Die meisten Smartphones sind kippsensitiv, aber welches Gerät macht dies möglich? Zusätzlich wie funktioniert es (und die damit verbundenen Sensoren) arbeiten?
Da die Funktionsweise dieser Sensoren mit ziemlicher Sicherheit auf dem Vorhandensein eines externen Gravitationsfelds (z. B. der Erde) beruht, stellt sich auch die zweite Frage: Behalten Smartphones ihre Neigungsempfindlichkeit unter Schwerelosigkeit bei (hypothetisch) Bedingungen?
(Vor kurzem habe ich ein Flugsimulatorspiel auf meinem Handy gespielt ... die Tatsache, dass das Flugzeug so gut auf Kippen reagierte, hat mich überrascht; daher der Drang, diese Frage zu stellen)
Extras:
Ich habe mir selbst Gedanken darüber gemacht, also werde ich das auch hier aufstellen. In jeder Hinsicht endete meine Frage nach dem zweiten Absatz, aber was ich danach hinzugefügt habe, könnte dazu beitragen, eine Antwort zu finden, die zu meinem derzeitigen Verständnis der Physik passt.
Ich bin zurzeit in der Highschool und wenn ich mich recht entsinne, gibt es sechs Freiheitsgrade für ein Teilchen in einem kartesischen 3D-System. Nach meiner Erfahrung mit der Flugzeugsimulator-App scheinen Smartphones Bewegungen in nur drei Freiheitsgraden zu erkennen: Neigen, Rollen und Gieren
Sprechen von neigungsempfindlichen Sensoren: Die Methode I übernehmen diese Sensoren / Wandlern arbeiten, ist durch die sehr kleinen Änderungen in potenzielle Energie Erfassen (das kann sich als kleinräumige Bewegung von einigen winzigen Komponenten des Sensors manifestieren) , die mit dem zugeordneten Änderung der räumlichen Ausrichtung des Telefons.
So wie ich es sehe, würde ein solcher Sensor bewegliche Teile erfordern und kann nicht einfach ein weiterer Chip auf einer Leiterplatte sein.
Unter diesen Umständen würde ich wahrscheinlich mindestens 3 Sensorpaare (ein Paar in jeder der drei Koordinatenachsen) benötigen, wenn ich ein kippsensitives Gerät bauen müsste, das geringfügige Änderungen der potenziellen Gravitationsenergie wahrnimmt. Auch zu sehen , wie sehr empfindlich mein Smartphone zu kippen zu sein scheint, würde ich eine lächerlich große Vorrichtung zu bauen, wobei jeder Sensor in einem Paar mehr Meter voneinander entfernt platziert Neigungsempfindlichkeit vergleichbar mit dem von meinem Handy zu erreichen.
Smartphones haben jedoch Abmessungen, die kleiner sind als die eines typischen Sandwichs. Daher ist es offensichtlich nicht der Fall, dass "Sensoren in einem Paar in einem Abstand von mehreren Metern angeordnet sind", abgesehen davon, dass sie unpraktisch sind.
^ Ich habe darüber geschimpft, damit Sie ein Gefühl für meine echte Ratlosigkeit in der folgenden Unterfrage bekommen:
Warum sind diese Sensoren trotz ihrer geringen Größe so empfindlich?
Antworten:
Sie haben gewissermaßen recht. Diese Sensoren benötigen bewegliche Komponenten. Sie sind jedoch ein Chip auf Ihrem Board.
Tiltsensoren (eigentlich Beschleunigungsmesser) und Gyroskope (und Drucksensoren, ...) gehören zu einer Familie namens MEMS: Mikroelektromechanische Systeme.
Mit ähnlichen Techniken, wie sie bereits in der Herstellung von integrierten Schaltkreisen üblich sind, können wir erstaunliche kleine Geräte herstellen. Wir verwenden die gleichen Prozesse wie das Abätzen von Dingen, das Abscheiden neuer Schichten, das Wachsen von Strukturen usw.
Dies sind unglaublich kleine Geräte. Dies ist ein Beispiel für ein Gyroskop:
Link zur Original-Website.
Die meisten dieser Funktionen arbeiten mit der Erfassung von Kapazitätsänderungen. Ein Kreisel würde die Änderungen aufgrund der Drehung spüren (das große Ding auf dem Bild würde sich um die Mittelachse drehen. Dies würde die winzigen Zähne, die verschachtelt sind, näher zusammenbringen und die Kapazität erhöhen. Beschleunigungsmesser arbeiten nach einem ähnlichen Prinzip. Diese Zähne können in der rechten unteren Ecke des zweiten Bildes entdeckt.
Was ist mit der Schwerelosigkeit?
Es würde sich nicht viel an der Funktionsweise der Geräte ändern. Sie sehen, Beschleunigungsmesser arbeiten, indem sie die Beschleunigung erfassen. Der Schlüssel ist jedoch, dass die Schwerkraft für sie gleich ist - es fühlt sich nur so an, als würden Sie die ganze Zeit auf 1G beschleunigt. Sie benutzen diese "Konstante", um eine Vorstellung davon zu bekommen, wo "unten" ist. Dies bedeutet auch, dass die Chips zwar in Mikrogravitation einwandfrei funktionieren, Ihr Telefon jedoch nicht - es wird verwirrt, da scheinbar kein "down" vorliegt.
Schnelle Ergänzung, um einen (sehr guten) Punkt anzusprechen, den Benutzer GreenAsJade anspricht: Wenn Sie sich die allgemeinen Definitionen von Gyroskopen in Quellen wie Wikipedia ansehen, werden sie häufig als etwas beschrieben, das sich wie eine sich drehende Scheibe verhält. Die obigen Bilder scheinen keine sich drehenden Teile zu haben. Was ist damit?
Sie lösen dies, indem sie die Rotation durch Vibration ersetzen . Das scheibenförmige Objekt in den Bildern ist hier nur mit sehr dünnen und flexiblen Strukturen mit der Mittelachse verbunden. Diese Scheibe vibriert dann mit hoher Frequenz um ihre Achse. Wenn Sie die gesamte Struktur entlang eines Winkels bewegen, versucht die Scheibe, diesem Widerstand dauerhaft zu widerstehen - ähnlich wie bei einem klassischen Gyroskop. Dieser Effekt wird als Coriolis-Effekt bezeichnet . Durch Erfassen des Neigungsbetrags der Scheibe im Vergleich zu dem umgebenden festen Material kann gemessen werden, wie schnell sie sich dreht.
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Das sensorische Gerät ist ein Gewicht auf einer Feder. Es ist in der Tat "Bewegung in kleinem Maßstab einiger winziger Komponenten des Sensors" und es ist auch "ein weiterer Chip auf einer Leiterplatte".
Das Schlüsselwort hier ist MEMS . Es ist möglich, kleine Siliziumstrukturen aufzubauen und dann unter ihnen wegzuätzen, wobei ein frei schwebendes Stück verbleibt. Wenn das Stück lang und dünn ist, verformt es sich unter der Schwerkraft (oder einer Beschleunigung) um einen Betrag, der proportional zum Elastizitätsmodul ist. Die Positionsänderung beeinflusst die Kapazität zwischen dem beweglichen Teil und den umliegenden stationären Teilen, die elektronisch gemessen werden kann.
Im Allgemeinen haben sie nur einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser. Eine bessere Präzision kann durch Hinzufügen von Gyros oder eines anderen Beschleunigungsmessers erreicht werden, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind. Nintendo tat dies mit Wiimote-Add-Ons.
Viele Telefone auch enthalten ein Magnetometer, die Sie vage sagt , wo der magnetische Norden an das Telefon relativ ist, obwohl die Kalibrierung auf diese schlecht zu sein tendiert.
Adressierung bestimmter Teile der Frage:
MEMS-Beschleunigungsmesser. Packung mit wenigen Millimetern quadratischen Chips, Menge höchstens 0,50 USD.
Nicht genau. Sie haben keinen passenden Referenzvektor mehr. Sie können jedoch immer noch Beschleunigungen erkennen. Wenn Sie also eine dieser "Lichtschwert" -Apps haben und sie herumwedeln, funktioniert dies auch auf der ISS. Aber weder Sie noch das Telefon haben eine klare Vorstellung von "up".
(Das Raspberry Pi Kit hat einen Beschleunigungsmesser und eine Reihe von Programmen, die von Schulkindern geschrieben wurden. Es gibt also mit ziemlicher Sicherheit ein Video, das dies irgendwo demonstriert.)
Die Rohausgabe eines 3-Achsen-Beschleunigungsmessers ist ein Vektor von 3 Werten, gemessen in m / s ^ 2. Die Größe dieses Vektors beträgt normalerweise etwa 1 g, aber die Richtung variiert. Bei einem stationären Telefon zeigt es nach unten. Wenn Sie es bewegen, ändert der Beschleunigungsvektor die Richtung. Wenn Sie fallen das Telefon, das heißt es das gleiche wie ein Telefon auf einem umlaufenden Handwerk, wäre in den freien Fall geht dann geht der Betrag auf nahezu Null. Dies lässt die Richtung des Vektors wild schwingen und sich in Rauschen verwandeln.
Die Verwendung von Beschleunigungsmessern als Sturzdetektoren für die Sicherheit von Festplatten wurde vor etwa einem Jahrzehnt von Macbooks populär gemacht. Die Leute fanden andere Verwendungszwecke für sie .
Ausführlicher beantwortet durch andere Antworten.
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Theoretisch könnte ein Telefon oder Tablet in der Internationalen Raumstation (ISS) genauso gut funktionieren wie hier vor Ort.
Lassen Sie uns das etwas aufschlüsseln.
Es gibt zwei Arten von Bewegungen, die ein Gerät erkennen muss.
Lineare Bewegung
In sich geschlossene Beschleunigungsmesser verwenden die Abweichung einer federgekoppelten Masse von einem normalen Ruhepunkt als Maß für die Beschleunigungskraft in dieser Achse. Offensichtlich benötigen Sie drei davon, um Bewegungen in einer beliebigen Achse zu erkennen.
Wenn Sie diese Kräfte kennen und nachverfolgen, können Sie die Geschwindigkeit und die Fahrtrichtung des Geräts vom ursprünglichen Ort des Einschaltens aus "totberechnen". Berücksichtigen Sie eine genaue Uhr, und Sie können auch die aktuelle Position ermitteln.
Das hört sich einfach an, aber die Mathematik ist recht komplex und Fehler im System verursachen eine Abweichung im Laufe der Zeit.
Drehung
Die Drehung ist offensichtlich eine Drehung um eine beliebige Achse.
Spin-Sensoren
Die Drehung kann mit einem Gyroskop oder einem Spin-Sensor gemessen werden. Diese Vorrichtungen haben wiederum eine lose gekoppelte Masse, die sich frei drehen kann oder in einer bestimmten Achse angetrieben wird. Wenn sich der Körper Ihres Geräts dreht, können Sie anhand der Differenz zwischen den Drehungen ablesen, um wie viel sich das Gerät dreht.
Spinsensoren und Gyroskope interessieren sich nicht für die Schwerkraft, außer vielleicht einigen Reibungsunterschieden.
Schwerkraftbezogene Beschleunigungsmesser-Drehung
Da Beschleunigungsmesser die Kraft messen, die auf eine lose aufgehängte Masse wirkt, kommt es natürlich zu einer Durchbiegung der Feder aufgrund des Gewichts der Masse aufgrund der Schwerkraft, wenn dieser Sensor senkrecht zur Erde steht. Dieser Offset wird von der Software mathematisch entfernt, um den Beschleunigungsteil zu extrahieren.
Da die dreiachsigen Beschleunigungsmesser jedoch in Abhängigkeit von ihrer Ausrichtung unterschiedliche Offsets erzeugen, ist es möglich, den Spin anhand der Differenz der Offsets mathematisch zu erfassen.
Obwohl diese Methode funktioniert, unterliegt sie Abweichungen in G. Sie würde im Weltraum nicht funktionieren. Es wäre auch in einem Manöverflugzeug deutlich weniger funktionsfähig. Sogar ein Auto, das mit hoher Geschwindigkeit eine enge Kurve fährt, kann problematisch sein.
Beschleunigungsmesser-Spinerkennung
Mit zwei Sätzen ausreichend empfindlicher Beschleunigungsmesser ist es möglich, den Spin anhand der Beschleunigungsdifferenz zwischen den Beschleunigungsmessern zu erfassen.
Da sich jeder Beschleunigungsmesser relativ zum anderen bewegen muss, gibt es zwischen den beiden einen Unterschied in der Beschleunigung in dieser Achse. Diese Werte können wiederum mathematisch verwendet werden, um den Spin vorherzusagen.
Diese Methode wird NICHT durch die Schwerkraft beeinflusst.
Funktioniert IHR Telefon oder Tablet auf der ISS?
Wie Sie oben sehen können, hängt es wirklich davon ab, welche Methoden Ihr Gerät verwendet.
Technisch könnte es dazu gebaut und programmiert werden. Möglicherweise müssen Sie es herunterfahren und erneut einschalten, um es neu zu kalibrieren. Mit den richtigen Systemen sollte es jedoch einwandfrei funktionieren. Zumindest für das "Flugzeugsimulationsspiel".
Drift kann jedoch ein größeres Problem auf der ISS sein. Da Telefone in normalem G die Fähigkeit haben, zu wissen, in welcher Richtung "down" ist, können sie sich im Laufe der Zeit neu einstellen. Eine weltraumgestützte Einheit müsste gelegentlich manuell zurückgesetzt werden, um die "normale" Richtung anzuzeigen.
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Alle Kommentare und Antworten sind großartig, damit Sie verstehen, wie es möglich ist. Aber hier ist etwas, das Ihnen hilft zu verstehen, wie es in realen Produkten umgesetzt wird.
Dies ist ein winziger IC (3x3x1 mm!) Von InvenSense. Es verfügt über einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser (für die seitliche Bewegung), ein dreiachsiges Gyroskop (für die Drehung) und einen dreiachsigen Magnetometer (wie eine Kompassnadel). Es hat internen Code, der die komplizierte Mathematik erledigt. Es braucht fast keinen Strom. All dies für 10 US-Dollar in Einzelmengen.
Dies ist nur ein Beispiel. Es gibt mehrere Unternehmen, die ähnliche Produkte herstellen. Einige sind genauer als andere, andere sind billiger, die meisten haben kein Magnetometer usw.
Habe Spaß!
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Dies ist ein seltener Fall auf der Electronics-Website, bei dem keine der Antworten die Frage klar und deutlich beantwortete!
Die Antwort ist:
Sie behalten (auf Hardwareebene) die Fähigkeit zur Erkennung von Neigungen bei , können jedoch keine Neigungen mehr erkennen .
Des Weiteren,
Auf der Ebene der App-Software würden tatsächlich fast alle (sehr wahrscheinlich "alle") App-Software-Schreiber den Eckfall der Schwerelosigkeit nicht berücksichtigen, so dass die Kreiselbeschleunigungsfunktionen sehr wahrscheinlich insgesamt verrückt wirken würden die meisten / alle aktuellen Apps.
In Bezug auf die Funktionsweise von Gyros / Accels in Telefonen können Sie die APIs für diese auf den beiden Plattformen einfach googeln ( Beispiel ).
Beachten Sie jedoch, dass alle Betriebssysteme zum Zeitpunkt des Schreibens in der Praxis die Gyro / Accel-Funktionen der niedrigeren Ebene in eine Art praktischen Motion Manager der höheren Ebene einbinden:
Accels / Gyros werden tatsächlich auf Betriebssystemebene zusammengefasst
Also in der Tat ...
In der Praxis würde es für jede ziemlich neu geschriebene App (wenn man bedenkt, dass etwa 25% der Apps im Store verfallen sind / nicht regelmäßig aktualisiert werden) darauf ankommen, wie das Apple-Team, das sie geschrieben hat (in ihrem Fall) "Coremotion" behandelte (wenn überhaupt!) Den Fall der Schwerelosigkeit. (Es gibt eine ähnliche Situation für Android).
Und für Spiele als solche ...
Heutzutage wurde fast jedes Spiel, das Sie auf einem Telefon spielen, in Unity3D erstellt und nicht als native App. (Und in der Regel handelt es sich bei 90% (mehr?) Der Apps, die die accel / gyros verwenden, nur um Spiele.) Tatsächlich handelt es sich also (auf allen Plattformen) um Software-Writer Verwenden der Unity-Ebene von Software-Wrappern .
Daher würde das tatsächliche Verhalten im extremen Eckfall der Erdumlaufbahn davon abhängen, was diese Leute getan haben, als sie das geschrieben haben.
Ein verwirrender Punkt ...
das wurde nicht geklärt. Wenn Sie Software für Telefone schreiben, ist es völlig normal, dass Sie sich für kurze Zeit mit der Schwerelosigkeit auseinandersetzen müssen. Das heißt, wenn sich das Telefon im freien Fall befindet . Wenn Sie also eine der (Hunderten von) Apps für Skateboarder, Skifahrer oder ähnliches erstellen, die die Wartezeit misst, ist dies eine Selbstverständlichkeit.
Gyros wurden um 2010 mit Telefonen bekannt gemacht; Accels waren von Anfang an dabei.
Ein französisch / italienisches Unternehmen namens STMicroelectronics stellt die meisten Gyros sowohl für Apple als auch für Samsung her.
In Bezug auf Beschleunigungsmesser haben die meisten Handys jetzt ein paar von ihnen, da es auf diese Weise besser funktioniert. Ich habe gehört, dass es eine größere Auswahl an Anbietern von Beschleunigungsmessern gibt (Bosch usw.).
Sie können buchstäblich MEMS Gyros oder Accels kaufen , wenn Sie beispielsweise ein elektronisches Spielzeug herstellen, das eine solche Funktion enthält.
Um es noch einmal zu wiederholen: Die grundlegende schnelle Antwort auf die gestellte Frage lautet:
Bei "Null g" behalten sie (auf Hardwareebene) die Fähigkeit zur Erkennung von Neigungen bei , können jedoch keine Neigungen mehr erkennen .
In Bezug auf die Software,
es würde mit ziemlicher Sicherheit "völlig scheitern!" im verrückten Fall "Du bist in der Umlaufbahn". Da kein Gane- oder App-Ingenieur (ich weiß) so abgedreht wäre, dass er diesen Fall abdeckt, aber vergiss nicht ...
Es ist völlig normal, "Schwerelosigkeit" zu haben .. während kurzer Phasen des freien Falls (dies gilt als alltägliche Angelegenheit, wenn Sie eine dieser "Action-Sport-Apps" erstellen).
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Ich denke, sie könnten ein Sagnac-Interferometer in Smartphones verwenden. Ein Sagnac-Interferometer ist ein Gerät, das im Ruhezustand ein konstantes Interferenzmuster erzeugt und dessen Muster sich ändert, wenn der Aufbau gedreht wird.
Wenn also 3 solcher Interferometer platziert werden, können wir die Drehung um alle 3 Achsen messen.
Sagnac-Interferometer sind sehr klein und bestehen aus Lichtleitfasern, die Licht leiten, einer Lichtquelle (kohärent) und einem Detektor.
Natürlich sollte es vor Gebrauch kalibriert werden.
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