě nacházíte, a tím i zrychlit zaměření a zafixování polohy. Ke stejnému účelu se však používá i v dalších telefonech.
Gyroskop: Detekuje pohyb i v třetí ose
Druhým neméně důležitým pohybovým senzorem v mobilních telefonech je již zmiňovaný gyroskop. S akcelometrem je spojen tak nerozlučně, že se někdy chybně označují po souhrnným názvem gyroskop nebo pohybový senzor. Stejně jako akcelometr je i gyroskop v mobilu určen k tomu, aby měřil natočení či naklonění přístroje.
Zatímco akcelometr měří lineární zrychlení pohybu, tak gyroskop naproti tomu úhlovou rychlost otáčení. Oba senzory se navzájem doplňují, takže akcelometr sice změří směr, kterým se zařízení pohybuje, ale detekuje pohyb pouze ve dvou osách. Aby telefon dokázal zaregistrovat i pohyb i ve třetí ose potřebuje právě gyroskop. Díky tomu se dále zpřesní určení polohy, v jaké se telefon nachází, a pohybu, který s telefonem provádíte.
Za historií gyroskopů musíme do 19. století. Principy, na jakých gyroskop funguje, objevil v roce 1817 německý astronom Johann Bohnenberger (1765 - 1831). K fyzickému sestrojení gyroskopu však došlo až dlouho po Bohnenbergerově smrti. Za jeho skutečného konstruktéra je považován až francouzský fyzik Léon Foucault (1819 – 1868), který na něm v roce 1852 demonstroval rotaci Země.
Gyroskop bychom mohli popsat jako setrvačník tvořený těžkým kolem otáčejícím se v ložiscích s nepatrným třením, který si po roztočení zachovává polohu osy své rotace v prostoru a dokáže tak určit svou orientaci. Většinou je setrvačník uložený v tzv. Cardanových závěsech, které mu umožňují otáčet se všech třech rovinách. Přitom platí, že čím větší je kolo rotoru nebo otáčky vyšší, tím víc má tendenci zachovat svou osu rotace díky momentu své setrvačnosti (gyroskopický efekt).
Vysoce kvalitní optické gyroskopy se přitom nespoléhají pouze na samotnou setrvačnost, ale k regulaci otáček si pomáhají i optickými snímači, které pracují na principu Sagnacově jevu v kruhovém laseru nebo v cívce optického vlákna. Sagnacův jev vychází se speciální teorie relativity a způsobuje, že v neinerciálních rotujících soustavách se liší rychlost šíření signálu, který v opačných směrech obíhá v uzavřené dráze. Jev byl pojmenován po francouzském fyzikovi Georgesovi Sagnacovi (1869 – 1928), který jej objevil v roce 1913.
Rozmach těchto optických gyroskopů nastává v 70. letech, kdy se objevila potřeba po lepších balistických raketách, které by dokázaly letět k cíli a přesně ho zasáhnout bez komunikace s operátorem. Použití gyroskopů pro vojenské účely je však mnohem širší a našli bychom je například i v torpédech.
V civilní oblasti se gyroskopy hojně využívají u letadel, kde je na jejich základě postaven tzv. umělý horizont, ale používají se i například pro navigaci lodí. Bez gyroskopů bychom mohli zapomenout i na dobývání vesmíru. Kromě satelitů našly například i uplatnění na vesmírné stanici ISS, kde čtveřice gyroskopů umožňuje pohyb solárních panelů.
Pokud si chcete představit setrvačník gyroskopu v mobilním telefonu, nečekejte nic rozměrného s velkým pohybujícím se setrvačníkem. Jejich rozměry se pohybují v řádech milimetrů. Přesto však i takto velké gyroskopy v sobě obsahují pohyblivé drobné součástky, které se při náklonu pohybují, a tím se mění i kapacitance, kterou je možné změřit.
Použití gyroskopů v mobilních telefonech je přitom stále ještě relativní novinkou. Vždyť prvním z výrobců, který přidal gyroskop do mobilního telefonu, byl v roce 2010 Apple, když jím vybavil svůj iPhone 4.
Proximity senzor: Hlídá vzdálenost od překážky
Proximity senzor neboli senzor přiblížení je standardní součástí každého mobilního telefonu s dotykovým displejem. Je to senzor, který je schopen detekovat přítomnost blízkých objektů, aniž by s nimi musel být ve fyzickém kontaktu. Právě on má totiž na starosti, aby při přiblížení telefonu k uchu zhasl displej a nehrozilo tak, že si během hovoru nechtěně uchem zavěsíte.
Někteří výrobci mobilních telefonů však kromě této základní funkce nabídli s pomocí proximity senzoru i něco navíc. Samsung například představil v modelu Galaxy S III funkci Direct Call, která spočívá v tom, že když si při psaní SMS přiložíte telefon k uchu, tak telefon automaticky vytočí číslo, na které právě píšete. Proximity senzor využil i Apple ve svém iPhonu 4S ke spouštění virtuální hlasové asistentky Siri.
Existuje řada různých technologií pro bezkontaktní snímání: elektrické (indukční, kapacitní), optické (IR, laser), magnetické a sonar. Všechny způsoby však pracují na stejném principu. Vysílač vysílá například elektromagnetické pole nebo paprsek elektromagnetického záření, a když ho naruší blízkost nějakého předmětu, přijímač to zaregistruje a vyhodnotí.
V mobilních telefonech se používají optické senzory, které jsou nejlevnější, ale také nejméně vtíravé. Dokáží detekovat přítomnost lidského těla na vzdálenost přibližně pěti centimetrů. Jiné zařízení zase vyžadují jiné senzory. Například kapacitní fotoelektrický senzor se hodí pro plastové cíle. Indukční senzory naopak vyžadují kovové terče.
S proximity senzory jsme se zprvu setkávali pouze při sledování velkých objektů. Na stejném principu fungují například sonary, které používají pro detekci lodí a ponorek odraženého zvuku. První předchůdci sonarů se objevili již před I. světovou válkou, ale právě obě světové války urychlily jejich vývoj.
Druhé světové válce vděčíme i za rozmach obdobné technologie, která však slouží k detekci letadel. Radiolokátor neboli radar, což je anglický akronym pro Radio Detecting And Ranging, používá k zaměření a určení vzdálenosti objektů velmi krátké elektromagnetické vlny, jejichž délky se pohybují v řádech centimetrů nebo decimetrů.
Senzory přiblížení však najdete i v bezpečnostních zařízeních, kde hlídají, zda jsou dveře nebo okna zavřené. Používají se i ve stále populárnějších parkovacích asistentech, kde senzory v náraznících automobilů hlídají vzdálenost od překážky.
Magnetometr: Víte, kde je sever?
Kompas nemusí být pouze zmagnetizovaná střelka, která se volně pohybuje a vždy ukazuje k severu. To na elektronickém kompasu není nic pohyblivého. Ve skutečnosti je založený na měřicím přístroji magnetometru, který měří ve třech osách lokální magnetické pole. To je tvořeno součtem geomagnetického pole a magnetického pole tvořeného okolí. K tomu využívá principy magnetorezistence, což je schopnost materiálu změnit svou hodnotu elektrického odporu vlivem vnějšího magnetického pole.
V praxi to znamená, že se jedná o zmagnetizovaný plíšek, u kterého víme, jaký má za daného proudu odpor při nulového vlivu externího magnetického pole. Změny odporu, ke kterým dochází při změnách magnetického pole, pak dokážeme spolehlivě změřit. Magnetometry přitom můžeme rozdělit na skalární, které měří pouze intenzitu magnetického pole, a vektorové, které měří i jeho směr.
První magnetometr vyrobil již v roce 1833 slavný německý matematik a fyzik Carl Friedrich Gauss (1777 - 1855). Dnes jsou magnetometry široce využívány pro měření zemského magnetického pole a různých magnetických anomálií. Používají se například pro výzkum polární záře nebo při geologickém výzkumu a archeologii, protože dokáží odhalit i skryté neobvyklé útvary v hloubce desítek metrů.
V kosmickém výzkumu se trojosý magnetometr používá v umělých družicích na výzkum magnetosféry nebo tam, kde se vyžaduje, aby byly ostatní přístroje orientovány podle magnetického pole.
Magnetometry se však používají i pro vojenské účely. Dokáží například detekovat ponorky spolehlivěji než sonar. To je také důvod, proč některé země jako například USA, Kanada nebo Austrálie považuje výkonné magnetometry za citlivý vojenský materiál a omezuje jejich distribuci.
Teprve posledních několika letech došlo k takové miniaturizaci a zlevnění magnetometrů, že mohli být začleněny do integrovaných obvodů. Stále častěji se tak používají jako elektronické kompasy nejen v mobilních telefonech, ale i v tabletech, ručních navigacích a další elektronice.
Tyto malé kompasy, které mají rozměry několik milimetrů, jsou obvykle založeny na dvou nebo třech polovodičových snímačích magnetického pole, které poskytují data mikroprocesoru. Ten pak z těchto dat vypočítá správnou polohu s pomocí trigonometrie. Díky tomu telefon vždy ví, kterým směrem je sever a může tak například automaticky natočit mapu, aby odpovídala vaší orientaci.
Senzor okolního osvětlení
Šikovným senzorem, který má své místo vedle proximity senzoru, je i senzor okolního osvětlení. Jeho úkolem je analyzovat úroveň světla a automaticky nastavit úroveň podsvícení displeje. To nejen pomáhá zlepšit čitelnost displeje, ale ve svém důsledku dokáže i ušetřit energii. Nižší jas displeje je totiž méně energeticky náročný než vysoký jas.
Stejně jako optický proximity senzor a další podobné senzory, které detekují světlo, využívá ke své činnosti fotorezistor. Ten je na založen na vnitřním fotoelektrickém jevu. To v praxi znamená, že světlo dopadá na fotovodivou vrstvu, kde foton narazí na elektron a předá mu svou energii. Ten tak opustí svůj atom a pohybuje se jako volný elektron v krystalové mřížce. Čím více volných elektronů vznikne, tím víc se zvýší elektrická vodivost. Naopak odpor klesá v závislosti na intenzitě osvětlení přibližně exponenciálně až o několik řádů.
Fotovodivé vrstvy mohou vznikat buď metodou tlustých vrstev a sintrací neboli spékáním práškových částic, s použitím monokrystalu nebo tenkých vrstev. Právě tenké vrstvy jsou dnes nejčastější metodou, jak vyrábět fotorezistory. Na křemíkovou nebo germaniovou destičku se napaří tenká vrstvička kovu ve tvaru hrabiček. Světlo, pak mění vodivost mezi kovovými vložkami. Použitý kov přitom ovlivňuje, jaké světlo fotorezistor detekuje. To nemusí být pouze ve viditelném spektru, ale i ultrafialové nebo infračervené. Často se při výrobě používá Sulfid kademnatý (CdS) a Sulfid olovnatý (PbS).
Většina současných senzorů okolního osvětlení používá kombinaci několika fotodiod, z nichž každá z nich je citlivá na jinou část světelného spektra a výsledek je dopočítáván. To umožňuje poměrně přesné měření úrovně světla.
Se senzory okolního osvětlení se nesetkáte pouze v mobilních telefonech, kde jimi nejsou vybaveny všechny modely, ale chybí zejména v těch nejlevnějších přístrojích. Používají se i v další elektronice, jako jsou tablety, televizory nebo notebooky.
Méně rozšířené senzory a jejich budoucnost: Dokáže mobilní telefon rozpoznat rakovinu?
Kromě základních senzorů se u některých mobilních telefonů můžeme setkat i s méně obvyklými senzory. Příkladem takového smartphonu je například Samsung Galaxy S4, který je nejrůznějšími senzory našlapán doslova až "po střechu".
Z těch méně exotických můžeme zmínit například teploměr a vlhkoměr, které měří teplotu a vlhkost okolního vzduchu. Naměřené údaje využívají například různé aplikace pro předpověď počasí. Nepotřebujete se tak již spoléhat na internetové předpovědi počasí, ale defacto si nosíte u sebe malou meteostanici. Další aplikací, která hodnoty z teploměru a vlhkoměru využívá, je například aplikace S Health. Ta nabízí nejrůznější funkce pro sledování zdravotního stavu uživatele.
Dalším zajímavým senzorem je senzor pro pohybová gesta, který pomocí infračervených paprsků snímá pohyby Vaší ruky. To umožňuje tak telefon ovládat pomocí pohybových gest.
RGB světelný senzor rozšiřuje možnosti senzoru okolního osvětlení. Ten sice reguluje jas displeje, ale RGB světelný senzor jde ještě dál. Měří podíl množství červeného, zeleného a modrého světla a na jejich základě Galaxy S4 upravuje barevné podání displeje, aby barvy vždy vypadaly, co nejlépe.
Všechny tyto senzory by se časem mohly rozšířit do dalších stále levnějších modelů. Výrobci však nespí a stále vymýšlejí nové funkce a senzory, které by jim umožnily přidat do mobilních telefonů nové funkce a získat tak konkurenční výhodu před konkurencí.
Kdo ví, třeba se za pár let dočkáme mobilních telefonů, které budou vybaveny například detektorem žil, který loni představila japonská společnost Fujitsu. Detektor žil by mohl nahradit všechna možná hesla. Každý člověk má totiž unikátní strukturu žil, podle které je ho možné spolehlivě identifikovat. Testy ukázaly, že je tato metoda daleko přesnější než identifikace otisky prstů, kterou už v minulosti některé mobilní telefony nabídly. Míra chybné identifikace u skeneru žil byla pouze v 0,00008 procentech případů.
To je však pouze slabý odvar toho, co nám nabídnout nanotechnologie. První vlaštovkou je mobilní senzor, který vyvinul Jing Li, který pracuje v pro americkou NASA. Původně se snažil vyrobit senzor, který by sledoval úniky z paliva nosných raket. Jeho senzor je však tak malý, že je ho možné zabudovat do mobilního telefonu a vystačí si s pouhými pěti miliwatty.
Detektor je natolik citlivý, že dokáže analyzovat toxiny ze vzduchu. Může vás varovat, před nebezpečnou koncentrací nebezpečných látek, jako jsou oxid uhelnatý, metan, chlor, amoniak a další.
Dal by se však využít i pro neinvazivní lékařské vyšetření. Stačí, abyste na něj dýchli, a on vám určí, jaké toxiny se nachází ve vašem dechu. Různé toxiny přitom signalizují různé nemoci. Pokud onemocníte cukrovkou, objeví se ve vašem dechu určité množství acetonu a v případě rakoviny plic vydechujete toluen. Pokud máte problémy s ledvinami, objeví se ve vašem dechu čpavek.
To vše je samozřejmě možné odhalit z dechu i v nemocnici s pomocí plynové chromatografie. Ta však vyžaduje rozměrná zařízení a je příliš nákladná. Senzory zabudované do mobilních telefonů by tuto diagnostiku nejen zlevnily, ale i rozšířily.
