CN103598925A - 一种用于颅脑旋转加速检验的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于颅脑旋转加速检验的装置和方法，是一种用于颅脑旋转加速致伤机制研究的实验装置与方法。其特征首先在于头颅的旋转是通过齿条棘轮的运动关系获得的，即实现了从直线运动到旋转运动的转化；其次，齿条回程不会对装置的旋转产生阻碍；同时，载物转盘的旋转加速阶段仅控制在0～90°阶段，之后可通过弹性橡胶带以较低的角减速度值进行减速；此外，该头颅或头颅模型的旋转加速度是可以按需通过气体压力动力源进行准确调节;最后，通过该装置和方法进行进一步的实验最终可望获取人体颅脑旋转损伤耐限标准的具体数值。该方法及装置可用于交通医学、体育运动医学和航空航天医学等方面的颅脑旋转加速致伤实验研究。

Description

一种用于颅脑旋转加速检验的装置和方法

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种用于颅脑旋转加速检测装置和方法。

背景技术

颅脑撞击损伤是交通事故中常见的伤类和主要致死原因之一，根据国外统计资料，颅脑撞击损伤的发生率高达54％，是伤后致死、致残的首要原因。交通事故伤是对人类生命安全危害最大的“世界第一公害”。颅脑撞击伤生物力学机制一直都是研究的热点领域，大部分交通事故致颅脑损伤案例中均包含致命的脑组织弥漫性轴索损伤，即由颅脑旋转运动导致的损伤。

许多学者对颅脑直线撞击伤作了大量研究，得出了颅脑在直线运动下其所受加速度与组织损伤之间的关系。事实上，相对于直线运动，旋转加速运动下脑组织更容易受损且其严重程度更高。但颅脑旋转运动的外部角加速度与颅脑损伤之间的关系及耐限在生物力学领域还处于不断探索完善之中；原因主要在于颅脑结构复杂，未有可行的力学等效耦合研究方法，有效的旋转运动实验装置较难以制备等。

要降低交通事故中驾乘人员颅脑损伤的发生率、研制交通事故颅脑损伤的防护措施，就要对交通事故中的颅脑旋转加速致伤机制进行深入研究。因此，研究一套可行有效的颅脑旋转加速致伤方法与装置就成为一种重要的需求。

现有的通过电机驱动获得的角加速度值偏小，不足以使颅脑或其模型在短时内发生旋转而产生致命伤害；本发明装置先通过高压气体装置获得瞬时足够大的线加速度，之后经由本发明装置进行转化可获取足够大的瞬时角加速度，使颅脑或其模型承受足够大的瞬时角加速度而发生致命性损伤。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种用于颅脑旋转加速致伤研究的装置和方法。

本发明要解决的技术问题是：为了提高颅脑旋转加速致伤机理的研究水平，克服现有研究方法和装置的缺陷，本发明通过气体压力动力源、齿条棘轮机构、旋转实验平台构建了一套颅脑旋转加速致伤机制研究的实验方法与装置。通过调节气体压力动力源输出压力，以齿条棘轮机构为传动、转化部件，可将动力源输出的直线运动转化为旋转实验平台的旋转运动，从而带动颅脑或其模型实现高角加速度的旋转运动，进而进行旋转加速致伤机制分析。此方法和装置可广泛用于交通医学、体育运动医学和航空航天医学等方面的基础研究，可十分方便地开展大量的轻、中、重度颅脑旋转加速致伤实验研究。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种用于颅脑旋转加速检验的装置，其关键在于，包括高压气泵1、驱动杆2、齿条3、棘轮4、旋转销轴5和载物转盘6，

所述高压气泵1连接驱动杆2，所述驱动杆2连接齿条3，所述齿条3相应的锯齿与所述棘轮4轴向的锯齿紧密扣合，所述齿条3带动所述棘轮4运动，所述棘轮4中心孔过盈连接旋转销轴5，所述旋转销轴5顶端安放载物转盘6。

上述技术方案的有益效果为：其中高压气泵的高压气能够产生足够大的动力推动驱动杆进行运动，从而能促使载物转盘加速运动，产生试验所需的加速度值，普通的马达产生的加速度并不能达到带动转盘运动所需要的加速度数值。

所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，所述高压气泵1上设置有气泵控制器和压力传感器，所述压力传感器连接所述气泵控制器，所述气泵控制器根据压力传感器所检测的所述高压气泵1内的压力值，调节所述气泵控制器进行排气工作。

上述技术方案的有益效果为：所述高压气泵设置气泵控制器和压力传感器之后，当发出一个压力值的高压气，压力传感器会反馈相应的压力信号数值，如果不足以达到实验所需的压力值，气泵控制器会再次发出更大的压力值的高压气，从而能满足检验的需求。

所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，所述驱动杆上设置有反馈电路和驱动杆控制器，所述载物转盘6上设置有加速度传感器，所述反馈电路连接加速度传感器，所述反馈电路另一端连接气泵控制器，所述载物转盘6的加速度传感器发送速度信息到反馈电路，由所述反馈电路将加速度信息传输到气泵控制器，所述气泵控制器根据速度信息进行相应的排气操作，所述气泵控制器连接所述驱动杆控制器，所述驱动杆控制器连接驱动杆，由驱动杆控制器对驱动杆进行加速度驱动控制。

上述技术方案的有益效果为：驱动杆设置有反馈电路和驱动杆控制器，载物转盘6上设置有加速度传感器，当检验时，载物转盘的加速度值未达到预订需求，加速度传感器通过反馈电路反馈到气泵控制器，由气泵控制器产生更大的高压气，以满足检验需求。

所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，所述反馈电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管和第五三极管，所述第一三极管发射极分别连接电流源和第二三极管发射极，所述第一三极管集电极和基极相连，所述第一三极管集电极连接气泵控制器，所述第二三极管基极连接所述第一三极管基极，所述第二三极管发射极连接地三三极管发射极，所述第二三极管集电极连接第四三极管集电极，所述第四三极管集电极连接所述第四三极管基极，所述第四三极管发射极连接第五三极管发射极，所述第四三极管基极连接第五三极管基极，所述第五三极管集电极连接速度传感器，所述第五三极管集电极连接地三三极管集电极，所述第三三极管基极连接电压源。

上述技术方案的有益效果为：通过反馈电路中的镜像电路、比较电路和放大电路，对加速度传感器的加速度值进行反馈，从而实现气泵传感器对气泵是否的输出更大的高压气进行判断，以及得出加速度的反馈信息。

所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，所述棘轮4包括第一齿41、第二齿42、第三齿43、第四齿44、中心孔45、方台46、轴台47、固定柱48和弹簧49，

所述第一齿41、第二齿42、第三齿43和第四齿44依次分别放置于方台46每一边，所述方台46每一边设置固定柱48，所述第一齿41、第二齿42、第三齿43和第四齿44分别套入每一边的固定柱48，所述每一固定柱48分别套入弹簧49，所述弹簧49沿固定柱48径向方向“U”形设置，所述弹簧49远端弯折呈“L”形，所述第一齿41、第二齿42、第三齿43和第四齿44嵌于轴台47台面，所述第一齿41、第二齿42、第三齿43和第四齿44底端坐落于方台46上，所述中心孔45开设键槽用于固定载物转盘6的旋转销轴5。

上述技术方案的有益效果为：所述棘轮内部为四齿结构，从而保证向单一方向卡扣运动时，提高其运动精度，比单一齿结构精度更高，无效运动更少，从而能实现齿条带动棘轮运动，得到所检验的加速度值，或者其他的加速检测需求。

所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，还包括底座7、固定立柱8、弹簧橡胶带9和凹槽环10，

所述固定立柱8与底座7之间为固定连接，所述底座7安装在棘轮4下端，所述载物转盘6的外侧边缘蚀刻凹槽环10，所述弹性橡胶带9一端固定于固定立柱8上，所述弹性橡胶带9另一端连接于载物转盘6的凹槽环10上，所述固定立柱8所缠绕的弹性橡胶带9高度与所述载物转盘6的凹槽环10高度相同，旋转检测前弹性橡胶带9处于自由状态，不紧绷并预留有弯曲部分，所述载物转盘6发生加速旋转后，所述弹性橡胶带9开始起作用并使载物转盘6在较低角减速度值的作用下逐渐停转。

上述技术方案的有益效果为：通过固定立柱8、弹簧橡胶带9和凹槽环10能够在加速检验完成后，及时的进行减速操作，不至于使检验的产品在减速受到损害。

所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，所述齿条3的锯齿和棘轮4的锯齿规格相同，所述齿条3设置10个锯齿，所述棘轮4设置40个锯齿，所述齿条3从其第一锯齿行走到第十锯齿，带动棘轮4的载物转盘6行走90°。

上述技术方案的有益效果为：齿条与棘轮的锯齿数量在具体限定之后，其走行的角度得到了确定，从而更好地实现检验目的。

本发明还公开一种用于颅脑旋转加速检测的方法，其关键在于，包括如下步骤：

步骤1，高压气泵连接驱动杆，气体导出时可带动驱动杆瞬间向右击出，驱动杆与齿条时螺栓连接，故驱动杆带动齿条向右击出，之后齿条带动棘轮逆时针旋转，棘轮通过旋转销轴与载物转盘连接，旋转销轴与底座之间通过轴承相连，故而载物转盘随即发生逆时针旋转。为避免驱动杆击出后发生自由飞行带来危险因素，需在驱动杆中增设回弹措施，使驱动杆击出后瞬间产生回弹，因此旋转装置采用棘轮机构带动，以免驱动杆回弹过程中带动齿条产生回复运动进而对旋转销轴及载物转盘的逆时针旋转运动产生阻碍；为使载物转盘的旋转加速阶段仅为0～90°，装置中对齿条的齿数进行了限制处理，即齿条的齿数为棘轮齿数的1/4个，载物转盘转过90°之后，可通过弹性橡胶带以较低的角减速度值进行减速，所述装置中固定立柱与底座之间为固定连接，弹性橡胶带一端固定于固定立柱上，另一端固定于载物转盘的凹槽环上，实验前弹性橡胶带处于自由状态，不紧绷，预留有弯曲部分，当载物转盘发生加速旋转一周后，弹性橡胶带开始起作用并使载物转盘在较低角减速度值的作用下逐渐停转；

步骤2，将高压气泵的气体输出值调整到预定压力值，然后导出气体，击发驱动杆，通过速度传感器测量齿条的线加速度历程，如果速度传感器检测出未达到预定加速度值，通过反馈电路反馈给高压气泵，由高压气泵增大输出的气压值通过气泵控制器再次击出驱动杆，所述加速度历程通过下式进行转换：

$a=\stackrel{\·}{v_0}=\stackrel{\·}{v_1}=r\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}};$

v₀为齿条击出的线速度；

为齿条击出的线加速度；v1为棘轮以分度圆为半径的圆弧线速度；

为棘轮以分度圆为半径的圆弧线加速度；r为棘轮分度圆半径；a为齿条运动的线加速度；

为棘轮也即载物转盘的角加速度；

则载物转盘的角加速度

为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\frac{a}{r};$

步骤3，通过步骤2的力学等效关系颅脑旋转角加速度

历程拟合曲线。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

采用该种装置进行旋转实验，角加速度输出峰值较大，此外，角加速度峰值稳定且可按需进行准确调节。倘若采用普通电机驱动，则首先其角加速度峰值无法达到10000rad/s²以上，其次其角加速度峰值无法进行准确调节与控制；

所述弹性橡胶带的作用使得在旋转过程中进行的颅脑旋转加速阶段发生损伤检测，而不会在减速旋转阶段发生损伤，从而可将动物颅脑旋转发生的损伤数值与加速度值进行一维关联，得出更加精确的数值。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明用于颅脑旋转加速检验的装置的结构示意图；

图2是本发明用于颅脑旋转加速检验的装置的制动结构示意图；

图3是本发明用于颅脑旋转加速检验的装置的反馈电路示意图；

图4是本发明用于颅脑旋转加速检验的装置的棘轮结构示意图；

图5是本发明用于颅脑旋转加速检验的装置的弹簧结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种用于颅脑旋转加速检验的装置，其关键在于，包括高压气泵1、驱动杆2、齿条3、棘轮4、旋转销轴5和载物转盘6，

所述高压气泵1连接驱动杆2，所述驱动杆2连接齿条3，所述齿条3相应的锯齿与所述棘轮4轴向的锯齿紧密扣合，所述齿条3带动所述棘轮4运动，所述棘轮4中心孔过盈连接旋转销轴5，所述旋转销轴5顶端安放载物转盘6。

所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，所述高压气泵1上设置有气泵控制器和压力传感器，所述压力传感器连接所述气泵控制器，所述气泵控制器根据压力传感器所检测的所述高压气泵1内的压力值，调节所述气泵控制器进行排气工作。

所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，所述驱动杆上设置有反馈电路和驱动杆控制器，所述载物转盘6上设置有加速度传感器，所述反馈电路连接加速度传感器，所述反馈电路另一端连接气泵控制器，所述载物转盘6的加速度传感器发送速度信息到反馈电路，由所述反馈电路将加速度信息传输到气泵控制器，所述气泵控制器根据速度信息进行相应的排气操作，所述气泵控制器连接所述驱动杆控制器，所述驱动杆控制器连接驱动杆，由驱动杆控制器对驱动杆进行加速度驱动控制。

如图3所示，所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，所述反馈电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管和第五三极管，所述第一三极管发射极分别连接电流源和第二三极管发射极，所述第一三极管集电极和基极相连，所述第一三极管集电极连接气泵控制器，所述第二三极管基极连接所述第一三极管基极，所述第二三极管发射极连接地三三极管发射极，所述第二三极管集电极连接第四三极管集电极，所述第四三极管集电极连接所述第四三极管基极，所述第四三极管发射极连接第五三极管发射极，所述第四三极管基极连接第五三极管基极，所述第五三极管集电极连接速度传感器，所述第五三极管集电极连接地三三极管集电极，所述第三三极管基极连接电压源。

如图4所示，所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，所述棘轮4包括第一齿41、第二齿42、第三齿43、第四齿44、中心孔45、方台46、轴台47、固定柱48和弹簧49，

所述第一齿41、第二齿42、第三齿43和第四齿44依次分别放置于方台46每一边，所述方台46每一边设置固定柱48，所述第一齿41、第二齿42、第三齿43和第四齿44分别套入每一边的固定柱48，所述每一固定柱48分别套入弹簧49，所述弹簧49沿固定柱48径向方向“U”形设置，所述固定柱从轴台47轴向方向延伸出去，其每一齿与相应弹簧相加的厚度相一致，在固定柱远端设置突起部，在图中未示出，所述突起部用于所述弹簧49安装后，防止所述弹簧49脱落；如图5所示，所述弹簧49远端弯折呈“L”形，向相应齿内侧延伸，所述第一齿41、第二齿42、第三齿43和第四齿44嵌于轴台47台面，所述第一齿41、第二齿42、第三齿43和第四齿44底端坐落于方台46上，所述中心孔45开设键槽，用于固定载物转盘6的旋转销轴5，所述键槽优选为相对设置，或者为四边设置，所述方台46优选的其四角为圆边倒角设计，能够更好使所述第一齿41、第二齿42、第三齿43和第四齿44运动而不会碰撞相应的挡齿A；

此外，棘轮4还可优选的为五齿结构，与其对应的方台46为五边形，其中每一齿均匀的坐落于五边形方台46的每个边上，方台46与五齿结构设置为五边形时，其运动精度会显著提高，棘轮4也可为六齿结构。

如图2所示，所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，还包括底座7、固定立柱8、弹簧橡胶带9和凹槽环10，

所述固定立柱8与底座7之间为固定连接，所述底座7安装在棘轮4下端，所述载物转盘6的外侧边缘蚀刻凹槽环10，所述弹性橡胶带9一端固定于固定立柱8上，所述弹性橡胶带9另一端连接于载物转盘6的凹槽环10上，所述固定立柱8所缠绕的弹性橡胶带9高度与所述载物转盘6的凹槽环10高度相同，旋转检测前弹性橡胶带9处于自由状态，不紧绷并预留有弯曲部分，所述载物转盘6发生加速旋转后，所述弹性橡胶带9开始起作用并使载物转盘6在较低角减速度值的作用下逐渐停转，其中弹性橡胶带9为高强度橡胶带，不易变形老化。

所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，优选的，所述齿条3的锯齿和棘轮4的锯齿规格相同，所述齿条3设置10个锯齿，所述棘轮4设置40个锯齿，所述齿条3从其第一锯齿行走到第十锯齿，带动棘轮4的载物转盘6行走90o。

具体实施例一动作流程：

如图1所示，旋转加速致伤方法与装置由1.高压气泵，2.驱动杆，3.齿条，4.棘轮，5.旋转销轴，6.载物转盘，7.底座等构成。

高压气泵1连接驱动杆2，气体导出时可带动驱动杆2瞬间向右击出，驱动杆2与齿条3时螺栓连接，故驱动杆2带动齿条3向右击出，之后齿条3带动棘轮4逆时针旋转，棘轮4通过旋转销轴5与载物转盘6连接，旋转销轴5与底座7之间通过轴承相连，故而载物转盘6随即发生逆时针旋转。为避免驱动杆2击出后发生自由飞行带来危险因素，需在驱动杆2中增设回弹措施，使驱动杆2击出后瞬间产生回弹，因此旋转装置采用棘轮机构4带动，以免驱动杆2回弹过程中带动齿条3产生回复运动进而对旋转销轴5及载物转盘6的逆时针旋转运动产生阻碍。装置中固定立柱8与底座7之间为固定连接，弹性橡胶带9一端固定于固定立柱8上，另一端固定于载物转盘6的凹槽环10上，实验前弹性橡胶带9处于自由状态，不紧绷预留有弯曲部分，当载物转盘6发生加速旋转一周后，弹性橡胶带9开始起作用并使载物转盘6在较低角减速度值的作用下逐渐停转，使得在此过程中动物颅脑只会在旋转加速阶段发生损伤而不会在减速旋转阶段发生损伤，从而可将动物颅脑旋转发生的损伤与加速度值进行一维关联，优选的棘轮的齿数为40且均匀分布、齿条的齿轮与棘轮的齿轮结构和大小相同且齿数为10，所述齿条第一齿卡合在棘轮上，当高压气泵控制连杆，带动齿条运动时，所述齿条的第十齿运动到棘轮上时，载物转盘6正好加速九十度。

具体实施例二实际参数下的输出值：

1)将高压气体1的输出值调整到某一压力值，然后导出气体，击发驱动杆2，通过加速度传感器测量齿条3的线加速度历程，根据牛顿运动定律，通过下式进行转换：

$a=\stackrel{\·}{v_0}=\stackrel{\·}{v_1}=r\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}$

v₀为齿条3击出的线速度；

为齿条3击出的线加速度；

v1为棘轮4以分度圆为半径的圆弧线速度；

为棘轮4以分度圆为半径的圆弧线加速度；

r为棘轮4分度圆半径；

a为齿条3运动的线加速度；

为棘轮4也即载物转盘6的角加速度；

则载物转盘6的角加速度

为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\frac{a}{r}$

2)以下为气体输出压力值为200KPa、400KPa下的实验结果

200KPa下颅脑旋转加速致伤方法与装置角加速度峰值

三次实验结果显示，气体输出压力值均为200KPa下，该装置角加速度峰值均值为19615.2rad/s²，标准差值为75.89rad/s²，误差值属可接受范围。

400KPa下颅脑旋转加速致伤方法与装置角加速度峰值

三次实验结果显示，气体输出压力值均为400KPa下，该装置角加速度峰值均值为45565.7rad/s²，标准差值为315.16rad/s²，误差值属可接受范围。

以上实验结果可以看出，采用该种装置进行旋转实验，角加速度输出峰值较大，此外，角加速度峰值稳定且可按需进行准确调节。倘若采用普通电机驱动，则首先其角加速度峰值无法达到10000rad/s²以上，其次其角加速度峰值无法进行准确调节与控制。

3)预期效果判定

根据相关文献，兔颅脑矢状面旋转产生致死性损伤的角加速度耐限值约为13000rad/s²，然而，采用普通电机驱动进行旋转无法达到10000rad/s²以上的角加速度。因此采用本装置足以导致兔颅脑矢状面发生旋转并产生致死性损伤。

通过后续的力学等效关系进行进一步的实验，获取人体颅脑旋转发生致死性损伤的角加速度

历程拟合曲线，上述数据的运算能够应用于所有的加速检测，从而可望获取以下人体颅脑旋转损伤耐限Head Injury Criterion underRotation的具体数值：

${\mathrm{HIC}}_R=\max \left\{(t_2-t_1){\left[\frac{1}{t_2-t_1}{\∫}_{t_1}^{t_2}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}}_h\left(t\right)\mathrm{dt}\right]}^{2.5}\right\}$

在该HIC_R方程中，t₂-t₁是使HIC_R值能够获得最大值的角加速度曲线的某一时段区域，dt代表旋转角加速度作用持续时间，

代表旋转角加速度的时间历程。

本发明的有益效果是：

其中高压气泵的高压气能够产生足够大的动力推动驱动杆进行运动，从而能促使载物转盘加速运动，产生试验所需的加速度值，普通的马达产生的加速度并不能达到带动转盘运动所需要的加速度数值。

所述高压气泵设置气泵控制器和压力传感器之后，当发出一个压力值的高压气，压力传感器会反馈相应的压力信号数值，如果不足以达到实验所需的压力值，气泵控制器会再次发出更大的压力值的高压气，从而能满足检验的需求。

驱动杆设置有反馈电路和驱动杆控制器，载物转盘6上设置有加速度传感器，当检验时，载物转盘的加速度值未达到预订需求，加速度传感器通过反馈电路反馈到气泵控制器，由气泵控制器产生更大的高压气，以满足检验需求。

通过反馈电路中的镜像电路、比较电路和放大电路，对加速度传感器的加速度值进行反馈，从而实现气泵传感器对气泵是否的输出更大的高压气进行判断，以及得出加速度的反馈信息。

所述棘轮内部为四齿结构，从而保证向单一方向卡扣运动时，提高其运动精度，比单一齿结构精度更高，无效运动更少，从而能实现齿条带动棘轮运动，得到所检验的加速度值，或者其他的加速检测需求。

通过固定立柱8、弹簧橡胶带9和凹槽环10能够在加速检验完成后，及时的进行减速操作，不至于使检验的产品在减速受到损害。

齿条与棘轮的锯齿数量在具体限定之后，其走行的角度得到了确定，从而更好地实现检验目的。

采用该种装置进行旋转实验，角加速度输出峰值较大，此外，角加速度峰值稳定且可按需进行准确调节。倘若采用普通电机驱动，则首先其角加速度峰值无法达到10000rad/s²以上，其次其角加速度峰值无法进行准确调节与控制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于颅脑旋转加速检验的装置，其特征在于，包括高压气泵（1）、驱动杆（2）、齿条（3）、棘轮（4）、旋转销轴（5）和载物转盘（6），

所述高压气泵（1）连接驱动杆（2），所述驱动杆（2）连接齿条（3），所述齿条（3）相应的锯齿与所述棘轮（4）轴向的锯齿紧密扣合，所述齿条（3）带动所述棘轮（4）运动，所述棘轮（4）中心孔过盈连接旋转销轴（5），所述旋转销轴（5）顶端安放载物转盘（6）。

2.根据权利要求1所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，其特征在于，所述高压气泵（1）上设置有气泵控制器和压力传感器，所述压力传感器连接所述气泵控制器，所述气泵控制器根据压力传感器所检测的所述高压气泵（1）内的压力值，调节所述气泵控制器进行排气工作。

3.根据权利要求2所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，其特征在于，所述驱动杆上设置有反馈电路和驱动杆控制器，所述载物转盘（6）上设置有加速度传感器，所述反馈电路连接加速度传感器，所述反馈电路另一端连接气泵控制器，所述载物转盘（6）的加速度传感器发送速度信息到反馈电路，由所述反馈电路将加速度信息传输到气泵控制器，所述气泵控制器根据速度信息进行相应的排气操作，所述气泵控制器连接所述驱动杆控制器，所述驱动杆控制器连接驱动杆，由驱动杆控制器对驱动杆进行加速度驱动控制。

4.根据权利要求3所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，其特征在于，所述反馈电路包括第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管和第五三极管，所述第一三极管发射极分别连接电流源和第二三极管发射极，所述第一三极管集电极和基极相连，所述第一三极管集电极连接气泵控制器，所述第二三极管基极连接所述第一三极管基极，所述第二三极管发射极连接地三三极管发射极，所述第二三极管集电极连接第四三极管集电极，所述第四三极管集电极连接所述第四三极管基极，所述第四三极管发射极连接第五三极管发射极，所述第四三极管基极连接第五三极管基极，所述第五三极管集电极连接速度传感器，所述第五三极管集电极连接地三三极管集电极，所述第三三极管基极连接电压源。

5.根据权利要求3所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，其特征在于，所述棘轮（4）包括第一齿（41）、第二齿（42）、第三齿（43）、第四齿（44）、中心孔（45）、方台（46）、轴台（47）、固定柱（48）和弹簧（49），

所述第一齿（41）、第二齿（42）、第三齿（43）和第四齿（44）依次分别放置于方台（46）每一边，所述方台（46）每一边设置固定柱（48），所述第一齿（41）、第二齿（42）、第三齿（43）和第四齿（44）分别套入每一边的固定柱（48），所述每一固定柱（48）分别套入弹簧（49），所述弹簧（49）沿固定柱（48）径向方向“U”形设置，所述弹簧（49）远端弯折呈“L”形，所述第一齿（41）、第二齿（42）、第三齿（43）和第四齿（44）嵌于轴台（47）台面，所述第一齿（41）、第二齿（42）、第三齿（43）和第四齿（44）底端坐落于方台（46）上，所述中心孔（45）开设键槽用于固定载物转盘（6）的旋转销轴（5）。

6.根据权利要求1所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，其特征在于，还包括底座（7）、固定立柱（8）、弹簧橡胶带（9）和凹槽环（10），

所述固定立柱（8）与底座（7）之间为固定连接，所述底座（7）安装在棘轮（4）下端，所述载物转盘（6）的外侧边缘蚀刻凹槽环（10），所述弹性橡胶带（9）一端固定于固定立柱（8）上，所述弹性橡胶带（9）另一端连接于载物转盘（6）的凹槽环（10）上，所述固定立柱（8）所缠绕的弹性橡胶带（9）高度与所述载物转盘（6）的凹槽环（10）高度相同，旋转检测前弹性橡胶带（9）处于自由状态，不紧绷并预留有弯曲部分，所述载物转盘（6）发生加速旋转后，所述弹性橡胶带（9）开始起作用并使载物转盘（6）在较低角减速度值的作用下逐渐停转。

7.根据权利要求1所述的用于颅脑旋转加速检验的装置，其特征在于，所述齿条（3）的锯齿和棘轮（4）的锯齿规格相同，所述齿条（3）设置10个锯齿，所述棘轮（4）设置40个锯齿，所述齿条（3）从其第一锯齿行走到第十锯齿，带动棘轮（4）的载物转盘（6）行走90°。

8.一种用于颅脑旋转加速检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，高压气泵连接驱动杆，气体导出时可带动驱动杆瞬间向右击出，驱动杆与齿条时螺栓连接，故驱动杆带动齿条向右击出，之后齿条带动棘轮逆时针旋转，棘轮通过旋转销轴与载物转盘连接，旋转销轴与底座之间通过轴承相连，故而载物转盘随即发生逆时针旋转。为避免驱动杆击出后发生自由飞行带来危险因素，需在驱动杆中增设回弹措施，使驱动杆击出后瞬间产生回弹，因此旋转装置采用棘轮机构带动，以免驱动杆回弹过程中带动齿条产生回复运动进而对旋转销轴及载物转盘的逆时针旋转运动产生阻碍；为使载物转盘的旋转加速阶段仅为0～90°，装置中对齿条的齿数进行了限制处理，即齿条的齿数为棘轮齿数的1/4个，载物转盘转过90°之后，可通过弹性橡胶带以较低的角减速度值进行减速，所述装置中固定立柱与底座之间为固定连接，弹性橡胶带一端固定于固定立柱上，另一端固定于载物转盘的凹槽环上，实验前弹性橡胶带处于自由状态，不紧绷，预留有弯曲部分，当载物转盘发生加速旋转一周后，弹性橡胶带开始起作用并使载物转盘在较低角减速度值的作用下逐渐停转；

步骤2，将高压气泵的气体输出值调整到预定压力值，然后导出气体，击发驱动杆，通过速度传感器测量齿条的线加速度历程，如果速度传感器检测出未达到预定加速度值，通过反馈电路反馈给高压气泵，由高压气泵增大输出的气压值通过气泵控制器再次击出驱动杆，所述加速度历程通过下式进行转换：

$a=\stackrel{\·}{v_0}=\stackrel{\·}{v_1}=r\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}};$

v₀为齿条击出的线速度；

为齿条击出的线加速度；v1为棘轮以分度圆为半径的圆弧线速度；为棘轮以分度圆为半径的圆弧线加速度；r为棘轮分度圆半径；a为齿条运动的线加速度；

为棘轮也即载物转盘的角加速度；

则载物转盘的角加速度

为：

$\stackrel{\·}{\mathrm{\ω}}=\frac{a}{r};$

步骤3，通过步骤2的力学等效关系颅脑旋转角加速度

历程拟合曲线。

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