CN104965597A - 感应式喉头送话器装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涉及感应式喉头送话器装置及其使用方法，属于送话器技术领域，装置包括：感应部，感应部贴触于喉结设置，内设有圆环式压力传感器记录喉结运动施加给传感器的力并发送受力信号出去，测量三维力的圆环式压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组；手持部，无线连接感应部，手持部中设有控制器和语音单元，语音单元连接控制器根据感应部的检测信号发出声音，为感应部提供无线充电。本发明中通过改进传感器，结合控制器和现代通讯协议，建立语音数据库，解决了现有技术中传感器工作易发热，噪声干扰大的问题，具有温度稳定性好，发热小、数据库的完善能够大大减小控制器发音错误的现象。

Description

感应式喉头送话器装置及其使用方法

技术领域

本发明属于送话器技术领域，涉及改进后的喉头送话器的使用方法及其整体装置，具体一种涉及感应式喉头送话器装置及其使用方法。

背景技术

由于后天生病或错服药物等原因导致喉咙嘶哑甚至发音困难，造成不想说话或者不能说话的病例经常出现，所以为了减轻发音的困难度，继续保持生活的正常性，喉头送话器依然有很大应用范围。喉头送话器曾在战争飞行中发挥了很大的作用，方便了飞行员之间的交流，降低了噪声的干扰，在现代生活中依然可以根据发音时喉头肌肉起伏震动原理给发音困难者提供技术需要。

炭粒式喉头送话器是利用炭砂受阻变压特性制成的一种有源声电换能组件，已有多年历史，多年使用表明，该送话器组灵敏度高、带负载能力强，但频响差、固有噪声大、动态范围小、非线性畸变大、环境适应性差、使用寿命短及稳定性差。虽然已经使用压电式送话器代替了传统的炭粒式送话器，但是压电式陶瓷中使用的压电陶瓷片容易受力疲劳，且一旦工作，易发热升温，使佩戴者具有灼伤感，降低了使用舒适性。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明提出一种涉及感应式喉头送话器装置及其使用方法，通过改进传感器，结合控制器和现代通讯协议，建立语音数据库，解决了现有技术中传感器工作易发热，噪声干扰大的问题，具有温度稳定性好，发热小、数据库的完善能够大大减小控制器发音错误的现象。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种感应式喉头送话器装置，所述装置包括：感应部，感应部贴触于喉结设置，内设有圆环式压力传感器记录喉结运动施加给传感器的力并发送受力信号出去，测量三维力的圆环式压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，所述条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在圆环电容单元组外基板的四角；手持部，无线连接感应部，手持部中设有控制器和语音单元，语音单元连接控制器根据感应部的检测信号发出声音，为感应部提供无线充电。

上述装置中，所述感应部包括检测喉结运动施力矢量信号的传感器单元和发射信号的无线信号发射单元，无线信号发射单元连接传感器单元，圆环式压力传感器是测量计算三维力的传感器位于传感器单元内。所述圆环电容单元组包括两对以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述条状电容单元的左差位δ_左＝右差位δ_右，且其中d₀为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中其中，a_平为平行板的长度，r_圆为圆环电容单元圆环的宽度，a_δ圆相邻两圆环电容单元之间的电极间距。所述X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元，其中，a_平为平行板的长度，a_δ条为相邻两条状电容单元之间的电极间距，a₀条状电容单元的宽度。所述手持部还包括存放语音源数据的数据库和用于练习佩戴者发音的练习单元，数据库和练习单元连接在控制器上。所述手持部和感应部安装相同的通讯协议，手持部有多个均安装了相同的通讯协议即可和感应部无线通信连接。

一种喉头送话器装置的使用方法，所述方法步骤包括：步骤一、感应部贴触于喉结放置，初次使用选择有操作输入功能的手持部；步骤二、佩戴者发音，感应部中的传感器检测受力大小矢量信号发射到控制器；步骤三、控制器接收到感应部的信号，将信号处理成处理计算得到受力矢量和传感器的位移矢量组成佩戴者所发音的语音坐标；步骤四、重复步骤二和三，佩戴者根据语音库发音练习完后，传感器记录下音节及其坐标存入坐标库中方便调用；步骤五、练习完成后，日常使用中，佩戴者发音喉结运动时，感应部测得受力矢量，控制器初步语音目标，调取数据库信息对比得出最终语音信息，同时发出语音信息。

上述方法中，所述手持部有多个，安装和感应部相同的通讯协议后，将数据库拷贝进入，可通用。

本发明有益效果是:本发明根据传统的送话器，对其进行了改进，使用圆环式压力传感器检测喉结运动，并设置了练习功能，练习发音时记录喉结运动施力的矢量形成音节及其坐标(本文中的“发音”并不是佩戴者真正意义上的发出声音，而是指佩戴者试图发音时喉结的运动)，形成数据库，方便语音调用，这样更能准确表达佩戴者真正表达的意思。而且圆环式压力传感器工作状态稳定、温度稳定性好，本身发热极小，对稳定性影响甚微，不会由于发热影响使用的舒适性，通过差动等方法有效解决三维力相互影响，从而使法向与切向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的喉头送话器装置的工作结构框图。

图2是本发明的具体实施方式的同心圆环偏移错位面积分析图。

图3是本发明的具体实施方式的为外同心圆环错位对外径圆分析图。

图4是本发明的具体实施方式的平行板电容的平面设计图。

图5是本发明的具体实施方式的驱动电极的结构图。

图6是本发明的具体实施方式的平板电容板的直角坐标系。

图7是本发明的具体实施方式的两组圆环电容组结构图。

图8是本发明的具体实施方式的差动条状电容单元的初始错位图。

图9是本发明的具体实施方式的差动条状电容单元受力后偏移图。

图10是本发明的具体实施方式的单元电容对的信号差动示意图。

图11是本发明的具体实施方式的平行板电容器剖面结构。

图12a是本发明的具体实施方式的感应部的佩戴示意图。

图12b是本发明的具体实施方式的感应部的粘贴示意图。

图中1为上PCB基板，2为下PCB基板，3为驱动电极铜箔，4为感应电极铜箔，5为弹性介质，6为感应部。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明提供一种感应式喉头送话器装置，其结构工作示意图如图1所示，本发明提供的送话器装置包括手持部和感应部，手持部和感应部均设有无线通信单元，方便二者进行无线通信，手持部和感应部中安装了无线通信协议，感应部安放在喉结处，手持部可以是计算机、手机、平板电脑或其他安装了通信协议的智能设备，所以可以本发明中只要确保感应部安放在喉结处，手持部可以任意选择某种或者在智能设备之间进行转换，均可使用，使用方便，携带便利，完全溶于生活实现一体化。

感应部包括传感器单元、无线信号发射单元，传感器单元中安装了圆环式压力传感器及其外围电路，感应部安放在喉结处，当发音时，喉结的滚动和喉结附近肌肉群的震动会挤压传感器，传感器受力输出电信号，最后输出电信号到无线信号发射单元发射给手持部，手持部众设置了无线信号接收部接收无线信号。为了无线信号传递的便捷，无线信号发射单元中安装了无线通信标准协议，只要手持部安装了相同的通信协议，感应部和任意手持部之间均可进行无线通信。传感器单元的外围电路中设有无线充电电路，手持部给无线充电电路提供能源支持。

本发明中使用的圆环式压力传感器能够在三维力的方向上精确测量受力方向，根据传感器中的电容变化量可以计算出受力大小，和受力方向的矢量方向，本发明正是中利用三维力坐标记录佩戴着发音时喉结运动力从而标记语音，从而每个音词都有唯一的坐标，将音标存放在数据库里，佩戴者需要发音时直接调用数据库中已存储数据，精确度更高。

圆环式压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，所条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在基板圆环电容单元组外的四角。圆环电容单元组包括两组以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述条状电容单元的左差位δ_左＝右差位δ_右，且其中d₀为介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_ymax为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中其中，a_平为平行板的长度，r_圆为圆环电容单元圆环的宽度，a_δ圆相邻两圆环电容电容之间的电极间距。所述电容单元模块采用梳齿状结构，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元，其中，a_平为平行板的长度，a_δ条为相邻两条状电容单元之间的电极间距，a₀条状电容单元的宽度。所述同心圆环电容单元的宽度r_圆和条状电容单元的宽度a₀相等；条状电容单元电极间距a_δ条和圆环电容单元电极间距a_δ圆相等，所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单元连接，所述圆环电容单元组的每个圆环电容单元的感应电极单独引线与控制单元连接，所述X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别各自通过一个引出线引出与控制单元连接。所述圆环电容单元、电容单元模块和控制单元之间分别设有中间变换器，变换器用于设置电压或频率对电容的传输系数。

下面结合附图2-11对本发明的推导和原理，对各部分形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明。

1.1电容公式及其输入输出特性

平行板的初始电容为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·A_0}{d_0}---\left(1\right)$

式中，ε₀真空介质电常数为8.85PF/m，ε_r＝2.5为电介质的相对介电常数，A₀为上下极板初始正对面积。d₀受σ_n的激励产生相对变形ε_n＝δ_n/d₀＝σ_n*E，代入(1)式得到输入输出特性

$C_n={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{A_0}{d_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_n)}={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{A_0}{d_0(1-\frac{F_n}{AE})}---\left(2\right)$

1.2法向应力作用下的线性度和灵敏度

1.2.1法向线性度

(2)式中F_n在分母中，故C_n＝f(F_n)的关系是非线性的。因转换量程中的最大值σ_nmax与介质弹性常数E相比，ε_n是个很小的量，即分母中ε_n<<1，将(2)式按级数展开并略去二次方以上的高阶无穷小，可简化为：

$C_n=C_0(1+\mathrm{\&epsiv;})=C_0(1+\frac{F_n}{A\&CenterDot;E})---\left(3\right)$

可见在C_n与F_n的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。

1.2.2灵敏度

按法向灵敏度的定义

而按(2)式则

$S_{n2}=\frac{{\mathrm{dC}}_n}{{\mathrm{dF}}_n}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\mathrm{\&epsiv;}}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\frac{F_n}{A\&CenterDot;E}}---\left(4\right)$

按(3)式可得线性灵敏度，

S_n1＝C₀/AE＝ε₀ε_r/d₀E    (5)

S_n2随F_n而变，F_n愈大，S_n2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。

1.3切向位移和圆环电容器有效面积之间的关系

针对同心圆环电容对进行分析，如图2所示，R₁为外圆半径，R₂为内圆半径，r＝圆环宽度＝大外圆半径R₁-内圆半径R₂。给驱动电极一个切面上的力F_X，导致上下对应的驱动电极和感应电极产生一个剪切错位，设d_x为切面位移，错位面积为S_内和S_外，电极板的初始正对面积应为π(R₁ ²-R₂ ²)。图3为外同心圆环电容对外径圆分析图，移动前后两圆心距离为d_x，移动前后两圆心和两圆的交点形成一个菱形，可以计算S_外的面积：

上式中，有d_x<<R₁,所以取

由

将的泰勒级数展开，并略去高次项，

同理，可以知道，S_内＝2R₂d_x，所以同心圆环电容的错误面积为S＝2R₁d_x+2R₂d_x。

1.4切向应力τ激励下的圆环电容单元组的电容变化

切向应力τ并不改变极板的几何尺寸参数A₀，对介质厚度d₀也不产生影响。然而τ_x和τ_y改变了平行板电容器的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了错位偏移。极板在τ作用下的错位偏移d_x。当τ为零时，圆环电容单元的上下电极是正对的，上下电极之间有效截面在图3中，在τ_x右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移d_x，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积由此产生的电容为：

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;\left({\mathrm{\&pi;R}}_1^2-{\mathrm{\&pi;R}}_2^2-2R_1{d}_x-2R_2{d}_x\right)}{d_0}---\left(6\right)$

根据剪切胡克定律

τ_x＝γ_x·G＝G·δ_x/d₀     (7)

将(7)代入(6)可得

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;2\left(R_1+R_2\right)d_x}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;2\left(R_1+R_2\right)F_x}{A_{\mathrm{\&tau;}}G}{C}_0-\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;F_x}{G\mathrm{\&pi;}\left(R_1-R_2\right)}---\left(8\right)$

(8)式即为切应力下的输入—输出特性，C_τ与τ_x呈线性关系，其灵敏度

$S_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{\&tau;}}}{{\mathrm{dF}}_x}=\frac{2{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{G\mathrm{\&pi;}\left(R_1-R_2\right)}---\left(9\right)$

由公式(10)可以看出切向灵敏度和R₁-R₂有关，即切向灵敏度和圆环的宽度成反比，宽度越小灵敏度越高。

2平板电容器的设计

2.1平板电容器的设计

参见图4中的电极平面布置和图5驱动电极的结构图，在一个10×10mm²的基板上的一种圆环式接触式平行板三维压力传感器，传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，条状电容单元组用于测量切向力的方向，条状电容单元组设置在基板圆环电容单元组外的四角。这样可以有效的使用平行板的面积，圆环电容单元组铺满整个平行板，在测量三维力时，都起作用，而条状电容单元组有效利用了圆环电容单元组铺设后，平行板四角的空间，用于测量三维力切向力的方向。圆环电容单元组的驱动电极和感应电极都是由n个同心圆环组成，n为偶数，则形成n/2圆环电容单元对。影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面，其几何形状和尺寸也应在机械成型时保持精准。

参照图6的平板电容的直角坐标系，坐标系统原点在圆环电容单元组的同心圆原点，x轴和y轴分别沿平板电容的对角线方向，X方向差动电容单元组包括X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ，X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ分别位于x轴的正负半轴且沿y轴对称，Y方向差动电容单元组包括Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ，Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ分别位于y轴的正负半轴且沿x轴对称，X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ形成对τ_x做出响应的差动电容单元组合，Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ形成对τ_y做出响应的差动电容单元组合。

圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中其中，a_平为平行板的长度，r_圆为圆环电容单元圆环的宽度，a_δ圆相邻两圆环电容电容之间的电极间距。电容单元模块采用梳齿状结构，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元，其中，a_δ条为相邻两条状电容单元之间设有电极间距，a₀条状电容单元的宽度。同心圆环电容单元的宽度r_圆和条状电容单元的宽度a₀相等；条状电容单元电极间距a_δ条和圆环电容电极间距a_δ圆相等，所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。

2.2激励信号和坐标系

将圆环电容单元置于图6所示的直角坐标系中，三维激励施加于电容极板的外表面，产生的接触式作用力具有Fx、Fy和Fz三个方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X轴和Y轴，Fz的作用方向沿OZ轴即方向，法向和切向应力均为一种应力张量，从电极的引线间即可输出电容的响应；法向应力σ_n＝Fn/A，其中为极板法向受力面，Fn＝Fz为法向分量；两侧表面上产生成对的切向应力τ_切＝F_切/A。

根据弹性力学中的虎克定律，σ_n和τ_x，τ_y都将使弹性体产生相应的变形。其中，

${\mathrm{\&sigma;}}_n=E\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_n=E\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_n/d_0=\frac{F_n}{A}$

式中，E为弹性介质的杨氏模量GN/m²，G为弹性介质的抗剪模量GN/m²，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为圆环电容单元上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。

2.3法向力和切向力大小的计算

选取第n个圆环电容单元和第n/2个圆环电容单元，通过建立圆环电容单元对组成方程组进行计算，如图7所示。设电极板受到法向和切向激励作用后，设第n个圆环电容单元的输出电容为C₁，n/2个圆环电容单元输出电容为C₂，切向的位移为d_x，法向的电容极距为d_n，S₁₀为外环初始的正对面积，S₂₀为内环初始的正对面积。

$C_1=\frac{\mathrm{\&epsiv;}\left(S_{10}-S1\right)}{d_n}=\frac{\mathrm{\&epsiv;}\left({\mathrm{\&pi;R}}_1^2-{\mathrm{\&pi;R}}_2^2\right)}{d_n}-\frac{\mathrm{\&epsiv;}\left(2R_1{d}_x+2R_2{d}_x\right)}{d_n}$ ①

$C_2=\frac{\mathrm{\&epsiv;}\left(S_{20}-S2\right)}{d_n}=\frac{\mathrm{\&epsiv;}\left({\mathrm{\&pi;r}}_1^2-{\mathrm{\&pi;r}}_2^2\right)}{d_n}-\frac{\mathrm{\&epsiv;}\left(2r_1{d}_x+2r_2{d}_x\right)}{d_n}$ ②

将得到：

$C_1-C_2*\frac{R_1+R_2}{r_1+r_2}=\frac{\mathrm{\&epsiv;}\mathrm{\&pi;}\left(R_1^2-R_2^2\right)}{d_n}-\frac{R_1+R_2}{r_1+r_2}*\frac{\mathrm{\&epsiv;}\mathrm{\&pi;}\left(r_1^2-r_2^2\right)}{d_n}$

设上式中的 $\frac{R_1+R_2}{r_1+r_2}=K,$ 则 $d_n=\frac{\mathrm{\&epsiv;}\left(S_{10}-{\mathrm{KS}}_{20}\right)}{C_1-{\mathrm{KC}}_2}$

根据 $d_n=d_0-\mathrm{\&Delta;}d=d_0(1-\frac{F_n}{E\&CenterDot;S_0})$

可知： $F_n=\frac{\left(d_n-d_0\right)E\&CenterDot;S_0}{d_0}$

将上述的将①*C₂-②*C₁得到：

$d_x=\frac{C_2{S}_{10}-C_1{S}_{20}}{2C_2\left(R_1+R_2\right)-2C_1\left(r_1+r_2\right)};$

由 $\mathrm{\&gamma;}=\frac{\mathrm{\&tau;}}{G}=\frac{F_{\mathrm{\&tau;}}}{G\&CenterDot;S_0}=\frac{d_x}{d_0}=\frac{C_2{S}_{10}-C_1{S}_{20}}{d_{0}2C_2\left(R_1+R_2\right)-d_{0}2C_1\left(r_1+r_2\right)},$ 所以F_τ为

$F_{\mathrm{\&tau;}}=\frac{\left(C_2{S}_{10}-C_1{S}_{20}\right)\&CenterDot;G\&CenterDot;S_0}{d_{0}2C_2\left(R_1+R_2\right)-d_{0}2C_1\left(r_1+r_2\right)}$

2.4切向力的方向判定

2.4.1条状电容单元组状结构和参数设计

为了实现τ_x和τ_y之间切向响应不相互产生影响，驱动电极长度两端预留差位δ₀，因此b_0驱＝b_0底＋２·δ₀，其中在b_0驱两端长度预留理论上应保证 ${\mathrm{\&delta;}}_0\&GreaterEqual;d_0\&CenterDot;\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{y\max }}{G},$ 其计算值为 ${10}^{-5}\&times;\frac{70\&times;{10}^3}{24\&times;{10}^6}=2.9\&times;{10}^{-8}m={10}^{-2}um<<1um,$ 故在工艺上应保证b_0驱－b_0底≥０.01mm。为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应产生影响，每个条状电容单元的驱动电极与感应电极在平面布置设置一定的错位偏移，对通过差动消除相互之间的影响。

如图5所示，图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准，取感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，设每根条状电容单元宽为a₀，两条状电容单元之间的槽宽为a_δ，则每根条状电容单元的节距为a₀+a_δ。这样在计算法向电容输出响应时已能保证τ_x和τ_y不对法向电容响应产生影响。而置他们与几何基准线差距均为δ₀(0.1mm)，以保证X方向差动电容单元组Ⅰ和X方向差动电容单元组Ⅲ只产生对τ_x的差动电容输出响应，而Y方向差动电容单元组Ⅱ和Y方向差动电容单元组Ⅳ则只产生对τ_y的差动电容响应，设置一个初始错位偏移δ_xo，其取值应保证其计算值与δ₀类似，其初始错位偏移均设置δ_xo＝δ_yo＝0.01mm，以保证四个电容单元在τ_x和τ_y切向激励下能产生两组差动电容对。

图8中，一对电容C_L和C_R电极尺寸a₀、b₀、d₀均相同，初始错位偏移δ₀也相同，区别在于左边电容器C_L上层δ₀尖角的指向为+OX，而右边电容器C_R上层δ₀尖角指向-OX。当τ_x＝0时，即图中阴影部分所对应的电容。在此基础上，如在-Fx激励下产生±δ_x的错位偏移，形成如图9所示电容增减效果，

$C_L=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_0\&PlusMinus;{\mathrm{\&delta;}}_x)}{d_0}---\left(10\right)$

图9中，C_L和C_R差动电容对同一个τ_x将产生±δ_x和±△C_τ的响应， $\&PlusMinus;{\mathrm{\&delta;}}_x=\&PlusMinus;d_0\frac{{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}.$ δ₀的大小应满足 ${\mathrm{\&delta;}}_0\&GreaterEqual;\&PlusMinus;{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{\&tau;}\max }=\frac{{\mathrm{\&tau;}}_{x\max }}{G}\&CenterDot;d_0,$ 可取δ₀＝10μm，由此，式(8)可修改为

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_{\mathrm{\&tau;}0}\&PlusMinus;\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ca}}_0}{F}_x---\left(11\right)$

式中，为切应力为零时的初始电容，(11)式即为切应力输入输出特性，C_τx与F_x是线性关系，而其灵敏度

由式(11)可知a₀愈小，切向应力响应的灵敏度越大，故本发明电容单元采用由多个条状电容组成的条状电容单元组。

2.4.2切向应力方向计算

C_I对C_II和C_III对C_IV可以实现两对差动组合，如图10的单元电容对的信号差动示意图，经差动技术处理，差动输出的总响应

$O_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{2{\mathrm{mK\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{a_{0}G}{F}_x---\left(12\right)$

式中，无论是法向激励F_n或切向激励F_y均不对O_τ产生影响，即自动消除了σ_n和τ_y对τ_x的总输出的耦合或干扰。因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符合的电容变化都自动消除。而F_y和F_x对σ_n的干扰可通过上层电极在b₀方向增加几何长度2δ_０消除。

同理， $O_{\mathrm{\&tau;}y}=\frac{2{\mathrm{mK\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{a_{0}G}{F}_y;$

根据Ｏ_τx和O_τy的值计算出切向力的方向。

2.4主要材料选择及其特性参数

平行板电容器的结构剖面图类似于三明治结构如图11所示。由图11可知，1为上PCB基板，2为下PCB基板，3为驱动电极，4为感应电极。极板距d₀＝0.1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷)超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E＝6.2MPa，而其抗剪弹性模量为G＝4.1MPa，介质极化时相对介电常数ε_γ＝2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量Ｅ_铜＝103GPa，故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。

2.5电极引线设计

无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都是接地的，故驱动电极只需共用同一个引出线。圆环电容单元组和条状电容单元组的驱动电极通过一个引出线与控制单元连接，所述圆环电容单元组的每个圆环单独引线与控制单元连接，控制单元根据每个圆环的输出值自由组合进行计算，之后进行求平均得出切向力的大小和法向力大小，在精度要求不高的情况下，圆环电容单元组可以只选择两个最优圆环引出2根引线，通过这两个圆环求出d_x和d_n，从而得出切向力的大小和法向力大小；X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组分别各自通过一个引出线引出与控制单元连接，用于计算切向力的方向。所述控制单元和电容单元之间设有中间变换器，变换器用于设置电压或频率对电容的传输系数。整个电容组件共有至少7个管脚从平面封装的侧面引出，以便整个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。

本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设计。在10×10mm²的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，对电容求和可得到法向Fn的信息，即整个电极板都对求Fn做出贡献，同时又可获得F_x和F_y的信息，从而完整描述一个三维力，按设计参数可以提高一次转换的法向灵敏度和切向灵敏度和最大线性误差。

由于每个电容单元都设有一个引出线输出数据到控制单元进行数据变换和求解，能够准确计算三维力的矢量大小，同时避免了法向力和切向力之间的相互影响，大大提高了测量精度。使用时传感器贴合在喉结处，佩戴者一旦发音，喉结起伏运动的时候传感器受力，检测计算出每个音节和其相应的三维力的矢量和三维偏移距离矢量组成的三维力矢量坐标，即用三维力矢量坐标标记每个读音从而快速区分每个读音，并将数据保存在控制器的数据库中。

此外，感应部安放在喉结部位处，可以通过弹性箍环或钩卡装置可拆卸地连接在脖颈处的衣物上，由于圆环式压力传感器已经可以制作的非常小，已经可以缩小到10*10mm²的底板上，所以感应部的实际体积可以很小，放置在弹性箍环的内侧，随弹性箍环安置在衣物上贴触于喉结部位，准确简单的监督喉结运动，其安放示意图如图12a所示，图中6表示感应部。同时由于传感器的超薄性能，极板选用柔性材料可以制成电子皮肤状，感应部可以嵌合在粘贴层内，直接贴和在喉结处。现有技术中纹身贴已经能够粘贴在皮肤上一周之久且具有防水功能，所以粘贴层的制作技术是已经具有一定基础的，在粘贴层旁侧留一个缝隙方便取卸即可。可以进一步改进为，感应部直接粘贴在纹身贴内，由纹身贴附着在喉结出，由于传感器采用了柔性材料，所以轻微的变形时不影响传感器工作的，其示意图如图12b所示。

手持部中包括控制器、数据库、练习单元、语音单元和无线信号接收单元，数据库、练习单元、播放语音的语音单元和无线信号接收单元均连接到控制器，通过无线信号接收单元接收感应部的喉结震动信息，经过控制器分析后由语音单元发出声音。

为了保证发音的准确性，本发明设置了数据库进行语音确认和存放播报音源，数据库包括语音库、确认库和外音库。语音库是发音来源库，里面存储了大量的语音基础信息和文字信息，语音单元的发音来源于语音库。确认库中存放的是佩戴者在训练学习过程中已经确认的语音和喉结发音信息，即通过练习已经确认的每个音的三维力矢量坐标及其相应的语音。外音库中存储外界噪音如风声、雨声或衣领摩擦声等障碍性声音及与其匹配的三维力矢量坐标，检测此类声音时，控制器能够直接分辨出此类障碍性声音，语音单元也不会发声，减少了错误发声的现象。而且，后期的使用中，佩戴者还可以一直更新更改语音库，结合练习单元的输入设置，完善语音坐标信息，达到越用越方便的效果。

控制器中的练习单元是为了方便佩戴者更加精确的使用送话器，练习单元实际上也是一个变相的人机交互单元，练习单元的主要是为了佩戴者初始使用送话器，专注练习从而省略了后期大量的磨合期。练习单元结合手持部上的按键，当进入语音练习时，佩戴者对照字体发出音标，每发出一个音，控制器会记录下此音标的三维力矢量坐标，练习着还可以根据音量大小不同，多次发出同一个音，从而控制器记录下同一个音的坐标系列，提高发音的准确度，已经确定的音标和坐标存放在确认库中，数据存放清晰由利用控制器调用。语音练习期间还要注意把障碍性声音及其坐标录制下来存放在外音库中，其他暂时没有使用的语音仍然放置在语音库中，语音库是完整的语音发声数据库组成的。数据库建立成功后，可以通过工具拷贝出来放在其他智能手持设备中。特别指出，练习单元结合有输入按键的手持设备使用练习起来更加方便，练习完成后，将数据库拷贝出到其他简捷的智能设备如智能手表中即可，使用方便。

一种喉头送话器装置的使用方法，方法步骤包括：

步骤一、感应部贴触于喉结放置，初次使用选择有操作输入功能的手持部。带有输入功能的手持部方便初次使用者进行练习，结合输入键，有确认、取消、重复等功能。

步骤二、佩戴者发音，感应部中的传感器检测受力大小矢量信号发射到控制器。佩戴者对照数据库中的字体发出音标，每发出一个音，圆环式压力传感器会记录下此音标的三维力，控制器接收到数据计算出音标矢量坐标，练习者还可以根据音量大小不同，多次发出同一个音，从而控制器记录下同一个音的坐标系列，提高发音的准确度，已经确定的音标和坐标存放在确认库中，数据存放清晰有利于控制器调用。

步骤三、控制器接收到感应部的信号，将信号处理计算得到受力矢量和传感器的位移矢量组成佩戴者所发音的语音坐标。佩戴者练习发音的过程中，控制器根据采集的语音信号及其相关的受力矢量形成语音坐标系，建立一个语音数据库。

步骤四、重复步骤二和三，佩戴者根据语音库发音练习完后，传感器记录下音节及其坐标存入坐标库中方便调用。数据库建立成功后，可以通过工具拷贝出来放在其他智能手持设备中，这样可以有多个手持部，手持部的使用可以根据佩戴者的需要随意调节。

步骤五、练习完成后，日常使用中，佩戴者发音喉结运动时，感应部测得受力矢量，控制器初步语音目标，调取数据库信息对比得出最终语音信息，同时发出语音信息，完成发音工作。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种感应式喉头送话器装置，其特征在于,所述装置包括：

感应部，感应部贴触于喉结设置，内设有圆环式压力传感器记录喉结运动施加给传感器的力并发送受力信号出去，测量三维力的圆环式压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述圆环电容单元组用于测切向力和法向力的大小，所述条状电容单元组用于测量切向力的方向，所述条状电容单元组设置在圆环电容单元组外基板的四角；

手持部，无线连接感应部，手持部中设有控制器和语音单元，语音单元连接控制器根据感应部的检测信号发出声音，为感应部提供无线充电。

2.根据权利要求1所述的感应式喉头送话器装置，其特征在于,所述感应部包括检测喉结运动施力矢量信号的传感器单元和发射信号的无线信号发射单元，无线信号发射单元连接传感器单元，圆环式压力传感器是测量计算三维力的传感器位于传感器单元内。

3.根据权利要求1所述的感应式喉头送话器装置，其特征在于,所述圆环电容单元组包括两对以上圆环电容单元对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块是由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。

4.根据权利要求3所述的感应式喉头送话器装置，其特征在于,所述每个圆环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述条状电容单元的左差位δ_左＝右差位δ_右，且其中d₀为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。

5.根据权利要求3所述的感应式喉头送话器装置，其特征在于,所述圆环电容单元组包括n个同心圆环电容单元，其中其中，a_平为平行板的长度，r_圆为圆环电容单元圆环的宽度，a_δ圆相邻两圆环电容单元之间的电极间距。

6.根据权利要求1所述的感应式喉头送话器装置，其特征在于，所述X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包括m个条状电容单元，其中，a_平为平行板的长度，a_δ条为相邻两条状电容单元之间的电极间距，a₀条状电容单元的宽度。

7.根据权利要求1所述的感应式喉头送话器装置，其特征在于,所述手持部还包括存放语音源数据的数据库和用于练习佩戴者发音的练习单元，数据库和练习单元连接在控制器上。

8.根据权利要求1所述的感应式喉头送话器装置，其特征在于,所述手持部和感应部安装相同的通讯协议，手持部有多个均安装了相同的通讯协议即可和感应部无线通信连接。

9.一种感应式喉头送话器装置的使用方法，其特征在于,所述方法步骤包括：

步骤一、感应部贴触于喉结放置，初次使用选择有操作输入功能的手持部；

步骤二、佩戴者发音，感应部中的传感器检测受力大小矢量信号发射到控制器；

步骤三、控制器接收到感应部的信号，将信号处理成处理计算得到受力矢量和传感器的位移矢量组成佩戴者所发音的语音坐标；

步骤四、重复步骤二和三，佩戴者根据语音库发音练习完后，传感器记录下音节及其坐标存入坐标库中方便调用；

步骤五、练习完成后，日常使用中，佩戴者发音喉结运动时，感应部测得受力矢量，控制器初步语音目标，调取数据库信息对比得出最终语音信息，同时发出语音信息。

10.根据权利要求9所述的感应式喉头送话器装置的使用方法，其特征在于,所述手持部有多个，安装和感应部相同的通讯协议后，将数据库拷贝进入，均与感应部连接传递信号。