一种压电纤维交错排列的三维触摸感知结构及感知方法与流程

本发明涉及一种三维触摸感知结构及感知方法，尤其是一种压电纤维交错排列的三维触摸感知结构的感知方法。

背景技术：

目前，现有技术中实现三维感知的技术主要有，苹果公司的依靠人体与电板形成的电容实现二维平面触摸定位，采用柔性玻璃技术，受力后屏幕产生微小变形，使屏幕与形变感测器之间的距离变短，经过复杂的数学计算得出第三维度，即压力的大小。另外还有采用夹心型压电触摸屏、可折叠和柔性变形的压电触摸屏以及基于压力传感器的三维多点式触摸屏等。但是，电容式触摸屏是由一个模拟感应器和一个双向智能控制器组成，其缺点是制作成本较高，使用时易受环境干扰，抗干扰能力差，操作物体的材质必须是导电体，对于戴着手套和手指带水进行触控的情况或者雨、雪等天气在室外使用时，难以准确捕获发生的触控行为；片式压电元件因其尺寸限制，该元件柔性低易损坏、且对于微变形产生的电量少使得检测的灵敏度不高；分布式压电柔性低易损坏、微变形感应难，方案所涉整层压电材料配合条形电极，对变形位置感应会失真。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是现有技术中的三维感知无论是从硬件结构还是从软件开发来说都比较复杂，占用系统资源较大。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压电纤维交错排列的三维触摸感知结构，包括由上至下依次层叠的上压电保护层、上横向电极引线层、上压电纤维主动层、下横向电极引线层、中压电保护层、上纵向电极引线层、下压电纤维主动层、下纵向电极引线层以及下压电保护层；上压电纤维主动层由横向间隔设置的压电纤维以及位于相邻压电纤维之间的聚酯隔离条组成；下压电纤维主动层由纵向间隔设置的压电纤维以及位于相邻压电纤维之间的聚酯隔离条组成；压电纤维的极化方向垂直于压电纤维的上下侧面，并在压电纤维的上下侧面上分别设有正电极和负电极；上横向电极引线层和下横向电极引线层的引线横向分布，并分别与上压电纤维主动层上的正电极和负电极相连；上纵向电极引线层和下纵向电极引线层上的引线纵向分布，并分别与下压电纤维主动层上的正电极和负电极相连。

采用交错分布的双层压电纤维作传感器，不仅可以感知触点的位置，同时可以检测作用点处力的大小、加速度等特征，极大地丰富了人机交互功能的可能性，对于高水平的游戏功能开发有很大的意义；采用压电纤维和聚脂隔离条间隔排列的结构，使显示屏发生大变形情况下而不致损坏，产品柔性较高。

作为本发明感知结构的进一步限定方案，上横向电极引线层、下横向电极引线层、上纵向电极引线层以及下纵向电极引线层上的引线均由主引线以及至少两根分支引线构成；分支引线由主引线引出，并与主引线相垂直；上横向电极引线层和下横向电极引线层上的主引线与上压电纤维主动层上的压电纤维相平行，分支引线与上压电纤维主动层上对应位置处的正电极或负电极相连。采用在一根压电纤维上有多条分段电极引线用于传导检测的电荷，防止压电纤维或其中部分电极引线的损伤导致电荷测量不准，结构设计的寿命较高，不易损坏。

本发明提供了一种压电纤维交错排列的三维触摸感知结构的感知方法，包括如下步骤：

步骤1，由上压电纤维主动层和下压电纤维主动层上呈横向和纵向分布的压电纤维实时感知按压力，并由正电极和负电极通过上横向电极引线层、下横向电极引线层、上纵向电极引线层以及下纵向电极引线层将实时压电信号传输出去；

步骤2，比较获得横向压电信号最强的压电纤维位置以及纵向压电信号最强的压电纤维位置，将横向压电信号最强的压电纤维与纵向压电信号最强的压电纤维的交叉位置作为实际按压的位置坐标；

步骤3，计算上压电纤维主动层上压电信号最强的压电纤维的压电信号变化率，根据压电信号变化率判断实际按压力大小。

由于一个动作触发时，不同位置的压电纤维几乎同时达到该点处的峰值，因此压电电压的变化率即实时反映了形变量的加速度特征，同时峰值大小也反映出按压力的大小从而实现第三维参数的获取。

作为本发明感知方法的进一步限定方案，步骤3中，压电信号变化率由压电信号的峰值除以信号上升时间获得；峰值和信号上升时间由压电纤维的响应曲线获得。

作为本发明感知方法的进一步限定方案，步骤3中，根据压电信号变化率判断实际按压力大小具体是：按照压力阈值对实时采集的压电信号变化率进行分级，并输出相应的分级信号用于压力控制。按照压力阈值对实时采集的压电信号变化率进行分级，从而将压电信号变化率分级量化，实现利用压力大小进行相应控制。

本发明的有益效果在于：采用交错分布的双层压电纤维作传感器，不仅可以感知触点的位置，同时可以检测作用点处力的大小、加速度等特征，极大地丰富了人机交互功能的可能性，对于高水平的游戏功能开发有很大的意义；采用压电纤维和聚脂隔离条间隔排列的结构，使显示屏发生大变形情况下而不致损坏，产品柔性较高；按照压力阈值对实时采集的压电信号变化率进行分级，从而将压电信号变化率分级量化，实现利用压力大小进行相应控制。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的压电纤维主动层端面局部示意图；

图3为本发明的压电纤维横向分布按压后产生压电电压示意图；

图4为本发明的压电电压-时间变化示意图。

图中:1、上压电保护层，2、上横向电极引线层，3、上压电纤维主动层，4、下横向电极引线层，5、中压电保护层，6、上纵向电极引线层，7、下压电纤维主动层，8、下纵向电极引线层，9、下压电保护层，10、显示屏，11、压电纤维，12、聚酯隔离条，13、正电极，14、负电极。

具体实施方式

如图1所示，本发明公开的压电纤维交错排列的三维触摸感知结构，包括由上至下依次层叠的上压电保护层1、上横向电极引线层2、上压电纤维主动层3、下横向电极引线层4、中压电保护层5、上纵向电极引线层6、下压电纤维主动层7、下纵向电极引线层8以及下压电保护层9；下压电保护层9贴合在显示屏10；上压电纤维主动层3由横向间隔设置的压电纤维11以及位于相邻压电纤维11之间的聚酯隔离条12组成；下压电纤维主动层7由纵向间隔设置的压电纤维11以及位于相邻压电纤维11之间的聚酯隔离条12组成；压电纤维11的极化方向垂直于压电纤维11的上下侧面，并在压电纤维11的上下侧面上分别设有正电极13和负电极14；上横向电极引线层2和下横向电极引线层4的引线横向分布，并分别与上压电纤维主动层3上的正电极13和负电极14相连；上纵向电极引线层6和下纵向电极引线层8上的引线纵向分布，并分别与下压电纤维主动层7上的正电极13和负电极14相连。

作为本发明的进一步限定方案，上横向电极引线层2、下横向电极引线层4、上纵向电极引线层6以及下纵向电极引线层8上的引线均由主引线以及至少两根分支引线构成；分支引线由主引线引出，并与主引线相垂直；上横向电极引线层2和下横向电极引线层4上的主引线与上压电纤维主动层3上的压电纤维11相平行，分支引线与上压电纤维主动层3上对应位置处的正电极13或负电极14相连。

本发明还提供了一种基于压电纤维交错排列的三维触摸感知结构的感知方法，包括如下步骤：

步骤1，由上压电纤维主动层3和下压电纤维主动层7上呈横向和纵向分布的压电纤维11实时感知按压力，并由正电极13和负电极14通过上横向电极引线层2、下横向电极引线层4、上纵向电极引线层6以及下纵向电极引线层8将实时压电信号传输出去；

步骤2，比较获得横向压电信号最强的压电纤维11位置以及纵向压电信号最强的压电纤维11位置，将横向压电信号最强的压电纤维11与纵向压电信号最强的压电纤维11的交叉位置作为实际按压的位置坐标；

步骤3，计算上压电纤维主动层3上压电信号最强的压电纤维11的压电信号变化率，根据压电信号变化率判断实际按压力大小。

其中，步骤3中，压电信号变化率由压电信号的峰值除以信号上升时间获得；峰值和信号上升时间由压电纤维11的响应曲线获得；根据压电信号变化率判断实际按压力大小具体是：按照压力阈值对实时采集的压电信号变化率进行分级，并输出相应的分级信号用于压力控制。

上压电纤维主动层3的上、下表面分别铺设有上压电保护层1、上横向电极引线层2、下横向电极引线层4、中压电保护层5；上横向电极引线层2和下横向电极引线层4通过引线将正电极13和负电极14引至外接电路或电子线路同外围电路相连接，压电纤维11的电极位于压电纤维主动层的上下表面，极化方向垂直于压电纤维11的上下表面，即极化方向沿着主动层的厚度方向；下压电纤维主动层7的上、下表面分别铺设有中压电保护层5、上纵向电极引线层6、下纵向电极引线层8以及下压电保护层9，上纵向电极引线层6和下纵向电极引线层8通过引线将正电极13和负电极14引至外接电路或电子线路同外围电路相连接，压电纤维11的电极位于压电纤维主动层的上下表面，极化方向垂直于压电纤维11的上下表面，即极化方向沿着主动层的厚度方向。

压电纤维11在主动层中的铺设方式是长条形铺设，且两层主动层的压电材料方向互相垂直，总体呈现n×n的陈列分布，其中，n为压电材料的条数，n>2。

压电式触摸屏工作时，根据测量得到的压电纤维11产生的电压，即可得到表征触摸力度大小的数据，其电压大小取得峰值的位置，即为该方向上的按压位置点坐标，如图3所示。观察图3可知，第四条压电纤维11铺设处压电电压达到峰值，故该方向上第四条压电材料的位置即为该方向上触摸点的位置定位值。

压电式触摸屏工作时，通过对比同一按压时刻同一层的压电电压随时间的响应曲线，可得图4所示曲线，动作是同一时间触发的一个动作，因此不同位置的压电纤维11几乎同时达到该点处的峰值，同时对比三条不同的压电纤维11的响应曲线，编号为3的压电材料响应速度变化最快，而压电电压的变化率即实时反映了形变量的加速度特征。如图4中，第3条压电材料处的按压加速度增长最快，第1条压电纤维11处的按压加速度增长最慢；因此可以用压电电压的变化率表征按压力的大小。