專利名稱：利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種通過在平板下設(shè)置一組可變電容壓力傳感器并通過測量出的電容變化以及測量電路電參數(shù)的變化進(jìn)行矢量計(jì)算，來測算平板所承受壓力的方法及裝置，屬于電學(xué)測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著消費(fèi)電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造水平和用戶需求的不斷提高，在越來越多的場合需要對各種外界變化的物理量做出測量、控制及響應(yīng)，對于壓力的感測就是其中的一種，在很多的技術(shù)領(lǐng)域都有各種技術(shù)方案的應(yīng)用，如壓力式觸控屏、電阻觸控屏、紅外式觸控屏、電容式觸摸屏以及電磁式手寫屏，應(yīng)用在計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備、電子白板以及手機(jī)、PDA、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，能夠?qū)崟r把壓力的變化在顯示屏幕上顯示出來，以反應(yīng)使用者操作時的用力情況。
美國專利US005541372中提到了一種技術(shù)方案，是在承壓面板上安置四個應(yīng)變片，承壓面板受外力作用變形就會引起應(yīng)變片數(shù)值的變化，再經(jīng)過后續(xù)的電路信號處理和計(jì)算，就可以得到外力作用點(diǎn)的位置。但是在該技術(shù)方案中，應(yīng)變片只能安置在距承壓面板頂角有一定距離的四個對稱位置上，這樣承壓面板就不能制成透明板，否則就會看到應(yīng)變片以及其它元器件，故無法應(yīng)用在觸摸屏等領(lǐng)域。同時，該技術(shù)方案又需要在面板四個頂端下方裝置四個支撐物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且承壓板的變形也會產(chǎn)生視差，該技術(shù)對于微小壓力的感測也存在一定的局限，制造與調(diào)試應(yīng)用也不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種根據(jù)測量出的電容及振蕩頻率的變化進(jìn)行矢量壓力計(jì)算，根據(jù)計(jì)算出的矢量壓力值測算出平板所受外力的受力點(diǎn)及作用力大小的方法以及實(shí)現(xiàn)該方法的裝置。
本發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)在于提供一種利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的方法，該方法分為以下步驟(1)設(shè)置四個可變電容壓力傳感器分布在受力平板的頂角或頂端位置，以獲得不同位置的電容值；(2)振蕩電路將獲得的電容值變換成具有一定頻率范圍的電信號；(3)分別對兩個相對垂直方向上每一方向的電信號進(jìn)行比較，并分別計(jì)算出每個方向上的矢量壓力差值；(4)根據(jù)所述兩個相對垂直方向上的矢量壓力差值，得出平板所受外力的受力點(diǎn)及外力作用大小。
進(jìn)一步，步驟(3)所述的相對垂直方向?yàn)樘幱谕凰矫嫔系乃椒较虻腦坐標(biāo)和垂直方向的Y坐標(biāo)。
更進(jìn)一步，步驟(3)所述的過程是先測量電信號，即用計(jì)數(shù)器對頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，再進(jìn)行矢量壓力計(jì)算。
本發(fā)明的另一個技術(shù)要點(diǎn)在于提供一種利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置，該裝置包含一個受力平板，在所述受力平板的四個頂角或頂端各設(shè)置一個可變電容壓力傳感器，每個可變電容壓力傳感器連接一個電路單元。
可變電容壓力傳感器設(shè)置在所述受力平板的下表面。
可變電容壓力傳感器由受力柱、彈性電極、墊片、電介質(zhì)、電極、隔離層構(gòu)成；受力柱直接接觸受力平板，彈性電極和電介質(zhì)之間設(shè)置墊片，兩個電介質(zhì)并列鏡像對稱設(shè)置，中間由隔離層隔開，電介質(zhì)下端面設(shè)置電極。
受力平板由剛性材料制成。
電路單元由振蕩電路單元、放大整形電路單元、頻率計(jì)數(shù)單元、以及矢量計(jì)算單元和輸出數(shù)據(jù)單元組成；振蕩電路單元用以將電容的信號變換成一個振蕩信號，放大整形單元用以放大和整形振蕩信號，振蕩信號足夠應(yīng)用時，可不經(jīng)放大整形單元直接送入頻率計(jì)數(shù)單元，由頻率計(jì)數(shù)單元計(jì)算出每個可變電容壓力傳感器對應(yīng)的振蕩頻率，再由矢量計(jì)算單元對振蕩頻率信號進(jìn)行矢量計(jì)算，最后由輸出數(shù)據(jù)單元輸出矢量差值。
所述振蕩電路單元為容感振蕩電路單元。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果是結(jié)構(gòu)簡單，便于感測微力，可以快速檢測到平板所受壓力的變化并計(jì)算出平板受力點(diǎn)的位置，可以自行校正，適合應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備、電子白板以及手機(jī)、PDA、多媒體交互設(shè)備等多種領(lǐng)域。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
圖1是本發(fā)明提出的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置的仰視示意圖；圖2是本發(fā)明提出的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置的受力正視示意圖；圖3是本發(fā)明提出的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置中的電路單元框圖；圖4是本發(fā)明提出的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的方法流程圖；圖5是本發(fā)明提出的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置中的可變電容壓力傳感器在未受力狀態(tài)時的示意圖；圖6是本發(fā)明提出的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置中的可變電容壓力傳感器在受力狀態(tài)時的示意圖；附圖標(biāo)記說明1為受力平板；2為可變電容壓力傳感器；21-26為可變電容壓力傳感器2的構(gòu)件，其中21為受力柱，22為彈性電極，23為墊片，24為電介質(zhì)，25為電極，26為隔離層；F為外力。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本申請的實(shí)施方式進(jìn)行說明。
圖1是本發(fā)明所述裝置的仰視圖，其包括受力平板1和可變電容壓力傳感器2。受力平板1最好是剛性板，剛性板受外力作用時變形較小，便于測量與計(jì)算?？勺冸娙輭毫鞲衅?設(shè)置在受力平板1的特定位置，本發(fā)明實(shí)施方式是設(shè)置在受力平板矩形體的四個頂角或頂端并相對垂直分布，用以測量受力平板1所承受的壓力信息并輸出相應(yīng)的信號。
所述可變電容壓力傳感器2由受力柱21、彈性電極22、墊片23、電介質(zhì)24、電極25和隔離層26構(gòu)成。受力柱21直接接觸受力平板1，用以傳遞受力平板1所受的壓力；彈性電極22和電介質(zhì)24之間設(shè)置墊片23，起到隔離作用；兩個電介質(zhì)24并列鏡像對稱放置，中間由隔離層26隔開；電介質(zhì)24下端面設(shè)置電極25，從電極25中引出導(dǎo)線或?qū)w，用以向電路單元傳輸檢測到的電信號。
根據(jù)電容的基本原理可知，從一個電介質(zhì)中引出兩個電極，都會存在一個電容值，電容值的大小與兩個電極之間的電介質(zhì)的介電常數(shù)、距離以及面積有直接關(guān)系，改變其中任一條件，就可以達(dá)到改變電容的目的與效果。所述可變電容壓力傳感器2即是基于這個原理工作的。
圖5是可變電容壓力傳感器2未受力狀態(tài)的示意圖，圖6是可變電容壓力傳感器2受力狀態(tài)的示意圖。在受力平板1處于垂直狀態(tài)時，彈性電極22僅受重力作用，受力平板1以及受力柱21在彈性電極22的彈力作用下處于初始狀態(tài)，即與電介質(zhì)24之間沒有作用力，如圖5所示；受力平板1處于傾斜狀態(tài)、水平狀態(tài)以及受到外力作用時，都會產(chǎn)生形變，此時彈性電極22與電介質(zhì)24之間的接觸面積就會發(fā)生變化，如附圖6所示，當(dāng)受力平板1所受壓力變化時，在受力柱21的作用下，彈性電極22與電介質(zhì)24之間的接觸面積也在變化，并且受力平板1所受壓力越大，彈性電極22與電介質(zhì)24之間的接觸面積也就越大，在彈性電極22與電介質(zhì)24之間的有效電介質(zhì)就越多，相應(yīng)電容也就越大。
本發(fā)明所述電路單元框圖如圖3所示，其包括振蕩電路單元、放大整形電路單元、頻率計(jì)數(shù)單元、矢量計(jì)算單元和輸出數(shù)據(jù)單元，各個單元可以由分開的電路元件組成，也可以由集成電路組成，如在實(shí)際應(yīng)用中頻率計(jì)數(shù)單元往往就是利用單片機(jī)中自帶的計(jì)數(shù)器，可以單獨(dú)設(shè)置計(jì)數(shù)器，矢量計(jì)算單元就是處理器，而輸出數(shù)據(jù)單元就是單片機(jī)的輸出接口。
圖4是本發(fā)明所述方法的流程圖。如圖4所示，步驟(1)，首先是由可變電容壓力傳感器2獲取變化的電容值；步驟(2)，然后通過一個振蕩電路得到相應(yīng)的頻率信號；步驟(3)，接著對頻率信號進(jìn)行矢量計(jì)算并得出差值；步驟(4)，最后根據(jù)矢量差值得出受力點(diǎn)的信息。
在步驟(1)中，受力平板1的原始狀態(tài)有三種，分別是垂直狀態(tài)、水平狀態(tài)、傾斜狀態(tài)，三種不同的原始狀態(tài)對應(yīng)有三個不同的初始值。而由可變電容壓力傳感器2獲得的電容值的大小，不受受力平板1所處原始狀態(tài)的影響。具體原因分析如下第一種狀態(tài)是受力平板1處于垂直狀態(tài)。此時，可變電容壓力傳感器2的彈性電極22沒有與電介質(zhì)24接觸，電極25兩端的電容值為初始值，該初始值為零值。當(dāng)受力平板1受到一個外力F時，如圖2所示，受力平板1將所受外力傳遞給四個角的可變電容壓力傳感器2，外力的作用點(diǎn)不同，四個可變電容壓力傳感器2的變化也是不一致的，外力作用點(diǎn)距離可變電容壓力傳感器2越近，該可變電容壓力傳感器2的變化越大，所引起電容的變化越大，反之，外力作用點(diǎn)距離可變電容壓力傳感器2越遠(yuǎn)，所引起電容的變化越小。
第二種狀態(tài)是受力平板1處于水平狀態(tài)。此時，由于受力平板1的自重，會使可變電容壓力傳感器2產(chǎn)生變形，即電容有一個不為零的初始值。但是，受力平板1上四個角的可變電容壓力傳感器2所受外力是一致的，四個可變電容壓力傳感器2產(chǎn)生的變形是一致的，所以四個電容壓力傳感器2之間的矢量差值也是一樣的，即差值為零。當(dāng)受力平板1受到外力F時，四個可變電容壓力傳感器2之間的矢量差值的關(guān)系依然是與所受外力的大小與位置相關(guān)，所以受力平板1處于水平狀態(tài)時，本發(fā)明所述裝置一樣能夠真實(shí)反應(yīng)出受力平板1所受外力的情況。
第三種狀態(tài)是受力平板1處于傾斜狀態(tài)，即受力平板1有一定的傾角。此時，由于受力平板1自身的重量而使可變電容壓力傳感器2產(chǎn)生一定的變形，而且四個可變電容壓力傳感器2變化的大小都是一致的，所以，四個可變電容壓力傳感器2之間的矢量差值也同樣是零。當(dāng)受力平板1受到外力F時，四個可變電容壓力傳感器2之間的矢量差值，依然是與所受外力的大小與位置相關(guān)，所以受力平板1處于傾斜狀態(tài)時，本發(fā)明所述裝置一樣能夠真實(shí)反應(yīng)出受力平板1所受外力的情況。
上述的各個狀態(tài)可反復(fù)進(jìn)行，由可變電容壓力傳感器2可獲得一組電容值，并且這組電容值是隨壓力的變化而變化的。
在步驟(2)中，由上述獲得的一組電容值，分別通過相應(yīng)的振蕩電路得到一組頻率信號。所述振蕩電路可以是一個容感振蕩電路，或是容阻振蕩電路以及其它相類似的電路，即通過獲得的可變的電容值可以影響到振蕩電路的頻率或是其它的電參數(shù)。本實(shí)施例采用得是容感振蕩電路。這樣，四個可變電容壓力傳感器2對應(yīng)有四個振蕩電路，可以得到四個振蕩頻率。
在步驟(3)中，對四個振蕩頻率信號進(jìn)行矢量計(jì)算并得出差值。矢量計(jì)算的過程如下前述四個振蕩頻率信號，分別對應(yīng)受力平板1四個頂角上的一個可變電容壓力傳感器2，即在受力平板1相對垂直的X軸和Y軸方向上，X軸方向?qū)?yīng)有兩個可變電容壓力傳感器2，Y軸方向?qū)?yīng)有兩個可變電容壓力傳感器2，對X軸方向的兩個頻率信號先進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，再送入到矢量計(jì)算單元進(jìn)行矢量計(jì)算，得出X軸方向的矢量差值，對Y軸方向的兩個頻率信號采用相同的方法，先進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，再送入到矢量計(jì)算單元進(jìn)行矢量計(jì)算，得出Y軸方向的矢量差值。其具體的計(jì)算原理如下相對垂直的X軸和Y軸構(gòu)成一個平面直角坐標(biāo)系，四個可變電容壓力傳感器所在點(diǎn)即為該平面直角坐標(biāo)系上的四個固定點(diǎn)x1、x2、y1、y2，其中x1、x2在x軸橫坐標(biāo)方向，y1、y2在y軸縱坐標(biāo)方向。
當(dāng)有外力F作用于平板上時，即是作用在由X軸和Y軸構(gòu)成的平面上，外力F在X軸方向的分力為F(x)，在Y軸方向的分力為F(y)，根據(jù)力的分解原理，x1、x2、y1、y2會對應(yīng)外力F在不同方向上的分力，故在x1、x2點(diǎn)上的分力為F(x1)和F(x2)，在y1、y2點(diǎn)上的分力為F(y1)和F(y2)。
根據(jù)x1、x2之間的關(guān)系可以得到外力F對應(yīng)x軸上的相對位置，其相對位置的計(jì)算公式為F(x)＝F(xi)/(F(x1)+F(x2))，同樣，根據(jù)y1、y2之間的關(guān)系就可以得到外力F對應(yīng)在y軸上的相對位置，其相對位置的計(jì)算公式為F(y)＝F(yi)/(F(y1)+F(y2))，據(jù)此，就可得出外力F作用在受力平板上的大小及作用點(diǎn)為(F(x)，F(xiàn)(y))。
在步驟(4)中，根據(jù)矢量差值得出受力點(diǎn)的信息。由以上獲得的X軸與Y軸方向的矢量差值，以及在原始狀態(tài)時的初始值，就可得到受力平板1上外力作用點(diǎn)的位置及大小，并由輸出數(shù)據(jù)單元輸出。
另外，當(dāng)受力平板1處于非垂直狀態(tài)時，由于自身的重量而使可變電容壓力傳感器2產(chǎn)生一定的變形，根據(jù)前述步驟(1)中所作的分析，四個可變電容壓力傳感器2之間的矢量差值同樣為零，故，可以在處理器或是應(yīng)用終端設(shè)置一個初始化或是清零程序，對上述裝置自行校正。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，具有非常良好的應(yīng)用價值，適合應(yīng)用于計(jì)算機(jī)輸入設(shè)備、電子白板以及手機(jī)、PDA、多媒體交互設(shè)備等多種應(yīng)用領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的方法，其特征在于，分為以下步驟(1)設(shè)置四個可變電容壓力傳感器分布在平板的角端或頂端位置，以獲得不同位置的電容值；(2)振蕩電路將獲得的電容值變換成具有一定頻率范圍的電信號；(3)分別對兩個相對垂直方向上每一方向的電信號進(jìn)行比較，并分別計(jì)算出每個方向上的矢量壓力差值；(4)根據(jù)所述兩個相對垂直方向上的矢量壓力差值，得出平板所受外力的受力點(diǎn)及外力作用大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的方法，其特征在于步驟(3)所述的相對垂直方向?yàn)樘幱谕凰矫嫔系乃椒较虻腦坐標(biāo)和垂直方向的Y坐標(biāo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的方法，其特征在于步驟(3)所述的過程是，先測量電信號，即用計(jì)數(shù)器對頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)，再進(jìn)行矢量壓力計(jì)算。
4.一種利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置，包含一個受力平板，其特征在于在受力平板的四個角端或頂端各設(shè)置一個可變電容壓力傳感器，每個可變電容壓力傳感器連接一個電路單元。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置，其特征在于可變電容壓力傳感器設(shè)置在受力平板的下表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置，其特征在于可變電容壓力傳感器由受力柱、彈性電極、墊片、電介質(zhì)、電極、隔離層構(gòu)成；受力柱直接接觸受力平板，彈性電極和電介質(zhì)之間設(shè)置墊片，兩個電介質(zhì)并列鏡像對稱設(shè)置，中間由隔離層隔開，電介質(zhì)下端面設(shè)置電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置，其特征在于受力平板由剛性材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置，其特征在于電路單元由振蕩電路單元、放大整形電路單元、頻率計(jì)數(shù)單元、以及矢量計(jì)算單元和輸出數(shù)據(jù)單元組成；振蕩電路單元用以將電容的信號變換成一個振蕩信號，放大整形單元用以放大和整形振蕩信號，振蕩信號送入頻率計(jì)數(shù)單元，由頻率計(jì)數(shù)單元計(jì)算出每個可變電容壓力傳感器對應(yīng)的振蕩頻率，再由矢量計(jì)算單元對振蕩頻率信號進(jìn)行矢量計(jì)算，最后由輸出數(shù)據(jù)單元輸出矢量差值。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的裝置，其特征在于所述振蕩電路單元為容感振蕩電路單元。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種利用電容變化進(jìn)行矢量壓力測量的方法及裝置。本發(fā)明是在受力平板下設(shè)置可變電容壓力傳感器，每個可變電容壓力傳感器連接一個電路單元，通過測量電容以及振蕩電路的頻率變化來計(jì)算受力平板所承受壓力的作用點(diǎn)及壓力大小的變化；本發(fā)明采用的方法是先獲得不同位置的電容值，再通過振蕩電路得到具有一定頻率范圍的電信號，然后計(jì)算出此方向之間的矢量差值，得出受力平板對應(yīng)的受力點(diǎn)及受力狀態(tài)信息。電路單元主要由振蕩電路單元、放大整形電路單元、頻率計(jì)數(shù)單元、以及矢量計(jì)算單元和輸出數(shù)據(jù)單元組成。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，可以快速地計(jì)算出壓力的變化并檢測到受力點(diǎn)的位置，并且可以自行校正，適合應(yīng)用于多種領(lǐng)域。
文檔編號G01L1/14GK101078659SQ200610011989
公開日2007年11月28日 申請日期2006年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月25日
發(fā)明者劉迎建, 王紅崗, 宋柏君, 馬梁 申請人:漢王科技股份有限公司