[發明專利]一種使用柔性傳感器的脊柱測壓裝置

有效

• 申請號: 202111175250.5
• 申請日: 2021-10-09
• 公開（公告）號: CN113892953B
• 公開（公告）日: 2023-04-14
• 發明（設計）人: 楊桓;李卓;牛升波;吳江紅;楊國慶;宋琳;唐家悅;楊明園;楊長偉;白玉樹;李明
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍海軍軍醫大學第一附屬醫院
• 主分類號: A61B5/22
• 分類號: A61B5/22;A61F5/01;A61F5/02
• 代理公司: 溫州青科專利代理事務所(特殊普通合伙) 33390
• 代理人: 虞乘乘

1.一種使用柔性傳感器的脊柱測壓裝置，其特征在于：包括矯形支具(1)，所述矯形支具(1)的內側壁上活動粘接有柔性壓力傳感器(2)，所述柔性壓力傳感器(2)通過導線(3)連接有控制器(4)，所述控制器(4)包括外殼(41)，所述外殼(41)內部規則布設有電池模塊(42)、存儲卡集成模塊(43)、微處理器(44)、壓力傳感器集成模塊(45)、時間集成模塊(46)和藍牙集成模塊(47)，所述控制器(4)外還配套設有充電器(5)；

所述電池模塊(42)用于提供裝置工作所需的電能；所述存儲卡集成模塊(43)用于存儲所測量的數據；所述微處理器(44)用于根據預先編設的系統程序，接收由壓力傳感器集成模塊(45)采集上傳的電容值變化數據，通過計算處理將變化數據轉換為電信號，從而得到壓力變化情況；所述壓力傳感器集成模塊(45)用于準確的測量所述矯形支具(1)施加在人體的壓力值；所述時間集成模塊(46)用于記錄測量壓力的時間；所述藍牙集成模塊(47)用于通過藍牙技術將測量計算所得的壓力值以及測量時間等數據傳輸至手機上與該裝置配合使用的應用軟件；

所述微處理器(44)對壓力變化情況的具體計算處理過程包括如下步驟：

Step1、明確電容式柔性壓力傳感器的電容計算方法及電容改變方法，即：

平行板電容器的電容(C)的決定公式為：

C＝εA/d????(1)

式(1)中，ε為電介質的介電常數，A和d分別為上下級板之間的正對面積和距離,則理論上改變ε、A和d，即可以改變電容；

Step2、明確電容式柔性壓力傳感器的靈敏度：

電容型壓力傳感器的靈敏度(S_c)主要是由介質層的等效電容數值決定，靈敏度計算公式通常定義為：

式(2)中，C₀是施加外力前的初始電容值，ΔC是電容相對變化值；δP代表所施加壓力的壓強相對變化值；

Step3、建立理論模型：電容式壓力傳感器的工作機理可以理解為兩個過程的耦合：第一，施加壓力導致介電層變形，這是一個力學過程；其次，變形驅動電響應，即電容量的變化；如果使用純彈性體作為介電層，介電常數(ε)和電極面積(A)在壓縮過程中可以假定為常數，因此靈敏度(S)可以簡化為彈性模量(E)和壓縮比(λ＝d/d₀)的函數，即：

式(3)中，d₀為復合材料的初始厚度，Δd為壓縮時的厚度變化；

Step4、對于滲流型復合材料，介電常數不再是常數，則在壓縮過程中，填料原始濃度局部增大，根據滲流理論，介電常數隨濃度的增加而增加，當濃度接近滲流閾值時，介電常數呈指數倍增長，根據滲流方程：

ε＝ε_d(f_C-f)^-t(ff_C)????(4)

式(4)中，f和f_C分別為導電填料的濃度和滲流閾值，ε和ε_d分別為復合材料和基體的介電常數，t是比例常數；

由于介電常數的變化，電容也隨之變化，則有：

式(5)表示電容的變化；

在小形變時，假設粒子總數和電極面積不發生變化，則可以從填料原始濃度(f₀)估算出壓縮過程中粒子的濃度：

式(6)中，f為壓縮過程中粒子的濃度；

將公式(6)代入公式(5)，得到如下公式：

式(7)表示電容變化；

Step5、根據經典的Mooney-Rivlin方程，可以由壓縮比的函數來描述彈性體的單軸壓縮壓力：

P＝2C₁(λ²-1/λ⁴)-2C₂(1/λ²-λ⁴)????(8)

式(8)中，C₁和C₂為材料系數；

結合公式(7)和公式(8)，滲流型復合材料的靈敏度僅取決于壓縮比和填料原始濃度(f₀)，具體為：

因此，對于已知類型的滲流型復合材料類型，其f_C、t、C₁和C₂均為常數，可以準確地計算出最優的填料原始濃度(f₀)，使靈敏度(S)對壓縮比(λ)的依賴性最小化，從而使傳感器的線性度最大化。