CN1328642A - 使用压电传感器测量力的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本系统和方法涉及能基本上同时检测和产生力的传感器/致动器设备,本压电设备能工作在多个维度上。在某些实施例中,这些设备结合进系统来监视一个装置如铁笔的运动,或者用于监视作用在一个装置如飞机上的力,所检测到的力可以用于重建该设备的运动,可以用于识别笔迹或用于其它的目的。该系统也可以用作致动器,比如控制一个装置或使一个表面变形。

Description

使用压电传感器测量力的系统和方法

发明领域

本发明涉及用于测量或导致力、加速度、角或其变化的传感器和致动器，用于驱动这些传感器和致动器的设备及其操作方法。

发明背景

监视和可视化有关系统的动态信息的设备检测引起系统相对于一个参考帧的三个轴的运动的力。这些力可用于重新生成系统的运动，并随后提供一个运动的图像，作为一个虚拟三维显示空间的投影，作为一个投影或与二维平面的交叉，或作为沿一个单轴的振荡显示，这种重建在任何环境下都是可能的，而不管系统是在三维空间、平面上或沿一个单一直线移动。

图像被可视化可重建的精度取决于所检测的力描述该系统在其环境中运动的完整性。例如，沿着多于一个轴施加给一个笔点的力可能代表该笔点沿一个书写表面移动，或可能代表该笔点正被以一个角度压在一个静止的点上。其它的信息对于区分这些环境间的区别的是必须的，以便获取一个精确的图像。类似地，一个高尔夫球棒头部的运动也可以精确地进行可视化，如果施加给它的力都是已知的，包括由棒的惯性和空气阻力引起的在棒轴上的张力和扭力。成像关于一个系统的动态信息的能力因此受到了有关运动变化和系统部件取向性的可用信息的限制。

一般地，用于成像系统的运动信息的设备使用外部参考点来测量在各个时刻的位置和取向。例如，测量人造卫星的位置的仪器测量相对于地球水平线和相对于远星的取向。作为另一个例子，笔式计算机使用一个写字板来测量笔点在一个书写平面上的位置及取向变化。但是，为了测量作用在一个对象上改变其位置及取向的力，可以把一个合适的传感器系统结合到一个设备中。

象很多的物理现象一样，如果不干扰正在被测量的现象是不能测量力的，大多数的力传感器都有一个弹性传感元件，其变形就是对所作用力的测量。在很多的力测量系统中，如应变仪，感性或容性系统，必须测量变形的本身。该检测元件必须是适应性的，足以提供大的变形和有用的灵敏度。但是，大的变形也是不需要的，因为它限制的系统的频率响应，而且也把几何变化引入力测量路径，这就会不可避免地导致测量误差。

压电材料，可以把力转换成电，可以用于检测力。在压电式力传感器，该检测元件与该传感元件一样，可以从作用力产生一个电输出信号。因此，不必测量其变形，而这种变形要比其它的测量系统的变形小。这种压电式力传感器的刚度大大地减少了由测量所引起的变形，并提供了一个固有的高品质频率和相关的上升时间，这就可以测量极快的活动，否则是很难精确地测量。

压电式加速度计要求增加内部质量到压电式力传感器。当该质量被加速时，它就在压电材料上产生一个力，由于连续的惯性质量，按照牛顿第一定律作用在测量元件上的力与该加速度成正比，因此由该压电材料产生的变化正比于该加速度。

压电式部件也可以把电转换成力，因此也可以用作致动器。最简单的一种形式，把一个压电式致动器紧靠在一个不可移动的支座上，并推压一个可移动的元件。当在该压电元件两端施加电压时，它就扩张，推动该可移动的元件。长度取向上的变化相当小，即便把不同的压电元件堆叠在一起，其整个高度近20mm时也是这样，这种按排可以用于在调整操作中的精确驱动。

但是已有的压电传感器不能测量沿三个轴的力或加速度，因此所需要的是能以一种灵敏、易控方式测量或传输沿多个轴的力的设备，还需要一种能灵敏测量沿多个轴的加速度的设备，还需要一种用于灵敏、易控反馈机制的、组合有传感器和致动器能力的设备。

发明概述

在此所描述的系统和方法是关于传感器和致动器设备。在一个实施例中，用于检测力的传感器包括至少两个电气地连接到相应的堆电极的压电堆，以便施加给该传感器的力在每个堆电极与公共地间的电势上产生变化，该变化代表了作用在相应堆上的力的分量。每个堆可以包含多个电气地连接到相应堆电极的压电层。具有三个堆的传感器可以解析三个维度上的力，每一个堆又进一步包括多个电气地连接到公共地的压电层。在一个实施例中，该堆被导电导线环绕，在另一个实施例中，该堆被连接到至少一个惯性质量。

在另一个实施例中，一个用于测量力的传感器具有第一多个堆叠的压电层，每一个层被分成多个区域，每一个区域与处于同一层的其它区域是电气上绝缘的，并通过一个堆电极电极地连接到其它层的相同区域上，因此，施加给该传感器的力在每个堆电极与公共地之间的电势上产生变化，该变化代表了作用在相应区域上的力分量，这样的传感器也可以包括电气地连接到公共地并与第一多个堆叠压电层混合的第二多个堆叠压电层。此第二多个堆叠压电层的各层也可以被分成多个区域，第一多个层与第二多个层可以顺序地交替排列，当第一多个堆叠压电层的区域数量为3时，该传感器能解析三个维度上的力。如上所述，这些层可以被导电导线环绕。在一个实施例中，这些层被连接到至少一个惯性质量，在一个实施例中，在公共地与堆电极间施加电势会导致电气地连接到其上的区域的变形。

这里所揭示的系统和方法也提供了一种检测力的系统，包括一个壳体，两个安装在该壳体内传感器，每个传感器包括多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一个区域与同一层的其它区域是相互绝缘的并通过一个堆电极与其它层的相同区域电气地连接，以及布置在两个传感器间且连接到每一个传感器的分隔器，其中施加给该传感器的力挤压一个传感器而拉伸另一个传感器。这些传感器对齐以便在两个传感器间的堆是平行的。这些传感器也可以对齐以便在两个传感器间的区域是对齐的。

在另一个方面，这里所描述的系统涉及一种检测力和加速度的系统，包括上面描述的传感器和一个电气地连接到该传感器的发送器，用于发送由该传感器产生的信号，以便施加给该传感器的力在每个堆电极与公共地间产生电势上的变化，该变化代表了作用在相应区域上的力的分量。该系统还包括，一个接收器，用于接收来自发送器的信号；一个处理器，连接到该接收器以处理该信号。该信号可以代表传感器沿三个轴的运动。在一个实施例中，一个惯性质量被连接到该传感器，由传感器产生的信号可以代表传感器在引力场方面的取向，该系统还可以包含一个温度传感器。

在另一个方面，在此所揭示的系统和方法涉及用于成像书写信息的系统，包括铁笔尖端，如上所述的连接到铁笔尖端的第一传感器，连接到第一传感器的机壳，以及电气地连接到第一传感器的的第一发送器，用于发送由该传感器发送的信号。该系统还包括一个连接到上面所述的惯性质量的第二传感器。在一个实施例中，第二传感器连接到第二发送器，以发送由第二传感器产生的信号。可替换地，两个传感器都可以连接到同一发送器。在一个实施例中，该系统包括一个接收器，用于接收来自第一和第二发送器的信号，以及一个处理器，电气地连接到该接收器以处理该信号。该处理器也可以对比由第一和第二传感器产生的信号和所存储的信号。在一个实施例中，该处理器可以识别手迹。在另一个实施例中，该系统可包括一个接收器，用于接收来自第一与第二发送器的信号，以及一个电气地连接到该接收器的存储媒介，用于保留所接收的信号。

在另一方面，该系统和方法提供一种系统，用于动态监视一个装置，包括上面所描述的多个传感器和连接到该传感器、用于处理它们的信号的处理器，其中由传感器产生的信号代表作用在该装置上的力。在一个实施例中，该处理器能将一个电势加到该传感器而使该传感器变形，用户可以控制该处理器，该装置可以是飞机或航天器。

在另一方面，这里所揭示的系统和方法涉及一种制造用于检测力的传感器的方法，该方法通过以下来完成：提供至少两个堆，每个堆具有多个压电层，电气地将在每个堆中的第一数量所述的压电层连接到相应的堆电极，并且电气地将第二数量所述的压电层连接到公共地。如前所述的，该传感器可包含三个堆，每个堆具有多个压电层。该方法也可以包括环绕这些堆围绕导电导线。在一个实施例中，该方法包括将这些椎连接到至少一个惯性质量。第一数量的层可以与第二数量的层顺序交替。该方法还包括将堆电极和公共地连接到一检测器以便测量在堆电极与公共地间的电势。

在另一个实施例中，该系统和方法涉及一种用于制造检测力的系统的方法，该方法通过以下来完成：提供一个机壳，将两个传感器放置在该机壳内，每个传感器包括多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层内的其它区域电气上绝缘，同时与其它层的相同区域通过一个堆电极电气上连接，将一个可移动的分隔器放置在两个传感器之间，并将该分隔器连接到每个传感器。对齐两个传感器，以便压电层堆沿着两个传感器对齐。这些传感器也可以对齐成这些区域在两个传感器间对齐。

在另一个实施例中，这些系统和方法揭示一种用于制造检测力的传感器的方法，通过以下来完成：提供第一多个堆叠的压电层，每一层被分成一定数量的区域，每一个区域与同一层的其它区域是相互绝缘的并通过一个堆电极与其它层的相同区域电气地连接，该方法包括提供与第一多个堆叠压电层混合的第二多个堆叠的压电层，每一层电气地连接到一个公共地。此第二多个堆叠的压电层的各层可以类似地分成一定数量的区域，此第一与第二多个层可以顺序交替。在一个实施例中，在第一多个堆叠压电层中的区域数量是3，该方法还包括围绕这些层围绕导电的导线。在一个实施例中，该方法包括将这些层连接到至少一个惯性质量，该方法也包括将堆电极与公共地连接到一个检测器以测量该堆电极与公共地之间的电势。

在另一实施例中，在此所揭示的系统和方法涉及一种用于检测力和加速度的方法，通过以下来实现：提供一个上面描述的传感器，并电气地连接一个发送器到该传感器以便发送该信号，以便施加给该传感器的力在每个堆电极与公共地之间产生一个电势变化，这种变化代表了作用在相应区域上的力的分量。该方法还包括放置该传感器在一个表面上。在一个实施例中，该方法包括提供一个接收器以接收来自该发送器的信号，将一个处理器连接到该接收器以处理该信号。该方法还包括连接一个惯性质量到该传感器。在这样一个实施例中，该信号可代表该传感器在引力场方面的取向。

在另一个方面，本发明提供了一种成像书写信息的方法，通过以下来实现：提供一个机壳，把上面提到的第一传感器放置在机壳内，将一个铁笔尖端连接到该第一传感器，以及电气地连接一个第一发送器到该第一传感器以发送由该第一传感器产生的信号，由此，由该传感器产生的信号可用于成像书写信息。该方法还包括连接一个第二传感器到机壳。该第二传感器可以电气地连接到该第一发送器或一个第二发送器。一个惯性质量可以连接到该第二传感器。在一个实施例中，该方法包括提供一个接收器以接收来自第一与第二发送器的信号，并将一个处理器电气地连接到该接收器以处理该信号，该方法包括检测代表铁笔尖端移动的力，以及利用第一和第二传感器产生代表该移动的信号，如铁笔尖端的击打。在另一个实施例中，该方法包括提供一个接收器以接收来自该第一和第二发送器的信号，提供一个电气地连接到该接收器的存储媒介以保留所接收的信号。该方法还包括对比由第一和第二传感器产生的信号与所存储的信号。在一个实施例中，该方法包括识别代表个人的手迹的信号。

在另一个实施例中，本发明提供一种动态监视装置的方法，通过如下来实现：提供多个上面所述的传感器，将一个处理器连接到该传感器以处理从中产生的信号，以及将该传感器连接到该装置，以便由这些传感器产生的信号代表作用在该装置上的力。该处理器也可以通过发送接收器施加给这些传感器。在一个实施例中，该处理器能将一个电势连接到一个传感器以便使该传感器变形。该处理器能由用户控制，该设备可以是飞机或航天器。

所述实施例的简要描述

图1描述了三维多用途传感器和致动器；

图2描述具有谐振导致电子或电气电路的设备；

图3描述了一个三轴力传感器；

图4描述了一个三轴加速度计；

图5描述了一个三角传感器；

图6描述了一个致动器；

图7描述了一个安装进无线笔的设备系统；

图8描述了一个安装一架飞机的设备系统；

图9描述了作为本发明的一部份的方法流程。

所示实施例的描述

下面描述本发明的几种实施例，但应明白，本技术领域内的人可对在此所描述的系统和方法做出各种变化和修改，而且这种变化和改善仍然处于本发明的范围内，因此本发明并不限于下面描述的任何实施例。

在此所描述的系统和方法是关于能运行在多种维度上的传感器和致动器，尤其是在此所描述的设备是能够在多轴上检测或产生力的压电式设备，该设备可以单独使用也可以结合到系统中用于监视或控制一个装置。

在图1A中所描述的设备10包括压电层30的三个堆20，每个堆具有与该堆的层30电气连接的单独的堆电极50。施加给该设备的力向量可以被不同地传送到堆20，越是靠近力的边缘的堆所接收的力就越大，这就使得可以通过测量公共地40与堆电极50间的电势差异沿三个维度重建该力向量。公共地40可以电气地连接到堆20的层30。在某些实施例中，公共地40可以是电气地连接到并没有连接到堆电极50的层30。例如，公共地40和堆电极50可以连接到交替排列的层30。

设备10可以是环形、四边形、正方形、三角形、X或Y形以及任何其它的形状。堆20可以以任何几何关系进行布置，可以是正方形、矩形、三角形、环形或任何其它的规则或不规则的形状。堆20可以彼此接触，也可以彼此分开。在一个实施例中，这些堆可以是彼此电气绝缘。用于在三个维度上检测力的设备10可具有至少三个堆20，而在二个维度上检测力的设备10可具有至少两个堆20。

在堆20中可以提供任意数量的压电层30，例如一个或多个层，这些堆20中层30的数量可以相等，也可以不相等。层30可以彼此接触，也可以彼此用一种材料分开，如导电材料和/或电气绝缘层。这些层可以由任何材料组成，该材料在受到力的作用时能产生信号，在一个实施例中，这些堆是彼此平行的。

堆20中的压电层30可电气地连接(顺序地)到一个堆电极50，该堆电极可以由导电材料构成。该设备也可以包括一个公共地40，用于测量堆电极50的电势的参考。公共地40可以由任何导电材料组成，如与堆电极50中相同、近似或完全不同的材料。

在一个实施例中，如图1B所示，该设备10可包括交替层。一种类型的层可以分成三部份，这些部份形成堆20并电气地连接到堆电极50。交替层35可以不分开或分开，并电气地连接到公共地40，设备10的层以任何方式排序，只要不物理地影响设备10的操作。

仅管图1中所描述的设备10并不需要外部的电源来运行，但通过提供一个外部电源可以很容易地增加设备10的灵敏度和效率。图2描述了由导电材料线圈200环绕的设备10。通过线圈200的电流(如交流电)可以使设备10的压电层振动。当线圈200中的交流反馈达到接近设备10的机械构造的本征频率时，设备10就会产生共振，当反馈频率达到本征频率的一半时，堆电极50与公共地40间的电势输出就达到最大值。本发明的这种共振实施例的输出幅度可以达到非共振实施例的幅度的20-100倍。

设备可以很容易地由本技术领域内的人组装。在一个实施例中，提供了具有多个压电层的至少两个堆。每个堆的多个层可以电气地连接到一个堆电极。这些堆可以彼此并行地放置在一个表面上，以便作用在该表面的力可以在这些堆上产生一个电势，该电势在越靠近力的边缘的堆上越大。在一个实施例中，可以提供三个堆。每个堆可电气地与其它的堆绝缘。在一个实施例中，每个堆中层的一部份电气地连接到一个堆电极，而其它层可以电气地连接到一个公共地。例如，连接到公共地的层与连接到电极的层是交替的。

在另一个实施例中，一个设备可通过提供一个多压电层堆来组装，这些层可以被分成与其它的区域电气上绝缘的区域。在某一实施例中，每个层可分成同等数量的区域，这些区域沿着堆的长度取向上共同对齐。在某一实施例中，每个层可以分成三个或多个区域，然后这些区域电气地连接到堆电极。在某些实施例中，包括在该堆中的某些层可以电气地连接到一个公共地，而不是连接到堆电极。例如，连接到堆电极的层可以与连接到公共地的层交替。连接到公共地的层可以分开，类似于连接到堆电极的层，也可以不分开。

前面提到的设备可以进一步连接到一个发送接收器，或连接到一个发送接收器的控制单元，以便将由该设备产生的信号发送给一个处理器进行处理，或从该处理器接收命令。

在设备层中所用的压电材料可包括，如铅锆钛酸盐(PZT系统)，铅钛酸盐、铅锆酸盐、铅镁铌酸盐(PMN系统)、铅镍铌酸盐(PNN系统)、铅镁钨酸盐，铅锰铌酸盐、铅锑锡酸盐、铅锌铌酸盐、铅镍钽酸盐及前述材料的混合物。

而且，压电材料可以包含附加物，如氧化物或其它的组合物，如镧、钡、铌、锌、铈、钙、铬、钴、锑、铁、钇、钽、钨、镍、锰、锂、锶、镁、镉和铋。例如，PLZT材料可以通过将镧氧化物填加到PZT系统而得到。示例性的复合物材料包括主钛酸盐和PMN，PBZT材料(通过把钡填加到PZT材料而得到)，以及由三种基于PZT系统(例如包含铅镁铌酸盐、铅锆酸盐和铅钛酸盐；铅镍铌酸盐、铅钛酸盐和铅锆酸盐；铅镍铌酸盐、铅镁铌酸盐和铅钛酸盐；铅铌钽酸盐、铅镁铌酸盐、铅锆酸盐和铅钛酸盐；或铅镁钽酸盐、铅镁铌酸盐、铅锆酸盐和铅钛酸盐.)成的材料。而且压电材料可以与有机聚合体混合，在美国专利5,702,629中有所揭示。

在本技术领域中有很多众所周知的制作压电材料的方法。这些方法包括常规的混合氧化物、氧化物烧结技术(如由Bailey等人所论述的美国专利5,527,480)熔盐合成(如Arendt等人所论述的美国专利4152281)以及熔胶一凝胶过程(如Woolhead等人所论述的美国专利3725298)。在此所揭示的设备中所用的压电材料可以由本技术领域中所知的这些或其它的方法制得。

在操作过程中压电材料可能会产生热，而这种温度的波动可能会影响到信号幅度与力幅度间的关系。在某些实施例中，可以结合一个温度传感器来校正随着温度的变化设备所产生的信号，而且由热膨胀产生的信号非常类似于由力的作用导致的膨胀所产生的信号，这种类型的错误可以通过机械方式校正，例如通过将两个设备布置成由热膨胀所产生的错误信号抵消。例如，如图1E的横截面所示，一对管状设备110和116可以放置在机壳114内，而这两个设备都连接到将这两个设备分开的可移动平板116上，平板116可以连接到机壳114壁上，例如可以作为一个灵活的隔板来工作，或者沿着机壳壁滑动，或者作为一个活塞工作。当一个力作用在通过设备110的棒118时，平板116压设备111，产生一个信号并使设备110膨胀，产生一个幅度相反的信号。设备110和111的由温度引起的衰减可以是幅度相同，通过将设备110和111的信号组合，就可以有效地抵消由温度引起的误差，使得可以对作用在棒118上的力进行精确的测量。

这些设备可以用于：通过检测一个设备的电势而检测力，或者通过提供一个电信号给一个设备而产生力。

放置在一个表面上的设备10可以检测作用上该表面上的三维的力。对比在公共地40与堆电极30间的电势可以检测在该表面上的力的位置，因为靠近力的作用点的堆电势要大于远离该力的堆电势。力的幅度可以由该力产生的电势的幅度来测定。这些测量可以使用标准电路(可参见“Microelectronic Circuits”Sedra和Smith，1991，第13版)或本技术领域所知的其它方式来执行。

设备10可以用作一个三轴力传感器。图3描述了一个附着到一个棒300的设备10。在本实施例中，设备10的形状类似一根管，棒300通过该设备。当该设备保持在一个固定位置时，施加给棒300的力可以使设备10变形，从而引起堆电极50与公共地40间电势的变化。堆电极50的电势的变化正比于施加给棒300的力，并且相对于一个参考框架(frame)可以用于重建三维上的力。仅管通过设备10的棒具有环形横截面，但在其它实施例中，也可以使用具有矩形、三角形、正方形或任何其它形状的物体。

通过将设备10连接到如图4所示的惯性质量400，设备10也可以用于测量加速度。图5描述了附着有惯性质量400的设备10的另一个实施例。惯性质量400可以具有任何形状、由任意材料形成并且可以是通过任意手段直接或间接地连接到设备10，这些手段使得惯性质量400在设备10的堆200上施加一个力。在一个实施例中，惯性质量400可以连接到该设备10，也可以不用任何其它的构造来支撑或与其连接。由通过移动惯性质量400而施加给设备10的力导致的设备10的变形可以在堆电极50与公共地40间引起电势的变化。堆电极50的这种电势上的变化与施加给堆20的力成正比，并且可以用于相对于一个参考框架而重建三维上的力。

连接到惯性质量400的设备10也可以用于测量设备10相对于引力场的校准(alignment)。如上面所讨论的，引力场可以看作为一个加速度，它能吸引惯性质量400，惯性质量400就会依次在设备10上产生一个力，就会在堆电极50与公共地之间产生电势的变化，堆电极50的这种电势上的变化与施加给堆20的力成正比，就可以用于测定设备10相对于引力场的校准。

利用附着到惯性质量400的设备产生的信号可以重建三个角，利用引力场对设备的惯性质量400的作用，可以用绝对方式测量其中的俯仰角和摆动角(roll)，第三个角，即侧滑角可以作为相对于该角的先前值的递增或递减进行测量。在缺少强引力场的情况下，例如在太空中，可以用相对的方式通过测量加速度来确定这些角。

如图6所描述的，附着到一致(conformable)表面600上的设备10可以用作一个致动器，以在表面600上施加一个力，因为压电材料是用体积上的变化来响应电势，施加给设备10的电压会导致设备10的变形。例如在堆电极50与公共地40间的电势上的变化可以导致设备10的变形，这种变形会传输到表面，由此改变表面的位置。因为设备10可以在三个轴上运行，因此表面的位置也可以在三个轴改变。对一致表面600的几何形状的期望变化(比例于由堆电极50与公共地40间电势上的变化引起的设备10的变形)的计算与执行是通过一个处理器来执行的，该处理器可以直接或间接地利用一个有线或无线链接与该设备进行通信。

在此所揭示的系统和方法所提供的设备可以基本上同时用作传感器和致动器，这种双项功能可以通过例如在模式间快速改变来实现，例如，改变设备10的电势的检测与施加，或者通过包含指定给检测的堆和指定给致动的堆。例如在图1D中所示的设备可以通过以交替的关系指定三个堆用于检测和三个堆用于致动而同时用为传感器和致动器，利用这样的设备可以同时在三个维度上施加或检测力，而且，这三个致动堆可以由优化地以致动模式工作的材料制成，而三个传感堆可以由优化地以传感模式工作的不同的材料来制成，这样就加强了对由单一材料制成的、必须工作在两个模式下设备的性能。用于集成传感器和致动器功能的其它装置对于本技术领域内的人来说是显而易见的，并包含在本发明的范围内。

本发明的描述仅是示例性的，对于象两轴或三轴致动器应用的修改可以由本技术领域内的人做出，而不会偏离本发明的精神和范围。应明白，本发明的一些实施例仅是本发明应用和原理的说明，本领域内的人可以做出各种其它变化而不会偏离本发明的精神范围。

在此所揭示的系统和方法提供了包含多个设备的系统，用于对系统动态的精确测量，不管是复杂的还是简单的。在一个实施例中，当该设备系统与一个机体或表面接触时，该设备系统允许对沿三个参考轴(x，y，z)和相对于这三个轴的三个角(俯仰角、摆动角、侧滑角)内的力的同步实时测量。当该接触中断时，该设备就会测量沿三个参考轴(x，y，z)和相对于这些轴的三个角的加速度。

这些系统和方法通过将这些设备连接和校准到一个机体而允许重建该机体的运动。在某些实施例中，该系统可包括一个或多个设备，以测量作用在一个物体上的力和加速度，该设备系统可包括一个控制单元以便接收、处理或传送数据，或者以一个致动模式来控制这些设备。

利用六个参数值(三个力或加速度以及三个角)重建机体运动的算法对于本技术领域内的人来说是已知的。当知道了机体的这些值时，本发明的方法允许在虚拟的三维空间、二维空间或线性空间中重建该机体的运动。

例如，可以把一个设备系统安装在一个灵巧弹药中以便测量弹药的飞行运动，将该飞行数据传递给一个控制和命令计算机，必要时校正轨迹，并在碰撞时触发爆炸。在另一个实施例中，一个设备系统和一个笔筒可以安装在一个机壳内，如轴式对齐，并协作来测量数据，这些数据可以被一个控制单元传送给一个计算机，用于笔尖端在书写表面上运动的重建，由此产生将在下面详述的书写的图像。

在另一个实施例中，一个包含有多个设备的系统可以附着到一个复杂的多机体系统，例如，至少一个设备附着到该多机体系统的每个部件上。因此，可以针对多机体系统的每个部件测量在三个维度和三个角度上的力和加速度，多个设备可以连接到一个控制单元，它可以传送到和来自一个处理器的数据。

由此提供的数据可以允许在虚拟的三维空间、二维空间或一维空间内重建复杂多机体系统的运动，这是通过将一个设备系统结合进(例如把这些设备连接到部件机体到)该多机体系统及采用本发明的方法来实现的。针对该系统的位置偏离、或者物体在一个平面上、直线上或一个单一轴上的投影偏离的相应算法，作为基于时间快照的位图或者作为系统的静止的可视化，在本技术领域内是众所周知的，这些位图可以被帧化，而这些帧又可以顺序地可视化，使得虚拟的三维空间、二维空间或一维空间中相对于参考帧的源始点可以如通过仿真进行系统运动的可视化，由此使得可以利用一个设备系统产生的数据重建一个物体或系统的运动。这些方法也可以实时或延迟方式用于如手迹和书法的可视化。

在一个示例性的实施例中，在此所描述的系统和方法允许重建铁笔尖的运动以便基于有关笔迹动态的信息识别笔迹。笔迹分析一般地由分析签名或其它的笔迹样本来执行，并将其与另一个签名或笔迹样本进行对比。仅管在此所描述的设备系统可以允许重建书写轨迹，并将其与另一个样本进行对比，该设备系统也可以用于测量有送书写的运动信息。因此，除了签名或书写样本的可视性元素外，如笔速、书写时的压力及书写角度这样的信息也可以进行测量并可以提供书写者辨识的更精确的认证。另外在这些变量中的变化，如书写中的扭曲或旋转，随着它们发生在签名或其它笔迹的不同部份可以被检测和测量。在本发明的该目标的一个实施例中，笔迹可以随着书写而被实时地识别出来。在另一个实施例中，有关书写动态的信息可以存储在一个永久存储媒介中，并可用于脱机延迟识别笔迹。在另一个实施例中，可以通过它们的笔迹动态，尤其是它们的签名以实时或延迟的方式来标识或识别一个人。

作为一个示例性描述，图7描述了一个结合进一个铁笔机壳702的设备系统，该设备系统700包括一个集成的力、加速度和接触传感部份705，该部份包括一个连接到铁笔尖端720的惯性质量715和一个连接到机壳的设备710。该设备系统也可以包括一个倾斜检测部份730，该部份包括连接到机壳702的的设备710和惯性质量715。这两个设备可以把数据传送到一个控制单元735，该控制单元可以按照标准协议对加密的信息进行编码和解码，并通过如有线与无线数据链接与处理器740进行通信。发送接收器745可以用于发送在控制单元735与处理器740间的数据。

力检测部份705可以测量例如在书写过程中或与一个表面进行接触时施加给铁笔尖端720的力，而倾斜检测部份730可以测量引力场中相对于铁笔取向的力。当铁笔尖端不与一个表面接触时，该设备系统可以通过检测施加给该铁笔的加速度检测铁笔的运动。通过这些测量得到的数据允许重建铁笔点的运动，无论是当它与一个表面接触时或者在一个表面上。

在设备系统的另一个示例性应用中，一个结构或装置的各个部件，例如一个永久空间站、航天器、轮船、火车或建筑物，可以装备一个设备系统，就可以控制、监视和命令各部件。类似地，这里所揭示的方法和系统可以用于维持或控制任意系统的位置，例如相对于参考帧的源始位置的复杂的多机体或单点。例如一个设备系统可以结合进一个空运设备如航天器、射弹、火箭或导弹，以便测量旋涡的主边缘以及将该设备用作致动器来适应飞行中该设备的一致表面，而不必需要大的控制设备的帮助，导致更高的机动性、更大的推力以及降低的气动阻力。

图8示意性地描述了一个设备系统800结合进一个结构中，如一个航天器中。该设备系统800可以包括多个设备15和发送接收器16，其通过网络总线14连接到一个具有显示屏13的处理器12。如上面所述的，该处理器12可以处理输入数据并响应操作员的输入。该系统也可以包括具有一个发送接收器16和四个控制单元18的腔室30，该腔室对于任何要监视和控制的系统如货运或太空都具有代表性。通过有线或无线发送，该控制单元18可以连接到多个设备22，而每一个又依次连接到该结构的一个单元。例如，一个控制单元18可以连接到作为航天器的羽翼组件的一部份的一致表面单元28。相类似地，其它控制单元18可以连接到其它设备24。控制单元18可以连接到多个单元(如致动器、传感器或仪器)，这些单元可用于航天器几何的动态变化的控制系统。

如上面所述的，控制单元18通过一个数据链接如硬件化缆线链接接收命令或向一个发送接收器16提供数据。可选地，也可以使用红外或射频无线链接。发送接收器16通过分布在航天器上的网络14与处理器12交换数据与指令。

每个控制单元可以从处理器接收有关如何驱动的数据，或者与连接到该控制单元的设备进行接口。该控制单元可使用该信息来搜集信息或传递命令给这些设备。可以使用标准的数据格式和协议来与发送接收器进行交换，该发送接收器可以将数据格式化成合适的协议，以便与控制单元进行交换和用于在网络上传送。相应地，该系统可提供一个货运的、轻质的、小型化、低功率的控制系统，具有与其组件的标准接口、

上面所讨论的、由一个系统所产生的信号可以被处理成重建施加到该系统的力和加速度，以便可视化或进一步分析。该处理一般地包括一个初始化部份，其中由该系统产生的信号被校对和校正；一个测量部份，其中在系统操作过程中测量信号；以及一个分析部份，其中这些信号被处理成重建在测量过程中施加到该系统的力和加速度。在图9中提供了一个在铁笔(见图7)内安装的一个系统上使用的示例性处理方案。本技术领域内的人可以很容易地确定本方案可延伸到具有各种复杂性的其它方案。

对于本技术领域内的人来说很明显，该初始化序列是致力于定义该系统的特性和系统误差，以便进行更精确的测量。如图9所示，一个初始化序列可包含示例性步骤910-920。因此，一个初始化序列可以包括通过快速傅里叶分析确定系统中设备的力常数和响应频率。确定一个设备的力常数和响应频率是一种用于确定一个设备的响应特性的方法；对于本技术领域内的人来说执行该功能的其它手段是很明显的，在此可以作为替代。可以确定力/加速度检测设备的校准机制(matrices)，以及测量角度检测设备的角度校正和放大；其它的校准一个设备的手段对于本技术领域内的人来说是众所周知的，在该过程中可以用作替代。类似地，测量角度检测设备的角度校正与放大可以用作校准一个角度检测设备的方法，类似的结果可以通过本技术领域内所知的其它手段来获得，可以确定该设备相对于一参照系统的偏置，允许建立一个设备与其环境间的关系。在本技术领域内有很多的执行该功能的方法，这些测量可以以任意的顺序进行，包括基本上同时地进行。另外，可以设置过滤参数，由此可以设置由这些设备产生的数据各部份来进行进一步处理。用于执行该功能的各种程序在本技术领域内是已知的，可以用于这些系统和方法中。

序列900的测量部份，包括步骤922和924，涉及响应施加到其上的力、聚集由该系统产生的信号，这些信号通过在初始化序列过程中计算和/设置的参数进行校正和过滤，或者通过采用所选的其它程序来增加测量的准确性，该信号可以在处理前作为原始数据存储起来，或者随着测量的进行连续地进行处理。

可选择序列900的分析步骤把由该系统产生的信号转换成一个可说明格式，如图形显示、数字读出或其它的输出形式。信号的处理包括：将该信号与所存储的信号进行对比，在一个虚拟的三维空间、二维空间或沿一条直线表征一个物体的运动，或者监视作用在该系统上的力。如图9所示，用于分析由装在一个铁笔内的系统产生的信号的过程包括步骤950-960。可以分析该信号以确定是否该铁笔是否与一个表面接触。如果检测到接触，所得的信号可以解释为力，如果没有检测到接触，则所得的信号可以解释为加速度，可以使用标准的数学计算用于力/加速度信号和角信号以便确定由力或加速度引起的速度，以及利用该信息，可以测定在任意时间点的铁笔的位置。一个用于执行该计算的有代表性的方法参见美国专利5548092。一个角度传感器相对于一个引力场可仅检测二维的角度，但是第三维度可以根据附加的数据、作为相对于该角的先前值的增加或减少变化来计算。该结果然后可以显示在如一个计算机显示屏或打印，以便提供该铁笔运动的表征。

上面描述的处理可以由任意的处理器来实施，如计算机系统，通过执行用计算机语言如Fortran，C，Java等写的计算机程序，或者通过任何其它本技术领域所知的方式。这些数据可以通过内部地(如在该笔机壳内)部份或整体地进行处理，或者传送给外部的处理器进行分析。

仅管已参照所示的实施例揭示了本发明，但从上面的描述中，本技术领域内的人可以得出各种等价物、变化或改进，而这些等价物、变化或改进仍然包含在下列权利要求内。

Claims (60)

1、一种用于检测力的传感器，包括

至少两个压电堆，每一个都连接到一个相应的堆电极，其中施加到至少两个堆的力在每个堆电极与公共地之间产生一个电势变化，该电势变化代表了作用在相应堆上的力的分量。

2、如权利要求1的传感器，其中每个堆包括多个电气地连接到相应堆电极的压电层。

3、如权利要求2的传感器，该传感器包括三个堆，由此该传感器可以解析三个维度上的力。

4、如权利要求2的传感器，其中每个堆还包括电气地连接到该公共地的多个压电层。

5、如权利要求1的传感器，其中这些堆被导电线所围绕。

6、如权利要求1的传感器，其中这些堆连接到至少一个惯性质量。

7、一种用于检测力的传感器，包括

第一多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极电气连接到其它层的相同区域；

其中施加给所述的第一多个堆叠层的力在每个堆电极和一个公共地之间产生电势上的变化，这种变化表征了作用在对应区域上的力的分量。

8、如权利要求7的传感器，还包括第二多个堆叠的压电层，这些压电层电气地连接到该公共地并与第一多个堆叠的压电层混合。

9、如权利要求8的传感器，其中第二多个堆叠的压电层被分成了多个区域。

10、如权利要求8的传感器，其中第一多个和第二多个压电层顺序地交替排列。

11、如权利要求7的传感器，其中第一多个堆叠的压电层中区域的数量是3，由此该传感器可以解析在三个维度上的力。

12、如权利要求7的传感器，其中这些层被导电线围绕。

13、如权利要求7的传感器，其中这些层连接到至少一个惯性质量，由此该传感器可以检测在三个维度上的加速度。

14、一种用于检测力的系统，包括

一个机壳，

两个布置在该机壳内的传感器，每个传感器包括多个堆叠的压电层，每一层被分成了多个区域，每一区与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极电气连接到其它层的相同区域，以及

一个分隔器，布置在两个传感器间，并连接到每一个传感器，

其中施加给该分隔器的一个力压缩一个传感器和拉伸另一个传感器。

15、一种用于检测力和加速度的系统，包括

一个传感器，具有

第一多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极连接到其它层的相同区域；以及

第二多个堆叠的压电层，这些压电层电气地连接到该公共地并与第一多个堆叠的压电层混合，以及

一个发送器，电气地连接到该传感器以便发送由其产生的信号，

其中施加到所述的第一多个堆叠的压电层的力在每个堆电极和一个公共地之间产生电势上的变化，这种变化表征了作用在对应区域上的力的分量。

16、如权利要求15的系统，还包括

一个接收器，用于接收来自该发送器的信号，以及

一个处理器，连接到该接收器以处理该信号。

17、如权利要求15的系统，其中该信号表征该传感器沿三个轴的运动。

18、如权利要求15的系统，还包括连接到该传感器的一个惯性质量，由此该传感器可以检测在三个维度上的加速度。

19、如权利要求18的系统，其中信号表征了传感器在引力场中的取向。

20、一种用于成像书写信息的系统，包括

一个铁笔尖端，

一个连接到该铁笔尖端的第一传感器，该第一传感器具有

第一多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极电气连接到其它层的相同区域；以及

第二多个堆叠的压电层，这些压电层电气地连接到一第一公共地并与第一多个堆叠的压电层混合，以及

一个连接到该第一传感器的机壳，以及

一个第一发送器，电气地连接到该第一传感器以便发送由其产生的信号，

其中由该传感器产生的这些信号用于成像书写信息。

21、权利要求20的系统，还包括

连接到该机壳的第二传感器，该第二传感器具有

第三多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极连接到其它层的相同区域；以及

第四多个堆叠的压电层，这些压电层电气地连接到一第二公共地并与第三多个堆叠的压电层混合，以及

一个第二发送器，电气地连接到该第二传感器以便发送由其产生的信号，以及

连接到该第二传感器的一惯性质量。

22、如权利要求21的系统，还包括

一个接收器，用于接收来自第一和第二发送器的信号，以及

一个处理器，电气地连接到该接收器以处理这些信号。

23、如权利要求22的系统，其中该处理器能比较由第一和第二传感器产生的信号和所存储的信号。

24、如权利要求22的系统，其中该处理器能识别笔迹。

25、如权利要求21的系统，还包括

一个接收器，用于接收来自第一和第二发送器的信号，以及

一个存储媒介，电气地连接到该接收器，用于保持所接收的信号。

26、一种用于动态地监视一装置的系统，包括

多个传感器，每个传感器具有

第一多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极电气连接到其它层的相同区域；以及

第二多个堆叠的压电层，这些压电层电气地连接到一公共地并与第一多个堆叠的压电层混合，以及

处理器，连接到该传感器以处理由其产生的信号，

其中由这些传感器产生的信号表征了作用在该装置上的力。

27、如权利要求26的系统，其中该处理器能施加一个电势到一个传感器以使该传感器变形。

28、如权利要求26的系统，其中该处理器能由一个用户进行控制。

29、如权利要求26的系统，其中该装置是一个航天器。

30、如权利要求26的系统，其中该装置是一个太空船。

31、一种用于制造检测力的传感器的方法，包括

设置至少两个堆，每一个堆具有多个压电层，

电气地将每个堆中的一第一数量的压电层连接到一个相应的堆电极，以及

电气地将一第二数量的压电层连接到一个公共地。

32、如权利要求31的方法，其中所述的设置动作包括设置三个堆，每一个具有多个压电层。

33、如权利要求31的方法，还包括

围绕这些堆围绕导电线。

34、如权利要求31的方法，还包括

将这些堆连接到至少一个惯性质量。

35、如权利要求31的方法，其中第一数量的层与第二数量的层顺序地交替排列。

36、如权利要求31的方法，还包括

将这些堆电极和公共地连接到一个检测器以测量在这些堆电极与公共地间的电势。

37、一种用于制造检测力的传感器的方法，包括

设置第一多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极电气连接到其它层的相同区域。

38、如权利要求37的方法，还包括

设置第二多个堆叠的压电层，这些压电层电气地连接到一个公共地并与第一多个堆叠的压电层混合。

39、如权利要求38的方法，其中第二多个堆叠的压电层的各层被分成多个区域。

40、如权利要求38的传感器，其中第一多个和第二多个压电层顺序地交替排列。

41、如权利要求37的传感器，其中第一多个堆叠的压电层中区域的数量是3。

42、如权利要求37的传感器，还包括

围绕这些层围绕导电线。

43、如权利要求37的传感器，还包括

将这些层连接到至少一个惯性质量。

44、如权利要求37的传感器，还包括

将堆电极和公共地连接到一个检测器以测量在堆电极和公共地之间的电势。

45、一种用于检测力和加速度的方法，包括

提供一个传感器，该传感器具有

第一多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极电气连接到其它层的相同区域；以及

第二多个堆叠的压电层，这些压电层电气地连接到一公共地并与第一多个堆叠的压电层混合，以及

电气地将一个发送器连接到该传感器以便发送由其产生的信号，

由此，在一堆电极与公共地间的电势的变化表征了一个力，并由此可沿三个轴检测力。

46、如权利要求45的方法，还包括

将该传感器布置在一个表面上。

47、如权利要求45的方法，还包括

设置一个接收器，以接收来自该发送器的信号，以及

将一个处理器连接到该接收器以处理该信号。

48、如权利要求45的方法，还包括

将一个惯性质量连接到该传感器。

49、一种用于制造检测力的系统的方法，包括

提供一个机壳，

将两个传感器布置在该机壳内，每个传感器包括多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极电气连接到其它层的相同区域；以及

在两个传感器间布置一个可移动的分隔器，以及

将该分隔器连接到每一个传感器。

50、一种用于成像书写信息的方法，包括

设置一个机壳，

将一个第一传感器布置在该机壳内，该第一传感器具有

第一多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极电气连接到其它层的相同区域；以及

第二多个堆叠的压电层，这些压电层电气地连接到一第一公共地并与第一多个堆叠的压电层混合，以及

将一个铁笔尖端连接到该第一传感器，以及

电气地将一第一发送器连接到该第一传感器以便发送由其产生的信号，

其中由该传感器产生的信号用于成像书写信息。

51、如权利要求50的方法，还包括

将第二传感器连接到该机壳，该第二传感器具有

第三多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极电气连接到其它层的相同区域；以及

第四多个堆叠的压电层，这些压电层电气地连接到一第二公共地并与第三多个堆叠的压电层混合，以及

电气地将一个第二发送器连接到第二传感器以便发送由其产生的信号，以及

将一个惯性质量连接到第二传感器。

52、如权利要求51方法，还包括

设置一个接收器以接收来自第一和第二发送器的信号，以及

电气地将一个处理器连接到该接收器以处理这些信号。

53、如权利要求52方法，还包括

检测表征铁笔尖端运动的力，以及

利用第一和第二传感器产生表征该铁笔尖端运动的信号。

54、如权利要求51方法，还包括

设置一个接收器以接收来自第一和第二发送器的信号，以及

设置一个电气地连接到该接收器的存储媒介以便保留所接收的信号。

55、如权利要求54方法，还包括

将由第一和第二传感器产生的信号与所存储的信号进行比较。

56、如权利要求54方法，还包括

将信号标识为表征一个人的笔迹。

57、一种动态地监测一个装置的方法，包括

设置多个传感器，每个传感器具有

第一多个堆叠的压电层，每一层被分成多个区域，每一区域与同一层的其它区域彼此绝缘，但通过一个堆电极电气连接到其它层的相同区域；以及

第二多个堆叠的压电层，这些压电层电气地连接到一公共地并与第一多个堆叠的压电层混合，以及

将一个处理器连接到这些传感器以便处理由其产生的信号，以及

将这些传感器连接到该装置，

由此由这些传感器产生的信号表征了作用在该装置上的力。

58、如权利要求57方法，该处理器可把一个电势加到一个传感器以使该传感器变形。

59、如权利要求57法，其中该处理器可由一个用户进行控制。

60、如权利要求57法，其中该装置是一个航天器。

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