智能手机与工程结构振动舒适度研究 - I

1.    引言

手机对社会发展和个人生活的影响深度和广度，难以想象。没有了它，任何现代技术史都是缺了页的书，难以卒读；没有了它，任何人的成长故事都像黑白默片，难免遗憾。

2003年有了第一部自用手机。天降一笔“不义之财”，不宜久留，就搭上相同的“血汗钱”，取法乎上，果断弄了个顶配回来：O₂-D696 Pocket PC，长这样（图1），放在今天，颜值也不差吧? 

十五年前作为手机卖点的Pocket PC功能，如今已是智能手机标配，并已经完美地进化成移动数据终端了，而且分布广泛、数量庞大。

工信部统计，截止2017年6月底，我国拥有移动电话用户总数13.6亿，手机上网用户突破11亿。每部智能手机每天产生约1G的数据。想象一下，利用手机来研究行人步行荷载的频率范围，中国人半天的数据就绰绰绰绰有余了。

                                                                                 图2 我国手机移动互联网接入流量

数据时代，充分利用规模优势，必将使中国的很多研究迅速引领世界。

2.    手机中的普通传感器

伴随着硬件技术的持续创新以及性能指标的迅速提升，智能手机的综合功能日益强大。其中，建立在微机电系统技术上的各类内置传感器，提供了丰富的、全方位的测试功能。

以水果手机为例，内置传感器大致包括：

    （1）电容触摸传感器

电容触摸传感器利用人体的电流感应工作，当手指触摸感应屏时，人体的电场使手指和触摸屏之间形成一个耦合电容。手指从接触点吸走一个很小的电流，这个电流分别从触摸屏四角上的电极流出，流经这四个电极的电流和手指到四个电极的距离成正比，控制器经过精确计算，得出触摸点的距离，从而实现手指和手机的互动。

                                                                                   图3 手机电容触摸传感器拆解

 

（2）环境光传感器

环境光传感器主要由光敏电阻和光电二极管组成。环境光传感器可以感知周围光线的变化，告知处理芯片自动调节显示器亮度，降低产品功耗。

                                                                                 图 4 手机光线传感器

（3）距离传感器

距离传感器的工作原理基于红外线传感器，由一个红外LED灯和红外辐射光线探测器构成，位于手机听筒附近。当手机靠近耳朵时，系统借助距离传感器感知用户的通话行为。 

（4）磁力传感器

磁力传感器能够检测到磁场信息，智能手机上的指南针功能和导航系统等都离不开它。

                                                                                 图5 电磁传感器

（5）气压传感器

部分高端智能手机配置有气压传感器，能测量用户所处地点的大气压强。此外，气压传感器能判断手机所处位置的海拔高度，有助于提高GPS精度。

                                                                                图6 气压传感器

（6）温度传感器

手机中温度传感器目的主要在于监测手机内部以及电池的温度，防止某一部件温度过高，造成损坏。

 

                                                                                 图7 配有温度传感器的水果手机

（7）指纹传感器

指纹传感器是一种保证使用者信息安全的装置，具有固化的图像采集和分析能力。

                                                                            图8 手机指纹传感器

3.    振动信号测试功能

（1）  MIMU组合

手机用于振动信号的测试主要靠集成的加速度传感器和陀螺仪传感器实现，即对六维惯性参数进行测量，称为“微型惯性测量组合”（Micro Inertial Measurement Unit，简称MIMU）。

                                                                                 图9 水果6内惯性传感器模块和三轴加速度传感器

 MIMU组合可以记录手机的旋转、翻转和晃动等运动姿态，其中加速度传感器记录空间中的运动加速度，陀螺仪传感器则记录空间中的转动角速度。

                                                                                   图10 MIMU记录手机的运动状态

（2）  振动信号测试

图11所示为一般智能手机的测试坐标系系统（局部坐标），坐标轴以及转动的正方向，红色箭头指向为加速度数据的正方向，三轴两两垂直且x,y轴所构成的平面与手机屏幕平面平行。内置三轴加速度传感器可以记录手机在x,y,z方向上的加速度值，三轴陀螺仪可以记录手机绕三个坐标轴转动时的角速度。

                                                                               图11 振动信号测试坐标

与普通传感器的使用过程相同，利用手机测试时，需要将手机固定于被测物体上，确保不发生相对滑移，并使手机的某一轴线与振动方向一致，则此轴线上的实测值可作为被测物体此处的加速度。用于人体运动状态测试时，必需考虑手机坐标系统的位置（图12），并进行局部坐标到整体坐标的转换（图13）。

                                                                        图12 手机用于人体运动状态测试

                                                                           图 13 手机局部坐标轴转换示意

 

4.    说明

As always, students did all the hard work and I took all the credits，本部分内容主要由研究生潘子叶完成，与这些年轻、热情、聪明的学生一起工作是非常愉快的经历。

关于传感器技术参数和坐标转换的技术细节见：潘子叶，陈隽，谭寰，基于智能手机的行人荷载测试研究，振动与冲击，2018年7月，37卷14期，22-29 + 85