Что значит тактильный сенсор
СОДЕРЖАНИЕ
Использует
Тактильные датчики появляются в повседневной жизни, например, кнопки лифта и лампы, которые тускнеют или становятся ярче от прикосновения к основанию. Также существует бесчисленное множество приложений для тактильных датчиков, о которых большинство людей даже не подозревает.
Датчики, которые измеряют очень небольшие изменения, должны иметь очень высокую чувствительность. Датчики должны быть сконструированы таким образом, чтобы оказывать небольшое влияние на измеряемые параметры; уменьшение размера датчика часто улучшает это и может дать другие преимущества. Тактильные датчики можно использовать для проверки производительности всех типов приложений. Например, эти датчики были использованы в производстве из автомобилей (тормоза, сцепления, дверных уплотнений, прокладок ), батареи ламинирования, болтовых соединений, топливных элементов и т.д.
Тактильная визуализация как метод медицинской визуализации, преобразующий осязание в цифровое изображение, основана на тактильных датчиках. Тактильное отображение близко имитирует ручную пальпацию, поскольку зонд устройства с массивом датчиков давления, установленным на его лицевой стороне, действует аналогично человеческим пальцам во время клинического обследования, деформируя мягкие ткани зондом и обнаруживая возникающие в результате изменения в характере давления.
Несколько классов тактильных датчиков используются в роботах на войне и в технике. Некоторые методы одновременной локализации и картографии основаны на тактильных датчиках.
Матрицы датчиков давления
Розетки тензометрических датчиков
Тактильные сенсоры с биологическим вдохновением
Было предложено множество биологически вдохновленных конструкций, начиная от простых датчиков типа усов, которые измеряют только одну точку за раз, с помощью более совершенных датчиков, похожих на кончики пальцев, до полных датчиков, похожих на кожу, как на последнем iCub (необходима ссылка). Тактильные сенсоры, основанные на биологическом опыте, часто включают в себя несколько стратегий восприятия. Например, они могут обнаруживать как распределение давлений, так и структуру сил, которые будут исходить от массивов датчиков давления и розеток тензодатчиков, обеспечивая двухточечную дискриминацию и измерение силы с человеческими способностями.
Усовершенствованные версии биологически разработанных тактильных датчиков включают в себя определение вибрации, которое было определено как важное для понимания взаимодействия между тактильным датчиком и объектами, когда датчик скользит по объекту. Такие взаимодействия теперь считаются важными для использования человеком инструментов и оценки текстуры объекта. Один из таких датчиков объединяет определение силы, вибрации и теплопередачи.
Тактильные датчики DIY и открытого оборудования
Как работает сенсорный экран смартфона?
Содержание
Содержание
Сенсорные экраны, без которых невозможно представить современный мир, впервые появились в мобильных устройствах в далеком 1994 году, когда в продажу вышел уникальный для своего времени телефон IBM Simon. Но сенсорные тачскрины далеко не сразу полюбились массовому пользователю, так как поначалу их отзывчивость и энергоэффективность оставляли желать лучшего. Устройства, оснащенные экранами, которые реагируют на нажатия, нельзя было назвать доступными по цене.
Но времена меняются. К 2020 году наблюдается следующая тенденция — некоторые кнопочные телефоны и смартфоны могут стоить даже дороже бюджетных аналогов с сенсорным экраном. Производство тачскринов стало максимально бюджетным, хотя многое зависит от типа используемой матрицы. Пользоваться экранами стало значительно удобнее. О том, как развивались сенсорные экраны, какие их виды существуют на сегодняшний день и что, предположительно, нас ждет в будущем, вы можете прочитать в нашей статье, а также посмотреть видео на эту тему.
Резистивные экраны
Именно экран с резистивным принципом определения координат стал первым в мире (если рассматривать коммерческие решения), с помощью которого стало возможно управлять техникой. Изобретено такое решение было ещё в 70 году прошлого века — во времена, когда смартфоны если и существовали, то только в виде идеи, реализация которой станет доступна спустя пару десятков лет.
Принцип работы резистивного экрана, изобретённый физиком Джорджом Сэмюэлем Херстом и его коллегами, заключается в наличии над матрицей двух электропроводящих резистивных слоев и находящихся между ними микроизоляторов, равномерно распределенных по всей области экрана. При нажатии на дисплей слои замыкаются, при этом меняется сопротивление, которое регистрируется аналогово-цифровым преобразователем, принимая вид координат прикосновения по осям X и Y. Это позволяет определить в каком месте было совершено нажатие. Главным плюсом резистивного тачскрина считается его всеядность — он реагирует на прикосновения любых предметов, но и недостатков у такого экрана хватает, из-за чего он давно не используется в смартфонах.
Минусы:
При этом в разное время были и примеры сравнительно хороших резистивных экранов с отличным позиционированием, а ещё такие экраны надежно работают на холоде и в жару.
Емкостные экраны
Это может показаться удивительным, но первые емкостные дисплеи, которые используются в современных смартфонах, появились раньше резистивного варианта, уже практически не встречающегося в мобильной технике. Принято считать, что емкостный экран был создан англичанином Эриком Джонсоном из Royal Radar Establishment. Разработанный экран реагировал именно на прикосновения пальцев или других токопроводящих предметов, но долгое время использовался в основном авиадиспетчерами. Недостатки технологии заключались в отсутствии поддержки более одного касания и в сложности использования в массовых устройствах.
Впервые в смартфонах поддержка более одного нажатия, или мультитача, стала доступна в аппарате Iphone первого поколения, который начал продаваться в 2007 году. Многочисленные пользователи сразу оценили удобство и сравнительно хорошую отзывчивость дисплея. Не будет преувеличением написать, что именно Iphone стал убийцей кнопочных смартфонов, которые постепенно начали вымирать, даже противникам сенсорных экранов не оставалось ничего иного, как смириться с этим явлением.
Преимущества емкостного тачскрина вполне очевидны, если вам приходилось пользоваться его резистивным аналогом, до сих пор применяемым в некоторых банкоматах и различных автоматах для покупки билетов, еды, напитков и т. п. Прежде всего, для распознания нажатия не нужно слишком сильно давить на экран, хотя современные стекла в этом плане достаточно прочны. Также в последние годы почти во всех смартфонах отказались от использования экранов с воздушной прослойкой, хотя исключения есть не только в ультрабюджетном сегменте. К примеру, прослойка есть в девайсе Armor 3 WT, стоимость которого превышает 20000 рублей.
К тому же интерфейс мобильных устройств с емкостным тачскином, как правило, хорошо оптимизирован под управление только лишь пальцами, за исключением некоторых старых моделей смартфонов, уже снятых с производства и с продажи. Но в случае необходимости можно воспользоваться емкостным стилусом для рукописного ввода текста или работы и изображениями. Также в некоторых моделях, к примеру, в аппаратах Samsung Galaxy Note, применяется стилусы, передающие сигнал через Bluetooth, а не нажатия на экран, и, по слухам, в будущем будет использоваться Wi-Fi-соединение для еще большей дальности связи.
Современные емкостные дисплеи вовсе не такие хрупкие, какими их принято считать, и хотя почти все экраны не переносят или с трудом переносят падения с большой высоты, но даже трещины на стекле в большинстве случаях не приводят к поломке сенсорного слоя. Поэтому все еще остается возможность управляеть девайсом через экран.
Правда, есть проблемы с работой при низкой температуре окружающей среды и с попаданием воды на экран, приводящей к случайным нажатиям и проблемам с управлением, так как жидкость обладает токопроводящими качествами. Из-за попадания капелек воды сенсор нередко считает, что его коснулись пальцем — это происходит из-за похожего сигнала, который имеет достаточную силу и не отсекается устройством.
Проблема привела к тому, что даже в защищенных от воды смартфонах делают специальный режим подводной съемки, при котором любые нажатия на экран перестают распознаваться, а управление камерами переносится на различные кнопки. Чаще всего это качелька регулировки громкости.
В ближайшее время проблема может решиться: уже состоялись презентации смартфонов с сенсорами, которыми можно полноценно управлять даже под водой, но о повсеместном использовании пока говорить не приходится. О патенте, в котором описывается метод работы сенсора под водой, можно прочитать здесь, но работа над этой технологией прекращена.
О режиме работы в перчатках
В большинстве случаев емкостными экранами не получается пользоваться в перчатках или с любыми не проводящими ток предметами, но некоторые смартфоны имеют так называемый режим работы в перчатках. Реализован этот режим на уровне софта, путем многократного повышения чувствительности сенсорного слоя — он может встретиться и в бюджетных смартфонах, к примеру, в Ulefone Armor X7 или Neffos C9, поэтому не стоит считать его особенностью дорогих моделей.
При этом если перчатки тонкие, а нажатия сильные, и если в смартфоне не используется дополнительное защитное стекло, то чувствительности экрана может хватить, так как с развитием технологий дисплеи становятся всё более отзывчивыми.
Что еще влияет на чувствительность сенсора?
Во многом чувствительность сенсорного слоя зависит и от того, сколько одновременных нажатий поддерживает тачскрин, и проверить это может любой пользователь путем установки софта MultiTouch Tester или его аналогов. В бюджетных моделях, у которых мультатач воспринимает всего два касания, чаще всего возникают проблемы с точностью позиционирования. Также распространены более точные мультитачи на 5 и 10 касаний. А вот вариантов на 3 касания на самом деле не существует, хотя вы можете обнаружить подобный в своём устройстве или в некоторых обзорах смартфонов. Три касания отображаются из-за реализации таких функций, как снятие скриншота свайпом тремя пальцами и других возможностей, связанных с наэкранными жестами, но такое поведение встречается в единичных моделях. Не нужно считать, что мультитач на 10 касаний является избыточным — хотя использовать все 10 пальцев при реальных сценариях использования никогда не приходится, но отзывчивость экрана и точность нажатий от этого только увеличатся.
В последнее время в характеристиках некоторых смартфонов стало принято указывать частоту опроса сенсорного слоя, которое не стоит путать с частотой обновления экрана. Значение может составить и 270 Гц, как в смартфоне Xiaomi Black Shark 3, и нужно полагать, что это предел только на момент написания статьи. В теории, если это не маркетинговая уловка, более высокая частота опроса ускоряет реакцию смартфона на прикосновения, положительно влияя на отзывчивость.
Какие еще виды сенсорных дисплеев существуют?
Емкостные экраны благодаря своей универсальности стали самыми распространенными в смартфонах и планшетах, тогда как другие тачскрины не прижились именно в мобильной технике из-за своих недостатков. Долгое время считалось, что на смену емкостным тачскринам придут волновые (и до сих на эту тему появляется много статей), которые могут учитывать силу нажатия и пропускают больше света.
Но они не стали, и, вполне вероятно, не станут популярными, так как их пока нельзя использовать в моделях с загнутыми боками или с раскладными экранами. Поэтому интересно будет узнать о том, как разработчики пытаются дополнить возможности емкостной технологии.
Настоящее и будущее емкостных тачскринов
Один из самых интересных примеров переосмысления сенсора еще в 2012 году представила компания Sony, выпустившая на рынок смартфон Xperia Sola с технологией Floating touch, что в дословном переводе означает «парящее касание». Особенность Floating touch состоит в том, что пользователь может управлять экраном без прикосновения к нему, с расстояния примерно до 22 мм. Для этого использовался отдельный датчик, но работу функции нельзя было назвать идеальной, и, к тому же, изначально экран в воздухе реагировал только при работе с браузером и с живыми обоями. Возможно, именно поэтому Floating touch нельзя обнаружить в современных девайсах.
Проводятся эксперименты и по управлению с помощью слежения за лицом и за жестами в воздухе, которые фиксирует фронтальная камера, как это случилось в серии смартфонов HUAWEI Mate 30.
Такой способ управления может стать популярным в будущем, но пока камера не всегда фиксирует некоторые жесты, как было это выяснено автором статьи из личного опыта тестирования Mate 30 Pro.
Не стоит забывать и про голосовое управление, которое наверняка будет чаще использоваться, причем не только людьми с ограниченными возможностями.
Отсутствие тактильного отклика сенсора некоторые производители с различной степенью успешности пытаются заменить продвинутой системой вибрации, срабатывающей при прикосновениях к экрану, но пока нельзя сказать, что результаты впечатляют.
В заключение стоит упомянуть, что во многом самыми совершенными сенсорными экранами на 2020 год являются Super и Dymamic Amoled, у которых емкостный сенсорный слой расположен не за стеклом, как у многих моделей, а прямо внутри дисплейного модуля. Это позволяет не только уменьшить толщину экранов, а значит и смартфонов в целом, но и делает матрицу более яркой. Поэтому неудивительно, что Amoled-матрицы воспринимаются более яркими, чем IPS-аналоги при одинаковой максимальной яркости. Кроме того, у таких матриц наименьшее время отклика, что особенно важно для игр.
Также в последнее время появляется все больше устройств со складными экранами, которые могут менять размеры и служить как смартфоном, так и планшетом.
Перспективной, на первый взгляд, выглядит технология управления нажатием на изображение, выводимое с проектора. Правда, пока ничего не указывает на то, что в скором времени нечто подобное появится в смартфонах. Изображению будет не хватать яркости, а у мобильного устройства значительно снизится время работы, не говоря уже о прочих проблемах, связанных с удобством.
Предугадать, какой вариант придёт в будущем на замену емкостному дисплею, сложно. И вовсе не факт, что в ближайшие десятилетия придумают что-то более удобное и функциональное. Скорее емкостные тачскрины просто будут совершенствоваться, дополнительно получая новые способы управления, перечисленные в статье.
Тактильный датчик
СОДЕРЖАНИЕ
Использует [ редактировать ]
Тактильные датчики появляются в повседневной жизни, например, кнопки лифта и лампы, которые тускнеют или становятся ярче от прикосновения к основанию. Также существует бесчисленное множество приложений для тактильных датчиков, о которых большинство людей даже не подозревает.
Датчики, которые измеряют очень небольшие изменения, должны иметь очень высокую чувствительность. Датчики должны быть сконструированы таким образом, чтобы оказывать небольшое влияние на измеряемые параметры; уменьшение размера датчика часто улучшает это и может дать другие преимущества. Тактильные датчики можно использовать для проверки производительности всех типов приложений. Например, эти датчики были использованы в производстве из автомобилей (тормоза, сцепления, дверных уплотнений, прокладок ), батареи ламинирования, болтовых соединений, топливных элементов и т.д.
Тактильная визуализация как метод медицинской визуализации, преобразующий осязание в цифровое изображение, основана на тактильных датчиках. Тактильное отображение близко имитирует ручную пальпацию, поскольку зонд устройства с массивом датчиков давления, установленным на его лицевой стороне, действует аналогично человеческим пальцам во время клинического обследования, деформируя мягкие ткани зондом и обнаруживая возникающие в результате изменения в характере давления.
Несколько классов тактильных датчиков используются в роботах на войне и в технике. [ необходима цитата ] Некоторые методы одновременной локализации и картографии основаны на тактильных датчиках. [4]
Массивы датчиков давления [ править ]
Розетки тензометрических датчиков [ править ]
Тактильные сенсоры с биологическим вдохновением [ править ]
Было предложено множество биологически вдохновленных конструкций, начиная от простых датчиков типа усов, которые измеряют только одну точку за раз [12], до более совершенных датчиков, похожих на кончики пальцев, [13] [14] [15], до полных датчиков, похожих на кожу. как на последнем iCub (необходима ссылка). Тактильные сенсоры, основанные на биологическом опыте, часто включают более одной стратегии восприятия. Например, они могут обнаруживать как распределение давлений, так и структуру сил, которые будут исходить от массивов датчиков давления и розеток тензодатчиков, обеспечивая двухточечную дискриминацию и измерение силы с человеческими способностями.
Усовершенствованные версии биологически разработанных тактильных датчиков включают определение вибрации, которое было определено как важное для понимания взаимодействия между тактильным датчиком и объектами, когда датчик скользит по объекту. Такие взаимодействия теперь считаются важными для использования человеком инструментов и оценки текстуры объекта. [13] Один из таких датчиков объединяет определение силы, вибрации и теплопередачи. [2]
Тактильные датчики DIY и Open-Hardware [ править ]
ТАКТИЛЬНЫЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ В ПОЛИГРАФИЧЕСКОМ ОБОРУДОВАНИИ
Тактильные датчики – это специальный класс преобразователей силы или давления, в частности в электрический сигнал. Тактильные датчики касания, например, используются в сенсорных дисплеях, клавиатурах и других устройствах, где необходимо реагировать на физическое прикосновение. В полиграфическом производстве тактильные датчики могут использоваться для определения силы натиска, действующей в печатном аппарате, усилия прижима стопы бумаги в резальной машине и т. п.
Для изготовления тактильных чувствительных элементов используются различные методы. Одним из них является формирование на поверхности объекта специального тонкого слоя из материала, чувствительного к механическим напряжениям, рис. 1.16.
Рис. 1.16. Тактильный элемент мембранного типа
Одна из контактных поверхностей (фольга) заземлена, а вторая подсоединяется мультиплексором (если требуется контролировать несколько чувствительных зон) к резистору, формирующему выходной сигнал. Приложение внешней силы к верхней поверхности прогибает ее и создает контакт с некоторой нижней поверхностью, что приводит к заземлению выхода мультиплексора, снятию выходного напряжения. Этим свидетельствуется наличие внешнего контакта с датчиком. Верхняя и нижняя контактные поверхности изготавливаются электропроводящими. Чувствительные зоны таких датчиков могут располагаться рядами (строками) и колонками (столбцами). Прикосновение к определенному участку чувствительной поверхности приводит к замыканию соответствующих рядов и колонок, что создает локальное пятно приложенной силы.
Высокая чувствительность и качество тактильных датчиков достигается применением специальных материалов для контактных поверхностей и схемного решения снятия тактильного сигнала. Примером такого материала может служить пьезоэлектрические пленки, например, из поливинилиден фторида (PVDF). Они используются как в пассивном, так и в активном режимах работы, рис. 1.17.
Рис. 1.17. Активный пьезоэлектрический тактильный датчик
Между верхней и нижней пленками толщиной 40 мкм расположен компрессионный слой в 25 мкм, обеспечивающий акустическую связь между ними. Механические характеристики этого слоя определяют чувствительность и рабочий диапазон датчика. На нижний пьезоэлектрический слой подается переменное напряжение генератора. Эти колебания заставляют периодически сжиматься нижний слой, компрессионный слой и верхний слой, играющий роль приемника. Поскольку пьезоэлектричество обладает обратимым явлением, с верхнего слоя снимается переменное напряжение, которое усиливается и подается на синхронный демодулятор. Демодулятор, реагируя на амплитуду и фазу поступающего сигнала, обрабатывает его в выходное напряжение. Приложение внешней силы к датчику приводит к изменению механических характеристик его трехслойной структуры, что приводит к появлению на выходе демодулятора напряжения линейно зависящего от приложенного усилия (в определенных пределах). Электроды из PVDF пленки могут быть сформированы в виде ячеек либо на передающей, либо на приемной стороне. Применение мультиплексирования при подключении ячеек позволяет распознавать зоны приложения внешней силы. Такой датчик также может использоваться для измерения небольших перемещений. При определении перемещений в несколько миллиметров его точность составляет ± 2 мкм. Достоинства данного датчика – простота и выходной сигнал в виде постоянного напряжения.
Тактильные датчики могут выполнять функции сенсорных переключателей. Надежность контактов традиционных переключателей сильно снижается при попадании на них влаги и пыли, их работа, в частности, характеризуется дребезгом контактов. Пьезоэлектрические ключи могут работать в неблагоприятных условиях окружающей среды. Один из вариантов таких переключателей состоит из стального консольного элемента, на который нанесен слой пьезоэлектрической пленки (рис. 1.18).
Рис. 1.18. Тактильный выключатель на Р VDF-пленке Элемент одним концом прикреплен к процессорной плате, на входе которой стоит ключ на основе полевого МОП-транзистора. Как только к этому элементу будет приложено механическое усилие, напряжение, возникшее на пленке, мгновенно переключит МОП-ключ, и на его выходе появится высокий уровень сигнала. Такой выключатель выдерживает до 10 миллионов циклов безаварийной работы. Простота конструкции делает такие переключатели привлекательными для использования в различных промышленных счетчиках, в системах автоматизации технологических процессов, в разливочных аппаратах и т. д. Тактильные элементы на основе пьезоэлектрических пленок способны работать в широких частотных и дина-
Нить проходит по вибрационному датчику, встроенному в корпус выключателя и отслеживающему акустический сигнал, возникающий от трения нити при ее прохождении над датчиком. Отсутствие характерных вибраций приводит к немедден- ной остановке ниткошвейного автомата.
мических диапазонах. Рассмотрим датчик непрерывного мониторинга нити, например в ниткошвейном автомате, рис. 1.19.
Другой разновидностью тактильных датчиков является пьезорезистивный чувствительный элемент. Он изготавливается из материалов, чье электрическое сопротивление зависит от приложенного механического напряжения или давления. К таким материалам относятся эластомеры или пасты, чувствительные к изменению давления. Проводящие эластомеры изготавливаются из силиконовой резины, полиуретана и других материалов, в состав которых входят проводящие частицы или волокна. Например, проводящая резина получается при введении в обычную резину угольного порошка. Принцип действия эластомерных датчиков основан либо на изменении площади контактов при сдавливании эластомера между двумя проводящими пластинами (рис. 1.20), либо на изменении толщины слоя самого эластомера. В зависимости от величины внешней силы, действующей на датчик, меняется площадь контактной зоны между тактильными токопроводящими элементами и эластомером, в результате чего изменяется его электрическое сопротивление. При определенном давлении эта площадь становится максимально возможной.
Однако следует отметить, что значения сопротивления может значительно дрейфовать, когда полимер подвергается действию давления длительное время. Поэтому такие пьезорезистивные датчики применяются, как правило, для качественных, а не количественных измерений. Более тонкие пьезорезистивные тактильные датчики получаются из полупроводниковых полимеров, сопротивление которых также зависит от давления. Конструкция таких датчиков напоминает мембранный переключатель, рис. 1.21. Посравнению с тензодатчиками пьезорезистивные чувствительные элементы обладают более широким динамическим диапазоном: типовое изменение сопротивления составляет три порядка при изменении силы в интервале 0…3 кг, но более низкой точностью (обычно ±10%). Однако в тех случаях, когда не требуется точное измерение силы, а решающим является стоимость датчика, применение таких детекторов является оправданным. Толщина типовых пье-зорезистивных полимерных датчиков обычно составляет 0,25 мм, но возможно изготовление и более тонких структур.
В тех случаях, когда требуются тактильные микросенсоры, обладающие хорошим пространственным разрешением, высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном, следует применить датчики с механическим гистерезисом. Принцип действия такого порогового тактильного детектора с механическим гистерезисом может быть основан на использовании пластической деформации кремниевой мембраны. На рис. 1.21 показано интегральное исполнение кремниевого тактильного микропереключателя, состоящего из герметичной полости, сформированной внутри кремниевой подложки, плотно закрытой тонкой мембраной. При отсутствии внешних сил за счет расширения газа, находящегося внутри полости, мембрана образует выпуклый купол. При нормальной температуре и приложенной силе, превышающей критическое значение, верхний электрод прогибается вниз, контактируя с нижним электродом. Исследования показали, что такой ключ замыкается при давлении порядка 13 psi (фунт на квадратный дюйм), а его гистерезис равен 2 psi. Сопротивление ключа в разомкнутом состоянии составляет 10 кОм, что приемлемо для маломощных схем.
На рис. 1.22 показан вариант тактильного микропереключателя, в котором вместо газа, находящегося под давлением, применяется вакуум. Здесь вакуумная микрокамера находится между холодным катодом и подвижным анодом в виде диафрагмы.
Рис. 1.22. Датчик силы, реализуемый вакуумным диодом
Когда между анодом и кремниевым выступом на катоде появляются положительная разность потенциалов, формируется электрическое поле. Если напряженность поля превышает значение 5×10 В/см, электроны совершают туннельный переход с катода в вакуумную камеру. Сила поля, а, следовательно, количество испускаемых электронов (ток эмиссии) определяется величиной потенциала
на аноде. Когда к аноду прикладывается внешняя сила, он опускается вниз, изменяя тем самым напряженность поля и ток эмиссии.
Источник: Беляев В. П., Шуляк Р. И., «Электронные устройства полиграфического оборудования», Белорусский государственный Технологический университет, Минск, 2011 г.