CN104034476B - 薄膜式力传感器的磁共振测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜式力传感器测试装置，用于解决现有薄膜式力传感器测试装置实用性差的技术问题。技术方案是该测试装置包括前端基座、后端基座、夹具基座、支撑杆、测试工具、夹具、连接件、超声波电机、丝杠、前端板和后端板。超声波电机、丝杠和支撑杆由前端基座和后端基座连接，一起构成传动机构，并将超声波电机的旋转运动转换为直线运动，驱动测试工具。前端板、后端板和连接件用于固定薄膜式力传感器，由夹具、夹具基座连接至传动机构。本发明所有零部件的材料为硬质塑料、聚合物、陶瓷等非金属材料，或者铝合金、铜合金或钛合金等金属材料，实现了测试装置的磁共振兼容性要求，提高了测试装置的实用性。

Description

薄膜式力传感器的磁共振测试装置

技术领域

本发明涉及一种薄膜式力传感器测试装置，特别是涉及一种薄膜式力传感器的磁共振测试装置。

背景技术

磁共振成像(MRI)是一种技术成熟、应用广泛的医学成像方法，该成像技术具有高软组织对比率、对于流动和温度的高敏感性、多层成像能力、利用三维数据任意方向成像、无射线照射伤害等优点，采用磁共振图像作为图像向导手段开发手术设备具有广阔的应用前景。在磁共振环境中，要求引入的任何工具或机电设备必须满足磁共振兼容性和安全性要求，即不影响磁共振图像的质量，也不影响磁共振设备和被测试对象的安全。在开发磁共振图像向导的设备时，设计磁共振兼容的力反馈系统以提供闭环控制是重点解决的问题之一。目前，商业化可获取的磁共振兼容的力反馈系统还未出现。薄膜式压力传感器因为自身的结构和材料特点，被认为是满足磁共振兼容性要求的力传感器件，但存在不方便安装和测试的问题。

文献“申请公开号是CN103245457A的中国发明专利”公开了一种薄膜式土压力传感器标定装置及标定方法，包括基座、充土环、载荷环和加压盖，上述部件组成具有光滑内部空间的整体，具有体积小、结构简单、标定方便的优点，应用于岩土行业。上述标定装置虽然可以实现薄膜式力传感器的安装固定，但没有考虑磁共振兼容性，且无法用于磁共振环境下的测试。

发明内容

为了克服现有薄膜式力传感器测试装置实用性差的不足，本发明提供一种薄膜式力传感器的磁共振测试装置。该测试装置包括前端基座、后端基座、夹具基座、支撑杆、测试工具、夹具、连接件、超声波电机、丝杠、前端板和后端板。超声波电机、丝杠和支撑杆由前端基座和后端基座连接，一起构成传动机构，并将超声波电机的旋转运动转换为直线运动，驱动测试工具。前端板、后端板和连接件用于固定薄膜式力传感器，由夹具、夹具基座连接至传动机构。本发明所有零部件的材料为硬质塑料、聚合物、陶瓷等非金属材料，或者铝合金、铜合金或钛合金等金属材料，可以实现测试装置的磁共振兼容性要求，同时还可以提高测试装置的实用性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种薄膜式力传感器的磁共振测试装置，其特点是包括前端基座1、丝杠支撑2、支撑杆3、测试工具4、夹具5、支撑杆连接6、夹具基座8、后端基座9、连接件10、超声波电机11、联轴器12、连接桥13、丝杠15、后端板16、夹具连接轴17和前端板19。超声波电机11通过连接件10固定在后端基座9上并通过联轴器12与丝杠15相连接，丝杠15通过丝杠支撑2和联轴器12分别固定在前端基座1和后端基座9上。丝杠支撑2为丝杠15提供支撑并减小对前端基座1的摩擦。丝杠15、丝杠螺母14、连接桥13、支撑杆连接6和支撑杆3将超声波电机11的旋转运动转化为直线运动，并带动连接桥13及与其连接的夹具5做直线运动。丝杠15上装有丝杠螺母14，用于安装连接桥13，并传递丝杠15的运动。连接桥13的两端分别安装在丝杠螺母14和支撑杆连接6上。支撑杆连接6与支撑杆3装配，为连接桥13提供支撑。支撑杆3的两端分别固定在前端基座1和后端基座9上。薄膜式力传感器7的夹具基座8固定于连接桥13上。装有薄膜式力传感器7和测试工具4夹具5由夹具连接轴17固连于夹具基座8上。后端板16与前端板19上分别加工有前端板安装孔23和后端板安装孔25，螺栓18先后通过前端板安装孔23和后端板安装孔25，施加预紧力将薄膜式力传感器7固定在夹具5的后端板16和前端板19之间，或者采用胶水将薄膜式力传感器7固定在后端板16或前端板19上。前端板19的一侧设计为前端板锥形台22，后端板16的一侧设计为后端板锥形台24，前端板锥形台22和后端板锥形台24与薄膜式力传感器感应区域26配合。前端板安装轴21上设计有测试工具安装孔20，用于固定测试工具4。

所述测试工具4是锥形针。

所述丝杠支撑2的材料是钛合金或者铜合金的任一种。

所述夹具连接轴17连接于夹具基座8上采用螺纹连接。

所述夹具连接轴17连接于夹具基座8上采用过盈配合连接。

所述测试工具安装孔20与测试工具4固定采用螺纹连接固定。

所述测试工具安装孔20与测试工具4固定采用过盈配合连接固定。

本发明的有益效果是：该测试装置包括前端基座、后端基座、夹具基座、支撑杆、测试工具、夹具、连接件、超声波电机、丝杠、前端板和后端板。超声波电机、丝杠和支撑杆由前端基座和后端基座连接，一起构成传动机构，并将超声波电机的旋转运动转换为直线运动，驱动测试工具。前端板、后端板和连接件用于固定薄膜式力传感器，由夹具、夹具基座连接至传动机构。本发明所有零部件的材料为硬质塑料、聚合物、陶瓷等非金属材料，或者铝合金、铜合金或钛合金等金属材料，实现了测试装置的磁共振兼容性要求，提高了测试装置的实用性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明薄膜式力传感器的磁共振测试装置的结构图；

图2是图1中夹具的放大图；

图3是图2中前端板的放大图；

图4是图2中后端板的放大图；

图5是薄膜式力传感器的示意图。

图中，1-前端基座，2-丝杠支撑，3-支撑杆，4-测试工具，5-夹具，6-支撑杆连接，7-薄膜式力传感器，8-夹具基座，9-后端基座，10-连接件，11-超声波电机，12-联轴器，13-连接桥，14-丝杠螺母，15-丝杠，16-后端板，17-夹具连接轴，18-螺栓，19-前端板，20-测试工具安装孔，21-前端板安装轴，22-前端板锥形台，23-前端板安装孔，24-后端板锥形台，25-后端板安装孔，26-薄膜式力传感器感应区域。

具体实施方式

以下实施例参照图1-5。

本发明薄膜式力传感器的磁共振测试装置包括前端基座1、丝杠支撑2、支撑杆3、测试工具4、夹具5、支撑杆连接6、夹具基座8、后端基座9、连接件10、超声波电机11、联轴器12、连接桥13、丝杠15、后端板16、夹具连接轴17和前端板19。

本发明薄膜式力传感器的磁共振测试装置采用满足磁共振兼容性要求的超声波电机作为驱动机构，测试工具4采用锥形针，薄膜式力传感器7采用Flexiforce传感器，被测试对象是动物组织，测试环境为磁共振图像扫描室。超声波电机11经连接件10固定在后端基座9上并通过联轴器12与丝杠15相连接，丝杠15经丝杠支撑2和联轴器12分别固定在前端基座1和后端基座9上。丝杠支撑2为丝杠15提供支撑并减小对前端基座1的摩擦，其材料为钛合金，亦可以是铜合金。丝杠15、丝杠螺母14、连接桥13、支撑杆连接6和支撑杆3将超声波电机的旋转运动转化为直线运动，并带动连接桥13及与其连接的夹具5做直线运动。丝杠15上装有丝杠螺母14，其作用有两个：一是安装连接桥13，二是传递丝杠15的运动。连接桥13的两端分别安装在丝杠螺母14和支撑杆连接6上。支撑杆连接6与支撑杆3装配，为连接桥13提供支撑。支撑杆3的两端分别固定在前端基座1和后端基座9上。薄膜式力传感器7的夹具基座8固定于连接桥13上。装有薄膜式力传感器7和测试工具4的夹具5由夹具连接轴17连接于夹具基座8上。上述安装可以有两个途径，其一，夹具连接轴17上加工螺纹，对应的夹具基座8加工与之配合的螺纹；其二，夹具连接轴17与夹具基座8采用过盈配合。

薄膜式力传感器7固定在夹具5的后端板16和前端板19之间。后端板16与前端板19上分别加工有前端板安装孔23和后端板安装孔25，螺栓18先后通过前端板安装孔23和后端板安装孔25，施加预紧力将薄膜式力传感器7固定，也可以采用符合兼容性要求和安装要求的胶水将薄膜式力传感器7固定在后端板16或前端板19上。前端板19和后端板16一侧的形状特征为前端板锥形台22和后端板锥形台24，设计为锥形的原因是薄膜式传感器的感应区域为圆形；前端板19和后端板16上分别有三个均匀分布的安装孔，安装孔的数目可以根据夹具5的大小有所变化，最少为2个。测试工具4的前端为锥形，后端为圆柱，其长度和直径根据待测对象和电机的负载能力确定。将其前端设计为锥形的原因是有利于测试工具4插入待测对象，采集插入过程中的力。测试工具可以是其它任何可以实现推动和插入运动的工具，比如骨活检工具、穿刺针等。

测试工具安装孔20位于前端板安装轴21上，其作用是用于安装固定测试工具4，其安装固定方式有两种，其一，测试工具安装孔20和测试工具4分别加工有内外螺纹，通过螺纹连接固定；其二，采用过盈配合将测试工具4固定。测试工具安装孔20的深度小于等于前端板安装轴21的长度，但大于测试工具4的螺纹长度。

薄膜式力传感器感应区域26的面积应大于前端板锥形台22的小端面面积，其目的是确保全部的力传递到感应区域；薄膜式力传感器感应区域26的面积应小于锥形台24的小端面面积，其目的是确保薄膜式力传感器7被完全固定。

在测试过程中，测试工具的行进会产生阻力，从而导致图1整个测试装置的滑动或移位。所以，必须将装置固定在操作台上。固定方式有两种，一是采用满足兼容性要求的夹钳将前端基座1和后端基座9固定；二是在前端基座1和后端基座9的底部加工安装孔，通过螺栓连接直接固定。

本实施例完整的动作过程为，首先完成测试装置的整体装配，薄膜式力传感器7标定后，将装配体放置在磁共振环境下的操作台上，调整其与被测对象的相对位置关系，并固定。然后，启动超声波电机，丝杠15在丝杠螺母14的作用下带动连接桥13做直线运动，并带动测试工具4向测试对象移动，测试工具4与被测对象接触后，薄膜式力传感器7的输出信号发生变化并传送到数据采集装置，推进达到设定的距离后，驱动超声波电机反转，退回测试工具4，最后停止超声波电机并收集测试数据，一个完整的测试过程结束。本实施例中测试工具4采用锥形针，其形状特征是一端为锥尖形另一端为圆柱体，可以实现一定量程的推动或插入待测对象的运动，但不局限于锥形针，亦可以是其它任何传递力的工具。该实施例在磁共振环境下进行，可以实现薄膜式传感器固定装置的力反馈测试，满足磁共振兼容性要求，同时适用于非磁共振环境下薄膜式力传感器的安装和测试。

本实施例中所选择的超声波电机是磁共振兼容的驱动机构，在诸多应用研究中有公开报道；所选择的Flexiforce薄膜式力传感器因自身结构和材料的特点，完全满足磁共振兼容性要求；其它零部件皆采用非铁磁性材料和非金属材料加工而成。因此，本发明在材料和元器件选择方面容易获取且满足磁共振兼容性要求，在测试装置设计、加工制造和装配方面不存在任何技术问题，在数据采集、传感器标定方面技术成熟。综上所述，本发明专利提出的一种薄膜式力传感器的磁共振兼容性测试装置具有充分的可行性，可以提供磁共振环境下力的测试方法，例如磁共振图像向导的手术力反馈与控制，具有广阔的应用前景和市场需求。

Claims (7)

1.一种薄膜式力传感器测试装置，其特征在于：包括前端基座(1)、丝杠支撑(2)、支撑杆(3)、测试工具(4)、夹具(5)、支撑杆连接(6)、夹具基座(8)、后端基座(9)、连接件(10)、超声波电机(11)、联轴器(12)、连接桥(13)、丝杠(15)、后端板(16)、夹具连接轴(17)和前端板(19)；超声波电机(11)通过连接件(10)固定在后端基座(9)上并通过联轴器(12)与丝杠(15)相连接，丝杠(15)通过丝杠支撑(2)和联轴器(12)分别固定在前端基座(1)和后端基座(9)上；丝杠支撑(2)为丝杠(15)提供支撑并减小对前端基座(1)的摩擦；丝杠(15)、丝杠螺母(14)、连接桥(13)、支撑杆连接(6)和支撑杆(3)将超声波电机(11)的旋转运动转化为直线运动，并带动连接桥(13)及与其连接的夹具(5)做直线运动；丝杠(15)上装有丝杠螺母(14)，用于安装连接桥(13)，并传递丝杠(15)的运动；连接桥(13)的两端分别安装在丝杠螺母(14)和支撑杆连接(6)上；支撑杆连接(6)与支撑杆(3)装配，为连接桥(13)提供支撑；支撑杆(3)的两端分别固定在前端基座(1)和后端基座(9)上；薄膜式力传感器(7)的夹具基座(8)固定于连接桥(13)上；装有薄膜式力传感器(7)和测试工具(4)的夹具(5)由夹具连接轴(17)固连于夹具基座(8)上；后端板(16)与前端板(19)上分别加工有前端板安装孔(23)和后端板安装孔(25)，螺栓(18)先后通过前端板安装孔(23)和后端板安装孔(25)，施加预紧力将薄膜式力传感器(7)固定在夹具(5)的后端板(16)和前端板(19)之间，或者采用胶水将薄膜式力传感器(7)固定在后端板(16)或前端板(19)上；前端板(19)的一侧设计为前端板锥形台(22)，后端板(16)的一侧设计为后端板锥形台(24)，前端板锥形台(22)和后端板锥形台(24)与薄膜式力传感器感应区域(26)配合；前端板安装轴(21)上设计有测试工具安装孔(20)，用于固定测试工具(4)。

2.根据权利要求1所述的薄膜式力传感器测试装置，其特征在于：所述测试工具(4)是锥形针。

3.根据权利要求1所述的薄膜式力传感器测试装置，其特征在于：所述丝杠支撑(2)的材料是钛合金或者铜合金。

4.根据权利要求1所述的薄膜式力传感器测试装置，其特征在于：所述夹具连接轴(17)连接于夹具基座(8)上采用螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的薄膜式力传感器测试装置，其特征在于：所述夹具连接轴(17)连接于夹具基座(8)上采用过盈配合连接。

6.根据权利要求1所述的薄膜式力传感器测试装置，其特征在于：所述测试工具安装孔(20)与测试工具(4)固定采用螺纹连接固定。

7.根据权利要求1所述的薄膜式力传感器测试装置，其特征在于：所述测试工具安装孔(20)与测试工具(4)固定采用过盈配合连接固定。