Какие физические принципы положены в основные сенсорные технологии

Обновлено: 04.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Муниципальное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №12

Автор: Дворников Евгений Максимович

Черненко Ирина Николаевна

Январь 2016 года

1.1. Актуальность темы исследования……………………………

1.2. Предмет и объект исследования………………………………

1.3. Цель и задачи работы …………………………………..

2. Основная часть…………………………………. 3 - 10

История создания сенсорных экранов, его функции, примеры.

Плюсы и минусы сенсорного экрана.

Роль сенсорных экранов в жизни современного человека.

Актуальность темы исследования

Еще буквально несколько лет назад сенсорный экран у сотовых телефонов, ноутбуках казался явлением на грани фантастики. Однако в наши дни он есть практически у каждого, особенно у жителей крупных городов.

Всеобщее утверждение:

Школьники не могут представить свой день в школе без мобильного телефона.

1.2. Предмет и объект исследования

Предмет исследования

Сенсорная панель как функционал современного мобильного телефона, планшета и преимущества, которые она дает современному человеку (ребенку, взрослому).

Объект исследования

Ученики класса, взрослые (учителя, родители, бабушки и дедушки).

1.3. Цель и задачи работы

Раскрыть положительную и отрицательную стороны использования сенсорных панелей в жизни современного человека.

Выяснить роль сенсорных панелей в жизни современного человека

Выявить, положительные и отрицательные аспекты наличия сенсорных панелей на телефоне, планшете у людей.

Создать памятку о сенсорных панелях.

Провести анкетирование среди одноклассников.

1.4. Методы исследования

сбор информации по теме исследовательской работы

анализ анкет учащихся, родителей, учителей, людей преклонного возраста

Что такое сенсорный экран?

Сенсорный экран — устройство ввода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.

Сенсорный экран изобрели в США в рамках исследований по программированному обучению. Компьютерная система PLATO IV, появившаяся в 1972 году, имела сенсорный экран на сетке ИК-лучей, состоявший из 16×16 блоков. Но даже столь низкая точность позволяла пользователю выбирать ответ, нажимая в нужное место экрана.

В 1971 году Сэмюэлем Херстом (будущим основателем компании Elographics , ныне Elo TouchSystems ) был разработан элограф — графический планшет, действовавший по четырёхпроводному резистивному принципу (U.S. Patent 3 662 105). В1974 году он же сумел сделать элограф прозрачным, в 1977 — разработал пятипроводной экран. Объединившись с Siemens, в Elographics сумели сделать выпуклую сенсорную панель, подходившую к кинескопам того времени. На всемирной ярмарке 1982 года Elographics представила телевизор с сенсорным экраном.

В 1983 году вышел компьютер HP-150 с сенсорным экраном на ИК-сетке. Впрочем, в те времена сенсорные экраны применялись преимущественно в промышленной и медицинской аппаратуре.

Принципы работы сенсорных экранов

Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципах.

Резистивные сенсорные экраны:

1) Четырехпроводной экран

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны. И на панель, и на мембрану нанесено токопроводящее (иначе говоря резистивное) покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микро-изоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надёжно изолируют проводящие поверхности. Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения (X и Y). В общих чертах алгоритм считывания таков:

На верхний электрод подаётся напряжение +5В, нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко, и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y-координате экрана.

2) Пятипроводной экран

Пятипроводной экран более надёжен за счёт того, что резистивное покрытие на мембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.

Как только на экран нажимают, микропроцессор улавливает изменение напряжения мембраны и начинает вычислять координаты касания следующим образом:

На два правых электрода подаётся напряжение +5В, левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X-координате.

Особенности

Резистивные сенсорные экраны дёшевы и стойки к загрязнению. Резистивные экраны реагируют на прикосновение любым гладким твёрдым предметом: рукой (голой или в перчатке), пером, кредитной картой, медиатором. Их используют везде, где вандализм и низкие температуры не исключены: для автоматизации промышленных процессов, в медицине, в сфере обслуживания (POS-терминалы), в персональной электронике (КПК). Лучшие образцы обеспечивают точность в 4096×4096 пикселей.

Недостатками резистивных экранов являются низкое светопропускание (не более 85% для 5-проводных моделей и ещё более низкое для 4-проводных), низкая долговечность (не более 35 млн нажатий в одну точку) и недостаточная устойчивость (плёнку легко разрезать).

2. Матричные сенсорные экраны

Конструкция и принцип работы

Конструкция аналогична резистивной, но упрощена до предела. На стекло нанесены горизонтальные проводники, на мембрану — вертикальные.

При прикосновении к экрану проводники соприкасаются. Контроллер определяет, какие проводники замкнулись, и передаёт в микропроцессор соответствующие координаты.

Особенности

Имеют очень низкую точность. Элементы интерфейса приходится специально располагать с учётом клеток матричного экрана. Единственное достоинство — простота, дешевизна и неприхотливость. Обычно матричные экраны опрашиваются по строкам (аналогично матрице кнопок); это позволяет наладить multitach . Постепенно заменяются резистивными.

3.Ёмкостные сенсорные экраны :

Конструкция и принцип работы

Ёмкостный (или поверхностно-ёмкостный) экран использует тот факт, что предмет большой ёмкости проводит переменный ток.

Ёмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую прозрачным резистивным материалом (обычно применяется сплав оксида индия и оксида олова). Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырёх углах регистрируется датчиками и передаётся в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.

В более ранних моделях ёмкостных экранов применялся постоянный ток — это упрощало конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землёй приводило к сбоям.

Ёмкостные сенсорные экраны надёжны, порядка 200 млн нажатий (около 6 с половиной лет нажатий с промежутком в одну секунду), не пропускают жидкости и отлично терпят ток непроводящие загрязнения. Прозрачность на уровне 90%. Впрочем, проводящее покрытие, расположенное прямо на внешней поверхности, всё ещё уязвимо. Поэтому ёмкостные экраны широко применяются в автоматах, лишь установленных в защищённом от непогоды помещении. Не реагируют на руку в перчатке.

Стоит заметить, что из-за различий в терминологии часто путают поверхностно- и проекционно-ёмкостные экраны. По классификации, применённой в данной статье, экран, например, iPhone является проекционно-ёмкостным , а не ёмкостным . Примеры телефонов с ёмкостным сенсорным экраном:

4.Проекционно-ёмкостные сенсорные экраны:

Конструкция и принцип работы

На внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе с телом человека образует конденсатор; электроника измеряет ёмкость этого конденсатора (подаёт импульс тока и измеряет напряжение).

Компания Samsung сумела установить чувствительные электроды прямо между субпикселями AMOLED-экрана, это упрощает конструкцию и повышает прозрачность.

Особенности

Прозрачность таких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место — сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁСЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что приводит к крайней вандалоустойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-ёмкостные сенсорные экраны широко применяются и в персональной электронике, и в автоматах, в том числе установленных на улице. Многие разновидности поддерживают multitach .

Это были основные типы сенсорных экранов, которые большими тиражами использовались в обществе.

Плюсы и минусы устройств с сенсорным экраном

Сенсорные экраны появились относительно недавно, однако многие уже не представляют своей жизни без них. Попробуем разобраться в плюсах и минусах этого явления.

Преимущества таких устройств преобладают над их недостатками, поэтому начнем с плюсов.

Итак, плюсы сенсорных телефонов:

1. Удобство. Сенсорные телефоны намного удобнее, чем их предшественники - кнопочные. Не надо щелкать по кнопкам, стирая их, а заодно и свои пальцы. Все операции с телефоном максимально упрощены. А вместо пальцев также можно использовать стилус.

2. Большой экран. Наличие такого экрана позволяет легко читать тексты, просматривать видеоролики или фильмы. Картинка будет смотреться гораздо лучше и эффектнее, чем на экране обычного мобильного телефона.

3. QWERTY-клавиатура. Она не просто упрощает процедуру набора текста, но и значительно экономит время. Скорость набора увеличивается в три раза, по сравнению с применением обычных кнопок.

4. Мода. Нельзя не учитывать современные тенденции в мире телефонов. Смартфон – это модно и стильно. Он будет выглядеть выигрышно и современно. А это важно для многих людей.

5. Функциональность. Много возможностей, интересные функции и программы – все это присуще смартфонам. Интерес к ним постоянно подогревается, выходят обновления и новые модели.

Минусы сенсорных телефонов:

Что касается недостатков, то они тоже есть. Хотя и в ограниченном количестве.

1. Удобство. Да, именно удобство можно отнести как к плюсам, так и минусам смартфонов. После обычного мобильного надо некоторое время привыкать к сенсорному экрану. Кроме того, в зимнее время довольно неудобно в перчатках нажимать на экран. Правда, есть специальные перчатки, которые с легкостью восполняют этот недостаток.

2. Аккуратность. Основная деталь такого телефона – сенсорный экран. Его функциональность и состояние влияет на работу всего устройства. Если разбить экран, то весь телефон придет в негодность. Поэтому к сенсорным устройствам надо относиться с особой аккуратностью.

Самое страшное, что в последнее время люди начали предпочитать общение по смс вместо живого общения.

Как и любая технология, мобильная связь может приносить пользу или вред. Безусловно, в использовании мобильных телефонов есть огромное количество плюсов, которые мы разберем далее.

Роль сенсорных устройств в жизни современного человека .

Для начала стоит отметить, что роль мобильного телефона в современном мире просто огромна. Давайте ознакомимся с основными задачами, в решении которых нам помогает сенсорная панель на мобильном телефоне, и узнаем, как часто люди пользуются им. Для этого я провел анкетирование:

Учеников 10 класса нашей школы

Родителей и представителей более преклонного возраста (бабушек и дедушек)

Всем участникам анкетирования я раздал анкету (Приложение 1), которую необходимо заполнить. В анкете содержатся следующие вопросы:

- Что такое сенсорный экран?

- Есть ли у вас доступ к интернету в сотовом телефоне?

- Есть ли у вас игры?

- Возникает ли у вас проблемы с работой сенсорного экрана?

- В чем помогает Вам сенсорная панель на устройстве? Чем она полезна (в школе, на работе, дома, на улице)?

- Для Вас важна модель телефона?

- Какую роль сенсорный экран на устройствах для Вас имеет значение?

- Как Вы думаете, сенсорный экран вреден для здоровья? Аргументируйте.

Мой опрос показал, что большинство школьников используют сенсорные экраны на телефоне, планшетах, телевизоре. Многие используют ее для поиска информации в интернете, просмотру видео и виртуальному общению. Основные пожелания к модели телефона – это большой экран и возможность играть в игры, общаться в социальных сетях, необходимость быть на связи с родителями, друзьями.

Взрослые (учителя/родители) :

В результате опроса выяснилось, что все взрослые прекрасно понимают, для чего им нужен мобильный телефон и самым популярным ответом был: для телефонной связи, чтобы решать рабочие и другие вопросы. Мало, кто из взрослых вообще играет в игры на телефоне, но даже если и играют, то только лишь для того чтобы скоротать время в транспорте по дороге на работу и обратно. Половина опрошенных признали, что телефон им действительно нужен сенсорный экран на телефоне, планшете. Меньшинство сказали, что сенсорная панель их не устраивает. Основные требования к моделям: высокая чувствительность, отсутствие бликов на улице, защищенность от осадков на улице.

Люди более преклонного возраста :

По результатам исследования была составлена диаграмма, которая отображает, наличие устройств с сенсорным экраном (Приложение 2).

Сенсорный экран стал для нас незаменимым помощником, как средство быстрой связи, способ набора текста, возможностью для самообразования, возможность сделать фотоснимок или снять короткий видеоролик важного события. Возможность развивать разум и логику при помощи некоторых научных интернет-страниц. Конечно, во внимание нужно принять обязательные правила использования устройств с сенсорным экраном, которые я составил по результатам моего исследования (Приложение 3).

Считаю, что своим исследованием, я ответил на основные вопросы о том, что развитие физики как науки - действительно играют важную роль в жизни общества.

Универсальный тип сенсорных экранов еще не разработали, а используемые сейчас технологии имеют как свои преимущества, так и недостатки. О плюсах и минусах основных типов сенсорных экранов читайте в этом материале.

Применение сенсорных экранов наиболее целесообразно в небольших портативных устройствах. Во-первых, это связано с неудобством использования мышки, клавиатуры и прочих устройств ввода в телефонах и другой небольшой электронике. Во-вторых, отказ от аппаратных кнопок позволяет серьезно увеличить площадь экрана. В-третьих, производство сенсорных панелей обходится недешево, и их использование в больших экранах пока как минимум экономически невыгодно.

Тем не менее, начав с таких небольших устройств как КПК, сенсорные экраны уже добрались до среднего формата (планшетов и некоторых ноутбуков), и их появление на большом экране лишь вопрос времени.

Существует всего несколько типов сенсорных экранов. Ниже речь пойдет о трех наиболее распространенных технологиях, а также нескольких ее разновидностях.

РЕЗИСТИВНЫЕ ПАНЕЛИ

Сенсорная часть таких экранов состоит из двух слоев, разделенных небольшим пространством, каждый из которых имеет массив резистивных или проводящих элементов (в зависимости от конкретной реализации).

Учитывая, что контакт между двумя слоями возможен только при использовании гибкого материала, который будет прогибаться под давлением, резистивные экраны, как правило, покрывают специальной гибкой пленкой, а не стеклом. Это приводит к появлению царапин и более частым повреждениям экрана при чрезмерном надавливании стилусом.

Технология является одной из наиболее простых, поэтому она первой появилась в сенсорных устройствах. У нее до сих пор есть определенные преимущества, однако недостатков больше, чем в других типах сенсорных экранов.

Преимущества

Помимо низкой цены (стоимость таких дисплеев приблизительно в два раза ниже емкостных), точность резистивных экранов также мало зависит от состояния верхнего слоя, поэтому в случае его загрязнения или намокания отзывчивость сенсора практически не меняется.

Несмотря на возраст технологии, она до сих пор позволяет делать самые точные сенсорные панели. В правильно откалиброванном дисплее фактически можно попадать стилусом в конкретный пиксель благодаря густой решетке резистивных элементов.

Недостатки

Несмотря на то что из этого правила есть исключения, большинство резистивных экранов не распознают мультитач, то есть экран понимает лишь одно касание (самое первое, либо самое сильное), что существенно ограничивает возможности управления интерфейсом. Даже в устройствах, где мультитач реализован, все равно распознается меньше одновременных касаний, чем в самых обычных емкостных экранах.

Использование нескольких слоев снижает контрастность и яркость экрана. Коэффициент прохождения света составляет ~75%, что на ~15% ниже, чем в емкостных экранах. Таким образом, в устройствах с резистивным сенсором содержимое экрана сложнее рассматривать под прямыми солнечными лучами или при сильном искусственном освещении.

Использование двух слоев, разделенных небольшим зазором, является косвенной причиной снижения точности работы сенсора. Если держать стилус перпендикулярно экрану, то точность может быть одной, однако под углом, расхождение будет составлять несколько пикселей за счет того, что точка, на которую давит стилус, находится не непосредственно над нужным пикселем (эффект параллакса).

Защитой от случайного ввода в резистивных экранах является определенное давление, которое необходимо преодолеть для того чтобы устройство засчитало команду. Следовательно, резистивные экраны сложнее оборудовать дополнительным защитным покрытием, которое лишь увеличит порог срабатывания. В паре с пластиковым покрытием, которое необходимо для гибкости сенсорного слоя, резистивные экраны более других подвержены повреждениям, особенно царапинам, а при неправильном обращении (сильном нажатии острым предметом), могут и попросту треснуть.

Несмотря на то что количество нажатий в каждой конкретной точке оценивается в 30 млн., резистивные экраны все же раньше других типов выходят из строя и являются самыми ненадежными по этому показателю.

Вывод

Небольшая стоимость и устойчивость к загрязнениям (а точнее, сохранению точности ввода при загрязнении), в паре со всеми вышеперечисленными недостатками стали причиной того, что резистивные экраны медленно вытесняются из обихода, хотя и смогли закрепиться в некоторых нишах, например, в секторе терминалов для быстрой оплаты.

Стилусы

Характерной особенностью устройств с резистивным сенсором является распространенное использование стилуса, площадь контакта которого с поверхностью меньше, чем у пальца, а сила давления больше, что является причиной более точного ввода.

Наличие стилуса желательно, хоть и необязательно для экранов с небольшой диагональю (в основном это телефоны, а несколько лет назад и КПК), однако в планшетах достаточной точности можно добиться и с помощью пальцев.

После того как несколько лет назад КПК были полностью вытеснены смартфонами и другими устройствами, казалось, что вместе с ними навсегда сцену покинули и стилусы, однако сейчас все чаще можно встретить их реинкарнацию, особенно в устройствах промежуточных размеров между смартфонами и планшетами.

Поскольку резистивные экраны сейчас используются все реже, стилусы тоже немного изменились. Подстраиваясь под современные реалии, они стали выпускаться со специальными насадками на конце, которые распознаются емкостными экранами.

ЕМКОСТНЫЕ ПАНЕЛИ

Для определения координат в углах экрана установлены электроды, измеряющие силу тока утечки, и чем она сильнее на каждом конкретном датчике, тем ближе произошло нажатие. Определив конкретные значения, можно очень точно вычислить координаты нажатия.

Подклассом емкостных экранов являются проекционно-емкостные экраны, принцип работы которых также заключается в измерении емкости, однако базовые элементы в них расположены не на внешней стороне экрана, а на внутренней, что повышает защищенность сенсора. Именно такие экраны сейчас и используются повсеместно в смартфонах.

В отличие от резистивных панелей, где используется гибкий материал, емкостные сенсоры покрывают стеклом. Это лучше защищает их от царапин, хотя с большей вероятностью станет причиной появления трещины при сильном ударе или падении.

Достоинства

Отсутствие нескольких слоев дополнительных материалов не только увеличивает яркость экрана (прозрачность для света составляет приблизительно 90%), но также снижает расстояние между поверхностью экрана и изображением, что позволяет точнее попадать в нужные пиксели. Пускай выигрыш и не большой, но он все же заметен, особенно когда устройство находится под некоторым углом относительно оси зрения, то есть в те моменты, когда разница между реальным положением нужного пикселя на экране и точкой, в которую нужно попасть, смещаются максимально друг относительно друга.

Дисплеи Super AMOLED компании Samsung позволяют еще больше снизить толщину экрана за счет отказа от дополнительного слоя емкостных элементов. В этом типе экранов они встраиваются непосредственно в матрицу.

Емкостные экраны гораздо долговечнее резистивных (практически на порядок) когда речь заходит о количестве нажатий до выхода сенсорных элементов из строя. Число таких повторений оценивается в 200+ млн раз.

Недостатки

Емкостные экраны обходятся дороже резистивных в производстве и требуют, чтобы материал, касающийся их поверхности, обязательно обладал свойствами проводника. Следовательно, использовать любой удобный предмет или работать в обычных перчатках с емкостными экранами не получится. В связи с этим широкое распространение приобретают специальные емкостные стилусы и перчатки для работы с сенсорными панелями в холодную погоду.

Точность емкостных экранов несколько ниже чем, у резистивных, хотя в практических задачах эта разница не сильно заметна, поскольку составляет буквально 1-3 пикселя, и учитывая, что в большинстве случаев интерфейс программ уже и так заточен под устранение этих погрешностей, недостатком это назвать сложно.

Вывод

Емкостные панели по своим характеристикам и цене лучше всего подошли для экранов мобильных устройств, поэтому и доминируют сейчас в этом секторе.

ИНФРАКРАСНЫЕ ПАНЕЛИ

Несмотря на то что инфракрасные сенсоры начали появляться в устройствах позже других типов панелей, их не стоит считать более совершенными. Несколько преимуществ у них есть, однако, скорее всего, как и резистивные экраны, они останутся нишевыми и не смогут потеснить емкостные панели.

Оптические

Главное отличие инфракрасных сенсоров от всех остальных заключается в том, что специальные датчики расположены не на поверхности экрана, а по краям от него и формируют серию горизонтальных и вертикальных инфракрасных лучей непосредственно над дисплеем. Когда предмет касается экрана, лучи разрываются и таким образом определяется место контакта.

Тепловые

Разновидностью инфракрасных экранов являются экраны с тепловыми сенсорами. Для того, чтобы они реагировали на касания, предмет должен быть теплым.

Как и в емкостных панелях, устройства с инфракрасными датчиками используют защитное покрытие из стекла, что является причиной тех же преимуществ и недостатков: лучшая устойчивость к появлению царапин, но большая вероятность возникновения трещины при сильном ударе.

Достоинства

Расположение сенсоров по бокам от матрицы позволяет отказаться от промежуточного слоя на LCD матрице, что улучшает яркость картинки (прозрачность покрытия составляет практически 100%), уменьшает зазор между реальным изображением и поверхностью экрана, делает дисплей более устойчивым к повреждениям, а также позволяет работать с загрязненным экраном, но при условии, что загрязнения не мешают свободному распространению инфракрасных лучей.

Инфракрасными (оптическими) экранами можно управлять в перчатках, либо используя любые другие удобные предметы.

Недостатки

Любые загрязнения по краям матрицы, заслоняющие инфракрасные источники сигналов, приводят к сбоям в работе сенсоров. Проблемы возникают и при небольших искривлениях устройства, когда лучи покидают плоскость, параллельную экрану.

Однако одной из наиболее распространенных проблем с инфракрасными датчиками является ложное срабатывание. Поскольку пользователям не обязательно физически касаться экрана, то иногда сенсоры активируются и при достаточном приближении пальца к экрану или во время его движения от одной точки к другой.

Несмотря на то что инфракрасные сенсоры часто используются в устройствах с относительно небольшой стоимостью (например, в электронных книгах), сами экраны с инфракрасным сенсором дороже как резистивных, так и емкостных экранов.

Вывод

Если резистивные и емкостные экраны можно было условно отнести к соответственно отмирающим и доминирующими типам экранов, то инфракрасные сенсоры — технология устройств-маргиналов, поскольку они используются в малоизвестных моделях портативной электроники. Исключение составляют электронные книги, например Nook Touch.

ВМЕСТО ЭПИЛОГА

Сенсорные и обычные дисплеи в ближайшее время ждет еще много инноваций (гибкая матрица, новые защитные покрытия), однако когда речь заходит о технологиях, отвечающих за распознавание ввода, то здесь на горизонте не видно никаких революционных альтернатив, поэтому и дальше доминировать будут емкостные сенсоры, как самые удобные и относительно недорогие по сравнению с другими типами сенсоров.

Сенсорныйэкран - устройство ввода-вывода информации, представляющее собой экран, реагирующий на прикосновения к нему.

Сенсорный экран изобрели в США в рамках исследований по программированному обучению. Компьютерная система PLATOIV , появившаяся в 1972 году, имела сенсорный экран на сетке ИК-лучей, состоявший из 16?16 блоков. Но даже столь низкая точность позволяла пользователю выбирать ответ, нажимая в нужное место экрана.

Сенсорные экраны используются в платежных терминалах, информационных киосках, оборудовании для автоматизации торговли, карманных компьютерах, операторских панелях в промышленности.

Достоинства и недостатки использования в стационарных устройствах

(Для экранов, реагирующих на пальцы.) Нет тактильной отдачи.

Работая с вертикальным экраном, Пользователь вынужден держать руку на весу. Поэтому вертикальные экраны пригодны только для эпизодического использования наподобие банкоматов.

На горизонтальном экране руки загораживают обзор.

Даже с абсолютной точностью Отслеживания и острым пером Сенсорный экран не будет прецизионным инструментом из-за параллакса.

Без специальных покрытий отпечатки пальцев могут мешать пользователю

Принципы работы

Существует множество разных типов сенсорных экранов, которые работают на разных физических принципах.

Резистивные сенсорные экраны

Четырехпроводной экран

Резистивный сенсорный экран состоит из стеклянной панели и гибкой пластиковой мембраны . И на панель, и на мембрану нанесено резистивное покрытие. Пространство между стеклом и мембраной заполнено микроизоляторами, которые равномерно распределены по активной области экрана и надежно изолируют проводящие поверхности.

Когда на экран нажимают, панель и мембрана замыкаются, и контроллер с помощью аналогово-цифрового преобразователя регистрирует изменение сопротивления и преобразует его в координаты прикосновения ( X и Y ). В общих чертах алгоритм считывания таков:

На верхний электрод подается напряжение +5В , нижний заземляется. Левый с правым соединяются накоротко и проверяется напряжение на них. Это напряжение соответствует Y -координате экрана.

Аналогично на левый и правый электрод подается +5В и "земля", с верхнего и нижнего считывается X-координата.

Существуют также восьмипроводные сенсорные экраны. Они улучшают точность отслеживания, но не повышают надежности.

Пятипроводной экран

Пятипроводной экранболее надежен за счет того, что резистивное покрытиенамембране заменено проводящим (5-проводной экран продолжает работать даже с прорезанной мембраной). На заднем стекле нанесено резистивное покрытие с четырьмя электродами по углам.

Изначально все четыре электрода находятся под напряжением +5В , а мембрана заземлена. Уровень напряжения на мембране постоянно отслеживается аналогово-цифровым преобразователем. Когда ничто не касается сенсорного экрана, напряжение равно нулю.

На два правых электрода подается напряжение +5В , левые заземляются. Напряжение на экране соответствует X -координате.
Y -координата считывается подключением к +5В обоих верхних электродов и к "земле" обоих нижних.

Особенности

Резистивные сенсорные экраны дешевы и обладают максимальной стойкостью к загрязнению. Резистивные экраны реагируют на прикосновение любым гладким твердым предметом: рукой (голой или в перчатке), пером, кредитной картой, тупым концом скальпеля. Их используют везде, где вандализм и низкие температуры полностью исключены: для автоматизации промышленных процессов, в медицине, в сфере обслуживания ( POS -терминалы), в персональной электронике (КПК).

Недостатками резистивных экранов являются низкое светопропускание (не более 85 % для 5-проводных моделей и еще более низкое для 4-проводных), низкая долговечность (не более 35 млн нажатий в одну точку) и недостаточная вандалоустойчивость (пленку легко разрезать).

Матричные сенсорные экраны

Конструкция и принцип работы

Конструкция аналогична резистивной, но упрощена до предела. На стекло нанесены горизонтальные проводники, на мембрану - вертикальные.

При прикосновении к экрану проводники соприкасаются. Контроллер определяет, какие проводники замкнулись, и передает в микропроцессор соответствующие координаты.

Особенности

Имеют очень низкую точность. Элементы интерфейса приходится специально располагать с учетом клеток матричного экрана. Единственное достоинство - простота, дешевизна и неприхотливость. Обычно матричные экраны опрашиваются по строкам (аналогично матрице кнопок); это позволяет наладить мультитач. Постепенно заменяются резистивными.

Eмкостные сенсорные экраны

Принцип действия емкостного сенсорного экрана

Eмкостный экран использует тот факт, что предмет большой емкости проводит переменный ток.

Eмкостный сенсорный экран представляет собой стеклянную панель, покрытую проводящим материалом. Электроды, расположенные по углам экрана, подают на проводящий слой небольшое переменное напряжение (одинаковое для всех углов). При касании экрана пальцем или другим проводящим предметом появляется утечка тока. При этом чем ближе палец к электроду, тем меньше сопротивление экрана, а значит, сила тока больше. Ток во всех четырех углах регистрируется датчиками и передается в контроллер, вычисляющий координаты точки касания.

В более ранних моделях емкостных экранов применялся постоянный ток - это упрощает конструкцию, но при плохом контакте пользователя с землей приводит к сбоям.

Особенности

Eмкостные сенсорные экраны надежны (порядка 200 млн нажатий), не пропускают жидкости и отлично терпят непроводящие загрязнения.

Прозрачность на уровне 90 %. Впрочем, проводящее покрытие все еще уязвимо. Поэтому емкостные экраны широко применяются в автоматах, установленных в охраняемом помещении. Не реагируют на руку в перчатке.

Проекционно-емкостные сенсорные экраны

Принцип действия проекционно-емкостного сенсорного экрана На внутренней стороне экрана нанесена сетка электродов. Электрод вместе с телом человека образует конденсатор; электроника измеряет емкость этого конденсатора (подает импульс тока и измеряет напряжение).

Особенности

Прозрачность таких экранов до 90 %, температурный диапазон чрезвычайно широк. Очень долговечны (узкое место - сложная электроника, обрабатывающая нажатия). На ПЁЭ может применяться стекло толщиной вплоть до 18 мм, что приводит к крайней вандалоустойчивости. На непроводящие загрязнения не реагируют, проводящие легко подавляются программными методами. Поэтому проекционно-емкостные сенсорные экраны применяются в автоматах, устанавливаемых на улице. Реагирует на руку в перчатке. Невысокая точность дополняется параллаксом от толстого вандалоустойчивого стекла.

Отличают нажатие рукой от нажатия проводящим пером. В некоторых моделях поддерживается мультитач. Поэтому такая технология применяется в тачпадах и мультитач-экранах.

Сенсорные экраны ПАВ (на поверхностно-акустических волнах)

Конструкция и принцип работы

На экране возбуждаются ультразвуковые колебания. Прикосновение к экрану изменяет характер прохождения ультразвука и регистрируется датчиками.

Особенности

Предельно высокая прозрачность (не нужны никакие электроды; мало того, ультразвук можно возбуждать прямо на экране). Реагирует на силу нажатия. Высокая надежность. Не реагирует на предмет, не поглощающий ультразвук (перо, карточка). Любой посторонний предмет (например, прилепленная жвачка) полностью блокирует работу экрана. Не удается надежно загерметизировать края экрана.

Поэтому такие экраны применяют только в охраняемом помещении.

Сетка инфракрасных лучей

Принцип работы инфракрасной сенсорной панели прост - сетка, сформированная горизонтальными и вертикальными инфракрасными лучами, прерывается при касании к монитору любым предметом. Контроллер определяет место, в котором луч был прерван.

Особенности

Инфракрасные сенсорные экраны боятся загрязнений и поэтому применяются там, где важно качество изображения. Из-за простоты и ремонтопригодности схема популярна у военных.

Оптические сенсорные экраны

Стеклянная панель снабжена инфракрасной подсветкой. На границе "стекло-воздух" получается полное внутреннее отражение, на границе "стекло - посторонний предмет" свет рассеивается. Остается заснять картину рассеяния, для этого существуют две технологии:

В проекционных экранах рядом с проектором ставится камера. Так устроен, например, Microsoft Surface .

Либо светочувствительным делают дополнительный четвертый субпиксель ЖК-экрана.

Особенности

Позволяют отличить нажатия рукой от нажатий какими-либо предметами, есть мультитач. Такая технология позволяет делатьсколь угодно большие "сенсорные" поверхности, вплоть до классной доски.

Тензометрические сенсорные экраны

Реагируют на деформацию экрана. Точность тензометрических экранов невелика, зато они отлично выдерживают вандализм. Применение аналогично проекционно-емкостным: банкоматы, билетные автоматы и прочие устройства, расположенные на улице.

Индукционные сенсорные экраны

Индукционный сенсорный экран - это графический планшет со встроенным экраном. Такие экраны реагируют только на специальное перо.

Применяются, когда требуется реакция именно на нажатия пером (а не на рукой): художественные планшеты класса high-end , некоторые модели планшетных ПК.

Матр - матричные

ПАВ - поверхностные акустические волны

4-пров - 4-проводные резистивные

ИК-сетка - экраны на сетке ИК-лучей

5-пров - 5-проводные резистивные

Опт - оптические

Ёмк - емкостные

Тензо - тензометрические

Премк - проекционно-емкостные

Индукц - индукционные

1 Высокая - до пикселя (точно отслеживает острое перо). Средняя - до нескольких пикселей (достаточная для нажатий пальцем). Низкая - крупными блоками экрана (невозможно рисование, требуются очень крупные элементы интерфейса).

2 Ограничивается надежностью электроники

3 Ограничивается загрязнением датчика

4 Огран - аппаратура ограниченного доступа (персональная электроника, промышленная аппаратура).

Помещ - общий доступ в охраняемом помещении. Улица - общий доступ на улице.

Многие люди, особенно среднего и молодого возраста, активно пользуются смартфонами, планшетами и прочими гаджетами с интеллектуальным дисплеем. Однако мало кто из них задумывался о принципе работы сенсорного экрана и их разновидностях. Попробуем разобраться в этом детальней.

История изобретения

Впервые в мире прототип сенсорного устройства был использован Сэмом Харстом, преподавателем из США. Он в 1970 году разработал идею считывания данных с большого количества ленточных самописцев. Автоматизация указанного процесса и стала своеобразным трамплином к созданию сенсорных мониторов, известных как Elotouch. Разработка группы коллег Херста вышла в свет в 1971 году, включала в себя резистивную четырехпроводную технологию по определению точек прикосновения.

Первым компьютером сенсором считается система PLATO IV. Вышла она также в США, в результате специальных исследований, касающихся компьютеризации обучения. Она состояла из блочной панели (256 штук), функционировала по принципу использования сетки инфракрасных потоков.

Описание

Сенсорный дисплей представляет собой электронный элемент, визуализирующий цифровые сведения посредством касательного воздействия к поверхности монитора. Разные виды указанных конструкций реагируют на несколько моментов или один определенный фактор (изменение емкости и сопротивления, термическую разницу, специальную указку).

По принципу работы сенсорные экраны подразделяют следующим образом:

Резистивные версии.
Матричные модели.
Емкостные варианты.
Поверхностно-акустические модификации.
Оптические сенсоры и их разновидности.

Рассмотрим распространенные модели дисплеев указанной категории, область применения, особенности и преимущества.

Принцип работы резистивных сенсорных экранов

Это самый простой тип монитора. Он реагирует на трансформацию силы сопротивления в районе касания определенного предмета и поверхности дисплея. Самая распространенная и элементарная технология включает в свою конструкцию два основных элемента:

Панель-подложку из полиэстера или похожего полимера, толщина которой не превышает нескольких десятков молекул. Прозрачная деталь служит для проведения токовых частиц.
Светопроводящую мембрану из тонкослойного пластика.

Оба слоя покрываются специальным резистивным напылением. Между ними находятся микроскопические шарикообразные изоляторы.

В процессе работы мембрана прогибается, соприкасаясь с подложкой, в результате чего цепь замыкается. На операцию реагирует контроллер с аналогово-цифровым преобразователем, высчитывая величину исходного и текущего сопротивления, а также координаты точки контакта. Подобные устройства быстро показали свои отрицательные стороны, в результате чего инженеры улучшили конструкцию посредством добавления пятого провода.

Использование

Благодаря простейшему принципу работы сенсорного экрана резистивной конфигурации, он эксплуатируется повсеместно. Особенности конструкции:

низкая себестоимость;
устойчивость к воздействию внешней среды, за исключением отрицательных температур;
хорошая реакция на соприкосновение с любым неострым подходящим предметом.

Подобные дисплеи монтируются на терминалы пополнения и перевода денег, банкоматы и прочие устройства, которые изолированы от окружающей среды. Слабая защищенность монитора от повреждений компенсируется наличием защитного пленочного покрытия.

Принцип работы емкостных сенсорных экранов

Этот тип дисплеев функционирует с учетом возможности объектов увеличенной емкости трансформироваться в проводники переменного электротока. Устройство представляет собой стеклянную панель с резистивным напылением. Электроды, размещенные по углам, подают слабое напряжение на проводящую прослойку. Во время соприкосновения наблюдается утечка тока, в случае, если объект обладает большей электрической емкостью, чем экран. В угловых частях фиксируется ток, а информация с индикаторов идет на обработку в контроллер, который и вычисляет район касания.

В первых моделях использовался постоянный ток. Это упрощало конструкцию, однако, давало сбои, если пользователь не имел контакта с поверхностью земли. По надежности указанные девайсы превышают резистивные аналоги примерно в 60 раз (рассчитаны на 200 миллионов нажатий). Уровень прозрачности – 0,9, минимальная рабочая температура – до -15 °C.

отсутствие реакции на руку в перчатке и большинство посторонних предметов;
покрытие с проводником расположено в верхнем слое, что обуславливает подверженность механическому воздействию;
они пригодны для эксплуатации в терминалах, находящихся в закрытых помещениях.

Емкостно-проекционные версии

Принцип работы сенсорного экрана смартфонов некоторых конфигураций основан по этому типу. На внутренней поверхности девайса нанесена электродная сетка, которая при соприкосновении с телом человека образует конденсаторную емкость. После касания дисплея пальцем, датчики и микроконтроллер обрабатывают информацию, расчеты отправляют на основной процессор.

указанные конструкции обладают всеми возможностями емкостных сенсоров;
они могут оборудоваться пленочным покрытием толщиной до 18 миллиметров, что обеспечивает дополнительную защиту от механического воздействия;
загрязнения на труднодоступных токопроводящих частях убираются при помощи программного метода.

Монтируются указанные конфигурации на многие персональные устройства и терминалы, работающие на улице под накрытием. Стоит отметить, что Apple также отдает предпочтение проекционно-емкостным мониторам.

Матричные модификации

Это упрощенные версии резистивной технологии. Мембрана оснащается рядом вертикальных проводников, подложка – горизонтальными аналогами. Принцип работы сенсорного экрана: при касании происходит расчет точки, в которой произошел контакт проводников, полученные сведения отправляются в процессор. Тот, в свою очередь, определяет сигнал управления, после чего устройство реагирует заданным образом, например, выполняет действие, закрепленное за конкретной кнопкой.

из-за ограниченного числа проводников наблюдается невысокий показатель точности;
цена – самая низкая среди всех сенсоров;
функция мультитач реализуется за счет опроса дисплея по точкам.

Указанная модель эксплуатируется исключительно в устаревших приборах, практически не используется в современности по причине появления инновационных решений.

Поверхностно-акустические сигналы

Принцип работы сенсорного экрана телефонов ранних моделей оснащался подобной технологией. Дисплей представляет собой стеклянную панель, в которую внедрены приемники (два штуки) и пьезоэлектрические трансформаторы, размещаемые на противоположных угловых частях.

Из генератора частотный электрический сигнал подается на преобразователи, откуда череда импульсов распространяется с помощью отражателей. Волны улавливаются датчиками, возвращаются на ПЭП, где превращаются снова в электрический ток. Далее информация идет на контроллер, в котором происходит ее анализ.

При касании экрана характеристики волны претерпевают изменения с поглощением части энергии в конкретном месте. На основе этих сведений производится расчет точки и силы прикосновения. Дисплеи этой категории выпускаются с пленкой, толщиной 3 или 6 миллиметров, что позволяет без последствий выдерживать несильный удар рукой.

нарушение работы в условиях вибрации и тряски;
неустойчивость к любым загрязнениям;
наличие помех из-за акустических сигналов определенной конфигурации;
низкая точность делает их непригодными для рисования.

Прочие виды

Устройство и принцип работы сенсорных экранов, которые используются чаще всего, рассмотрен выше. Далее указан перечень дисплеев непопулярных конфигураций:

Оптические мониторы – поддерживают функцию мультитач, включая большие размеры обслуживаемой поверхности.
Инфракрасные модели – покрыты парами фотодиодных светодиодов, реагируют на прикосновение через микроконтроллер.
Индукционные варианты – оснащаются специальной катушкой и сетью чувствительных проводников, используются на дорогих планшетах.

Как видим, есть несколько вариантов сенсорных дисплеев. Выбор всегда остается за потребителем.

Читайте также: