專利名稱：微型骨骼二維力傳感器、骨骼二維力傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于傳感器技術領域，涉及一種骨骼二維力傳感裝置，尤其涉及一種微型 骨骼二維力傳感器。
背景技術：
骨骼創傷斷面上的應力大小直接影響骨骼愈合的速度及質量，骨骼創傷斷面上的 應力過大時，將會導致骨骼創傷斷面骨細胞壞死，骨折延遲愈合，甚至不愈合，應力太小，創 傷斷面達不到一定的應力刺激水平和穩定固定的作用。目前，國內外用于骨折臨床治療的 各種結構的固定器都可以對骨折端施力，但對于施加于骨折創傷斷面的力的大小和方向均 無法知道，僅憑手術醫生的感覺，這種盲目加壓方式對骨折的愈合速度和質量的負面影響 是顯而易見的。要徹底改變骨折治療中盲目加壓的現狀，改善骨折愈合的速度及質量，必須 解決活體骨骼創傷斷面應力的傳感檢測這個瓶頸問題。在骨骼應力測量方面，洛陽工學院的李孟源，設計了 S型傳感器，實現了對骨骼創 傷斷面上平均應力大小的測量，取得了一些研究成果，對骨折臨床治療具有一定的指導作 用。但這種S型傳感器體積和重量較大，且只能實現單維力(軸向力)的測量，無法測量骨 骼創傷斷面上的徑向分力。而徑向分力的存在對骨折愈合極為不利，它會破壞創傷斷面上 的骨橋搭接和塑型修復，使骨折延遲愈合甚至不愈合，必須予以消除。另外，目前現有的力 測量傳感器產品均無法應用于骨骼創傷斷面應力的測量，最主要的原因如下一是體積大， 導致所占用的空間較大，臨床手術操作不便，甚至無法操作；二是無保護裝置，使得傳感檢 測的可靠性不高，難以適應臨床醫學的特殊要求；三是重量大，不便于病人的活動。因此，設 計一種可以用于測量骨骼創傷斷面應力的微型傳感器具有重要的理論意義和實用價值。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種微型骨骼二維力傳感器，可實現對骨骼 創傷斷面軸向拉壓力和徑向剪切力測量的二維力傳感器。此外，本發明還提供一種骨骼二維力傳感裝置，可實現對骨骼創傷斷面軸向拉壓 力和徑向剪切力測量的二維力傳感器。為解決上述技術問題，本發明采用如下技術方案—種微型骨骼二維力傳感器，所述二維力傳感器包括力學敏感元件、硬中心、應 變片、測量電路；所述力學敏感元件用以完成對骨骼二維力的測量，即實現對軸向拉壓力和徑向剪 切力的測量；所述硬中心位于力學敏感元件的中心處，用來承受和傳遞外力；所述應變片貼在力學敏感元件的上表面；所述測量電路完成對信號的轉換和放大，測量電路固定在力學敏感元件下表面的 內腔內。
作為本發明的一種優選方案，所述力學敏感元件采用E型圓膜片式結構。作為本發明的一種優選方案，所述二維力傳感器包括底盤，起到固定傳感器作用。作為本發明的一種優選方案，所述二維力傳感器包括兩組應變片，一組分布在力 學敏感元件的圓周上，另一組貼在力學敏感元件的45°方向上。作為本發明的一種優選方案，所述二維力傳感器包括8個應變片禮、R2, R3、R4、R5、 R6、R7 > R8 ；根據力學敏感元件在軸向拉壓力作用的軸對稱特性和徑向剪切力作用下的反軸 對稱變特性，將應變片R5、R6、R7、R8均勻地分布在力學敏感元件的圓周上，R1^ R2> R3、R4貼在 力學敏感元件的45°方向上；其中，R1, R2, R3, R4用來實現對軸向拉壓力的測量，R5> R6、R7、R8用來實現對徑向剪 切力的測量；4個應變片組成等臂全橋測量電路，這種組橋方式可以實現對二維力的靜態 解耦。作為本發明的一種優選方案，根據薄板理論，建立軸向拉壓力和徑向剪切力作用 下骨骼二維力傳感器的力學敏感元件的力學模型；根據力學模型求解出軸向拉壓力和徑向 剪切力的徑向應變的解析解，并由疊加原理求得合力作用下的應變解析解，從理論上證明 力學敏感元件可用于對軸向拉壓力和徑向剪切力的測量。一種骨骼二維力傳感裝置，所述力傳感裝置包括微型骨骼二維力傳感器、骨外固 定器、加力桿；所述力學敏感元件用以完成對骨骼二維力的測量，即實現對軸向拉壓力和徑向剪 切力的測量；所述硬中心位于力學敏感元件的中心處，用來承受和傳遞外力；所述應變片貼在力學敏感元件的上表面；所述測量電路完成對信號的轉換和放大，測量電路固定在力學敏感元件下表面的 內腔內；骨骼二維力傳感器串連在骨外固定器內，硬中心和加力桿通過螺紋相連接，通過 對加力桿所施加在骨骼創傷斷面上作用力的測量來完成對骨骼二維力軸向拉壓力和徑向 剪切力的測量。作為本發明的一種優選方案，所述力學敏感元件采用E型圓膜片式結構；所述二 維力傳感器包括底盤，起到固定傳感器作用。作為本發明的一種優選方案，所述二維力傳感器包括兩組應變片，一組分布在力 學敏感元件的圓周上，另一組貼在力學敏感元件的45°方向上。作為本發明的一種優選方案，所述二維力傳感器包括8個應變片禮、R2, R3、R4、R5、 R6、R7 > R8 ；根據力學敏感元件在軸向拉壓力作用的軸對稱特性和徑向剪切力作用下的反軸 對稱變特性，將應變片R5、R6、R7、R8均勻地分布在力學敏感元件的圓周上，R1^ R2> R3、R4貼在 力學敏感元件的45°方向上；其中，禮、R2、R3、R4用來實現對軸向拉壓力的測量，R5> R6、R7、R8用來實現對徑向剪 切力的測量；4個應變片組成等臂全橋測量電路，這種組橋方式可以實現對二維力的靜態 解耦。
本發明的有益效果在于本發明提出的微型骨骼二維力傳感器中，力敏元件采用 E型圓膜片式結構，具有尺寸小、靈敏度高、線性度好的優點，尤其是本發明采取的這種簡單 結構的力敏元件可以作為一個整體一次加工成型，使得本發明的剛度好、成本低、動態性能 好。本發明所設計的骨骼二維力傳感器可以配合骨外固定器實現對骨折創傷斷面軸向拉壓 力和徑向剪切力的測量。


圖1-1、圖1-2為微型骨骼二維力傳感器的結構示意圖。圖2-1、圖2-2、圖2-3為微型骨骼二維力傳感器應變片的貼片及組橋的結構示意 圖。圖3-1、圖3-2為微型骨骼二維力傳感器的結構尺寸圖。圖4為微型骨骼二維力傳感器測量骨骼力的使用示意圖。圖中附注如下1、力學敏感元件； 2、硬中心；3、底盤；4、應變片；5、測量電路；6、骨外固定器。
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施例。實施例一本發明揭示了微型骨骼二維應力傳感器，圖1-1、圖1-2為本發明微型骨骼二維應 力傳感器的結構示意圖。請參閱圖1-1、圖1-2，本發明的微型骨骼二維應力傳感器主要由 力學敏感元件1、硬中心2、底盤3、應變片4、電路板5組成。力學敏感元件1起到對外力測 量的作用，當軸向壓力和徑向剪切力作用時，力學敏感元件1會產生相應的形變，通過應變 片4測量力學敏感元件所產生的形變。根據彈性力學和板殼理論中的薄板理論，當彈性體
的厚度和內外半徑尺寸在小撓度變化范圍內，即
1 h 1-
80 T1 -r2 8式中，h為膜片的厚度，Γι為彈性體的外半徑，r2為彈性體的內半徑，此時的彈性體 可以使用薄板理論。根據薄板理論，建立軸向拉壓力和徑向剪切力作用下力學敏感元件1 的力學模型，根據力學模型可以求解出軸向拉壓力和徑向剪切力的徑向應變的解析解。如 公式1、2所示⑴
2πΕη a a -b r^r2 = -3巧·1 · C02S(的{μ2 - l)(a2b2r~3 +r-(a2+b2 )r~l)(2)
π-Ε-h由公式1、2可知，當軸向拉壓力作用時，直徑方向上的應變成軸對稱變化，即相同 半徑位置上的應變相等；當徑向剪切力作用時，由于受角度θ的影響，直徑方向上的應變 成反軸對稱變化，即硬中心兩側的應變是相反數。當彈性體的結構尺寸內外半徑、厚度和材料確定的情況下，力敏元件所產生的應變和作用力成線性變化，因此，E型圓膜片式結構可 以用于測量軸向拉壓力和徑向剪切力。由疊加原理可知，在小撓度范圍內，合力的作用效果 等于兩個分力作用效果的線性疊加，應變和作用力也是成線性關系，因此，膜片可以用于測 量兩個方向力的大小。到此從理論上說明了所采用的膜片式結構可以用于骨骼二維力的測量。在從理論上分析了 E型圓膜片可以實現對軸向拉壓力和徑向剪切力測量后，要對 傳感器的應變片4進行貼片位置和方式的選擇，合理的貼片位置和方式可以使得傳感器的 靈敏度提高，并且可以實現對傳感器的靜態解耦。根據力學敏感元件在軸向拉壓力和徑向 剪切力作用下的應變變化情況，我們進行了傳感器的貼片，根據軸向拉壓力的軸對稱和徑 向剪切力的反軸對稱變化特性，直徑方向上貼4個應變片4用于測量軸向拉壓力，圓周方向 上貼4個應變片4用于測量徑向剪切力，具體貼片方式如圖2所示，8個應變片粘貼在力學 敏感元件1的上表面，為了達到最大的靈敏度，貼片位置要選擇最大應變位置處，同時也要 避開零點處，因此R5、I 6、R7、R8均勻地分布在圓周上，R1>R2>R3>R4貼在45。方向上，其中R” R2、R3、R4用來實現對軸向拉壓力的測量，R5、R6、R7、&用來實現對徑向剪切力的測量，4個應 變片組成等臂全橋測量電路，這種組橋可以減小維間的耦合，從理論上完成了對軸向拉壓 力和徑向剪切力的解耦。運用圖2-1至圖2-3所示的組橋方式，通過力學敏感元件上表面的孔將上表面的 應變片引線連接到下表面內腔的測量電路5上，測量電路5起到A/D轉換和放大的作用，把 傳感器的應變值轉換為電壓值，以此完成對骨骼二維力的測量。在確定骨骼二維力傳感器的基本結構后，需要對傳感器進行尺寸優化，使得傳感 器在滿足測量要求的同時，達到最佳的靜動態性能。根據骨骼二維力傳感器的理論模型， 以骨骼二維力傳感器的線性度和靈敏度為優化目標函數，最終得到骨骼二維力傳感器主要 結構尺寸內外半徑比和膜厚的優化值，內外半徑比為0. 2時骨骼二維力傳感器的靈敏度最 好，膜厚大于0.8176mm時骨骼二維力傳感器線性度最好。根據骨骼二維力傳感器的測量要 求，確定骨骼二維力傳感器的結構尺寸，如圖3-1、圖3-2所示。圖4為本發明所設計的骨骼二維力傳感器對骨骼力的測量方案，傳感器串連在骨 外固定器6的加力桿上，骨骼二維力傳感器7測量加力桿所施加力的大小來實現對骨骼的 軸向拉壓力和徑向剪切力的測量。由于骨外固定器的體積比較小，以致傳感器7的整體尺 寸必須很小才能夠配合骨外固定器使用，為了使得骨外固定器的治療效果比較好，要求傳 感器的重量比較輕。本發明所設計的傳感器重量為47g，最大外徑為17mm，滿足了微型化的 要求。綜上所述，本發明提出的微型骨骼二維力傳感器中，力敏元件采用E型圓膜片式 結構，具有尺寸小、靈敏度高、線性度好的優點，尤其是本發明采取的這種簡單結構的力敏 元件可以作為一個整體一次加工成型，使得本發明的剛度好、成本低、動態性能好。本發明 所設計的骨骼二維力傳感器可以配合骨外固定器實現對骨折創傷斷面軸向拉壓力和徑向 剪切力的測量。實施例二一種骨骼二維力傳感裝置，所述力傳感裝置包括微型骨骼二維力傳感器、骨外固 定器、加力桿；微型骨骼二維力傳感器如實施例一所述。
骨骼二維力傳感器串連在骨外固定器內，硬中心和加力桿通過螺紋相連接，通過 對加力桿所施加在骨骼創傷斷面上作用力的測量來完成對骨骼二維力軸向拉壓力和徑向 剪切力的測量。這里本發明的描述和應用是說明性的，并非想將本發明的范圍限制在上述實施例 中。這里所披露的實施例的變形和改變是可能的，對于那些本領域的普通技術人員來說實 施例的替換和等效的各種部件是公知的。本領域技術人員應該清楚的是，在不脫離本發明 的精神或本質特征的情況下，本發明可以以其它形式、結構、布置、比例，以及用其它組件、 材料和部件來實現。在不脫離本發明范圍和精神的情況下，可以對這里所披露的實施例進 行其它變形和改變。
權利要求
1.一種微型骨骼二維力傳感器，其特征在于，所述二維力傳感器包括力學敏感元件、 硬中心、應變片、測量電路；所述力學敏感元件用以完成對骨骼二維力的測量，即實現對軸向拉壓力和徑向剪切力 的測量；所述硬中心位于力學敏感元件的中心處，用來承受和傳遞外力； 所述應變片貼在力學敏感元件的上表面；所述測量電路完成對信號的轉換和放大，測量電路固定在力學敏感元件下表面的內腔內。
2.根據權利要求1所述的微型骨骼二維力傳感器，其特征在于 所述力學敏感元件采用E型圓膜片式結構。
3.根據權利要求1所述的微型骨骼二維力傳感器，其特征在于 所述二維力傳感器包括底盤，起到固定傳感器作用。
4.根據權利要求1所述的微型骨骼二維力傳感器，其特征在于所述二維力傳感器包括兩組應變片，一組分布在力學敏感元件的圓周上，另一組貼在 力學敏感元件的45°方向上。
5.根據權利要求4所述的微型骨骼二維力傳感器，其特征在于 所述二維力傳感器包括8個應變片禮、R2> R3> R4> R5> R6> R7> R8 ；根據力學敏感元件在軸向拉壓力作用的軸對稱特性和徑向剪切力作用下的反軸對稱 變特性，將應變片R5、R6、R7、R8均勻地分布在力學敏感元件的圓周上，R1^ R2> R3、R4貼在力學 敏感元件的45°方向上；其中，R1, R2, R3> R4用來實現對軸向拉壓力的測量，R5> R6、R7、R8用來實現對徑向剪切力 的測量；4個應變片組成等臂全橋測量電路，這種組橋方式可以實現對二維力的靜態解耦。
6.根據權利要求1所述的微型骨骼二維力傳感器，其特征在于根據薄板理論，建立軸向拉壓力和徑向剪切力作用下骨骼二維力傳感器的力學敏感元 件的力學模型；根據力學模型求解出軸向拉壓力和徑向剪切力的徑向應變的解析解，并由 疊加原理求得合力作用下的應變解析解，從理論上證明力學敏感元件可用于對軸向拉壓力 和徑向剪切力的測量。
7.一種骨骼二維力傳感裝置，其特征在于，所述力傳感裝置包括微型骨骼二維力傳 感器、骨外固定器、加力桿；所述力學敏感元件用以完成對骨骼二維力的測量，即實現對軸向拉壓力和徑向剪切力 的測量；所述硬中心位于力學敏感元件的中心處，用來承受和傳遞外力； 所述應變片貼在力學敏感元件的上表面；所述測量電路完成對信號的轉換和放大，測量電路固定在力學敏感元件下表面的內腔內；骨骼二維力傳感器串連在骨外固定器內，硬中心和加力桿通過螺紋相連接，通過對加 力桿所施加在骨骼創傷斷面上作用力的測量來完成對骨骼二維力軸向拉壓力和徑向剪切 力的測量。
8.根據權利要求7所述的骨骼二維力傳感裝置，其特征在于所述力學敏感元件采用E型圓膜片式結構； 所述二維力傳感器包括底盤，起到固定傳感器作用。
9.根據權利要求7所述的骨骼二維力傳感裝置，其特征在于所述二維力傳感器包括兩組應變片，一組分布在力學敏感元件的圓周上，另一組貼在 力學敏感元件的45°方向上。
10.根據權利要求9所述的骨骼二維力傳感裝置，其特征在于 所述二維力傳感器包括8個應變片隊、R2> R3> R4> R5> R6> R7> R8 ；根據力學敏感元件在軸向拉壓力作用的軸對稱特性和徑向剪切力作用下的反軸對稱 變特性，將應變片R5、R6、R7、R8均勻地分布在力學敏感元件的圓周上，R1^ R2> R3、R4貼在力學 敏感元件的45°方向上；其中，R1, R2, R3> R4用來實現對軸向拉壓力的測量，R5> R6、R7、R8用來實現對徑向剪切力 的測量；4個應變片組成等臂全橋測量電路，這種組橋方式可以實現對二維力的靜態解耦。
全文摘要
本發明揭示了一種微型骨骼二維力傳感器、骨骼二維力傳感裝置，所述二維力傳感器包括力學敏感元件、硬中心、應變片、測量電路；力學敏感元件用以完成對骨骼二維力的測量，即實現對軸向拉壓力和徑向剪切力的測量；硬中心位于力學敏感元件的中心處，用來承受和傳遞外力；應變片貼在力學敏感元件的上表面；測量電路完成對信號的轉換和放大。本發明所設計的骨骼二維力傳感器可以配合骨外固定器實現對骨折創傷斷面軸向拉壓力和徑向剪切力的測量。本發明力敏元件采用E型圓膜片式結構，具有尺寸小、靈敏度高、線性度好的優點，尤其是本發明采取的這種簡單結構的力敏元件可以作為一個整體一次加工成型，使得本發明的剛度好、成本低、動態性能好。
文檔編號A61B5/22GK102138802SQ20111012568
公開日2011年8月3日 申請日期2011年5月16日 優先權日2011年5月16日
發明者朱堅民, 李海偉, 王軍, 翟東婷, 黃之文 申請人:上海理工大學