专利名称：键盘乐器琴键状态的无改装非接触检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种对键盘类乐器在演奏中的琴键运动状态，进行无改装、非接触方式检测的装置。在键盘乐器上配置及使用该装置，不需与乐器琴键及联动部件接触，不需在乐器内外固定安装任何辅助器件，不需要对乐器进行拆卸或改装。本装置结合配套软件，可用于对乐器演奏者的演奏准确性进行精准的量化评估或打分，对学习者弹奏指法进行指导和监督，帮助练习者纠正错音和错误指法，将演奏者演奏的音符序列进行准确记录，或录制为MIDI音乐，通过电脑或MIDI设备进行回放，还可用于测试键盘乐器琴键的极限振奏频率。
背景技术：
目前，键盘乐器琴键状态的检测有多种方式。专利ZL200620123965. 0公开了一种 “电子键盘乐器的键操作检测装置”，该装置在琴键联动部件上安装弹性突起，利用琴键运动产生的压力来感应琴键状态的变化；公开号为CN1457036A的专利公开了一种“钢琴键盘动作的检测装置”，在琴键联动部件上安装了光栅，在钢琴内部固定安装了光发射器和接收器，利用光栅脉冲数的变化来感应琴键状态的变化。另有电磁感应式、弹性接触式等检测方法或装置。这些装置所用方法的共同特点是，必须对原始乐器进行拆解，并在乐器内部加装辅助感应器件，对原始乐器进行不同程度的改装，缺点是其一，对乐器进行改装，必须专业人员才能进行，乐器使用者不能根据自身需要进行方便快捷的安装或去除。其二，在乐器内部空间内或联动部件上加装任何装置或改装任何部位，都无法保证贵重精美的乐器丝毫无损，并且可能因此破坏乐器原有的物理完整性。其三，因为乐器内部空间一般是乐器的共鸣腔，所以也可能影响乐器原有的声音品质。其四，采用的技术与方法比较复杂，调校也相对复杂，不易校准。其五，由于在乐器内分散加装辅助器件，装置不能独立于乐器而自成体系， 不易安装，不易维修，因此不易普及推广应用。
发明内容
针对目前已有琴键动作或状态检测技术及方法中存在的缺点，本发明实现了一种对琴键状态进行无改装、非接触检测的装置。本装置利用反射式红外线光耦合器作为检测单元，利用光耦合器投射到键体光滑表面的红外线反射光作为信号源，检测单元被垂直悬空置于琴键根部上方，与琴键上表面有明显可见的垂直距离，琴键按下或弹起都不会与检测单元发生接触，实现了非接触目标。本装置利用琴键根部约1厘米的纵向空间，靠自身重力，以两端为支承，立靠在键盘两端的琴体外壳上，实现了无改装目标。本装置重量仅约2公斤，且无固定安装，所以方便使用者随时安放或移除。用红外线反射式光耦合器作为检测单元，其反应迅速精确，反应时间为微妙级，实现了快速、准确、实时检测琴键状态的目标。
图1 琴键状态无改装非接触检测装置的结构示意图。图2 琴键弹起与按下状态反射光角度变化示意图。图3 光耦合器响应特性曲线。图4 电路板模块连接方式示意图。
具体实施例方式键盘乐器琴键状态的无改装非接触检测装置的结构，如图1所示。主结构(1)为长约130厘米，厚约1厘米，高约5厘米的长条形薄板。主结构内部均勻分布7个集成电路模块，每个电路模块的结构和功能相同，图1所示为其中一个模块的完整结构示意图。在每个电路模块下方，均勻分布了 12个反射式光耦合器( 作为检测单元，12个光耦合器的检测方向分别正对12个琴键上表的光滑面。在12个光耦合器上方分布了 12个LED七段数码显示器( 。每个七段码显示器可以显示012345或者0. 1. 2. 3. 4. 5.。0表示指法待定或演奏者自定，其余数字表示手指编号以表示弹奏指法，小数点被点亮表示左手，不点亮表示右手。在结构外壳正面，用7个白色矩形块和5个黑色矩形块，将LED数码器与正下方的黑白琴键对应。在装置两端，设置有支承块(6，7)，支承块下端与乐器键盘两端的琴体表面接触， 上端放置主结构(1)。支撑块(6，7)与主结构(1)的结合处设置有距离微调装置G，5)，用来调节主结构与琴键的垂直距离，以使反射式光耦合器达最佳感应距离。为增强黑键反射效果，可在黑键位置(8)贴白色反射膜，以使黑键和白键具有相似的响应特性。从反射式光耦合器射出的红外线发射光，射入琴键光滑表面后，产生反射，红外线反射光强度信号为原始信号源，反射光强度随着琴键与光耦合器的距离变化而变化。当琴键被按下后，琴键会以乐器长度方向为轴发生旋转，如图2所示。如果旋转角度为α，根据光反射原理，反射光与入射光之间会形成一个2 α的夹角，从而造成反射光在光耦合器接收单元的水平方向产生偏移X，偏移Χ加大了反射光信号的变化，有利于状态检测。如果琴键的弹起与按下状态发生变化，光耦合器会收到变化的电流信号，经过集成电路放大和模数转换等数字化处理过程，并通过通讯端口发送给计算机，可得到电流强度与琴键抬起与按下状态的特性曲线，如图3所示。图4所示为电路板模块之间的连接方式示意图。模块Ml与Μ2之间用串行总线进行逻辑连接，用四针管脚插接方式进行物理连接，针脚(1)长度约8毫米，调节管脚插入深度，以调节电路板之间的距离，从而确保检测单元与琴键上表中轴对准。在实施方式中，以下变化也落在本专利要求保护的范围1.不同厂家生产的、不同型号的反射式光耦合器的距离响应特性不同，所以主结构与琴键的垂直距离也不同，可以有比较大的变化。2.可以根据具体需要，不检测键盘两端很少被弹到的键，比如减少4个、8个、12个等，从而主结构(1)的长度可发生较大变化。3.模块划分方法可以灵活，可以分为10个键一组、8个键一组或者M个键一组等。4.用LED七段数码器表示指法，也可以在相同位置用图案或颜色变化表示指法。5.电路板之间可用扁平线或印刷电路线进行柔性连接以达到调节模块距离的目的。6.固定支承部位可以选择地面或乐器外表其它部位。7.支承方式可以选择倚靠、粘贴或使用夹具。
权利要求
1.一种键盘乐器琴键状态的非接触无改装检测装置，由一组反射式光耦合器和信号处理集成电路构成，反射式光耦合器作为传感器，感应键体上表面反射光强度的变化，光耦合器输出的电流信号经过集成电路的放大、模数转换等处理过程，将信号数字化，并判断琴键的按下或弹起状态。本装置通过集成在一起的通讯模块，与计算机以有线或无线方式连接。
2.根据权利要求1所述的键盘乐器琴键状态检测装置，其特征在于采用了非接触、无改装的方法，该装置被悬空放置在键体外表根部上方，以两端托架为支承点，靠本身重力， 立放在键盘两端琴体表面，与琴键上表面有明显可见的垂直距离，与键体及联动部件无任何形式的交错或接触，在乐器外部或内部，不固定安装任何辅助器件，不需要拆解或改装乐器的任何部位。
3.根据权利要求1所述的键盘乐器琴键状态检测装置，其特征在于以反射式光耦合器为传感器检测单元，每个光耦合器对应一个琴键，垂直于键体上表面，检测方向正对琴键上表根部中央，利用琴键按下时的距离变化和微小转角，将键体表面的红外线反射光强度变化信号转换为变化的电流信号，并通过集成电路将此信号数字化。
4.根据权利要求1所述的键盘乐器琴键状态检测装置，其特征在于整体呈长薄条形结构布局，长100 130厘米，厚约1厘米，高约5厘米，沿长度方向均勻分布与琴键相对应的反射式光耦合器、LED七段数码显示器。
5.根据权利要求1所述的键盘乐器琴键状态检测装置，其特征在于，在检测单元上方布置LED七段码数字指法指示器，用七段码0表示指法未定或自定，七段码12345表示手的 12345指，七段码上的小数点不亮表示右手，亮表示左手，用LED七段码颜色区分黑白键，并在装置外部正面以黑白色块对应正下方的黑白琴键。
6.根据权利要求1所述的键盘乐器琴键状态检测装置，其特征在于集成电路由结构与功能相同的4-8个模块化集成电路板构成，电路板模块之间用串行总线方式进行逻辑连接，用管脚插接方式进行物理连接，通过调节插接管脚的深度来调节电路板之间的距离，从而确保检测单元与琴键的精确对应，以消除乐器个体在琴键距离上的细微差异，或用扁平线或印刷电路线等柔性连接方式来消除琴键距离的个体差异。
7.根据权利要求1所述键盘乐器琴键状态检测装置，其特征在于该装置所采用的技术及方法适应的键盘乐器种类，含各种传统声学钢琴、电钢琴、电子琴、脚踏式风琴等与钢琴有类似键盘构造及布局的键盘乐器，也适用在自制专用键盘上采用本发明所涉及的非接触无改装检测方法。
全文摘要
本发明涉及一种键盘乐器琴键状态的无改装非接触检测装置。本装置包括一组作为检测单元的反射式光耦合器(2)及信号处理集成电路。该装置特征在于主体结构(1)呈薄长条形，以两端托架(6，7)为支点，垂直悬空放置于琴键外表根部上方，检测单元(2)与键体及联动部件无任何形式的交错与接触，在乐器上配置该装置，无需在乐器内外固定安装任何辅助器件，不需要拆卸改装乐器，不影响乐器原有物理品质和声音品质，可以根据需要随时放置或移除。本装置结合配套计算机软件，可实时准确记录用键盘乐器弹奏的音符序列。
文档编号G10H1/34GK102479501SQ20101055861
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者赵洪云 申请人:赵洪云