Sensoren spielen eine entscheidende Rolle für die Informationsgewinnung aus der Umwelt, den Prozessen und Verfahren in der Medizin, der Roboter- und Fahrzeugtechnik, der Haushalt- und Bürotechnik. Kein Bereich der Mess-, Steuer-, Regelungs- und Automatisierungstechnik kann ohne Sensoren verwirklicht werden.
Dank moderner Mikroelektronik und Miniaturisierung werden die Sensoren immer kleiner und leistungsfähiger. So werden sie auch zunehmend in den mobilen Endgeräten eingesetzt und unterstützen die Entwicklung neuer Funktionen und Features. Neue sensorbasierte Interaktionsformen für mobile Endgeräte werden entwickelt, die neben den etablierten Tastatur und Touchscreen verwendet werden können. So können z. B. einige Anwendungen durch die Eigenbewegungen des Gerätes, wie z. B. Nicken, Schütteln oder Drehen, oder durch die Handbewegungen in der Nähe des Gerätes gesteuert werden. Andere Anwendungen „verstehen“ die Sprachkommandos des Nutzers.
Die Auswertung der physikalischen Größe „Bewegung“ spielt insbesondere für die modernen Spielkonsolen eine zunehmende Rolle. Sie dient zur Bestimmung der Bildorientierung, zur Bildstabilisierung und stellt eine Eingabeschnittstelle dar.
Eine Reihe weiterer Sensoren ermöglichen die Realisierung neuer Funktionen und Anwendungen, die zunehmend auch in mobilen Endgeräten eingesetzt werden und die Menschen im Alltag unterstützen.
Dabei umfasst der Begriff „mobiles Endgerät“ ein breites Spektrum der Geräte. Sie reichen von Mobiltelefonen und PDAs über die Diagnosetester und andere Geräte zur mobilen Datenerfassung bis zur Informationstechnik eines Fahrzeugs (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) o.J.). In dieser Seminararbeit werden nur mobile Endgeräte aus dem Unterhaltungselektronik-Bereich betrachtet, wie beispielsweise Mobiltelefone, Smartphones, Tablet-PCs oder E-Book-Reader.
Ziel dieser Seminararbeit besteht darin, einen möglichst umfassenden Überblick über die in mobilen Endgeräten eingesetzten Sensoren zu vermitteln und dadurch eröffnete Anwendungsmöglichkeiten zu beleuchten. Aus dem Grund der Vielzahl der Hersteller und der rasanten Weiterentwicklung der mobilen Endgeräte kann hier kein Anspruch auf Vollständigkeit erhoben werden.
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
2 Grundlagen der Sensorik
3 Sensoren in mobilen Endgeräten
3.1 Berührungssensoren
3.1.1 Resistive Berührungssensoren
3.1.2 Kapazitive Berührungssensoren
3.2 Sensoren zur Positions- und Bewegungserfassung
3.2.1 Beschleunigungssensoren
3.2.2 Lagesensoren
3.2.3 Magnetfeldsensoren
3.2.4 Sensorfusion
3.2.5 Lokalisierungssensoren
3.3 Optische Sensoren
3.3.1 Bildsensoren
3.3.2 Infrarot-Näherungssensoren
3.3.3 Umgebungslichtsensoren
3.4 Akustische Sensoren
3.4.1 Schallsensoren
3.4.2 Ultraschallsensoren
4 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit gibt einen umfassenden Überblick über die in mobilen Endgeräten wie Smartphones oder Tablet-PCs verbauten Sensoren, erläutert deren technische Realisierung und beleuchtet die sich daraus ergebenden Anwendungsmöglichkeiten für den Nutzer.
- Technische Grundlagen und Wirkprinzipien von Sensoren
- Funktionsweise und Differenzierung von Berührungssensoren
- Methoden der Positions- und Bewegungserkennung mittels Inertialsensoren
- Optische Sensorik in Digitalkameras und zur Umgebungsanpassung
- Einsatzmöglichkeiten akustischer Sensoren für Spracherkennung und Gestensteuerung
Auszug aus dem Buch
3.2.1 Beschleunigungssensoren
BESCHLEUNIGUNGSSENSOREN, auch Accelerometer genannt, gehören zu den Inertialsensoren und dienen dazu, die lineare Bewegung des Geräts zu erfassen. Das Erste Newtonsche Gesetz besagt, dass „ein Körper im Zustand der Ruhe oder der gleichförmigen Translation [verharrt], sofern er nicht durch einwirkende Kräfte zur Änderung seines Zustands gezwungen wird“ (Wikipedia 2012). Das Zweite Newtonsche Gesetz besagt, dass „die Änderung der Bewegung einer Masse der Einwirkung der bewegenden Kraft proportional [ist] und nach der Richtung derjenigen geraden Linie [geschieht], nach welcher jene Kraft wirkt“ (Wikipedia 2012). Somit kann die Trägheit einer Masse zur Bestimmung der relativen Änderung von Position und Bewegungsrichtung genutzt werden.
Die Beschleunigungssensoren funktionieren nach dem Prinzip einer Feder und einer darauf befestigten trägen Masse. Bei jeder Bewegung würde sich die Feder senkrecht zur Erdanziehungskraft ausdehnen und zusammenziehen. Messung dieser Federschwankungen ließe die Intensität und die Richtung der Bewegung ermitteln (Hammack 2012).
In einem mobilen Endgerät kommen Beschleunigungssensoren in Form eines Chips zum Einsatz. Dort befinden sich drei Konstruktionen, die jede Bewegung entlang der drei translatorischen Achsen (x-, y- und z-Achse) erfassen. Jede dieser Konstruktionen wird in einem separaten Gehäuse realisiert (Abbildung 3.3).
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einführung: Diese Einleitung erläutert die wachsende Bedeutung von Sensoren in mobilen Geräten aufgrund von Miniaturisierung und beschreibt das Ziel der Arbeit, einen Überblick über diese Technologien zu geben.
2 Grundlagen der Sensorik: Hier werden die Definition eines Sensors sowie die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale wie aktive/passive sowie externe/interne Sensoren dargelegt.
3 Sensoren in mobilen Endgeräten: Dieses Hauptkapitel analysiert detailliert die verschiedenen Sensorklassen – von Berührungs- über Bewegungs- und optische bis hin zu akustischen Sensoren – und deren technische Funktionsweise.
4 Zusammenfassung: Die Arbeit schließt mit einer knappen Übersicht der behandelten Sensortypen und betont deren Rolle bei der intuitiveren Gestaltung der Nutzung mobiler Endgeräte.
Schlüsselwörter
Sensoren, mobile Endgeräte, Berührungssensoren, Beschleunigungssensoren, Lagesensoren, Sensorfusion, Lokalisierung, GPS, Bildsensoren, CMOS, CCD, Infrarot-Näherungssensor, Schallsensoren, Elektretmikrofon, Ultraschallsensoren
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht den aktuellen Stand der Technik bei Sensoren, die in modernen mobilen Endgeräten wie Smartphones und Tablet-PCs verbaut sind.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Die Arbeit fokussiert auf vier Hauptbereiche: Berührungssensoren, Sensoren zur Positions- und Bewegungserfassung, optische Sensoren sowie akustische Sensoren.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, einen möglichst umfassenden Überblick über die in mobilen Geräten eingesetzten Sensortechnologien zu vermitteln und die daraus resultierenden neuen Anwendungsmöglichkeiten zu erläutern.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es handelt sich um eine Literaturanalyse, die technische Funktionsweisen und Konzepte anhand vorhandener Fachliteratur und technischer Dokumentationen systematisch aufbereitet.
Was wird im Hauptteil detailliert behandelt?
Der Hauptteil analysiert die physikalischen Wirkprinzipien der Sensoren, wie beispielsweise kapazitive vs. resistive Touchscreens oder CCD- vs. CMOS-Bildsensoren, sowie deren jeweilige Vor- und Nachteile.
Durch welche Schlüsselwörter lässt sich die Arbeit charakterisieren?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Sensortechnik, mobile Endgeräte, Sensorfusion, MEMS, Gestensteuerung und Satellitennavigation beschreiben.
Wie unterscheidet sich ein kapazitiver von einem resistiven Berührungssensor?
Ein resistiver Sensor reagiert auf Druck und benötigt keine Leitfähigkeit, während ein kapazitiver Sensor die Kapazitätsänderung durch eine Berührung mit einem leitfähigen Gegenstand (wie dem Finger) auf einer Glasoberfläche misst.
Welchen Vorteil bietet die Sensorfusion bei der Bewegungserfassung?
Die Sensorfusion kombiniert Daten verschiedener Sensoren (Beschleunigung, Lage, Magnetfeld), um Messfehler einzelner Typen auszugleichen und eine präzisere Bewegungsinterpretation zu ermöglichen.
Was ist der Dopplereffekt im Kontext der Gestenerkennung?
Der Dopplereffekt wird genutzt, um Frequenzänderungen reflektierter Ultraschallwellen auszuwerten, wodurch die Bewegung einer Hand in Richtung oder weg von einem Gerät detektiert werden kann.
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- Maria Astafjeva (Author), 2012, State of the Art: Sensoren in mobilen Endgeräten, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/202648
