CN2377597Y

CN2377597Y - 平面内特定物体位置参数超声传感装置

Info

Publication number: CN2377597Y
Application number: CN 98248471
Authority: CN
Inventors: 刘中华
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-11-20
Filing date: 1998-11-20
Publication date: 2000-05-10
Anticipated expiration: 2008-11-20

Abstract

一种主要应用于计算机多媒体技术中遥感或触摸式输入方面,实现对特定物体的位置进行检测的传感元件或装置,该装置主要由两个安装在被检测表面边缘地超声波接收器,和至少一个超声波发射器构成。实施传感检测的方案有两类,一类是把一个或两个超声波发射器安装在被检测表面的边缘,通过检测被特定物体反射超声波来实施;另一类是把一个超声波发射器本身作为特定物体,检测直达的超声波。

Description

平面内特定物体位置参数超声传感装置

本发明属于超声传感技术领域，主要应用于计算机多媒体技术中遥感或触摸式输入方面，尤其在计算机的显示屏幕上或其前方，实施对特定的显示区域的数据的选择输入，是一种使用超声波技术，对平面或一定区域内代表特定物体的位置坐标进行检测的传感元件。

利用超声波技术实现对平面内，或接近平面的曲面内可移动点的位置坐标进行传感检测的技术，尤其是对在计算机的显示屏幕上的触摸或接触点的位置信息的检测传感技术，在申请号码为98101325和98101663的中国专利申请之中，本申请人公开了两种技术方案。98101325号申请公开的是一种主动定位方案，具体内容是：在某个指定的平面内，分布设置最少三个位置坐标已知的超声波接收器，接收由一个安装在手持的触摸柄的顶端的超声波发射器所发射的超声波，在接收到超声波信号后，各个接收器分别输出一个或一系列电信号到后面的数据处理系统。由于超声波发射器与各个接收器的距离不同，并且声速在指定的介质中是已知恒定的，故各个接收器所输出的电信号的时间也就不同，所以这一系列电信号被后面的数据处理系统接收后，就能够计算出超声波发射器与各个接收器之间的距离差，再通过微机利用解析几何的方法进行计算，就能够得到超声波发射器，即手持触摸柄的顶端所在的被触摸或接触点的位置坐标。或者，在手持触摸柄与信号处理系统之间连接一条电缆，由系统控制发射超声波，然后得到超声波从被发射出到被接收到之间的时间延迟，直接得到发射器与各个接收器之间的距离，同样能够通过计算得到上述发射器的位置坐标。98101663号申请公开的是一种被动定位的方案。这种方案是利用被标的物反射平面内位置坐标已知的超声波发射器所发射的超声波，再被至少三个同一平面内位置已知的超声波接收器接收，测量出超声波被发射-反射-接收过程的时间延迟，而后同样通过微机，利用解析几何的方法计算得到反射物的位置坐标。这两种检测传感方案都具有生产制造的费用低，用范围广、体积小、重量轻、安装容易、维护方便等优点，尤其在第一种方案中，当使用与检测定位系统完全独立的手持触摸柄时，几乎是最简的结构形式，能够应用在各种形式和大小的显示表面。但对于第一种方案中触摸柄与检测系统之间连接有电缆的情况和第二种方案，在实践中发现它们有着没有充分利用计算机系统的软件资源，即没有能够充分发挥现代计算机系统强大的计算能力的优势，而造成与该传感检测装置相连接的后续检测系统硬件资源浪费的缺点，导致生产制造成本不必要的上升。具体来说，这两种方案赖以实施的一个关键硬件是后续检测系统内的高精度的超声波接收、时间检测电路，这个电路的安装调试成本较高，而上述的缺点就是在一些具体的应用情况下，浪费了这样一套电路硬件。

本发明的目的就是针对上述的缺点，在上述两个专利申请的基础上，提供了一种在电路结构简化了的、部件更少、更充分地发挥了计算机的计算能力的超声波检测传感装置，来实现对包括显示表面在内的平面内，代表包括接触点和接近点在内的可移动标的物的点的位置坐标进行检测传感。

本发明的具体技术方案是这样的：检测装置包含有两个超声波接收器和至少一个超声波发射器；两个接收器分布安装在被检测表面的边缘、其位置坐标在某个参照坐标系内是已知或可知值的点上，并且与检测系统内相应的超声波发射接收电路相连接，发射器与检测系统内的超声波发射电路相连接；接收器的有两种安装方式：一种是被动定位方式，即把发射器固定在上述参照坐标系内、两个接收器之间某个位置已知的点上，这种方式下发射器发射的超声波被包括手指在内的标的物反射后，再被接收器接收到；另一种是主动定位方式，即把发射器安装在一个手持触摸柄的顶端，然后通过电缆或其替代物与检测系统连接，这种方式下发射器本身就是被被标的物，其发射的直达超声波通过介质后直接被接收器接收到。

由于节省了一路超声波接收器和相应的接收放大、处理电路，所以本发明具有减少原材料消耗、降低生产成本的优点；同时又因为减少了元器件的数量，所以也减小了处理电路的体积，使其更便于携带，提高了系统的可靠性。

下面结合附图对本发明的工作原理和具体实施方案作一详细的说明。

图1对应于本发明的一种解析几何原理图

图2本发明的一种具体实施结构示意图

图3对应于本发明的另一种解析几何原理图

图4本发明的另一种具体实施结构示意图

图5双发射器反射式检测方案结构示意图

图6遥感检测时超声波换能器的一种安装结构示意图

图1表示出了本发明的几何学原理。图中P₁、P₂表示超声波接收器在某个参照坐标系XOY内的安装点，P₃是超声波发射器在该坐标系内的安装点；上述这些点的坐标值是已知的，标注在括号内；点P表示手指或其等效替代物，即标的物所在的位置，D₁、D₂表示点P到两个安装点的距离；D表示点P到点P₃的距离。再设超声波在介质之中的传播速度为v，t₁、t₂分别是由点P₃处的发射器发射后的超声波，被点P处的标的物反射，再传播到点P₁、P₂所需的时间，这两个时间由检测系统通过测量超声波从“被发射出到被接收到”之间的时间差后得到。根据声学和解析几何方面的原理，在忽略标的物的直径的情况下，可以得到下面的一组联立方程：在这个五元二次方程组之中，有D、D₁、D₂和x、y共五个未知数，所以这个方程有实数根。其中，D、D₁、D₂由其物理性质决定只能是正实数(在方程组中也能够看出)，而x，y因为只出现在二次方程之中，故有两组实数根，这两组根关于由P₁、P₂、P₃所构成的直线对称。如果P₁、P₂、P₃不在一条直线上，则x，y有一组唯一的实数根。因为发射、接收器都安装在检测平面的边缘，所以在编制软件计算x、y时，根据实际的检测平面的位置具体考虑取值，就能够得到实际上的x、y的值。

图2是图1原理的一种具体结构的示意图。图中，204表示被检测的平面或表面，这个表面可以是一个显示器的屏幕，也可以是一块平板的表面，或其它可以安装超声波换能器的表面或结构；被检测的标的物位于其安装有换能器的一面前方的一定区域内，因为这时超声波的传播介质是空气，空气在该表面前方构成一定范围的区域；所以标号204也可以被认为是该被检测区域，下面统称被检测区域；201、202分别代表两个超声波接收器，安装在被检测区域的角部，这个安装位置对接收器的接收角的要求最小；略大于90°即可。事实上，被检测区域是由两个接收器的有效接收区域的交集，或者说是两个接收器的接收角所包含的共同空间构成的，本发明的其它实施例也相同。203表示一个超声波发射器，为了计算方便，将其与两个接收器安装在同一直线上，其发射角α要求接近或达到180°即可满足要求。在选定合适的参照坐标系后，这种安装结构可以使方程组(1)之中的多个已知的坐标值简化，容易得到最简的方程组。当然，完全可以采取其它的安装方案，只要符合方程组(1)的要求即可。205即表示被检测的标的物，该标的物是特定的，能够反射超声波，在本发明中一般表示人的手指(指甲可以反射超声波)。图中还给出了超声波发射和反射的路径。所有的发射、接收器均通过导线或电缆206、207、208与后续的传感检测系统209相连接。

图3给出了另一种检测方案的声学和几何学原理。在图3中，超声波发射器就是要检测的标的物，这里仍然沿用图1的符号系统，不同之处在于点P所表示的标的物是超声波发射器；t₁、t₂的意义同上。与图1相类似，可以得到如下的联立方程：

这个与方程组(1)相类似，解这个方程组可以得到x、y的两组关于直线P₁P₂对称的根，可以根据被检测区域的实际位置，选取一组有意义的根，做为标的物，即超声波发射器所在位置P点的坐标值。

图4是与图3原理相对应的一种具体结构的示意图。在图4之中，401、402与图2相同，是两个超声波接收器，403是安装在手持触摸柄404顶端的、在与被检测表面或区域405平行的平面内是全方向发射角(接近或等于180°)的超声波发射器，即特定的被检测标的物；被检测表面或区域405的概念与图2中的204相同；但当利用该表面的固体物质传播超声波时，则代表该表面本身，这时超声波的传播介质就是构成该表面的材料，如显示器表面的玻璃等材料。在这种结构中，超声波接收器的接收面需要用粘接等方法，紧密安装在介质的表面上，而发射器的发射面也要求在其工作时与介质表面紧密接触以传播超声波。更详细的结构和要求见上述98101325号中国专利申请。接收器和发射器通过导线或电缆406、407、408与检测系统209相连接。

图5是图3的一种推广应用情况，是一种使用双发射器反射式的检测方案。在图5中，在两个超声波接收器201、201(或图4的401、402)的旁边又分别安装了两个超声波发射器501、502，这两个发射器可以如图所示与接收器并排安装，也可以与接收器上下重叠安装，尽可能安装在一起，或使用发射接收通用的换能器(但在本发明之中仍然认为是两个分别用于发射和接收的换能器)；标的物与图2中的相同，是一个能够反射超声波的特定物体，如手指等。在该图的结构中，图3之中的t₁、t₂依然是超声波从“被发射出到被接收到”之间的时间差，但超声波在介质之中所实际的传波路程却是标的物与发射、接收器之间距离的两倍。如果把发射器和接收器之间的位置差异忽略(可以做到基本无差异)，并不计标的物的直径，则又可以得到以下方程组：

这个方程组的解的情况与图3、图4所示的情况相同，x、y也有一对对称的实数解，根据被检测区域的位置决定取舍。事实上，这种原理的实际应用，也是被动反射式检测方案之中的一种。但是如果使用这种结构进行检测，则需要使用一定的技术手段，使每个超声波接收器只能接收与其安装在一起的发射器所发射的超声波，而对另一个发射器所发射的超声波，不接收或不响应。实现这个目的有多种技术方案，如两个发射器分时发射，或选择中心频率不同的两套换能器，或者两套换能器使用不同的识别码，即通信技术中常用的频分制、时分制和码分制技术。

图2、图4、图5所示的超声波接收器均通过支架安装在被检测区域的边缘，其安装可以使用不干胶、螺钉螺母、或悬挂在其它特制的或已有的支架上等方式实现，与98101325和98101663号中国专利申请中所公开的方式相同；同时，这三幅示意图也给出了超声波接收器的最佳安装方式：即把接收器安装在被检测区域上部边缘的两端。因为一般情况下，被检测区域都可以看作一个矩形区域，尤其用于是计算机上时，显示器的形状几乎都是矩形，把超声波接收器安装在其边缘的两端，就可以使用接收角较小的通用接收器来接收超声波信号；安装在上部，还可以避免灰尘和杂物落在接收器的表面而影响接收效果。另外，对于超声波换能器所在位置的坐标值，可以通过直接设定或测量而得到，这种情况下可以认为其坐标值是已知；在另外一些情况下，也可以通过测量换能器与数个坐标值已知的点的距离，通过计算而得到，这时可以认为其坐标值是可知的。

本传感装置可以检测与被检测区域接触的特定物体，也可以在以空气为超声波传播介质、仅仅考虑超声波的发射或反射与接收前提下，实现与被检测表面相接近的区域内的非接触标的物的检测，即实现遥感检测，这可以在图1或图3中对标的物所在的位置作适当的投影分析就能够明了。在这种情况下，图2中的被检测表面204在物理上不是必需的，只需要是一个概念上的表面或平面，能够保证超声波被正常地发射或反射、接收，就能够实施检测传感。具体的结构可以如图6所示，把超声波接收器602、603安装在框架601上，两个超声波接收器的有效接收区域(图中浅及和深阴影部分)604、605的交集就构成了被检测区域606(图中深阴影部分)，在图6中即是接收框架内及其附近的空间，当标的物607进入时就能够被检测到。如果是使用反射的方式实现检测，则超声波发射器也按照图2、图5所示的位置安装在框架上。这里框架601是指所有能够安装超声波换能器的结构或构造，如笔记本电脑的机壳、显示器的外壳、特别设计的专用结构件、空间内现有的各种框架、各种表面等等，包括上述两个专利申请内所涉及的各种支架的结构。

Claims

1.一种用于计算机多媒体数据输入的平面内特定物体位置参数超声传感装置，该装置包含有安装在被检测区域边缘的超声波换能器，这些换能器分别与一个检测处理系统相连接，其特征在于：所述的超声波换能器有至少有三只；其中至少有一只用于超声波发射，两只用于超声波接收；并且用于超声波接收的换能器，其位置坐标值在某个参照坐标系内是可知的。

2.根据权力要求1所述的传感装置，其特征在于：所述的换能器之中，分别有两对超声波发射和接收器；每对超声波发射、接收器集中安装在一起，并且这两对换能器分布安装在被检测区域的边缘；超声波发射和接收器的发射和接收面都指向被检测区域。

3.根据权力要求1所述的传感装置，其特征在于：超声波接收器安装在被检测区域的一个边缘上；超声波发射器安装在两个接收器之间；超声波发射和接收器的发射和接收面都指向被检测区域。

4.根据权力要求1所述的传感装置，其特征在于：超声波接收器安装在被检测区域的一个边缘上，其接收面指向被检测区域；该装置之中还包含有一个手持触摸杆，上述的超声波发射器安装在该触摸柄的顶端。

5.根据权力要求1、2、3或4所述的传感装置，其特征在于：上述两个超声波接收器分布安装在一个框架上，两个超声波接收器的有效接收范围的交集就构成了被检测区域。

6.根据权力要求5所述的传感装置，其特征在于：超声波接收器安装在被检测区域的一个边缘的两端。

7.根据权力要求6所述的传感装置，其特征在于：超声波接收器安装在被检测区域上部的边缘的两端。