牙床种植体扭矩测量方法的研究

牙床种植体扭矩测量方法的研究 牙床 种植 体 扭矩 测量方 法 的研究 重庆大学硕士学位论文 (学术学 位)学生 姓名 : 王光 宗 指导教师 : 李 伟 副教授 专 业:仪器科学与 技术 学 科门类 :工 学 重庆大学光电工程学院 二 O 一 三年五 月 The Research of the Method of Dental Implant Torque MeasurementA Thesis Submitted to Chongqing University in Partial Fulfillment of the Requirement for the Master’s Degree of Engineering By Wang guangzongSupervised by Associate Prof. Li wei Specialty: Instrument Science&TechnologyCollege of Opto-Electronic Engineering of Chongqing University, Chongqing, ChinaMay, 2013 中文摘要 摘 要 近年来,在牙修复领域发展起来一种新的骨支持义齿技术??种植义 齿,种植 义齿技术不仅将颌骨的潜能进行了充分挖掘,其颌力传递方式更接近天然牙,并 且适应症广泛。种植义齿的发展为口腔临床瓶颈的突破提供了一种新的方向和有 效手段。种植体-骨结合的成功与否受到许多因素的影响,临床中常用种植体的稳 定性来反映种植体与骨的结合情况。种植体-骨结合过程中的稳定性越高,种植体 种植的成功率就越高。在种植义齿的操作过程中,需要对种植体的稳定性作定期 的测试,判断种植体与骨的结合情况,以便医生采取相应的措施。因此,对高精 度、便捷和准确的种植体稳定性检测方法的研究,具有及其重要的意义。 目前,对种植体稳定性检测的各类方法中,谐振频率法和扭矩测量法是人们比 较关注的。谐振频率法已被用于临床检测,如:Osstell?仪器。它虽然可以测量种 植体抗侧向力的能力,但不能判断种植体与骨质之间的非骨性结合的情况。现有 扭矩测量法主要是测量旋出扭矩和植入扭矩能够较准确地反应种植体抗旋转力的 能力,但是这种测量具有破坏性,不能应用于临床。本课题针对种植体稳定性的 检测现状,希望通过非破坏性种植体的扭矩测量来反映种植体的稳定性。本课题 的重点在于研究利用声 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面波谐振器测量转轴扭矩。 声表面波(SAW)谐振器(433.92MHz)具有高灵敏度、高稳定性、尺寸小和 线性度好的特点。利用 SAW 谐振器测量扭矩的基本原理是:当转轴出现扭矩时, 转轴上的切应力发生变化,会使 SAW 谐振器的谐振频率发生变化,通过对 SAW 谐振器的谐振频率的测量,即可得到转轴上扭矩的相关信息,实现转轴扭矩测量。 论文工作主要涉及以下几个方面:(1)提出了梯度应力场条件下, SAW谐振器 的谐振频率和梯度应力场之间的理论关系,并给出了转轴扭矩和 SAW谐振器的谐 振频率之间的理论公式。利用 ANSYS软件对上述理论模型进行了模拟仿真; (2) 设计制作了基于表面声波谐振器的转轴扭矩测试系统;(3)设计制作了 SAW 信 号的采集、处理电路和基于 FPGA 的数字频率计;(4)对不同力矩下的 SAW 谐 振频率进行实际测量,再用谐振频率与扭矩的关系计算出转轴扭矩。 ANSYS 仿真结果表明 SAW 谐振器的谐振频率和剪切应力之间呈线性关系, 与理论关系是一致的, 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 利用 SAW谐振测量转轴扭矩是可行的。从扭矩测试实 验结果来看,扭矩测量值与施加力矩的变化规律一致。因此,本课题中设计的 SAW 扭矩测量系统可以实现转轴扭矩的定性测量,但两者之间存在一定的偏差。实验 偏差主要来源于实验装置比较粗陋,一方面 SAW谐振器的压电基底刚度与金属转 轴的刚度不匹配,另一方面测量装置的损耗较大,所以不能将转轴上施加的力矩 I 重庆大学硕士学位论文 完全转换为转轴上的扭矩。因此,要实现种植体上扭矩的测量,还需要进行诸多 改进。 关键 词:扭矩,SAW谐振器,SAW自激振荡电路,谐振频率II 英文摘要 ABSTRACT In recent years, a new bone support denture technology which is called Dental Implants has been developed in the field of dental restoration. Implant denture technology can not only fully dig for the potential of mandible as transfer mode of its jaw force is closer to natural teeth, but also has a wide range of indications. The development of implant denture provides a new direction and effective means the breakthrough of oral clinical bottleneck. The combination of Implants and bone could be affected by many factors, so using the stability of the implant to commonly reflect the combination of implant and bone in clinical. The higher of the stability of the combination of Implants and bone, the higher success rate of implant planting. In operation of implant denture, it is necessary to regularly test the stability of the implant so as to determine the combination of implant and bone, so that the doctor can take the appropriate measures. Therefore, studying a high precision, convenient and accurate method for the test of implant’s stability is great importanceAt present, the resonant frequency method and torque measurement method are the methods that people are more concerned about in all methods for implant stability testing. The resonant frequency method has been used in clinical testing, such as Osstell? instrument. Although it can measure the resistance lateral force of the implant, but it cannot judge the non-bone integration between the implant and the boneAlthough the present method mainly measure the implant’s spin torque and insertion torque which can accurately reflect the ability of the implant anti-rotational force, but they are destructive and cannot be used for the clinical intervention. In view of current situation of implant stability detection, this paper hopes to measure the torque on implant using the SAW resonator to judge the stability of the implant. This paper focus on the research of SAW resonator measurement of torque on the shaft The purpose of this paper is to use high sensitivity, high stability, small size and good linearity surface acoustic waveSAW resonator433.92 MHz to measure the torque on shaft. The basic principle of torque measurement of the SAW resonator is as follow: the shear stress on the rotary shaft will change when the shaft torsional deformation, which will make the resonant frequency of the SAW resonator changeThe related information of torque on the shaft can be obtained through measuring the resonant frequency of the SAW resonator, and then the shaft torque measurement can III 重庆大学硕士学位论文 be achieved. This paper mainly involves the following aspects: 1 The theory between the shear stress gradient field and the resonant frequency of SAW resonator is proposed, and it is simulated by ANSYS software. And the theoretical formula of relationship between the torque on Shaft and the resonant frequency of SAW resonator is built. 2A test system for the measurement of shaft torque is designed based on surface acoustic wave resonator. 3The SAW signal acquisition and processing circuit and FPGA-based digital frequency meter are designed. 4 The resonant frequency of SAW resonator under different torques is measured by torque test system, and then the shaft torque is calculated through the relationship between the resonant frequency of SAW resonator and torque The results of the ANSYS Simulation show that there is a linear relationship between the resonant frequency and Shear stress of SAW resonator, which is consistent with the theory and shows that SAW resonator can be used to measure the shaft torqueThe changes are of the same between the measured torque and the applied torque from the results of the torque measurement experiment. So the SAW torque measuring system designed in this subject can achieve the qualitative measurement of the shaft torque. However, there are a deviation between the calculation and the measurement of the torque. The above deviation is mainly caused by the roughness of the experimental device. On the one hand, the piezoelectric substrate stiffness of SAW resonator does not match that of the metal shaft. On the other hand, the measurement device exist a large moment loss. These two aspect makes the torque exerted on the rotating shaft do not fully convert to the torque in the rotary shaft. So this technique applied needs many improvements to achieve the measurement of torque on the implant torque, SAW resonator, SAW self-oscillation circuit, resonant frequency Keyword: IV 目 录 目 录 中文摘要. I 英文摘要. III 1 绪 论 1 1.1 研究背景及意义 1 1.2 国内外研究现状与进展. 2 1.3 本论文的主要研究内容. 6 1.4 本章小结 8 2 种植体扭矩测量系统设计9 2.1 SAW技术和选型9 2.1.1 SAW 技术发展概况9 2.1.2 SAW 器件类型10 2.2 SAW扭矩测量理论模型 12 2.2.1 SAW 谐振器压力敏感机理 12 2.2.2 扭矩与剪切应力关系 13 2.2.3 理论建模. 15 2.3 SAW谐振器频率响应的 ANSYS仿真. 16 2.3.1 ANSYS简介和材料特性参数16 2.3.2 ANSYS仿真18 2.4 金属转轴结构设计 22 2.5 扭矩测量系统电路设计原理23 2.5.1 频率检测电路设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 24 2.5.2 FPGA数字频率计设计方案. 25 2.6 本章小结26 3 扭矩测量电路设计. 27 3.1 信号采集和处理电路设计 27 3.1.1 SAW 自激振荡电路 27 3.1.2 混频电路. 31 3.1.3 滤波电路. 32 3.1.4 整形电路. 37 3.2 FPGA 频率计数器设计39 3.2.1 FPGA设计概述 39 V 重庆大学硕士学位论文 3.2.2 数字频率计的设计和功能仿真. 40 3.3 本章小结. 51 4 扭矩测量系统调试和扭矩测量. 53 4.1 金属转轴测量结构的制作 53 4.2 系统电路的测试与分析. 54 4.2.1 SAW 振荡电路的测试分析 55 4.2.2混频电路的测试分析 56 4.2.3 PCB和 FPGA级联. 57 4.3 扭矩测量. 59 4.4 误差分析. 62 4.5 本章小结. 62 5 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 与展望63 5.1 总结 63 5.2 课题展望. 63 致 谢 65 参考文献 67 附 录 71 作者在攻读硕士学位期间发表论文的目录 71 VI 1 绪 论 1 绪 论 1.1 研 究背 景及 意义 随着我国生活水平的日益提高,人群龋齿的发病率也有上升的趋势,大大超过 美国等发达国家,尤其是儿童发病率更高:我国龋病的患病率为 50%左右,老年 人的患病率为 65%,而儿童的患病率高达 80%以上。即使在全球,龋齿也是全人 类最普遍的疾病之一,已被世界卫生组织列为继心血管疾病和癌症之后的第三大 非传染性疾病。龋病会对牙体硬组织造成破坏,逐渐致使牙冠缺损,成为残冠, 导致牙齿丧失,甚至牙列的损坏和脱落。目前,临床中活动义齿、固定义齿修复 牙列的损坏或脱落是常规修复方式,虽然它们的研究和应用历史较悠久,但受到 许多临床应用问题的限制;然而种植义齿是近几十年发展起来的骨支持义齿技术, 它使颌骨的潜能得到了充分的发挥,使之更接近天然牙的颌力传递方式,且能够 适应于多种适应症。因此,在口腔临床医学领域,种植义齿修复技术提供了新的 [1] 途径和有效手段 。 种植体-骨结合是将种植体植入牙龈中,使牙龈的硬组织和种植体之间相互融 合,形成一体化结构,最终实现功能性的连接。在种植体-骨结合过程中,诸多因 素影响着该过程的成功性,如:种植体材料、医生、患者等。然而,在种植体骨 结合过程中,种植体的稳定性越高,则种植体种植成功的几率就越高,反之则成 [2] 功几率越低 。若能定期检测种植体与骨的结合情况,且提前判断出种植体种植是 否成功,进而及时采取相应的处理,不仅可以提高种植体的种植成功率,还能减 少患者的痛苦。因此,提高种植体稳定性判断方法的准确度有非常重要的意义。 种植体稳定性是指种植体抵抗轴向、侧向以及旋转力作用时的能力,所以,为 [3,4] 了能够更加准确的判断出种植体的稳定性,应从不同方向测量种植体的稳定性 。 目前,常用的种植体稳定性判断方法中,按原理可分为物理测试方法和影像 学观 察法两种。从准确度角度考虑,物理测试方法明显优于影像观察法,因此,本课 题中主要针对物理测试方法进行研究。在众多的物理测试方法中,共振频率测量 技术是临床研究中应用较广泛的一种方法,但该方法仅能反映种植体抗侧向力的 能力,在种植体与骨质之间以非骨性结合时,Osstell?仪器的测量值(ISQ)也可能 呈现出较高的值,且受其测量精度的影响,该测量方法还存在明显的缺陷。因为 种植体扭矩测量能够反映种植体的抗旋转力的能力,若能将共振频率测量方法与 扭矩测量方法相结合,即可实现对种植体稳定性更加准确的判断。但是目前常用 [5] 的种植体植入扭矩和旋出扭矩两种扭矩测量方法均具有破坏性 ,临床应用较为困 难,寻找一种能够实现非破坏性种植体扭矩测量的方法至关重要。 1 S4 S1 重庆大学硕士学位论文 声表面波(SAW)传感器具有灵敏度高、精度高、抗干扰能力强等优点,利 用 SAW 传感器无源检测特性对种植体扭矩测量,即可实现对种植体扭矩的准确、 非破坏性测量。为种植体抗旋转力的能力非破坏性测量提供了一种新途径。 SAW扭矩测量是利用 SAW谐振器将转轴上的扭转形变转换成为 SAW谐振器 谐振频率的变化,通过信号检测电路测量出其频率信号的频率值,最后根据 SAW 谐振器的谐振频率变化量和转轴上的扭矩间的理论模型,得出转轴的扭矩。 1.2 国内 外研 究现 状与 进展 经过几十年的发展,种植体稳定性测量方法已从实验室研究开始进入临床医疗 的应用。美国、瑞士和日本等发达国家对种植体稳定度测量的研究工作比较多, 发展了多种对种植体-骨结合过程中种植体稳定性的测量方法,如物理测试方法和 影像学观察法。物理测试方法,即用物理参数(如位移、频率和扭矩等)反映种 植体的稳定度;影像学观察法,即用 X 线等影像学的手段观察种植体与牙床的结 合面的骨密度变化、新骨形成情况来反映种植体的稳定性。影像学观察法只能大 致反映种植体与牙床的结合情况,不能给出定量的分析结果。而物理测试方 法不 仅简单、便捷,而且能够定量、准确的反映种植体的稳定度。现有物理测试法中, 按其检测量大致可分为四种类型 :即位移测量、阻抗测量、频率测量和扭矩测量 [6] 。 M图 1.1 Periodontometry仪器 Fig.1.1 Periodontometry instrument 位移测量法:位移测量法是在种植体受力后,种植体将在其侧向方向上产生位 移,通过测量种植体产生的位移,并用该位移的量反映种植体的稳定度。如 1990 年由英国人 Cross 研发 Periodontometry 仪器,该仪器不仅可以测量稳定度值,还 2 S3 S21 绪 论 可测量牙齿转动的角度,如图 1.1。当有咬合力作用在牙冠上时,圆孔中的磁性金 属块(M)将产生移动,使四个电磁传感器上产生不同的电信号,以此电信号强度 [7] 差值表征位移(稳定度),即可获得种植体产生的位移量 。Periodontometry 仪器 尺寸:20×18mm。测量过程中,采用口腔内附着式,由此有效的排除了操作人 员 带来的测量误差;但需要将该仪器固定在患者的头部,此过程不仅操作繁琐, 而 且患者有不适感,所以没有能够广泛应用于临床。 牙齿 牙龈 被测牙 双激光探测器 S2 S2 S1 双 激 牙齿 光 S1 探 测 器 间距可调图 1.2 双激光位移传感器Fig.1.2 Dual laser displacement sensor 再如广西大学 2005 年研制的双激光位移传感器,该装置的特点是在已知力的 情况下测量牙齿松动的相对位移,如图 1.2所示。用两传感器检测被测牙与参考物 (参考牙或牙龈)间的距离之差表示牙松动的程度,因此客服了以往由检测过程 中操作人员造成的不可避免的误差。双激光位移传感器的精确度较高,双激光位 移传感器的尺寸: 65×50×20mm,体积较大,激光传感器发出的激光束为可见红光, [3] 属 2 级激光辐射,目前尚无法实验证明对人眼完全无害,且该装置的成本较高 , [8] 因此,临床应用较少 。 阻抗测量法:阻抗测量法是指利用摆锤撞击种植体,以摆锤的反弹的加速度间 接反映种植体的稳定度的方法。如 1986年由德国西门子公司研制的 Periotest 仪器, 该仪器通过磁场力驱动 8g 重的金属探头,以 10-30cm/s 的速度叩击牙齿, 在探头 的另一端有一加速度传感器,当探头与牙齿接触时,探头的加速度将改变,从碰 撞中产生的加速度信号曲线中,提取探头和种植体的接触时间,如图 1.3所示。其 [9] 测量结构只能反映牙齿松动的程度,而不能反映牙周组织的整体情况 。3 A 重庆大学硕士学位论文 加 速 度A 信 号振 幅 时间(t) ( Amin) tmin t0 t 图 1.3 Periotest仪器Fig.1.3 Periotest instrument 一般情况下,Periotest 仪器中探头反复与牙齿相碰撞的过程中,探头的振动不 能真实的反映牙齿的振动情况,且测量结果受施力位置和角度的影响,同时 测量 过程中不能避免由操作人员产生的误差。因此,测量误差较大,且测量过程中, 常常造成患者疼痛。因此,临床应用较少。 图 1.4 Implomates 仪器 图 1.5 Osstell?仪器Fig.1.4 Implomates instrumentFig.1.5 Osstell? instrument 固有频率测量法:固有频率测量法是通过测量种植体与牙床的固有频率反映种 植体的稳定度的方法。如 2003 年台湾维网生物科技公司研制的 Implomates 仪器, 如图 1.4所示。它是利用电磁线圈驱动叩击杆敲击种植体产生振动,利用非接触的 压电麦克风收集振动信号,并将该信号转换为频谱分析,提取其谐振频率,来反 [10] 映种植体稳定度 ; 而 1990 年由瑞士 Osstell 公司研发 Osstell?仪器,如图 1.5 所 示。使用 5-15KHz 的扫频电压激励压电片,使种植体和悬臂梁一起振动,在某一 4 1 绪 论 频率上种植体和悬臂梁出现共振现象;此时,悬臂梁另一侧的接收装置将记录下 此共振的振幅;然后,将其传输到共振频率分析仪中;最后,经过相应的电脑软 [11,12] 件对其进行分析和记录,从而实现对种植体稳定性的测量 。 Implomates 仪器采用叩击的方式驱动。同样, Implomates 仪器中探头的振动 一般不能真实的反映牙齿的振动情况。因此,不能准确反映其谐振频率,且不能 避免测量过程中由测量人员引起的误差,因此误差较大。Osstell?仪器可以在不同 方向进行测量,但其值各不相同,因此操作过程中容易造成误差;在种植体植入 后几周内,测量精度没有扭矩测量方法高;不能准确区分非骨性结合情况。其中 Osstell?仪器是临床中应用最广泛的一种仪器。 图 1.6 扭矩扳手 图 1.7 Osseocare仪器 Fig.1.6 Torque wrench Fig.1.7 Osseocare instrument 扭矩测量法:扭矩测量法是指通过测量种植体的扭矩来反映种植体的稳定度的 方法。如利用扭矩扳手,如图 1.6所示。测量植入扭矩和旋出扭矩;再如瑞士 nobel biocare公司研发 Osseocare仪器,如图 1.7所示。也可以用于植入扭矩和 旋出扭矩 的测量。 植入扭矩是指将种植体旋入种植孔时所测量的扭矩值;旋出扭矩是指将种植体 旋出种植孔时所测量的最大扭矩值。在植入扭矩和旋出扭矩的测量过程中都会对 [13] 牙龈组织造成损害,是一种破坏性的测量方法 。因此,临床应用较少。 四种类型的测量方法比较如表 1.1所示。综上所述,在现有种植体松动度的物 理测试方法中,因位移测量法和阻抗测量法的测量精度较低,误差较大,较少用 于临床;只有固有频率测量方法被广泛应用于临床及实验室研究中,但仍存在一 [14] 些问题 :当种植体与骨形成骨性结合时,仪器的测量值一般较高;但是当种植 体与骨形成不同性质的结合,而非骨性结合时,仪器的测量值也会很高,因此, 这种固有频率的测量方法不能完全反映种植体与骨的真实情况;另外,在种植体 植入手术后几周内种植体的固有频率测量法的灵敏度低于扭矩测量方法。而 具有 破坏性的扭矩测量只能在实验室中应用,也不能用于临床。 5 重庆大学硕士学位论文 表 1.1几种测量方法的比较 Table 1.1 Comparison of several methods of measurement 表征量 准确度 驱动 应用 产品 位移测量 位移 高 咬合力 少 Periodontmetry仪器 阻抗测量 接触时间 低 叩击 较多 Periotest仪器 频率测量 谐振频率 高 压电驱动 很多 Osstell?仪器 扭矩测量 扭矩值 高 马达 少 Osseocare仪器 种植体稳定性是指种植体抗轴向、侧向及旋转力作用时的能力,所以应从不同 方向测量种植体的稳定性,因此,Godfredsen等人建议用固有频率法和扭矩法联合 [14] 测量 。但目前扭矩的测量方法都是破坏性的测量,因此研究种植体扭矩的非破 坏性测量方法,对于种植体稳定性检测具有实际意义。 目前,临床上常用的牙种植体稳定性的测量仪器中,均没有考虑对种植体-骨 结合的扭矩(旋转力)测量。而临床和实验室常采用植入扭矩和旋出扭矩进行种 [15] 植体扭矩测量,但这两种方法不能进行动态监测,且均存在破坏性 。因此开发 一种能够准确检测种植体扭矩的测量系统就具有很大的实际意义及市场价值。 1.3 本论 文的 主要 研究 内容 目前,SAW 谐振器扭矩测量还主要应用在大型器械扭矩测量上。本课题采用 SAW 扭矩测量系统对转轴扭矩测量,然后希望将该 SAW 扭矩测量系统应用于种 植体稳定性的判断,该方案尚属于一个新的发展方向。根据 SAW谐振器的无源测 量特性,不仅能够实现种植体非破坏扭矩测量,而且操作方便。因此,此方法相 对于现有的种植体扭矩测量方法具有非常明显的优势。 利用 SAW扭矩测量系统进行转轴扭矩测量,本课题主要涉及测试系统机械结 构和扭矩测量硬件电路两部分的设计和制作。其中,机械结构模块包括金属转轴 与 SAW 谐振器之间粘接方式的选择和金属转轴结构设计;而硬件电路模块包含 SAW谐振器谐振频率信号的采集、信号处理电路和 FPGA频率计的设计,其整个 系统的框图如图 1.8所示。 其中,金属转轴主要用于产生扭转形变和放置 SAW谐振器,粘贴在金属转轴 上的 SAW谐振器受到金属转轴上的扭转形变作用,使 SAW谐振器的谐振频率发 生改变;一旦信号采集和处理电路处于工作状态,由于 SAW谐振器在电路中起到 滤波器的作用,对 SAW谐振器谐振频率带宽范围内的信号不断放大,直到形成稳 定的谐振频率信号之后,再经过后续混频电路、低通滤波电路和整形电路对此谐 振频率信号进行处理,使之成为方便 FPGA 频率计数的低频方波信号;最后,利 6 1 绪 论 用 FPGA 数字频率计,对前端处理电路输出的方波信号进行频率计数,即可得出 SAW 谐振器的谐振频率值,再根据 SAW 谐振器谐振频率和金属转轴上扭矩之间 的理论模型,便可得出金属转轴上的扭矩值。 机械结构模块 硬件模块 扭力扳手 放置处 SAW振荡电路 混频电路 敏感单元 整形电路 低通滤波 SAW 信号采集和处理电路 FPGA频率计 基台图 1.8 扭矩测量系统框图 Fig.1.8 The block diagram of torque measurement system 参考臂 变 信 化 号 量 产 检 生 测 测量臂 扭矩载荷图 1.9 SAW 传感器测量原理框图 Fig.1.9 Schematic of measurement of SAW sensor 在本课题中,采用双通道测量原理测量 SAW 谐振器的谐振频率,可以很好的 对温度和湿度等环境因素进行衰减,如图 1.9所示。一个通道上 SAW谐振器受到 金属转轴上扭矩作用,作为测量通道,即变量臂;另一个通道则是 SAW谐振器未 受扭矩作用,作为参考通道,即参考臂,其作用在于补偿环境因素对测量通道的 7 重庆大学硕士学位论文 影响。上述两通道的信号通过混频器和低通滤波器,便得到两通道信号的差频信 号,由此不仅可以消除外界环境对测量系统的造成影响,提高测量系统的准确性, 而且还能够降低被测信号的频率,方便信号处理电路的设计和数字频率计的设计。 本课题针对无损性检测种植体稳定性,开展了采用 SAW扭矩测量系统的设计 和实验研究,搭建实现转轴扭矩测量的实验平台。主要研究内容如下: a. 分析国内外判断种植体稳定性技术的研究现状,针对现有测量技术缺陷和 临床应用需求间的盲区,从而确定本论文研究内容; b.基于 SAW 扭矩测量原理,研究了转轴扭矩 SAW 扭矩测量系统的方法和理 论,提出 SAW扭矩测量系统的结构方案; c. 建立 SAW 扭矩测量系统的理论模型,并通过 ANSYS 软件对 SAW 谐振器 在不同梯度应力下的频率响应进行仿真,同时验证了理论模型的正确性。然后, 跟据实际种植体的结构,设计本课题实验平台中金属转轴的宏观机械模型; d. SAW 信号采集和处理电路设计。根据 SAW 谐振器输出的测量信号特点, 设计频率信号采集和处理电路系统方案,并完成频率信号采集和处理电路的 PCB 板制作; e. 数字频率计设计。基于 FPGA技术,利用 EDA工具 Quartus?软件和 Verilog 语言设计频率计模块,并通过功能仿真验证其实现功能; f. 系统调试与实验。基于信号采集、处理电路和数字频率计调试完成的基础上, 完成整个系统的调试。将扭矩测量值与施加力矩数据进行对比,得到该 SAW扭矩 测量系统对转轴扭矩测量是可行的。 1.4 本 章小 结 本章研究了判断种植体稳定性的国内外研究现状,分析了现有判断种植体稳定 性的技术中存在的问题。针对进行种植体稳定性准确、非破坏性判断的设计 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 , 简述了 SAW扭矩测量系统的设计方案。最后,明确了本课题的主要研究内容。 8 2 种植体扭矩测量系统设计 2 种 植体扭 矩测量 系统设 计 本课题采用 SAW谐振器测量金属转轴上的扭矩,希望实现对种植体稳定性的 判断。整个 SAW扭矩测量系统主要涉及 SAW扭矩测量系统的理论建模和硬件电 路设计两部分。本章主要研究两方面内容,一是 SAW谐振器的谐振频率和转轴上 扭矩的理论模型,并对在不同梯度压力场下的 SAW谐振器的谐振频率响应进行了 ANSYS三维有限元分析;二是金属转轴的结构设计;最后,提出了扭矩测量系统 硬件电路的设计原理。 2.1 SAW 技 术和 选型 随着 SAW 技术的发展,SAW 器件的种类非常丰富,应用也越来越广泛。本 节主要通过对两种基本类型的 SAW器件进行介绍和对比,选择出本课题中使用的 SAW器件,然后对其压力敏感特性进行了介绍。 2.1.1 SAW 技术发 展概况 英国物理学家瑞利等人首先指出声表面波的存在,声表面波的研究从此就拉 开 [16] 帷幕 。声表面波是一种传播在半无限的弹性体表面,且波的能量主要集中于弹 性体表面的一种弹性波。集声、光、电和半导体平面工艺学的声表面波技术已成 [17] 为一门新兴学科领域 。1965 年怀特和沃尔特默等人发明了用叉指换能器 (Interdigital Transducers, IDT)激发和接受声表面波。 叉指换能器是在压电晶体材料的基底表面制作叉指电极形成的。它的的工作 原理如下:由于压电材料的压电效应,当叉指电极加上交变电场时,叉指电极在 媒质内所产生的交变电场将激发基底上质点产生位移,从而在基底表面激发弹性 机械波,即声表面波。在特定频率的激励电信号下,每对叉指电极激励的声表面 波将发生同相位的干涉叠加,产生谐振现象,由此激发出较强的声表面波,实现 将电能和声能互换。叉指电极的数量、长度、间距和形状,均影响着 SAW的传输 特性。因为 SAW 的能量主要集中在基底表面以下 1-2 个波长内,所以 SAW 器件 [18] 能够较容易感知物理、化学和生物等参量的变化 。 SAW 器件的应用方向主要有 SAW 信号处理、SAW 频率选择与控制和 SAW [19] [20] 传感器三方面 。SAW信号处理器件常应用于军事中,如:图像处理 、卫星数 [21] [23] [24] 据空间传递 、GPS 、傅里叶变换和存储器 等;军事、消费电子产品设计是 [25] [26] SAW频率选择与控制器件的主要应用领域,如:谐振器 、多样化编码 和滤波 [27] 器 ;SAW 传感器作为 SAW 器件应用新的分支,近二十年来其开发和应用均 取 9 重庆大学硕士学位论文 [28] [29] [30] 得了长足的进步,如利用 SAW 器件测量压力 、气体浓度 和扭矩 等方面做 [18,31] 了大量的研究 。 2.1.2 SAW 器件类 型 SAW 器件主要由压电基底材料和基底上金属薄膜组成的叉指电极和金属栅 构 成。SAW器件按结构主要分为:延迟线型和谐振型。 电信号输出 电信号输入 声表面波 IDT IDT图 2.1 延迟线型 SAW 原理图 Fig.2.1 Schematic of delay line SAW device 延迟线型:其基本结构图如 2.1所示,它包含两个 IDT,两个 IDT均可作为输 入和输出端。当 SAW 在两个 IDT 之间传播时,若受到被测量调制,则两 IDT 之 间的距离( L)和 SAW的传播速度( v)都将发生变化,这些改变都将反映在输 出信号相对于输入信号的延迟时间(T )上,因此,通过测量T 可以实现测量目的。 但为了提高测量精度,一般采用测量输出信号的相位延迟或谐振频率,来获得被 测量。 电信号输入 反射栅 反射栅 IDT 声表面波 电信号输出图 2.2 单端 SAW 谐振器原理图 Fig.2.2 Schematic of one port SAW resonator 谐振型:谐振型 SAW 器件有单端和双端之分,单端和双端 SAW 谐振器的主 要区别在于它们结构中包含 IDT的数量,而相同之处在于均由 IDT和反射 栅构成。 10 2 种植体扭矩测量系统设计 单端 SAW 谐振型器仅有一个 IDT,它既是输入端,又是输出端,其结构如图 2.2 [32] 所示。双端 SAW谐振型器包含两个 IDT,一个作为输入端,另一个则输出 端 , 如图 2.3所示。 电信号输入 IDT 反射栅 反射栅 声表面波 IDT 电信号输出图 2.3 双端 SAW 谐振器原理图 Fig.2.3 Schematic of two ports SAW resonator 对于等间距 SAW谐振器的谐振频率( f )可以表示为式(2.1): fv / 2d (2.1) 当 SAW 谐振器受到外界载荷作用时,SAW谐振器反射栅周期( )和 SAW d 的传播速度( v)都将发生改变,因此,SAW 谐振器的谐振频率将发生变化,所 [18] 以,通过测量 SAW谐振器的谐振频率,就能够实现对被测量的测量 。 表 2.1 延迟线型和谐振型 SAW 器件的对比 Table2.1 Comparison of the delay line and the resonator SAW device 优点 缺点 延迟线型 敏感面积大,可编码, 灵敏度低,稳定性差, 调频范围宽; 频率特性差 谐振型 高 Q 值,灵敏度高, 调频范围窄; 频率特性好,尺寸小, 插入损耗小 延迟线型和谐振型 SAW器件各自的特点见于表 2.1所示,谐振型与高 Q值延 迟线型的 SAW器件有相似的传输特性。高 Q 值的 SAW器件对振荡电路的频率选 [33] 择性和稳定性有较好的提升作用,另外高的 Q 值可以降低电路的频率噪声 。因 此,针对本课题的需要,本课题中选择谐振型 SAW器件。 11 重庆大学硕士学位论文 此外,单端谐振器比双端谐振器更灵敏,且两者之间的对比见于表 2.2。因此, 本课题中选择单端谐振器进行课题设计。本课题中选择 RFM公司型号为 R3101的 单端谐振器,其谐振频率为 433.92MHz,其实物图为 2.4所示。 [34],[35] 表 2.2 单端谐振型和双端谐振型器件的比较 Table2.2 Comparison of one port and two ports resonant devices 优点 缺点 单端 SAW 谐振器 振荡电路简单,元件少, 波段覆盖系数小 稳定性好,相位噪声低, 可实现低电压、低功耗 双端 SAW 谐振器 容易起振, 电路复杂,成本较高 波段覆盖系数大图 2.4 R3101SAW 实物图 Fig.2.4 The picture R3101SAW 2.2 SAW 扭 矩测 量理 论模 型 本节主要通过 SAW谐振器的压力敏感机理和转轴上扭矩与其剪切应力间的关 系,推导出转轴上扭矩和 SAW谐振器谐振频率之间的理论关系,实现 SAW谐振 器对转轴上扭矩测量的理论模型建立。 2.2.1 SAW 谐振器 压力敏 感机理 单端 SAW谐振器由一个 IDT和左右两端对称分布的两个反射栅组成,IDT 既 能接收信号,也能发射信号。其中,反射栅构成了一个高 Q值的 Fabry-perot 声谐 振腔。 12 2 种植体扭矩测量系统设计 SAW的波速( v)与基底材料的弹性常数( c)和密度()之间存在式(2.2) 所示的关系: * vc /(2.2) 当有载荷作用在 SAW基底上时,基片将发生拉伸和剪切两种形变,这将导致 金属栅极间距 d 和密度等物理参数均发生相应的改变。由式 2.2 可知,基底材料 的物理参数改变将使 SAW 的传播速度( v)发生改变。因此,SAW 谐振器的谐 振频率将随着金属栅极间距和波速的变化而变化。 当 SAW谐振器的基底受到外界载荷作用时,若基底产生 ε 的应变。此时,金 属栅极间距( d)和 SAW的波速( v)可分别表示为: d? ?d 1 (2.3) 0 ' v ?v 1k ? (2.4) 0 式中,d 、v 分别为初始状态下,两相邻金属栅极之间的极间距和 SAW的波速; 0 0 ' ' k 为 SAW谐振器基底材料常数。若基底材料为石英晶体,则 k?0.4。 由式 2.1、2.3 和 2.4,可推导出 SAW谐振器谐振频率和基底表面应变(ε) 间 的变化关系: ' ' v 1k v 1k0 f f(2.5) 0 ? 2d 1? 1? 0 式中, f 是 SAW谐振器的初始谐振频率。 0 从式 2.5 的分析可以发现,因为 SAW 谐振器的初始谐振频率( f )和基底材 0 ' 料常数( k )是确定的,所以,基底表面的应变(ε)决定了 f 的大小。因此, 在对 SAW 传感器的理论建模中,只要找出基底表面的应变(ε)和外界载荷 (梯 度压力场)的内在关系,即可建立 SAW谐振器谐振频率 f和梯度压力场的对 应 关系。 2.2.2 扭矩与剪切应力关 系 本节通过对转轴上扭矩和其剪切应变的研究,获得转轴上扭矩和其切应变之间 的理论关系,即可实现扭矩和 SAW谐振器的谐振频率之间的理论建模。实心圆轴 扭转时,横截面上的剪应力和变形(扭转角)公式都是在应用了平面假设和虎克 定律之后,综合几何、物理、静力学三方面分析而导出的。 ? 几何关系:在小形变前提下,圆周线大小、形状及相邻二圆周线之间的距离保 持不变,仅绕轴线相对转过一个角度;纵线仍为直线仅倾斜一微小角度,变形前 表面为矩形方格,变形后错动成菱形。由此,可以认为横截面上只有切应力而无 [36] 正应力 。 13 重庆大学硕士学位论文 Me R ρ γ d a c dφ dφ γρ b dx dx Me图 2.5 金属转轴扭转示意图 Fig.2.5 Schem