專利名稱：變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種非接觸的數(shù)字式電子琴鍵盤力度實(shí)時(shí)采集裝置，更具體的是 提供了 一種變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置。
背景技術(shù)：
電子樂器的發(fā)聲原理不同于一般樂器，它以電聲合成電路產(chǎn)生的電信號(hào)作為發(fā)聲 源，發(fā)聲過程受諸多參數(shù)控制。對(duì)電子琴而言，需要專門的鍵盤采集電路采集鍵盤演奏信息 以控制電聲合成器的發(fā)聲過程，電聲合成過程中音的強(qiáng)弱、包絡(luò)曲線長短、揉弦幅度等都與 演奏者的按鍵力度有關(guān)，因此實(shí)時(shí)細(xì)膩的琴鍵力度測量能有效地提高電子樂器豐富細(xì)致的 表現(xiàn)力。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子樂器的能力不斷增強(qiáng)，部分高端電子樂器已經(jīng)可以逼 真的模擬普通物理發(fā)聲樂器的演奏效果，而且電子樂器的演奏形式豐富，不再局限于傳統(tǒng) 鍵盤方式。從模擬普通樂器的角度和創(chuàng)造新樂器的角度，高端電子樂器對(duì)琴鍵力度采集提 出了新的要求。目前為了解決電子樂器演奏控制和琴鍵力度采集的問題，出現(xiàn)了以下幾種 解決方法。1、機(jī)械開關(guān)法電子琴琴鍵力度采集的機(jī)械開關(guān)法所涉及的系統(tǒng)，由兩個(gè)以上機(jī)械開關(guān)和與之配 合的輔助電路組成。機(jī)械開關(guān)采用導(dǎo)電橡膠、霍爾開關(guān)或簧片結(jié)構(gòu)。其方法為，通過測量機(jī) 械開關(guān)閉合的時(shí)間差計(jì)算按鍵運(yùn)動(dòng)的平均速度，利用該平均速度近似地表示琴鍵力度。該 方法結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但仍存在缺陷首先，測量精度低且一次按鍵的力度只能測量一次， 只有按鍵再次按下才能進(jìn)行下一次測量；其次，琴鍵的壽命短，導(dǎo)電橡膠和簧片等材料長時(shí) 間使用容易氧化變形；最后，機(jī)械開關(guān)存在抖動(dòng)，開關(guān)閉合時(shí)的抖動(dòng)將影響琴鍵力度采集質(zhì) 量。2、力敏傳感器法電子琴琴鍵力度采集的力敏傳感器法所涉及的系統(tǒng)，由力度傳感器和與之配合的 輔助電路組成。力度傳感器采用壓力傳感器、應(yīng)變片或電阻橡膠。其中壓力傳感器又分為 壓阻式、電感式、電容式、諧振式等，應(yīng)變片分為電阻式和半導(dǎo)體式，電阻橡膠是一種彈性材 料，受到壓力后產(chǎn)生形變，力越大形變?cè)酱?，相?yīng)的電阻越大。力敏傳感器法的基本原理就 是借助力度傳感器和與之配合的輔助電路，將琴鍵按下后的壓力反映到傳感電路的輸出電 信號(hào)上，壓力不同傳感電路的輸出電信號(hào)不同。這種方法測量精度高，但仍存在缺陷首先， 壓力傳感器的成本較高，輔助的傳感電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，壓力信息要經(jīng)過多級(jí)電路處理轉(zhuǎn)換， 高成本和結(jié)構(gòu)復(fù)雜給實(shí)現(xiàn)帶來了困難；其次，該方法測量的力度信息只能反映琴鍵按下后 的壓力信息，不能反映琴鍵按壓過程中的壓力信息。3、磁敏傳感器法電子琴琴鍵力度采集的磁敏傳感器法所涉及的系統(tǒng)，由電磁傳感器和與之配合的 輔助電路組成。電磁傳感器由安裝在琴鍵下的磁體和傳感線圈組成。磁敏傳感器法的基本原理就是利用與傳感線圈相連的電壓檢測器測量琴鍵力度。線圈中磁通的變化率與琴鍵速 度的變化率成正比，按鍵力度正比于線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢，借助線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢反映實(shí)時(shí) 的按鍵力度。但該方法也存在缺陷首先，琴鍵內(nèi)部空間狹小導(dǎo)致線圈距離很近，傳感器間 容易產(chǎn)生干擾；其次，檢測的壓力信號(hào)仍為模擬信號(hào)，且線圈的體積受限于琴鍵的結(jié)構(gòu)，影 響了測量精度；最后，復(fù)雜的變換電路給該方法在實(shí)現(xiàn)上帶來了困難。綜上所述，目前已有的各種方法在具有獨(dú)特的性能優(yōu)勢的同時(shí)都存在不可避免的 缺陷?，F(xiàn)有各方法均不能同時(shí)解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、壽命有限、易受干擾的問題，而且現(xiàn)有 各方法不具備高精度實(shí)時(shí)測量琴鍵壓下量的能力。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提出新型的非接觸式琴鍵壓下量實(shí)時(shí)測量傳感裝置，具體 涉及一種變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置。利用這種非接觸式、實(shí)時(shí)傳感裝 置解決琴鍵壓下量測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低、成本高、壽命有限、易受干擾的問題。本實(shí)用新型的變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置包括電容傳感器 (1)、物理轉(zhuǎn)換電路(2)及數(shù)字壓下量檢測電路(3)，電容傳感器(1)安裝在琴鍵(4)下方， 琴鍵(4)移動(dòng)帶動(dòng)電容傳感器(1)的電介質(zhì)板(2-2)移動(dòng)導(dǎo)致電容傳感器(1)的電容變化， 基于電容傳感器(1)構(gòu)成的物理轉(zhuǎn)換電路(2)將電容傳感器(1)的電容變化轉(zhuǎn)換為矩形波 脈沖寬度變化，數(shù)字壓下量檢測電路(3)測量物理轉(zhuǎn)換電路(2)的矩形波信號(hào)的脈沖寬度 得到琴鍵壓下量的相關(guān)信息。本實(shí)用新型的變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的電容傳感 器(1)由負(fù)電容極板(2-1)、正電容極板(2-3)和電介質(zhì)板(2-2)組成；負(fù)電容極板(2-1) 位于電容傳感器(1)的最外兩側(cè)，正電容極板(2-3)位于負(fù)電容極板(2-1)之間，電介質(zhì) 板(2-2)位于負(fù)電容極板(2-1)和正電容極板(2-3)之間；負(fù)電容極板(2-1)和正電容極 板(2-3)固定于基座線路板(6-1)上，等間距平行排放；電介質(zhì)板(2-2)固定于琴鍵⑷下 方，等間距平行排放；安裝后的電介質(zhì)板(2-2)平行穿插于負(fù)電容極板(2-1)和正電容極 板(2-3)之間，構(gòu)成電介質(zhì)板(2-2)相對(duì)于負(fù)電容極板(2-1)和正電容極板(2-3)平行移 動(dòng)的柵形結(jié)構(gòu)。因?yàn)槊恳粔K正電容極板(2-3)和負(fù)電容極板(2-1)之間穿插一塊電介質(zhì)板 (2-2)，使得一塊正電容極板(2-3)可以對(duì)應(yīng)兩塊負(fù)電容極板(2-1)，所以電容傳感器(1)的 電容將提升一倍，測量靈敏度增加一倍。本實(shí)用新型的變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的電容傳感 器(1)的電路連接方式為正極接線端(6-2)與電容傳感器(1)的正電容極板(2-3)相連， 負(fù)極接線端(6-3)與電容傳感器⑴的負(fù)電容極板(2-1)相連，因?yàn)檎娙輼O板(2-3)和 負(fù)電容極板(2-1)固定在基座線路板(6-1)上，所以正極接線端(6-2)和負(fù)極接線端(6-3) 可以使用PCB線路的形式鋪設(shè)在基座線路板(6-1)上，這在結(jié)構(gòu)上保證了加工的簡易性和 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，負(fù)極接線端(6-3)安裝后要接地，負(fù)極接線端(6-3)接地使得相鄰兩個(gè)琴鍵 (4)對(duì)應(yīng)的電容傳感器(1)可以共用同一塊負(fù)電容極板(2-1)，簡化了結(jié)構(gòu)，同時(shí)，位于電容 傳感器(1)的最外側(cè)的負(fù)電容極板(2-1)的接地對(duì)電容傳感器(1)起到了屏蔽抗干擾作 用。本實(shí)用新型的變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的電容傳感器⑴的測量原理為當(dāng)琴鍵沒有壓下時(shí)，電容傳感器⑴的初始電容Ctl可以等效為兩個(gè) 電容Cltl和C2tl的并聯(lián)，Cltl是以電介質(zhì)板(2-2)為電介質(zhì)的電容，C2tl是以空氣為電介質(zhì)的電 容，電容傳感器(1)的初始電容Ctl的計(jì)算公式如下
r r , . Ao , , 4ο . + ^ ΧΑ-^· A A +A -α C0 =C10+C20 =ξ^0 — + ζ0 — ---- ~d~ ^r0 d '+Λ20~Λ其中ξ^為電介質(zhì)板(2-2)相對(duì)于空氣電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，為空氣電介 質(zhì)的介電常數(shù)，<。為電容傳感器⑴在琴鍵沒有壓下時(shí)的等效介電系數(shù)，d為電容傳感器 ⑴的負(fù)電容極板(2-1)與正電容極板(2-3)的板間距，A為電容傳感器(1)的負(fù)電容極 板(2-1)與正電容極板(2-3)的正對(duì)面積，Altl為電容Cltl的負(fù)電容極板(2-1)與正電容極 板(2-3)的正對(duì)面積，A2tl為電容C2tl的負(fù)電容極板(2-1)與正電容極板(2-3)的正對(duì)面積。 當(dāng)琴鍵壓下的時(shí)候，電介質(zhì)板(2-2)伸入到負(fù)電容極板(2-1)與正電容極板(2-3)之間，置 換空氣電介質(zhì)。電容傳感器(1)的電容C就等效SC1和C2的并聯(lián),C1是琴鍵壓下后以電介 質(zhì)板(2-2)為電介質(zhì)的電容，C2是琴鍵壓下后以空氣為電介質(zhì)的電容，電容傳感器(1)在琴 鍵壓下后的電容C的計(jì)算公式為c ==+= ++
dAdAa dZUe [O5Z-^10] ,A1 =A10+ AA ,A2 =A20-AA ,Αλ+A2 =A其中其中ξ ^為電介質(zhì)板(2-2)相對(duì)于空氣電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，ξ ^為空氣電 介質(zhì)的介電常數(shù)，<。為電容傳感器(1)在琴鍵沒有壓下時(shí)的等效介電系數(shù)，‘為電容傳感器 ⑴在琴鍵壓下時(shí)的等效介電系數(shù)，d為電容傳感器⑴的負(fù)電容極板(2-1)與正電容極板 (2-3)的板間距，A為電容傳感器⑴的負(fù)電容極板(2-1)與正電容極板(2-3)的正對(duì)面積， A1為電容C1的負(fù)電容極板(2-1)與正電容極板(2-3)的正對(duì)面積，A2為電容C2的負(fù)電容極 板(2-1)與正電容極板(2-3)的正對(duì)面積，L為電介質(zhì)板(2-2)與負(fù)電容極板(2-1)和正電 容極板(2-3)的最大正對(duì)面積，Δ A為電介質(zhì)板(2-2)移動(dòng)后A1相對(duì)于Altl的變化。由電容 傳感器(1)在琴鍵壓下后的電容C的計(jì)算公式可得到得到電容傳感器(1)的等效介電系數(shù)
ξ',=ξΙο + {ξΓ~1]ξθΑΑ。因?yàn)殡娙輦鞲衅鳍诺呢?fù)電容極板(2-1)與正電容極板(2-3)在基 A
座線路板(6-1)上的位置固定，所以負(fù)電容極板(2-1)與正電容極板(2-3)的正對(duì)面積A和
板間距離d都是常數(shù)。而電容器的電容量計(jì)算公式又為c = 。根據(jù)< =ξν, + {ξν'Χ)ξΜ
aA
便知，在琴鍵沒有壓下的時(shí)候，電容傳感器(1)的等效介電系數(shù)<為常數(shù)，電容傳感器(1)
的電容不變化。當(dāng)琴鍵壓下的時(shí)候，電介質(zhì)板(2-2)伸入到負(fù)電容極板(2-1)與正電容極
板(2-3)之間產(chǎn)生ΔΑ的變化，電容傳感器(1)的等效介電系數(shù)ξ/成為一變化值，即電
容傳感器(1)的電容成為反映琴鍵壓下量的變化值。本實(shí)用新型的變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的物理轉(zhuǎn)換 電路⑵采用自激式矩形波發(fā)生電路(3-1)或他激式矩形波發(fā)生電路(4-1)；自激式矩形 波發(fā)生電路(3-1)利用基于電容傳感器⑴構(gòu)成的矩形波振蕩電路將電容傳感器⑴的電容變化轉(zhuǎn)換成矩形波周期的變化；他激式矩形波發(fā)生電路(4-1)利用基于電容傳感器(1) 構(gòu)成的門限電壓比較電路將電容傳感器⑴的電容變化轉(zhuǎn)換電容傳感器⑴的充電上升時(shí) 間(4-3)的變化，他激式矩形波發(fā)生電路(4-1)中電容傳感器(1)的充放電矩形波由數(shù)字 壓下量檢測電路(3)提供。電容傳感器(1)將琴鍵壓下量轉(zhuǎn)化為電容變化量，而進(jìn)行壓下量測量和處理的數(shù) 字壓下量檢測電路(3)不能直接測量電容，所以需要通過物理轉(zhuǎn)換電路(2)將電容變化量 轉(zhuǎn)換為矩形波信號(hào)量，使琴鍵壓下量實(shí)時(shí)的反映數(shù)字壓下量檢測電路(3)可測量的矩形波 信號(hào)量。當(dāng)物理轉(zhuǎn)換電路(2)采用自激式矩形波發(fā)生電路(3-1)時(shí)，電容傳感器(1)的電 容與物理轉(zhuǎn)換電路(2)輸出的矩形波信號(hào)(3-2)的周期有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系T κ R3C其中T是矩形波信號(hào)(3-2)的周期，C是電容傳感器(1)的電容，R3是回路電阻。 電容傳感器⑴的電容正比于物理轉(zhuǎn)換電路⑵輸出的矩形波信號(hào)(3-2)的周期。在琴鍵 壓下的時(shí)候，電容傳感器(1)的電容產(chǎn)生變化，矩形波信號(hào)(3-2)的周期也相應(yīng)的發(fā)生變 化。當(dāng)物理轉(zhuǎn)換電路(2)采用他激式矩形波發(fā)生電路(4-1)時(shí)，電容傳感器(1)的電容與 充電上升時(shí)間(4-3)具有如下對(duì)應(yīng)關(guān)系Tr R1C其中Tr是充電上升時(shí)間(4-3)，C是電容傳感器(1)的電容，R1是回路電阻。電 容傳感器(1)的電容與充電上升時(shí)間(4-3)成正比關(guān)系。充電上升時(shí)間(4-3)是指從數(shù)字 壓下量檢測電路(3)給出激勵(lì)信號(hào)到電容傳感器(1)充電超過比較器閾值電壓所經(jīng)過的時(shí) 間。在琴鍵壓下時(shí)，電容傳感器⑴的電容變化反映到充電上升時(shí)間(4-3)的變化上。相 對(duì)于自激式矩形波發(fā)生電路(3-1)，他激式矩形波發(fā)生電路(4-1)具有等間隔采樣的優(yōu)勢。 物理轉(zhuǎn)換電路(2)的兩種實(shí)現(xiàn)方式都使用比較器作為核心轉(zhuǎn)換元件。采用比較器電路使得 物理轉(zhuǎn)換電路(2)的成本很低、結(jié)構(gòu)簡潔，有利于生產(chǎn)制造，同時(shí)穩(wěn)定的脈沖輸出確保了較 高的精度。將電容變化直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)也提高了測量的抗干擾能力。本實(shí)用新型的變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的數(shù)字壓下 量檢測電路(3)由FPGA/CPLD電路實(shí)現(xiàn)。數(shù)字壓下量檢測電路(3)通過檢測物理轉(zhuǎn)換電 路(2)輸出矩形波的脈沖寬度來計(jì)量琴鍵壓下量。對(duì)琴鍵壓下量進(jìn)行二次數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí) 測速度、校正以實(shí)現(xiàn)琴鍵擊鍵力度測量，實(shí)時(shí)測位移、校正以實(shí)現(xiàn)揉弦模擬功能。數(shù)字壓下 量檢測電路(3)根據(jù)參數(shù)設(shè)定，借助特性校正環(huán)節(jié)對(duì)采集的數(shù)據(jù)做線性或非線性壓下量校 正，調(diào)節(jié)采集特性以達(dá)到擊鍵力度和揉弦模擬的要求。當(dāng)物理轉(zhuǎn)換電路(2)采用他激式矩 形波發(fā)生電路(4-1)時(shí)數(shù)字壓下量檢測電路(3)還需要為電容傳感器⑴提供充放電矩形 波激勵(lì)信號(hào)。數(shù)字壓下量檢測電路(3)引入了數(shù)字處理的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了對(duì)琴鍵壓下量測量 的高精度、高速度、高復(fù)雜程度的處理。本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)勢1、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有非接觸的特點(diǎn)，非接觸測量使傳感器元件無 摩擦工作，延長了傳感器元件的壽命，同時(shí)非接觸還克服了抖動(dòng)問題。2、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有實(shí)時(shí)測量的特點(diǎn)。采集的琴鍵壓下量信息實(shí) 時(shí)反映了琴鍵的運(yùn)動(dòng)過程。3、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用的傳感器元件和物理轉(zhuǎn)化電路具有成本低、結(jié)構(gòu)簡潔的優(yōu)勢，不需要使用昂貴的測量傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，降低了實(shí)現(xiàn)的成本和復(fù) 雜度，為生產(chǎn)制造提供了便利。4、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型采用了數(shù)字信號(hào)處理方法，測量系統(tǒng)引入了數(shù)字 處理的方法，帶來了高精度、高速度、高復(fù)雜程度處理的優(yōu)點(diǎn)。5、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型提升了抗干擾能力。電容傳感器(1)的負(fù)電容極 板(2-1)接地，并放置在最外側(cè)起屏蔽作用，電容極板位置和走線固定的結(jié)構(gòu)，提升了傳感 器元件的抗干擾能力。6、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有較高的精度，能夠達(dá)到的分辨率高于的琴 鍵壓下量測量，具有非常細(xì)膩的音樂表現(xiàn)力。7、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型支持獨(dú)特的揉弦演奏方式。傳統(tǒng)的鍵盤采用單獨(dú) 設(shè)立調(diào)音輪的方式實(shí)現(xiàn)樂器的揉弦功能，本實(shí)用新型則直接采用實(shí)時(shí)琴鍵壓下量作為揉弦 控制量，產(chǎn)生揉弦演奏的效果，具有更高的弦樂器模擬能力?？偨Y(jié)上述優(yōu)勢，本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有方法存在的不能同時(shí)具有低成本、低加工 難度、長使用壽命、高精度、高抗干擾能力的問題，同時(shí)還創(chuàng)新地提出了利用實(shí)時(shí)琴鍵壓下 量進(jìn)行揉弦控制的新演奏模式。

圖1為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置結(jié)構(gòu)框圖。圖2為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的電容傳感器結(jié)構(gòu) 圖。圖3為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的自激式矩形波發(fā) 生電路及其波形圖。圖4為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的他激式矩形波發(fā) 生電路及其波形圖。圖5為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的數(shù)字壓下量檢測 電路框圖。圖6為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的電容傳感器在琴 鍵中的裝配圖。圖7為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的電容傳感器裝配 接線圖。圖中標(biāo)號(hào)1為電容傳感器，2為物理轉(zhuǎn)換電路，3為數(shù)字壓下量檢測電路，4為琴 鍵，5為電聲合成器；2-1為負(fù)電容極板，2-2電介質(zhì)板，2-3為正電容極板；3-1為自激式矩 形波發(fā)生電路，3-2為自激式矩形波發(fā)生電路輸出的矩形波信號(hào)；4-1為他激式矩形波發(fā)生 電路，4-2為數(shù)字壓下量檢測電路(3)輸出的激勵(lì)源，4-3為充電上升時(shí)間；6-1為基座線路 板，6-2為正極接線端，6-3為負(fù)極接線端。具體實(shí)施方法結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)細(xì)節(jié)作進(jìn)一步詳細(xì)說明如下。圖1為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置結(jié)構(gòu)框圖。所示的傳感裝置 包括電容傳感器(1)、物理轉(zhuǎn)換電路(2)及數(shù)字壓下量檢測電路(3)，電容傳感器(1)安裝在琴鍵(4)下方，琴鍵(4)移動(dòng)帶動(dòng)電容傳感器(1)的電介質(zhì)板(2-2)移動(dòng)導(dǎo)致電容傳感 器⑴的電容變化，基于電容傳感器⑴構(gòu)成的物理轉(zhuǎn)換電路⑵將電容傳感器⑴的電 容變化轉(zhuǎn)換為矩形波脈沖寬度變化，數(shù)字壓下量檢測電路(3)測量物理轉(zhuǎn)換電路(2)的矩 形波信號(hào)的脈沖寬度得到琴鍵壓下量的相關(guān)信息。圖2為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的電容傳感器結(jié)構(gòu) 圖。所示的電容傳感器(1)包括負(fù)電容極板(2-11)、正電容極板(2-3)和電介質(zhì)板(2-2) 組成；負(fù)電容極板(2-1)位于電容傳感器(1)的最外兩側(cè)，正電容極板(2-3)位于負(fù)電容 極板(2-1)之間，電介質(zhì)板(2-2)位于負(fù)電容極板(2-1)和正電容極板(2-3)之間；負(fù)電 容極板(2-1)和正電容極板(2-3)固定于基座線路板(6-1)上，等間距平行排放；電介質(zhì)板 (2-2)固定于琴鍵(4)下方，等間距平行排放；安裝后的電介質(zhì)板(2-2)平行穿插于負(fù)電容 極板(2-1)和正電容極板(2-3)之間，構(gòu)成電介質(zhì)板(2-2)相對(duì)于負(fù)電容極板(2-1)和正電 容極板(2-3)平行移動(dòng)的柵形結(jié)構(gòu)；琴鍵壓下時(shí)，電介質(zhì)板(2-2)相對(duì)于負(fù)電容極板(2-1) 和正電容極板(2-3)移動(dòng)，置換空氣電介質(zhì)，改變電容傳感器(1)的等效介電系數(shù)，引起電 容傳感器(1)的電容變化。圖3為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的自激式矩形波發(fā) 生電路及其波形圖。所示的自激式矩形波發(fā)生電路(3-1)包括基于電容傳感器(1)組成 的RC電路和滯回比較器。RC回路既作為延遲環(huán)節(jié)，又作為反饋網(wǎng)絡(luò)，通過RC充放電實(shí)現(xiàn)輸 出高低電平的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。由于電容傳感器(1)的電容正比于物理轉(zhuǎn)換電路(2)輸出的矩形 波信號(hào)(3-2)的周期，所以琴鍵壓下量帶來的電容變化就反映為矩形波信號(hào)的周期變化。圖4為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的他激式矩形波發(fā) 生電路及其波形圖。所示的他激式矩形波發(fā)生電路(4-1)包括激勵(lì)源(4-2)、滯回比較器 和基于電容傳感器(1)組成的RC電路。激勵(lì)源(4-2)給出RC電路充放電的矩形波激勵(lì)信 號(hào)。RC電路充放電產(chǎn)生不同的充電上升時(shí)間。由于電容傳感器(1)的電容與充電上升時(shí)間 (4-3)成正比，所以琴鍵壓下量帶來的電容變化就反映為充電上升時(shí)間的變化。圖5為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的數(shù)字壓下量檢測 電路框圖。所示的數(shù)字壓下量檢測電路(3)由FPGA/CPLD電路實(shí)現(xiàn)，包括壓下量數(shù)字化、揉 弦參數(shù)提取、鍵前力度提取、揉弦特性校正、力度特性校正、激勵(lì)信號(hào)處理模塊。數(shù)字壓下量 檢測電路(3)使用脈寬計(jì)數(shù)器測量物理轉(zhuǎn)換電路(2)輸出的矩形波脈沖寬度，利用矩形波 脈沖寬度計(jì)數(shù)值測得琴鍵壓下量，對(duì)壓下量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過實(shí)時(shí)測位移以提取揉弦參 數(shù)，通過實(shí)時(shí)測速度以提取鍵前力度，數(shù)字壓下量檢測電路(3)根據(jù)參數(shù)設(shè)定，借助揉弦特 性校正、力度特性校正環(huán)節(jié)對(duì)揉弦參數(shù)、鍵前力度進(jìn)行校正，以達(dá)到琴鍵力度測量和揉弦模 擬的要求。當(dāng)物理轉(zhuǎn)換電路(2)采用他激式矩形波發(fā)生電路(4-1)時(shí)，數(shù)字壓下量檢測電 路(3)需要為電容傳感器(1)提供充放電矩形波激勵(lì)信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)要確保電容傳感器(1) 正常充電超過滯回比較器的閾值。圖6為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的電容傳感器在琴 鍵中的裝配圖。裝配后的電容傳感器(1)的電容極板為梯形結(jié)構(gòu)，在不影響按鍵運(yùn)動(dòng)的情 況下使電容極板正對(duì)面積最大。裝配后的電介質(zhì)板(2-2)的下邊線為弧形，確保電介質(zhì)板 (2-2)不影響按鍵的運(yùn)動(dòng)，并且使按鍵按下后電介質(zhì)板(2-2)與電容極板的正對(duì)面積最大。 提升電容極板的正對(duì)面積和電介質(zhì)板的面積可以顯著加大電容傳感器(1)的電容，提高測量的精度。 圖7為變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置所涉及的電容傳感器裝配 接線圖。正極接線端(6-2)與電容傳感器(1)的正電容極板(2-3)相連，負(fù)極接線端(6-3) 與電容傳感器⑴的負(fù)電容極板(2-1)相連。正極接線端(6-2)和負(fù)極接線端(6-3)以 PCB線路的形式鋪設(shè)在基座線路板(6-1)上。負(fù)極接線端(6-3)安裝后要接地以保證電容 傳感器(1)的高抗干擾能力。
權(quán)利要求一種變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置，其特征在于裝置包括電容傳感器(1)、物理轉(zhuǎn)換電路(2)及數(shù)字壓下量檢測電路(3)，電容傳感器(1)安裝在琴鍵(4)下方，琴鍵(4)移動(dòng)帶動(dòng)電容傳感器(1)的電介質(zhì)板(2 2)移動(dòng)導(dǎo)致電容傳感器(1)的電容變化，基于電容傳感器(1)構(gòu)成的物理轉(zhuǎn)換電路(2)將電容傳感器(1)的電容變化轉(zhuǎn)換為矩形波脈沖寬度變化，數(shù)字壓下量檢測電路(3)測量物理轉(zhuǎn)換電路(2)的矩形波信號(hào)的脈沖寬度得到琴鍵壓下量的相關(guān)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置，其特征在 于所涉及的電容傳感器(1)由負(fù)電容極板(2-1)、正電容極板(2-3)和電介質(zhì)板(2-2)組 成；負(fù)電容極板(2-1)位于電容傳感器(1)的最外兩側(cè)，正電容極板(2-3)位于負(fù)電容極板 (2-1)之間，電介質(zhì)板(2-2)位于負(fù)電容極板(2-1)和正電容極板(2-3)之間；負(fù)電容極板 (2-1)和正電容極板(2-3)固定于基座線路板(6-1)上，等間距平行排放；電介質(zhì)板(2-2) 固定于琴鍵(4)下方，等間距平行排放；安裝后的電介質(zhì)板(2-2)平行穿插于負(fù)電容極板 (2-1)和正電容極板(2-3)之間，構(gòu)成電介質(zhì)板(2-2)相對(duì)于負(fù)電容極板(2-1)和正電容極 板(2-3)平行移動(dòng)的柵形結(jié)構(gòu)；電容傳感器(1)的正極接線端(6-2)與正電容極板(2-3) 相連，負(fù)極接線端(6-3)與負(fù)電容極板(2-1)相連，正極接線端(6-2)和負(fù)極接線端(6-3) 以PCB線路的形式鋪設(shè)在基座線路板(6-1)上，電容傳感器(1)的負(fù)極接線端(6-3)接地。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置，其特征在 于所涉及的物理轉(zhuǎn)換電路(2)采用自激式矩形波發(fā)生電路(3-1)或他激式矩形波發(fā)生電 路(4-1)；自激式矩形波發(fā)生電路(3-1)利用基于電容傳感器(1)構(gòu)成的矩形波振蕩電路 將電容傳感器(1)的電容變化轉(zhuǎn)換成矩形波周期的變化；他激式矩形波發(fā)生電路(4-1)利 用基于電容傳感器(1)構(gòu)成的門限電壓比較電路將電容傳感器(1)的電容變化轉(zhuǎn)換電容傳 感器(1)的充電上升時(shí)間(4-3)的變化，他激式矩形波發(fā)生電路(4-1)中電容傳感器(1) 的充放電矩形波由數(shù)字壓下量檢測電路(3)提供。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置，其特征在 于所涉及的數(shù)字壓下量檢測電路(3)由FPGA/CPLD電路實(shí)現(xiàn)，數(shù)字壓下量檢測電路(3)通 過檢測物理轉(zhuǎn)換電路(2)輸出的矩形波周期的變化來測量琴鍵壓下量，對(duì)琴鍵壓下量進(jìn)行 實(shí)時(shí)測速度、校正以實(shí)現(xiàn)擊鍵力度測量，對(duì)琴鍵壓下量進(jìn)行實(shí)時(shí)測位移、校正以實(shí)現(xiàn)揉弦模 擬功能。
專利摘要一種變電介質(zhì)電容式琴鍵壓下量振蕩測量傳感裝置，裝置包括電容傳感器(1)、物理轉(zhuǎn)換電路(2)及數(shù)字壓下量檢測電路(3)，電容傳感器(1)安裝在琴鍵(4)下方，琴鍵(4)移動(dòng)帶動(dòng)電容傳感器(1)的電介質(zhì)板(2-2)移動(dòng)導(dǎo)致電容傳感器(1)的電容變化，基于電容傳感器(1)構(gòu)成的物理轉(zhuǎn)換電路(2)將電容傳感器(1)的電容變化轉(zhuǎn)換為矩形波脈沖寬度變化，數(shù)字壓下量檢測電路(3)測量物理轉(zhuǎn)換電路(2)的矩形波信號(hào)的脈沖寬度得到琴鍵壓下量的相關(guān)信息。本實(shí)用新型提供了一種非接觸的數(shù)字式電子琴鍵盤力度實(shí)時(shí)采集裝置，傳感裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，精度高，具有擊鍵力度和揉弦模擬能力，為高性能電子琴設(shè)計(jì)提供了有效支撐。
文檔編號(hào)G01D5/241GK201731889SQ20102021179
公開日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2010年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月20日
發(fā)明者劉蘭軍, 劉悅, 李坤, 李鵬濤, 楊睿, 楊驍 , 牛炯, 王劍, 王建國, 秦立明, 遲書凱, 黎明 申請(qǐng)人:中國海洋大學(xué)