МНОГОБАЛОЧНЫЙ АКСЕЛЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЙ ФИЗИЧЕСКОГО ТЕЛА И ЭЛЕКТРОННАЯ МОДЕЛЬ МНОГОБАЛОЧНОГО АКСЕЛЕРОМЕТРА

Изобретение относится к измерительной технике для преобразования в электрические сигналы ускорений. Устройство может быть применено в ортопедии как система контроля положения позвоночника в трехмерном пространстве его движения за счет измерения 3-х линейных и 3-х угловых ускорений общего центра масс (ОЦМ) тела пациента.

Для измерения и контроля положения позвоночника используется большое количество опосредованных методов, например система контроля положения позвоночника по патенту РФ №02304920, основанная на контроле давления в соединенной с позвоночником эластичной емкости. Данные методы не позволяют получить данные о линейных и угловых ускорениях позвоночника. Для измерения данных ускорений может быть использован акселерометр - полупроводниковый датчик величины и направления ускорения. Так, например, известен принятый за прототип двухбалочный акселерометр по патенту РФ №02324192, который принят за прототип, содержащий две упругие тензометрированные балки, одни концы которых неподвижны, а другие соединены с двумя грузами, соединенными между собой упруго.

Общими существенными признаками прототипа и предлагаемого технического решения являются следующие: многобалочный акселерометр для измерения ускорений физического тела содержит более одной упругой тензометрированной балки и механический диполь в виде двух разнесенных масс.

Данный акселерометр позволяет измерить линейное ускорение по двум осям, что позволит в системе контроля положения ОЦМ позвоночника фиксировать лишь две линейные координаты.

Предлагаемым изобретением решается следующая техническая задача - измерение одновременно и одноместно 3-х линейных и 3-х угловых ускорений. Наличие такой информации в электрических сигналах позволяет путем интегрирования по времени этих сигналов восстановить траекторию движения ОЦМ позвоночника.

Для решения данной технической задачи в многобалочном акселерометре для измерения ускорений физического тела, содержащем более одной упругой тензометрированной балки и механический диполь в виде двух соединенных между собой тягой разнесенных масс, количество упругих тензометрированных балок не менее шести, они соединены между собой в многокомпонентную балку последовательно так, что каждая из балок имеет наибольшую чувствительность к одной из компонент пары сил, вызванных тремя линейными и тремя угловыми ускорениями общего центра масс физического тела, при этом один конец многокомпонентной балки соединен с выполненной жесткой тягой механического диполя, ось которой расположена под углом к оси многокомпонентной балки, а второй конец многокомпонентной балки закреплен на физическом теле, притом каждая тензометрированная балка содержит тензорезисторы, объединенные в тензомост, а выходы тензомостов подключены к электронной модели многобалочного акселерометра.

Отличительными признаками предлагаемого акселерометра являются следующие: количество упругих тензометрированных балок не менее шести, они соединены между собой в многокомпонентную балку последовательно так, что каждая из балок имеет наибольшую чувствительность к одной из компонент пары сил, вызванных тремя линейными и тремя угловыми ускорениями общего центра масс физического тела, при этом один конец многокомпонентной балки соединен с выполненной жесткой тягой механического диполя, ось которой расположена под углом к оси многокомпонентной балки, а второй конец многокомпонентной балки закреплен на физическом теле, притом каждая тензометрированная балка содержит тензорезисторы, объединенные в тензомост, а выходы тензомостов подключены к электронной модели многобалочного акселерометра.

Каждый из шести тензомостов многобалочного акселерометра несет информацию не только о компоненте, на которую он настроен, но также и о перекрестной компоненте. Поэтому первые усилители содержат на выходе информацию о компоненте с погрешностью. С целью уменьшения погрешности применена электронная модель, настраиваемая при тарировке акселерометра, содержащая 6 первых усилителей с фиксированным коэффициентом передачи, входы которых подключены к выходам соответствующих тензомостов, и 30 вторых усилителей с управляемым напряжением коэффициентом передачи, причем каждый из первых 6 усилителей и каждые 5 из 30 вторых усилителей объединены в последовательную i-ю цепочку, а управляющие входы вторых усилителей, входящих в i-ю цепочку, соединены со входами соответствующих первых усилителей, не входящих в i-ю цепочку.

Кроме того, для получения траектории движения физического тела многобалочный акселерометр дополнительно содержит интегратор по времени выходных сигналов электронной модели.

Благодаря наличию данных отличительных признаков стало возможным измерить одноместно и одновременно 3 угловых и 3 линейных ускорения. Полученная таким образом информация позволяет путем интегрирования ее во времени восстановить траекторию движения ОЦМ тела.

Изобретение поясняется фиг.1-2.

На фиг.1 приведен рисунок многобалочного акселерометра.

На фиг.2 приведена схема электронной модели многобалочного акселерометра.

Изображенный на фиг.1 многобалочный акселерометр содержит: шесть (не менее) упругих тензометрированных балок, из которых две упругие балки 2 выполнены с большей чувствительностью вдоль оси X, для чего размещены на упругом параллелограмме, расположенном в плоскости, через которую проходит ось X; две упругие балки 3 с большей чувствительностью вдоль оси Y, две упругие балки 4 с большей чувствительностью вдоль оси Z; и упругую балку 5, чувствительную к моменту вокруг оси X, а также механический диполь 1 в виде двух соединенных между собой жесткой тягой разнесенных масс. Балки 2-5 соединены между собой в многокомпонентную балку последовательно так, что каждая из балок имеет наибольшую чувствительность к одной из компонент пары сил, вызванных тремя линейными и тремя угловыми ускорениями общего центра масс физического тела, при этом один конец многокомпонентной балки соединен с механическим диполем 1, ось которой расположена под углом к оси многокомпонентной балки, а второй конец многокомпонентной балки закреплен на физическом теле 6, притом каждая тензометрированная балка содержит тензорезисторы 7, которые объединяются в шесть тензомостов 8 так, что каждый несет информацию в большей степени о i-й компоненте пары сил (или о соответствующей компоненте трехмерного углового или линейного ускорения), выходы тензомостов 8 подключены к электронной модели 9 многобалочного акселерометра.

Изображенная на фиг.2 электронная модель 9 многобалочного акселерометра содержит шесть первых усилителей 10 с фиксированным коэффициентом передачи, входы которых подключены к выходам соответствующих тензомостов 8, и тридцать вторых усилителей 11 с управляемым напряжением коэффициентом передачи, причем каждый из первых шести усилителей 10 и каждые пять из тридцати вторых усилителей 11 объединены в последовательную i-ю цепочку, а управляющие входы вторых усилителей 11, входящих в i-ю цепочку, соединены со входами соответствующих первых усилителей 10, не входящих в i-ю цепочку.

Для получения траектории движения физического тела многобалочный акселерометр 9 дополнительно содержит интегратор по времени 12 выходных сигналов электронной модели.

Устройство работает следующим образом. При ходьбе на месте или двигаясь в пространстве, ОМЦ позвоночника совершает трехмерное движение с неизвестным ускорением, вызывающим трехмерное движение механического диполя 1, который создает пару сил, воздействующих на шестикомпонентную упругую балку, которая изменяет деформацию упругих балок 2-5, измеряемую тензорезисторами 7. Выходной сигнал тензомостов 8 с тензоусилителем соответствующих балок 2-5 несет в большей степени информацию о соответствующей компоненте пары сил. Например, тензомосты 8 балки 2 о Х компоненте (сила F_x), тензомосты 8 балок 3 - о Z компоненте (сила F_y) и о компоненте вокруг оси Y (момент My), тензомосты 8 балок 4 - о Y компоненте и о компоненте вокруг оси Z, тензомосты 8 балки 5 - о компоненте вокруг оси X. Но погрешность этих сигналов из-за перекрестных связей может достигать 50%. С целью уменьшения погрешности введена электронная модель 9. При этом усилители 10 позволяют получить первое приближение компонент пары сил, а усилители 11 уменьшают погрешность определения сил до 0,1%.

Интегрирование сигналов с выходов цепочки последовательно соединенных усилителей 11 с помощью интегратора по времени 12 позволяет установить перемещения ОЦМ во времени и тем самым сделать заключение о тех или иных дефектах в позвоночнике или в суставах ног.

Настраивается электронная модель 9 на стенде, позволяющем задавать три силы и три момента на многобалочный акселерометр. Для этого конец, соединенный с механическим диполем 1, соединяют с кареткой, на которую подвешивают тарировочные грузы, сила действия которых преобразуется кареткой в силы по одной из 3-х ортогональных осей или моменты вокруг одной из этих осей. Оси каретки и оси многобалочного акселерометра совмещаются. Заданием сил или моментов только по одной из осей определяют коэффициент передачи первых шести усилителей 10. Заданием силы по одной из осей и заданием силы по ортогональной ей оси определяют степень влияния перекрестной нагрузки на измеряемый компонент силы, который оценивается коэффициентом k_ij, индекс i соответствует последовательной цепи усилителей 10 и измеряемой компоненте, индекс j соответствует номеру одного из вторых усилителей 11 и перекрестной компоненте пары сил

,

где k_ij - коэффициент передачи вторых 5х6 усилителей;

u_i,j=0 - напряжение с выхода одного i-го усилителя из шести первых при загрузке акселерометра только вдоль i оси;

u_ij - то же напряжение, но при загрузке акселерометра дополнительно вдоль j-й оси;

u_ji - напряжение с j-го усилителя из 5×6 вторых усилителей при этой загрузке.