声波接触杆系统及使用方法

专利名称：声波接触杆系统及使用方法
技术领域：
本发明涉及声波接触杆，更具体地涉及具有充分地捕捉声波能量以提供高
Q开关的声腔的声波接触杆系统。
背景技术：
耐用并且防爆，可以在存在液体的条件下工作，并且具有低能耗、耐得住 强烈消毒的过程并且价格便宜的手指接触致动开关存在大量的需要。试图达到 上述这些需要的公知的开关却不能包括下列的要求。由量研公司(quantum research group )制造的Qprox开关通过电荷转移效应感知接触的存在。该开关 敏感于导电液体和/或电离空气，从而使该开关不起作用。此外，感知接触的 外罩不能由电传导材料制成，从而不能使用金属等材料。例如由Schurter公司 或Baran公司提供的压电开关，通过经由金属覆盖层传递手指压力到压电元件 来工作，当该压电元件受压时其产生电压。与标准的薄膜开关相比，上述类型 的压电开关比较昂贵，并且也具有薄膜开关的缺点需要在外壳或外罩中的孔 来容纳开关。另外，金属覆盖层必须薄，以使压电元件对于对覆盖层的影响是 相对无保护的。在美国专利No.5，149,986所示的另一种类型的开关是基于当接 触按钮时在玻璃的球形按钮中声音的吸收。在工作中，换能器(transducer) 将声波发送到玻璃球中，然后接收声纳形式的回声。电路分析该回声以判断表 示接触的回声是否已经减少。该类型的开关相对昂贵，并且也需要在外壳或外 罩中的开口，在开口中安装开关。
例如美国专利No.5，673，041中所示的声波开关包括在基底的接触表面相 对的基底的表面上安装的超声压电换能器。该换能器产生超声波，超声波朝着 越过基底的厚度到接触表面的方向传播，并从接触表面反射回换能器。超声波 显示为压缩波。接触表面上的接触改变表面的声反射系数，并改变换能器的阻 抗。开关中的声能不受限制并且散开到基底的平面中。同样的，完整的周期中 存储的能量与损失或消耗的能量的比率(其被称为开关的Q)是固有的低，并
且需要非常复杂的接触检测电路以区分接触和无接触。此外，由于压缩波敏感 于使开关不起作用的液体和其它污染物，因此不希望在该开关中使用压缩波。 声波接触面板也是公知的，该面板使用反射光栅或反射阵来沿着不同长度 的平行的路径越过接触表面的反射声波部分。这些部件使用透明的基底，该基
底可以覆以显示器以提供接触屏幕等。在美国专利No.4,645,870和4,700,176 中示出该种接触传感器的示例，其使用表面声波。然而，因为表面声波敏感于 使该面板不起作用的液体、封口化合物以及其它污染物，并且表面声波难以有 效地密封，所以这些系统是不理想的。在美国专利No.5,177，327中示出使用反 射阵的另一种声波接触面板。该接触面板使用剪切波，特别是零阶水平极化剪 切波。即使该接触位置传感器不敏感于液体和污染物，但是使用反射光栅或反 射阵的接触位置传感器和相关联的接触检测电路通常是非常昂贵的，从而不用 于单独的开关或面板上的小数量的开关。此外，由于将系统中的剪切波换能器 安装在面板的侧面以产生在基底的平面上传播的剪切波，所以需要在外壳或外 罩中的开口以容纳面板。美国专利No.5,573,077也使用零阶水平极化剪切波， 但是代替反射光栅，使用离散的换能器以沿着越过基底伸展的平行的路径传播 剪切波。
如2001年11月20日提交的美国专利申请No.09/998,355所揭示的，克服 以上问题的声波开关使用声波腔和声波换能器来产生谐振(resonance)声波， 在声波腔中谐振声波被充分地捕捉。如其中所论述的，模拟接触检测电路包括 连接到声波换能器的振荡器，其中配置振荡器以在无接触时振荡。在声波腔的 接触表面上的接触引起换能器阻抗下降从而使振荡器停止振荡。确定振荡器的 状态，并且在振荡器停止振荡时，检测接触。对于检测手指接触和通过皮制手 套的接触，该电路工作的非常好。然而，由于希望使用声波腔的接触响应区检 测通过合成混合物手套等的接触，并且同时当水单独接触接触响应区时不检测 接触，因此必须将该接触检测电路的灵敏度等级限制在非常窄的范围之内以满 足该两种相竟争的需要。作为结果，随着时间和/或随着温度的变化，换能器 阻抗的小的改变可以造成灵敏度的改变，该改变超出电路的必要范围。
此外，存在对于简单电路的需要，该简单电路对于检测除了接触检测传感 器之外的在声波传感器中的感应的事件不受任意改变的影响。
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而且，存在耐用并且防爆，可以在液体存在的条件下工作，并且具有低能 耗、耐得住强烈消毒的过程并且价格便宜的接触感应管、筒、棒或杆的需要。 存在对于接触感应杆、管或其它把手的需要，该种杆、管或其它把手基于接触， 可以用于触发功能性，该接触包括手指接触和戴手套的接触。如上面所论述的，
当前的系统已经尝试满足这些需要，但都已经失败。1998年9月29日授权的 美国专利No.5，813，280中说明的声谐振器是力传感器，其用于检测应用于检测 感应筒的末端的轴向应力和力矩。力传感器用于确定应用于机械系统中的承载 元件的力的总量。具有非接触的电磁耦合机构的电^ 兹声换能器(EMAT)用于 励磁并检测在接触感应筒的中心部件中所选择的谐振模式。例如，在接触感应 筒的中心部件周围缠绕的巻状EMAT用于励磁并检测所选择的谐振模式。经 由在接触感应筒的每一端上的链接将力应用于接触感应筒以改变所选择的才莫 式的谐振频率。接触感应筒传感器基于EMAT的非接触绝缘的特性，并接触 筒的末端以测量在筒体的末端上应用的力。然而，该传感器不检测应用于该筒 的主要表面或中心部件的接触。
因此，存在对于改进的声波接触杆系统和使用方法的需要。

发明内容
某些实施例提供声波接触杆系统和使用方法。声波接触杆系统的某些实施 例包括杆，其包括在杆中形成的声腔和形成用于使接触杆系统动作的接触表 面的声腔的表面，该声腔的每单位面积的质量大于接近腔的杆的部分的每单位 面积的质量；以及声波换能器，其定位于杆的声波腔中，换能器产生在声腔中 被充分捕捉的声波，其中腔的接触表面上的接触产生在换能器的输出中可检测 的改变。
在实施例中，在杆中产生的声波引起在杆中的驻波。在杆中产生的声波是 扭转波或其它的波。换能器是电磁声换能器、压电换能器或其它换能器。
在实施例中，杆包括具有形成所述声腔的减小的横截面的至少两个部分。 将换能器固定或以其它方式定位于声腔中的杆上。杆可以是电致伸缩或磁致伸 缩杆或其它材料。杆可以是推杆。杆可以由金属或陶瓷材料形成。在实施例中， 声腔的至少一部分是杆的组成的部分。该系统还可以包括用于将所述杆连接到 表面的凸缘或连接器。
在一实施例中，该系统包括与所述换能器连接的接触检测电路。接触检测 电路可以包括可编程微处理器。在实施例中，微处理器能够动态地重新校准声 波接触杆系统。
声波接触杆系统的某些实施例包括杆，其中所述杆包括两个减小的横截 面，在减小的横截面之间的杆的部分中形成声腔；声波换能器，其定位于杆的 声波腔上，其中所述换能器产生在声腔中被充分捕捉的声波；以及电路，其与 所述换能器连接并响应于所述换能器的特性的改变以检测在所述杆的接触表 面上的接触。
在一实施例中，杆中产生的声波引起在所述杆中的驻波。电路可以检测表 示杆的接触表面已经被接触的换能器的输出中的改变。在一实施例中，电路是 振荡电路，振荡电路在所述杆的接触表面上无接触时振荡，并且响应于所述杆 的接触表面上的接触而减少振荡。电3各可以是可编程电i 吝。电3各可以是适应电 路，适应电路动态地适应于应用、环境和所述换能器中的至少一个的改变。在 一实施例中，电路响应于声波以确定表示用于采样间隔的声波衰減到预定的等 级的时间段的数量，其中电路将用于采样间隔的数量与接触参考值相比较以检 测在采样间隔期间在所述杆上的接触。电路可以包括处理器和存储器，其中预 定的等级是可设计的，其中处理器确定接触参考值。
在一实施例中，声腔的至少一部分是所述杆的组成部分。在一实施例中， 杆可以是电致伸缩材料或磁致伸缩材料或其它材料形成。在实施例中，声波是 驻波。
用于检测接触响应杆上的接触的方法的某些实施例包括在杆中形成的減 小的横截面的两个区域；在减小的横截面的两个区域之间的杆中建立声波腔； 在杆的声波腔部分中建立凹入处；在凹入处中定位换能器以产生声波腔中的声 波；以及基于换能器的输出中的改变提供接触检测信号以检测杆上的接触。
用于检测接触响应杆上的接触的方法的某些实施例包括在杆的接触响应 部分中产生驻声波；确定代表接触响应区域的声波衰减到无接触时的预定的等 级的时间的值；将该值与参考值相比较以确定随后的值是否表示在杆的接触响 应部分上的接触；以及产生表示在杆的接触响应部分上接触的信号。
在一实施例中，所述方法包括自诊断能力以提高接触响应杆的操作。如果
所述值不代表接触，则更新参考量。在一实施例中，所述方法也包括更新用于 检测接触的参考量。如果所述值不代表接触并且所述值与参考量不同，则更新 参考量。如果所述值不代表接触并且所述值与参考量不同，则更新参考量。基 于表示用于釆样间隔的声波信号衰减到在杆的接触响应部分上无接触时的预 定的等级的时间段的至少一个数量，确定接触参考量。将声波的幅值与预定的 幅值相比较，以当声波的幅值小于预定的幅值时，产生脉冲。


图1说明根据本发明的实施例使用的接触感应杆；
图2示出根据本发明的实施例的相对接触感应杆定位的换能器的侧视图； 图3描述根据本发明的实施例的相对接触感应杆定位的换能器的端视图； 图4示出根据本发明的实施例使用的接触检测系统； 图5描述根据本发明的实施例的定位在接触感应杆的声腔中的换能器； 图6说明根据本发明的实施例在接触感应杆的外部上机械加工的减小的 横截面的示例；
图7说明根据本发明的实施例在接触感应杆的外部上机械加工的减小的 横截面的示例；
图8描述根据本发明的实施例的可以用于将接触感应杆连接到表面的尾 端件或凸缘；
图9说明根据本发明的实施例使用的接触检测电路；
图10描述由一个或多个脉冲驱动的未接触的声波腔中的声波；
图11说明代表在由合成混合物手套接触的声波腔中的声波的换能器信
号；
图12说明代表在由手指接触的声波腔中的声波的换能器信号； 图13描述根据本发明的实施例的用于接触检测的流程图； 图14描述根据本发明的实施例的用于接触检测的流程图。
具体实施例方式
图l说明根据本发明的实施例使用的接触感应杆100。可以如空心或实心 的棒、管或筒的形成杆100。杆100还可以具有非圆形的横截面，例如椭圆或 矩形的横截面。如果构造杆100为管，管可以包括通过管的内部的管道或通道。
例如，管可以包括弯曲的(例如，圆形或椭圆的)通道或直的(例如，矩形、 正方形或梯形的)通道。杆100可以由例如不锈钢或铝等金属、陶乾或类似的 物质形成。在实施例中，杆100可以由磁致伸缩的金属(例如，当引入磁场时 金属的尺寸改变)、电致伸缩的金属(例如，当引入电场时金属的尺寸改变)
和/或其它材料形成。根据应用，杆100可以形成为各种厚度和/或直径(例如， 100毫米(mm))。
通过在杆100中形成横截面减小的二个区域或部分,在杆100中形成声腔。 杆100可以敏感于棵露的皮肤的接触或戴手套的接触。杆100可以是能够移动 的推杆或固定的杆。可以将杆100在表面上垂直地和/或水平地定位。例如， 杆100可以是垂直地安装在公共汽车和火车门上的3英尺长、1英寸直径的杆。 可以将杆100嵌入表面和/或将杆IOO从表面上突出。
可以将换能器200附着于或定位在杆100的声波腔部分中。例如，可以将 换能器200定位在杆100的声腔的侧面上的凹入处、凹口、凹槽或其它的区域 中。图2示出相对杆100定位的换能器200的侧视图。图3描述相对杆100 定位的换能器200的端视图。在实施例中，通过换能器的适当选择，杆100 工作在非常宽的频率范围中，例如50KHz到3MHz。可以通过例如使用环氧 树脂的粘合、铜焊、焊接和/或将换能器200附着到杆100的别的方式，将换 能器200附着于或以别的方式定位于杆100上，同时将声能损失减到最小。换 能器200可以是压电元件、电磁声换能器(EMAT)或其它的换能器。例如， 可以将压电换能器定位在杆100中的凹入处中，该压电换能器是由铅、锆和钛 酸盐(PZT)化合物形成的30mm厚、5英寸长、30mm宽的压电换能器。
图4示出根据本发明的实施例使用的接触检测系统。在工作中，将例如5 或IO伏特(V)的脉冲应用于换能器200。在实施例中，可以通过例如从1到 30 V中的任意值的各种电压对换能器200提供电能。脉沖使得换能器200振 动或摇动金属。在换能器200中的振动产生杆100中的例如扭转波等的波。在 实施例中，换能器200起倒易换能器的作用。即，对换能器200应用电压引起 形成杆100中的波的振动。另外，在换能器200上接收振动引起电压输出。使 用换能器200，在杆100中形成声腔，并且通过接触检测电路300检测信号响 应的变化以表示杆IOO上的接触。在换能器200 "颤音"之后，随着放大器400
不起作用，检测电路300等待计算的或预先确定的延迟时间。在延迟已经过去
之后，启用放大器400，计算返回换能器200的脉沖。可以以某个数量的时间 来计算脉冲以确保脉沖已经下降到电压阀值之下。然后，检查脉沖计数以判断
计数是否在计数阀值之下。然后，确认杆100上的接触。产生任何极性的输出 信号(即，在接触的上方或在接触的下方)以通知外部系统杆100已经被接触。 在实施例中，基于输入电压范围来调整输出。
可以以多种方式提供表示已经在杆IOO上检测到接触的反馈。例如，检测 电路300可以使呼叫器等向用户提供接触已经触动杆100的声音反馈。可选择 地，检测电路300可以使灯等提供接触的视觉表示。另外，检测电路300可以 响应于接触使外部系统动作或向外部系统报警，例如机制的打开或关闭等。
在金属中，截止频率可以与金属的厚度成反比。如果以低于较薄区域的截 止频率的频率在较厚区域激励金属，则可以在金属的较厚区域捕捉产生的声 波。可以调整频率以产生在较厚区域中的驻波。与距离无关，可以产生驻波。 在实施例中，使用泛音替代基频以产生在截止频率之下的驻波。由在杆100 中产生的声腔中的换能器200形成驻波。
本发明的某些实施例可以使用能够在声波腔中被充分捕捉的任何类型的 声波。仅为了说明的目的，在下面的描述中使用扭转波。通过杆100的长度可 以产生扭转波。由于扭转波不敏感于杆100的表面上的液体和其它的污染物， 因此扭转波是有利的。由于可能不能充分地捕捉基本或零阶模式的扭转波，因 此根据本发明使用较高阶的扭转波模式。应该理解，由于声波被捕捉，所以该 声波是驻波。驻波具有胜过沿着基底中的路径传播或行进的声波的多个优点。 例如，传播的波不限于传播的主要路径，而是可以从使接触检测变复杂的主要 路径中分散出来。这与本质上限于腔区域的驻波相反。由于声波受到限制，因 此可以容易的实现接触检测。另外，不在沿着路径的任何位置存储传播的声波 的波能量。 一旦声波通过沿着路径的点，该点处则无波能。这使得对于使用传 播的声波的接触检测的定时和控制非常关键。由于在腔中存储驻波能量，因此 不存在驻波的定时或控制问题。另外，传播的声波不是谐振(resonating)波。 同样地，当声波行进时，波能量衰减。驻波是谐振的从而使波加强并延长。作 为结果，驻波具有比不受限制的波大得多的波幅。
应该理解根据本发明还可以以多于一种的模式对腔进行控制。此外，不需 要沿着杆100中的声腔的中心线放置换能器200。可以在临近腔的边缘的腔上
放置换能器200。还可以在距腔的边缘留有间隔的腔上放置换能器200。可以 选择从换能器到腔边缘的距离以选择性的取消某些模式。
本发明的声波腔具有例如400阶的高Q。在l-5MHz范围的接触声腔的表 面吸收的能量的数量对频率不是特别的敏感。在杆100的表面上的光接触将Q 降低2.5的因数，即从400到160。同样地，通过将换能器200并入非常基本 和简单的电路，可以容易地检测杆100的声腔接触表面上的接触从而产生表示 接触的信号。在杆100中的腔的表面上的接触吸收腔中的声能量，并导致换能 器200的输出信号的可容易检测的降低。存在接触时，换能器200的输出信号 降低到由用户或系统设定的阈值等级之下。无接触时，换能器200接收到的信 号以某一幅值振荡，并且，当存在接触时，振荡消除。通过检测振荡的状态， 产生表示杆100上发生接触的信号。
声波腔捕捉在杆100的内部的腔中的驻波或谐振声波。同样地，声波腔是
声波谐振腔。该腔可以用于捕捉各种类型的声波。例如，可以沿着腔的中心线
或直径定位换能器200以产生比在杆100的腔中的零阶模式高的模式的被捕捉 的扭转波。还可以通过通常与杆腔的中心准直的EMAT产生该种扭转波。然 而，可以相对腔定位一个或多个换能器200以产生除了扭转波之外的被捕捉的 或谐振的声波。应该理解，实施例不限制于任何特定类型的谐振声波。
如图5所示，在杆100的声腔部分中的凹入处110中定位换能器200来产 生具有泛音驻波的谐振腔。可以机械加工、雕刻、蚀刻、研磨、冲压、撞击和 /或以别的方式形成杆100中的横截面减小的区域，以形成用于驻波的谐振腔。 例如，可以在接近杆100的每一个远端上机械加工横截面减小的区域以通过杆 100的长度形成谐振腔。可以在杆的内部和/或外部上形成凹入处、深沟和/或 横截面减小的其它区域。可选择地，可以沿着杆100的内部和/或外部增加材 料以形成谐振腔。
图6和7说明在杆100的末端附近的外部上机械加工减小的横截面120 的示例。仅为了说明的目的，图6和7中描述的减小的横截面120是一英寸长、 0.02英寸深，但是根据应用、材料和/或其它的环境的考虑，减小的横截面120
可以是多个宽度和深度中的任何一个。如图6所示，可以使用导线或其它的连
接介质将换能器200连接到检测电路300或其它外部系统。图8描述可以用于 将杆100连接到例如墙或门等表面的尾端件或连接器150。连接器150可以隐 藏换能器200和检测电路300和/或外部系统之间的连接物。
可以通过软件、固件和/或硬件控制换能器开关的特性。可以编写程序或 以别的方式配置微处理器或其它检测电路以对换能器开关提供其特性。检测电 路可以进行噪声降低和/或其它的信号处理以允许杆100和换能器的机械加工 不准确。在实施例中，可以监控并动态地调整换能器开关和检测电路以帮助确 保可靠的工作。
在实施例中，换能器在杆100中的声腔中产生驻波。换能器还接收反馈作 为驻波的结果。例如，可以使用微处理器、微控制器和/或其它检测电路等监 控驻波的指数衰减响应。在某些实施例中，可以使用检测电路来监控或查询杆 100中的例如扭转波等的声波。电路可以使用一个或多个经过(pass)来监控 杆100以检测波的变化。例如，可以测量30到60个经过(pass )以使用声波 确定杆100上的接触。检测电路计算周期或经过(pass)的数量以达到电压阈 值(例如，100个经过达到200毫伏特(mV))。当杆100被接触时，指数衰 减响应减少，并且由检测电路检测的计数也减少(即，更快地达到电压阈值)。
可以单独地和/或猝发的传送脉冲，例如10个脉沖的猝发，以减少噪声影 响。可以预先确定脉冲特性，例如通过每个猝发的脉冲的数量和猝发的频率来 确定脉冲特性。例如，可以规定每13毫秒触发7个脉冲的猝发。可以根据应 用和操作环境调整脉冲配置。
在一实施例中，检测电路在检查信号计数的某个窗口之前等待某个延迟。 窗口可以是静态的和/或根据应用和/或操作条件偏移。在实施例中，"正常的" 阈值是由检测电路存储的150。杆100的接触将计数降低到30。如果计数小于 某个值N,则然后信号计数差或"窗口，，，即AN，增加。例如，如果Nu表示 未接触的计数，Nc表示当前的计数，则厶N-Nu-Nc。如果AN超过某个数， 则然后;f佥测到4妻触。如果检测到接触，则传送信号，将接触通知外部系统。
在一实施例中，调整AN以补偿杆100的未接触的计数的改变。例如，如 果计数从高的数量转变到低的数量，则表示接触。如果计数从低的数量转换到
高的数量，则已经移除接触并且可以确定另一个未接触的计数。根据未接触的
计数可以改变窗口 AN以维持或改变检测电路的灵敏度等级。如果杆100指示 了多于某个时间的接触，电路可以假定杆100实际上未被接触，而是条件已经 改变，并且可以确定新的计数阈值N。在一实施例中，可以基于接触感应杆 100的希望的应用来调整灵敏度。
在一实施例中，换能器开关电路是自诊断的以帮助确保开关的可靠性。检 测电路可以追踪计数N，以帮助确保计数保持在某个数量之上。检测电路可以 发送信号到主处理器，来表示检测电路和/或换能器开关的状态。低的计数、 迅速改变的计数、计数信号缺失、指数衰减的缺失和/或错误信号的接收通知 主处理器在换能器中已发生错误，例如换能器连接中断、脱离的或不牢固的换 能器或其它的电路错误。
在一实施例中，随着时间可以跟踪计数N。如果N以某个速度减小，可 以传送信号表示换能器开关故障并且希望维护。从而，换能器开关和检测电路 可以提供预先的故障分析。
当由换能器产生的激励脉沖的数量增加时，信号的强度增大。可以使用增 大的信号强度补偿开关中的制造的不同。另外，温度和金属厚度的改变可以改 变用于杆100的谐振频率。在一实施例中，可以足够宽范围的确定sine函数 ((sinex)/x，或激励脉沖的傅立叶(变换)，以使得即使谐振频率改变，范 围也不会改变很多。当由换能器产生的脉沖的数量增加时，函数变陡。某些实 施例通过增加产生的脉沖的数量补偿信号幅度。
在一实施例中，检测电路在某个延迟已经过去之后检查信号计数。可以以 平均的计数或声腔值作为给定值的中心，例如十六进制的A0。然后，可以调 整延迟以使计数最优化。最适宜的延迟可以根据操作的时间而改变(例如，将 在系统启动时与数小时的工作之后相比)。可以监控延迟和/或周期性地重新计 算以适应变化的条件。例如，如果接触计数值在多于表示接触的某个时间段(例 如，多于5分钟)中处于预计的阈值之下，则然后重新校准延迟以解决不正确 的接触表示。另外，如果接触值在某个时间段(例如，接近3.5秒)中处于某 个阈值之上，则然后重新校准延迟。
类似地，可以周期性地检查平均腔值或计数以调整阈值N。当平均腔值改
变时，确定新的接触计数阈值。另外，可以周期性地确定新的阈值(例如，每 10个扫描)以帮助确保阈值有效。在一实施例中，以充分连续的方式计算平 均接触计数(即，运行平均数)。
可以类似地监控和调整腔窗口 AN。时间窗口 AN尝试维持平均计数附近 的严格的范围以允许系统快速地工作。在实施例中，可以将两个标准应用于腔 窗口的校准。例如，如果腔值落入小的窗口中，则可以每10个扫描一次的来 校验和调整腔窗口。根据腔值与阈值的差值，可以每50个扫描一次的来校验 和调整腔窗口。
在系统初始化后的某个时间段之后，可以由系统检查例如计数值、时间窗 口以及延迟值等系统状态。如果系统状态满足一个或多个标准，则然后保存延 迟值。如果系统状态不满足，则然后系统等待另一个延迟时间段，并再检查系 统状态。系统可以重复动作直到值落入对于系统工作可以接受的范围。可以调 整和监控系统直到获得希望的操作。例如，在启动时重度地校准系统并在正常 工作期间轻度地重新校准系统，以帮助确保接触检测系统在希望的范围内运 转。
图9说明根据本发明的实施例的接触检测电路10的示例。电路10包括连 接到放大器49的声波换能器200。在一实施例中，放大器49是10倍增益的 放大器。将电容器连接到换能器200和放大器49之间。将放大器49的输出连 接到控制器30。将电容器32连接到放大器输出和一对电阻器36和39之间。 电阻器36、 39设置换能器信号的直流(DC)电平。控制器30驱动换能器200 以产生在采样间隔的第一部分中的杆100的声腔中的声波信号。在采样间隔的 第二部分中，控制器30响应于从换能器200接收到的放大信号，该放大信号 代表声波腔中的声波。控制器30分析信号以获得感觉事件，例如是通过元件、 材料、合成物、液体等在杆IOO上的接触。可以将电路IO安装在具有换能器 200的杆100之中或之上，或者可以将电路10定位在与换能器200通信或连 接的杆100的外部。
控制器30可以是例如PIC12F683微控制器、其它微控制器或电路。控制 器30包括具有关联的存储器的微处理器40、脉冲发生器42、比较器44以及 计时器或计数器45。放大器49将换能器200信号的幅值增大到由控制器30
能够使用的适当的等级。在微处理器40的控制下，脉沖发生器42向换能器 200输出 一个或多个驱动脉冲以产生声波腔中的谐振驻声波(resonant standing acoustic wave )。可以将代表声波腔中的声波的、来自换能器200的信号放大， 并将其传送到用于与电压参考50比较的比较器44。
可以通过在采样间隔的第一部分中的来自控制器30的一个脉冲来驱动换 能器200。可选择地，可以通过多个脉冲驱动换能器200,在该条件下脉沖频 率应该在杆100声腔的谐振频率的百分之十到十五之内。更适宜地，脉沖频率 是在腔的谐振频率的加上或减去百分之五之内。在第一个间隔过程中，当将信 号(例如，5V信号)应用到放大器49的输入时，使放大器49不起作用以防 止驱动过度。
当由一个或多个驱动脉冲驱动换能器200以产生腔中的谐振声波时，在将 驱动脉冲停止应用到换能器200之后，声波继续在腔中谐振，但是波的幅值随 着时间逐渐减小。在图10中描述穿过换能器200的电压，该电压代表在由一 个或多个脉冲驱动的未被接触的声波腔中的声波。图ll说明代表在由合成混 合物手套接触的声波腔中的声波的换能器信号。图12说明代表在由手指接触 的声波腔中的声波的换能器信号。如同可以从图10-12中所看到的，已经被接 触的声波腔中的声波信号(图11和12)比在未被接触的腔中的声波(图10) 在更短的时间段衰减到预定的等级。控制器30确定代表采样间隔的声波信号 衰减到预定的等级的时间段的值，控制器30将用于采样间隔的确定的值与接 触参考值相比较，以检测在采样间隔过程中声波腔上的接触的存在。在一实施 例中，在采样间隔的给定的扫描计数时间过程中，代表声波信号衰减到预定的 等级的时间段的值是声波信号的间隔的数量，声波信号具有超出预定的等级的 幅值。
更特别地，在采样间隔的第二部分中，通过控制器30使放大器49起作用， 并放大换能器200信号。将换能器信号连接到比较器44的一个输入。比较器 将声波信号与由微处理器/存储器40向比较器44的第二输入输入的预定的参 考电压相比较。较佳地，电压参考50是可设计的值。当声波信号超过参考信 号时，比较器的输出变高；当声波信号下降到参考信号之下时，比较器的输出 变低。由于声波信号是循环的，因此比较器产生用于声波的每一个间隔的输出 脉冲，该声波大于预定的参考值。将比较器44的输出连接到计数器45,如下 面具体论述的，计数器45计算在扫描计数时间过程中产生的脉冲的数量。将 脉冲的数量应用到微处理器40,脉冲的数量代表声波信号衰减到由参考信号 50表示的预定的等级的时间段。微处理器40响应于从计数器45输出的数量 以将该数量与代表感应事件或在接触检测电路的条件下代表在声波腔上的接 触的第二参考值相比较。
图13和14描述根据本发明的实施例的用于接触检测的流程图500。首先， 在框504中，将接触检测电路10初始化。在初始化过程中，微处理器40初始 化各种设置和变量。然后，微处理器4 0使用脉冲的幹发开始初始化扫描以驱 动换能器200产生在杆100中的凹入处120之间的声波腔中的谐振声波。即使 换能器200产生代表在每个扫描或采样间隔中的声波的信号，在初始化扫描处 理过程中，微处理器4 0也不分析声波信号。当首次打开电源时，初始化扫描 允许系统稳定。在一实施例中，应注意每个扫描，即采样间隔，是非常短的， 其处于200微秒到4毫秒的等级中，从而使进行初始化扫描的20个扫描使用 的时间是可以忽略的时间段。
在框506中，将"腔值"设置为当前的"接触计数"。"腔值"代表未接触 状态的运行平均值，并按下面所描述的进行计算。"接触计数"是在用于一个 采样间隔或扫描的扫描计数时间的过程中产生的来自计数器45的计数。在框 508中，扫描开始，即采样间隔开始。特别地，在框508中，微处理器40控 制脉冲发生器42以向换能器200提供例如6到10个脉冲，从而驱动换能器 200产生用于一个采样间隔的在杆100的声波腔中的声波。
在框510中，检查"接触计数"，即对于给定的扫描由计数器45计算的脉 冲的数量。保存接触计数用于电路10的比较和/或调整。微处理器40判断"接 触计数"是否小于当前阈值。使用当前阈值作为接触参考值。在一实施例中， 可以向当前阈值增加"threshold—adjust阈值—调整"值以补偿在电路10中的电 流泄漏。当前阈值可以是固定的值，或者可以确定当前阈值以补偿偏移或其它 的改变。如果"接触计数"值小于阈值，即接触参考值，则微处理器40将"当 前接触"标记设置为1。如果"接触计数"值不小于阈值，则微处理器40将 "当前接触"标记设置为0。
在框512中，检查一定数量的先前的扫描。例如，微处理器40判断用于 10个连续的扫描或采样周期的"接触计数"值是否已经表示接触或无接触条 件。微处理器40在登记实际的接触之前寻找IO个连续的接触表示，以防止作 为与声波腔的短暂的接触的结果在输出GpO上表示接触。类似地，微处理器 40在输出GpO上登记无接触条件之前寻找10个无接触表示，用于检测处理的 稳定性。更特别地，微处理器40判断"接触计数"值是否匹配来自早先扫描 的"当前接触，，值。如果是，则在框514中，增加当前接触计数值。此后，在 框516中，微处理器40判断当前接触计数是否匹配接触迟滞值。接触迟滞值 代表在输出GpO上报告实际的接触之前检测的连续的接触值的数量。在该示 例中，设置接触迟滞值等于10。如果当前接触值不匹配先前的当前接触值， 则微处理器40将当前接触计数复位。然后，微处理器40通过发出预编的多个 脉冲，触发新的釆样间隔，即新的扫描，以驱动换能器200。类似地，如果接 触迟滞值未被匹配，则微处理器40触发新的采样间隔。
在框518中，当接触迟滞值已经满足表示IO个连续的接触或IO个连续的 无接触检测时，报告接触或无接触信号。例如，基于表示接触或无接触条件的 10个连续的扫描，微处理器40在GpO上提供接触或无接触信号。
在一实施例中，如果系统处于诊断模式，则微处理器40报告各种诊断数 据，例如声波腔的当前接触或无接触条件、"接触计数"的当前值、当前"腔 值"、阈值的当前值、低侧腔计数、高侧腔计数以及"阈值调整"。微处理器 40或其它外部处理器还可以进行在电路10和换能器200上的各种诊断测试。 作为诊断的结果，可以产生表示错误的信号。
如果报告接触，在框532中触发新的扫描。如果报告的条件是无接触条件， 则然后，在框520中，更新"腔值"，该"腔值"代表用于未接触的声波腔的 运行平均接触计数值，从而也能够更新接触阈值。"腔值"确定用于检测接触 或无接触条件的阈值或接触参考值。更新接触阈值以补偿由于温度的变化的漂 移等。
在框522中，微处理器40将"接触计数"与"腔值"比较。此后，如果 两个值不相等，则微处理器40确定腔方向。如果当前"接触计数"大于"腔 值"，则腔方向向上；如果当前"接触计数"小于"腔值"，则腔方向向下。微处理器40计算当前"接触计数"和"腔值"之间的差值。
在框524中，将"接触计数"和"腔值"之间的差值与"比较值"相比较。 微处理器40可以选择比较值，通过基于腔值或其它标准的查找表来确定比较 值。如果差值小于所选择的比较值，则微处理器40根据腔值方向增加或减少 腔值。具体地，如果腔值方向向上，则将增加"腔值"。如果腔值方向向下， 则将"腔值"减l。因此，在框526中，改变腔值以使腔值代表用于无接触的 声波腔的接触计数的运行平均值。应该是显然的，也可以使用产生接触计数的 平均值的其它方法。
在框528中，从与形成声波腔的材料有关联的查找表来更新代表接触阈值 的阈值。在一实施例中，查找表存储与不同的"腔值"或不同的腔值范围相应 的多个阈值，以使得将基于"腔值"选择阈值。这样，更新接触阈值从而解决 由温度改变引起的漂移。注意，代替使用查找表，阈值可以是作为"腔值"的 函数计算的值。在框530中，为了报告GpO新的接触条件或无接触条件，将 "接触计数"值复位到O。如果"接触计数"和"腔值"之间的上面计算的差 值大于上面确定的"比较值"，则不更新"腔值"和阈值。在框532中，触发 新的采样间隔，即新的扫描。
在框532中，微处理器40发出编制的多个脉冲以驱动换能器200产生用 于扫描的，即一个采样间隔的在声波腔中的声波信号。应该是显然的，可以使 用任何数量的脉冲以在釆样间隔的第一部分中在声波腔中产生谐振的声波。微 处理器40控制脉冲发生器42以在扫描或采样间隔的第一部分将编制数量的脉 冲输出到换能器200。
微处理器40装载扫描计数时间。扫描计数时间是时间段，在该时间段过 程中计数器45操作于计算来自比较器44的输出脉冲。微处理器40可以清除 计时器中断标志以允许新的中断产生。微处理器40将计数器45复位。每当计 数器45被复位为0,计数器45开始计算从比较器44输出的脉沖。微处理器 40还开启用于对扫描计数时间进行计时的计时器。基于表示用于当前采样间 隔的扫描计数时间已经完成的计时器中断的发生，可以重复该处理，从而可以 开启新的扫描或采样间隔。如上面所论述的，扫描计数时间代表采样间隔的第 二部分，其中计数器45计算由比较器44产生的脉沖。
因此，某些实施例提供基于声波的特性能够检测接触的接触感应杆100。 某些实施例使用换能器传送驻波并计数返回接收的环或信号峰值。某些实施例
适应AN的改变和/或例如传送的脉冲数量和接收反馈的改变。某些实施例获
得不平常的条件和/或与杆过多接触的平均数以提供可靠的开关。某些实施例
提供不受液体影响的开关或指示器。可以配置杆100在例如从1到50V的电 压的宽的改变中和/或应用到换能器的反向电压中操作。在一实施例中，如果 当某人正在接触杆100时，应用到杆100的电源丢失，则可以存储最后的无接 触计数以当电源恢复时使用接触信号校准检测电路。
某些实施例提供接触感应杆以用作检测戴手套的或棵露的手的接触的入 口推杆、信号杆或其它接触检测系统。例如，可以将杆垂直地和/或水平地连 接到门或墙上，例如往返列车或自动门，以向系统提供通知应该开或关门或某 些其它事件发生。某些实施例检测和报告沿着杆的长度的任何地方上的接触。
虽然参考一个或多个最佳实施例已经描述了本发明，但是本领域的技术人
员将明白，不脱离本发明的范围，可以进行改变和等同物的替换。另外，不脱 离本发明的范围，可以进行多种修改以将特别的步骤、结构或材料适应于本发 明的技术。因此，本发明不限于所揭示的特定的实施例，而本发明将包括落入 所附权利要求的范围内的全部实施例。
权利要求
1.一种声波接触杆系统，包括:杆，其包括在杆中形成的声腔和形成用于使接触杆系统动作的接触表面的声腔的表面，该声腔的每单位面积的质量大于接近腔的杆的部分的每单位面积的质量；以及声波换能器，其定位于杆的声波腔中，换能器产生在声腔中被充分捕捉的声波，其中腔的接触表面上的接触产生在换能器的输出中可检测的改变。
2. 根据权利要求1所述的声波接触杆系统，其中在所述杆中产生的声波 生成在所述杆中的驻波。
3. 根据权利要求1所述的声波接触杆系统，其中在所述杆中产生的声波 是扭转波。
4. 根据权利要求3所述的声波接触杆系统，其中所述换能器是厚度扭转 波压电换能器。
5. 根据权利要求1所述的声波接触杆系统，其中所述杆包括至少两个部 分，该部分具有形成所述声腔的减小的横截面。
6. 根据权利要求1所述的声波接触杆系统，其中所述换能器附着于所述杆。
7. 根据权利要求1所述的声波接触杆系统，其中所述输出包括所述换能 器的指数衰减响应。
8. 根据权利要求1所述的声波接触杆系统，其中所述杆包括推杆。
9. 根据权利要求1所述的声波接触杆系统，其中声腔的至少一部分是杆 的组成部分。
10. 根据权利要求1所述的声波接触杆系统，其中杆由金属或陶瓷材料形成。
11. 根据权利要求1所述的声波接触杆系统，进一步包括与所述换能器连 接的接触检测电路。
12. 根据权利要求11所述的声波接触杆系统，其中所述接触检测电路包 括可编程微处理器。
13. 根据权利要求12所述的声波接触杆系统，其中所述微处理器能够动 态地重新校准所述声波接触杆系统。
14. 根据权利要求1所述的声波接触杆系统，进一步包括用于将所述杆连接到表面的连接器。
15. —种声波接触杆系统，包括杆，其中所述杆包括两个减小的横截面，在减小的横截面之间的杆的部分中形成声腔；声波换能器，其定位于杆的声波腔上，其中所述换能器产生在声腔中被充 分捕捉的声波；以及电路，其与所述换能器连接并响应于所述换能器的特性的改变以检测在所 述杆的接触表面上的接触。
16. 根据权利要求15所述的声波接触杆系统，其中在所述杆中产生的声 波生成在所述杆中的驻波。
17. 根据权利要求15所述的声波接触杆系统，其中所述电路是振荡电路， 振荡电路在所述杆的接触表面上无接触时振荡，并且响应于所述杆的接触表面 上的接触而减少振荡。
18. 根据权利要求15所述的声波接触杆系统，其中所述电路包括可编程 电路。
19. 根据权利要求18所述的声波接触杆系统，其中所述电路包括适应电 路，适应电路动态地适应于应用、环境和所述换能器特性中的至少 一个的改变。
20. 根据权利要求15所述的声波接触杆系统，其中声腔的至少一部分是 所述杆的组成部分。
21. 根据权利要求15所述的声波接触杆系统，其中所述杆由电致伸缩材 料和磁致伸缩材料中的至少一个形成。
22. 根据权利要求15所述的声波接触杆系统，其中所述电路响应于声波 确定表示时间段的数量，在该时间段，用于采样间隔的声波衰减到预定的等级， 其中电路将用于采样间隔的数量与接触参考值相比较以检测在采样间隔期间 在所述杆上的接触。
23. 根据权利要求22所述的声波接触杆系统，其中所述电路包括处理器 和存储器，其中预定的等级是可设计的，其中处理器确定接触参考值。
24. 根据权利要求15所述的声波接触杆系统，其中所述杆包括管。
25. —种用于4全测接触响应杆上的接触的方法，包括 在杆中形成减小的横截面的两个区域；在减小的横截面的两个区域之间的杆中建立声波腔； 在杆的声波腔部分中建立凹入处； 在凹入处中定位换能器以产生声波腔中的声波；以及 基于换能器的输出中的改变提供接触检测信号以检测杆上的接触。
26. —种用于检测接触响应杆上的接触的方法，所述接触响应杆包括接触 响应部分，所述方法包括在杆的接触响应部分中产生驻声波；确定代表接触响应区域的声波衰减到无接触时的预定的等级的时间的值； 将该值与参考量相比较以确定随后的值是否表示在杆的接触响应部分上 的接触；以及产生表示在杆的接触响应部分上接触的信号。
27. 根据权利要求26所述的方法，进一步包括更新用于检测接触的参考量。
28. 根据权利要求27所述的方法，进一步包括如果所述值不代表接触， 则更新参考量。
29. 根据权利要求27所述的方法，进一步包括如果所述值不代表接触并 且所述值与参考量不同，则更新参考量。
30. 根据权利要求26所述的方法，其中基于表示用于采样间隔的声波信 号衰减到在杆的接触响应部分上无接触时的预定的等级的时间段的至少一个 数量，确定接触参考量。
31. 根据权利要求26所述的方法，其中所述比较步骤进一步包括将声波 的幅值与预定的幅值相比较，以当声波的幅值小于预定的幅值时，产生脉冲。
32. 根据权利要求26所述的方法，进一步包括放大所述值以与参考量比 较，以判断是否随后的值代表在杆的接触响应部分上的接触。
全文摘要
提供声波接触杆系统和使用方法。声波接触杆系统包括杆，其中所述杆包括两个减小的横截面，在减小的横截面之间的杆的部分中形成声腔。该系统包括声波换能器，其定位于杆的声波腔上，其中所述换能器产生在声腔中被充分捕捉的声波。该系统还包括电路，其与所述换能器连接并响应于所述换能器的特性的改变以检测在所述杆的接触表面上的接触。该电路可以是可编程的和/或适应电路。该电路可以检测表示杆的接触表面已经被接触的换能器的指数衰减响应中的改变。
文档编号G06M7/00GK101375236SQ200680025116
公开日2009年2月25日 申请日期2006年7月21日 优先权日2005年7月22日
发明者塔伦斯·J.·诺尔斯, 查尔斯·F.·布雷米根三世, 韦恩·J.·维赫尔 申请人:伊利诺斯工具制品有限公司