الحساسات : قياس القوة بخلايا الحملload Cells

قياس القوة بخلايا الحمل load Cells :

الـ load cell هي حساس sensor يستخدم لقياس القوة . فهي تحتوي علي عنصر قابل للثني flexural element معه عادة عدة strain gage يتم تركيبها علي سطح هذا العنصر . يتم تصميم شكل الـ load cell (خلية الحمل ) بدائرة قنطرة للحصول علي جهد يتناسب مع الحمل . هناك نوعان من خلايا الحمل المتاحة تجارياً , تستخدم لقياس القوة الأحادية المحور وهي موضحة في الشكل من أمثلة تطبيقا خلايا الحمل استخدامها في ماكينات اختبار المواد بمعامل اختبار المواد وذلك لقياس القوة المسلطة علي عينة الاختبار . تستخدم خلايا الحمل أيضاً في موازين الأثقال weight scales وأحياناً توضع كجزء ضمن البناء الميكانيكي لمراقبة القوي في البناء .

استخدام خلايا الحمل Load Cell مع مثبت الهياكل العظمية :

إن مجال الميكانيكا العضوية للتجبير orthopaedic biomechanics يتناول مسألة تحليل التحميل في نظام الهيكل العظمي والطرق الهندسية لفهم الخواص الميكانيكية لأنسجة البيولوجية biological tissues واختيار الأنظمة المناسبة لابدال الأنسجة عندما تفشل . إنها صناعة متطورة في مجال العناية بالصحة تقدم فرص كثيرة لمهندسين المهتمين بالمشاكل التي لها الطابع الطبي أو الحيوي . كثير من مشاكل التصميم الهندسية تكون مرتبطة بالمواد القابلة للغرز implantable materials ومقاومة المواد في البيئة المعادية بالجسم ومواصفات المواد الهندسية التي يجب أن تتصل بالأنسجة الحيوية بأمان . من ضمن التصميمات الناجحة حتي الأن إستبدال المفاصل , ربما أنك تعرف أحد الأشخاص ممن قامو باستبدال مفصل بزراعة أخر من الصلب الغير قابل للصدأ أو من التيتانيوم titanium .

نطرح الأن مثالاً تطبيقياً , يتعلق بتحليل التحميل في ساق مريض يعاني من كسور , قاسية في العظام , عندما يعاني أحداً من كسر مضاعف في عظمة الساق , لا يكفي في هذه الحالة استخدام لاصق بسيط أو استخدام مادة الفيبرجلاس لعلاج الساق , العظمة هي خلية حية باستمرار تجدد من نفسها وتلحم كسورها بنفسها ولكن تحتاج المسألة إلي وسيلة لحفاظ علي وضع العظمة السليم . الإجهاد مهمة لتبدأ عملية العلاج بشكلها الصحيح وكذلك هو مسألة مهمة في عملية الحفاظ علي صحة العظام . مثال علي ذلك , عندما يتواجد رواد الفضاء في بيئة فضائية ليس فيها أثقال لمدد طويلة , تفقد خلالها العظام كتلتها نتيجة عدم وجود إجهادات الجاذبية مع حالات كسور العظام العنيفة , مثل أن يتعرض أحد الأشخاص لكسر من عدة أجزاء , فإن المسألة في هذه الحالة تحتاج إلي وسيلة من وسائل الميكانيكا الحيوية لكي تساعد في عملية العلاج . يطلق علي هذه الوسيلة مثبت الهياكل العظمية المعروف بالمصطلح exteriorized skeletal fixator . . يبين الشكل التالي أن هذا المثبت يتكون من قضيب يكون خارج الجسم مثبت بمسامير من الصلب الذي لا يصدأ , تخترق هذه المسامير pins وتمسك شظايا ( أجزاء ) العظمة , ويستمر هذا الوضع حتي تشفي العظمة , بهذا الإنشاء الهندسي يتم تحميل حمل الجسم عليه أثناء الوقوف أو المشي .

من المهم أن تفهم كيف يتم تحميل الـ fixator أثناء مشي المريض . هذه المعلومة مهمة وضرورية لكي تستطيع تقدير حجم الـ fixator حتي لا يتعرض للتلف وبالتالي إيقاف شفاء العظمة . من الضروري جدا أن لا يكون الإجهاد علي العظمة إلا بقدر صغير من أجل شفاء العظمة . إذا أزلنا الإجهاد تماماً عن العظمة ولم تحدث أي حركة نسبية بين شظايا العظمة , فإن العظمة لن تشفي . كذلك الحكة النسبية الكثيرة تمنع شفاء العظمة .

لقياس قيمة التحميل من أجل الدراسة التحقيقية , فإننا نحتاج إلي تصميم خلية حمل load cell كجزء من الـ skeletal fixator لمراقبة مركبات التحميل المركب أثناء المشي . ستكون معنيين في هذا المجال بقياس مركبات الحمل في القضيب الاسطواني المصنوع من الصلب الذي لا يصدأ , هذا القشيب الذي يدعم الساق المكسورة . إن أحمال العظمة أثناء المشي مركبة وتشتمل علي إجهاد محوري axial stress وإجهاد ثني bending stress وإجهاد اللي torsional stress .

هدفنا هو تصميم خلية حمل load cell تمكننا من تعيين الحمل المحوري وحمل الثني وحمل اللي بسهولة واعتمادية أثناء المشي . يمكننا الحصول علي هذا عن طريق تركيب ثلاثة rectangular strain gage rosette بين كل منها 90° . توضع gage المركز (b) لكل rosette علي محور القضيب ( أنظر الشكل ) . أذا حسبنا الإجهادات الأساسية في اتجاه المحور لتعيين حمل المحور واحمال الثني في اتجاهين . يمكن أخذ متوسط اجهادات القص shear stress عند كل rosette لتعيين حمال اللي torsional load إذن , الـ shear gages التسعة ( من الثلاث rosettes ) تعطي القياسات اللحظية للحمل المحوري وحمل الثني وحمل اللي .

للحصول علي قياسات دقيقة , توصل التسعة strain gages بدوائر قناطر الـ strain gage يقدم كنسول القنطرة مثل Measurements Group 2100 حتي عشرة قناطر للقياسات اللحظية للـ strain المخارج التناظرية لكنسول القنطرة يمنك تحويله إلي رقمي عند تردد sampling مناسب للحصول علي مركبات الإجهاد في كل لحظة .