专利名称：一种微型骨骼二维力传感器、骨骼二维力传感装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于传感器技术领域，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：
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，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。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。
实用新型内容本实用新型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。此外，本实用新型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。为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案—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；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。[0012]作为本实用新型的一种优选方案，所述力学敏感元件采用E型圆膜片式结构。作为本实用新型的一种优选方案，所述二维力传感器包括底盘，起到固定传感器作用。作为本实用新型的一种优选方案，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。作为本实用新型的一种优选方案，所述二维力传感器包括8个应变片礼、1 2、1 3、1 4、 R5、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均勻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。作为本实用新型的一种优选方案，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。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、加力杆；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。作为本实用新型的一种优选方案，所述力学敏感元件采用E型圆膜片式结构；所述二维力传感器包括底盘，起到固定传感器作用。作为本实用新型的一种优选方案，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。作为本实用新型的一种优选方案，所述二维力传感器包括8个应变片礼、1 2、1 3、1 4、 R5、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均勻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，礼、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。本实用新型的有益效果在于本实用新型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，尤其是本实用新型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，使得本实用新型的刚度好、成本低、动态性能好。本实用新型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。
图1-1、图1-2为微型骨骼二维力传感器的结构示意图。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。图3-1、图3-2为微型骨骼二维力传感器的结构尺寸图。图4为微型骨骼二维力传感器测量骨骼力的使用示意图。图中附注如下1、力学敏感元件；2、硬中心；3、底盘；4、应变片；5、测量电路； 6、骨外固定器。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。实施例一本实用新型揭示了微型骨骼二维应力传感器，图1-1、图1-2为本实用新型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，本实用新型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、测量电路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
权利要求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。
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 所述力学敏感元件采用E型圆膜片式结构。
3.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底盘，起到固定传感器作用。
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。
5.根据权利要求4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个应变片礼、R2> R3> R4> R5> 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均勻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，实现对二维力的静态解耦。
6.一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。
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 所述力学敏感元件采用E型圆膜片式结构；所述二维力传感器包括底盘，起到固定传感器作用。
8.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。
9.根据权利要求8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个应变片礼、R2> R3> R4> R5> 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均勻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，实现对二维力的静态解耦。
专利摘要本实用新型揭示了一种微型骨骼二维力传感器、骨骼二维力传感装置，二维力传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。本实用新型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。本实用新型力敏元件采用E型圆膜片式结构，尺寸小、灵敏度高、线性度好，尤其是本实用新型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，使得本实用新型的刚度好、成本低、动态性能好。
文档编号A61B17/56GK202270028SQ201120155088
公开日2012年6月13日 申请日期2011年5月16日 优先权日2011年5月16日
发明者朱坚民, 李海伟, 王军, 翟东婷, 黄之文 申请人:上海理工大学