มาตรความเร่ง (accelerometer) ไจโรสโคป (gyroscope) แมกนีโตมิเตอร์ (magnetometer) ไมโครโฟน กล้อง จีพีเอส (GPS) บารอมิเตอร์ (barometer) ไลดาร์ (LiDAR): สมาร์ตโฟนรุ่นใหม่มีเซนเซอร์ทางกายภาพมากถึงยี่สิบตัว ซึ่งโทรศัพท์ของคุณนำมาสร้างเป็นเครื่องมือวัดที่แตกต่างกันได้มากกว่าห้าสิบชนิด คู่มือนี้อธิบายทีละเซนเซอร์ว่าแต่ละตัวทำงานอย่างไร วัดอะไรได้จริง มีความแม่นยำเพียงใด และจะเปลี่ยนให้เป็นเครื่องมือวิทยาศาสตร์สำหรับห้องเรียนหรือที่บ้านได้อย่างไร

สรุปโดยย่อ: เซนเซอร์ในสมาร์ตโฟนเป็นชิ้นส่วนระดับอุตสาหกรรม (เทคโนโลยี MEMS และไมโครอิเล็กทรอนิกส์) ที่ทำการวัดทางวิทยาศาสตร์อย่างจริงจังได้ มาตรความเร่งวัดค่า g ได้ด้วยความคลาดเคลื่อนต่ำกว่า 1% ไมโครโฟนสุ่มตัวอย่างสัญญาณที่ 44,100 Hz และแมกนีโตมิเตอร์ตรวจจับสนามแม่เหล็กได้ในระดับหนึ่งในสิบไมโครเทสลา เซนเซอร์ทางกายภาพแต่ละตัวเป็นต้นทางของเครื่องมือเชิงซอฟต์แวร์หลายชนิด: มาตรความเร่งยังให้เครื่องวัดความเอียง (inclinometer) และเครื่องนับก้าว (pedometer) ส่วนกล้องให้เครื่องวัดสี (colorimeter) การวิเคราะห์การเคลื่อนที่จากวิดีโอ และเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจ ข้อจำกัดของเซนเซอร์เหล่านี้ (อุณหภูมิ ไฟฟ้า pH) แก้ได้ด้วยเซนเซอร์ภายนอกแบบบลูทูธ

🔬 ลองใช้เซนเซอร์ทุกตัวได้ในสองนาที

แอป FizziQ (iOS, Android) ซึ่งใช้ได้ฟรี เปลี่ยนเซนเซอร์แต่ละตัวที่กล่าวถึงในคู่มือนี้ให้เป็นเครื่องมือวัดพร้อมใช้งาน พร้อมกิจกรรมที่ผ่านการทดสอบในห้องเรียนแล้วกว่า 120 กิจกรรม

เนื้อหาในคู่มือนี้

หนึ่งเซนเซอร์ หลายเครื่องมือ: วิธีอ่านโทรศัพท์ของคุณ

แนวคิดสองอย่างมักถูกสับสนกัน เซนเซอร์ (sensor) คือชิ้นส่วนทางกายภาพ: ชิปขนาดไม่กี่มิลลิเมตรที่แปลงปรากฏการณ์ (แรง ความดันเสียง แสง สนามแม่เหล็ก) ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า ส่วนเครื่องมือ (instrument) คือชั้นซอฟต์แวร์ที่เปลี่ยนสัญญาณนี้ให้เป็นค่าการวัดที่ใช้งานได้ แมกนีโตมิเตอร์ตัวเดียวกันให้ทั้งเทสลามิเตอร์ (teslameter) เข็มทิศ และเครื่องตรวจจับโลหะ มาตรความเร่งตัวเดียวกันให้ทั้งมาตรความเร่งสามแกน เครื่องวัดความเอียง เครื่องนับก้าว และเครื่องวัดแผ่นดินไหว

การขยายจำนวนด้วยซอฟต์แวร์เช่นนี้อธิบายได้ว่า เหตุใดแอปอย่าง FizziQ จึงมีเครื่องมือวัดมากกว่า 50 ชนิด จากเซนเซอร์ทางกายภาพเพียงประมาณยี่สิบตัว การเข้าใจสายโซ่จากเซนเซอร์ไปสู่สัญญาณ ไปสู่เครื่องมือ และไปสู่ปริมาณทางฟิสิกส์ ถือเป็นจุดประสงค์การเรียนรู้ข้อหนึ่งในหลักสูตรฟิสิกส์ส่วนใหญ่อยู่แล้ว

ตารางเซนเซอร์และปริมาณที่วัดได้

เซนเซอร์ทางกายภาพเครื่องมือที่ได้ปริมาณที่วัดหน่วยความแม่นยำโดยทั่วไปอัตราการวัด
มาตรความเร่งมาตรความเร่ง 3 แกน, เครื่องวัดความเอียง, เครื่องนับก้าวความเร่งเชิงเส้นและความเร่งสัมบูรณ์, มุม, จำนวนก้าวm/s², °, ก้าว< 0.01 m/s²; 0.1°; ประมาณ 1 ก้าวใน 100 ก้าว≥ 100 Hz
ไจโรสโคปไจโรมิเตอร์ 3 แกนความเร็วเชิงมุม, การหมุนrad/s, rpm~0.01 rad/s≥ 100 Hz
แมกนีโตมิเตอร์เทสลามิเตอร์, เข็มทิศ, ธีโอโดไลต์ (มุมแอซิมัท)สนามแม่เหล็ก, การวางตัวµT, °< 0.2 µT; 0.1° (เข็มทิศ)≥ 50 Hz
ไมโครโฟนเครื่องวัดระดับเสียง, เครื่องวัดความถี่, มุมมองออสซิลโลสโคป, สเปกตรัม, สเปกโตรแกรม, นาฬิกาจับเวลาด้วยเสียงระดับเสียง, ความถี่, ช่วงเวลาdB, Hz, sความถี่ละเอียดถึงระดับ Hz; ช่วงเวลาละเอียดถึงระดับ msการสุ่มตัวอย่าง (sampling) ที่ 44,100 Hz
กล้องการวิเคราะห์การเคลื่อนที่จากวิดีโอ, โครโนโฟโตกราฟี, เครื่องวัดสี, เครื่องวัดความส่องสว่าง (luminance), เครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจตำแหน่ง, อัตราเร็ว, สี RGB, ค่าการดูดกลืนแสง, ความส่องสว่าง, ชีพจรm, m/s, %, bpmความละเอียด (resolution) เชิงเวลา: 4 ms ที่ 240 fps30 ถึง 240 fps
เซนเซอร์แสงโดยรอบลักซ์มิเตอร์ความสว่าง (illuminance)luxขึ้นกับรุ่น~10 Hz
จีพีเอส (GNSS)ตำแหน่ง, เครื่องวัดระดับความสูง, เครื่องวัดอัตราเร็ว, ค่าความแม่นยำละติจูด/ลองจิจูด, ระดับความสูง, อัตราเร็ว°, m, m/s~10 m (ตำแหน่ง); < 1 m/s (อัตราเร็ว)1 Hz
บารอมิเตอร์บารอมิเตอร์, เครื่องวัดระดับความสูงจากความดันบรรยากาศความดันบรรยากาศhPaตรวจจับการเปลี่ยนระดับความสูงได้ประมาณ 1 m~10 Hz
เซนเซอร์ภายนอก (บลูทูธ)อุณหภูมิ, pH, CO₂, แรงดันไฟฟ้า, ฝุ่นละออง และอื่น ๆขึ้นกับเซนเซอร์°C, pH, ppmขึ้นกับเซนเซอร์ขึ้นกับเซนเซอร์

ค่าโดยประมาณที่สังเกตได้ในสมาร์ตโฟนรุ่นใหม่ ค่าที่แน่นอนแตกต่างกันไปตามรุ่น และความแปรผันนี้เองก็เป็นหัวข้อปฏิบัติการที่ดีเยี่ยมเรื่องความไม่แน่นอนของการวัด

MEMS และไมโครอิเล็กทรอนิกส์: เทคโนโลยีเบื้องหลังเซนเซอร์

เซนเซอร์ในสมาร์ตโฟนแบ่งเป็นสองตระกูล MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems หรือระบบเครื่องกลไฟฟ้าจุลภาค) มีโครงสร้างจุลภาคเชิงกลที่เคลื่อนไหวได้จริง สลักลงบนซิลิคอนในระดับไมครอน: มวลที่แขวนอยู่บนสปริงสำหรับมาตรความเร่ง มวลสั่นที่อาศัยแรงคอริออลิส (Coriolis force) สำหรับไจโรสโคป และแผ่นเยื่อที่เสียรูปได้สำหรับบารอมิเตอร์และไมโครโฟน ตระกูลที่สองคือไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่ไม่มีชิ้นส่วนเคลื่อนไหว: เมทริกซ์ของโฟโตไดโอด CMOS สำหรับกล้อง ปรากฏการณ์ฮอลล์สำหรับแมกนีโตมิเตอร์ และชิปคลื่นความถี่วิทยุสำหรับจีพีเอส

ชิ้นส่วนเหล่านี้ไม่ใช่ของเล่น เทคโนโลยีเดียวกันนี้ใช้จุดชนวนถุงลมนิรภัย รักษาเสถียรภาพของโดรน และติดตั้งอยู่ในอากาศยาน เมื่อผลิตออกมาเป็นจำนวนหลายพันล้านชิ้น ราคาจึงลดลงอย่างมหาศาล: การประหยัดต่อขนาดของอุตสาหกรรมสมาร์ตโฟน ไม่น้อยไปกว่าตัวเทคโนโลยีเอง คือสิ่งที่นำห้องปฏิบัติการมาใส่ไว้ในกระเป๋าของทุกคน

มาตรความเร่ง: ราชาแห่งกลศาสตร์

หลักการทำงาน มวลจุลภาคที่แขวนอยู่บนสปริงซิลิคอนจะเคลื่อนที่ภายใต้แรงเฉื่อย การเปลี่ยนแปลงความจุไฟฟ้าที่เกิดขึ้นถูกแปลงเป็นความเร่งตามแกนทั้งสามของโทรศัพท์ คือ X, Y, Z คำอธิบายฉบับเต็ม: มาตรความเร่งในสมาร์ตโฟนทำงานอย่างไร

สิ่งที่วัดได้ และประเด็นละเอียดอ่อนที่ต้องเข้าใจ โทรศัพท์ให้ปริมาณสองอย่างที่แตกต่างกัน ความเร่งสัมบูรณ์ (absolute acceleration) คือค่าดิบจากเซนเซอร์ ซึ่งรวมปฏิกิริยาต่อแรงโน้มถ่วงไว้ด้วย โทรศัพท์ที่วางนิ่งบนโต๊ะจึงอ่านค่าได้ 9.81 m/s² ส่วน**ความเร่งเชิงเส้น** (linear acceleration) หักค่า g ออกด้วยการคำนวณ โทรศัพท์เครื่องเดิมจึงอ่านค่าได้ศูนย์ ในการตกอย่างอิสระ บทบาทจะสลับกัน: ความเร่งสัมบูรณ์ลดลงเป็นศูนย์ (สภาพไร้น้ำหนัก) ขณะที่ความเร่งเชิงเส้นอ่านค่าได้ g ความแตกต่างนี้ ซึ่งเปิดประเด็นอภิปรายมากมายเรื่องกรอบอ้างอิง (reference frame) มีอธิบายละเอียดในความเร่งเชิงเส้นกับความเร่งสัมบูรณ์ต่างกันอย่างไร

เครื่องมือที่ได้ มาตรความเร่ง 3 แกน และยังมีเครื่องวัดความเอียง (มุมเทียบกับแนวดิ่งหรือแนวระดับ ละเอียดถึง 0.1° เป็นทั้งลูกดิ่งและระดับน้ำในเครื่องเดียว) และเครื่องนับก้าว ซึ่งจดจำรูปแบบสัญญาณความเร่งที่เกิดซ้ำอย่างสม่ำเสมอขณะเดิน (เครื่องนับก้าว)

ความแม่นยำ ความละเอียดดีกว่า 0.01 m/s² อัตราการวัดสูงกว่า 100 Hz: เพียงพอที่จะวัดค่า g ได้ด้วยความคลาดเคลื่อนต่ำกว่า 1%

ในห้องเรียน การแกว่งของลูกตุ้มอย่างง่าย ฟิสิกส์ในลิฟต์ การเคลื่อนที่แบบวงกลมในเครื่องสลัดผัก การชนและการกระดอน และการทดลองเรื่องแรงโน้มถ่วงเจ็ดแบบ

ไจโรสโคป: การหมุนแบบเรียลไทม์

หลักการทำงาน มวลที่สั่นอยู่จะได้รับแรงคอริออลิสเมื่อโทรศัพท์หมุน ซึ่งเป็นหลักการเดียวกับอวัยวะรักษาสมดุลของแมลง เซนเซอร์จึงคำนวณความเร็วเชิงมุมรอบแกนทั้งสามออกมาได้ ในหน่วย rad/s หรือรอบต่อนาที

ในห้องเรียน คาบของแป้นหมุน การอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมบนเก้าอี้สำนักงาน และการพิสูจน์ยืนยันชิ้นเอกของกลศาสตร์ระดับมัธยมปลาย: การใช้ไจโรสโคปร่วมกับมาตรความเร่งในเครื่องสลัดผักเพื่อยืนยันว่า a = ω²r ไจโรสโคปคือเซนเซอร์ที่ตำราเรียนมักหลงลืม ทั้งที่เป็นหนึ่งในชิปที่แม่นยำที่สุดในโทรศัพท์

แมกนีโตมิเตอร์: ทำให้สนามแม่เหล็กมองเห็นได้

หลักการทำงาน ส่วนใหญ่อาศัยปรากฏการณ์ฮอลล์ (Hall effect): สนามแม่เหล็กเบี่ยงเบนพาหะประจุในสารกึ่งตัวนำ ทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ตามแกนทั้งสาม บางรุ่นใช้ปรากฏการณ์แมกนีโตรีซิสทีฟแทน: ความต้านทานของโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลเปลี่ยนไปตามสนามแม่เหล็ก ความไวโดยทั่วไป: ดีกว่า 0.2 µT เทียบกับสนามแม่เหล็กโลกซึ่งมีค่าประมาณ 47 µT ในยุโรป

เครื่องมือที่ได้ เทสลามิเตอร์ เข็มทิศ (มุมเทียบกับทิศเหนือแม่เหล็ก ละเอียดถึง 0.1°) และมุมแอซิมัทของธีโอโดไลต์ (theodolite) สำหรับการวัดด้วยการหาตำแหน่งแบบสามเหลี่ยม (triangulation)

ความย้อนแย้งที่ใช้สอนได้ ลองนำแม่เหล็กเข้าใกล้: ค่าสนามแม่เหล็กที่อ่านได้จะแกว่งไปมาอย่างรุนแรง แต่เข็มทิศยังคงชี้ไปทางทิศเหนือ คำตอบคือการปรับเทียบใหม่ด้วยซอฟต์แวร์อย่างต่อเนื่อง ซึ่งแสดงให้เห็นความแตกต่างระหว่างข้อมูลดิบกับข้อมูลที่ผ่านการประมวลผลได้อย่างชัดเจน: เหตุใดเข็มทิศในสมาร์ตโฟนจึงไม่ถูกแม่เหล็กรบกวน

ในห้องเรียน สนามแม่เหล็กโลกและมุมเอียงของสนาม กฎ 1/d³ ของขั้วคู่แม่เหล็ก (กราฟล็อก-ล็อก) ปรากฏการณ์เออร์สเตดรอบลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหล การล่าสมบัติด้วยแม่เหล็ก และการตรวจหาโครงสร้างโลหะภายในผนัง

ไมโครโฟน: หกเครื่องมือในแผ่นเยื่อเดียว

หลักการทำงาน ไมโครโฟนในสมาร์ตโฟนสืบทอดมาจากไมโครโฟนแบบอิเล็กเตรต (ตัวเก็บประจุที่มีขั้วถาวรและแทบไม่กินไฟ) ปัจจุบันตัวมันเองก็เป็น MEMS: แผ่นเยื่อขนาดจิ๋วสั่นตามการเปลี่ยนแปลงความดันของคลื่นเสียง และสัญญาณถูกแปลงเป็นดิจิทัลที่ 44,100 Hz ด้วยความละเอียด 16 บิต (ความเที่ยง (precision) ของแอมพลิจูดอยู่ที่ 0.003%) ซึ่งตามทฤษฎีบทไนควิสต์ครอบคลุมช่วงความถี่ที่มนุษย์ได้ยินทั้งหมด

เครื่องมือที่ได้ นี่คือเซนเซอร์ที่ให้เครื่องมือได้มากที่สุดในโทรศัพท์: เครื่องวัดระดับเสียงวัดความดังในหน่วยเดซิเบล (มาตราส่วนลอการิทึม: การสนทนา ~60 dB เครื่องปั่น ~90 dB เจ็บปวดเมื่อเกิน 140 dB) มุมมองออสซิลโลสโคปแสดงรูปร่างของคลื่น อันเป็นคำตอบของคำถามที่ว่าเรามองเห็นเสียงได้หรือไม่ เครื่องวัดความถี่สกัดความถี่เด่นและความถี่มูลฐานออกมาด้วยการแปลงฟูเรียร์ (Fourier transform) สเปกตรัมแยกเสียงออกเป็นฮาร์มอนิกต่าง ๆ สเปกโตรแกรมติดตามสเปกตรัมตามเวลา และนาฬิกาจับเวลาด้วยเสียง ซึ่งเริ่มจับเวลาเมื่อเสียงเกินระดับที่กำหนด วัดช่วงเวลาได้ละเอียดถึงมิลลิวินาที อันเป็นกุญแจสำคัญของการวัดอัตราเร็วของเสียง

ข้อจำกัดที่ควรรู้ เครื่องวัดระดับเสียงในโทรศัพท์ไม่ได้ผ่านการปรับเทียบเหมือนเครื่องมือชั้น 1: ยอดเยี่ยมสำหรับการเปรียบเทียบและการหาผลต่าง แต่เป็นค่าโดยประมาณเมื่อพิจารณาค่าสัมบูรณ์ โจทย์ฝึกการคิดเชิงวิพากษ์ที่สร้างจากประเด็นนี้: การรวมเสียงสองแหล่งเข้าด้วยกันทำให้ระดับเสียงเพิ่มขึ้น 3 เดซิเบลจริงหรือ

ลำโพง: เซนเซอร์ย้อนกลับ

สิ่งที่ถูกลืมเสมอในการสำรวจรายการเซนเซอร์: โทรศัพท์ไม่ได้เป็นเพียงตัวรับ แต่ยังเป็นตัวส่งด้วย เครื่องสังเคราะห์เสียงของโทรศัพท์สร้างเสียงโทนที่มีความถี่เชิงดิจิทัลกำหนดได้อย่างแม่นยำ แม้ว่าเสียงที่ออกจากลำโพงขนาดจิ๋วจะไม่ราบเรียบและไม่ได้ปรับเทียบก็ตาม เพียงเท่านี้ก็เพียงพอที่จะสร้างบีตส์ระหว่างเสียงสองโทนที่มีความถี่ใกล้เคียงกัน ศึกษาการแทรกสอด (interference) ระหว่างลำโพงสองตัว สร้างคลื่นต้นกำเนิดสำหรับการทดลองปรากฏการณ์ดอปเพลอร์ หรือสำรวจผลตอบสนองเชิงความถี่ของลำโพงหรือระบบที่เกิดการสั่นพ้อง: หกการทดลองกับเครื่องกำเนิดเสียงโทน เมื่อจับคู่กับไมโครโฟนของโทรศัพท์เครื่องที่สอง จะได้สายโซ่การส่งและการรับที่สมบูรณ์: ชุดทดลองเสียงที่ประกอบขึ้นจากอุปกรณ์เพียงสองเครื่อง

กล้อง: เซนเซอร์ที่อุดมที่สุด

หลักการทำงาน เมทริกซ์ของโฟโตไดโอด CMOS ที่มีฟิลเตอร์เบเยอร์ (Bayer filter) วางทับอยู่ด้านบน ซึ่งเป็นตารางของไมโครฟิลเตอร์สีแดง (~640 nm) สีเขียว (~550 nm) และสีน้ำเงิน (~460 nm) ที่จำลองตรรกะการมองเห็นสามสีของจอประสาทตาของเรา ตามที่ทอมัส ยัง อธิบายไว้เป็นคนแรก โหมดสโลว์โมชันทำได้ถึง 240 เฟรมต่อวินาที คิดเป็นความละเอียดเชิงเวลา 4 ms

เครื่องมือสามตระกูล จลนศาสตร์ (kinematics): ผ่านการวิเคราะห์การเคลื่อนที่จากวิดีโอ (การติดตามวัตถุทีละเฟรมให้ตำแหน่ง ความเร็ว ความเร่ง และพลังงาน) หรือผ่านโครโนโฟโตกราฟี (chronophotography) ซึ่งทำให้มองเห็นการเคลื่อนที่ก่อนจะนำไปคำนวณ ดูเพิ่มเติมที่คลังวิดีโอฟรีสำหรับการวิเคราะห์การเคลื่อนที่ การวัดสี (colorimetry): ความเข้มของสี RGB เฉดสี และค่าการดูดกลืนแสง เพียงพอสำหรับการไทเทรตตามกฎของเบียร์-แลมเบิร์ต พึงระวังการปรับค่าแสงอัตโนมัติ: ล็อกค่าเหล่านี้ก่อนเปรียบเทียบสี สรีรวิทยา: วางนิ้วบนเลนส์ เปิดไฟฉาย กล้องจะกลายเป็นเครื่องวัดอัตราการเต้นของหัวใจด้วยโฟโตเพลทิสโมกราฟี (photoplethysmography) หลักการที่เฮิร์ตซ์แมนและสปีลแมนสาธิตไว้ตั้งแต่ปี 1937 และแสงสีเขียวให้ผลดีที่สุดสำหรับการวัดนี้

เซนเซอร์แสงโดยรอบ: ลักซ์มิเตอร์ในกระเป๋า

โฟโตไดโอดที่ด้านหน้าของโทรศัพท์ทำหน้าที่วัดความสว่างในหน่วยลักซ์ผ่านปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก: แสงจันทร์เต็มดวง ~1 lux ห้องเรียน ~400 lux แสงแดดโดยตรงมากกว่า 30,000 lux อย่าสับสนกับความส่องสว่าง ซึ่งคำนวณโดยกล้อง และบ่งบอกลักษณะของแสงที่พื้นผิวเปล่งออกมาหรือสะท้อน ความแตกต่างนี้อธิบายไว้ในความสว่างหรือความส่องสว่าง? การทดลองคลาสสิก: ตรวจสอบการลดลงของความสว่างตามระยะทางแบบ 1/d²

จีพีเอส: ตำแหน่ง อัตราเร็ว และสัมพัทธภาพเล็กน้อย

ตัวรับสัญญาณ GNSS (GPS, Galileo, GLONASS) หาตำแหน่งโดยอาศัยสัญญาณจากดาวเทียมอย่างน้อยสี่ดวง: ตำแหน่งละเอียดประมาณ 10 m ระดับความสูง และอัตราเร็วละเอียดกว่า 1 m/s ปรับปรุงค่าทุกหนึ่งวินาที มีค่าความแม่นยำที่แสดงขอบเขตความคลาดเคลื่อนแบบเรียลไทม์โดยเฉพาะ ซึ่งเป็นบทเรียนด้านมาตรวิทยาในตัวเอง สัญญาณผ่านผนังหรือใบไม้ได้ไม่ดี: นี่จึงเป็นเซนเซอร์สำหรับใช้กลางแจ้ง ในห้องเรียน: อัตราเร็วของนักวิ่งหรือนักปั่นจักรยาน การทำแผนที่ค่าการวัดที่ระบุพิกัด (เสียงรบกวน สนามแม่เหล็ก) และประตูสู่ทฤษฎีสัมพัทธภาพโดยธรรมชาติ เพราะนาฬิกาบนดาวเทียมต้องได้รับการแก้ไขผลเชิงสัมพัทธภาพ ตำแหน่งของคุณจึงจะถูกต้อง

บารอมิเตอร์: ระดับความสูงหนึ่งเมตร

บารอมิเตอร์แบบ MEMS (มีเฉพาะในบางรุ่นเท่านั้น รวมถึง iPhone รุ่นใหม่ทุกรุ่น) วัดความดันบรรยากาศผ่านการเสียรูปของแผ่นเยื่อ ด้วยความไวเพียงพอที่จะตรวจจับการเปลี่ยนระดับความสูงเพียงหนึ่งเมตร: การวัดความสูงของอาคารด้วยการเดินขึ้นบันได การวัดระดับความสูงจากความดันบรรยากาศ และการติดตามสภาพอากาศ

เซนเซอร์ในชีวิตประจำวัน: ฟิสิกส์ที่ซ่อนอยู่ในโทรศัพท์ของคุณ

สมาร์ตโฟนมีเซนเซอร์อยู่จริงราวยี่สิบตัว และแม้แต่ตัวที่ไม่ได้ใช้สำหรับการวัดทางวิทยาศาสตร์ก็แสดงหลักการทางฟิสิกส์ที่งดงาม ซึ่งล้วนคุ้มค่าแก่การอภิปรายในห้องเรียน

ไลดาร์ (LiDAR มีในรุ่นระดับสูงรุ่นใหม่) ปล่อยพัลส์เลเซอร์และวัดเวลาเดินทางของแสงเพื่อสร้างแผนที่สามมิติของพื้นที่ ตามหลักการของเครื่องวัดระยะ ซึ่งใช้ตั้งแต่โบราณคดีไปจนถึงการจดจำใบหน้า เซนเซอร์ระยะใกล้ (proximity sensor) ประกอบด้วยตัวส่งและตัวรับอินฟราเรดคู่กัน: เมื่อหูของคุณเข้ามาในระยะ 5 cm แสงที่สะท้อนกลับจะถูกตรวจจับและหน้าจอจะดับลง หน้าจอสัมผัสแบบเก็บประจุก็เป็นเซนเซอร์ในตัวเอง: นิ้วของคุณเปลี่ยนสนามไฟฟ้าเฉพาะจุดของชั้นตัวนำ การแตะทุกครั้งจึงเป็นการวัดความจุไฟฟ้า เครื่องอ่านลายนิ้วมือมีสามเทคโนโลยี (แบบแสง แบบเก็บประจุ และแบบอัลตราโซนิกซึ่งปลอดภัยที่สุด) เทอร์มอมิเตอร์ภายในตรวจสอบอุณหภูมิของแบตเตอรี่และหน่วยประมวลผล ไม่ใช่อากาศโดยรอบ และไฮโกรมิเตอร์เคยปรากฏอยู่ช่วงสั้น ๆ (Galaxy S4 และ S5 วัดไอน้ำด้วยวิธีเก็บประจุ) ก่อนจะถูกตัดออกไป: สองตัวอย่างนี้แสดงให้เห็นว่าเซนเซอร์ที่ฝังอยู่ในเครื่องวัดตัวโทรศัพท์เป็นหลัก และแทบไม่ได้วัดโลกภายนอก สำหรับปริมาณด้านสิ่งแวดล้อม เซนเซอร์ภายนอกยังคงเป็นคำตอบที่ถูกต้อง

ไปจนถึงปุ่มกด ซึ่งเป็นเซนเซอร์แบบทวิภาคที่ผ่านการทดสอบกด 100,000 ครั้งจากโรงงาน: เซนเซอร์ที่ต่ำต้อยที่สุดอาจเป็นตัวที่ขาดไม่ได้ที่สุด

ข้อมูลดิบกับข้อมูลที่ผ่านการประมวลผล: สิ่งที่โทรศัพท์ซ่อนจากคุณ

สมาร์ตโฟนแทบไม่เคยส่งมอบสัญญาณทางกายภาพล้วน ๆ ให้เลย แมกนีโตมิเตอร์ถูกปรับเทียบใหม่อยู่ตลอดเวลา (ความลับของเข็มทิศที่ไม่กลัวแม่เหล็ก) ความเร่งเชิงเส้นเป็นปริมาณที่คำนวณขึ้นด้วยการหลอมรวมข้อมูลเซนเซอร์ (sensor fusion ซึ่งระบบนำข้อมูลจากมาตรความเร่ง ไจโรสโคป และแมกนีโตมิเตอร์มารวมกันอย่างต่อเนื่องเป็นเซนเซอร์การวางตัวเสมือน) กล้องปรับค่าแสงและสมดุลแสงขาวโดยอัตโนมัติ ไมโครโฟนบางครั้งใช้การลดเสียงรบกวน และเครื่องวัดระดับเสียงเชิงซอฟต์แวร์ทำงานในเชิงสัมพัทธ์เพราะขาดการปรับเทียบ (calibration) แบบสัมบูรณ์ การเข้าใจว่าอะไรอยู่ระหว่างสัญญาณของเซนเซอร์กับค่าที่แสดงผล (การปรับเทียบ การหลอมรวม การกรอง สัญญาณรบกวนในการวัด) คือบทเรียนที่มีค่าที่สุดบทหนึ่งที่เครื่องมือเหล่านี้มอบให้: ค่าการวัดไม่ใช่ความจริงในตัวเอง แต่เป็นสัญญาณที่ผ่านการประมวลผล

สิ่งที่เซนเซอร์ภายในวัดไม่ได้

การสำรวจอย่างซื่อตรงย่อมมีช่องว่าง อุณหภูมิของอากาศหรือของเหลว (หัววัดภายในเฝ้าดูตัวโทรศัพท์ ไม่ใช่โลกภายนอก) แรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้า pH และเคมีของสารละลายนอกเหนือจากการวัดสีทางอ้อม กัมมันตภาพรังสี (แม้บางแอปจะอ้างว่าวัดได้) และการวัดที่ต้องการความแม่นยำเชิงมาตรวิทยาที่ได้รับการรับรองทุกประเภท สำหรับปริมาณเหล่านี้ คำตอบคือเซนเซอร์ภายนอกแบบบลูทูธ ซึ่งเป็นบทบาทของ FizziQ Connect โดยตรง (อุณหภูมิ pH CO₂ แรงดันไฟฟ้า ฝุ่นละออง) หรือไมโครคอนโทรลเลอร์ (micro:bit, Arduino, ESP32) ที่นักเรียนประกอบขึ้นด้วยตนเอง

สรุป

เซนเซอร์ทางกายภาพยี่สิบตัว เครื่องมือเชิงซอฟต์แวร์ห้าสิบชนิด ครอบคลุมหลักสูตรระดับมัธยมศึกษาเกือบทั้งหมด: สมาร์ตโฟนคือมัลติมิเตอร์สำหรับโลกจริง บทเรียนที่ลึกซึ้งที่สุดของมันอยู่เหนือการวัดใด ๆ เพียงอย่างเดียว: ระหว่างปรากฏการณ์กับตัวเลขที่แสดงผล มีเซนเซอร์ การแปลงสัญญาณ ขั้นตอนการประมวลผล และความไม่แน่นอนอยู่ตรงกลาง และนั่นคือสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ต้องเรียนรู้ที่จะตั้งคำถาม

🚀 เริ่มต้นวัดกันเลย

เครื่องมือทั้งหมดนี้รวมอยู่ใน FizziQ (ฟรี ไม่มีโฆษณา ใช้งานออฟไลน์ได้) สำรวจคลังกิจกรรมกว่า 120 กิจกรรมเพื่อเริ่มต้น หรือสร้างการทดลองวิทยาศาสตร์ของคุณเองจากเซนเซอร์เหล่านี้ด้วยเครื่องมือสร้างการทดลอง

คำถามที่พบบ่อย (FAQ)

สมาร์ตโฟนมีเซนเซอร์กี่ตัว? มากถึงประมาณยี่สิบตัว แทบทุกรุ่นมีมาตรความเร่ง ไจโรสโคป แมกนีโตมิเตอร์ ไมโครโฟน กล้อง เซนเซอร์แสงโดยรอบ เซนเซอร์ระยะใกล้ หน้าจอสัมผัส และจีพีเอส ส่วนบารอมิเตอร์ ไลดาร์ และเครื่องอ่านลายนิ้วมือมีเฉพาะในบางรุ่น

เซนเซอร์กับเครื่องมือวัดต่างกันอย่างไร? เซนเซอร์คือชิ้นส่วนทางกายภาพที่แปลงปรากฏการณ์ให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า ส่วนเครื่องมือคือซอฟต์แวร์ที่เปลี่ยนสัญญาณนี้ให้เป็นค่าการวัด มาตรความเร่งเพียงตัวเดียวจึงเป็นต้นทางของมาตรความเร่ง 3 แกน เครื่องวัดความเอียง และเครื่องนับก้าว

เซนเซอร์ในสมาร์ตโฟนแม่นยำหรือไม่? แม่นยำ สำหรับการใช้งานในโรงเรียนส่วนใหญ่และมากกว่านั้น: ความเร่งละเอียดถึง 0.01 m/s² ความถี่เสียงละเอียดถึงระดับเฮิรตซ์ สนามแม่เหล็กละเอียดถึง 0.2 µT งานวิจัยทางวิชาการได้ยืนยันแล้วว่าเซนเซอร์เหล่านี้ใช้ได้กับงานปฏิบัติการระดับมหาวิทยาลัย

เหตุใดมาตรความเร่งจึงอ่านค่าได้ 9.81 m/s² ขณะอยู่นิ่ง? เพราะมันวัดความเร่งสัมบูรณ์ ซึ่งรวมปฏิกิริยาต่อแรงโน้มถ่วงไว้ด้วย: มวลภายในถูกสปริงยึดไว้ต้านกับแรงดึงดูดของโลก ส่วนความเร่งเชิงเส้นซึ่งโทรศัพท์คำนวณขึ้นจะหักองค์ประกอบนี้ออก จึงอ่านค่าได้ศูนย์ขณะอยู่นิ่ง

สมาร์ตโฟนวัดอุณหภูมิได้หรือไม่? ไม่ได้: หัววัดภายในวัดอุณหภูมิของแบตเตอรี่และหน่วยประมวลผล ไม่ใช่อุณหภูมิอากาศ คุณต้องใช้เซนเซอร์ภายนอกแบบบลูทูธ เช่น ผ่าน FizziQ Connect

โทรศัพท์รู้ได้อย่างไรว่าทิศเหนืออยู่ทางไหน ทั้งที่มีแม่เหล็กอยู่ในตัวเอง? ระบบปรับเทียบแมกนีโตมิเตอร์ใหม่อย่างต่อเนื่องเพื่อหักสนามแม่เหล็กคงที่ของตัวโทรศัพท์และสภาพแวดล้อมใกล้เคียงออก เข็มทิศจึงใช้เฉพาะองค์ประกอบของสนามแม่เหล็กโลกเท่านั้น

เหตุใดค่าที่ฉันวัดได้จึงต่างจากโทรศัพท์เครื่องอื่น? แต่ละรุ่นใช้เซนเซอร์จากผู้ผลิตและรุ่นการผลิตที่ต่างกัน และมีการปรับเทียบเป็นของตนเอง การเปรียบเทียบค่าการวัดระหว่างอุปกรณ์ต่าง ๆ เป็นแบบฝึกหัดปฏิบัติการที่ดีเยี่ยมเรื่องการกระจายของข้อมูลและความไม่แน่นอน

เซนเซอร์ต้องเชื่อมต่ออินเทอร์เน็ตหรือไม่? ไม่ต้อง เซนเซอร์ทั้งหมดทำงานได้ในโหมดเครื่องบิน มีเพียงจีพีเอสที่ต้องรับสัญญาณจากดาวเทียม แต่ไม่ต้องใช้เครือข่ายโทรศัพท์มือถือ

อ่านเพิ่มเติม: บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของคู่มือฉบับสมบูรณ์ว่าด้วยการวัดและวิเคราะห์เสียงด้วยสมาร์ตโฟนหรือคอมพิวเตอร์