CN105094461B - 触摸压力检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种触摸压力检测装置和方法，所述装置包括光发射器和光检测器，其中：光发射器用于发射光线，照射到有触摸动作的身体部位；光检测器用于接收身体部位反射回来的反射光，根据反射光的强度获取身体部位产生的触摸压力。本发明通过向有触摸动作的身体部位发射光线，并接收经身体部位中血液反射回来的反射光线，根据反射光的强度获取身体部位产生的触摸压力，实现了以光学方式利用血液容积检测触摸压力。这种方式相对于传统的电容检测法和压敏电阻检测法，具有检测灵敏度高、实现结构简单、体积较小、成本较低的优点。

Description

触摸压力检测装置和方法

技术领域

本发明涉及压力检测技术领域，尤其是涉及一种触摸压力检测方法和装置。

背景技术

日常生活中，人们在使用移动终端，通常使用手指触摸触控面板来进行操作，例如使用手指进行指纹解锁，以及按压、单击、双击等触控操作。在许多应用场景中，如果能够检测到手指的触摸压力，便可以根据触摸压力来丰富终端的操作功能，同时也可以通过一些***处理来提升用户的体验效果。比如，用户在用移动终端查看地图时，可以利用手指触摸压力的变化来进行放大或缩小；又如，可以利用触摸压力的不同来定义新的按键方式(如用重压轻压代替单击、双击等)，开发新的游戏功能(如用于赛车加速、跳高和下蹲等)，利用压力检测结果控制马达做触觉反馈等。

现有的检测手指触摸压力的方法无外乎两种，一种是电容检测法，另一种是压敏电阻检测法。

其中，电容检测法，即利用手指按压带有传感器的面板时，手指力度越大，手指接触面板的面积越大，与面板下方检测电极之间的电容越大的原理，根据电容大小判断手指压力大小。这种检测方法具有以下缺陷：

1)体积大：检测电极的面积或分布区域应该至少和手指面积相当，否则难以检测；

2)灵敏度差：手指接触面积随着压力变化不是很大，电容的变化量也很小，检测灵敏度有限。

3)离散度大：个体手指大小本身存在差异，导致不同用户，相同按压力度，但检测结果差异大。

而压敏电阻检测法，即在目标检测面板下方，安装压敏电阻压力传感器，当按压面板时候，面板会随着按压力度有微小的行程，导致安装在其下方的压敏电阻阻值发生变化，从而根据阻值变化大小量化按压力度。这种检测方法存在以下问题：

(1)实现结构难：前述传感器需要微小的行程来检测压力变化，需要非常平整的安装在面板下方，使得结构实现方法非常困难。

(2)容易受到设备放置方式影响：假如将压力检测设备安装在移动终端上，当移动终端面板相对重心线的角度变化时，由于面板的重力影响，会带来测量误差。

(3)成本高：传感器的成本和结构成本会导致最终方案成本较高。

综上所述，现有的技术中检测触摸压力的技术方案，具有结构复杂、体积较大、实现成本高、检测灵敏度低的缺点。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种触摸压力检测装置和方法，旨在提供一种结构简单、体积较小、成本较低、检测灵敏度高的触摸压力检测方案。

为达以上目的，本发明提出一种触摸压力检测装置，包括光发射器和光检测器，其中：

所述光发射器，用于发射光线，照射到有触摸动作的身体部位；

所述光检测器，用于接收所述身体部位反射回来的反射光，根据所述反射光的强度获取所述身体部位产生的触摸压力。

本发明同时提出一种触摸压力检测方法，包括以下步骤：

向有触摸动作的身体部位发射光线；

接收所述身体部位中血液反射回来的反射光；

根据所述反射光的强度获取所述身体部位产生的触摸压力；

其中，所述触摸压力与所述身体部位中的血液容积呈反相关，与所述反射光的强度呈正相关。

本发明所提供的一种触摸压力检测装置，通过向有触摸动作的身体部位发射光线，并接收经身体部位中血液反射回来的反射光线，根据反射光的强度获取身体部位产生的触摸压力，实现了以光学方式检测触摸压力。这种方式相对于传统的电容检测法和压敏电阻检测法，具有检测灵敏度高、实现结构简单、体积较小、成本较低的优点。

附图说明

图1是本发明实施例的触摸压力检测装置应用于移动终端的示意图；

图2是本发明的触摸压力检测装置一实施例的结构示意图；

图3是本发明实施例的触摸压力检测装置的光发射器的模块示意图；

图4是本发明实施例的触摸压力检测装置的光检测器的模块示意图；

图5是本发明实施例的触摸压力检测装置的各单元模块的连接示意图；

图6是图5中前级处理模块的输入信号和输出信号的示意图；

图7是本发明实施例的触摸压力检测装置的光发射器的电路连接示意图；

图8是本发明实施例的触摸压力检测装置的光检测器的电路连接示意图；

图9A是本发明实施例中血液容积与触摸压力的关系示意图；

图9B是本发明实施例***号强度与血液容积的关系示意图；

图9C是本发明实施例***号强度与触摸压力的关系示意图；

图10是本发明的触摸压力检测方法一实施例的流程图；

图11是图10中步骤S13的流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1，为本发明的触摸压力检测装置120应用于移动终端的按键区域130的示意图。

图2为本发明的触摸压力检测装置一优选实施例，所述装置120包括盖板128、底板125、光发射器122和光检测器124，光发射器122和光检测器124置于盖板128和底板125之间，盖板128用于供用户的身体部位110(如手指或身体其它部位)触摸，并且能够保护光发射器122和光检测器124，底板125用于承载光发射器122和光检测器124。其中：

光发射器122：用于发射光线121，发射的光线121具有特定的波长，能够透过盖板128照射触摸盖板128的身体部位110。

光检测器124：用于接收身体部位110反射回来的反射光123，根据反射光123的强度获取身体部位110对盖板128的触摸压力。

需要说明的是，盖板128不限定为平面，也可以是各种形状的外壳；材料方面可以选择能够透过特定波长光线的材料，如透明盖板、黑色PE材料等，以使光发射器122发射的光线能够通过。

触摸压力检测装置120也可仅包括光发射器122和光检测器124，身体部位110可直接触摸光发射器122，或者可触摸在封装光发射器122和光检测器124的PCB板上。

进一步地，还包括一遮光件126，该遮光件126设置于光发射器122与光检测器124之间，以阻挡光发射器122发射的光线121直接照射到光检测器124而影响检测精度。

当光线121照射到人的身体部位110(以下以手指为例)时，身体部位110会吸收一部分光线，反射一部分光线123，其中包括由皮肤、血液、骨骼等组织反射的光线。由皮肤和骨骼的组织反射的光线基本固定，不会随着压力的变化而变化；由血液的组织反射的光线会随着身体部位110中的血液容积不同而不同，即身体部位110对盖板128的压力不同，其中的血液容积会不同，反射的光线强度也就不同。

当身体部位110的血液容积越高时，吸收的光线越多而反射的光线123越少，反之则吸收的光线越少而反射的光线123越多。发明人经仔细研究发现，当用户手指110触摸设备表面(如能够透过特定波长光线的盖板128)时，手指110触摸部位的血液容积会发生变化，随着触摸部位血液容积的减小其吸收的光线也减少，反射的光线即反射光123则增加，即：触摸压力118增加，血液容积减少，反射光123的强度增大。可见，触摸压力118与血液容积呈反相关，与反射光123的强度呈正相关。通过检测反射光123的强度可检测手指110中血液容积的变化，进而检测触摸压力118。

其中，血液容积是指血管中所包含的血液容量总和。如图2所示，血液由静态血液111和动态血液(112，114)组成。静态血液111指不随心脏收缩和舒张而变化的血液，动态血液(112，114)指动脉毛细血管中会随着心脏收缩和舒张而变化的脉动血液。静态血液111一般保持相对稳定的水平，而动态血液(112，114)的容积会在手指受到触摸压力118作用时发生变化，手指110施加触摸压力118时，动脉毛细血管受到挤压，这个压力与心脏输送血液的压力116共同作用于毛细血管，使得毛细血管的血液容积达到新的平衡。每一压力值对应一血液容积值，测量血液容积变化，便可以得到压力变化。虽然，动态血液(112，114)容积随着心脏波动也在发生周期性变化，但这种微小的波动，相对于由触摸压力118导致的血液容积变化可以忽略不计。

光发射器122发射的光线121优选血液易于吸收的光线，如可以选择红光、红外光或者绿光等，如625nm的红光、840nm的红外光、525nm的绿光等，又或者可以选择上述光线的组合。血液对发射的光线121的吸收能力越强，则随着血液容积的变化其反射光123的强度变化越大，则检测效果越好，检测精度越高。

如图3所示，光发射器122包括发光单元202和发光控制单元204，发光控制单元204用于控制发光单元202的发光强度和发光时序，发光单元202用于在发光控制单元204的控制下发射光线。发光单元202优选发光二极管。

光检测器124可以利用反射光强度与触摸压力正相关的关系，根据反射光的强度量化触摸压力。

作为优选，光检测器124可以将反射光信号转化为电信号，利用电信号的强度来衡量反射光的强度，电信号的强度与反射光的强度呈正相关，电信号随着反射光的增强而增强，随着反射光的减弱而减弱。

如图4所示，光检测器124包括光电传感器206和分析处理单元207，其中：光电传感器206用于感应并接收反射光，将反射光信号转化为电信号；分析处理单元207用于对电信号进行分析处理，获取电信号的强度，根据电信号的强度量化触摸压力。

如图5所示，为光发射器122和光检测器124中各单元模块的连接示意图。其中，分析处理单元207包括依次连接的前级处理模块208、数据采集模块210、数据处理模块212和反馈调节模块214，前级处理模块208还分别与光电传感器206和反馈调节模块214连接，数据处理模块212还与光发射器122的发光控制单元204连接。其中：

前级处理模块208：用于对光电传感器206转化的微小的电信号进行处理，包括滤除电信号中的固定基准信号并对电信号进行放大处理。

如图6所示，前级处理信号208的输入信号中包括固定基准信号和反映压力波动的信号。固定基准信号是指不会随血液容积的变化而变化的信号，如图中阴影部分，是身体部位中的骨骼等组织反射回来的恒定信号，在电信号中体现为直流信号；而由血液反射回来的信号在手指压力作用下则体现为电信号中的交流信号，这部分信号是检测触摸压力的有用部分。前级处理模块208可以采用放大器、积分器等装置实现滤除和放大功能。在滤除了固定基准信号后，放大反映压力波动的信号并输出，使得后级模块可以仅针对有用信号部分进行处理。

数据采集模块210：用于对前级处理模块208处理后的电信号进行模数转换，将电信号由模拟信号转换为数字信号。数据采集模块210可以采用ADC(Analog-to-DigitalConverter，模数转换器)来实现模数转换功能。

数据处理模块212：用于分析处理数据采集模块210采集的数字信号，获取数字信号的强度，利用数字信号强度与触摸压力的正相关关系，根据数字信号的强度量化触摸压力的检测结果。数据处理模块212可以采用MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)。

此外，由于身体不同部位(如不同手指)、不同人体在压力下血液容积变化或血液吸收光线的特性可能不尽相同，因此数据处理模块212还根据分析处理结果控制反馈调节模块214调节前级处理模块208的滤除参数，以使检测结果更加准确，同时还控制发光控制单元204调节发光单元202的发光强度、发光时序等，以保证经身体部位反射回来的信号在前级处理模块208的有效动态范围内。反馈调节模块214可以采用DAC(Digital to analogconverter，数模转换器)进行滤除参数的调节。

如图7所示，为光发射器122的一种具体实现方式的电路示意图。其中，发光控制单元204包括驱动电流源304，驱动电流源304在控制信号306的控制下，驱动发光单元202(如发光二极管)发光，控制信号306可以是单个脉冲信号，也可以是连串脉冲，或其他自定义的信号格式。

如图8所示，为光检测器124的一种具体实现方式的电路示意图(其中省略了数据处理模块212)。光电传感器206感应经过身体部位反射回来的反射光生成感应电流，感应电流经过前级处理模块208进行一系列处理后转换为电压信号，然后输送至数据采集模块210(ADC)。其中，前级处理模块208包括并联的跨导放大器314、反馈电阻312和电容310，跨导放大器314的参考电压(Vref)可调节，反馈电阻312可以根据光电传感器206的信号强度选择合适的阻值，电容310为限带宽的电容，可以限制电路工作在合理的带宽范围内。反馈调节模块(DAC)优选通过一滤波器(Filter)与跨导放大器314的同向端连接。数据处理模块212根据数据采集模块210(ADC)采集到的电信号316的强度控制反馈调节模块(DAC)调节跨导放大器314同向端的参考电压Vref(即滤除参数)，以保证跨导放大器314输出不会饱和。

如图9所示，为触摸压力、触摸部位的血液容积以及上述触摸压力检测装置检测到的电信号之间的对应关系。其中：

如图9A所示，为血液容积与触摸压力的对应关系：结合参见图2，手指110施加压力118时，动脉毛细血管受到挤压，施加的压力118与心脏输送血液的压力116共同作用于毛细血管，流入手指触摸部位的血液112会明显减小，使得毛细血管的血液容积达到新的平衡。每一压力值对应一血液容积值，压力越大，血液容积越小。

如图9B所示，为血液容积与触摸压力检测装置检测到的电信号强度的关系示意图。结合参见图2，当血液容积在手指压力118作用下变小时，血液对光发射器122所发射的光线121的吸收能力降低，从而使得光检测器124接收到的反射光线123强度增大，转化的电信号随着增大，即血液容积越小，电信号越大。由此可见，反射光123的强度与触摸压力118呈正相关关系。

如图9C所示，为触摸压力与触摸压力检测装置检测到的电信号的变化关系。由以上分析知，随着触摸压力增大，触摸盖板的身体部位的毛细血管受到压力挤压而使得该身体部位中的血液容积变小，进而使得该部位的血液对光线的吸收能力减弱，反射光强度增强，最终使得光检测器检测到的电信号增强，因此触摸压力检测装置检测到的电信号与触摸压力呈现正相关关系。

本发明的触摸压力检测装置，可以应用于各种电子设备，如可以应用于手机、平板电脑等移动终端；并且可以与移动终端上的不同部件结合，应用在移动终端的不同位置，如移动终端的触控面板、home键的位置，指纹识别传感器的位置等。

本发明的触摸压力检测装置，通过向有触摸动作的身体部位发射光线，并接收经身体部位中血液反射回来的反射光线，根据反射光的强度获取身体部位产生的触摸压力，实现了以光学方式检测触摸压力。这种方式相对于传统的电容检测法和压敏电阻检测法，具有检测灵敏度高、实现结构简单、体积较小、成本较低的优点。

参见图10，提出本发明的触摸压力检测方法一实施例，所述方法包括以下步骤：

S11、透过盖板向触摸其的身体部位发射具有特定波长的光线。

发射的光线优选为易于被血液吸收的625nm的红光、840nm的红外光或者525nm的绿光等，又或者是上述光线的组合。

S12、接收身体部位反射回来的反射光。

本步骤S12中，发射的光线照射到身体部位(如手指)后，一部分光线被身体部位吸收，另一部分光线则被身体部位所反射，接收被反射的那部分光线，其中包括由皮肤、血液、骨骼等组织反射的光线。

优选地，为了防止发射的光线直接被接收反射光的装置所接收而影响检测精度，可以在发射光线的装置和接收反射光线的装置之间设置遮光件。

S13、根据反射光的强度获取身体部位对盖板的触摸压力。

本步骤S13中，利用触摸压力与反射光的强度的正相关关系，来根据反射光的强度量化触摸压力的检测结果。

在某些实施例中，可以利用现有技术中的光线强度检测装置直接检测反射光的强度，然后利用反射光强度与触摸压力的正相关关系，根据反射光的强度量化触摸压力的检测结果。

在本发明实施例中，可以将反射光信号转化为电信号，利用电信号的强度衡量反射光的强度；然后对电信号进行分析处理，根据电信号的强度量化触摸压力。具体如图11所示，包括以下步骤：

S131、将反射光信号转化为电信号。

具体的，可以利用光电传感器感应反射光，并将反射光信号转化为电信号。

S132、滤除电信号中的固定基准信号并对电信号进行放大处理。

具体的，可以采用放大器、积分器等装置实现电信号的滤除和放大功能。

其中，固定基准信号是指不会随血液容积的变化而变化的信号，是身体部位中的骨骼等组织反射回来的恒定信号，在电信号中体现为直流信号，而由血液反射回来的信号则体现为电信号中的交流信号。

S133、将电信号由模拟信号转换为数字信号。

具体的，可以采用ADC来实现电信号的模数转换。

S134、分析处理数字信号，根据数字信号的强度量化触摸压力。

具体的，可以采用MCU分析处理数据采集模块采集的数字信号，获取数字信号的强度，利用数字信号强度与触摸压力的正相关关系，根据数字信号的强度量化触摸压力的检测结果。

S135、根据分析处理结果调节滤除固定基准信号的滤除参数。

由于身体不同部位(如不同手指)、不同人体在压力下血液容积变化或血液吸收光线的特性可能不尽相同，因此还根据分析处理结果来调节滤除参数，以使检测结果更加准确，所述滤除参数如电压参数等。

同时，还可以根据分析处理结果控制发射光线的装置的发光强度、发光时序等，以保证经身体部位反射回来的信号在装置工作的有效动态范围内。

本发明的触摸压力检测方法，通过向有触摸动作的身体部位发射光线，并接收经身体部位中血液反射回来的反射光线，根据反射光的强度获取身体部位产生的触摸压力，实现了以光学方式检测触摸压力。这种方式相对于传统的电容检测法和压敏电阻检测法，具有检测灵敏度高、实现结构简单、体积较小、成本较低的优点。

需要说明的是：上述实施例提供的触摸压力检测方法与触摸压力检测装置实施例属于同一构思，装置实施例中的技术特征在方法实施例中均对应适用，这里不再赘述。

应当理解的是，以上仅为本发明的优选实施例，不能因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种触摸压力检测装置，其特征在于，包括光发射器和光检测器，其中：

所述光发射器，用于发射光线，照射到有触摸动作的身体部位；

所述光检测器，用于接收所述身体部位反射回来的反射光，根据所述反射光的强度获取所述身体部位产生的触摸压力；

其中，所述触摸压力与所述身体部位中动态血液的血液容积呈反相关，与所述反射光的强度呈正相关；

所述光检测器包括光电传感器和分析处理单元；

所述光电传感器用于接收所述身体部位中血液反射回来的反射光，并将反射光信号转化为电信号，以利用所述电信号的强度衡量所述反射光的强度；

所述分析处理单元包括依次连接的前级处理模块、数据采集模块和数据处理模块，所述前级处理模块还与所述光电传感器连接，其中：

所述前级处理模块，用于滤除所述电信号中的固定基准信号并对滤除后的电信号进行放大处理；

所述数据采集模块，用于将所述电信号由模拟信号转换为数字信号；

所述数据处理模块，用于分析处理所述数字信号，根据所述数字信号的强度量化所述身体部位产生的触摸压力；

其中，所述固定基准信号是指不会随血液容积的变化而变化的信号，所述滤除后的电信号是反映触摸压力波动的信号。

2.根据权利要求1所述的触摸压力检测装置，其特征在于，还包括盖板和底板，所述光发射器和所述光检测器置于所述盖板和所述底板之间，所述身体部位触摸所述盖板；所述光发射器发射的光线具有特定波长，能够透过所述盖板照射所述身体部位。

3.根据权利要求1所述的触摸压力检测装置，其特征在于，

所述分析处理单元用于对所述电信号进行分析处理，根据所述电信号的强度量化所述身体部位产生的触摸压力。

4.根据权利要求3所述的触摸压力检测装置，其特征在于，所述分析处理单元还包括反馈调节模块，所述反馈调节模块分别与所述数据处理模块和所述前级处理模块连接，根据所述数据处理模块的分析处理结果，调节所述前级处理模块的滤除参数。

5.根据权利要求4所述的触摸压力检测装置，其特征在于，所述前级处理模块包括：

跨导放大器、反馈电阻和反馈电容，所述反馈电阻和所述反馈电容并联，并且跨接在所述跨导放大器的反相输入端和输出端。

6.根据权利要求1所述的触摸压力检测装置，其特征在于，所述光发射器包括发光单元和发光控制单元，所述发光控制单元用于控制所述发光单元的发光强度和发光时序，所述发光单元用于在所述发光控制单元的控制下发射光线。

7.根据权利要求6所述的触摸压力检测装置，其特征在于，所述发光控制单元包括驱动电流源，所述驱动电流源在脉冲信号的控制下驱动所述发光单元发光。

8.根据权利要求1-7任一项所述的触摸压力检测装置，其特征在于，所述光发射器发射的光线包括红光、红外光和绿光中的一种或者多种。

9.根据权利要求1-7任一项所述的触摸压力检测装置，其特征在于，所述触摸压力检测装置还包括设置于所述光发射器和所述光检测器之间的遮光件。

10.一种触摸压力检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

向有触摸动作的身体部位发射光线；

接收所述身体部位中血液反射回来的反射光；

根据所述反射光的强度获取所述身体部位产生的触摸压力；

其中，所述触摸压力与所述身体部位中动态血液的血液容积呈反相关，与所述反射光的强度呈正相关；

所述根据所述反射光的强度获取所述身体部位产生的触摸压力包括：

将反射光信号转化为电信号，以利用所述电信号的强度衡量所述反射光的强度；

滤除所述电信号中的固定基准信号并对滤除后电信号进行放大处理；

将所述电信号由模拟信号转换为数字信号；

分析处理所述数字信号，根据所述数字信号的强度量化所述身体部位产生的触摸压力，并根据分析处理结果调节滤除所述固定基准信号的滤除参数；

其中，所述固定基准信号是指不会随血液容积的变化而变化的信号，所述滤除后的电信号是反映触摸压力波动的信号。