CN103905025A - 一种抗振型传感触碰开关及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抗振型传感触碰开关及控制方法，其中所述的开关包括触碰面板、力敏传感器、结合件，所述的力敏传感器通过结合件固定在触碰面板背面，触碰面板受到触碰按压的力量和外界干扰作用力后产生形变，通过结合件传递到力敏传感器，力敏传感器将这两种形变转换成电信号；限幅积分电路根据信号的频谱特征区分出触碰信号还是干扰信号。本发明所述的抗振型传感触碰开关控制方法，通过限幅积分电路将触碰信号与干扰信号区分开来，极大提高开关的抗振动和抗冲击干扰性能同时提高操作灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及从操作者触碰行为的发生到产生明确开关输出信号的一种方法及抗振型传感触碰开关。
背景技术
目前的触碰(摸)开关主要有微动机械式、电容电荷传感式和单体压电式三种方式。
微动机械式开关结构具有成本低、便于制造和有稳定状态拾取功能等特点，但微动机械结构由于具有运动部件，需要在硬质面板上开孔，这样就形成了缝隙，其防水性能需要通过其它方式来进行弥补。微动机械开关同时具有机械磨损问题，导致一定的操作次数之后需要更换。
电容电荷传感式开关由于采用了非机械检测方式，避免了由于机械结构的运动部件而需要在硬质面板上开孔的问题，易于实现全密封结构，面板可以采用光洁平整的玻璃、塑料等非金属材料，便于清洁，也没有机械磨损，大大提高了工作寿命，同时具有稳定状态拾取功能，并且对外部机械振动有很好的免疫力，目前已经被广泛采用于墙面开关、智能手机和电脑触摸屏。但电容电荷传感开关对物体的导电和介电参数的变化较为敏感，例如外部静电或被水浸渍、飞溅后和高湿度环境下，电容电荷传感开关会产生误动作或动作灵敏度下降的问题，也无法使用金属等导电材料制作面板。
单体压电式开关属于力敏传感的一种，无机械运动部件，具有电容传感方式所不具备的防水防静电功能，可以采用金属面板，已经用于工业控制系统以部分替代微动机械开关。但同样因为出于前述的力敏传感灵敏度和抗干扰之间的固有矛盾，为了提高抗振动干扰特性，目前的压电开关多以牺牲操作灵敏度为代价，多采用单体按钮封装形式，内部传感电路基本采用线性衰减积分电路方式，这导致目前的压电开关的操作灵敏度比电容触碰开关为低，并且实验证明：即便如此，传统压电开关的线性衰减和积分电路方式，并不能够完全阻止高冲击振动干扰下的误动作。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的不足而提供一种抗振同时又具备较高操作灵敏度的力敏传感触碰开关。可以采用压电、磁电类的换能式传感器，也可以采用电参量类的电容传感器、电阻传感器或电感传感器中的任意一种，将触碰的微小压力转换为电信号，再经过信号处理，然后输出明确的开关信号。克服了电容电荷传感方式对外部物体移动形成的电导和电介质参数变化敏感容易形成误动作的问题，也克服了普通压电传感方式中操作灵敏度较低、并不能够完全阻止高冲击干扰下的误动作的问题。可以适用于包括高静电和有水操作等更广泛的触碰开关应用场合，并可以使用金属等导电材料制作面板。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种抗振型传感触碰开关，包括：触碰面板、力敏传感器、结合件，所述的力敏传感器通过结合件固定在触碰面板背面，所述的力敏传感器与抗干扰信号处理电路连通，最后与开关脉冲形成电路连通；所述的抗干扰信号处理电路为限幅积分电路；所述的开关脉冲形成电路具有一定的输入阀值。
作为本发明所述的抗振型传感触碰开关的一种优选方案，所述的限幅积分电路为二极管限幅积分电路或软件控制的限幅积分处理程序。
作为本发明所述的抗振型传感触碰开关的一种优选方案，所述的结合件为粘合剂层、弹簧、压块中的任意一种或它们的组合。
作为本发明所述的抗振型传感触碰开关的一种优选方案，所述的一块触碰面板对应多个力敏传感器，所述的结合件上设有阻断墙结构，可以避免触碰面板受到的应力分散到多个力敏传感器上。
作为本发明所述的抗振型传感触碰开关的一种优选方案，所述的开关置入全密封的壳体内，可以适用于防水要求较高的场所。
作为本发明所述的抗振型传感触碰开关的一种优选方案，所述的力敏传感器为压电或磁电类的换能式传感器、电容传感器、电阻传感器、电感传感器中的任意一种或它们的组合。
作为本发明所述的抗振型传感触碰开关的一种优选方案，所述的力敏传感器和抗干扰信号处理电路间非必须的设有信号放大器，如果力敏传感器输出的电信号足够强，可以不需要信号放大器，当力敏传感器输出的电信号较弱时，需要信号放大器将电信号放大，当触碰信号和干扰信号的动态范围过大，所述的信号放大器需要有增益稳定电路、幅度限制电路或幅度稳定电路。
一种抗振型传感触碰开关控制方法，触碰面板受到触碰按压的力量和外界干扰作用力后产生形变，通过结合件传递到力敏传感器，力敏传感器将这两种形变转换成电信号；限幅积分电路根据传感器输出电信号的频谱特征来区分出触碰按压和干扰信号，干扰信号因为频谱特征的原因经过限幅积分电路处理后输出的直流电压无法达到开关脉冲形成电路的输入阀值。
作为本发明所述的抗振型传感触碰开关控制方法的一种优选方案，所述的限幅积分电路为二极管限幅积分电路，对触碰信号和干扰信号进行限幅积分处理，限幅积分电路根据传感器输出电信号的频谱特征来区分出触碰和干扰信号，人的触碰信号在1Hz-20Hz之间，其频率和幅值特征相对干扰信号而言频率较低、幅值较小，二极管限幅积分电路对其衰减很小，因此触碰信号可以进入并触发开关脉冲形成开关信号；开关脉冲形成电路的输入阀值电平被设计为二极管限幅值的值域之间，干扰信号因为不同的频谱特征经过限幅积分电路后形成的直流电压无法达到开关脉冲形成电路的输入阀值。
作为本发明所述的抗振型传感触碰开关控制方法的一种优选方案，所述的限幅积分电路为软件控制的限幅积分处理程序，模拟二极管对触碰信号和干扰信号进行限幅积分处理，人的触碰信号在1Hz-20Hz之间，其频率和幅值相对干扰信号而言较低，限幅积分处理程序对触碰信号衰减很小，触碰信号代码可以直接转换成开关代码，而干扰信号经过限幅积分处理程序处理后形成虚拟直流电压的软件运算值，该限幅积分处理程序因为不同的频谱特征其输出的虚拟直流电压值无法达到开关脉冲形成电路的输入阀值。
有益效果：
本发明所述的抗振型传感触碰开关控制方法，通过限幅积分电路将触碰信号与干扰信号区分开来，极大提高开关的抗振动和抗冲击干扰性能，同时提高操作灵敏度。克服了电容电荷传感方式对外部物体移动形成的电导和电介质参数变化敏感容易形成误动作的问题；也克服了普通压电传感方式中操作灵敏度较低、并不能够完全阻止高冲击干扰下的误动作的问题；可以适用于包括高静电和有水操作等更广泛的触碰开关应用场合；并可以使用金属等导电材料制作面板；利用软件技术来处理多个触点的键盘扫描，可以制成更为耐久操作舒适的操作键盘。
附图说明
图1A是一种抗振型传感触碰开关结构及电路连接示意图。
图1B是关于较长时间稳态信号处理电路的描述。
图2C是电阻式抗振型传感触碰开关硬件结构示意图。
图2D是磁电式抗振型传感触碰开关硬件结构示意图。
图2E是电感式抗振型传感触碰开关硬件结构示意图。
图2F是电容式抗振型传感触碰开关硬件结构示意图。
图2G是电阻式抗振型传感触碰开关硬件结构示意图。
图3H是典型的外部干扰振动在传感器端形成的电信号波形。
图3J是手指触碰在传感器端形成的电信号波形。
图3I是二极管单向限幅和积分电路处理后所形成的对照电信号波形。
图3K是二极管双向限幅后的电信号波形。
图4是开关信号处理的软件流程图。
图5是较长时间稳定状态处理的软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
图1A是一种抗振型传感触碰开关结构及电路连接示意图，如图1所示，用结合件3将力敏传感器固定在触碰面板2背后，用手指1按压触碰面板2，阻断墙结构7将受触碰的力敏传感器4与相邻的力敏传感器5、6分隔开来，阻止单键按压之后形成应力形变扩散而影响到相邻的力敏传感器单元，图1A中只显示了一维的结构，实际上开关可以设置为两维的阵列结构。用连接导线8将传感器同电路连接，连接导线也可以用柔性的导电弹簧或弹性接触片代替。
在电路中可选的设置电容9和信号放大器10及限幅器12，虚线11为绕过可选元件而直接连通限幅积分电路的通路，整个限幅积分功能的电路15包括具有二极管属性的元件或组件13及具有积分电路属性的元件或组件14，接入开关脉冲形成电路16及可以向换能式传感器回授振荡波的回授振荡器17，用以产生可听见的音频或可触摸的机械振动，由开关脉冲形成电路16产生的一定宽度的短脉冲信号18。
图1B是关于较长时间稳态信号处理电路的描述，信号经与图A中同样的电容器、信号放大器、限幅器处理后也可以沿虚线段直接到达并列分布的与图A中相同的信号处理电路15，分别到达阀值触发电路，分别所产生的按压和施放的开关脉冲进入到复位置位触发器19结构的电路，产生足以维持一段稳定时间的稳态状态信号21，用回授振荡器17来产生开关动作的反馈信息。当开关状态触发器19处于置位状态S时，启动定时器20作为置位状态计时，当达到设定的计时值时，该定时器会复位触发器19的复位端R，防止由于触碰释放时传感器没有产生足够的反向信号来实施自我复位。
图2是各种类型的传感器示意图，其中图2C是用压电传感器22制成的抗振型传感触碰开关硬件结构示意图，图2D为磁电传感器制成的抗振型触碰开关硬件结构示意图，在永磁体24与结合件之间设有磁屏蔽罩24，永磁体24与线圈25接近并有一定间隙，当手指按压触碰面板，永磁体24在线圈25中产生磁电感生电动势到信号处理电路。图2E、2F、2G是三种电参量传感器，其中图2E是电感式电参量传感器，包括磁屏蔽罩26、电感磁心体27、电感的线圈28、交流信号源29。图2F为电容式电参量传感器，通过交流信号源31与电容30配合使用，将触碰面板的应力形成传感电信号。图2G是电阻式电参量传感器硬件结构示意图，通过直流信号源33与电阻32配合将触碰面板的应力变化形成传感电信号。
图3信号处理波形图，其中图3H是典型的外部干扰振动在传感器端形成的电信号波形34。
图3J是手指触碰在传感器端形成的电信号波形，手指触碰形成波形35，干扰震动形成波形36，从图中可以看出无论是干扰振动还是手指触碰，都是一种单频或多频的交变波形，其电压极性具有正负两个方向。
图3I是二极管单向限幅积分电路所形成的波形，图中虚线为二极管的限幅区域线37，开关脉冲形成电路的输入阀值电压点38，经过二极管限幅后的波形为曲线40，经过积分后的直流电压对照曲线39，可以看出越强烈的振动干扰，限幅积分后的直流电压39距离输入阀值电压点38越远。
图3K中波形41是二极管双向限幅后形成的，从图中可以看出干扰信号被限幅积分后的直流电压42接近0，无法到达阀值点电压38。
图4是开关信号处理的软件流程，用于按照虚拟的二极管限幅积分方式产生脉冲开关信号。从框图中的开始至设定虚拟二极管的限幅值和开关脉冲形成的阀值，然后读入传感器电压，判断传感器电压是否超过虚拟二极管的限幅值，如果传感器输入电压超过虚拟二极管的限幅值，则输出设定好的限幅值，如果传感器电压低于二极管的限幅值，则输出传感器电压原值，然后对输出值进行积分运算，获得积分值，再判断积分值是否超过开关脉冲形成电路的输入阀值，如果超过阀值，则发出开关触发脉冲，如果低于阀值则返回开始端。
图5是较长时间稳定状态处理的软件流程图，由正向和反向的两次图4所示的开关信号处理软件流程得出正向时刻和反向时刻的脉冲来进行软件的开关状态的置位和复位处理。从框图示意的开始至前述的限幅积分正向和前述的限幅积分反向，分别获得正向时刻的触发脉冲和反向时刻的触发脉冲，正向时刻触发脉冲对开关状态进行置位，反向时刻触发脉冲对开关状态进行复位，当开关状态被置位的时候，会启动置位状态定时器，当置位状态定时器到达定时值时，对开关状态进行复位操作，最后回到开始端。本段落中的正向和反向对于电信号的极性来说具有相对性，设定其中任意一个极性方向的电信号为正向时，另一个即为反向。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种抗振型传感触碰开关，其特征在于，包括：
触碰面板、力敏传感器、结合件，所述的力敏传感器通过结合件固定在触碰面板背面，所述的力敏传感器与抗干扰信号处理电路连通，最后与开关脉冲形成电路连通；所述的抗干扰信号处理电路为限幅积分电路；所述的开关脉冲形成电路具有一定的输入阀值。
2.根据权利要求1所述的抗振型传感触碰开关，其特征在于：所述的限幅积分电路为二极管限幅积分电路或软件控制的限幅积分处理程序。
3.根据权利要求2所述的抗振型传感触碰开关，其特征在于：所述的结合件为粘合剂层、弹簧、压块中的任意一种或它们的组合。
4.根据权利要求3所述的抗振型传感触碰开关，其特征在于：一块触碰面板对应多个力敏传感器，所述的结合件上设有阻断墙结构。
5.根据权利要求1所述的抗振型传感触碰开关，其特征在于：所述的开关置入全密封的壳体内，制成全防水型触碰开关。
6.根据权利要求4所述的抗振型传感触碰开关，其特征在于：所述的力敏传感器为压电或磁电类的换能式传感器、电容传感器、电阻传感器、电感传感器中的任意一种或它们的组合。
7.根据权利要求4所述的抗振型传感触碰开关，其特征在于：所述的力敏传感器和抗干扰信号处理电路间非必须的设有信号放大器。
8.一种抗振型传感触碰开关控制方法，其特征在于：触碰面板受到触碰按压的力量和外界干扰作用力后产生形变，通过结合件传递到力敏传感器，力敏传感器将这两种形变转换成电信号；限幅积分电路根据传感器输出电信号的频谱特征来区分出触碰按压和干扰信号，因为干扰信号不同的频谱特征其限幅积分后输出的直流电压无法达到开关脉冲形成电路的输入阀值。
9.根据权利要求8所述的抗振型传感触碰开关控制方法，其特征在于：所述的限幅积分电路为二极管限幅积分电路，限幅积分电路根据传感器输出电信号的频谱特征来区分出触碰和干扰信号，人的触碰信号的频率和幅值特征相对干扰信号而言频率较低、幅值较小，二极管限幅积分电路对触碰信号衰减很小，开关脉冲形成电路的输入阀值电平被设计为二极管限幅值的值域之间，因此触碰信号可以进入并触发开关脉冲形成电路产生开关信号；而振动干扰信号的幅值和频率较高，经过二极管限幅积分电路后形成直流电压，该电压因为限幅积分的原因无法达到开关脉冲形成电路的输入阀值。
10.根据权利要求8所述的抗振型传感触碰开关控制方法，其特征在于：所述的限幅积分电路为软件控制的限幅积分处理程序，模拟二极管对触碰信号和干扰信号进行限幅积分处理，人的触碰信号在1Hz-20Hz，人的触碰信号的频率和幅值相对干扰信号而言较低，软件控制的限幅积分处理程序对触碰信号衰减很小，触碰信号代码可以直接转换成开关代码，而干扰信号经过软件程序控制的虚拟限幅积分处理后形成虚拟直流电压的软件运算值，该限幅积分处理程序因为干扰信号不同的频谱特征其输出的虚拟直流电压无法达到虚拟的开关脉冲形成电路的输入阀值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20171031 |