微型骨骼二维力传感器、骨骼二维力传感装置.pdf

1、(10)授权公告号 CN 102138802 B (45)授权公告日 2013.10.16 CN 102138802 B *CN102138802B* (21)申请号 201110125684.4 (22)申请日 2011.05.16 A61B 5/22(2006.01) (73)专利权人 上海理工大学 地址 200093 上海市杨浦区军工路 516 号 (72)发明人 朱坚民 王军 李海伟 黄之文 翟东婷 (74)专利代理机构 上海新天专利代理有限公司 31213 代理人 王敏杰 GB 2305729 A,1997.04.16, US 20010032517 A1,2001.10.25, U

2、S 20050020941 A1,2005.01.27, US 20060047283 A1,2006.03.02, CN 2859491 Y,2007.01.17, 杨俊英， 等 . 微型 S 梁拉压力传感器的研 制 .洛阳工学院学报 .1998, 第 19 卷 ( 第 1 期 ),33-37. 赵为民， 等 . 智能骨外固定器轴向动刚度实 验研究 . 河南科技大学学报 .2009, 第 27 卷 ( 第 4 期 ),247， 248. (54) 发明名称 微型骨骼二维力传感器、 骨骼二维力传感装 置 (57) 摘要 本发明揭示了一种微型骨骼二维力传感器、 骨骼二维力传感装置， 所述二维力传

3、感器包括 ： 力学敏感元件、 硬中心、 应变片、 测量电路 ； 力学 敏感元件用以完成对骨骼二维力的测量， 即实现 对轴向拉压力和径向剪切力的测量 ； 硬中心位于 力学敏感元件的中心处， 用来承受和传递外力 ； 应变片贴在力学敏感元件的上表面 ； 测量电路完 成对信号的转换和放大。本发明所设计的骨骼二 维力传感器可以配合骨外固定器实现对骨折创伤 断面轴向拉压力和径向剪切力的测量。本发明力 敏元件采用 E 型圆膜片式结构， 具有尺寸小、 灵敏 度高、 线性度好的优点， 尤其是本发明采取的这种 简单结构的力敏元件可以作为一个整体一次加工 成型， 使得本发明的刚度好、 成本低、 动态性能好。 (51

4、)Int.Cl. (56)对比文件 审查员 沈研研 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)授权公告号 CN 102138802 B CN 102138802 B *CN102138802B* 1/2 页 2 1. 一种微型骨骼二维力传感器， 其特征在于， 所述二维力传感器包括 ： 力学敏感元件、 硬中心、 应变片、 测量电路 ； 所述力学敏感元件采用 E 型圆膜片式结构 ； 所述力学敏感元件用以完成对骨骼二维力 的测量， 即实现对轴向拉压力和径向剪切力的测量 ； 所述硬中心位于力学

5、敏感元件的中心处， 用来承受和传递外力 ； 所述应变片贴在力学敏感元件的上表面 ； 所述测量电路完成对信号的转换和放大， 测量电路固定在力学敏感元件下表面的内腔 内 ； 所述二维力传感器包括底盘， 起到固定传感器作用。 2. 根据权利要求 1 所述的微型骨骼二维力传感器， 其特征在于 ： 所述二维力传感器包括两组应变片， 一组分布在力学敏感元件的圆周上， 另一组贴在 力学敏感元件的 45方向上。 3. 根据权利要求 2 所述的微型骨骼二维力传感器， 其特征在于 ： 所述二维力传感器包括 8 个应变片 R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8； 根据力学敏感元件在轴向拉压力作

6、用的轴对称特性和径向剪切力作用下的反轴对称 变特性， 将应变片 R5、 R6、 R7、 R8均匀地分布在力学敏感元件的圆周上， R1、 R2、 R3、 R4贴在力学 敏感元件的 45方向上 ； 其中， R1、 R2、 R3、 R4用来实现对轴向拉压力的测量， R5、 R6、 R7、 R8用来实现对径向剪切力 的测量 ； 4 个应变片组成等臂全桥测量电路 , 这种组桥方式可以实现对二维力的静态解耦。 4. 根据权利要求 1 所述的微型骨骼二维力传感器， 其特征在于 ： 根据薄板理论， 建立轴向拉压力和径向剪切力作用下骨骼二维力传感器的力学敏感元 件的力学模型 ； 根据力学模型求解出轴向拉压力和径

7、向剪切力的径向应变的解析解， 并由 叠加原理求得合力作用下的应变解析解， 从理论上证明力学敏感元件可用于对轴向拉压力 和径向剪切力的测量。 5. 一种骨骼二维力传感装置， 其特征在于， 所述力传感装置包括 ： 微型骨骼二维力传 感器、 骨外固定器、 加力杆 ； 所述力学敏感元件采用 E 型圆膜片式结构 ； 所述力学敏感元件用以完成对骨骼二维力 的测量， 即实现对轴向拉压力和径向剪切力的测量 ； 所述硬中心位于力学敏感元件的中心处， 用来承受和传递外力 ； 所述应变片贴在力学敏感元件的上表面 ； 所述测量电路完成对信号的转换和放大， 测量电路固定在力学敏感元件下表面的内腔 内 ； 骨骼二维力传感

8、器串连在骨外固定器内， 硬中心和加力杆通过螺纹相连接， 通过对加 力杆所施加在骨骼创伤断面上作用力的测量来完成对骨骼二维力轴向拉压力和径向剪切 力的测量 ； 所述二维力传感器包括底盘， 起到固定传感器作用。 6. 根据权利要求 5 所述的骨骼二维力传感装置， 其特征在于 ： 所述二维力传感器包括两组应变片， 一组分布在力学敏感元件的圆周上， 另一组贴在 力学敏感元件的 45方向上。 权 利 要 求 书 CN 102138802 B 2 2/2 页 3 7. 根据权利要求 6 所述的骨骼二维力传感装置， 其特征在于 ： 所述二维力传感器包括 8 个应变片 R1、 R2、 R3、 R4、 R5、

9、R6、 R7、 R8； 根据力学敏感元件在轴向拉压力作用的轴对称特性和径向剪切力作用下的反轴对称 变特性， 将应变片 R5、 R6、 R7、 R8均匀地分布在力学敏感元件的圆周上， R1、 R2、 R3、 R4贴在力学 敏感元件的 45方向上 ； 其中， R1、 R2、 R3、 R4用来实现对轴向拉压力的测量， R5、 R6、 R7、 R8用来实现对径向剪切力 的测量 ； 4 个应变片组成等臂全桥测量电路 , 这种组桥方式可以实现对二维力的静态解耦。 权 利 要 求 书 CN 102138802 B 3 1/5 页 4 微型骨骼二维力传感器、 骨骼二维力传感装置 技术领域 0001 本发明属于

10、传感器技术领域， 涉及一种骨骼二维力传感装置， 尤其涉及一种微型 骨骼二维力传感器。 背景技术 0002 骨骼创伤断面上的应力大小直接影响骨骼愈合的速度及质量， 骨骼创伤断面上的 应力过大时， 将会导致骨骼创伤断面骨细胞坏死， 骨折延迟愈合， 甚至不愈合， 应力太小， 创 伤断面达不到一定的应力刺激水平和稳定固定的作用。目前， 国内外用于骨折临床治疗的 各种结构的固定器都可以对骨折端施力， 但对于施加于骨折创伤断面的力的大小和方向均 无法知道， 仅凭手术医生的感觉， 这种盲目加压方式对骨折的愈合速度和质量的负面影响 是显而易见的。 要彻底改变骨折治疗中盲目加压的现状， 改善骨折愈合的速度及质量

11、， 必须 解决活体骨骼创伤断面应力的传感检测这个瓶颈问题。 0003 在骨骼应力测量方面， 洛阳工学院的李孟源， 设计了 S 型传感器， 实现了对骨骼创 伤断面上平均应力大小的测量， 取得了一些研究成果， 对骨折临床治疗具有一定的指导作 用。但这种 S 型传感器体积和重量较大， 且只能实现单维力 ( 轴向力 ) 的测量， 无法测量骨 骼创伤断面上的径向分力。而径向分力的存在对骨折愈合极为不利， 它会破坏创伤断面上 的骨桥搭接和塑型修复， 使骨折延迟愈合甚至不愈合， 必须予以消除。另外， 目前现有的力 测量传感器产品均无法应用于骨骼创伤断面应力的测量， 最主要的原因如下 ： 一是体积大， 导致所

12、占用的空间较大， 临床手术操作不便， 甚至无法操作 ； 二是无保护装置， 使得传感检 测的可靠性不高， 难以适应临床医学的特殊要求 ； 三是重量大， 不便于病人的活动。 因此， 设 计一种可以用于测量骨骼创伤断面应力的微型传感器具有重要的理论意义和实用价值。 发明内容 0004 本发明所要解决的技术问题是 ： 提供一种微型骨骼二维力传感器， 可实现对骨骼 创伤断面轴向拉压力和径向剪切力测量的二维力传感器。 0005 此外， 本发明还提供一种骨骼二维力传感装置， 可实现对骨骼创伤断面轴向拉压 力和径向剪切力测量的二维力传感器。 0006 为解决上述技术问题， 本发明采用如下技术方案 ： 0007

13、 一种微型骨骼二维力传感器， 所述二维力传感器包括 ： 力学敏感元件、 硬中心、 应 变片、 测量电路 ； 0008 所述力学敏感元件用以完成对骨骼二维力的测量， 即实现对轴向拉压力和径向剪 切力的测量 ； 0009 所述硬中心位于力学敏感元件的中心处， 用来承受和传递外力 ； 0010 所述应变片贴在力学敏感元件的上表面 ； 0011 所述测量电路完成对信号的转换和放大， 测量电路固定在力学敏感元件下表面的 内腔内。 说 明 书 CN 102138802 B 4 2/5 页 5 0012 作为本发明的一种优选方案， 所述力学敏感元件采用 E 型圆膜片式结构。 0013 作为本发明的一种优选方

14、案， 所述二维力传感器包括底盘， 起到固定传感器作用。 0014 作为本发明的一种优选方案， 所述二维力传感器包括两组应变片， 一组分布在力 学敏感元件的圆周上， 另一组贴在力学敏感元件的 45方向上。 0015 作为本发明的一种优选方案， 所述二维力传感器包括 8 个应变片 R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8； 0016 根据力学敏感元件在轴向拉压力作用的轴对称特性和径向剪切力作用下的反轴 对称变特性， 将应变片 R5、 R6、 R7、 R8均匀地分布在力学敏感元件的圆周上， R1、 R2、 R3、 R4贴在 力学敏感元件的 45方向上 ； 0017 其中， R1、

15、 R2、 R3、 R4用来实现对轴向拉压力的测量， R5、 R6、 R7、 R8用来实现对径向剪 切力的测量 ； 4 个应变片组成等臂全桥测量电路， 这种组桥方式可以实现对二维力的静态 解耦。 0018 作为本发明的一种优选方案， 根据薄板理论， 建立轴向拉压力和径向剪切力作用 下骨骼二维力传感器的力学敏感元件的力学模型 ； 根据力学模型求解出轴向拉压力和径向 剪切力的径向应变的解析解， 并由叠加原理求得合力作用下的应变解析解， 从理论上证明 力学敏感元件可用于对轴向拉压力和径向剪切力的测量。 0019 一种骨骼二维力传感装置， 所述力传感装置包括 ： 微型骨骼二维力传感器、 骨外固 定器、

16、加力杆 ； 0020 所述力学敏感元件用以完成对骨骼二维力的测量， 即实现对轴向拉压力和径向剪 切力的测量 ； 0021 所述硬中心位于力学敏感元件的中心处， 用来承受和传递外力 ； 0022 所述应变片贴在力学敏感元件的上表面 ； 0023 所述测量电路完成对信号的转换和放大， 测量电路固定在力学敏感元件下表面的 内腔内 ； 0024 骨骼二维力传感器串连在骨外固定器内， 硬中心和加力杆通过螺纹相连接， 通过 对加力杆所施加在骨骼创伤断面上作用力的测量来完成对骨骼二维力轴向拉压力和径向 剪切力的测量。 0025 作为本发明的一种优选方案， 所述力学敏感元件采用 E 型圆膜片式结构 ； 所述二

17、 维力传感器包括底盘， 起到固定传感器作用。 0026 作为本发明的一种优选方案， 所述二维力传感器包括两组应变片， 一组分布在力 学敏感元件的圆周上， 另一组贴在力学敏感元件的 45方向上。 0027 作为本发明的一种优选方案， 所述二维力传感器包括 8 个应变片 R1、 R2、 R3、 R4、 R5、 R6、 R7、 R8； 0028 根据力学敏感元件在轴向拉压力作用的轴对称特性和径向剪切力作用下的反轴 对称变特性， 将应变片 R5、 R6、 R7、 R8均匀地分布在力学敏感元件的圆周上， R1、 R2、 R3、 R4贴在 力学敏感元件的 45方向上 ； 0029 其中， R1、 R2、

18、R3、 R4用来实现对轴向拉压力的测量， R5、 R6、 R7、 R8用来实现对径向剪 切力的测量 ； 4 个应变片组成等臂全桥测量电路， 这种组桥方式可以实现对二维力的静态 解耦。 说 明 书 CN 102138802 B 5 3/5 页 6 0030 本发明的有益效果在于 ： 本发明提出的微型骨骼二维力传感器中， 力敏元件采用 E 型圆膜片式结构， 具有尺寸小、 灵敏度高、 线性度好的优点， 尤其是本发明采取的这种简单 结构的力敏元件可以作为一个整体一次加工成型， 使得本发明的刚度好、 成本低、 动态性能 好。 本发明所设计的骨骼二维力传感器可以配合骨外固定器实现对骨折创伤断面轴向拉压 力

19、和径向剪切力的测量。 附图说明 0031 图 1-1、 图 1-2 为微型骨骼二维力传感器的结构示意图。 0032 图 2-1、 图 2-2、 图 2-3 为微型骨骼二维力传感器应变片的贴片及组桥的结构示意 图。 0033 图 3-1、 图 3-2 为微型骨骼二维力传感器的结构尺寸图。 0034 图 4 为微型骨骼二维力传感器测量骨骼力的使用示意图。 0035 图中附注如下 ： 0036 1、 力学敏感元件 ； 2、 硬中心 ； 0037 3、 底盘 ； 4、 应变片 ； 0038 5、 测量电路 ； 6、 骨外固定器。 具体实施方式 0039 下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。 004

20、0 实施例一 0041 本发明揭示了微型骨骼二维应力传感器， 图 1-1、 图 1-2 为本发明微型骨骼二维应 力传感器的结构示意图。请参阅图 1-1、 图 1-2， 本发明的微型骨骼二维应力传感器主要由 力学敏感元件 1、 硬中心 2、 底盘 3、 应变片 4、 电路板 5 组成。力学敏感元件 1 起到对外力测 量的作用， 当轴向压力和径向剪切力作用时， 力学敏感元件 1 会产生相应的形变， 通过应变 片 4 测量力学敏感元件所产生的形变。根据弹性力学和板壳理论中的薄板理论， 当弹性体 的厚度和内外半径尺寸在小挠度变化范围内， 即 ： 0042 0043 式中， h 为膜片的厚度， r1为弹

21、性体的外半径， r2为弹性体的内半径， 此时的弹性体 可以使用薄板理论。根据薄板理论， 建立轴向拉压力和径向剪切力作用下力学敏感元件 1 的力学模型， 根据力学模型可以求解出轴向拉压力和径向剪切力的径向应变的解析解。如 公式 1、 2 所示 ： 0044 0045 0046 由公式 1、 2 可知， 当轴向拉压力作用时， 直径方向上的应变成轴对称变化， 即相同 半径位置上的应变相等 ； 当径向剪切力作用时， 由于受角度 的影响， 直径方向上的应变 成反轴对称变化， 即硬中心两侧的应变是相反数。 当弹性体的结构尺寸内外半径、 厚度和材 说 明 书 CN 102138802 B 6 4/5 页 7

22、 料确定的情况下， 力敏元件所产生的应变和作用力成线性变化， 因此， E 型圆膜片式结构可 以用于测量轴向拉压力和径向剪切力。 由叠加原理可知， 在小挠度范围内， 合力的作用效果 等于两个分力作用效果的线性叠加， 应变和作用力也是成线性关系， 因此， 膜片可以用于测 量两个方向力的大小。 到此从理论上说明了所采用的膜片式结构可以用于骨骼二维力的测 量。 0047 在从理论上分析了 E 型圆膜片可以实现对轴向拉压力和径向剪切力测量后， 要对 传感器的应变片 4 进行贴片位置和方式的选择， 合理的贴片位置和方式可以使得传感器的 灵敏度提高， 并且可以实现对传感器的静态解耦。根据力学敏感元件在轴向拉

23、压力和径向 剪切力作用下的应变变化情况， 我们进行了传感器的贴片， 根据轴向拉压力的轴对称和径 向剪切力的反轴对称变化特性， 直径方向上贴4个应变片4用于测量轴向拉压力， 圆周方向 上贴 4 个应变片 4 用于测量径向剪切力， 具体贴片方式如图 2 所示， 8 个应变片粘贴在力学 敏感元件 1 的上表面， 为了达到最大的灵敏度， 贴片位置要选择最大应变位置处， 同时也要 避开零点处， 因此 R5、 R6、 R7、 R8均匀地分布在圆周上， R1、 R2、 R3、 R4贴在 45。方向上， 其中 R1、 R2、 R3、 R4用来实现对轴向拉压力的测量， R5、 R6、 R7、 R8用来实现对径向

24、剪切力的测量， 4 个应 变片组成等臂全桥测量电路， 这种组桥可以减小维间的耦合， 从理论上完成了对轴向拉压 力和径向剪切力的解耦。 0048 运用图 2-1 至图 2-3 所示的组桥方式， 通过力学敏感元件上表面的孔将上表面的 应变片引线连接到下表面内腔的测量电路 5 上， 测量电路 5 起到 A/D 转换和放大的作用， 把 传感器的应变值转换为电压值， 以此完成对骨骼二维力的测量。 0049 在确定骨骼二维力传感器的基本结构后， 需要对传感器进行尺寸优化， 使得传感 器在满足测量要求的同时， 达到最佳的静动态性能。根据骨骼二维力传感器的理论模型， 以骨骼二维力传感器的线性度和灵敏度为优化目

25、标函数， 最终得到骨骼二维力传感器主要 结构尺寸内外半径比和膜厚的优化值， 内外半径比为 0.2 时骨骼二维力传感器的灵敏度最 好， 膜厚大于 0.8176mm 时骨骼二维力传感器线性度最好。根据骨骼二维力传感器的测量要 求， 确定骨骼二维力传感器的结构尺寸， 如图 3-1、 图 3-2 所示。 0050 图 4 为本发明所设计的骨骼二维力传感器对骨骼力的测量方案， 传感器串连在骨 外固定器 6 的加力杆上， 骨骼二维力传感器 7 测量加力杆所施加力的大小来实现对骨骼的 轴向拉压力和径向剪切力的测量。由于骨外固定器的体积比较小， 以致传感器 7 的整体尺 寸必须很小才能够配合骨外固定器使用，

26、为了使得骨外固定器的治疗效果比较好， 要求传 感器的重量比较轻。本发明所设计的传感器重量为 47g， 最大外径为 17mm， 满足了微型化的 要求。 0051 综上所述， 本发明提出的微型骨骼二维力传感器中， 力敏元件采用 E 型圆膜片式 结构， 具有尺寸小、 灵敏度高、 线性度好的优点， 尤其是本发明采取的这种简单结构的力敏 元件可以作为一个整体一次加工成型， 使得本发明的刚度好、 成本低、 动态性能好。本发明 所设计的骨骼二维力传感器可以配合骨外固定器实现对骨折创伤断面轴向拉压力和径向 剪切力的测量。 0052 实施例二 0053 一种骨骼二维力传感装置， 所述力传感装置包括 ： 微型骨骼

27、二维力传感器、 骨外固 定器、 加力杆 ； 微型骨骼二维力传感器如实施例一所述。 说 明 书 CN 102138802 B 7 5/5 页 8 0054 骨骼二维力传感器串连在骨外固定器内， 硬中心和加力杆通过螺纹相连接， 通过 对加力杆所施加在骨骼创伤断面上作用力的测量来完成对骨骼二维力轴向拉压力和径向 剪切力的测量。 0055 这里本发明的描述和应用是说明性的， 并非想将本发明的范围限制在上述实施例 中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的， 对于那些本领域的普通技术人员来说实 施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是， 在不脱离本发明 的精神或本质特征的情况下， 本发明可以以其它形式、 结构、 布置、 比例， 以及用其它组件、 材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下， 可以对这里所披露的实施例进 行其它变形和改变。 说 明 书 CN 102138802 B 8 1/3 页 9 图 1-1 图 1-2 图 2-1 说 明 书 附 图 CN 102138802 B 9 2/3 页 10 图 2-2 图 2-3 图 3-1 说 明 书 附 图 CN 102138802 B 10 3/3 页 11 图 3-2 图 4 说 明 书 附 图 CN 102138802 B 11