DE102006034041A1

DE102006034041A1 - Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem

Info

Publication number: DE102006034041A1
Application number: DE102006034041A
Authority: DE
Inventors: Jörg Müller; Klaus Seide; Nils Weinrich
Original assignee: BERUFSGENOSSENSCHAFTLICHER VER; Berufsgenossenschaftlicher Verein fur Heilbehandlung Hamburg Ev Berufsgenossenschaftliches Unfallkrankenhaus Hamburg
Current assignee: BERUFSGENOSSENSCHAFTLICHER VER; Berufsgenossenschaftlicher Verein fur Heilbehandlung Hamburg Ev Berufsgenossenschaftliches Unfallkrankenhaus Hamburg
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-01-31

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem zur Messung von Dehnungen an mechanisch beanspruchten Bauteilen, das als eigenständiges Modul unabhängig vom Bauteil gefertigt ist und durch einfaches Anbringen am Bauteil eine kabellose Bestimmung der Bauteilbeanspruchung ermöglicht.

Description

Stand der Technik
Zur Messung von Dehnungen an Bauteilen werden üblicherweise Dehnungsmessstreifen (DMS) als Sensoren eingesetzt. Die DMS (1) werden dabei im allgemeinen mit speziellen Klebstoffen am Messkörper angebracht, ggf. mit einem schützenden Abdeckmittel versehen, anschließend verdrahtet und über ein Kabel (2) mit einem Signalverarbeitungsgerät nebst Anzeige (3) verbunden (1). Bevorzugtes Anwendungsgebiet der DMS-Technik ist dabei die experimentelle Spannungsanalyse und der Bau von Messgrößenaufnehmern, die zum Erfassen unterschiedlicher mechanischer Größen, wie z.B. Kraft, Drehmoment, Druck, benötigt werden. Durch die Möglichkeit mittels der DMS-Technik Messgrößenaufnehmer unabhängig vom eigentlichen Messobjekt zu bauen, wurde ein breiter Einsatz dieser Technik ermöglicht.
Werden die unter mechanischer Beanspruchung hervorgerufenen Dehnungen an bestimmten Bereichen eines Bauteils als Messwert benötigt, um z.B. Biege- oder Torsionsspannungen zu ermitteln, so müssen die DMS direkt am interessierenden Bereich des Bauteils appliziert werden. Ist dabei eine kabelgebundene Ankopplung des DMS mit einem Signalverarbeitungsgerät nicht möglich oder unerwünscht, wie z.B. bei der Applikation an rotierenden Bauteilen oder an Implantaten, kann diese durch eine Funkverbindung (5) ersetzt werden (2). Hierbei ist eine entsprechende Signalverarbeitungs- und Datenübertragungselektronik (4) sensorseitig sowie eine Sende-/Empfangseinheit (6) notwendig. Oftmals sind dabei eine hinreichende Miniaturisierung der sensorseitigen Signalverarbeitungs- und Datenübertragungselektronik (Telemetrieelektronik) (4) sowie die Übertragungsreichweite der Funkverbindung (5) wesentliche Randbedingungen an das Meßsystem. Die Energieversorgung der sensorseitigen Elektronik (4) erfolgt dabei in der Regel durch eine Batterie (7) oder induktiv über die Sende-/Empfangseinheit (Lesegerät).
Die zur Signalverarbeitung und -übertragung erforderliche Telemetrieelektronik (4) wird dabei erst nach Applikation des DMS (1) an das Bauteil mit allen für dessen Applikation notwendigen Arbeitsschritten an den DMS angekoppelt. Abschließend muss dieses am Bauteil aufgebaute Meßsystem im allgemeinen noch hinreichend gegen äußere Einflüsse, z.B. Staub oder Flüssigkeit, gekapselt werden. Da hierbei der Aufbau eines solches Meßsystems vor-Ort bzw. am Objekt vorgenommen werden muss, bleibt dieses Verfahren oftmals Einzelanwendungen telemetrischer Beanspruchungsmessungen vorbehalten. Insbesondere wenn höhere Losgrößen auf dieser Weise ausgestatteter Bauteile benötigt werden bzw. Objekte an unterschiedlichen Orten mit einem solchen Meßsystem ausgestattet werden sollen, ist dieses Verfahren zu aufwendig.
Zudem kann eine Funktionsprüfung des Systems erst nach endgültiger Applikation vorgenommen werden. Handelt es sich bei dem zu vermessenden Bauteil um ein z.B. teures Bauteil (z.B. Implantat für die Knochenbruchbehandlung), so wäre eine vorgeschaltete Funktionsprüfung des Messsystems vor Applikation am Bauteil wünschenswert, um einen möglichen kostenintensiven Ausschuss bei Nicht-Funktion zu vermeiden.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt Aufgabe zugrunde, die Herstellung von Dehnungs-Messsystemen zur Anwendung an nicht optimal zugänglichen Stellen zu vereinfachen sowie die Anwendung von Dehnungsmessstreifen durch Vermeidung von nach dem Aufkleben anzulötenden und in der Regel empfindlichen Kabeln (2) zu vereinfachen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst. Die angegebene Lösung besteht darin, dass im Gegensatz zum bisherigen Anwendungsverfahren die Dehnungsmessstreifen (1) nicht primär auf das zu untersuchende Bauteil aufgeklebt und danach über ein Kabel (2) an die Messelektronik (3 oder 4) angeschlossen werden, sondern eine Integration von Messstreifen mit einer (Miniatur-) Telemetrie-Elektronik nebst Antenne erfolgt (3) und dadurch nach dem Aufkleben dieses so modifizierten Messstreifens kein Kabelanschluss mehr erforderlich ist, da die Messwerte kabellos abgerufen werden können.
Ausführungsbeispiel
Das hier beschriebene telemetrische Sensormodul (11) besteht aus den Hauptelementen Dehnungsmessstreifen (1) und Telemetrieelektronik bzw. Telemetriechip (4) sowie einer Antenne oder Spule (8), die unabhängig vom eigentlichen Messobjekt/Bauteil (12) zu einem System (10) verbunden und mit einem nichtleitenden, elastischen Material (13) verkapselt bzw. vergossen sind (3, 4a und 4b).
Der DMS sollte hierbei möglichst nahe der oder direkt an der Oberfläche des Moduls, die später am Bauteil angebracht wird, flächig angeordnet sein.
Die Telemetrieelektronik (4), die alle für die Signalverarbeitung und -übertragung benötigten Komponenten enthält, kann über eine zusätzlich im Modul untergebrachte Batterie oder induktiv versorgt werden (3). Im zweiten Fall ist eine Induktionsspule notwendig, die im Fall der Verwendung eines Telemetriechips auch direkt als Mikrospule auf diesem Chip integriert sein kann.
Als Verkapselungsmaterial können z.B. Kunststoffe (z.B. Epoxid) verwendet werden, mit denen der mit der Elektronik verbundene Dehnungsmessstreifen zu einem Modul (4a) vergossen wird Eine typische Anwendung können messende Implantate zur Bestimmung der mechanischen Implantatbelastung für die Behandlung von Knochenbrüchen sein. Mit einem solchen Implantat kann der Verlauf der Knochenbruchheilung ohne Anwendung von Röntgenstrahlen kontrolliert und optimiert werden [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Hier ist ein Kabel wegen des Infektrisikos an den Durchtrittstellen durch die Haut ungünstig und somit die Anwendung eines telemetrischen Verfahrens erforderlich. Die bisher erfolgende Herstellung eines derartigen Systems ist aufwändig. Es müssen zunächst Dehnungsmessstreifen auf die Platte geklebt werden und danach über empfindliche Kabel an eine elektronische Platine angeschlossen werden. Diese muss temporär an der Implantatplatte befestigt werden. Anschließend muss das ganze System biokompatibel verkapselt werden. Auf diese Weise hergestellte Implantate sind in der Literatur beschrieben. Aufgrund der hohen Herstellungskosten ist eine Routineanwendung ausgeblieben. Für eine Routineanwendung ist ein einfacher herzustellendes System erforderlich.
Eine Lösung wird in diesem Patent beschrieben. Der Dehnungsmessstreifen (1) wird zunächst mit der Telemetrieelektronik (4) sowie einer Antenne (8) oder Spule (9) zu einem System (10) verbunden und anschließend wird dieses verbundene System (10) verkapselt, so dass ein die Dehnung messendes Modul entsteht (4a). Die Messstreifen befinden sich dabei an einer Randfläche des Moduls. Es entstehen leicht zu handhabende und auf sichere Funktion zu testende Module. Die Herstellung des endgültigen Implantats beschränkt sich dann lediglich auf den einen Schritt des Aufklebens dieses Moduls auf das Implantat in gleicher Weise wie die Applikation der Dehnungsmessstreifen im herkömmlichen Verfahren. Durch die Testmöglichkeit des Messsystems vor Applikation auf das in der Regel teure Implantat ist darüber hinaus eine erhebliche Reduzierung eines möglichen kostenintensiven Ausschusses gegeben.
Weitere Anwendungen sind denkbar an aus verschieden Gründen schlecht zugänglichen Bauteilen, z.B. in Maschinen oder Fahrzeugen. Auch hier erfordert die Applikation von Dehnungsmessstreifen und das anschließende Anlöten der Kabel hohen Aufwand, welcher durch das vorgefertigte Modul verringert werden kann.
Eine hochgradige Miniaturisierung des Systems ist technisch möglich und ebenfalls vorteilhaft. Durch Kombination der Dehnungsmessstreifen mit einer Subminiaturelektronik und Antenne auf einem Träger (14) ähnlich der bisherigen Dehnungsmessstreifen-Trägerfolie entsteht ein kabellos auszulesender Dehnungsmessstreifen (4b). Die Anwendung erfolgt durch Aufkleben des Streifens in herkömmlicher Weise. Statt der empfindlichen Kabelverbindungen wird in einem wesentlich einfacheren Schritt eine (Miniatur-)Telemetrieantenne (9) mit einem abführenden Kabel an günstiger Stelle in der Nähe dieses Dehnungsmessstreifen-Systems angebracht.
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten beispiele verdeutlicht. Darin zeigen:
1 Herkömmliche (drahtgebundene) DMS-Messkette
2 Herkömmliche (drahtlose) DMS-Messkette
3 Kabelloses Dehnungsmessstreifensystem
4a Kabelloses Dehnungsmessstreifensystem auf Prüfkörper
4b Kabellos auszulesender Dehnungsmessstreifen auf Prüfkörper
Literatur

1. N. Weinrich, K. Seide, C. Jürgens, D. Wolter, M. Azeem, K. Dembowski, D. Rieck, J. Müller: Mikrocontroller basiertes Telemetriesystem zur Messung der Belastung von Fixateur interne Systemen in vivo. Beiträge der Informationstagung Mikroelektronik 2001 (ME'01), ÖVE Schriftenreihe Nr. 26, Wien (2001) 435–441
2. K. Seide, N. Weinrich, C. Jürgens, J. Müller: „Intelligent" External and Internal Fixator Systems for Fracture Treatment. 2nd European Medical and Biological Engineering Conference EMBEC'02. IFMBE Proceedings Vol. 3(2) (2002) 980–981
3. N. Weinrich, K. Seide, C. Jürgens, J. Müller: Transponder with Sensor-Interface for In Vivo Load Measurements an Internal Fixator Systems. Proc. Sensor '03, Vol. 2 (2003) 461–465
4. N. Weinrich, K. Seide, C. Jürgens, J. Müller: Telemetric System for Load Measurements an Internal Fixator Systems. Beiträge zur 38. Jahrestagung der DGBMT (BMT 2004), Biomed. Technik 49(2) (2004) 448–449
5. N. Weinrich, K. Seide, R. Wendlandt, U. Schümann, M. Faschingbauer, D. Wolter, C. Jürgens, J. Müller: A System for Wireless Monitoring of Loads Acting an Internal Fixators In Vivo. Biomed. Technik 50(1) (2005) 1535–1536
6. M. Faschingbauer, K. Seide, N. Weinrich, D. Wolter, J. Müller, C. Jürgens: Elektronisch instrumentierte ("intelligente") Implanate für die Osteosynthese. Z Orthop Ihre Grenzg 143(5) (2005) 489–491

Claims

Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich zu einem Dehnungsmessstreifen ausgeführt als Einzelstreifen oder als Messbrücke eine Signalaufbereitung sowie eine Telemetrieelektronik/-chip (Transponder) umfasst und dass dieses Gesamtsystem durch eine geeignet gewählte Aufbautechnik so ausgeführt ist, dass es sich wie ein DMS-Folienstreifen applizieren lässt, so dass die Messwerte und Steuerdaten sowie Energie zum Betrieb des Systems ohne galvanische Verbindung insbesondere auch von schwer zugänglichen Positionen über eine Funkverbindungen ausgetauscht werden können.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass diese Aufbautechnik so ausgeführt wird, dass der Messwandler für eine optimale Signalwandlung eine Außenfläche vorzugsweise einer Polymerverkapselung des Systems bildet.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitung Vorverstärkung und Digitalisierung des DMS-Signals durchführt.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Signalaufbereitung durch einen Mikroprozessor oder -controller erfolgt.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Transponder sowohl zur Signalübertragung wie zur Energieversorgung dient.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 3 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass das System für eine sichere Energieversorgung zusätzlich einen Energiespeicher enthält.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass dieser Energiespeicher ein Kondensator oder ein Akkumulator ist.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz in metallisch abgeschirmten Umgebungen eine gegenüber dem System nicht abgeschirmte Antenne für Daten- und Energieübertragung in seine Nähe gebracht wird.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselung biokompatibel ist und somit auch auf Implantaten eingesetzt werden kann.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1, 2 und 9 dadurch gekennzeichnet, dass es auf handelsüblichen Implantate zur Knochenbruchbehandlung eingesetzt werden kann.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Verkapselung chemisch und thermisch stabil ist und somit insbesondere in komplexen Produktionssystemen und Prozessen insbesondere des Maschinenbaus und der Verfahrenstechnik eingesetzt werden kann.
Kabelloses Dehnungsmessstreifenmesssystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass es aufgrund seiner vollständigen Funktionalität vor der Applikation hinsichtlich Funktion geprüft werden kann.