CN200950090Y - 利用电容变化进行矢量压力测量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种利用电容变化进行矢量压力测量的装置。本实用新型是在受力平板下设置可变电容压力传感器，每个可变电容压力传感器连接一个电路单元，通过测量电容以及振荡电路的频率变化来计算受力平板所承受压力的作用点及压力大小的变化；电路单元主要由振荡电路单元、放大整形电路单元、频率计数单元、以及矢量计算单元和输出数据单元组成。本实用新型结构简单，可以快速计算出外力的变化并检测到受力点的位置，能够自行校正，配置相应的文字识别软件或是绘画软件，可以完成手写输入或绘画，适合应用于计算机输入设备、电子白板以及手机、PDA、多媒体交互设备等多种应用领域。

Description

利用电容变化进行矢量压力测量的装置

技术领域

本实用新型是一种通过在平板下设置一组可变电容压力传感器并通过测量出的电容变化以及测量电路电参数的变化进行矢量计算，来测算平板所承受压力的装置，属于电学测量领域。

背景技术

随着消费电子产品的设计制造水平和用户需求的不断提高，在越来越多的场合需要对各种外界变化的物理量做出测量、控制及响应，对于压力的感测就是其中的一种，在很多的技术领域都有各种技术方案的应用，如压力式触控屏、电阻触控屏、红外式触控屏、电容式触摸屏以及电磁式手写屏，应用在计算机输入设备、电子白板以及手机、PDA、医疗设备等领域，能够实时把压力的变化在显示屏幕上显示出来，以反应使用者操作时的用力情况。

美国专利US005541372中提到了一种技术方案，是在承压面板上安置四个应变片，承压面板受外力作用变形就会引起应变片数值的变化，再经过后续的电路信号处理和计算，就可以得到外力作用点的位置。但是在该技术方案中，应变片只能安置在距承压面板顶角有一定距离的四个对称位置上，这样承压面板就不能制成透明板，否则就会看到应变片以及其它元器件，故无法应用在触摸屏等领域。同时，该技术方案又需要在面板四个顶端下方装置四个支撑物，结构复杂，而且承压板的变形也会产生视差，该技术对于微小压力的感测也存在一定的局限，制造与调试应用也不方便。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种根据测量出的电容及振荡频率的变化进行矢量压力计算，根据计算出的矢量压力值测算出平板所受压力的受力点及作用力大小的装置。

本实用新型的技术要点在于：提供一种利用电容变化进行矢量压力测量的装置，该装置包含一个受力平板，在受力平板的角端设置一组可变电容压力传感器，每个可变电容压力传感器连接一个电路单元。可变电容压力传感器设置在所述受力平板的表面。

可变电容压力传感器由受力柱、弹性电极、垫片、电介质、电极、隔离层构成；受力柱直接接触受力平板，弹性电极和电介质之间设置垫片，两个电介质并列镜像对称设置，中间由隔离层隔开，电介质下端面设置电极。

电路单元由振荡电路单元、放大整形单元、频率计数单元、以及矢量计算单元和输出数据单元组成；其具体的连接关系是：振荡电路单元分别连接放大整形单元和频率计数单元，电容信号由振荡电路单元变换成振荡信号，送入放大整形单元，放大整形单元放大和整形振荡信号，再将振荡信号送入频率计数单元，或振荡电路单元将产生的振荡信号，直接送入频率计数单元，由频率计数单元计算出每个可变电容压力传感器对应的振荡频率，频率计数单元连接矢量计算单元，由矢量计算单元对振荡频率信号进行矢量计算，矢量计算单元再连接输出数据单元，由输出数据单元输出矢量差值。

本实用新型的优点和效果是：结构简单，便于感测微力，可以快速检测到平板所受压力的变化并计算出平板受力点的位置，可以自行校正，适合应用于计算机输入设备、电子白板以及手机、PDA、多媒体交互设备等多种应用领域。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本实用新型提出的利用电容变化进行矢量压力测量的装置的电容位置摆放示意图；

图2是本实用新型提出的利用电容变化进行矢量压力测量的装置受力示意图；

图3是本实用新型提出的利用电容变化进行矢量压力测量的装置中的电路单元框图；

图4是本实用新型提出的利用电容变化进行矢量压力测量的装置中的可变电容压力传感器在未受力状态时的示意图；

图5是本实用新型提出的利用电容变化进行矢量压力测量的装置中的可变电容压力传感器在受力状态时的示意图；

图6是本实用新型提出的利用电容变化进行矢量压力测量的装置中的电路单元的电路连接示意图。

附图标记说明：

1为受力平板；2为可变电容压力传感器；21-26为可变电容压力传感器2的构件，其中21为受力柱，22为弹性电极，23为垫片，24为电介质，25为电极，26为隔离层；F为外力。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的实施方式进行说明。

图1是本实用新型所述装置电容位置摆放图，其包括受力平板1和可变电容压力传感器2。受力平板1最好是刚性板，刚性板受外力作用时变形较小，便于测量与计算。可变电容压力传感器2设置在受力平板1的特定位置，本实用新型实施方式是设置在受力平板矩形体的四个角端下表面并相对垂直分布，用以测量受力平板1所承受的压力信息并输出相应的信号。受力平板1的原始状态有三种，分别是垂直状态、水平状态、倾斜状态，三种不同的原始状态对应有三个不同的初始值。而由可变电容压力传感器2获得的电容值的大小，不受受力平板1所处原始状态的影响。

可变电容压力传感器2如图4所示，由受力柱21、弹性电极22、垫片23、电介质24、电极25和隔离层26构成。受力柱21直接接触受力平板1，用以传递受力平板1所受的压力；弹性电极22和电介质24之间设置垫片23，起到隔离作用；两个电介质24并列镜像对称放置，中间由隔离层26隔开；电介质24下端面设置电极25，从电极25中引出导线或导体，用以向电路单元传输检测到的电信号。

根据电容的基本原理可知，从一个电介质中引出两个电极，都会存在一个电容值，电容值的大小与两个电极之间的电介质的介电常数、距离以及面积有直接关系，改变其中任一条件，就可以达到改变电容的目的与效果。所述可变电容压力传感器2即是基于这个原理工作的。

图4是可变电容压力传感器2未受力状态的示意图，图5是可变电容压力传感器2受力状态的示意图。在受力平板1处于垂直状态时，弹性电极22仅受重力作用，受力平板1以及受力柱21在弹性电极22的弹力作用下处于初始状态，即与电介质24之间没有作用力；受力平板1处于倾斜状态、水平状态以及受到外力作用时，都会产生形变，此时弹性电极22与电介质24之间的接触面积就会发生变化，如附图5所示，当受力平板1所受压力变化时，在受力柱21的作用下，弹性电极22与电介质24之间的接触面积也在变化，并且受力平板1所受压力越大，弹性电极22与电介质24之间的接触面积也就越大，在弹性电极22与电介质24之间的有效电介质就越多，相应电容也就越大。

本发明所述电路单元框图如图3所示，其包括振荡电路单元、放大整形电路单元、频率计数单元、矢量计算单元和输出数据单元，各个单元可以由分开的电路元件组成，也可以由集成电路组成，如在实际应用中频率计数单元往往就是利用单片机中自带的计数器，可以单独设置计数器，矢量计算单元就是处理器，而输出数据单元就是单片机的输出接口。其具体的连接关系是：振荡电路单元分别连接放大整形单元和频率计数单元，频率计数单元连接矢量计算单元，矢量计算单元再连接输出数据单元。

振荡电路单元将电容压力传感器2获得的电容信号变换成振荡信号，前述振荡电路可以是容感振荡电路，或容阻振荡电路以及其它相类似的电路，即通过获得的可变的电容值可以影响到振荡电路的频率或是其它的电参数。本实施例采用容感振荡电路，四个可变电容压力传感器2对应有四个振荡电路，可得到四个振荡频率。

振荡电路单元产生的振荡信号较弱时，可通过放大整形单元放大和整形，再送入频率计数单元，或者，直接将振荡信号送入频率计数单元，由频率计数单元计算出每个可变电容压力传感器2对应的振荡频率，再由矢量计算单元对振荡频率信号进行矢量计算，最后由输出数据单元输出矢量差值，根据矢量差值得出受力点的信息。

图6是前述电路单元的电路连接示意图。电路单元由一个容感振荡电路以及一个单片机组成，容感振荡电路由电容、电感以及电阻与三极管构成，构成一个反馈回路并经过整形放大可以得到波形较好的振荡信号，并将此振荡信号直接送入到单片机的输入端口，单片机内的计算与处理程序进行预先的定义，并烧录在单片机的内存RAM内，在执行处理程序时，就可以得到前述装置相对应的矢量关系与计算结果。

另外，当受力平板1处于非垂直状态时，由于自身的重量而使可变电容压力传感器2产生一定的变形，而四个可变电容压力传感器2之间的矢量差值同样为零，故，可以在处理器或是应用终端设置一个初始化或是清零程序，对上述装置自行校正。

本实用新型的一个具体实施方式是利用本实用新型装置完成手写输入功能。受力平板1受到外力作用时，通过本实用新型装置所述可变电容压力传感器2和电路单元采集到作用点的平面坐标x值和y值，用户在受力平板1上书写时，前述装置会采集到多个作用点的信息，多个作用点相连接，即为用户书写的轨迹曲线，由处理器处理曲线上各个点的坐标值，经过计算机接口，以及驱动程序和用户界面程序，就可以直接表现为鼠标的移动或是手写设备的输入了，如果配置相应的文字识别软件或是绘画软件，就可以完成手写输入以绘画。

本发明结构简单，灵敏度高，具有非常良好的应用价值，适合应用于计算机输入设备、电子白板以及手机、PDA、多媒体交互设备等多种应用领域。

Claims (3)

1、一种利用电容变化进行矢量压力测量的装置，包含一个受力平板，其特征在于：在受力平板的角端设置一组可变电容压力传感器，每个可变电容压力传感器连接一个电路单元。

2、根据权利要求1所述的利用电容变化进行矢量压力测量的装置，其特征在于：可变电容压力传感器由受力柱、弹性电极、垫片、电介质、电极、隔离层构成；受力柱直接接触受力平板，弹性电极和电介质之间设置垫片，两个电介质并列镜像对称设置，中间由隔离层隔开，电介质下端面设置电极。

3、根据权利要求1所述的利用电容变化进行矢量压力测量的装置，其特征在于：电路单元由振荡电路单元、放大整形单元、频率计数单元、以及矢量计算单元和输出数据单元组成；其具体连接关系是：振荡电路单元分别连接放大整形单元和频率计数单元，放大整形单元连接频率计数单元，频率计数单元连接矢量计算单元，矢量计算单元再连接输出数据单元。

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