本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术力敏元件采用E型圆膜片式结构，具有尺寸小、灵敏度高、线性度好的优点，尤其是本发明专利技术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，使得本发明专利技术的刚度好、成本低、动态性能好。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于传感器
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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，本专利技术采用如下技术方案—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。作为本专利技术的一种优选方案，所述力学敏感元件采用E型圆膜片式结构。作为本专利技术的一种优选方案，所述二维力传感器包括底盘，起到固定传感器作用。作为本专利技术的一种优选方案，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。作为本专利技术的一种优选方案，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，这种组桥方式可以实现对二维力的静态 解耦。作为本专利技术的一种优选方案，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。作为本专利技术的一种优选方案，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。作为本专利技术的一种优选方案，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。作为本专利技术的一种优选方案，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，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。本专利技术的有益效果在于本专利技术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，尤其是本专利技术采取的这种简单 结构的力敏元件可以作为一个整体一次加工成型，使得本专利技术的刚度好、成本低、动态性能 好。本专利技术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。附图说明图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。具体实施例方式下面结合附图详细说明本专利技术的优选实施例。实施例一本专利技术揭示了微型骨骼二维应力传感器，图1-1、图1-2为本专利技术微型骨骼二维应 力传感器的结构示意图。请参阅图1-1、图1-2，本专利技术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1 h 1-80 T1 -r2 8式中，h为膜片的厚度，Γι为弹性体的外半径，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⑴2πΕη 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，当轴向拉压力作用时，直径方向上的本文档来自技高网...
【技术保护点】
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。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：朱坚民，王军，李海伟，黄之文，翟东婷，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：31
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