本发明属于张力换能器的技术领域，涉及一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，尤其是涉及一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器及其制作方法和张力测量系统。
背景技术：
目前，我国基础医学实验研究中使用的张力换能器，普遍采用单悬臂梁、单面贴一片2×2mm2半导体应变片技术，如图1所示，该片加工成两横(r1、r4)两纵(r2、r3)四个栅丝组成惠斯通电桥，工作原理如图2所示：r1、r4用于测量，r2、r3温度补偿(由于半导体材料温度系数高，因此在同硅片上做上两个电阻用于温度补偿)构成惠斯通电桥，电位器w用于静态调节输出电压为零伏。当外力作用于悬梁臂的测量端受力点，使之作轻微位移时，则r1、r4被受拉(电阻增大)或受压(减小)，电阻r2、r3与受力方向垂直，因此电阻不发生改变，此时电桥失去平衡，即有电压输出，而且输出电压的大小与施加的外力大小呈线性关系，此电压信号经过放大后，可输入示波器显示，或输入记录仪记录。这是典型的九十年代的技术特点。
在当时的技术条件下，灵敏度是换能器最主要的技术指标，如果灵敏度不高，则无法采集较为微弱的生物信号。裸露半导体应变片及其引线，可以有效提高张力换能器的灵敏度，这也是目前普遍采用的技术方案，如图3所示为完全裸露的半导体应变片。然而，这种方案在提高灵敏度的同时也存在着很大缺陷，即应变片缺少相应的保护措施，一旦有离子溶液或其他腐蚀性溶液进入，很容易腐蚀应变片及其引线，导致换能器的损坏，如图4所示为严重腐蚀的半导体应变片。为了满足医学实验研究中使用的张力换能器防腐蚀的要求，同时提高生物信号的检测精度，进一步提高实验成功率和实验教学质量，是本技术领域亟待解决的问题。
综上所述，现有技术中如何解决医学实验研究中使用的张力换能器防腐蚀的问题，以及如何在防腐蚀的情况下保证甚至提高生物信号的检测精度的问题，尚缺乏行之有效的解决方案。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的不足，解决现有技术中如何解决医学实验研究中使用的张力换能器防腐蚀的问题，以及如何在防腐蚀的情况下保证甚至提高生物信号的检测精度的问题，本发明提供了一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，尤其是提供了一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器及其制作方法和张力测量系统，采用“双孔悬臂梁+高精度电阻应变片+有源放大技术”的设计方案，并设计带有防浸润硅橡胶环的可拆卸测量杆，可有效避免腐蚀性溶液进入，彻底解决医学实验中各种溶液腐蚀导致的换能器损坏问题。
本发明的第一目的是提供一种双孔悬臂梁式张力换能器。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种双孔悬臂梁式张力换能器，包括：
双孔悬臂梁，两端分别为测量端和固定端，两组应变片分贴于双孔悬臂梁两侧，应变片互相连接组成惠斯通电桥。
本发明的第二目的是提供一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器，包括：
具有容纳空间的封闭外壳，在外壳内部设有双孔悬臂梁，两端分别为测量端和固定端，分别连接伸出外壳可拆卸的测量杆和固定杆，两组应变片分贴于双孔悬臂梁两侧，应变片互相连接组成惠斯通电桥，所述双孔悬臂梁内嵌入放大装置并密封。
作为进一步的优选方案，两组所述应变片采用之间阻值偏差小于1ω的箔式金属电阻应变片，分贴于双孔悬臂梁外壁与双孔的最薄处。
作为进一步的优选方案，所述测量杆采用钛合金材料，所述测量杆上与连接所述双孔悬臂梁相对的一端设置第一通孔。
作为进一步的优选方案，所述双孔悬臂梁测量端水平中心到双孔设置孔径与测量杆直径相等的第二通孔，所述双孔悬臂梁固定端水平中心到双孔设置孔径为测量杆直径与两倍最大允许形变之和的第三通孔，所述测量杆固定端穿过第三通孔通过双孔延伸至第二通孔内。
作为进一步的优选方案，所述测量杆上依次安装两道可拆卸的硅橡胶环。
作为进一步的优选方案，所述双孔悬臂梁内还嵌入与放大装置电路连接的调零装置并密封。
作为进一步的优选方案，所述外壳上面还设置水准器。
本发明的第三目的是提供一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器的制作方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器的制作方法，包括：
步骤(1)：检测两组应变片的性能质量，选择箔式金属电阻应变片；
步骤(2)：根据测量信号调试优化双孔悬臂梁的测量端；
步骤(3)：将两组应变片分贴于双孔悬臂梁两侧；
步骤(4)：进行静态标定和动态标定；所述静态标定在测量端悬挂五等标准砝码进行；所述动态标定在测量端连接正弦输出力0～50g可调的装置测量换能器的瞬态响应能否达到10hz；
步骤(5)：在使用前安装带有两个防浸润硅橡胶环的测量杆。
作为进一步的优选方案，所述两组应变片分贴于双孔悬臂梁两侧前对双孔悬臂梁进行表面清理、粘贴固化、安装连接线并检查质量和敷设保护层。
本发明的第四目的是提供一种张力测量系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种张力测量系统，包括上述的一种双孔悬臂梁式张力换能器或一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器，通过第一通孔与被测物连接，输出端与信息处理装置连接。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，采用“双孔悬臂梁+高精度电阻应变片+有源放大技术”的设计方案，并设计带有防浸润硅橡胶环的可拆卸测量杆，有效避免腐蚀性溶液进入，彻底解决医学实验中各种溶液腐蚀导致的换能器损坏问题。
2、发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，在防腐蚀的同时，采用先进的高精度电阻应变片，大幅提高张力信号的检测精度，进一步提高实验效果和实验教学质量。
3、发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，采用全封闭结构，有效实现防腐、温度和蠕变自动补偿等功能，大幅度提高张力换能器可靠性及耐用性。
4、发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，所述测量杆采用钛合金材料且可拆卸，具有质量轻、防腐蚀、清理拆装方便的特点。
5、发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，采用放大装置和调零装置嵌入双孔悬臂梁，提升双孔悬臂梁+高精度电阻应变片输出信号幅值，实现本发明与现有技术中的张力换能器的互换使用，保证本发明防腐蚀张力换能器的通用性。
附图说明
图1为现有技术中的2×2mm2半导体应变片实物图；
图2为现有技术中的应变片工作原理示意图；
图3为现有技术中的完全裸露的半导体应变片示意图；
图4为现有技术中的严重腐蚀的半导体应变片示意图；
图5为本发明的张力换能器的结构示意图；
图6为本发明的惠斯通电桥结构示意图；
图7为本发明的防腐蚀张力换能器的结构示意图；
图8为实施例1离体蛙心灌流实验装置示意图；
其中，1-固定杆，2-壳体，3-双孔悬臂梁，4-应变片，5-悬臂梁双孔，6-放大装置，7-调零装置，8-输出信号线，9-水准器，10-固定螺丝，11-硅橡胶环，12-测量杆。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
针对现有技术中存在的不足，解决现有技术中如何解决医学实验研究中使用的张力换能器防腐蚀的问题，以及如何在防腐蚀的情况下保证甚至提高生物信号的检测精度的问题，本发明提供了一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，尤其是提供了一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器及其制作方法和张力测量系统，采用“双孔悬臂梁+高精度电阻应变片+有源放大技术”的设计方案，研制一种全新的防腐蚀的张力换能器，可有效避免腐蚀性溶液进入，彻底解决医学实验中各种溶液腐蚀导致的换能器损坏问题。
实施例1：
本实施例1的目的是提供一种双孔悬臂梁式张力换能器。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
如图5所示，
一种双孔悬臂梁式张力换能器，包括：
双孔悬臂梁，两端分别为测量端和固定端，两组应变片分贴于双孔悬臂梁两侧，双孔悬臂梁外壁与双孔的最薄处，应变片互相连接组成惠斯通电桥，如图6所示为惠斯通电桥原理示意图，使其随着被测定对象的应变一起伸缩，这样应变片里面的金属箔就被拉伸或压缩。金属箔在伸长或缩短时其电阻会随之变化。通过测量电阻的微小变化间接实现对应变的测量。
在应变片外设置硅胶。
实施例2：
本实施例2的目的是提供一种防腐蚀张力换能器。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
如图7所示，
一种防腐蚀张力换能器，包括：
具有容纳空间的封闭外壳，在外壳内部设有双孔悬臂梁3，两端分别为测量端和固定端，分别连接伸出外壳可拆卸的测量杆12和固定杆1，两组应变片4分贴于双孔悬臂梁3两侧，应变片4互相连接组成惠斯通电桥，所述双孔悬臂梁3内嵌入放大装置6并密封，所述放大装置6连接输出信号线8。
在实施例1和实施例2的优选方式中，两组所述应变片4采用之间阻值偏差小于1ω的箔式金属电阻应变片，分贴于双孔悬臂梁3外壁与双孔的最薄处。
在实施例2的优选方式中，所述测量杆12采用钛合金材料，所述测量杆12上与连接所述双孔悬臂梁相对的一端设置第一通孔。
在实施例2的优选方式中，所述双孔悬臂梁测量端水平中心到双孔设置孔径与测量杆直径相等的第二通孔，所述双孔悬臂梁固定端水平中心到双孔设置孔径为测量杆直径与两倍最大允许形变之和的第三通孔，所述测量杆固定端穿过第三通孔通过双孔延伸至第二通孔内。两倍最大允许形变约±0.5mm,例如：测量杆为2.5mm时第三孔为3.5mm。如图7所示，第三通孔的孔径比测量杆直径大2d，当测量杆径向受力等于2倍换能器测量上限值时，测量杆与双孔悬臂梁刚体的形变刚好等于d(即测量杆刚好触到双孔悬臂梁刚体固定端的孔壁)。当测量杆径向受力大于2倍换能器测量上限时，由于测量杆接触到双孔悬臂梁刚体固定端的孔壁，不再继续作用于双孔悬臂梁刚体测量端，对换能器起到全方位保护作用。
在实施例2的优选方式中，所述测量杆12上依次安装两道可拆卸的硅橡胶环11。以避免任氏液浸润作用的发生、即防止了“爬碱”现象的发生。
在实施例2的优选方式中，测量杆内端套丝，双孔悬臂梁刚体测量端攻丝，通过螺丝连接，测量杆方便拆装、清洁。
在实施例2的优选方式中，所述双孔悬臂梁3内还嵌入与放大装置6电路连接的调零装置7并密封。
在实施例2的优选方式中，所述外壳包括壳体2，所述壳体2一端设置可通过测量杆12的第四通孔，所述壳体2另一端设置可通过固定杆1的第五通孔，所述壳体2设置盖板，形成可开合的具有容纳空间的结构，所述壳体2处于合并状态时为封闭结构。壳体2通过固定螺丝10与双孔悬臂梁3固定连接。
在实施例2的优选方式中，所述外壳上还设置水准器9。
在本实施例中，以“离体蛙心灌流实验”采用的张力换能器为例进行详细的说明。
“离体蛙心灌流实验”是研究心脏功能的经典实验，是生理学、药理学以及病理生理学实验教学的重要内容，也是众多大学中开设的常规实验，该实验对于学生掌握理化因素对心脏功能的影响具有重要意义。但是，在长期的教学实践中出现了一些问题，离体蛙心灌流实验中张力换能器的损坏率明显偏高。实验过程中张力换能器的灵敏度突然下降、输出信号漂移甚至无信号输出的现象频繁发生，严重影响实验教学质量，也造成了教学经费的很大浪费。通过观察学生实验、研究张力换能器的组成结构与工作原理，发现实验中离子灌流溶液的滴漏、腐蚀与张力换能器本身的设计缺陷是导致其损坏率明显偏高的主要原因。目前医学实验常用的张力换能器，均采用裸露“半导体应变片”及其引线的方式，以提高其信号采集的灵敏度，实现对微弱的生物信号的采集。这种设计方式在提高灵敏度的同时，也存在极大的缺陷，完全裸露的应变片极易被离子溶液腐蚀，导致张力换能器的损坏失效。
如图8所示，离体蛙心灌流实验在制备离体蛙心、完成心室插管后，需要通过蛙心夹及丝线连接张力换能器，以将心脏舒缩活动所产生的张力变化传递给张力换能器。此时离体蛙心及其插管在上方，下方通过丝线垂直连接张力换能器，这是机能学实验教学中离体蛙心灌流实验的标准连接方式。
按照实验要求，实验过程中需要“随时滴加任氏液于心脏表面，使之始终保持湿润状态”，这就造成了灌流液的滴漏。此外由于心室插管技术复杂精细，学生很难立即掌握技术要领，常见错误操作比如血管结扎不紧、或者忘记结扎心脏背面的腔静脉、蛙心夹夹破心脏甚至插管时插漏心室等，均会加剧任氏液的滴漏。这些滴漏的任氏液会沿着丝线流到张力换能器的测量端。由于任氏液含有较高浓度的ca2+、k+、na+等离子，滴漏到测量端的任氏液能浸润换能器的悬臂梁，并在“毛细现象”作用下继续向悬臂梁高处“爬碱”。当任氏液到达半导体应变片时，由于应变片及其引线完全裸露没有任何防护措施，加之任氏液具有良好的导电性能，会造成换能器输出电压不稳，灵敏度下降，直至腐蚀损坏半导体应变片，导致换能器失效，严重影响实验教学质量。
针对这一问题，本实施例将张力换能器的结构原理与“离体蛙心灌流”的实验方法相结合，以“防腐蚀”为契入点，采用“双孔悬臂梁式电阻应变技术”及“有源放大技术”，提出一种全新的防腐蚀的张力换能器，彻底解决医学实验中离子溶液腐蚀导致的张力换能器损坏，同时提高生物信号的检测精度，进一步提高实验成功率和实验教学质量。
一种防腐蚀张力换能器，包括：具有容纳空间的封闭外壳，在外壳内部设有双孔悬臂梁3，两端分别连接伸出外壳可拆卸的测量杆12和固定杆1，两组应变片4分贴于双孔悬臂梁3两侧，所述双孔悬臂梁3内嵌入放大装置6并密封，所述放大装置6连接输出信号线8。所述测量杆12采用钛合金材料，有效满足测量杆12防腐蚀、高强度、轻质量的设计要求。在钛合金测量杆上安装两道硅橡胶环，以避免任氏液浸润、防止“爬碱”现象的发生。测量杆和防浸润环可以方便的拆装及清洁。在蛙心灌流实验中，张力信号的动态测量范围小于10g，测量杆12采用钛合金材料保证了张力换能器具有足够低的惯量，即张力换能器测量端悬臂梁的重量尽可能轻(≤10g)，具有足够快的响应速度。
两组应变片4分贴于双孔悬臂梁3两侧，具有10hz响应能力的双孔悬臂梁式电阻应变换能装置，双孔悬臂梁具有抗偏载的力学特性，即双孔悬臂梁弹性体的应变量ε只取决于作用在双孔悬臂梁弹性体平面且与轴线相垂直的力分量，而与其他分量无关。根据这一特性，创造性的用双孔悬臂梁技术设计张力换能器，巧妙的解决了张力换能器防腐蚀的问题。双孔悬臂梁式张力换能器其输出电压与测量丝线在悬臂梁的位置无关，在保障换能器惯量足够小，灵敏度足够高的前提下，为避免换能器发生“爬碱”现象提供了宝贵空间条件。
在本实施例中，采用ad623低漂移、高增益仪表放大器作为放大装置6，不仅能在单电源下(3～12v)正常工作，而且可使用单个增益设置电阻进行增益编程,使其在电源、增益及量程等方面均可替代现有换能器，以实现与“生物机能实验系统”的适配，为新型防腐蚀张力换能器广泛应用于各种医学实验创造条件。
实施例3：
本实施例3的目的是提供一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器的制作方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器的制作方法，包括：
步骤(1)：检测两组应变片的性能质量，选择四个阻值偏差小于1ω的箔式金属电阻应变片；在本实施例中，应变片在测力换能器中起着感知和传导器械应变的重大作用。选用箔式bf1k-3aa高精度电阻式应变片(1000ω)，该应变片具有精度高、线性好、重复性好、温漂小等特点，可大幅提高生物信号的检测精度。应变片贴片前要对其性能质量进行认真检查,使同一换能器所使用的四个应变片阻值偏差小于1ω。
步骤(2)：根据测量信号调试优化双孔悬臂梁的测量端；在本实施例中，根据医学实验中生物信号普遍较为微弱的特点，需要对双孔悬臂梁测量端进行调试优化，以提高其瞬态响应性。
步骤(3)：将两组应变片分贴于双孔悬臂梁两侧；所述两组应变片分贴于双孔悬臂梁两侧前对双孔悬臂梁进行表面清理、粘贴固化、安装连接线并检查质量和敷设保护层。在本实施例中，贴片时，要注意选择合适的粘合剂并严格遵循粘贴工艺，做好表面清理、粘贴固化、安装连接线并检查质量和敷设保护层等工作，此外还要特别注意为防腐预留足够空间。
步骤(4)：进行静态标定和动态标定；所述静态标定在测量端悬挂五等标准砝码进行；所述动态标定在测量端连接正弦输出力0～50g可调的装置测量换能器的瞬态响应能否达到10hz。在本实施例中，将静态标定和动态标定进行结合，悬挂五等标准砝码进行静态标定，动态标定时需要设计正弦输出力0～50g可调的装置，用存储示波器记录换能器的输出电压与已知量间的偏移，测量换能器的瞬态响应能否达到10hz的技术要求。
步骤(5)：在使用前安装带有两个防浸润硅橡胶环的测量杆。
实施例4：
本实施例4的目的是是提供一种张力测量系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下一种技术方案：
一种张力测量系统，包括上述实施例1或实施例2中的一种防腐蚀的双孔悬臂梁式张力换能器，通过第一通孔与被测物连接，输出端与信息处理装置连接。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，为高性能张力换能器的原创性开发，采用“双孔悬臂梁+高精度电阻应变片+有源放大技术”的设计方案，并设计带有防浸润硅橡胶环的可拆卸测量杆，有效避免腐蚀性溶液进入张力换能器，大幅提高张力换能器的性能，包括灵敏度、长期稳定性、线性度、重复性等，显著提高生物信号的检测精度，使实验数据更加准确可靠，进一步提高实验成功率和实验教学效果。
2、本发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，与“生物机能实验系统”结合后，可全面应用于机能学实验教学中，尤其适用于“离体蛙心灌流”等离体器官实验，有效避免腐蚀性溶液进入，彻底解决医学实验中各种溶液腐蚀导致的换能器损坏问题。适用于六个专业(临床医学，口腔，预防，药学，护理、生物工程)、三个层次(五年制，八年制，留学生)的医学机能学实验教学，每年每个设有生物医学专业的大学中至少有1000多名学生受益。
3、发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，在防腐蚀的同时，采用先进的高精度电阻应变片，大幅提高张力信号的检测精度，进一步提高实验效果和实验教学质量。
4、发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，采用全封闭结构，有效实现防腐、温度和蠕变自动补偿等功能，大幅度提高张力换能器可靠性及耐用性。
5、发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，所述测量杆采用钛合金材料且可拆卸，具有质量轻、强度大、防腐蚀、清理拆装方便的特点。
6、发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，采用放大装置和调零装置嵌入双孔悬臂梁，提升双孔悬臂梁+高精度电阻应变片输出信号幅值，实现本发明与现有技术中的张力换能器的互换使用，保证本发明防腐蚀张力换能器的通用性。
7、发明所述的一种防腐蚀张力换能器及其制作方法和张力测量系统，具有设计合理、性能稳定、价格低廉、经济耐用等特点。可广泛应用于需要悬挂离体标本、引导并检测张力信号的离体实验研究，尤其适用于各级各类科研院所与医药院校的生理学、病理生理学、药理学以及生物学的实验教学与科学研究，可彻底解决各种溶液腐蚀导致的张力换能器损坏，大幅提高实验效率和实验成功率，具有广泛而重要的教学和科研价值，可面向离体实验相关的教学和科研工作全面推广，进一步提高其社会和经济效益。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。