nghiên cứu thiết kế hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương theo phương pháp cố định ngoài dùng cảm biến biến dạng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP ------ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CHO QUÁ TRÌNH NẸP XƯƠNG THEO PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CHO QUÁ TRÌNH NẸP XƯƠNG THEO PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH NGOÀI DÙNG CẢM BIẾN BIẾN DẠNG

NGUYỄN HỒ QUANG

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CHO QUÁ TRÌNH NẸP XƯƠNG THEO PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH NGOÀI DÙNG CẢM BIẾN BIẾN

DẠNG

Học viên: Nguyễn Hồ Quang

Lớp: Cao học K11 Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Người HD khoa học: PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe

PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe

HỌC VIÊN

Nguyễn Hồ Quang

Chương 3: Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương bằng

3.3 Thiết kế load cell dùng tensomet lắp trên cơ cấu nẹp xương 23

3.4 Xây dựng công thức biểu thị mối liên hệ giữa lực tại vị trí cần đo và biến dạng của phần tử biến dạng tại vị trí gắn cảm biến

3.6 Ứng dụng Phần mềm Labview để lập trình và quan sát kết

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Strain gauge rosettes Cảm biến biến dạng đa nhánh

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Đo biến dạng trong xương sử dụng triaxial rosette gauges

Hình 1.2 Một hệ thống đo lực điển hình của National Instruments

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống đo lực

Hình 2.2 Cách cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát

Hình 2.3 Một số loadcell của hãng Siemens

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động cảm biến áp điện

Hình 2.5 Cảm biến từ giảo có từ thẩm biến thiên

Hình 2.6 Cảm biến xúc giác

Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống đo lực cho quá trình cố định xương

Hình 3.2.Khung Hoffman II của Stryker

Hình 3.3 Mô hình khung cố định xương

Hình 3.4 Khung cố định xương chụp bằng X-Quang

Hình 3.5 Các loại phần tử biến dạng

Hình 3.6 Phần tử biến dạng- thanh nối khung cố định xương

Hình 3.7.Cảm biến điện trở kiểu lực căng

Hình 3.8 Vị trí strain gauge khi chịu tải trọng kéo nén đúng tâm

Hình 3.9 Một số loại strain gauge thông dụng của hãng Omega

Hình 3.10 Vị trí strain gauge rosettes trong trường hợp tải trọng phức tạp

Hình 3.11

Hình 3.12 Đặc tính Strain gauge FLA-6-11

Hình 3.13 Cầu đo 4 vai tích cực

Hình 3.14 Mạch cầu Wheastone

Hình 3.15 Sơ đồ mạch cầu

Hình 3.16 Khuếch đại đảo dấu

Hỡnh 3.17 Khuếch đại đảo dấu thực tế

Hỡnh 3.18 Khuếch đại đảo dấu cú biến trở

Hinh 3.19 Mạch khuếch đại đo lường

Hỡnh 3.20 Mạch khuếch đại tầng 1

Hỡnh 3.21 Mạch khuếch đại tầng 2, 3

Hỡnh 3.22 Mạch cảm biến và khuếch đại tớn hiệu

Hỡnh 3.23 Mụ hỡnh hệ thống khung cố định xương khi liền xương

Hỡnh 3.24 Lưới hoỏ kết cấu khung cố định xương

Hỡnh 3.25 Tối ưu hoỏ quỏ trỡnh lưới hoỏ kết cấu khung cố định xương

Hỡnh 3.26 Tớnh toỏn và mụ phỏng biến dạng

Hỡnh 3.27 Tớnh toỏn và mụ phỏng Ứng suất phỏp

Hỡnh 3.28 Tớnh toỏn và mụ phỏng Ứng suất tiếp

Hỡnh 3.29 Biến dạng của khung cố định xương khi chưa liền xương

Hỡnh 3.30 Phõn vựng biến dạng

Hỡnh 3.31 Phõn bố ứng suất phỏp

Hỡnh 3.32 Phõn bố ứng suất tiếp

Hỡnh 3.33 Sơ đồ khối hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu

Hình 3.34: mô hình Atmega8

Hình 3.35 Sơ đồ khối của bộ ADC

Hình 3.36 Thanh ghi ADMUX

Hình 3.37 Thanh ghi trạng thái và điều khiển

Hình 3.39 Thanh ghi điều khiển và so sánh tín hiệu analog

Hinh 3.40 Thanh ghi I/O

Hình 3.41 Sơ đồ khối của bộ truyền thông nối tiếp UART

Hình 3.42 Thanh ghi điều khiển và trạng thái đ-ờng truyền

H×nh 3.44 Thanh ghi ®iÒu khiÓn vµ tr¹ng th¸i ®-êng truyÒn

H×nh 3.45 Thanh ghi UBRRH và UBRRL

H×nh 3.46 Thanh ghi UDR

Hình 3.47 M¹ch ghÐp nèi vi ®iÒu khiÓn Atmega8

Hình 3.48 Mạch in mạch ghép nối vi điều khiển

Hình 3.49 Sơ đồ mạch Max232

Hình 3.50 Cài đặt cấu hình Labview để truyền thông

Hình 3.51 Lập trình trên Labview

Hình 3.52 Giao diện lập trình trên Labview

Hình 3.53 Mô phỏng kết quả trên Labview

Hình 4.1 Mạch đo lường

Hình 4.2 Mô hình hệ thống đo lực nẹp xương

Hình 4.3 Kết quả đo lực hiển thị trên máy tính

Một trong những vấn đề cần quan tâm là việc phân tích tải trọng tác dụng lên các chi của bệnh nhân bị gãy xương Khi một người bị gãy vỡ xương chân thì các ứng dụng các sản phẩm đúc bằng nhựa hoặc sợi thuỷ tinh để thay thế sẽ không còn hiệu quả để cho phép tái tạo và hàn gắn xương Xương là dạng mô sống và nó có thể hoàn toàn được tái tạo và thay thế Thực tế, ứng suất là yếu tố rất quan trọng trong việc bắt đầu cũng như duy trì quá trình hàn gắn xương Ví

dụ như nhà du hành vũ trụ trong trạng thái không trọng lượng ở không gian một thời gian dài sẽ dẫn đến giảm xương do thiếu ứng suât của lực hấp dẫn

Đối với xương bị gãy trầm trọng như là vỡ thành nhiều mảnh thì những phát minh về hệ thông cơ sinh sẽ thường được sử dụng và nó được biết đến như

là hệ thống nẹp xương ở phía ngoài Nó bao gồm một thanh thép không gỉ nằm phía ngoài cơ thể, được lắp chặt với các chốt cũng làm bằng thép không gỉ Các chốt này xuyên qua và giữ đoạn xương bị gãy cho đến khi mô xương được hàn gắn Và vì thế kết cấu này có thể mang tải trọng của bản thân khi người di chuyển

Một vấn đề quan trọng được đặt ra liên quan đến việc xác định tải trọng tác dụng lên bộ nẹp xương khi bệnh nhân di chuyển Vì thông tin này rất cần thiết để xác định kích thước của bộ nẹp để nó không biến dạng quá mức và ngăn cản sự hàn gắn của xương Một trong những nét đặc trưng của quá trình hàn gắn xương là nếu tất cả ứng suất không có trong xương và không có sự chuyển động tương đối xảy ra giữa các đoạn xương bị gãy thì xương sẽ không được hàn gắn nhưng nếu sự chuyển động tương đối đó quá nhiều thì lại cản trở sự hàn gắn của xương

Để đo lường độ lớn của tải trọng làm dữ liệu cho việc nghiên cứu cứu sự liền xương, giám sát lực tác dụng lên hệ thống nẹp trong quá trình di chuyển mà không cần đến chụp X-Quang thì cần thiết kế một hệ thống đo lực phù hợp Tín hiệu lực đo được có thể dùng để dự báo sự dài ra của xương và can xương(callus), làm tín hiệu phản hồi để tự động điều chỉnh thống nẹp sao cho phù hợp, hoặc có thể quyết định thời gian tháo nẹp Ngoài ra, ta có thể biết được

sự hồi phục của xương bằng cách khảo sát moment uốn tại vị trí gãy có giảm đi hay không thông qua sự biến dạng của nẹp xương nhờ vào việc đo lực

Rõ ràng, hệ thống đo lực nẹp xương sẽ là một công cụ hỗ trợ mạnh mẽ cho lĩnh vực chấn thương chỉnh hình trong y học Tuy nhiên, việc nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng hệ thống này vẫn còn khá mới mẻ trong ngành cơ sinh của nước

ta

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu:

1 Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đo lực bằng tensơmét

2 Phạm vi nghiên cứu: Đo lực nẹp xương theo phương pháp cố định ngoài

Phương pháp nghiên cứu: Lý thuyết kết hợp thực nghiệm

Nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết đo lực bằng cảm biến biến dạng

- Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương bằng tensomet

- Đo lực tại điểm nối mô hình xương chân thông qua bộ nẹp xương và kết luận

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Tạo điều kiện cho việc tự động điều chỉnh hệ thống nẹp xương

- Làm công cụ hỗ trợ cho công tác chẩn đoán bệnh trong lĩnh vực chấn thương chỉnh hình

- Góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu lĩnh vực cơ sinh trong nhà Trường

Nội dung nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan

Giới thiệu một cách tổng quan về quá trinh nghiên cứu chế tạo các hệ thống đo lực và ứng dụng cảm biến để đo lường trong y học trên thế giới

và ở Việt Nam

Chương 2: Phương pháp đo lực thông qua các đại lượng điện

Giới thiệu nguyên lý và một số phương pháp đo lực thông qua các đại lượng điện

Chương 3: Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương bằng

tensomet( strain gauge rosettes)

3.1 Sơ đồ hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương

3.3.4 Thiết kế mạch khuếch đại

3.4 Xây dựng công thức biểu thị mối liên hệ giữa lực tại vị trí cần đo

và biến dạng của phần tử biến dạng tại vị trí gắn cảm biến dựa trên phần mềm Ansys để làm cơ sở cho việc lập trình

3.5 Card thu nhận dữ liệu để kết nối máy tính

3.6 Ứng dụng Phần mềm Labview để lập trình và quan sát kết quả Chương 4: Thí nghiệm và kết quả

4.1 Các kết quả thí nghiệm

4.2 Đánh giá kết quả và nhận xét

4.3 Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương 1: Tổng quan

Ngày nay, đo lường điện các chỉ tiêu không điện là công cụ sắc bén thúc đẩy sự phát triển khoa học công nghệ, cần thiết trong nghiên cứu, thiết kế, kiểm tra, thử nghiệm, đánh giá chất lượng sản phẩm và trong đo lường điều khiển tự động

Đo các đại lượng không điện bằng phương pháp điện là biến đổi các đại lượng không điện thành tín hiệu điện thông qua các hiện tượng vật lý

Một trong những vấn đề quan tâm trong kỹ thuật là đo lực, biến dạng, ứng suất nên từ lâu người ta đã nghiên cứu chế tạo các loadcell và hiện nay các nhà sản xuất đã phát triển chế tạo ra nhiều loại loadcell đa dạng và phong phú

Tuy nhiên hệ thống đo lực ứng dụng trong y học đặc biệt trên lĩnh vực chấn thương chỉnh hình chỉ mới bắt đầu từ thập niên 70 trở lại đây Có rất nhiều nhà khoa học đã tập trung nghiên cứu về vấn đề này, điển hình là giáo sư Burny ở

Bỉ, giáo sư Churches ở Anh v.v

Từ năm 1965 đến năm 1981 người ta đã xây dựng các hệ thống đo lực dụng sử dụng một strain gauge để khảo sát sự biến dạng của khung cố định xương làm cơ sở cho việc nghiên cứu, đánh giá các quá trình liền xương của hơn 500 bệnh nhân Năm 1989 các nhà khoa học ở Canada đã phát triển nghiên cứu hệ thống đo biến dạng trên xương dụng rectangular strain gauge rosettes thay vì dùng một strain gauge như trước đây Năm 1997 Cristofolini L., Viceconti M đã sử dụng nghiên cứu hệ thống đo ứng suất chính trong xương đùi sử dụng uniaxial và triaxial rosette gauges

Hình 1.1: Đo biến dạng trong xương sử dụng triaxial rosette gauges

Về cơ bản thì một hệ thống đo biến dạng đối với xương bị gãy bao gồm một số modun như là:

+ Strain gauge rosettes được dán vào phần tử biến dạng Phần tử biến dạng có thể là xương bị gãy hoặc là khung cố định xương

+ Mạch cầu Wheatstone để biến đổi tín hiệu điện trở thành điện áp Với loại Measurement Group 2100 có thể cung cấp từ 10 đến 40 cầu

+ Mạch khuếch đại: Khuếch đại tín hiệu điện áp

+ Bộ chuyển đổi ADC: Chuyển tín hiệu tương tự thành số

+ Máy tính và phần mềm

Ví dụ hệ thống đo lực điển hình của National Instruments như hình 1.2 Hiện nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì hệ thống đo lực, biến dạng dùng trong y học đã tiến bộ vượt bậc Tuy nhiên, do sự biến đổi của can xương trong trường hợp xương chịu tác dụng của hệ lực tổng quát rất phức tạp nên viêc ứng dụng hệ thống này trong y học còn hạn chế, đặc biệt là tại nước ta

Vấn đề đo lực, biến dạng để nghiên cứu sự liền xương khi xương chịu tác động của một hệ lực biến thiên như trong trường hợp bệnh nhân di chuyển là khá phức tạp nên đề tài được tác giả giới hạn nghiên cứu hệ thống đo lực của khung cố định xương trong trường hợp xương chịu tác dụng của tải trọng không đổi

Hình 1.2 Một hệ thống đo lực điển hình của National Instruments

Chương 2: Phương pháp đo lực thông qua các đại lượng điện

2.1 Sơ đồ hệ thống đo lực

2.2 Các loại cảm biến dùng để đo lực

2.2.1.Cảm biến điện trở lực căng

Dưới tác dụng của ứng lực cơ học, trong môi trường chịu ứng lực xuất hiện biến dạng Sự biến dạng của các cấu trúc ảnh hưởng rất lớn tới khả năng làm việc cũng như độ an toàn khi làm việc của kết cấu chịu lực Mặt khác giữa ứng lực và biến dạng có mối quan hệ với nhau và từ đó có thể xác định được ứng lực khi đo biến dạng do nó gây ra Vì thế đo biến dạng là một vấn đề rất đáng quan tâm trong

kỹ thuật

Khi đo, cảm biến được gắn vào bề mặt của cấu trúc cần khảo sát, kết quả là cảm biến cũng chịu một biến dạng như biến dạng của cấu trúc [1]

Hình 2.2 Cách cố định đầu đo trên bề mặt khảo sát

1 Bề mặt khảo sát 2 Cảm biến 3 Lớp bảo vệ 4 Mối hàn

5 Dây dẫn 6 Cáp điện 7 Keo dán

Cảm biến ( đầu đo) Mạch chuyển đổi

Khuyếch Đại ADC

Máy tính+

Labview

Tín hiệu điện

Tín hiệu điện được khuếchđại

Truyền

dữ liệu

Lực tác dụng

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống đo lực

Điện trở của cảm biến được xác định bởi biểu thức:

l R S

- Điện trở suất: Điện trở của vật liệu làm dây phải đủ lớn để dây không quá dài làm tăng kích thước cảm biến và tiết diện dây không quá bé làm giảm dòng đo dẫn đến làm giảm độ nhạy

- Hệ số đầu đo: thông thường K=2-3, ngoại trừ isoelastic có K=3.5 và vonfram K=4.1

Platin Ảnh hưởng của lực đến độ tuyến tính: Trong giới hạn đàn hồi, hệ số đầu đo không đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng Ngoài giới hạn đàn hồi, khi

l/l>0.5%-20% tùy theo vật liệu, hệ số đầu đo K=2

- Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nói chung K ít chịu ảnh hưởng của nhiệt độ, ngoại trừ isoelastic Trong khoảng nhiệt độ từ -100oC300oC sự thay đổi của hệ số đầu đo K theo nhiệt độ có thể biểu thị qua biểu thức:

K(T)=Ko[1+K(T-To)]

Ko- hệ số đầu đo ở nhiệt độ chuẩn To ( thường To =25oC)

K- hệ số phụ thuộc vật liệu Với Nichrome V thì K =-0.04%/ oC, constantan K

=+0.01%/ oC

- Độ nhạy ngang: ngoài các nhánh dọc có điện trở RL cảm biến còn có các đoạn nhánh ngang có tổng độ dài lt, điện trở Rt, …

2.2.2 Cảm biến áp điện:

Nguyên lý hoạt động: Dựa trên hiệu ứng áp điện

Vật liệu để tạo ra các chuyển đổi áp điện thường là tinh thể thạch anh (SiO2), titanabari(BaTiO3), muối Xenhet, tuamalin…

Lực Fx gây ra hiệu ứng áp điện dọc với điện tích q = d1.Fx

Nếu tác động một lực theo trục Y thì gây ra hiệu ứng áp điện ngang với điện tích q phụ thuộc vào kích thước hình học của chuyển đổi:

q= -d1(y/x).Fy

Trong đó:

d1: hằng số áp điện ( gọi là modul áp điện)

y, x: Kích thước chuyển đổi theo trục X và Y

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động cảm biến áp điện

2.2.3 Cảm biến áp từ

Cảm biến áp từ hay cảm biến từ giảo hoạt động dựa trên hiệu ứng từ giảo Dưới tác động của từ trường, một số vật liệu sắt từ thay đổi tính chất hình học hoặc

tính chất cơ học ( hệ số Young) Hiện tượng này gọi là hiệu ứng từ giảo Khi có tác dụng của lực cơ học gây ra ứng lực trong vật liệu sắt từ làm thay đổi đường cong từ hóa của chúng, khi đó dựa vào sự thay đổi của độ từ thẩm hoặc từ dư thì có thể xác định được độ lớn của lực tác dụng Đây là hiệu ứng từ giảo nghịch

Cấu tạo của cảm biến gồm một cuộn dây có lõi từ hợp với một khung sắt từ tạo thành một mạch từ kín ( Hình 2.5.)

Dưới tác dụng của lực F lõi từ bị biến dạng kéo theo sự thay đổi độ từ thẩm  làm cho từ trở của mạch từ thay đổi Sự thay đổi tương đối của L, R hoặc  tỉ lệ với ứng lực , nghĩa là với lực cần đo F thì ta có:

vuông nhỏ đều có một điện cực được cách điện với dây dẫn của lưới bao quanh nó, các điện cực này nối với đất thông qua mạch đo dòng Mặt trên của hệ thống được phủ cao su có pha các hạt dẫn điện Khi có lực nén tác dụng lên một phần nào đó của tấm cao su, khoảng cách giựa các hạt dẫn điện ở phần đó ngắn lại, điện trở giảm xuống, dòng điện tăng lên( hình 2.6b) Toạ độ của vùng có dòng điện tăng lên

sẽ xác định vị trí của lực tác dụng và giá trị của nó xác định giá trị của lực

Hình 2.6 Cảm biến xúc giác a) Hệ thống cực đo b) Tác dụng của lực lên điện cực

Chương 3: Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình

cố định xương bằng tensomet( strain gauge rosettes)

3.1 Sơ đồ hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương

Hiện nay, khung Hoffman được sử dụng khá phổ biến trong lĩnh vực chấn thương chỉnh hình trên thế giới Loại khung này cho phép xoay các chốt để cố định xương theo nhiều phương khác nhau (Hình 3.2)

Điện trở biến thiên

Phần tử biến dạng

định ngoài

Strain gauge Biến

dạng

Cầu Wheaston

Khuyếch Đại ADC

Máy tính+

Labview

Tín hiệu điện áp

Tín hiệu điện áp khuếch đại

Truyền

dữ liệu Lực tác dụng

Hình 3.2.Khung Hoffman II của Stryker

Lý thuyết tính toán khung cố định xương được đề cập trong tài liệu [9] bao gồm việc phân tích mối liên hệ giữa độ cứng vững của khung với chiều dài, số lượng, vị trí của thanh nối và chốt Từ đó nhận thấy, số lượng chốt tối thiểu phải là

2, cụm kẹp chốt phải được siết chặt gần với xương đồng thời thanh nối càng ngắn càng tốt

Mô hình khung cố định xương được lựa chọn nghiên cứu như hình 3.3

Hình 3.3 Mô hình khung cố định xương

1 Thanh nối 2.Chốt 3.Xương 4.Vùng gãy xương

Hình 3.4 Khung cố định xương chụp bằng X-Quang

3.3 Thiết kế load cell dùng tensomet lắp trên khung cố định xương

3.3.1 Phần tử biến dạng

Phần tử biến dạng có thể là chính là strain gauge hoặc là thanh đàn hồi, ống đàn hồi, vòng đàn hồi hoặc dạng cầu như hình 3.5

Hình 3.5 Các loại phần tử biến dạng

Tùy thuộc vào vị trí, kết cấu của đối tượng, hệ lực tác dụng lên đối tượng cần

đo mà ta có thể lựa chọn phần tử biến dạng sao cho phù hợp

Để có được kết quả đo ứng lực trong xương chính xác, tin cậy thì nên sử dụng phần tử biến dạng là loại strain gage đặc biệt được cấy trực tiếp vào xương Tuy nhiên, việc chế tạo cũng như cấy strain gauge vào xương là một vấn đề rất phức tạp nên ta có thể khảo sát ứng lực trong xương một cách gián tiếp thông qua phần tử biến dạng là thanh nối của khung cố định xương Kết cấu thanh nối được tính chọn như hình 3.6

Hình 3.6 Phần tử biến dạng- thanh nối khung cố định xương

3.3.2 Cảm biến biến dạng

Hiện nay, người ta sử dụng phổ biến 2 loại cảm biến biến dạng:

+ Cảm biến điện trở là loại cảm biến thụ động, được chế tạo từ vật liệu có điện trở biến thiên theo mức độ biến dạng, có kích thước nhỏ từ vài mm đến vài cm

và khi đo chúng được dán trực tiếp lên cấu trúc biến dạng

+ Cảm biến đầu đo dạng dây rung được dùng chủ yếu trong ngành xây dựng Đầu đo được làm bằng một sợi dây kim loại căng giữa 2 điểm của cấu trúc cần đo biến dạng Tần số dây rung là hàm của sức căng cơ học, tần số này thay đổi khi khoảng cách giữa 2 điểm nối thay đổi

Để đo lực, biến dạng thì loại cảm biến điện trở kiểu lực căng còn gọi là Strain gauge được sử dụng phổ biến nhất ( Hình 3.7)

Hình 3.7.Cảm biến điện trở kiểu lực căng

Tùy thuộc vào mức độ phức tạp của hệ lực cần đo mà ta lực chọn số lượng, chủng loại strain gauge cũng như chọn vị trí dán strain gauge sao cho phù hợp

Trường hợp thanh chịu lực đơn giản (ví dụ chịu kéo nén đúng tâm như hình 3.8) thì ta chỉ cần cần sử dụng một strain gauge để xác định biến dạng Lúc này, giữa ứng suất, lực, biến dạng có mối liên hệ như sau:

Hình 3.8 Vị trí strain gauge khi chịu tải trọng kéo nén đúng tâm

Tuy nhiên, do tải trọng tác dụng lên xương trong quá trình di chuyển là khá phức tạp( ứng suất kéo, uốn, xoắn) nên ta sẽ phải sử dụng cảm biến có 3 strain gauge để đo lường theo 3 phương khác nhau và nó được gọi là strain gauge rosette Strain gauge rosette có các kiểu như là Rectangular, Equiangular(delta) hoặc là T-delta Rosette

Kiểu “Rectangular strain gauge rosettes” khá thông dụng nên được sử dụng để

nghiên cứu trong đề tài này và được bố trí như hình 3.10

45°

45°

x m

y

Hình 3.10 Vị trí strain gauge rosette trong trường hợp tải trọng phức tạp

Mối liên hệ giữa ứng suất chính, phương chính và biến dạng x,y, m theo các phương x, y, m được xác định như sau: ( Hình 3.11)

Từ công thức định luật Hook ở trạng thái ứng suất phẳng [10]:

 ; Với I=xy: Lượng bất biến ứng suất bậc nhất

Ứng suất với phương bất kỳ:

E I

E K E

xy xy

Hình 3.12 Đặc tính Strain gauge FLA-6-11

3.3.3 Thiết kế mạch cầu Wheatstone

Cầu đo Wheatstone là loại cầu đo được ứng dụng rộng rãi trong mạch đo biến dạng, đo di chuyển, ứng lực, áp suất, lực kéo nén, momen,… đồng thời có thể ghép với các mạch đo thích hợp- chuyển đổi thống nhất hóa

Cầu đo điện trở Wheatstone có các dạng

như là

+ Cầu đo một vai tích cực

+ Cầu đo 2 vai tích cực kề nhau hoặc đối

nhau

+ Cầu đo 4 vai tích cực

Hình 3.13 Cầu đo 4 vai tích cực

Khi điện trở R1 của tenzo(strain gauge) biến thiên một lượng là R1 thì điện

áp ra Ur cũng biến thiên một lượng là Ur và lúc này ta có:

2 1

0 2 3

1 1

0 0 1

Vậy, nếu điện trở strain gauge biến thiên một lượng là R1 thì điện áp ra Ur

1

4.

3.3.3.2.Thiết kế mạch cầu Wheatstone

Với strain gauge đang sử dụng có điện trở Rcb = 120(), hệ số đầu đo K =2.1

thì ta thiết kế mạch cầu như hình 3.15 với các thông số thiết kế như sau:

+ Điện áp đặt vào U0= 12 V

+ Giá trị điện trở:

Để tránh cảm biến bị hỏng do dòng qua cảm biến

quá lớn thì ta giảm dòng bằng cách tăng giá trị các

+ Điện áp ra: Ur =0…Urmax

Với người nặng khoảng 100 kg, thanh nối của hệ

khung cố định xương làm bằng vật liệu Inox 304

có modul đàn hồi E = 2.104

( kN/cm2), đường kính tại vị trí dán cảm biến 10 (mm) thì từ CT1 và

+12V

2K

R3 5k6

+ -

R1 5k6

0

R14 10K

R17 10K

R5 10K

R20 10K

-12V

R26 -12V

+ -

OP2

+ -

R18 10K

R28 10K

0

C2 C

J1: 0-5V

ADC

1 2

2

R24

Hình 3.15 Sơ đồ mạch cầu

3.3.4.1 Cơ sở lý thuyết

- Mạch khuếch đại thuật toán:

+Khuếch đại đảo dấu:

Hình 3.16 Khuếch đại đảo dấu Trên thực tế, kiểu mạch khuếch đại đảo dấu như sau:

Hình 3.17 Khuếch đại đảo dấu thực tếTrong các ứng dụng, thông thường khi hệ thống chưa làm việc thì điện áp cần đo Vout phải bằng không, nhưng do thực thế điện áp vào Vin đưa vào mạch khuếch đại là khác không Vì thế mà ở đầu vào không đảo được thiết kế một điện

áp cùng với biến trở để hiệu chỉnh sao cho ở điều kiện ban đầu Vout = 0

Khi đó mạch khuếch đại được thiết kế như sau:

Hình 3.18 Khuếch đại đảo dấu có biến trở + Mạch khuếch đại đo lường:

3.3.4.2 Thiết kế mạch khuếch đại đo lường

Với biến dạng của strain gauge rất nhỏ nên điện áp ra của cầu Wheatstone chỉ từ 0 đến 0,8 mV Do đó, để đọc được tín hiệu điện áp và đưa vào ADC để chuyển đổi thì cần phải khuếch đại tín hiệu thông qua mạch khuếch đại đo lường với dải đo từ 0 đến 5 V

Lúc này, hệ số khuếch đại Kđ được tính như sau:

R

R R

R V

6250 0.8

Tầng 1 có hệ số khuếch đại K1=1 với mục đích đảm bảo sự đồng pha nên các điện trở đều cùng giá trị là 10 (k)

Mạch khuếch đại sử dụng 2 IC chuyên dụng LM324 với mỗi IC gồm 4 Amp khuếch đại thuật toán

Op-Mạch cảm biến và khuếch đại tín hiệu được thiết kế như hình 3.22

Mạch gồm các khối chính: Khối mạch cầu trở H, khối khuếch đại, khối nguồn nuôi

Nguyên lý hoạt động của mạch như sau: khi không có biến dạng thì cầu cân bằng, tín hiệu ra của mạch khuếch đại là 0V Khi có biến dạng làm cảm biến tenzo biến dạng theo làm thay đổi điện trở trên tenzo, làm cho cầu H mất cân bằng, xuất hiện U giữa 2 nhánh của cầu Tín hiệu U giữa 2 nhánh cầu là rất nhỏ, đưa vào tầng khuếch đại khuếch đại tín hiệu lên dải 0v đến 5V đưa vào ADC của vi điều khiển

R1 5k6

0 R14 10K

R17 10K

R5 10K

-12V

+ -

0 -12V

R18 10K

R28 10K

0

C2 C

2

R24

Hình 3.22 Mạch cảm biến và khuếch đại tín hiệu

3.4 Xây dựng công thức biểu thị mối liên hệ giữa lực tại vị trí cần đo và biến dạng của phần tử biến dạng tại vị trí gắn cảm biến dựa trên phần mềm Ansys

để làm cơ sở cho việc lập trình

Sử dụng modun DesignModeler để thiết kế mô hình hệ thống khung cố định xương như hình 3.23

Hình 3.23 Mô hình hệ thống khung cố định xương khi liền xương

Sử dụng modun CFX-Mesh để thực hiện việc lưới hoá như hình 3.24 và 3.25