CN100347519C - 用于坐标输入的超声波长度测量设备和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于坐标输入的超声波长度测量设备和方法。超声波长度测量设备测量超声波信号与阈值的相交次数，例如在从首先相交的交点计算的预定次数之后的具有最大波幅的波形上检测相交时刻，测量从发射单元开始发射超声波到所检测到的相交时刻之间的时间间隔，并基于测量的时间计算长度。坐标输入设备包括用于发射超声波的笔以及基于从笔发射并由多个超声波接收器接收的超声波的传播时间而输入笔坐标位置的坐标输入设备，接收器包括至少一对用于接收从笔发射的超声波的超声波接收器以及用于夹紧纸张的角的夹紧机构。通过延迟笔形移动器的信号发射，防止因笔接触时产生的碰撞声而造成的误操作。

Description

用于坐标输入的超声波长度测量设备和方法

技术领域

本发明一般涉及通过计算超声波的传播时间而测量长度的超声波长度测量设备和方法，并且，更具体地，本发明涉及把用专用笔在纸张上手写字符或数字而创建的笔迹进行坐标输入作为字符数据和图形数据的超声波长度测量设备和方法。

背景技术

鼠标、跟踪球以及磁性或压敏型书写板等被认为是用于向计算机输入坐标信息的坐标输入设备(定点设备)。在这些设备中，磁性或压敏型书写板在可用性和精度方面是极佳的。它是定点设备，当用笔型移动器描绘磁性或压敏型传感器平面时，使用此定点设备检测在传感器平面上描绘的坐标位置并且输出它们的位置信息作为电信号。磁性或压敏型书写板具有以上优秀的特性，但写操作区域局限在连接到其上的传感器平面内。如果书写区域扩展，就需要更大的设备作为构成传感器平面的设备，而且，在此情况下，传感器平面单元的成本增加且需要容纳此传感器平面单元的大空间。

一般而言，使用超声波的长度测量设备，通过接收从发射器发射的超声波并测量超声波的传播时间而获得长度，其中，所述超声波应用于坐标输入设备中。由于待测长度是用超声波的传播时间乘以速度而得到的，因此，该长度是通过测量超声波发射时间与超声波到达接收器时间之间的传播时间而计算得到的。为接收到的超声波波形设定正确的阈值，其中，超声波在被接收器接收之后已转换成电信号并且信号超过阈值的时间被确定为超声波到达接收器的时间。为了准确地获得长度，必需总是从接收器检测与超声波接收波形相同的波形的到达时间。

因为随着超声波传播长度变长，超声波逐渐衰减，所以在接收器接收到的超声波波形随着此长度而变化。图1示出接收到的超声波波形。在图1中，当长度较短时，波形为超声波1100的形式，而当长度较长时超声波衰减到由虚线表示的超声波1102的形式。实际到达的超声波不仅仅是衰减。由普通压电陶瓷制成的超声波传感器用作接收器，它是非常灵敏的，但由于高Q值的影响，接收到的超声波波形慢慢变大，如图1所示。因此，如果通过简单地获得波形与阈值V_th1相交的时刻而获得到达时间，当长度较短时，所述时刻就为检测到的时刻1104，但当长度较长时，所述时刻就为检测到的时刻1106，由于阈值V_th1和与之相交的超声波不同，因此检测到的波形的波幅已经衰减。结果，产生相应一个波长的误差。例如，当使用频率为40KHz的超声波时，由于一个波长对应于约8mm，因此一个波长的错位产生差不多8mm的误差。对于减少超声波波幅的此种影响的方法，已提出以下方法：利用接收到的超声波波形的包络线的方法(例如，日本专利申请特开平(kokai)5-215850)；利用超声波波形的多个顶点获得假定过零点的方法(例如，日本专利申请特开平(kokai)8-254454)；等等。在利用包络线的方法中，与阈值相交的波不会象直接利用超声波波形的情况那样被误检，但它的瞬时分辨率不会太高。在获得假定过零点的方法中，需要复杂昂贵的信号处理电路，在此电路中，在多个水平上为接收到的波形使用峰值检测器，并且通过计算得到假定过零点。因此，可探索一种其信号处理电路简单且成本低但可得到高瞬时分辨率的方法。

例如，需要此种高分辨率的应用包括以下场合：使用两个固定安装的超声波传感器，通过从连接到笔等的超声波发射单元接收超声波而测量两个长度，从而测量位置坐标，并且笔在写字符时在纸张上的移动输入到信息处理设备；而且还包括超声波传感器的安装间隔比待测长度小得多的场合。

随着近年来个人计算机的流行，用键盘输入电子文本比用铅笔等在纸张上书写字符更频繁。然而，事实上，当作简短笔记时，在纸张上手写字符等比用键盘输入更容易。因此，当参加会议时，每个与会者携带便签簿并用铅笔在上面手写仍然是很普通的。然而，考虑到所作的笔记需要分发给他人或需要进行管理，因此优选作的笔记是电子形式的。具体地，如果用图象扫描仪读出手写字符就需要进行电子化的过程并且如果使用触摸板或书写板就不方便携带，因此，希望能简单地输入手写字符作为电子数据。考虑到上述事实，通常已知这样一种坐标输入设备：一对超声波接收器布置在纸张上，由这些超声波接收器接收从笔发射的超声波并通过利用超声波传播时间的三角测量，输入坐标。例如，日本专利申请特开平(kokai)8-36462和日本专利申请特开平(kokai)2000-298547公开一种技术，其中，构成接收器的两个超声波接收器布置在桌面或支撑座上，从超声波传播到这些超声波接收器所需的传播时间连续测量笔和超声波接收器之间的长度，接着利用三角测量得到笔相对于桌面的坐标。在此情况下，在桌面上设置红外线和超声波接收器，用红外线和超声波接收器接收从笔发射的红外线，以便在从笔产生超声波时使时间瞬时同步。然而，当使用此种应用三角测量的常规技术时，在纸张的一部分产生盲区，并且产生以下问题：坐标输入变得不可能，或者即使有可能输入但分辨率因此下降。另外，产生设备尺寸更大和成本增加的问题。

发明内容

<超声波长度测量设备和方法>

本发明提供能用相对简单的配置进行极高精度长度测量的超声波长度测量设备和方法。

根据本发明的第一方面，提供一种超声波长度测量设备，此设备包括：用于发射超声波的发射单元；用于接收超声波并把它转换成电信号的至少一个接收单元(超声波传感器)；时刻检测单元，它用于测量从接收单元接收到的超声波信号波形与预定阈值相交的次数，并用于检测在从首次相交交点的预定次数之后的相交时刻；时间测量单元，它用于测量从发射单元开始发射超声波到所检测到的相交时刻的时间间隔；以及，基于测量的时间而计算长度的长度测量单元。由于本发明人的积极考虑，使用接收到的超声波波形测量到达时间的分辨率取决于与阈值相交的波形的倾斜，并且随着波幅变大，由于倾斜变得更陡，因此得到的分辨率越高。也就是说，波幅越大，与阈值相交的时刻的偏差越小。因而，本发明通过用具有大波幅的波检测相交时刻而提高传播时间的测量精度，其中，此波与阈值相交的波形的倾斜较陡。

根据本发明的第二方面，提供一种超声波长度测量设备，此设备包括：用于发射超声波的发射单元；用于接收超声波并把它转换成电信号的至少一个接收单元；时刻检测单元，用于测量从接收单元接收到的超声波信号波形与预定阈值相交的次数，并用于在从首次相交交点的预定次数之后的交点检测预定次数的每个相交时刻；时间测量单元，用于测量从发射单元开始发射超声波到所检测到的每个相交时刻的时间间隔，并获得每个测量时间的算术平均值；以及，基于作为算术平均得到的时间来计算长度的长度测量单元。在此情况下，当与阈值相交的波形的倾斜变陡时，通过获得多个相交时刻的算术平均值，有可能进一步提高有效的瞬时分辨率。

这里，在预定时间之后的交叉点指接收到的超声波波形的波幅变得最大的振动与阈值相交的交叉点；或指就在前述振动之前或之后一个振动的振动与阈值相交的交叉点。与用于常规检测中的阈值首次相交的波的波幅大约为根据接收系统Q值的最大波幅的20-50％。因此，通过使用与具有最大波幅的振动相交的交叉点而不使用第一个交叉点，可提高瞬时分辨率，因为可使用是常规波幅二(2)至五(5)倍的波幅。当接收器单元(超声波传感器)Q值的整数值为n时，在预定次数之后的交叉点指接收到的超声波波形的第n个振动与阈值相交的交叉点，或指第(n±1)个振动与阈值的交叉点。例如，使用诸如PVDF的压电膜的超声波传感器的Q值大约为4。那么，在此情况下，检测与以下交叉点相应的相交时刻，其中，所述交叉点为接收到的超声波波形的第(n＝)四个振动与阈值相交的交叉点或为第(n±1＝)三个或第五个振动与阈值相交的交叉点，并且，超声波在此时刻具有最大波幅和与之接近的波幅，从而可提高分辨率。

在本发明的超声波长度测量设备中，对多个相交时刻进行算术平均；采用设置在相对于振动中心的两个极性上的阈值，时刻检测单元测量由接收单元接收到的超声波波形与阈值的相交次数，并且在从首次相交交点计算的预定次数之后，从两个极性上的交点检测预定次数的每个相交时刻。在此情况下，时间测量单元通过测量和获得从发射单元开始发射超声波到在两个极性上检测的每个相交时刻的每个时间的算术平均值，而获得所述时间。因而，通过在最大波幅附近增加相交时刻的数量，从最大波幅求算术平均值，可进一步提高瞬时分辨率。在本发明的超声波长度测量设备中，对多个相交时刻取算术平均；时刻检测单元测量由接收单元接收到的超声波波形的上升边和下降边与预定阈值相交的次数，并且在从首次相交交点计算的预定次数之后检测预定次数的每个相交时刻。在此情况下，时间测量单元通过测量从超声波开始发射到所检测到的每个上升边和下降边相交时刻的每个时间间隔并获得它们的算术平均值，从而获得所述时间。因而，通过在最大波幅附近增加相交时刻的数量，从最大波幅求算术平均值，可进一步提高瞬时分辨率。发射单元包括发射通知单元，此发射通知单元发出与超声波开始发射同步的光束或电磁波，并且，时间测量单元从发射通知单元接收光束或电磁波并检测超声波开始发射的时刻。在本发明的超声波长度测量设备中，此设备包括至少两(2)个接收单元系统、时刻检测单元、时间测量单元和长度测量单元，此设备进一步包括坐标测量单元，坐标测量单元基于由每个长度测量单元获得的两(2)个长度而计算发射单元的二(2)维坐标位置。因此，即使在超声波传感器的安装间隔与待测长度相比非常小时，也可用简单的电路实现非常高的长度分辨率，在此情况下，通过使用两个固定安装的超声波传感器从固定到笔等的超声波发射单元接收超声波而测量两个长度，从而测量位置坐标，笔在写字符时在纸张上的移动输入到信息处理单元中。

根据本发明的第三方面，提供一种超声波长度测量方法，此方法包括：发射超声波的发射步骤；使用至少一个接收单元接收超声波并把此超声波转换成电信号的接收步骤；时刻检测步骤，用于测量接收到的超声波信号波形与预定阈值相交的次数，并用于检测在从首次相交交点的预定次数之后的相交时刻；时间测量步骤，用于测量从超声波开始发射到所检测到的相交时刻的时间间隔；以及，基于测量的时间而计算长度的长度测量步骤。

根据本发明的第四方面，提供一种超声波长度测量方法，此方法包括：发射超声波的发射步骤；使用至少一个接收单元接收超声波并把此超声波转换成电信号的接收步骤；时刻检测步骤，用于测量接收到的超声波信号波形与预定阈值相交的次数，并用于在从首次相交交点的预定次数之后的交点检测预定次数的每个相交时刻；时间测量步骤，用于测量从开始发射超声波到所检测到的每个相交时刻的时间间隔，并获得每个测量时间的算术平均值；以及，基于作为算术平均得到的时间而计算长度的长度测量步骤。此超声波长度测量方法进一步包括基于在时刻检测步骤、时间测量步骤和长度测量步骤中对由至少两(2)个接收单元系统接收的超声波波形所获得的两个长度，计算发射位置二(2)维坐标的坐标测量步骤。超声波长度测量方法的其它特征基本与超声波长度测量设备的相同。

<坐标输入设备>

本发明提供一种超声波利用型的坐标输入设备，此设备减小盲区面积并且可用性和可携带性非常好。

根据本发明的第五方面，提供一种坐标输入设备，此设备包括：发射超声波的笔；以及，接收器，它通过至少一对超声波接收器接收从笔发射的超声波，并基于由每个超声波接收器分别接收的超声波的传播时间间隔而输入笔的坐标位置；其中，接收器包括：用于接收从笔发射的超声波的多个超声波接收器；以及，用于夹紧预定纸张的角的夹紧机构。根据本发明，由于接收器可布置和固定在纸张的角上，因此，如果接收器具有±45°的方向性，就可覆盖纸张的整个区域。因此，不产生盲区，有可能使坐标输入设备的配置更小，并且设备具有良好的可用性和可携带性。结果，此设备可用作便携式设备。

另外，本发明坐标输入设备的特征在于：夹紧机构固定到平面形底板，此底板上安装有用专用笔书写的纸张。根据此特征，接收器已用夹紧机构事先布置和固定在底板的角上，从而，当接收器具有±45°的方向性时，有可能覆盖纸张的整个区域。结果，不产生盲区，并由于安装纸张的底板用作书写载体，此书写工具的可用性和可携带性非常好，而且，此设备可用作便携式设备。

进而，本发明的坐标输入设备包括具有红外线发射单元的笔，其中，红外线发射单元用于发射红外线脉冲，并且，接收器的特征在于它进一步包括用于接收从红外线发射器发射的作为同步信号的红外线脉冲的红外线接收器。根据上述，有可能不用引线连接接收器就可把红外线脉冲的同步信号传输给接收器。进而，坐标输入设备的特征在于，纸张固定在连接多个超声波接收器的直线与纸张上边缘形成的夹角的位置上。因此，可防止超声波接收器与笔的表观间距较小，并且，由于固定接收器的位置布置得使连接多个超声波接收器的直线与纸张上边缘形成的夹角的范围内，因此，可避免分辨率下降的问题。

本发明坐标输入设备的特征在于，通过把纸张的角压在夹紧机构对任何纸张的压紧表面上，而形成以大约90°角设置的挠性边缘部分。因此，接收器对纸张的安装角自动布置在45°角的倾斜位置上，通过沿边缘部分插入纸张而获得最强的方向性。

根据本发明，提供一种高度可靠的坐标输入设备，此设备防止因专用笔和纸张产生的碰撞声而造成的误操作。因此，在本发明坐标输入设备的配置中，从诸如专用笔的移动器间歇性地发射其传播速度彼此不同的同步信号和长度测量信号，长度测量信号到不同固定位置的传播长度从接收时刻之差计算，并且，从这些计算的传播长度计算移动器的位置，而且，另外，间歇性长度测量信号开始发射的时刻延迟一段预定的时间。根据以上配置，即使在诸如超声波波的声波用作长度测量信号时，也可明确地区别在移动器和接触平面互相接触时所产生的碰撞声和此长度测量信号。也就是说，当移动器和接触平面互相接触时，碰撞声没有任何瞬时延迟地产生和传播，但相反，长度测量信号在延迟一段预定的时间之后才传播。因此，通过从应用于位置检测计算的信号中消除在不合规律的较早时刻接收的声波，可防止以下情形：通过把以上误判为长度测量信号的碰撞声应用到长度检测计算而执行错误的位置检测。

从以下结合附图而进行的详细描述中，本发明以上的和其它的目的、方面、特征和优点将变得更加显而易见。

附图说明

图1示出随长度衰减的常规超声波波形；

图2示出由陶瓷制成的超声波传感器和由压电膜制成的超声波传感器所产生的超声波波形上升边中的变化；

图3示出已由本发明人提出的方法，此方法通过在两个极性设置阈值而切换与长度相应的用于时间检测的阈值；

图4示出与图3所示波形相应的根据长度切换的阈值；

图5示出本发明的基本配置；

图6示出图5所示发射器的框图；

图7A和7B示出图5所示接收器的框图；

图8A-8C示出在图7A和7B所示接收器的操作中的信号波形的时间图；

图9示出波形的倾斜和时间相对于波幅的偏差；

图10A和10B示出在本发明中超声波波形相交时刻的偏差与波形和阈值之间的对应关系；

图11示出本发明传播时间测量的相交时刻与常规相交时刻的比较；

图12示出包括两(2)个接收系统的接收器实施例的框图，所述接收器系统用于测量发射器单元的二(2)维坐标位置；

图13示出获得多个相交时刻的时间间隔的算术平均值的接收器实施例的框图；

图14A-14D示出在图13所示接收器的操作中信号波形的时间图；

图15示出通过在两个极性上设置阈值而获得多个相交时刻的时间间隔的算术平均值的接收器实施例的框图；

图16A-16F示出在图15所示接收器的操作中信号波形的时间图；

图17示出本发明坐标输入设备的全部配置；

图18A和18B示出接收器的布置；

图19A-19C示出接收器的配置；

图20示出接收器夹紧纸张的程序；

图21示出超声波接收器的布置；

图22示出超声波接收器的方向；

图23A和23B示出超声波接收器的布置和方向；

图24示出超声波接收器可获得最大灵敏度的方向；

图25示出获得长度和误差之间关系的实验结果的特性曲线；

图26示出专用笔的配置；

图27示出驱动电路单元的局部框图；

图28A和28B示出本发明坐标输入设备的其它实施例；

图29示出其接收器和夹子分离的坐标输入设备；

图30示出接收器中电路单元的框图；

图31A-31C示出由超声波接收器接收的超声波脉冲的波形；

图32示出微控制器和个人计算机软件的过程的流程图；

图33示出本发明坐标输入设备的原理；

图34示出图33所示发射器的框图；

图35A-35C示出发射手写检测、同步信号和超声波的时间图；

图36A和36B示出被认为是由图33所示配置造成的问题；

图37示出本发明发射器的第一实施例的框图；

图38A-38C示出图37所示坐标输入设备的第一实施例的操作；

图39示出在构成本发明第二实施例的发射侧上的过程操作的流程图；

图40示出在构成本发明第三实施例的发射侧上的过程操作的流程图；

图41示出在构成本发明第三实施例的接收侧上的过程操作的流程图；

图42A和42B示出笔-ON信号和笔-OFF信号的时间图；

图43示出在构成本发明第四实施例的接收侧上的过程操作的流程图；

图44A和44B示出构成本发明第四实施例的接收侧的配置框图。

具体实施方式

本发明人已经提出一种方法，其中，通过在超声波对称检测波形的两个极性中设置阈值而高精度地检测到达时间(日本专利申请2001-213565)。

在此方法中，超声波传感器(接收器)使用压电膜，如PVDF。与由普通压电陶瓷制成的超声波传感器相比，此超声波传感器具有更低的灵敏度，但由于它们的Q值小，此超声波传感器的特性是在接收超声波时的上升时间更急剧。

图2示出从由压电陶瓷制成的超声波传感器获得的超声波波形1100与从由压电膜如PVDF制成的超声波传感器获得的超声波波形1108的比较。在图2中，与由压电陶瓷得到的超声波波形1100到达峰值波幅所需的时间T2相比，由压电膜得到的超声波波形1108到达峰值波幅所需的时间T1非常短。因此，即使在波形波幅随长度引起的衰减而变化的情况下，使超声波错过与阈值相交的机会显著降低。进而，如图3所示，为了根除此误差，在振动中心的正、负两侧设置阈值+V_th和-V_th，每个阈值分别用于接收时刻检测。从振动开始计算，不考虑极性，用W1表示第一个波，用W2表示第二个波以及和W3表示第三个波等等，例如，当长度较短时，与正侧阈值+V_th相交的波是第一个波，而如图所示，当长度变得更长且波幅变弱时则为第三个波W3。由于压电膜传感器具有低Q值且相邻波之间的波幅差较大，因此，当长度已知且时刻检测不会错过时，将要相交的波在某种程度上是已知的。当然，由于杂波的影响，用于将被切换的波的长度具有宽度。另外，因为波形与阈值相交点的倾斜变得平缓，所以就在波切换之前分辨率极度降低。因此，通过在从正、负阈值+V_th和-V_th所获得的时刻之中使用更稳定的时刻，在整个长度范围上高精度地进行测量。因而，如图4所示，对于与长度L相应的与阈值相交的波的范围，第一个波相交范围1110和第三个波相交范围1114设置在正阈值+V_th一侧，而第二个波相交范围1112和第四个波相交范围1116设置在负阈值-V_th一侧。那么，例如通过在第二个波相交范围1112和第三个波相交范围1114重叠区域的中部设置阈值切换长度L_th，对于比阈值切换长度L_th更短的长度而言，从负侧上的阈值-V_th和由第二个波W2产生的第二个波相交范围1112获得相交时刻是较好的，而对于比阈值切换长度L_th更长的长度而言，从正侧上的阈值+V_th和由第三个波W23产生的第三个波相交范围1114获得相交时刻是较好的。根据此方法，可获得比在利用包络线的方法中获得的分辨率高得多的分辨率。然而，由于相交时刻是利用靠近超声波波形的振动起点且其波幅逐渐变大的波而获得的，因此，对于要求非常高分辨率的、待测长度为几十厘米或更短的场合，不能获得充分的分辨率。

图5示出根据本发明的超声波长度测量设备的基本配置。本发明的超声波长度测量设备包括发射器10和接收器12。超声波从发射器10发射并由接收器12接收，发射器10和接收器12之间的长度L基于超声波的传播时间测量。

图6为示出图5中发射器10的详细框图。发射器10包括计时器15、LED驱动电路16、红外线LED 18、超声波驱动电路22和超声波发射器24。计时器15以预定的时间间隔输出计时器信号，此信号以预定的时间间隔操作LED驱动电路16和超声波驱动电路22。因此，一旦从红外线LED 18发射红外线脉冲20，就从超声波发射器24发射超声波。红外线LED 18的红外线脉冲20用于向接收器12通知超声波的发射时间。因此，如果在信号已发射之后立即到达接收器12，除了红外线以外的其它波，例如无线电波，可作为信号发射。进而，如果有可能通过引线连接发射器10和接收器12，就有可能通过引线用电信号通知超声波的发射。

图7A和7B为示出图5中接收器12细节的框图，并且，在此接收器12中执行根据本发明的超声波长度测量处理。接收器12包括用于检测接收时刻的时刻检测单元26、用于测量从超声波发射到接收时刻之间时间的时间测量单元28、以及基于测量的时间来测量长度的微控制器30。时刻检测单元26设置有超声波检测单元32。超声波检测单元32包括超声波传感器34、放大电路36和设置有阈值电压V_th1的比较器38。利用压电膜如PVDF的超声波传感器用作超声波传感器，并且由利用压电膜的超声波传感器34构成的接收仪器的Q值大约为4。超声波传感器34接收的超声波被转换成电信号，在放大电路36中放大，并向比较器38输出接收到的超声波信号E1，如图8A中超声波波形所示。如图8所示，比较器38在正侧的预定电平上预先设置阈值电压V_th1，并向脉冲选择逻辑电路40输出与超声波波形55和阈值电压V_th1相交时刻对应的图8B脉冲信号E2。在此实施例中，在超声波波形正侧上第三个波W3的上升边与图8A所示超声波波形中的阈值V_th1的交点P3时刻，脉冲选择逻辑电路40输出如图8C所示的相交时刻信号E3。时间测量单元28包括红外线检测单元42。红外线检测单元42设置有红外线检测器44、放大电路45、设定有阈值电压V_th的比较器46。红外线检测器44从图6所示接收器10接收红外线脉冲20，并把接收到的脉冲20转换成电信号。转换后的电信号在放大电路45中放大之后，比较器46在电信号超过阈值电压V_th时向计数器48输出如图8D所示的计数重置信号E4。比较器46的计数重置信号E4是指示超声波开始发射的时间信号。当计数器48接收到计数重置信号E4时被重置，即在超声波发射时被重置，并开始从时钟脉冲源49计算时钟脉冲。计数器48的输出被提供给锁存器50。当锁存器50从脉冲选择逻辑电路40接收到相交时刻信号E3时，锁存计数器48的值。因此，从因计数重置信号E4而开始的超声波发射到脉冲选择逻辑电路40输出的相交时刻信号E3之间的超声波传播时间锁存在锁存器50内，并输出到微控制器30。微控制器30具有与长度测量单元52相同的功能，并通过用声速乘以保留在锁存器50内的超声波传播时间而测量发射器10和接收器12之间的长度。

以下描述图7A和7B所示接收器12的操作。当红外线脉冲20和超声波14从图6所示发射器10发射时，在图7A和7B所示的接收器12中，红外线脉冲20首先被红外线检测器44接收和检测。接收到的红外线信号在放大电路45中放大，在比较器46中被转换成脉冲，并且重置计数器48为计数重置信号E4。由于计数器48一直计算时钟脉冲源49的脉冲数，因此在计数器48被计数重置信号E4重置之后重新开始计数。另一方面，在红外线脉冲之后接收的超声波在超声波检测单元32中处理。即，超声波被超声波传感器34接收并被转换成电信号，并且被放大电路36放大。然后，输出放大信号作为由图8B所示一系列脉冲组成的脉冲信号E2，在比较器38中与阈值电压V_th1进行比较。比较器38的脉冲信号E2提供给脉冲选择逻辑电路40并且只分离出一个脉冲，以便得到在超声波波形最大波幅附近的阈值相交时刻。在图7A和7B所示实施例中，图8A所示超声波波形的最大波幅是第四个波W4。然而，在第四个波W4之前一个波的第三个波W3的上升边的交点P3时，输出相交时刻信号E3。在此操作过程中，计数器48继续计数操作，计数器48的输出提供给锁存电路50。当在脉冲选择逻辑电路40中选择的相交时刻信号E3输入到锁存电路50中时，计数器48在此时刻的计数数据被保留。在微控制器30中，如图8A所示，因为事先知道，在此情况下，执行时间测量的相交时刻信号E3具有与λ＝2.5波长相应的瞬时偏移，所以，使用此偏移作为补偿时差T_ofs，在修正从相交时刻信号E3检测到的时间T1之后，在长度测量单元52中执行通过乘以声速而转换修正时间T1的计算。

以下描述由设置到图7A和7B所示接收器12的脉冲选择逻辑电路40检测针对超声波波形时间测量的相交时刻的原理。如图9所示，传播时间测量的分辨率取决于与阈值V_th1相交的超声波波形的倾斜，其中，此测量基于检测接收到的超声波波形的阈值相交时刻。图9示出具有大波幅的超声波波形58和其波幅因衰减而减小的超声波波形60。假设：由于例如在超声波波形58和60的正侧阈值电压V_th1上存在电压杂波ΔV，因此阈值相交时刻根据电压杂波而发生变化。对于大波幅的超声波波形58因电压杂波ΔV而引起的时间偏差为Δt1，而另一方面，对于减小波幅的超声波波形60因电压杂波ΔV而引起的时间偏差较大，为Δt2。因此，基于超声波波形与阈值电压V_th1相交时刻的传播时间测量的分辨率取决于与阈值电压V_th1相交的超声波波形的倾斜。由于阈值交点的倾斜随着波幅变大而变得更陡，如超声波波形58，因此可获得更高的瞬时分辨率。

图10A分离出由图7A和7B所示超声波检测单元32接收和检测的超声波波形55，其中，超声波检测单元32使用由压电膜制成的超声波传感器34。图10B示出波形与阈值的相交时刻偏差Δt的特性曲线56。如图10A所示，超声波波形55由多个振动即多个波组成，并且波形与阈值电压V_th1相交多次，然而，超声波波形55的波幅逐渐变大。用正弦曲线模拟超声波波形55为V(t)，获得以下方程，其中V为波幅，f为超声波的频率。

V(t)＝Vsin(2πft)

交点的相位表示成t1，交点相位t1附近的倾斜dV/dt由以下获得。

dV/dt＝2πfVcos(2πft₁)

因此，可看出，随着波幅V变大，即随着交点的倾斜变陡，阈值相交时刻的偏差Δt逐渐变得更小，如图10B中特性曲线56所示。假设阈值电压V_th1与波幅相比非常小，交点附近的倾斜就与波幅成反比，因为交点的相位接近于零。另外，阈值电压V_th1通常设定得尽可能低，以便即使在超声波因长度较长而衰减的场合下也能被检测到。因而，应该理解，为了提高超声波传播时间的分辨率，应该检测所接收到的超声波波形波幅变得最大时的阈值相交时刻。在图10A所示超声波波形55的情况下，作为第四个振动的第四个波W4具有最大波幅和最小偏差，如图10B所示。因此，对于图8所示的脉冲选择逻辑电路40，主要优选配置逻辑电路40，以便从比较器38输出的脉冲信号E2中分离出第四个脉冲，并输出作为相交时刻信号E4。在此情况下，具有最大波幅的第四个波W4不单独拥有最小相交时刻偏差，分别就在第四个波W4之前和之后的第三个波W3和第五个波W5的波幅非常接近最大波幅，也具有非常小的偏差。因而，对于图7A和7B所示的脉冲选择逻辑电路40，有可能配置逻辑电路40，以使逻辑电路40分离出第三个波W3的脉冲信号或第五个波W5的脉冲信号，而不是分离出具有最大波幅的第四个波W4的信号。因此，对于图7A和7B所示实施例中的脉冲选择逻辑电路40，分离出与第三个波W3相应的脉冲信号作为相交时刻信号E4，其中，第三个波W3是在具有最大波幅的第四个波W4之前一个波长。通过这样的方式，优选在设备的设计阶段事先接收超声波波形，以检查超声波波形上哪个阈值交点与具有最大波幅的交点相对应，并配置图7A和7B所示的脉冲选择逻辑电路40，以使逻辑电路40基于检查结果而选择例如与第三个波W3相应的脉冲信号。另外，由于超声波波形类似地衰减，即使在衰减时也保持其形状，因此，具有最大波幅的振动不同于事先检查的振动。另一方面，在图10A所示超声波波形55达到最大波幅之前的振动数量近似等于超声波接收仪器的Q值。例如，在对图7A和7B所示超声波传感器34使用压电膜的接收系统中Q值约为4，因此，如图10A所示，第四个振动具有最大波幅。因此，有可能基于超声波接收仪器的Q值，设置用于输出相交时刻信号的交点数量n。也就是说，在图7A和7B所示脉冲选择逻辑电路40配置得分离出第n＝Qth或N＝Q±1th个波时，获得用于选择相交时刻信号的交点数量n得到与分离出对应于最大波幅的脉冲或此脉冲±一(1)个脉冲的情况相同的结果。

图11A示出检测首次相交的常规时刻62的情况与在图7A和7B所示实施例中在第三个波W3上升边的时刻64进行检测的情况的比较，后者依据从比较器38输出的脉冲信号E2，脉冲信号E2具有对根据本发明接收和检测的超声波波形55设置的阈值电压V_th1。以下描述从第三个波W3连续检测到的时刻66。通常，根据接收和检测仪器的Q值，用于检测的首次相交时刻62的波幅大约为最大波幅的20-50％。因此，当不使用第一交点的时刻62而使用具有最大波幅的振动的交点时，传播时间测量中的分辨率可得以提高，因为使用是常规波幅二(2)至五(5)倍的波幅。在图7A和7B所示实施例中，用第三个波W3的时刻64测量传播时间。当在第三个波W3的交点的时刻64获得传播时间时，与在第一交点的时刻62获得传播时间的情况相比，相交时刻的偏差减小到三分之一(1/3)并且传播时间测量的分辨率可提高到此种程度。通过把诸如峰值保持电路的电路作用到超声波波形55上，似乎有可能设置首先与具有最大波幅的振动相交的阈值。然而，由于相交相位随着阈值升高而变大，因此，波形的倾斜变得缓和并且偏差不会减小。因而，以上方法是不合适的。

图12示出本发明接收器的另一实施例的框图，此接收器包括用于测量发射单元二维坐标位置的两(2)个超声波接收系统。接收器12包括时刻检测单元26-1和26-2两(2)个系统，时刻检测单元26-1和26-2分别包括超声波检测单元32-1和32-2以及脉冲选择逻辑电路40-1和40-2。这些超声波检测单元32-1和32-2以及脉冲选择逻辑电路40-1和40-2中的每一个与超声波检测单元32和脉冲选择逻辑电路40相同。进而，还设置时间测量单元28，除了红外线检测单元42、计数器48和时钟脉冲源49以外，时间测量单元28还包括锁存电路50-1和50-2的两(2)个系统。红外线检测单元42也与图7A和7B所示实施例中的相同。红外线检测单元42从发射器10接收红外线脉冲20，在超声波开始发射时输出计数器重置信号E4并重置计数器48。进而，除了长度测量单元52以外，微控制器30设置有坐标测量单元68。在图12所示实施例中，例如，接收器12固定布置，与此相反，发射器可移动设置。发射器10以预定的时间间隔重复发射超声波14和红外线脉冲20。因此，超声波检测器32-1在与发射器10和它之间长度L1相对应的时间之后，接收超声波。另一方面，超声波检测单元32-2在与长度L2相对应的时间之后，接收和检测超声波。脉冲选择逻辑电路40-1和40-2分离出表示阈值电压Vth1与图8A-8D所示超声波波形55的第三个波的相交时刻的脉冲信号，并且向锁存电路50-1和50-2输出脉冲信号，作为相交时刻信号E31和E32。另一方面，根据从红外线检测单元42接收的红外线脉冲20，输出表示超声波开始发射的脉冲信号E4，并重置计数器48。因此，用时钟脉冲源49的时钟数计算超声波发射过后的时间。因而，在从脉冲选择逻辑电路40-1和40-2输出相交时刻信号E31和E32时计数器48的数值，即在超声波发射过后的时间间隔，保留在锁存电路50-1和50-2中，以响应它们各个相交时刻中的每一个。在微控制器30中，根据在长度测量单元52中预定的相交时刻的波数进行偏移修正，接着，乘以声速，以测量超声波检测单元32-1和32-2与发射器10之间的每个长度L1、L2。由于接收器12中的超声波检测单元32-1和32-2之间的间隔被固定地确定，因此，坐标测量单元68基于长度测量单元52的测量长度L1和L2执行三角测量计算，并且获得发射器10对接收器12的相对二维坐标位置。例如，当接收器12固定设置在其上固定纸张的底板上、为用于在固定到底板的纸张上书写的笔设置发射器并且用设置有发射器10的笔在纸张上写或画字符或数字时，通过测量手在接收器12上的实时移动作为与二维位置有关的信息，并通过向便携式终端或个人计算机等输入测量的坐标位置，图12所示实施例可用作字符和数字的输入工具。

图13示出本发明接收器的另一实施例的框图，此接收器通过对具有最大波幅的超声波波形附近的多个相交时刻的时间进行算术平均而测量长度。接收器12包括时刻检测单元26、时间测量单元28和微控制器30。时刻检测单元26的超声波检测单元32和时间测量单元28的红外线检测单元42具有与图7A和7B所示实施例中相同的配置。脉冲选择逻辑电路70从由比较器输出的一系列脉冲组成的脉冲信号E2分离出在最大波幅附近的预定数量的脉冲，并把它们输出到加法器72，作为相交时刻信号E5，其中，比较器设置到超声波检测单元32中。图14A示出从超声波检测单元32输出的作为一系列脉冲的脉冲信号E2。接收到此系列脉冲时，脉冲选择逻辑电路70输出相交时刻信号E5，E5包括从第三脉冲分离出的四个连续脉冲，第三脉冲与超声波波形的第三个波W3相对应。当已从第三脉冲分离出四个脉冲时，脉冲选择逻辑电路70向除法器74输出脉冲信号E6，作为除法控制信号。计数器48由从红外线检测单元42输出的检测到超声波发射的计数器重置信号E4重置，同时，当设置在时间测量单元28一侧上的加法器72接收到与加法器重置信号E4相同的计数器重置信号E4时，加法器72被重置。加法器72每次从脉冲选择逻辑电路70接收图14B所示相交时刻信号E5的每个脉冲信号时，在此脉冲信号上升边时刻保留计数器48的计数值，并执行计数值与加法器72已存数值的相加操作。在此加法操作中，按照从表示图14D中超声波开始发射的脉冲信号E4的上升边到图14B所示相交时刻信号E5中的四个脉冲信号的上升边的顺序，相加与时间间隔T1、T2、T3和T4对应的计数器值。当使用脉冲选择逻辑电路70的相交时刻信号E5中的每个脉冲完成四个加法操作时，从脉冲选择逻辑电路70向除法器74输出图14C所示的脉冲信号E6，作为除法控制信号。同时，与从加法器72输出的相加时间间隔(T1+T2+T3+T4)对应的相加计数值的计算平均值，即通过计算(T1+T2+T3+T4)/4获得算术平均值而得到的时间T，输出到微控制器30。在用长度测量单元52根据脉冲选择逻辑电路70中四个脉冲的平均时间进行偏移修正之后，微控制器30用声速乘以时间T，并获得到发射器10的长度L。

与图7A和7B所示实施例不同，在图13所示实施例中选择多个脉冲。似乎脉冲数量越大，结果的偏差就越小，然而，当唯独具有小偏差的时间不相加时偏差变得更大。也就是说，超声波波形与阈值相交时刻的偏差与得到近似交点的振动的波幅成反比。因此，用Δt代表在最大波幅V的相交时刻的偏差，在具有波幅αV(α为衰减率且α＜1)的振动上的交点时刻的偏差为Δt/α。那么，对最大波幅V和波幅αV进行算术平均得到的结果偏差Δ如下：

Δ＝(Δt²+(Δt/α)²)/2＝(1+1/α²Δt)/2

当此Δ大于最大波幅V的相交时刻偏差Δt时，加法就没有意义。因此，(1+1/α²)/2应该小于1，并且，应该理解，α＝1/(＝约0.57)或更大的波幅是必需的。相似地，当在衰减率为α₁、α₂、α₃、...的振动上的n个时刻的总计加到最大波幅振动上的时刻时，1+1/α₁ ²+1/α₂ ²+1/α₃ ²+...应该＜n²。假设除了具有最大波幅的振动以外其它波幅都相同，那么从1+(n-1)/α²＜n²得到：

α＞1/n+1。

例如，由于当n＝3时，α＞0.5，因此，通过在最大波幅的相交时刻上加上比最大波幅的一半更大的两(2)个振动的交点，获得算术平均的效果。例如，参照图10A所示超声波波形55，从第三个波W3上升边的第三个交点往上和往下的大约九(9)个交点的偏差较小，如图10B中的特性曲线所示。这是因为得到各个交点的每个振动大约为最大波幅的80-90％。当对在上述范围内的交点时刻获得的时间间隔求算术平均时，即，如图11B所示，与第三个波的时刻64相比，当获得在从时刻66的第三个波开始的九(9)个上升边和下降边上的连续交点的时间的算术平均值时，与时刻64上的单个交点的偏差相比，获得把偏差降低到大约三分之一(1/3)(＝1/9)的效果。

图15示出本发明接收器12的另一实施例的框图，其中，通过在超声波波形两个极性的每一个上设置阈值，获得多个相交时刻的算术平均。接收器12包括时刻检测单元26、时间测量单元28和微控制器30。时刻检测单元26设置有超声波传感器34和放大电路36、以及设定阈值电压+V_th1的比较器38-1和设定阈值电压-V_th的比较器38-2。用于比较器38-1和38-2的阈值电压设定在相对于零电压的正侧和负侧两边，其中，零电压是图16所示超声波波形的中心。比较器38-1输出由一系列脉冲组成的脉冲信号E7，所述一系列脉冲对应于超声波波形正侧与阈值电压+V_th1相交的阈值交点。比较器38-2输出由一系列脉冲组成的脉冲信号E8，所述一系列脉冲对应于超声波波形负侧与阈值电压-V_th2相交的阈值交点。在图16B和16C中示出由比较器38-1和38-2输出的系列脉冲构成的脉冲信号E7和E8。脉冲选择逻辑电路40-1，从由比较器38-1输出的一系列脉冲构成的脉冲信号E7中，分离出与从图16A所示超声波波形正侧上第三个波上升边开始的连续八(8)个上升边和下降边的相交时刻对应的脉冲，并它们输出到加法器72，作为相交时刻信号E9。脉冲选择逻辑电路40-2向加法器72输出由分离出的脉冲组成的相交时刻信号E10，所述脉冲具有从图16A所示负侧上第三个波W3′与阈值电压-V_th2的交点开始的连续八(8)个上升和下降时刻。设置在时间测量单元28中的红外线检测单元42具有与图8实施例中相同的配置。单元42接收红外线脉冲20，并输出与超声波发射时间对应的计数重置信号E4。信号E4还提供给加法器72，作为加法器重置信号E4。在脉冲选择逻辑电路40-1和40-2输出的相交时刻信号E9和E10的连续脉冲中的每次上升和下降时，加法器72锁存计数器48的计数值，并且把锁存值加到加法器中已经保存的值上。更具体地，用T1、T2、...、T16代表从计数重置E4上升时间t0到分离出作为图16D和16E所示相交时刻信号E9和E10的脉冲信号的上升边和下降边之间的时间，加法器72使用计数器48每次的计数值计算时间(T1+T2+T3+...+T16)。另外，在极性两侧上的阈值交点相加完16次之后，脉冲选择逻辑电路40-2向除法器74输出脉冲信号E11。因此，除法器74得到按(T1+T2+T3+...+T16)/16计算的瞬时平均值，并把结果输出到微控制器30，在微控制器30中，此结果用长度测量单元52进行偏差修正并乘以声速，从而获得距发射器的长度。

此时，在图11所示实施例的加法器72中，对于脉冲信号E9和E10的上升和下降时刻连续进行加法操作，其中，脉冲信号E9和E10是从设置在用于加法控制的两侧极性上的两(2)个阈值电压+V_th1和-V_th2得到的。然而，根据阈值电压+V_th1和-V_th2的设置，将要相加的脉冲的上升和下降时刻变得互相非常接近并重叠。因此，有可能把加法器分别设置在脉冲选择逻辑电路40-1和40-2中，对每个阈值分别进行相加，然后，每个相加的结果由另外设置的加法器相加，随后用除法器74进行除法计算。

对于设置在图13和图15所示实施例中的加法器72和除法器74，在其中获得多个相交时刻的时间的算术平均值，有可能用微控制器30的程序处理来实现计算，而不需在时间测量单元28一侧上设置加法器72和除法器74作为计算电路。

如上所述，根据本发明，传播时间测量的分辨率可得到显著提高，通过在具有大波幅的波上检测交点的相交时刻和波形的陡峭倾斜，作为接收到的超声波波形与阈值相交的时刻而获得传播时间，从而，可利用简单的电路配置来实现高精度的长度测量，其中，所述波即为具有最大波幅的波或就在此波之前或之后一(1)个波的波。进而，通过对从最大波幅或就在最大波幅之前或之后的波幅开始的预定数量的连续相交时刻求算术平均而获得长度，传播时间测量的分辨率可以进一步提高并且长度测量精度可显著提高，其中，在最大波幅处，超声波波形与阈值相交处的倾斜变得陡峭。

在以上实施例中，如图5所示，采用其中发射器10和接收器12分开且布置得相互面对的配置作为示例。然而，还可使用另一实施例，其中，发射器10和接收器12集成在一起，并且通过测量超声波被待测物体反射并返回的时间而测量到此待测物体的长度。

关于图12所示实施例，在此实施例中对发射器14设置两(2)个超声波接收仪器系统并且通过三角测量来测量发射器的二维坐标位置，在图13和图15所示实施例中，也提供两(2)个超声波接收仪器系统，测量到发射器10的两(2)个长度L1和L2，并且通过微控制器30一侧上的坐标测量单元68测量发射器10的二维坐标位置。

(坐标输入设备)

在图17中，根据本发明的坐标输入设备100包括接收器101以及作为书写工具的专用笔，并需要用个人计算机等的USB端口连接接收器101的连接电缆103以使用设备100，其中，如图19B所示，接收器101具有两(2)个超声波接收器304-1和304-2以及红外线和接收器305。在坐标输入设备100的情况下，当用专用笔102在纸张105上手写字符和数字时，笔迹输入到计算机中作为数据并且可用作字符数据和图形数据。

图18A和18B示出接收器101布置的实例。此布置的显著特征是：接收器101布置在纸张的角上，以便通过紧凑组合接收器101来消除内置超声波接收器的任何盲区。也就是说，接收器101位于纸张表面的左上角或右上角，并且当用户为右手习惯时，接收器101优选位于右上角，如图18A所示。这是为了防止当用户左手按着纸张时左手干扰从笔发出的超声波和红外线。相反，对于左手用户，在使用此设备时，接收器101位于左上角，如图18B所示。现在，主要描述此实施例1的特征。

如图19A-19C所示，接收器101具有所谓夹子型式的配置，其中包括较厚的主体302和较薄的基座303。在主体302的预定位置上，分别安装互相分隔开的两(2)个超声波接收器304-1和304-2以及一(1)个红外线和超声波接收器305，接收器305差不多位于超声波接收器304-1和304-2的中间。在这些器件中，超声波接收器304由管状压电膜构成，其中管状压电膜由聚偏二氟乙烯制成。主体302的基座端一侧和基座303在轴向上用轴306支撑，并且被内置弹簧(未示出)推向关闭方向。因此，如图20A所示，主体302和基座303以轴306为中心打开和关闭，而且，可在预定位置夹紧纸张并可如图20所示地固定纸张。进而，由上述构成的接收器101用于在纸张的一个角上定位和固定。

已经发现，当接收器101与纸张105几乎平行布置时，产生对超声波接收器304-1和304-2以及红外线和接收器305的盲区，或者它们的表观间距变得更窄。因此，如图21所示，设置有超声波接收器304-1和304-2的接收器101的固定位置的特征在于：接收器101定位和固定得倾斜，以便两(2)个超声波接收器的连线与纸张105上边缘形成的夹角α为30-60°。也就是说，如图23A具体示出的，在图21所示超声波接收器304-1和304-2的情况下，两(2)个超声波接收器304-1和304-2的布置方式限制在两(2)个超声波接收器304-1和304-2之间连线与纸张上边缘形成的夹角α为30-60°的布置上。在此情况下，不特别考虑超声波接收器304自身的方向。

如图22所示，考虑到方向性，以下布置方式是适当的：两(2)个超声波接收器304-1和304-2固定得使两(2)个超声波接收器304-1和304-2的方向与纸张105上边缘形成30-60°的夹角β，此方向(箭头方向)使超声波接收器304具有最高的灵敏度。

也就是说，如图23B所具体示出的，在图22所示超声波接收器304-1和304-2的情况下，两(2)个超声波接收器304-1和304-2中每一个的方向限制在它们中每一个与纸张上边缘形成30-60°夹角的布置中，此夹角使超声波接收器304-1和304-2具有最高的灵敏度。在此情况下，不特别考虑超声波接收器304-1和304-2自身的方向。

另外，如图24所示，更优选地，两(2)个超声波接收器304-1和304-2之间连线与纸张上边缘形成的夹角为45°，并且，两(2)个超声波接收器304-1和304-2之间连线与获得最高灵敏度的方向形成的夹角为90°，即，获得最高灵敏度的方向与纸张上边缘形成的夹角固定为45°。为了实现这点，从剖分图19A中主体302而得到的基座303内部视图所示出的，在构成接收器101的基座303的表面上以大约90°角形成边缘部分307(倾斜部分)。因此，当纸张105的角被接收器101固定时，通过沿着边缘部分307插入纸张105，接收器101对纸张105的安装角可以设置得以45°角倾斜，以获得最高的灵敏度。在此实施例中，边缘部分307的形成位置在基座303一侧上。然而，接收器101的安装角可以布置在45°角的倾斜位置上，即使当此边缘部分307在主体302一侧上形成时也得到最高的灵敏度。

以此方式，本发明的特征在于：接收器101的安装位置布置在纸张105的角上，以便消除任何盲区并避免设置到接收器101中的两(2)个超声波接收器304-1和304-2的表观间距不太狭窄。为了如上所述地在纸张105的角上布置接收器101，必需使两个超声波接收器304-1和304-2的间距W狭窄，并使接收器101本身紧凑且缩小尺寸。当超声波接收器的间距W较宽时可获得充分的分辨率，然而，相反，以上布置的理由是解决产生盲区和设备变大的问题。也就是说，因其中传播超声波的空气的温度波动和超声波接收器中传感器和放大器产生的杂波和所有这些因素的影响，超声波长度测量的偏差随着长度L加长而变得更大，其中，长度L为超声波接收器304-1和304-2与笔尖(专用笔102的书写位置)的间距。进而，已经发现，从三角测量获得的坐标的偏差e与长度L成正比，而与两(2)个超声波接收器304-1和304-2的间距W成反比。因此，本发明人进行如图25所示的实验，以获得长度与误差之间的关系，以便获得保持必要的分辨率且具有尽可能小选择值的超声波接收器之间间距W。在此实验中，超声波接收器之间间距W选择为25mm，通过实验获得长度和坐标偏差之间的关系。更具体地，进行实验，以验证当专用笔102逐渐远离超声波接收器304-1和304-2时产生何种程度的测量长度偏差。在图25中，横坐标轴代表长度实际值(mm)，垂直轴代表误差(mm)，黑点代表通过超声波接收器获得的测量长度，并且此图示出从公式计算的计算值的变化。根据以上测量结果，三角测量的坐标偏差e可按以下公式计算近似值。

E＝0.0002L²/W

接着，当通过从上述公式回推而确定所用纸张尺寸(纸张的对角线长度)和所需的分辨率时，可获得必要的且最小的超声波接收器之间间距W。亦即，在接收器固定到纸张的角上时，对角线长度是最远离的长度，并且此长度是超声波接收器304和笔尖最远离的长度。另外，因为通常手写的情况下需要±0.1-1mm的分辨率，所以用P代表对角线长度(到专用笔笔尖位置的长度L用P替换)，可从以下公式获得超声波接收器之间的间距W。

W＝0.0002P²到0.002P²

基于此公式，根据本发明，用P代表纸张的对角线长度，两(2)个超声波接收器304-1和304-2之间的安装间距的设定值设定得使间距W大于0.0002P²且小于0.002P²。当基于以上设定的超声波接收器304-1和304-2之间间距布置超声波接收器而构成接收器101时，有可能缩小接收器101的尺寸并在接收器得到最强方向性的角上布置接收器101。以此方式，根据本发明此实施例的接收器101构成为自由固定的固定部件并夹紧纸张的角，接收器101包括主体302和轴向支撑在主体基座边缘部分上的基座303，其中，主体302具有一对超声波接收器304-1和304-2以及红外线和超声波接收器305，并且，接收器101如此构成，使得接收器101相对纸张的固定位置设置在一对超声波接收器304-1和304-2之间连线与纸张上边缘的夹角在30-60°范围内的位置上。因此，对于超声波接收器304-1和304-2不产生盲区，并且这些超声波接收器304-1和304-2之间的表观间距不窄。进而，设备配置有可能因为以上原因而缩小尺寸。从而，设备的可用性和可携带性变得极佳，并且此设备可用作便携式设备。

以下结合图26描述用于本发明的专用笔的配置。专用笔102在其顶端配置有圆珠笔墨水管702，并且在专用笔102内设置用于检测圆珠笔墨水管702和纸张书写表面接触的接触检测开关703。在专用笔102的顶端两侧设置管状超声波发射器704和红外线发射器705。在这些器件中，超声波发射器704用由聚偏二氟乙烯(PVDF)制成的压电膜构成。此压电膜具有在被施加电压时自身振动以产生超声波的功能。超声波发射器704的形状为对超声波具有360°方向性的管状形状。因此，即使笔102在书写时旋转，超声波发射器704也可准确地向超声波接收器304传输已发射的超声波脉冲。对于红外线发射器705，即使专用笔102在书写时旋转，它也可准确地向超声波接收器304传输已发射的红外线，因为三(3)个具有120°方向性的发射器705均匀布置。708代表驱动电路单元，驱动电路单元708由AAA电池709驱动。更具体地，当用手书写时，只有在专用笔102的顶端与纸张书写表面接触时，接触检测开关703才变为ON，并且发射超声波和红外线。以此方式，通过在不用专用笔102书写时防止发射超声波和红外线，而节省电力。

图27示出用于专用笔102的驱动电路708的框图。驱动电路708包括计时器710、红外线驱动电路711和超声波驱动电路712。当专用笔102的墨水管702与纸张书写表面接触并且接触检测开关703检测到此接触时，通过计时器对红外线驱动电路711和超声波驱动电路712的激励，定期地(50Hz-100Hz)从红外线发射器705产生红外线脉冲并且从超声波发射器704产生超声波脉冲。此周期设定为大约50Hz的恒定周期，因为它足以稳定地只检测用户用手使笔102的移动。

其次，结合图28A和28B描述根据本发明另一实施例的坐标输入设备801的配置。此实施例的特征在于：在构成接收器803的主体302下面设置底板802(与图20A中的基座303相应)，并且纸张装载在底板802的上部分。亦即，主体302在基座边缘侧(在图中为右侧)由轴306轴向支撑在底板802上，由于主体302以轴306为中心相对于底板802可自由地打开和关闭，因此，纸张105的角可被夹紧并固定在底板802上。底板802的厚度选择得较薄，并且它的尺寸选择得与纸张的相似。接收器803对底板802的固定位置选择在底板802的角上，从而，此位置与底板802上边缘形成的夹角在30-60°的范围内，并更具体地，此夹角为使对纸张的方向性最大的45°。进而，由于用于此实施例中的底板802的厚度选择得较薄，因此，底板802作为用于书写载体并且适合作为书写板携带。因而，底板802可用作便于携带的坐标输入设备。底板802的尺寸肯定不限制在常用的A4尺寸等，并且当选择更小的尺寸如B5时，底板802可用作更适于携带的坐标输入设备801。本发明的此种坐标输入设备801构成得使与基座303相应的板状底板802设置在构成接收器803的主体302之下。纸张装载在底板802上，选择并固定纸张的角以使之与底板802上边缘形成的夹角在30-60°范围内。因此，对于超声波接收器304-1和304-2不产生盲区，超声波接收器304-1和304-2之间的表观间距不窄，并且底板802作为书写载体。因而，用笔102书写时的可用性以及可携带性非常好。结果，设备801可用作便携式设备。

图29示出构成得使接收器803和夹子809为分离部件的坐标输入设备805，其中，夹子809设置在底板802的上部而纸张105由夹子809夹紧。与此情况相似地，在底板802的角上选择上半部分302的固定位置，同时此固定位置与底板802的上边缘形成在30-60°范围内的夹角，更具体地，夹角为使超声波接收器304对纸张的方向性变得最强的45°角。在此情况下，因为纸张105可用夹子809固定，所以不必为主体302提供任何用于夹紧纸张的机构，如轴306。

图30示出用于本发明接收器的电路框图。接收器电路包括：用于对在超声波接收器上接收的超声波脉冲进行放大的输入放大器111a和111b；比较器112a和112b；过零比较器113a和113b；FF(触发器)114a和114b；与门118a和118b；计时器115a和115b；以及微控制器116。可通过此电路配置检测超声波传播时间T1和T2。首先，如图31A所示，计时器115a和115b从红外线接收器305接收由红外线发射器705发射的红外线开始计时。接着，由两个超声波接收器之一304-1接收的超声波脉冲被输入放大器111a和111b放大到如图31B和31C所示的适当水平。在超声波被输入放大器111放大之后，由比较器112从超声波脉冲中分离出阈值，并且在超声波脉冲超过阈值时打开FF 114。然后，由过零比较器113a检测过零(Z点)，并且通过它们的与操作而停止计时器115。此时，检测下一个超过阈值的过零位置。检测此过零位置的时间为对超声波接收器的超声波脉冲到达时间。随后，计时器基于红外线接收器305的红外线同步信号，检测超声波脉冲到达时的超声波传播时间T1。对另一超声波接收器304-2以相同的序列检测传播时间T2，并且，如上检测的传播时间T1和T2输入到微控制器116中。如以后所描述的，从作为书写位置的笔尖到超声波接收器304-1和304-2的长度可基于以此方式检测的传播时间T1和T2而计算。

图32示出在微型计算机和个人计算机中执行的过程的流程图。结合此流程图描述用个人计算机从检测到的超声波传播时间T1和T2中计算坐标的方法。首先，对于由微控制器116执行的过程，执行从计时器115a和115b读出传播时间T1和T2的过程(步骤S120)。这些读出的传播时间T1和T2通过USB端口传输到个人计算机(步骤S121)。随后是在个人计算机中执行的过程。在个人计算机中，执行从微控制器116读出传播时间T1和T2的过程(步骤S122)，然后，执行长度计算，用于从这些传播时间T1和T2计算笔尖和两个超声波接收器303之间的长度L1和长度L2(步骤S123)。亦即，用V代表声速，用W代表超声波接收器之间的长度，从以下公式计算长度L1和长度L2。

L1＝V×T1

L2＝V×T2

接着，在个人计算机中执行坐标计算过程，基于从步骤S123中公式计算的长度L1和长度L2，计算坐标位置(步骤S124)。也就是说，假设坐标系统以两(2)个接收器304的一(1)个超声波接收器304的位置为原点并且另一超声波接收器304的位置设为(W，0)，那么按照以下得到笔在此坐标系统中的坐标(x，y)。由于

x²+Y²＝L1²

(x-W)²+y²＝L2²

对这些方程求解x和y，得到以下：

x＝(L1²-L2²+W²)/2W

y＝-L1²-x²

从这些公式中可得到每个坐标(x，y)。进而，由于需要在个人计算机中计算鼠标器在个人计算机屏幕上的坐标，因此，执行用于指定鼠标器光标位置的坐标计算(步骤S125)。也就是说，用(X，Y)代表鼠标坐标，此坐标可从以下公式得到。

X＝a11x+a12y+b1

Y＝a21x+a22y+b2

其中，系数a11、a12、a21、a22、b1和b2已通过校定而预先确定为内置数据。然后，基于从步骤S125中获得的鼠标器坐标(X，Y)，执行用于移动鼠标器光标的过程(步骤S126)。此后，通过重复从(步骤S120)到(步骤S126)的过程，可执行希望的坐标输入。通用应用软件，如画笔，可用于实际显示由笔在个人计算机屏幕上制造的轨迹。在纸张上用手有形书写的字符等用位图数据储存在个人计算机中。

如上所述，根据本发明，能够缩小坐标输入设备的配置，因为对超声波接收器不产生盲区，防止使超声波接收器之间的表观间距狭窄，并且超声波接收器可布置和固定在纸张的角上。因此，本发明的效果是设备的可用性和可携带性极佳，并且此设备可用作便携式接收器。进而，通过在其上装载有纸张的板状底板上固定连接接收器，其中专用笔在纸张上书写，由于接收器事先位于并固定在底板的角上，因此，对超声波接收器不产生盲区，防止使超声波接收器之间的表观间距狭窄，另外，底板可作为用于书写的载体。因此，设备在书写时的可用性和可携带性极佳，并且可用作便携式设备。

另外，由于接收器固定在具有纸张的底板的某个位置上，此位置使得由多个超声波接收器之间连线与纸张上边缘形成的夹角在30-60°范围内，因此，对超声波接收器不产生盲区，防止使超声波接收器之间的表观间距狭窄，而且，另外，接收器的可用性和可携带性极佳。因而，此设备可用作便携式设备。

进而，由于形成的挠性边缘部分设置得在接收器对纸张的夹紧表面上以大约90°方向按压纸张的角，因此，通过沿着边缘部分插入纸张，接收器对纸张的安装角布置在方向性变得最强的45°角倾斜位置。

图33示出用于对计算机等输入坐标信息的坐标输入设备，它基于通过测量移动器所发射超声波的传播时间而测量的到移动器的长度，使用三角测量来得到移动器的坐标。根据此配置，有可能向计算机等输入手写字符，与通常一样，手写字符是用笔形移动器在纸张上书写的，所述纸张例如放置在桌面上。也就是说，笔形移动器210嵌有超声波发射器，并且由固定单元250中多个超声波接收器250a和250b接收从笔形移动器中超声波发射器发射的超声波。接着，通过测量每个超声波接收器的超声波接收时间与笔形移动器210的超声波发射时间之差，即测量超声波的传播时间，从而计算笔形移动器210和多个超声波接收器250a和250b之间的每个长度(传播长度)。然后，基于这些长度以及预先测量的超声波接收器250a和250b之间长度，使用已知的三角测量来测量笔形移动器210的坐标位置。在以上长度计算中，通过用声速乘以每个超声波传播时间，有可能获得到发射器的每个长度。这些获得的传播时间间隔作为从图34所示LED驱动电路203得到的发射时刻到每个超声波接收器250a和250b上超声波接收时刻的时间间隔。

如图34所示，笔形移动器210设置有用于检测操作者即书写者用笔形移动器210进行写操作的机构，如接触检测开关201。当笔形移动器210的笔尖接触在桌面上的纸张等的书写表面时，开关201打开。当开关201打开时，通过由超声波驱动电路205以计时器202发出的预定时间间隔驱动超声波发生器206而执行超声波发射，直到笔尖离开书写表面为止。在此过程中，在超声波发射的同时，通过用LED驱动电路203驱动红外线LED 204而把表示同步时刻的同步信号馈送到接收器一侧的固定单元250。由于同步信号可以是由红外线等照射的光学信号，因此，有可能把红外线传播时间缩短到相对于超声波传播时间可以忽略的程度。现在，如图35A所示，书写状态由压敏开关201检测，并且如图35C所示，同时执行超声波发射。在此情况下，图35B所示同步信号和图35C所示超声波信号，以计时器202功能所确定的预定间隔，间歇性地发射。

当用笔形移动器210执行写操作时，在笔尖和书写表面接触处，以根据笔尖和书写表面之间硬度关系的形式产生碰撞声。该碰撞声包含几十kHz的超声波成分。另外，因笔形移动器210配置和周围环境的影响，该碰撞声的回波持续几毫秒，如图36A所示。因此，如图36B所示，在固定单元中，不是检测到应该检测的从发射器206发射的超声波，而是检测到碰撞声的超声波，结果，坐标位置被误检。如图35A-35C所示，认为产生碰撞声发生和超声波信号之间时间差Δt的因素主要是作为书写检测机构201的压敏开关201的操作时间和超声波驱动电路205等的电路操作时间。

如图37所示，在用于解决因碰撞声而引起的误检问题的本发明第一实施例中，延时电路211设置在书写检测机构201与同步电路203和超声波驱动电路205之间。在操作者书写动作中每一笔画的起点产生所讨论的碰撞声，即在笔形移动器210笔尖与书写表面接触的第一刻产生碰撞声。接着，如图38A-38C所示，在此实施例的配置中，通过在书写检测机构201已检测到书写之后由延时电路211提供预定的延迟T，当时间T过去之后，在计时器202的作用下，由超声波驱动电路205实施间歇性的超声波发射。如上所述，由于在书写检测之后直至碰撞声及其回波被足够地延迟终止之前设置等待时间，因此可避免任何的超声波误检。也就是说，在此实施例中，由压敏开关201检测书写，随后，由延时电路211提供预定时间间隔T的延迟。在此情况中的时间间隔T根据事先测量碰撞声和回波时间而获得的结果来设定(例如，几毫秒)。在此延迟之后，直到通过接触检测开关201(如压敏开关)检测笔形移动器210与书写表面之间接触状态而检测到书写结束时为止，在计时器202的作用下，以预定的间隔(周期)间歇性地执行超声波发射。在此实施例中，红外线LED 204用作同步电路203，并通过红外线LED 024的照射来发射同步信号。然而，同步电路203不局限于上述电路，而且，可使用笔形移动器210与固定单元205通过引线连接和直接发射电信号的方法。

下面，描述用于防止因碰撞声而引起的误检的本发明第二实施例。如果即使在操作者处于碰撞声效果之中时也令操作者不注意此效果，就有可能明显地消除碰撞声效果。也就是说，优选此实施例具有以下配置：检测操作者笔形移动器的书写动作的每一笔画的终点，并且，不使用(忽略)在此之后立即开始的下一笔画的第一坐标检测数据。此方法利用所讨论的碰撞声只在书写动作每一笔画时产生的事实。在此实施例中，更具体地，例如通过检测以恒定周期间歇性发射的超声波的发射重复率并判断重复率(约为50-200Hz)的周期是否为预定的周期，而检测笔画的终点。也就是说，如图37所示，通过用接触检测开关201检测笔形移动器210与书写表面的接触，通过计时器202间歇性和周期性地开始产生同步信号，并在继续接触的同时，持续产生同步信号。因此，通过书写动作的笔画终点而使接触检测开关201停止接触检测，从而停止间歇性和周期性地产生同步信号。结果，在由下一书写动作的笔画起点开始间歇性和周期性地产生下一同步信号之前，放置相对较长的时间间隔。由于接收同步信号(即接收同步脉冲)的周期的不规则性，因此有可能检测时间间隔放置的状态。

图39示出根据以上第二实施例的操作。即，检测笔画的终点并忽略在下一笔画第一时刻的测量值。更具体地，按以下执行笔画终点的检测。也就是说，测量从移动器210发送同步信号的时间间隔(步骤S11和S12)，当测量结果与同步信号发射的预定重复周期不吻合(步骤S13中的否)时，就判断笔画结束并且开始下一笔画，在此情况下，操作返回到步骤S11而不通过接收超声波来执行移动器210的坐标计算。相反，当判断同步信号的检测周期为预定值(步骤S13中的是)时，使用基于检测到的同步信号和超声波接收时刻之差的三角测量，执行笔形移动器210的坐标计算(S14)。即使在诸如干扰光线的杂波被误检为同步信号的情况下，通过用图39所示过程检测作为同步脉冲接收周期不规则性的杂波而不把测量值用于位置计算，也有能够避免误检。

以下描述用于防止因碰撞声而引起的误操作的本发明第三实施例。在此实施例的配置中，利用碰撞声完全在书写笔画的最初时刻产生的事实，检测每个书写笔画的最初时刻，并且忽略在此时刻的测量值。更具体地，从作为发射侧的笔形移动器210发射书写动作的笔画终点，并且固定单元250侧接收此终点并且从正常超声波中区别以上碰撞声。用同步信号执行笔画终点的发射。

在第三实施例中，与第一和第二实施例相似，红外线LED 204用作同步电路203。在此情况下，通过准备两种具有如图42A和42B所示不同红外线脉冲宽度的信号：笔-ON信号和笔-OFF信号，就有可能发射笔画的终点(笔-OFF)。另一方面，在固定单元250中，用笔-ON/OFF设置初始标记。通过此初始标记判断发射的信号是否为笔画最初时刻的信号，并且当此信号为最初时刻的信号时，忽略此刻的测量值。也就是说，在图40中，当从移动器210一侧接触检测开关的输出检测到笔尖的接触(步骤S21中的是)时，发射如图42A所示作为笔-ON信号的同步信号(步骤S22)。另外，同时发射超声波(步骤S23)。接着，当判断计时器202的重复周期已过去(步骤S24中的是)时，操作返回到步骤S21，并从判断笔尖是否接触的操作重新开始。此时，当在步骤S21(否)检测到笔尖接触结束时，判断在步骤S25中是否已发射作为如图42B所示笔-OFF信号的同步信号，其中，笔-OFF信号为笔尖不接触时的信号。当未发射同步信号(否)时，在步骤S26中发射笔-OFF信号。另一方面，当已发射同步信号(否)时，操作返回到步骤S21。以此方式，在笔形移动器210从书写表面分离时，避免重复发射笔-OFF信号。

另一方面，如图41所示，当在接收一侧上的固定单元250检测到同步信号(是)时，它判断此信号是否为笔-OFF信号(步骤S32)，并且当它为笔-OFF信号(是)时，放置初始标记(步骤S33)，并且操作返回到步骤S31，忽略此时的测量值。另一方面，当判断此信号不是笔-OFF信号(否)时，在步骤S34中判断此信号是否为笔-ON信号。接着，当此信号为笔-ON信号(是)时，在步骤S35中判断是否放置初始标记。当放置初始标记时(是)，在步骤S36中初始标记关闭并被清除，并且操作返回到步骤S31，忽略此时的测量值。当不放置初始标记时(否)，在步骤S37中，使用此时的测量值通过上述三角测量执行移动器210的坐标计算。如上所述，根据第三实施例，当检测到笔-OFF信号时放置初始标记，并且在检测笔-ON信号之后，立即清除初始标记，然后，从检测到下一同步信号的时刻执行坐标计算。结果，忽略在书写笔画最初阶段时的测量值。然而，以此方式，由于如上所述在计时器202的作用下同步信号和超声波信号的重复率为50-200Hz，因此，即使在忽略书写笔画最初几次的数据时，在检测手写字符等的书写笔画时也不产生问题。

以下描述用于防止因碰撞声而引起的任何误操作的本发明第四实施例。在此实施例中，通过提供用于从传输给固定单元250的超声波信号中区别碰撞声的装置而防止在碰撞声和正常超声波信号之间的误检。更具体地，碰撞声一般包含相对较多的频率成分，而从笔形移动器210发射的超声波信号的频率是固定的。那么，通过分析接收声波的频率成分，能够从正常超声波信号区别碰撞声。

图43示出此第四实施例的接收侧即固定单元250的操作。在此实施例中，用例如过零检测等的方法测量接收声波的周期(步骤S51、S52和S53)。当此周期不同于笔形移动器210发射的超声波信号的预定周期(步骤S54中的是)时，忽略接收到的声波，并且等待正常超声波信号(脉冲)(步骤S56)。另一方面，当接收声波的周期与以上预定周期的周期吻合(步骤S54中的是)时，就判断此声波为正常的超声波，并且使用此判断结果通过上述三角测量执行笔形移动器210的坐标计算过程(步骤S55)。

图44A和44B示出根据图43所示第四实施例的接收侧(固定单元250一侧)的配置。以下只描述超声波接收器250a一侧，因为超声波接收器250a和250b之后的电路是相同的。接收器250a的输出输入到输入放大器251a，利用在输入放大器251a中放大的检测信号，测量超声波接收时刻，即超声波信号传播时间，并测量接收声波的周期。也就是说，放大器输出输入到用于传播时间测量的比较器253a和用于测量1/2周期的比较器252a。对于传播时间的测量，通过用红外线PD(同步信号检测器)250c的输入来启动计时器259a并用比较器235a的输出来停止计时器259a，从而测量传播时间。计时器259a测量的时间T1作为超声波信号的传播时间。比较器253a具有预定的阈值，并且当接收到超过阈值的声波时产生输出。此阈值设定为防止声波通过诸如干扰声的噪声检测的水平。另一方面，用于对接收声波进行1/2周期测量的比较器252a是过零比较器，并且此比较器252a的输出输入到上升边检测电路255a和下降边检测电路256b中。由于过零比较器252a经常用杂波等产生脉冲，因此，在FF(触发器)上接收到用于以上传播时间测量的比较器253a输出时，产生的信号用作屏蔽。也就是说，通过用上升和下降边检测电路255a和255b的输出获得“与”过程的结果，从而屏蔽不必要的杂波成分。计时器260a由上升边检测电路255a的屏蔽输出启动，并且，计时器260a由下降边检测电路256a的屏蔽输出停止。以此方式获得的时间T2对应于接收声波的过零间隔，即1/2周期。计时器由图45中的上升边启动并由下降边停止，但用于启动和停止计时器的信号可以是相反的。也就是说，由比较器253a和计时器259a构成的电路是用于测量从红外线PD 250c接收同步信号的接收时刻到超声波接收器250a接收超声波信号的接收时刻的时间差T1(即，以上“传播时间”)并使用上述三角测量从时间差T1和另一系统的时间差T3执行坐标计算的电路部分，其中，时间差T3是从由相应比较器253b和259b构成的电路获得的。由于此配置，检测具有预定电平和预定周期的声波，作为正常超声波信号并用于笔形移动器210的坐标位置计算。另一方面，由比较器252a、上升边检测电路255a、下降边检测电路256a、与电路257a和258a、以及计时器260a构成的电路，是用于在接收信号电平每次向上和向下穿过零电平时通过启动和停止计时器260a而测量接收声波的声波周期(例如，与80kHz相应的周期)的电路部分。

如上所述，根据本发明，在检测长度测量信号如超声波等的传播时间的配置中，计算相应的传播长度；用三角测量检测移动器的位置；通过不把在移动器与接触面首次接触时得到的数据用于位置检测计算中，而防止在笔开始接触时发生的碰撞声所引起的位置误检。从而，能够实现可用性和精确性俱佳的坐标输入设备，通过不限制书写操作的区域而能拓宽应用范围。

进而，本发明不局限于上述实施例，只要不偏离本发明的目的和优点，本发明可包括许多变化。另外，本发明不受上述实施例所示数字值的限制。

Claims (16)

1.一种超声波长度测量设备，包括：

用于发射超声波的发射单元；

用于接收超声波并把它转换成电信号的至少一个接收单元；

时刻检测单元，用于检测从所述发射单元发射超声波的发射时刻，用于测量从接收单元接收到的超声波信号波形与预定阈值相交的次数，并用于检测在从首次相交交点经预定次数之后并且在接收到的超声波形的波幅变为最大或接近于最大时的相交时刻；

时间测量单元，用于测量从发射单元开始发射超声波到所检测到的相交时刻的时间间隔；以及

基于测量的时间而计算长度的长度测量单元。

2.一种超声波长度测量设备，包括：

用于发射超声波的发射单元；

用于接收超声波并把它转换成电信号的至少一个接收单元；

时刻检测单元，用于检测从所述发射单元发射超声波的发射时刻，用于测量从接收单元接收到的超声波信号波形与预定阈值相交的次数，并用于检测在从首次相交交点经预定次数之后并且在接收到的超声波形的波幅变为最大或接近于最大时的相交时刻；

时间测量单元，用于测量从发射单元开始发射超声波到所检测到的每个相交时刻的时间间隔，并获得每个测量时间的算术平均值；以及

基于作为算术平均值得到的时间来计算长度的长度测量单元。

3.如权利要求1或2所述的超声波长度测量设备，其中，在预定次数之后的交点是具有接收到的超声波波形的最大波幅的振动与阈值相交的交点，或者是就在上述振动之前或之后一个振动的振动与阈值的交点。

4.如权利要求1或2所述的超声波长度测量设备，其中，当接收单元的整数Q值为n时，在预定次数之后的交点是接收到的超声波波形的第n个振动与阈值相交的交点，或者是第n±1个振动与阈值的交点。

5.如权利要求2所述的超声波长度测量设备，其中，

采用设置在相对于振动中心的两个极性上的阈值，时刻检测单元测量由接收单元接收到的超声波波形与阈值的相交次数，并且在从首次相交交点计算的预定次数之后，从两个极性上的交点检测预定次数的每个相交时刻；以及，其中，

时间测量单元通过测量和获得从发射单元开始发射超声波到在两个极性上检测的每个相交时刻的每个时间的算术平均值，而获得所述时间。

6.如权利要求2或5所述的超声波长度测量设备，其中

时刻检测单元测量由接收单元接收到的接收超声波波形的上升边和下降边与预定阈值相交的次数，并且在从首次相交交点计算的预定次数之后检测预定次数的每个相交时刻，其中，

时间测量单元通过测量从超声波开始发射到所检测到的每个上升边和下降边相交时刻的每个时间间隔并获得它们的算术平均值，而获得所述时间。

7.如权利要求1或2所述的超声波长度测量设备，其中：

发射单元包括发射通知单元，此发射通知单元发出与超声波开始发射同步的光束或电磁波，并且其中，

时间测量单元从发射通知单元接收光束或电磁波，并且检测超声波开始发射的时刻。

8.如权利要求1或2所述的超声波长度测量设备，其中：

此设备包括至少两个接收单元系统、时刻检测单元、时间测量单元和长度测量单元，此设备进一步包括坐标测量单元，坐标测量单元基于由每个长度测量单元获得的两个长度而计算发射单元的二维坐标位置。

9.一种超声波长度测量方法，包括：

发射超声波的发射步骤；

使用至少一个接收单元接收超声波并把此超声波转换成电信号的接收步骤；

时刻检测步骤，用于检测从所述发射步骤发射超声波的发射时刻，用于测量从接收步骤接收到的超声波信号波形与预定阈值相交的次数，并用于检测在从首次相交交点经预定次数之后并且在接收到的超声波形的波幅变为最大或接近于最大时的相交时刻；

时间测量步骤，用于测量从超声波开始发射到所检测到的相交时刻的时间间隔；以及

基于测量的时间而计算长度的长度测量步骤。

10.一种超声波长度测量方法，包括：

发射超声波的发射步骤；

使用至少一个接收单元接收超声波并把此超声波转换成电信号的接收步骤；

时刻检测步骤，用于检测从所述发射步骤发射超声波的发射时刻，用于测量从接收步骤接收到的超声波信号波形与预定阈值相交的次数，并用于检测在从首次相交交点经预定次数之后并且在接收到的超声波形的波幅变为最大或接近于最大时的相交时刻；

时间测量步骤，用于测量从开始发射超声波到所检测到的每个相交时刻的时间间隔，并获得每个测量时间的算术平均值；以及

基于作为算术平均值得到的时间来计算长度的长度测量步骤。

11.如权利要求9或10所述的超声波长度测量方法，其中，在预定次数之后的交点是具有接收到的超声波波形的最大波幅的振动与阈值相交的交点，或者是就在上述振动之前或之后一个振动的振动与阈值的交点。

12.如权利要求9或10所述的超声波长度测量方法，其中，当接收步骤的整数Q值为n时，在预定次数之后的交点是接收到的超声波波形的第n个振动与阈值相交的交点，或者是第n±1个振动与阈值的交点。

13.如权利要求10所述的超声波长度测量方法，其中，

采用设置在相对于振动中心的两个极性上的阈值，时间检测步骤测量接收到的超声波波形与阈值的相交次数，并且在从首次相交交点计算的预定次数之后，从两个极性上的交点检测预定次数的每个相交时刻；并且，其中，

时间测量步骤通过测量和获得从开始发射超声波到在两个极性上检测的每个相交时刻的每个时间的算术平均值，而获得所述时间。

14.如权利要求10或13所述的超声波长度测量方法，其中，

时刻检测步骤测量接收到的超声波波形的上升边和下降边与预定阈值相交的次数，并且在从首次相交交点计算经预定次数之后检测预定次数的每个相交时刻，其中，

时间测量步骤通过测量从超声波开始发射到所检测到的每个上升边和下降边相交时刻的每个时间间隔并获得它们的算术平均值，而获得所述时间。

15.如权利要求9或10所述的方法，其中，时间测量步骤通过接收从发射单元发射的与超声波开始发射同步的光束或电磁波而检测发射开始时刻。

16.如权利要求9或10所述的方法，其中，本方法进一步包括基于在时刻检测步骤、时间测量步骤和长度测量步骤中对由至少两个接收单元系统接收的超声波波形所获得的两个长度，计算发射位置二维坐标的坐标测量步骤。

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