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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-1-
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG 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 XƢƠNG THEO
PHƢƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH NGOÀI DÙNG
CẢM BIẾN BIẾN DẠNG









NGUYỄN HỒ QUANG

Thái nguyên - 2010

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-2-

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG 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 XƢƠNG THEO PHƢƠNG
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


KHOA ĐÀO TẠO SĐH


NGƢỜI HƢỚNG DẪN





PGS.TS Nguyễn Đăng Hòe
HỌC VIÊN





Nguyễn Hồ Quang
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-3-
MỤC LỤC
Trang
MỤC LỤC 1
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 3
Danh mục các hình vẽ, đồ thị 4
MỞ ĐẦU 7
Chương 1. Tổng quan 11
Chương 2. Phương pháp đo lực thông qua các đại lượng điện. 14
Chương 3: Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương bằng
tensomet( strain gauge rosettes). 21
3.1. Sơ đồ hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xương. 21
3.2. Thiết kế cơ cấu nẹp xương. 21
3.3. Thiết kế load cell dùng tensomet lắp trên cơ cấu nẹp xương. 23
3.3.1. Phần tử biến dạng. 23
3.3.2. Tensomet( cảm biến biến dạng). 24
3.3.3. Thiết kế cầu Wheatstone. 30
3.3.4. Thiết kế mạch khuếch đại. 33
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. 38
3.5. Card thu nhận dữ liệu để kết nối máy tính. 45
3.6. Ứng dụng Phần mềm Labview để lập trình và quan sát kết
quả. 55
Chương 4: Thí nghiệm và kết quả. 60
4.1. Các kết quả thí nghiệm. 60
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

-4-
4.2. Đánh giá kết quả và nhận xét. 62
4.3. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo. 62
PHỤ LỤC 64
Phụ lục 1 64
Phụ lục 2 81
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92













Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-5-
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ADC Bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số
UART Bé truyÒn nhËn d÷ liÖu cña vi ®iÒu khiÓn
Strain gauge Cảm biến biến dạng
Strain gauge rosettes Cảm biến biến dạng đa nhánh
Loadcell Cảm biến đo lực

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-6-
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
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-7-
Hình 3.17. Khuếch đại đảo dấu thực tế
Hình 3.18. Khuếch đại đảo dấu có biến trở
Hinh 3.19. Mạch khuếch đại đo lường
Hình 3.20. Mạch khuếch đại tầng 1
Hình 3.21. Mạch khuếch đại tầng 2, 3
Hình 3.22. Mạch cảm biến và khuếch đại tín hiệu
Hình 3.23. Mô hình hệ thống khung cố định xương khi liền xương
Hình 3.24. Lưới hoá kết cấu khung cố định xương
Hình 3.25. Tối ưu hoá quá trình lưới hoá kết cấu khung cố định xương
Hình 3.26. Tính toán và mô phỏng biến dạng
Hình 3.27. Tính toán và mô phỏng Ứng suất pháp
Hình 3.28. Tính toán và mô phỏng Ứng suất tiếp
Hình 3.29. Biến dạng của khung cố định xương khi chưa liền xương
Hình 3.30. Phân vùng biến dạng
Hình 3.31. Phân bố ứng suất pháp
Hình 3.32. Phân bố ứng suất tiếp
Hình 3.33. Sơ đồ khối hệ thống thu nhận, xử lý dữ liệu.
H×nh 3.34: m« h×nh Atmega8

H×nh 3.35. S¬ ®å khèi cña bé ADC
H×nh 3.36. Thanh ghi ADMUX
H×nh 3.37. Thanh ghi tr¹ng th¸i vµ ®iÒu khiÓn
H×nh 3.39. Thanh ghi ®iÒu khiÓn vµ so s¸nh tÝn hiÖu analog
Hinh 3.40. Thanh ghi I/O
H×nh 3.41. S¬ ®å khèi cña bé truyÒn th«ng nèi tiÕp UART
H×nh 3.42. Thanh ghi ®iÒu khiÓn vµ tr¹ng th¸i ®-êng truyÒn
H×nh 3.43. Thanh ghi ®iÒu khiÓn vµ tr¹ng th¸i
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-8-
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

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-9-
MỞ ĐẦU
Phẫu thuật chỉnh hình cơ sinh là một lĩnh vực bao gồm việc phân tích tải
trọng tác dụng lên hệ thống xương, những kỹ thuật hướng đến việc nghiên cứu
cơ tính của mô sinh học, và cả việc lựa chọn những hệ thống thay thế các mô
khi chúng bị hỏng. Đó là một ngành công nghiệp rộng lớn trong lĩnh vực chăm
sóc sức khoẻ và mang đến nhiều cơ hội cho các nhà kỹ thuật quan tâm đến
những vấn đề về y học cũng như sinh học. Có rất nhiều vấn đề kỹ thuật lý thú
liên quan đến sự lựa chọn vật liệu cấy mô, độ bền và khả năng tương thích của
vật liệu trong cơ thể, và việc thiết kế vật liệu cơ khí gắn liền với vật liệu sinh
học
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.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-10-
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 tƣợng, 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.
Phƣơng pháp nghiên cứu: Lý thuyết kết hợp thực nghiệm.
Nhiệm vụ nghiên cứu.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-11-
- 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.
3.2. Chọn khung cố định xương.
3.3. Thiết kế load cell dùng tensomet lắp trên cơ cấu nẹp xương.
3.3.1. Phần tử biến dạng.
3.3.2. Tensomet( cảm biến biến dạng).
3.3.3. Thiết kế cầu Wheatstone.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-12-
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.

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-13-
Chƣơng 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.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-14-

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.
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-15-

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
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-16-
Chƣơng 2: Phƣơng pháp đo lực thông qua các đại lƣợng 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
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-17-
Điện trở của cảm biến được xác định bởi biểu thức:
l
R
S



Mối liên hệ giữa R và :
ln ln ln ln
l
R R l S
S

    

dR d dl dS
R l S


  

Phương trình sai phân:

R l S
R l S


   
  

Với S = a.b thì


S a b b a b a
S ab ab b a
    
   

Do
.
b a l
b a l

  

; =0.3: Hệ số Poatxông

//
(1 2. ) (1 2. )
R R R
R
  
  

  
   
      

Trong đó:
(1+2) biểu thị sự thay đổi điện trở phụ thuộc vào việc tăng chiều dài và
giảm diện tích dây điện trở;

/
.(1 2 )C





biểu thị hiệu ứng áp điện trở (C=1: Hằng số Bridman)
Đặt K =
//
(1 2. )
RR




  
; K gọi là hệ số đầu đo. Trong giới hạn đàn
hồi, hệ số đầu đo không đổi do quan hệ tuyến tính giữa điện trở và biến dạng.
Lúc này:
R
l

R
lK




( CT1)
Một số đặc điểm:
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-18-
- 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 Platin-
vonfram K=4.1
- 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 -100
o
C300
o
C sự thay đổi của hệ số đầu đo K
theo nhiệt độ có thể biểu thị qua biểu thức:
K(T)=K
o
[1+

K
(T-T
o
)]
K
o
- hệ số đầu đo ở nhiệt độ chuẩn T
o
( thường T
o
=25
o
C)

K
- hệ số phụ thuộc vật liệu. Với Nichrome V thì 
K
=-0.04%/
o
C, constantan 
K

=+0.01%/
o
C.
- Độ nhạy ngang: ngoài các nhánh dọc có điện trở R
L
cảm biến còn có các đoạn
nhánh ngang có tổng độ dài l
t

, điện trở R
t
, …
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-19-



Hình 2.3. Một số loadcell của hãng Siemens
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-20-
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 (SiO
2
),
titanabari(BaTiO
3
), muối Xenhet, tuamalin…
Lực F
x
gây ra hiệu ứng áp điện dọc với điện tích q = d
1
.F
x
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= -d
1
(y/x).F
y
Trong đó:
d
1
: 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
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-21-
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:
.
RL

K
RL



  
  


Hình 2.5. Cảm biến từ giảo có từ thẩm biến thiên

2.2.3. Cảm biến xúc giác
Phần chính của cảm biến là một đế cách điện trên đó có một lưới dẫn điện
( hình 2.6a) được đặt dưới điện áp V. Lưới điện gồm hai hệ thống dây dẫn ( X
1
,
X
2
,…) và ( Y
1
, Y
2
,…) vuông góc với nhau tạo thành những ô vuông nhỏ, mỗi ô
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-22-
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







Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-23-
Chƣơng 3: Thiết kế mô hình hệ thống đo lực cho quá trình
cố định xƣơng bằng tensomet( strain gauge rosettes)
3.1. Sơ đồ hệ thống đo lực cho quá trình nẹp xƣơng







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

3.2. Khung cố định xƣơng
Đối với xương bị gãy trầm trọng như là vỡ thành nhiều mảnh thì những phát
minh về hệ thống cơ sinh sẽ thường được sử dụng và nó được biết đến như là hệ
thống cố định 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.
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
Xương chày
Khung cố
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
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-24-

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
Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Công nghệ chế tạo máy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
-25-

Hình 3.4. Khung cố định xương chụp bằng X-Quang

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