1.    引言

手機對社會發展和個人生活的影響深度和廣度，難以想象。沒有了它，任何現代技術史都是缺了頁的書，難以卒讀；沒有了它，任何人的成長故事都像黑白默片，難免遺憾。

2003年有了第一部自用手機。天降一筆“不義之財”，不宜久留，就搭上相同的“血汗錢”，取法乎上，果斷弄了個頂配回來：O₂-D696 Pocket PC，長這樣（圖1），放在今天，顏值也不差吧? 

十五年前作為手機賣點的Pocket PC功能，如今已是智能手機標配，并已經完美地進化成移動數據終端了，而且分布廣泛、數量龐大。

工信部統計，截止2017年6月底，我國擁有移動電話用戶總數13.6億，手機上網用戶突破11億。每部智能手機每天產生約1G的數據。想象一下，利用手機來研究行人步行荷載的頻率范圍，中國人半天的數據就綽綽綽綽有余了。

                                                                                 圖2 我國手機移動互聯網接入流量

數據時代，充分利用規模優勢，必將使中國的很多研究迅速引領世界。

2.    手機中的普通傳感器

伴隨著硬件技術的持續創新以及性能指標的迅速提升，智能手機的綜合功能日益強大。其中，建立在微機電系統技術上的各類內置傳感器，提供了豐富的、全方位的測試功能。

以水果手機為例，內置傳感器大致包括：

    （1）電容觸摸傳感器

電容觸摸傳感器利用人體的電流感應工作，當手指觸摸感應屏時，人體的電場使手指和觸摸屏之間形成一個耦合電容。手指從接觸點吸走一個很小的電流，這個電流分別從觸摸屏四角上的電極流出，流經這四個電極的電流和手指到四個電極的距離成正比，控制器經過精確計算，得出觸摸點的距離，從而實現手指和手機的互動。

                                                                                   圖3 手機電容觸摸傳感器拆解

 

（2）環境光傳感器

環境光傳感器主要由光敏電阻和光電二極管組成。環境光傳感器可以感知周圍光線的變化，告知處理芯片自動調節顯示器亮度，降低產品功耗。

                                                                                 圖 4 手機光線傳感器

（3）距離傳感器

距離傳感器的工作原理基于紅外線傳感器，由一個紅外LED燈和紅外輻射光線探測器構成，位于手機聽筒附近。當手機靠近耳朵時，系統借助距離傳感器感知用戶的通話行為。 

（4）磁力傳感器

磁力傳感器能夠檢測到磁場信息，智能手機上的指南針功能和導航系統等都離不開它。

                                                                                 圖5 電磁傳感器

（5）氣壓傳感器

部分高端智能手機配置有氣壓傳感器，能測量用戶所處地點的大氣壓強。此外，氣壓傳感器能判斷手機所處位置的海拔高度，有助于提高GPS精度。

                                                                                圖6 氣壓傳感器

（6）溫度傳感器

手機中溫度傳感器目的主要在于監測手機內部以及電池的溫度，防止某一部件溫度過高，造成損壞。

 

                                                                                 圖7 配有溫度傳感器的水果手機

（7）指紋傳感器

指紋傳感器是一種保證使用者信息安全的裝置，具有固化的圖像采集和分析能力。

                                                                            圖8 手機指紋傳感器

3.    振動信號測試功能

（1）  MIMU組合

手機用于振動信號的測試主要靠集成的加速度傳感器和陀螺儀傳感器實現，即對六維慣性參數進行測量，稱為“微型慣性測量組合”（Micro Inertial Measurement Unit，簡稱MIMU）。

                                                                                 圖9 水果6內慣性傳感器模塊和三軸加速度傳感器

 MIMU組合可以記錄手機的旋轉、翻轉和晃動等運動姿態，其中加速度傳感器記錄空間中的運動加速度，陀螺儀傳感器則記錄空間中的轉動角速度。

                                                                                   圖10 MIMU記錄手機的運動狀態

（2）  振動信號測試

圖11所示為一般智能手機的測試坐標系系統（局部坐標），坐標軸以及轉動的正方向，紅色箭頭指向為加速度數據的正方向，三軸兩兩垂直且x,y軸所構成的平面與手機屏幕平面平行。內置三軸加速度傳感器可以記錄手機在x,y,z方向上的加速度值，三軸陀螺儀可以記錄手機繞三個坐標軸轉動時的角速度。

                                                                               圖11 振動信號測試坐標

與普通傳感器的使用過程相同，利用手機測試時，需要將手機固定于被測物體上，確保不發生相對滑移，并使手機的某一軸線與振動方向一致，則此軸線上的實測值可作為被測物體此處的加速度。用于人體運動狀態測試時，必需考慮手機坐標系統的位置（圖12），并進行局部坐標到整體坐標的轉換（圖13）。

                                                                        圖12 手機用于人體運動狀態測試

                                                                           圖 13 手機局部坐標軸轉換示意

 

4.    說明

As always, students did all the hard work and I took all the credits，本部分內容主要由研究生潘子葉完成，與這些年輕、熱情、聰明的學生一起工作是非常愉快的經歷。

關于傳感器技術參數和坐標轉換的技術細節見：潘子葉，陳雋，譚寰，基于智能手機的行人荷載測試研究，振動與沖擊，2018年7月，37卷14期，22-29 + 85