Kas tas magnetometras ir kodėl jis slypi jūsų kišenėje
Turbūt ne kartą pastebėjote, kad jūsų išmanusis telefonas kaip nors stebuklingu būdu žino, kur yra šiaurė. Atidarote žemėlapių programėlę, ir mėlyna rodyklė ne tik rodo jūsų vietą, bet ir tiksliai parodo, į kurią pusę žiūrite. Už šį mažą kasdienį stebuklą atsakingas nedidelis jutiklis, vadinamas magnetometru. Tai iš esmės mikroskopinis kompasas, tik daug protingesnis ir jautresnis nei tie žalsvos spalvos turistiniai kompasai, kuriuos galbūt matėte senelių namuose.
Magnetometras – tai jutiklis, kuris matuoja magnetinius laukus. Paprasčiau tariant, jis jaučia Žemės magnetinį lauką ir pagal tai nustato orientaciją erdvėje. Šiuolaikiniuose išmaniuosiuose telefonuose šis komponentas yra tokio mažo dydžio, kad telpa ant kelių kvadratinių milimetrų ploto, kartu su daugybe kitų jutiklių. Tačiau nepaisant savo miniatiūrinio dydžio, jis atlieka itin svarbų vaidmenį daugelyje programų ir funkcijų.
Magnetinio lauko detektavimo principai
Kad suprastume, kaip veikia telefono magnetometras, pirmiausia reikia suprasti, ką jis iš tikrųjų „mato”. Žemė yra tarsi milžiniškas magnetas – jos branduolyje vykstantys procesai sukuria magnetinį lauką, kuris apsaugo mus nuo kosminės radiacijos ir leidžia paukščiams orientuotis migruojant. Šis magnetinis laukas turi tam tikrą kryptį ir stiprumą, kurie skiriasi priklausomai nuo to, kur Žemėje esate.
Telefonų magnetometrai dažniausiai veikia pagal Holo efekto arba magnetorezistyvumo principą. Holo efekto jutikliai naudoja tai, kad elektros srovė, tekanti per laidininką magnetiniame lauke, nukrypsta į šoną. Šis nukrypimas sukuria nedidelę įtampą, kurią galima išmatuoti. Kuo stipresnis magnetinis laukas, tuo didesnė įtampa. Magnetorezistyviniai jutikliai veikia šiek tiek kitaip – jų elektrinė varža keičiasi priklausomai nuo magnetinio lauko stiprumo ir krypties.
Šiuolaikiniai telefonai dažniausiai naudoja triašius magnetometrus, tai reiškia, kad jie matuoja magnetinį lauką trimis skirtingomis kryptimis vienu metu – X, Y ir Z ašyse. Tai leidžia ne tik nustatyti, kur yra šiaurė, bet ir suprasti, kaip telefonas yra pasuktas erdvėje – ar jis guli horizontaliai, ar laikomas vertikaliai, ar pakreiptas tam tikru kampu.
Nuo mechaninių kompasų iki silicio stebuklų
Magnetinio lauko matavimo istorija siekia daug toliau nei išmanieji telefonai. Pirmieji kompasai buvo išrasti Kinijoje maždaug prieš 2000 metų – tai buvo paprasčiausios magnetinės adatos, plūduriuojančios vandenyje ar kabančios ant siūlo. Jūreiviai šimtmečius naudojo mechaninius kompasus navigacijai, ir šis principas iš esmės nepasikeitė iki pat XX amžiaus vidurio.
Elektroniniai magnetometrai atsirado XX amžiaus pradžioje, kai mokslininkai pradėjo tirti magnetinius laukus moksliniais tikslais. Pirmieji tokie prietaisai buvo didžiuliai ir reikalavo daug energijos. Tačiau su puslaidininkių technologijų pažanga 1970-1980 metais atsirado galimybė kurti vis mažesnius ir jautresnius magnetinius jutiklius.
Tikrasis proveržis įvyko XXI amžiaus pradžioje, kai MEMS (mikro-elektromechaninių sistemų) technologija leido integruoti magnetometrus į mažyčius lustus. Pirmieji išmanieji telefonai su magnetometrais pasirodė apie 2008-2010 metus, ir nuo tada šis jutiklis tapo standartiniu komponentu beveik visuose išmaniuosiuose įrenginiuose.
Kaip magnetometras bendrauja su telefono smegenim
Pats magnetometras yra tik duomenų rinkėjas – tikroji magija vyksta tada, kai šie duomenys apdorojami telefono procesoriuje. Jutiklis nuolat matuoja magnetinio lauko stiprumą trimis ašimis ir siunčia šiuos duomenis telefono operacinei sistemai. Dažniausiai matavimai atliekami 50-100 kartų per sekundę, nors kai kuriose situacijose šis dažnis gali būti didesnis arba mažesnis, priklausomai nuo to, kaip intensyviai naudojama funkcija.
Telefono programinė įranga šiuos duomenis interpretuoja ir paverčia naudinga informacija. Pavyzdžiui, žemėlapių programėlė naudoja magnetometro duomenis, kad nustatytų, į kurią pusę nukreiptas telefonas, ir atitinkamai pasuka žemėlapį. Tai vadinama kompaso kalibravimo funkcija. Tačiau čia yra viena problema – magnetometras jaučia ne tik Žemės magnetinį lauką, bet ir bet kokį kitą magnetinį lauką aplinkoje.
Štai kodėl kartais telefonas prašo jūsų atlikti tą keistą judesį – „piešti” aštuonetus ore telefonu. Tai kalibravimo procedūra, kuri padeda telefonui atskirti Žemės magnetinį lauką nuo kitų trikdžių. Judindami telefoną įvairiomis kryptimis, leidžiate jam išmatuoti magnetinį lauką iš visų pusių ir sukurti „magnetinę žemėlapio” bazę, kuri padeda tiksliau nustatyti orientaciją.
Kur dar naudojamas šis mažasis jutiklis
Nors pirmiausia į galvą ateina navigacija ir kompaso funkcija, magnetometras telefone atlieka daug daugiau užduočių, nei galėtumėte pagalvoti. Daugelis žaidimų naudoja magnetometrą papildomos realybės funkcijoms – pavyzdžiui, kai žaidžiate žaidimą, kuris reikalauja judėti aplinkui ir ieškoti virtualių objektų realiame pasaulyje, magnetometras padeda tiksliai nustatyti, į kurią pusę žiūrite.
Kai kurios saugumo programos naudoja magnetometrą aptikti, ar neša telefoną šalia magnetinės kortelės ar kito magnetinio objekto. Tai gali padėti apsaugoti mokėjimo korteles nuo demagnetizacijos. Taip pat yra programų, kurios gali aptikti metalą aplinkoje – naudojant tą patį principą kaip metalų detektoriai, tik daug mažesniu tikslumu.
Fotografavimo programėlės kartais naudoja magnetometro duomenis, kad nustatytų, ar telefonas laikomas horizontaliai ar vertikaliai, ir automatiškai pasukti nuotrauką tinkama kryptimi. Kai kurios išmaniųjų namų sistemos naudoja magnetometrą aptikti, ar durys ar langai yra atidaryti ar uždaryti – nors tam dažniau naudojami atskiri jutikliai.
Kodėl kartais kompasas rodo ne ten, kur reikia
Turbūt ne kartą pastebėjote, kad kartais telefono kompasas elgiasi keistai – rodo visai ne ten, kur turėtų, arba nuolat šokinėja. Tam yra kelios priežastys, ir jos visos susijusios su magnetiniais trikdžiais aplinkoje.
Pirmiausia, pats telefonas turi komponentų, kurie sukuria magnetinius laukus – garsiakalbis, vibracija, baterija. Gamintojai stengiasi išdėstyti magnetometrą kuo toliau nuo šių komponentų, bet visiškai išvengti trikdžių neįmanoma. Štai kodėl kalibravimas yra toks svarbus.
Antra, aplinkoje yra daugybė magnetinių trikdžių šaltinių. Metalinės konstrukcijos pastatuose, elektros laidai, automobiliai, netgi kai kurie baldai gali turėti magnetinių komponentų. Jei esate dideliame pastate su daug metalo konstrukcijų, magnetometras gali gauti klaidinančius duomenis. Tai ypač aktualu požeminiuose parkinguose ar dideliuose prekybos centruose.
Trečia, pats Žemės magnetinis laukas nėra vienodas visur. Magnetiniai poliai nėra tiksliai geografiniuose poliuose, ir magnetinio lauko linijos yra iškreiptos įvairiose vietose. Telefono programinė įranga naudoja duomenų bazes su informacija apie Žemės magnetinį lauką skirtingose vietose, bet šie duomenys nėra tobuli.
Kaip prižiūrėti ir optimizuoti magnetometro veikimą
Nors magnetometras yra gana patikimas jutiklis, yra keletas dalykų, kuriuos galite padaryti, kad jis veiktų kuo tiksliau. Pirmiausia, reguliariai kalibruokite kompasą. Dauguma telefonų turi įmontuotą kalibravimo funkciją – paprastai reikia judinti telefoną aštuonetų forma arba sukti jį visomis kryptimis. Tai verta daryti bent kartą per mėnesį arba kai pastebite, kad kompasas elgiasi neįprastai.
Venkite laikyti telefoną šalia stiprių magnetų. Tai gali atrodyti akivaizdu, bet daugelis žmonių naudoja magnetinius telefono laikiklius automobiliuose ar magnetines užsegamas dėklus. Nors šiuolaikiniai telefonai yra gana atsparūs tokiems trikdžiams, ilgalaikis buvimas šalia stipraus magneto gali paveikti magnetometro tikslumą.
Jei naudojate metalinį dėklą, žinokite, kad jis gali šiek tiek paveikti magnetometro tikslumą. Ypač tai aktualu dėklams su metalinėmis plokštelėmis magnetiniams laikikliams. Jei pastebite, kad kompasas veikia netiksliai, pabandykite nuimti dėklą ir kalibruoti magnetometrą iš naujo.
Kai kuriose situacijose verta išjungti ir vėl įjungti telefono vietovės nustatymo paslaugas. Tai priverčia sistemą iš naujo inicializuoti visus jutiklius, įskaitant magnetometrą, ir kartais tai padeda išspręsti tikslingumo problemas.
Ateities perspektyvos ir technologinė evoliucija
Magnetometrų technologija nuolat tobulėja. Naujausi telefonai naudoja vis jautresnius jutiklius, kurie gali aptikti net mažiausius magnetinio lauko pokyčius. Tai atveria naujas galimybes – pavyzdžiui, tikslesnę vidaus navigaciją pastatuose, kur GPS signalas nepasiekia.
Viena įdomiausių vystymosi krypčių yra magnetometrų naudojimas sveikatos stebėjimui. Mokslininkai tiria galimybes naudoti magnetinius jutiklius širdies veiklos stebėjimui arba net smegenų aktyvumo matavimui, nors tai dar labai ankstyvoje vystymosi stadijoje. Kol kas telefonų magnetometrai nėra pakankamai jautrūs tokioms užduotims, bet technologija sparčiai tobulėja.
Kita sritis, kur magnetometrai tampa vis svarbesni, yra papildyta realybė ir virtualios realybės programos. Tikslus orientacijos nustatymas erdvėje yra kritiškai svarbus, kad virtualūs objektai atrodytų natūraliai ir nejudėtų netikėtai. Derinant magnetometro duomenis su kitų jutiklių – giroskopo, akselerometro, GPS – informacija, galima pasiekti labai tikslų pozicionavimą.
Kai technologija tampa nematomu pagalbininku
Magnetometras yra vienas iš tų technologijos pavyzdžių, kurie veikia tyliai fone, ir mes net nepagalvojame apie juos, kol viskas veikia sklandžiai. Tai mažytis komponentas, kuris kainuoja vos kelis centus, bet be jo šiuolaikinis išmanusis telefonas būtų daug mažiau „išmanus”. Navigacija taptų sudėtingesnė, daugelis žaidimų neveiktų, o papildytos realybės programos būtų beveik neįmanomos.
Kai kitą kartą atidarote žemėlapių programėlę ir matote, kaip mėlyna rodyklė tiksliai parodo, į kurią pusę žiūrite, prisiminkite, kad už tai atsakingas mažytis jutiklis, kuris jaučia tą patį magnetinį lauką, kuris šimtmečius padėjo jūreiviams rasti kelią atvirame vandenyne. Tik dabar šis kompasas telpa ant kelių kvadratinių milimetrų ploto ir dirba išvien su daugybe kitų technologijų, kad padarytų mūsų gyvenimą patogesnį.
Prižiūrėkite savo telefono magnetometrą – reguliariai jį kalibruokite, venkite stiprių magnetų, ir jis tarnaus jums patikimai daugelį metų. Technologija gali būti sudėtinga, bet jos naudojimas turėtų būti paprastas ir intuityvus.