En modern smartphone är utrustad med en rad sensorer som fyller olika funktioner; allt från accelerometer till magnetometer och GPS. Men hur fungerar egentligen dessa sensorer vi tar för givna, och vad har de för syfte?

I den här artikeln ger vi en enkel förklaring av sensorerna i våra mobiler och vad de används till, utan att gå in på djupet. Sensorerna är så kallade mikroelektromekaniska system (MEMS) – miniatyrer av tekniken.

Accelerometer

Här har vi en av de mest grundläggande sensorerna i smartphones och aktivitetsarmband. Accelerometern används för att mäta enhetens rörelse och riktning. När du vrider på telefonen är det främst accelerometern som gör att systemet kan växla mellan porträtt- och landskapsläge. Accelerometern används även för exempelvis stegräknare.

Grundprincipen är att själva accelerometern är helt fast i den konstruktion vars rörelse och position som ska mätas. Material inuti accelerometern är däremot rörliga. Tryck- och accelerationskrafter skapar lägesförskjutningar som omvandlas till elektriska signaler. På så vis kan accelerometern rapportera enhetens rörelse och vridning.

Gyroskop

Ett gyroskop används för att mäta eller upprätthålla riktning och vinkelhastighet. I smartphones har den liknande användningsområde som accelerometern, fast för mer precisa rörelser. I exempelvis racingspel med rörelsestyrning är det gyroskopet som gör att bilen svänger när enheten lutas åt vänster eller höger. Gyroskopet utnyttjas även bland annat för förstärkt verklighet (AR) och till att fånga 360-graderspanoraman med kameran.

Första telefonen med ett integrerat gyroskop var Iphone 4 år 2010, men det är idag en standardfunktion. Gyroskop används dessutom bland annat för gyrokompasser på skepp och i flygplan, och för stabilisering av filmkameror.

Magnetometer

En magnetometer mäter som namnet poängterar magnetism: dess styrka och riktning. I mobiler används de främst som kompasser. Den första magnetometern som kunde mäta den precisa styrkan på magnetfält uppfanns av tysken Carl Friedrich Gauss år 1833.

Magnetometern i mobiler svarar på jordens magnetfält. Tack vare magnetometern, accelerometern och positioneringssystemen (GPS, GLONASS, Galileo etc) kan Google Maps och andra appar veta i vilken riktning du är vänd mot.

Grundprincipen för magnetometers är att en kalibrerad magnet rör sig i förhållande till omgivande magnetfält, varefter data kan utvinnas. En magnetometer kan även utnyttjas som metalldetektor och det finns rentav appar för ändamålet.

Halleffektsensor

Samsung Galaxy Note 4 blev år 2014 en av de första mobilerna med en uttalad separat halleffektsensor. Den är mycket nära besläktad med magnetometern och känner av magnetfält.

Samsung använder den främst för sina plånboksfodral med integrerade magneter. Enheten känner av när fodralet öppnas och stängs. Till skillnad mot en närhetssensor kan halleffektsensorn veta att det har just med fodralet att göra, så att exempelvis delar av panelen kan lysas upp för fodral med öppningar.

GPS, GLONASS, Galileo, Beidou

Idag har nya smartphones i regel stöd för åtminstone tre satellitnavigeringssystem, varav GPS är det mest klassiska och välkända. Mottagare i våra mobiler tar emot signaler från de nära 30 GPS-satelliter som är i omlopp runt jorden. GPS utvecklades av det amerikanska försvarsdepartementet på 70-talet. GLONASS är en rysk motsvarighet, Beidou en kinesisk, medan Galileo är EU:s nya moderna satellitpositioneringssystem.

Var du än befinner dig kan en GPS-mottagare ta emot signaler från åtminstone fyra satelliter, såtillvida signalen inte blockeras av byggnader eller terräng. Varje satellit skickar uppgifter om deras aktuella position samt om tiden – de har atomur som synkroniseras mot varandra och mot urverk på jorden. De radiovågor som skickas har en konstant hastighet som är oberoende av satellitens hastighet.

Därför är tiden mellan att signalen skickas och att den tas emot proportionell i förhållande till avståndet mellan satelliten och mottagaren. När avståndet till åtminstone tre satelliter på så vis har avgjorts kan systemet beräkna mottagarens position genom trilateration.

Låt säga att du vet avståndet till en av satelliterna uppe i rymden. Föreställ dig därefter en cirkel vars linje anger avståndet till satelliten. Du kommer befinna dig någonstans längs cirkeln. Genom att veta avståndet till två andra satelliter går det att avgöra var de tre cirklarna möts – det är din position. Cirklarna är endast för illustrativt syfte, i själva verket är det sfärer.

Bildkälla: Physics.org

Ansiktsupplåsning

Säker ansiktsupplåsning, som i Apple Face ID och kommande Google Pixel 4, skapar en djupkarta i 3D av användarens ansikte. Utöver djupet mäter skannern avstånden i anletsdragen, som mellan ögon, näsa, mun och haka och bygger ett unikt avtryck. I Face ID projiceras och analyseras över 30 000 punkter.

Djupkartan sparas lokalt i ett säkert chipp och lämnar aldrig enheten. Eftersom avtrycket innehåller djupinformation går det inte att lura ansiktsupplåsningen med en bild eller en video. Tekniken är anpassad för att känna av förändringar i ansiktet likt smink, skägg, hattar, glasögon och solglasögon (om de inte har alltför mörk toning).

Enligt Apple är Face ID betydligt säkrare än Touch ID. Risken att en slumpmässig person ska kunna låsa upp enheten är en på miljonen enligt Apple, jämfört med en på 50 000 för de kapacitiva fingeravtrycksläsare de tidigare använde.

Fingeravtrycksläsare

Fingeravtrycksläsare läser förstås in fingeravtryck och jämför dessa med ett redan lagrat avtryck för att verifiera att rätt person försöker ta sig in i enheten. Det finns tre olika varianter i smartphones:

Optisk

De flesta fingeravtrycksläsare som placerats under OLED-skärmar är idag optiska, vilket är den äldsta och minst säkra varianten. De använder helt sonika ljus för att läsa av fårorna i avtrycket i form av en tvådimensionell bild, ungefär som en kamera. Det är anledningen till att skärmen lyser upp varje gång avtrycket läses av. De mörkaste och ljusaste delarna av bilden analyseras för att avgöra mönstret i avtrycket.

Kapacitiv

Detta är den klassiska och hittills snabbaste och mest pålitliga formen av fingeravtrycksläsare. Istället för optik och ljus används elektricitet för att registrera avtrycket, ungefär på samma vis som hur en kapacitiv pekskärm känner av tryck. Höjderna i avtrycket innebär en skillnad i kapacitans och mönstret kan på så vis avgöras. Kapacitiva läsare är betydligt säkrare och svårare att lura än optiska.

Ultraljud

Ultraljudsbaserade läsare är fortfarande ovanliga men sitter exempelvis i Samsungs flaggskepp under 2019. En ohörbar ljudvåg skickas ut och studsar tillbaka mot avtrycket. Höjderna och dalarna i fingertoppen reflekterar ljudet på olika vis, vilket gör att en 3D-karta av avtrycket kan skapas.

Time of Flight (ToF)

Vissa toppmodeller har börjat erbjuda Time of Flight-sensorer vid sidan av de ordinarie kamerorna. De kan ses som en slags sonar fast med ljus; en djupsensor som mäter djup och avstånd genom infraröda strålar. I telefoner används tekniken för fotografi och för förstärkt verklighet (AR).

Kamera-mjukvaran kan exempelvis enklare särskilja personen i fokus i motivet från bakgrunden och skapa bättre bokeh-effekter.

Project Soli – radar

Google har arbetat på Project Soli i över fyra år. Tekniken tillkännagavs våren 2015 och använder en radar i miniatyr för att registrera gester i luften. Idén är att låta oss använda enheter utan att fysiskt röra vid dem. Radarn arbetar inom 60GHz ISM-bandet.

Enligt Google kan sensorn känna av rörelser med precision på under millimetern. Så här fungerar det: Soli-sensorn skickar ut en bred stråle av elektromagnetiska vågor. Objekt inom strålen skingrar energin och speglar delar av signalen tillbaka till sensorn.

Genom att analysera egenskaper för den speglade signalen likt energi, tidsfördröjning, och frekvensskifte går det att dra slutsatser om objektet som har fått signalen att studsa tillbaka. Google skriver att det går att få reda på objektets storlek, form, orientering, material, avstånd och hastighet.

I Google Pixel 4 kommer tekniken bland annat användas för att styra uppspelning i media-appar, utan att behöva röra skärmen. Mer information om hur Project Soli fungerar finns på Googles hemsida.

Ljussensor

Här har vi en betydligt enklare och mer lättbegriplig sensor som brukar hålla till ovanför panelen: ljussensorn känner av hur pass starkt det omgivande ljuset är och skärmens ljusstyrka anpassas därefter automatiskt. Utomhus på dagen innebär det i regel högsta ljusstyrkan medan skärmens ljusstyrka går ned på låg eller lägsta nivå i dunkel.

Närhetssensor

Närhetssensorn är också av det enklare slaget och den sitter i regel allra högst upp ovanför skärmen i mobiler. Den skickar ut ett osynligt ljus som studsar tillbaka. Den känner därmed av avstånd till objekt och skärmen kan på så vis släckas vid exempelvis samtal, när mobilen är i närheten av örat.

Barometer

En barometer mäter lufttryck, något som kan användas för att känna av väderförändringar och för att beräkna höjd över havet.

Mer läsning:

• Accelerometer – Wikipedia
• Magnetometer – Wikipedia
• GPS – Wikipedia
• Project Soli – Google
• Så funkar sensorer – Gizmodo