TW201905489A - 可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置 - Google Patents
可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置Info
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Abstract
一種可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置，其包含：一振動感測器，該振動感測器設有一毫米波訊號產生器、一發射單元以及一接收單元，該發射單元與接收單元分別與該毫米波訊號產生器電性連接；一處理單元，該處理單元與該振動感測器的毫米波訊號產生器電性連接；其中，該振動感測器與處理單元可根據雷達測距及數位取樣的原理運算並重建該待測物的振動訊號；藉此，本發明除了可具有較佳的穿透力，從而也可應用於生物體的動態偵測之外，更可透過毫米波具有較短波長的特性，達到在近距離內偵測、分辨物體之細微振動的效果，而可提高振動偵測的精確度與精細度，進而可大幅提高產品的應用範圍與實用性。
Description
本發明係關於一種感測裝置，特別是一種振動感測裝置。
振動感測器可用於監控物體的運動狀態，典型的應用包括地震感測、機械故障的早期偵測或預防以及物體或人員的移動偵測等等，其通常係透過量測該物體振動時所產生的位移、速度、加速度或其它動態力量如壓電或壓阻(應變)等物理量來計算出振動的相關資訊或參數，以機電變換原理來區分，常見的振動感測器包含有渦電流式、電容式、光電式及壓電式等各種不同的型式。
然而，習知的振動感測器仍具有以下值得改進之處：首先，其通常僅適合感測較大幅度或範圍的振動，在偵測的精細度上仍有不足；其次，習知的振動感測器不論是接觸式或非接觸式，皆不具備穿透物體表面的能力，故無法適用於生物動態特徵的偵測(例如人體內部心臟活動狀態的偵測)，應用範圍較為有限；此外，習知的振動感測器僅能提供物體振動狀態的數據，無法以視覺化的方式呈現物體影像及其振動狀態，進一步限制了產品的實用性。
是故，如何針對上述缺失加以改進，即為本案申請人所欲解決之技術困難點所在。
有鑑於現有振動感測器中所存在的上述問題，因此本發明之目的在於發展一種可提高偵測精確度的振動感測裝置。
本發明之另一目的，在於發展一種可偵測生物動態特徵的振動感測裝置。
本發明之又一目的，在於發展一種可顯示待測物之振動模擬影像之振動感測裝置。
為達成以上之目的，本發明係提供一種可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置，包含：一振動感測器，該振動感測器設有一毫米波訊號產生器、一發射單元以及一接收單元，該發射單元與接收單元分別與該毫米波訊號產生器電性連接；一處理單元，該處理單元與該振動感測器的毫米波訊號產生器電性連接；其中，該振動感測器的毫米波訊號產生器係透過該發射單元以一預定的取樣頻率對一產生振動的待測物發射毫米波測試訊號，再透過該接收單元接收每一次發射的毫米波測試訊號碰觸該待測物後反射所形成的毫米波反射訊號，而使該處理單元可根據雷達測距及數位取樣的原理運算並重建該待測物的振動訊號。
其中，該取樣頻率大於該待測物的振動頻率。
其中，該發射單元與接收單元兩者構成多輸入多輸出波束成型(MIMO beamforming)智慧型天線模組。
其中，還包含有一影像紀錄單元，該影像紀錄單元與該處理單元電性連接，該影像紀錄單元係用以擷取該待測物的一真實影像。
進一步的，該處理單元內設有一振動影像後製模組，用以 根據該待測物的振動訊號與真實影像，後製並產生一模擬該待測物之振動狀態的振動模擬影像。
進一步的，還包含有一影像輸出裝置，用以顯示該振動模擬影像。
進一步的，具有一3D深度視覺模組用以替代該影像紀錄單元，該3D深度視覺模組與該處理單元電性連接。
藉此，本發明除了可具有較佳的穿透力，從而也可應用於生物體的動態偵測之外，更可透過毫米波具有較短波長的特性，達到在近距離內偵測、分辨物體之細微振動的效果，而可提高振動偵測的精確度與精細度，進而可大幅提高產品的應用範圍與實用性。
1‧‧‧振動感測器
11‧‧‧毫米波訊號產生器
12‧‧‧發射單元
13‧‧‧接收單元
2‧‧‧待測物
3‧‧‧處理單元
31‧‧‧振動影像後製模組
4‧‧‧影像紀錄單元
5‧‧‧影像輸出裝置
6‧‧‧3D深度視覺模組
61‧‧‧光源
62‧‧‧第一影像感測器
63‧‧‧第二影像感測器
D1~D5‧‧‧距離
S1‧‧‧毫米波測試訊號
S2‧‧‧毫米波反射訊號
第一圖係本發明之一實施例的結構方塊示意圖。
第二圖係本發明之一實施例對待測物發射第1次毫米波測試訊號之動作示意圖。
第三圖係本發明之一實施例對待測物發射第2次毫米波測試訊號之動作示意圖。
第四圖係本發明之一實施例重建待測物之完整振動訊號的示意圖。
第五圖係本發明之一實施例其影像輸出裝置顯示待測物之振動模擬影像之動作示意圖。
第六圖係本發明其第二實施例之結構方塊示意圖。
第七圖係本發明其第二實施例之3D深度視覺模組的結構組成方塊示意圖。
請參閱第一圖所示係為本發明之可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置之一實施例的結構方塊示意圖，該裝置包含：一振動感測器1，該振動感測器1設有一毫米波(millimeter wave)訊號產生器11、一發射單元12以及一接收單元13，該發射單元12與接收單元13分別與該毫米波訊號產生器11電性連接，請再配合參閱第三圖所示，該毫米波訊號產生器11係用以產生一可供偵測一待測物2之振動狀態的毫米波測試訊號S1；其中，該毫米波訊號產生器11所產生的毫米波測試訊號S1其頻帶可介於57~77GHz，在本實施例中，該毫米波測試訊號S1的頻率較佳係為77GHz，此外，該發射單元12或接收單元13具體可為天線，更具體地，該發射單元12或接收單元13實際上可以是單一個天線或是由複數個天線所構成的天線陣列，較佳地，該發射單元12或接收單元13的天線可以是具備波束成型(beamforming)功能的天線或天線陣列，在本實施例中，該發射單元12係包含有3個天線，該接收單元13則包含有4個天線，亦即，在本發明的一個實施例中，該發射單元12與接收單元13兩者整體可以是由7根天線所構成的多輸入多輸出波束成型(MIMO beamforming)智慧型天線模組，藉此，以提高訊號的收發效果，當然，該發射單元12或接收單元13之天線數量與類型並不以上述所列舉者為限；一處理單元3，該處理單元3與該振動感測器1的毫米波訊號產生器11電性連接，該處理單元3具體可以是控制器或處理器，例如微控制器(MCU)、中央處理器(CPU)、圖型處理器(GPU)或數位訊號處 理器(DSP，包括影像處理器，Image Processor)等等，此外，該處理單元3內可進一步設有一振動影像後製模組31，該振動影像後製模組31具體可為軟體應用程序；一影像輸出裝置5，該影像輸出裝置5與該處理單元3電性連接，該影像輸出裝置5具體可以是各種顯示螢幕(Display)或投影光機例如CRT、LCD、OLED、DLP(Digital Light Processing，數位光處理)或LCoS(Liquid Crystal on Silicon，液晶覆矽)等等；此外，請再配合參閱第五圖所示，在本發明的一些實施例中，還可以進一步包含有一影像紀錄單元4如攝影鏡頭，該影像紀錄單元4與該處理單元3電性連接，其用途將在後面加以描述；請參閱第二圖至第四圖所示，假設一個在靜止狀態下的待測物2(例如尚未運轉時的馬達)與該振動感測器1之間具有一距離或間距D(此時該間距D之實際數值可以是一個有待求解的未知數)，當該待測物2開始以一定的頻率及振幅大小產生振動時(例如該馬達在運轉後產生了(細微的)振動)，此時，本發明可透過以下的工作原理來偵測出該待測物2的振動：首先，請參閱第二圖與第三圖，該振動感測器1其毫米波訊號產生器11可透過該發射單元12以一預定的取樣率或取樣頻率(sampling rate or sampling frequency)對該待測物2發射該毫米波測試訊號S1，其中，為了正確地偵測且完整而不失真地重建或還原該待測物2所產生的振動訊號，該取樣率或取樣頻率須大於該待測物2的振動頻率，一般而言，該取樣頻率通常可設定為一足夠大的預定數值，以確保本發明能夠正確地量測待測物2之振動，舉例來說，若該待測物2的振動頻率為20Hz，則可將該 取樣率或取樣頻率設定為1kHz或10kHz，亦即，令該毫米波訊號產生器11每秒對該待測物2發射1000次或10000次的毫米波測試訊號S1，第二圖係例示該毫米波訊號產生器11發射第1次毫米波測試訊號S1的情況，其中，該毫米波測試訊號S1碰觸待測物2後會反射而形成一毫米波反射訊號S2，如此一來，該處理單元3即可根據雷達測距的原理，計算出當下該待測物2與振動感測器1之間的距離D1；同樣的，第三圖係例示該該毫米波訊號產生器11發射第2次毫米波測試訊號S1的情況，該處理單元3也可計算出當下該待測物2與振動感測器1之間的距離D2，餘此類推，請再參閱第四圖所示，本發明可再依照與前述相同的原理，使該處理單元3分別計算出根據其餘的毫米波測試訊號S1及對應的毫米波反射訊號S2所偵測到的距離D3、D4、D5…，如此一來，本發明即可以數位取樣的方法重建或還原該待測物2的振動訊號，並可正確地獲取該待測物2其振動訊號的重要參數例如振幅(即該待測物2距該振動感測器1的最遠距離D max與最近距離D min兩者之差的一半，)與振動頻率，從而使本發明可達到偵測物件之振動、顫動或微動等動態特徵之目的，當然，該處理單元3也可計算出前述該待測物2在靜止時與該振動感測器1之間的間距D(即該待測物2距該振動感測器1的最遠距離D max與最近距離D min兩者之和的一半，)，而無需先停止待測物2(如馬達)的運轉(而且，有些待測物2如人體心臟的振動也無法令其先停止運轉再來偵測)。
可以注意的是，請繼續參閱第二圖與第五圖所示，在本發明的一些實施例中，藉由進一步設置有該影像紀錄單元4，其可用以擷取該待測物2之實物影像，如此一來，該振動影像後製模組31可再根據該待測 物2的振動訊號與實物影像，後製並產生一可精確模擬該待測物2之振動狀態的振動模擬影像，並將該振動模擬影像傳送至該影像輸出裝置5，而可供操作人員或使用者觀看，如此，本發明不僅可偵測待測物2的振動，還可進一步用影像或圖像來模擬該待測物2的振動狀態，故本發明可應用於工程上對於重要組件或部件之運作狀態的監控或是醫學上對於人體或動物之各種生物特徵的檢查診斷等領域或重要場合(當然，本發明的用途並不以上述所列舉者為限)，從而可擴展本發明的應用範圍並提升其實用性。
請參閱第一圖所示，藉由本發明利用由毫米波訊號產生器11所組成的振動感測器1來偵測物體的振動，除了可具有較佳的穿透力，從而也可應用於生物體的動態偵測之外，更重要的是可透過毫米波具有較短波長的特性，達到在近距離內偵測、分辨物體之細微振動的效果，以77GHz的毫米波訊號產生器11為例，其可偵測到距離它僅有25公分的待測物2之0.05mm振幅的振動，使本發明可提高振動偵測的精確度與精細度，進而可大幅提高本發明的實用性。
此外，請再參閱第六圖所示為本發明的第二實施例，其與如第五圖所揭示的實施例相比，差別在於具有一3D深度視覺模組6用以替代該影像紀錄單元4，該3D深度視覺模組6與該處理單元3電性連接，現有的3D深度視覺成像原理可大致區分為立體視覺(stereo vision)、結構光(structured light)以及時差測距(time of flight，TOF，又稱飛行測距)等數種，在本實施例中，該3D深度視覺模組6係優選採用TOF 3D深度視覺模組，藉此，俾使本發明可具有較佳的反應速度且適用於各種不同的環境，同時還可降低後續應用之演算法的複雜度，請再配合參閱第七圖所示係為 一種TOF 3D深度視覺模組其細部結構之實施例，在此實施例中，該3D深度視覺模組6具有一光源61、一第一影像感測器62以及一第二影像感測器63，一般而言，依照測距原理以及是否具備擷取實物影像之功能等差異，一個TOF 3D深度視覺模組最少可以僅由兩顆影像感測器所構成，或者，也可以僅由一個光發射器(如本實施例的光源61)搭配一顆影像感測器(如本實施例的第一影像感測器62)所構成，其中，後者的單一顆影像感測器僅是作為光接收器之用，並不具備擷取影像之功能，對此，在如第七圖所揭示的實施例中，還可以再額外增設另一顆影像感測器(即該第二影像感測器63)，以作為成像之用，更具體地，該光源61可以是紅外線光源如遠紅外線發射器或是雷射光源如VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面發射雷射)，該第一影像感測器62與第二影像感測器63可以是CMOS影像感測器，藉此，該3D深度視覺模組6即可同時提供輔助測距及擷取該待測物2之實物影像等功能，進而可提升本發明之應用效益。
惟上列詳細說明係針對本發明之較佳實施例的具體說明，該等實施例並非用以限制本發明之專利範圍，而凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
Claims (7)
- 一種可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置，其包含：一振動感測器，該振動感測器設有一毫米波訊號產生器、一發射單元以及一接收單元，該發射單元與接收單元分別與該毫米波訊號產生器電性連接；一處理單元，該處理單元與該振動感測器的毫米波訊號產生器電性連接；其中，該振動感測器的毫米波訊號產生器係透過該發射單元以一預定的取樣頻率對一產生振動的待測物發射毫米波測試訊號，再透過該接收單元接收每一次發射的毫米波測試訊號碰觸該待測物後反射所形成的毫米波反射訊號，而使該處理單元可根據雷達測距及數位取樣的原理運算並重建該待測物的振動訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置，其中該取樣頻率大於該待測物的振動頻率。
- 如申請專利範圍第1項所述之可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置，其中該發射單元與接收單元兩者構成多輸入多輸出波束成型(MIMO beamforming)智慧型天線模組。
- 如申請專利範圍第1項所述之可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置，其中還包含有一影像紀錄單元，該影像紀錄單元與該處理單元電性連接，該影像紀錄單元係用以擷取該待測物的一真實影像。
- 如申請專利範圍第4項所述之可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置，其中該處理單元內設有一振動影像後製模組，用以 根據該待測物的振動訊號與真實影像，後製並產生一模擬該待測物之振動狀態的振動模擬影像。
- 如申請專利範圍第5項所述之可精確偵測生物動態特徵或物件微動的裝置，其中還包含有一影像輸出裝置，用以顯示該振動模擬影像。
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