用于检测门的开启或闭合的压电传感器 【技术领域】
本发明涉及用于检测门的开启或闭合的传感器。更具体而言，涉及一种压电传感器系统，用于检测并发信号开启或闭合铰接的邮箱盖，将用特定的参考进行描述。然而，应该理解，本发明也适用于其他铰接设备的移动检测，如门，窗，等。背景技术
对于安放在远离住所或商务场所的邮箱的所有者来说，知道什么时候邮件已经递送到，以使邮箱的所有者可以取回送来的邮件是有帮助的。
美国专利No.4,872,210公开了一种人行道旁的邮箱检测器，对闭合邮箱门作出响应发射无线电信号。该开关可以是机械地，重力激励的，或水银开关或光电二极管。用这样一些开关有几个问题。首先，机械开关只有门闭合才工作。如果投入邮件后门仍然开着，该开关并不登记投递。为了有效地工作，机械开关一般也需要高度专门的调整和精确的安放。邮箱盖的设计考虑范围广泛，如绞链尺寸，间隔，缝隙宽度，锁住的方法等，使这个问题复杂化。许多机械开关由于长期的环境暴露也容易降质或性能失效。例如，水，冰，盐，太阳等容易造成机械开关损伤或使它不能工作。重力和水银开关不能服务于侧开的门，在此重力不适用。而且，水银是一种危险的材料，某些国家正在考虑禁止使用水银的产品。还有，美国专利No.4,872,210中所示类型的开关消耗相当大量的功率。
压电材料通过产生机械能对电场作出反应。在这些材料中逆命题也是成立的，即通过产生电信号对机械能作出反应。压电材料也被广泛地用作传感器和声/电耦合设备。然而，这样的传感器通常被设计成通过压电膜片形状的改变对施加的电场作出反应。膜片可以是不同材料做的，包括聚合物，如聚氟乙烯(PVDF)，当聚合物膜片经受电场时它们被拉伸。例如，美国专利No.4,405,402公开了一种由极化的塑料如聚氟乙烯制成的厚的压电/热电元件。然后压电膜片将通过伸长或缩短对所施加的电场作出反应，这取决于所施加的场的方向。有几种使用压电膜片制作这样的传感器元件的技术。一种通常的方法包含利用环氧树脂或胶水作为膜片层之间粘合剂将压电聚合物膜片叠成多层。例如，美国专利No.4,417,169公开了一种光电电路方案，用于驱使压电双晶体元件弯曲，从而依据通过窗帘所发送的光的量开启或闭合窗帘。美国专利No.4,342,936公开了一种压电弯曲模式的设备(称为“单压电晶体”)，包括粘结到一层压电非活动材料上的一层压电活动材料。
基于压电材料的开关有几种应用；然而，这些应用中大多数利用压电悬臂元件中的尖端小角度的弯曲(例如，见美国专利No.5,034,648)。
本发明提供一种新的改进的传感器和制备及使用的方法，它们克服了以上涉及的问题及其他的不足。发明内容
在本发明的一种示范性实施方案中，提供一种用于指明可依枢轴旋转的部件相对于该部件枢轴连接的固定部件的角位置变化的系统。该系统包括一个压电元件，当角位置发生变化时产生电信号。发射机根据角位置变化发送信号到远距离的位置。
在本发明的另一种示范性实施方案中，提供一种当可依枢轴旋转的部件在开启位置和闭合位置之间移动时的通信方法。该方法包括将压电元件定位，以便依据枢轴旋转的部件在开启和闭合位置之间移动，产生电信号。当压电元件产生超过阈值电平的电信号时激活发射机，使发射机发送信号到远距离位置上的接收机。
在本发明的另一种示范性实施方案中，提供一种邮箱和传感器系统。该系统包括一个邮箱和一个传感器系统，检测邮箱门的开启和闭合中至少一种状态。该传感器系统包括一个压电元件，根据门开启和闭合中的至少一种状态作产生电信号。当该传感器系统检测到门的开启和闭合中的至少一种状态时，发射机发送信号到远距离位置。
本发明的一个优点是，与重力开关不同，该压电传感器开关可以应用到任何随意方向的1个自由度的铰接部件。
本发明的另一个优点是，该传感器克服了在其他的机械接触开关技术中所用的高精度调整的需要。
本发明的另一个优点是从压电膜片作为一种强的机电变换器的能力派生的。这样使来自传感机制的电能能够用于驱动或部分地驱动远距离的控制电路，减少或消除可替换电池的需要。附图说明
图1是依据本发明的一种邮箱和传感器系统的简要透视图。
图2是图1的传感器一种实施方案的顶视图，邮箱以开启位置示出。
图3是图2中传感器和邮箱盖及底座的侧断面图。
图4是图1中邮箱底座的简要侧断面图，示出压电膜片在开启O和闭合C位置时盖和压电膜片的功能图。
图5是图1的传感器系统中激励系统和发射机的电路图。
图6是表示图1的门开启和/或闭合期间压电膜片输出电压图。
图7是示出图5电路的一种优选实施方案的电路图。
图8是图1的传感器系统中第二激励系统和发射机的电路图。
图9是图1的传感器系统中第三激励系统和发射机的电路图。
图10是图9的传感器系统中第三激励系统和发射机的一种示范性实施方案。
图11是示出反相前门的开启和/或闭合期间一种激励电路的电压输出图。
图12是示出反相后一种激励电路的电压输出图。
图13是示出已经把图12的信号变换成一个单脉冲的定时器电压输出图。
图14是在侧开窗中实施的本发明一种传感器系统的透视图。具体实施方式
参考图1，示出一种支撑在柱子12或其他适合的支撑物上的通常的人行道旁类型的邮箱10。邮箱包括一个具有通常平的底座16和弯曲的顶部18，在一起限定一个空腔20的箱子14。通过一个或多个枢轴部件，如绞链24将门或盖22以枢轴方式连接到邻近底座的箱体上。这样的箱子是通常的，在本发明的范围内可以有相当大的变化。当邮政工人投递邮件时，锁闩26被释放，门被邮政工人开启，邮件被投入箱中。
传感器系统30检测到门22的移动并发送信号到远距离的位置，如邮箱所有者的家中或工作场所。将认识到，该传感器系统具有许多其他的传感器的应用，也适用于其他可依枢轴旋转的部件开启和/或闭合的感知和发信号，如窗或进入建筑物或建筑内房间的门。例如，可以采用传感器检测未授权的进入房间或建筑物，记录哪些窗或门被打开，或跟踪进入和走出房间或建筑物的活动。传感器可被连接到家庭或工作场所的保安系统，通知居民有入侵者，如果适当的话，使对未授权进入的保安服务处于待命状态。
也参考图2和3，传感器系统40包括一个传感器元件42。传感器元件包括一个压电膜片，或包括通常是平面的层或压电材料的薄膜36的压电膜片34，它们可被层压，形成上部和/或下面的挠性部件37，38，提供对膜片的支撑和提供天气保护。在一种优选的实施方案中，上层37，和还有可选的下层38，是由有弹性的挠性材料组成的，它们将滤掉可能激活压电膜片并导致不准确地感知门的开启/闭合的光线和IR，UV或其他的寄生源。例如，层37，38可以由塑料或尿烷涂层材料或其他的聚合物材料组成。层的厚度并不是关键的，如果允许压电层36弯曲并返回它的原来形状经过许多次开启/闭合循环的话。对于该层大约5-20微米(μ)的厚度是适当的，最优选值是大约10μ。
在一种优选实施方案中，通过，例如，热焊封或其他方式围绕压电层的四边将层37，38焊封在一起把压电层36焊封在层压层37，38内。
压电膜片36可以由，例如，聚氟乙烯(PVDF)材料组成，这种材料可从Measurement Specialties公司得到。最好是大约20μ-60μ厚，最优选值大约40μ。
该膜片最好由挠性的，耐用的材料组成，有效地把机械功率变换成电脉冲。膜片提供一种无源的双态传感器开关，指示被铰接到刚性体，在示范性实施方案中是邮箱的箱体的盖或门的开启和/或闭合状态和/或开启和闭合位置之间状态的变化。
一种压陶部件也可用作压电条代替层压的聚合物膜片。另一种方案是，压电膜片可以是电缆的形式或者作为可伸长部件，如弹簧的涂层。在这后一种实施方案中，压电传感器当门依枢轴旋转时并不与压条相同的方式弯曲，然而承受使电信号发射的机械功。为了讨论容易，将用条来描述压电元件，虽然将认识到也可想出其他的电压元件。
压电条34的位置这样安放，当门被开启或闭合时，膜片36被弯曲并作为结果产生电脉冲。因此，压电膜片36最好横穿门的旋转轴R1放置(图1)。在一种实施方案中，压电膜片被固定在绞链24的相邻两侧(例如，如图2中所示，分别被贴附到邻近压电膜片端点40，42的底座16和门22上)。在一种替代的实施方案中，如图3中所示，膜片只在它的端点之一40上连到邮箱，当绞链24旋转时它的另一端42自由移动。双边的粘贴带，胶水或其他的贴附系统44可用于将压电膜片贴附到门22和/或底座16上(图3)。压电膜片34的中心46最好定位在接近绞链两侧之间的中间位置上，沿着绞链的旋转轴R1取中，当绞链被打开或闭合时膜片将经受最大的弯曲。当门处于闭合位置时，通常平面的压电膜片36被弯曲，如图4中C所示。在应力不存在时，也就是当门处于开启位置时，如图4中O所示，挠性部件恢复成通常两维的线性元件。
现在参考图5，压电膜片传感器用引线50，52电连接到激励器电路56。绞链24在打开和/或闭合中转动在压电膜片中感应出低频电压脉冲(图6)，由引线50，52传送和输入激励器电路56。电路56最好包括控制触发器阈值电平，延时，和继电器元件的工作时间常数的信号调整元件。阈值电平最好这样设置，使得如由于风或热膨胀和收缩引起的邮箱的微小运动产生的电“噪声”和/或机械“噪声”并不激励信号。因此激励器电路56最好截断所有高频的EMI和振动感应的电压。
在一种实施方案中，电路56被做成产生单一输出，当门22被开启时在预先确定的时间内保持在一种输出电压，如正电压，然后在所有其他的时间内返回零伏。将认识到该电路也可做成当绞链返回闭合位置时产生输出(或者既在开启又在闭合时产生输出)。
与基于压电悬臂元件的尖端通过小角度的弯曲进行检测的通常的基于压电的开关不同，本传感器可在压电元件两端之一或两端上被定位和牢固地固定在邮箱上，使得压电元件34在中心通过大角度被弯曲(近似90度，或更多)。在本实施方案中，在绞链90°度(门闭合)时压电元件也在应力下保持，当绞链被打开(0度)时，允许返回到它的自然状态。
当输出电压超过阈值电压时，这构成绞链状态的改变，此时绞链24的状态信息被传送到远距离位置上的接收机60(图1)。一种通信发射机，如带有天线64的RF遥控发射机62发送信号到远距离位置上的接收机60，指明绞链已被打开。发射机62可以是电池供电或者由通常的电源线路用AC电压供电。
在一种实施方案中，由压电膜片感应的电压供应用于触发无线RF发射机62的功率。发射机使用来自电池66的功率发送新的绞链状态信息。在压电膜片中感应的电压也可用于供应驱动遥控发射机62的功率或供应某些功率部分地驱动发送新的绞链状态信息的电路56。RF发射机所需的功率数量部分地取决于它的距离，在这种情况下，发射机62和接收机60之间的距离。
本实施方案利用压电膜片的能量变换性质，无论何时机械运动被检测到时，激活通信发射机，例如，当机械能影响传感器时，由压电膜片产生的电压使通信发射机能够通过接口电路56工作。
RF发射机62可被固定在邮箱的门22上，或者如图1中所示，在邮箱内被支撑。当门开启(或闭合)时，压电膜片改变机械的方向，在它的外层两端产生电位差。这依次使RF发射机能够工作，信号被传送到位于住所内部或其他远距离位置上的远距离接收机60，提醒消费者“邮件到了”。远距离接收机60可以发信号告警或使蜂鸣器68动作，当信号被发送时产生可听到的声音。替换的，或另外的方式是，远距离发射机可被转发到保安系统或计算机处理系统。将信号中继到一个可见的显示器，如LED显示屏或中继到第二远距离位置上。
再次参考图5，也参考图7，一种用于信号传输的激励器56配置被示出。当机械能影响到压电膜片传感器时，感应出电压信号，用于驱动电子开关70，如一个晶体管，电压信号可能包含高频寄生瞬变成分，由信号调整元件或如低通滤波器(LPF)72那样的部件将它们滤掉。这样保证了平滑的形状，防止‘噪声’激活电子开关。基本上，LPF作为灵敏度调谐器起作用，它的截止频率决定产生激活电子开关所需的信号的电压的质量。截止频率越低，达到激活必须的输入电压信号越健壮。因此，当检测强的机械力(低灵敏度)时截止频率可尽量小，当检测微小的机械力(高灵敏度)时截止频率可尽量大。因而，优选的截止频率某种程度上取决于压电膜片的位置和门22开启或闭合时产生的机械力。
可以利用单个电阻和电容组成低通滤波器72。图7示出一种比较优选的低通滤波器配置，由电阻74，电容76和可变电阻78，如变阻器或电位器组成。可调电阻允许通过以下关系调谐截止频率(灵敏度)：灵敏度∝φχ=1(&Rgr;&ogr;+&Rgr;&ogr;αδϕ).&KHgr;&ogr;---(1)]]>其中Ro标记电阻器74的电阻(Ω)，Co是电容器76的电容(法)，Roadj是可调电阻器78的电阻(Ω)，fc是截止频率(HZ)。
然后已低通滤波的电压信号优先激活电子开关，在DC电源Vdc66与通信发射机62，又与RC充电定时器80之间建立低阻抗电流通路。这样，通信电路被使能，传输就随着发生。只要已滤波电压信号仍然在设备导通阈值电压以上，电子开关仍然导通。‘导通时间’可被定义为Ton(例如，见图6，Vo-Voff)，是机械激励形状的函数。分别是，对于缓慢的机械激励Ton最好尽可能大，对于快速的机械激励Ton最好尽可能小。
目前在Ton周期内充电定时器80存储电荷，在电子开关已经断开后可以维持通信发射机工作。因此，传输窗被延长，以保证发射机和接收机之间足够的通信。一种优选的充电定时器80包括一个含有电阻为Rtd的电阻器84和电容为Ctd的电容器86的串联RC电路。在Ton周期内，电容器电压Vc按以下的关系充电：Vcon(t)=Vdc·(1-e-tRtd·Ctd)----(2)]]>其中V的单位是伏，t是时间，用秒为单位。在Ton周期终了时，进入电子开关的已滤波电压信号下降到导通阈值电压以下，使电子开关不能工作。因此，电容器电压按以下关系通过通信发射机62的输入电阻Rinput放电：Vcoff(t)=Vdc·e-1Rinput·Ctd---(3)]]>
从以上等式，很清楚为了使通信发射机“导通”时间尽可能大，放电时间常数Rinput Ctd应该尽可能大。通常，Rinput是通信发射机的特性参数，不可能很容易改变。因此，仍然保证电容器的电容足够低，以致在Ton期间几乎完全充电到Vdc的情况下，最好使电容器的电容Ctd尽可能大。最优选的做法是，Ctd充电到近似Vdc的90％或更多。
参考等式2，应该指出当
t＝Ton＝2.3·Rtd·Ctd (4)时，Vc充电到Vdc的90％。
根据以上情况，假定在机械激励形状中Ton是固有的，为了使Ctd尽量大，Rtd要尽量小。然而，优选的做法是保证Rtd的功率额定值不被超过。当Vc近似为0时，在Ton的开头电阻器84应该能够支持电流Vdc/Rtd。以下的关系表示Rtd消耗的功率：功率Rtd=Vdc2Rtd---(5)]]>
对于大多数的用途，给定Vdc是常数，不可改变(如利用简单电池的情况)，通过选择所希望的Rtd功率额定值(例如，0.25W)，得到最小允许的Rtd值。参考等式4，这将得到保证Ton期间接近充分充电的最大允许Ctd值。这样，依次得到最大放电常数和最大延伸的传输窗。换句话说，功率额定值越高，Rtd越低，Ctd越高，放电时间常数Rinput·Ctd越高，因而传输时间越长。然而，系统成本随着功率额定值增加而大大增加。此外，发射机的距离也取决于功率额定值。因此，一般对于Rtd所希望的功率额定值是大约0.1-0.25W。
现在参考图8，电压箝位器90，如齐纳二极管，可用在图5和7的电路图中，将电压箝位在由所选的电压箝位器设置的最大值。电压箝位器有助于防止对电子开关的危险。如果使用健壮的电子开关，不需要电压箝位器。另外，如果高频噪声并不是要关注的事，可从在此所示的实施方案中除去LPF 72。另一种情况，如果灵敏度是固定的就不需要电阻器78。
现在参考图9和10，示出用于系统的功能图的另一种实施方案。在该实施方案中，门的开启可以引起压电条以一个或多个电压峰值的形式输出，典型情况下强度不断减小。压电元件可与图2-4中所示的类似。
由该压电元件产生的电压峰值激活电子开关，产生近似的方波，如图11中所示。一个反相器92，如带有电阻器96的MOSFET设备，将方波信号反相，使得第一峰值以负斜率(后沿TE)开始而不是正斜率(前沿LE)，如图12中所示。一个泄放电阻器98可与反相器联用，泄放出现在MOSFET门栅上的电荷。在本实施方案中，低通滤波器72并不需要，可以用，例如，简单的固定电阻器99代替。反相器92和电子开关可作为单一设备得到。
来自反相器的信号被馈送到定时器设备100。当定时器设备接收到在阈值电平以上的信号时发送给发射机62。一种适当的定时器包含与电阻器104和电容器106，108联用的CMOS或BiCMOS设备102，在本实施方案中是一个CMOS 555定时器芯片，如图10中所示。CMOS 555定时器在准备模式中吸取小于100μA的电流，提供延长的电池寿命。定时器100辨别已反相信号的第一后沿TE，如果它超过阈值(负的)值，产生单个方波脉冲P，如图13中所示。这个脉冲P被可选地通过放大此信号的缓冲放大器120馈送到通信发射机62。例如，为了产生在发射机62上足够的发送信号，来自定时器的输出VxO可以是几个微安，为了放大此信号可能需要来自缓冲放大器的输出，这大约是100微安或更多。如果代替所示的一个CMOS芯片，使用BiCMOS定时器芯片或其他更高输出的设备，可以除去缓冲放大器。同样，如果发射机具有低的工作电流，就不需要缓冲放大器。
这样，反相器92和定时器100作为比图5，7和8的实施方案中的低通滤波器72更加高级的信号调整电路工作。因为利用图5和7的实施方案，充电定时器104，105可被并入图9和10的定时器，以便提供用于操作激励电路56和/或发射机62的某些或全部的功率。
使用反相器92的优点是市场上可得到的定时器趋向于辨别后沿TE(图12)，而不是前沿LE(图11)。将认识到，如果使用能够辨别前沿的定时器100，可以除去反相器。如果定时器能够检测图11中第一峰值的后沿，也可以除去反相器。这可能在要发射的信号中导致短的(也就是若干秒或更少)延时。对于许多用途，这点延时并不是至关重要的。
正如将认识到的那样，电子部件，如开关70，反相器92和定时器100可以全部放在单一的半导体衬底上。在本实施方案中，nJFET开关70可被除去，因为采用的2N 7000反相器94也起着一个开关的作用。
正如将认识到的那样，传感器并不限于按重力作用在绞链上的方式使用(也就是，绞链的旋转轴重直于重力，如图1中所示)。无论垂直还是水平旋转轴的应用被考虑。例如，图14示出一种安装在铰接窗130上的传感器系统30，在其中旋转轴R2通常是垂直的。通过绞链24依枢轴旋转方式将窗连到窗框132上。
传感器的另一种使用是检测如上翻型车库门的开启和闭合。在这样一种实施方案中，当车库门跟随在门的任一边上的轨道时，门的镶板依枢轴旋转。因此，当门开启时，镶板通常从垂直位置改变到水平位置。在给定时间内，镶板之一相对于相邻的镶板(“固定的”部件)依枢轴旋转。可以放置在此所描述的类型的压电条，以便检测这种相对的依枢轴旋转的移动。例如，可把压电条横过镶板之间的缝隙放置使得当依枢轴旋转的镶板相对于其他镶板改变方向时，压电条被弯曲。
正如将认识到的那样，传感器条32可被被放置在沿旋转轴R1，R2的任何地方，并不需要直接邻近铰链。
正如将认识到的那样，可以提供更复杂的电路而仍然在本发明的范围内。例如，为了增加来自压电膜片的信号强度，可以提供放大器部件。可以提供附加的信号处理/调整部件。为了补偿由于周围温度的变化引起的压电膜片变化的影响，也可以包含温度补偿部件。
虽然本发明已经通过图解说明的方法描述了特定的实施方案，对于本领域的技术人员来说可有许多修改和变化。因此，应该理解，所附的权利要求应覆盖所有的落在本发明的真正的精神和范围内的修改和变化。