DE2809227C2 - - Google Patents

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DE2809227C2
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Description

Es ist bereits bekannt, die Festigkeit eines Materials da­ durch zu messen, daß man die Verschiebung eines Fühlstiftes mißt, der mit einer vorbestimmten Kraft gegen das zu unter­ suchende Material gedrückt wird.
Bei der üblichen Härtemessung in der Technik werden eine Kraft auf einen zu messenden Körper aufgebracht und der dazu gehö­ rende Weg des Fühlstiftes gemessen. Hierbei wird in der Technik davon ausgegangen, daß sich das zu prüfende Material im wesentlichen linear verhält. Eine für eine derartige Härte­ messung einsetzbare Vorrichtung ist beispielsweise in der US-PS 28 39 917 beschrieben.
Mit einer derartigen Vorrichtung ist es jedoch nicht möglich, die Festigkeit von Körperoberflächenbereichen am Menschen zu untersuchen.
Wünscht man die Festigkeit mit einem Gerät zu untersuchen, welches leicht transportierbar ist, so verwendet man ein manuell betätigbares Gerät, das man gegen die Oberfläche des zu prüfenden Materials drückt.
Auf diese Weise kann man zufriedenstel­ lende Ergebnisse erhalten, wenn das zu prüfende Material verhältnismäßig starr oder steif oder fest ist, bei­ spielsweise, wenn dieses Material ein Metall oder ein starrer oder steifer Kunststoff ist. Wenn jedoch im Gegen­ satz hierzu das zu prüfende Material verhältnismäßig weich und verformbar ist, so ergeben die Zähigkeits- oder Festigkeitsmessungen mit einem manuell betätigbaren Gerät, welches auf das Material aufgedrückt wird, keine reproduzierbaren Ergebnisse. Dies ist bei­ spielsweise der Fall, wenn ein derartiges Gerät verwendet wird, um die Festigkeit eines lebenden Gewebes zu messen, beispielsweise einer weiblichen Brust.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung bereitzustellen, mittels derer reproduzierbare Messungen der Festigkeit von Körperoberflächenbereichen am Menschen möglich sind.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Vorrichtung nach Anspruch 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung drückt man auf einen Körper­ oberflächenbereich auf und mißt den ausgeübten Druck mit Hilfe des Kraftaufnehmers. Die Festigkeit dieses Bereichs mißt man mit Hilfe des Fühlstiftes, der mit einer vorbe­ stimmten Kraft gegen diesen Bereich gedrückt wird.
Die Verschiebung des Fühlstiftes mißt man zweckmäßigerweise zu dem Zeitpunkt, zu dem die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem vorbestimmten Auflagedruck P O auf die Körperober­ fläche aufgedrückt wird.
Da es jedoch schwierig ist, den Auflagedruck einer manuell betätigten Vorrichtung auf einem relativ weichen Material konstant zu halten, drückt man die erfindungsgemäße Vorrich­ tung nach der bevorzugten Ausführungsform des Anspruchs 2 auf die zu untersuchende Körperoberfläche mit einem ver­ änderlichen Druck auf und mißt die Verschiebung des Fühl­ stiftes zu dem Zeitpunkt, zu dem der Auflagedruck der Vor­ richtung einem vorbestimmten Schwellenwert entspricht, bei dem man die Messung durchzuführen wünscht. Man kann auf diese Weise die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen einsetzen und erhält dennoch reproduzier­ bare Messungen bei weichen Materialien, wie beispielsweise bei Messungen der Haut.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den übrigen Unter­ ansprüchen beschrieben.
Bei den druckempfindlichen Elementen der beiden Zweige der Wheastoneschen Brücke, aus der der Kraftaufnehmer nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht, können beispielsweise Membranen sein, die Halbleiteranordnungen oder Halbleiter­ sätze tragen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in einfacher Weise eine manuelle Handhabung, wobei eine Anzeige der Verschie­ bung eines Fühlstiftes für einen konstanten Auflagedruck P O auf dem weichen Material, welches untersucht werden soll, möglich ist. Das proportionale Ausgangssignal des Wegaufnehmers wird dauernd vom Digitalvoltmeter gemessen. Dieses Digitalvoltmeter erzeugt eine Messung bei jeder Zählstufe, die durch seinen Taktgeber bestimmt wird. Diese verschiedenen Messungen werden jedoch am Volt­ meter nicht dauernd angezeigt. Wenn der Auflagedruck der Vorrichtung auf dem zu prüfenden Material den vorbestimmten Wert P O nicht erreicht, zeigt das Voltmeter keine konstan­ te meßbare Anzeige an. Wenn man jedoch die Vorrichtung fort­ schreitend gegen das zu prüfende Material drückt, so er­ reicht man den Druck P O , und in diesem Moment wird das Signal gespeichert, welches vom Wegaufnehmer abgegeben wird und das Digitalvoltmeter, welches den ge­ speicherten Verschiebungswert anzeigt, wird blockiert. Vorzugsweise wird das Voltmeter gegenüber der Speicherung mit einer geringen Verzögerung gesperrt, um Störsignale auszuschalten, die sich über die abzulesende Spannung le­ gen, und zwar in der Zeit, in der Steuerpulse vorhanden sind oder auftreten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der folgen­ den Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Axialschnittansicht einer er­ findungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 2 eine elektronische Schaltung für die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung und
Fig. 3 eine grafische Darstellung des Auflagedruckes P des Gerätes auf einem zu prüfenden Material als Funktion der Zeit und der Spannungen an ver­ schiedenen Punkten der in Fig. 2 dargestellten Schaltung.
In Fig. 1 ist das zu prüfende Material 1 dargestellt. Das Material kann ein Bereich der Haut oder die Ober­ fläche eines Muskels oder irgendein anderes Gewebe sein, beispielsweise die Oberfläche der weiblichen Brust, deren Festigkeit gemessen werden soll. Das Gerät weist ein zylindrisches Gehäuse 2 auf, welches eine Feder 3 aufnimmt, deren Zusammendrückung mittels der Schraube 4 einstellbar ist. Die Feder 3 drückt einen Gleitkolben 5 in Richtung des Materials 1, wobei am Ende dieses Gleit­ kolbens 5 ein Fühlstift 6 befestigt ist. Die Verschiebung des Kolbens 5 in dem zylindrischen Gehäuse 2 wird mittels eines üblichen Wegaufnehmers 7 festgestellt. Dieser Wegaufnehmer gibt an seinem Ausgang eine kontinuierliche Spannung ab, die der Verschiebung des Fühlstiftes, ausgehend von einer Bezugsstellung, proportio­ nal ist. Das Gehäuse 2 weist Anschläge 8 auf, die die seitliche Bewegung des Kolbens 5, hervorgerufen durch den Druck der Feder 3, begrenzen und die die vorgenannte Bezugsstellung bilden. Der Teil des Gehäuses 2, der un­ mittelbar dem zu prüfenden Material 1 gegenüberliegt, ist derart verbreitert, daß dieser eine Art Trichter 2 a bildet, an dessen Ende ein ringförmiger Kraftaufnehmer 9 angeordnet ist. Der Kraftaufnehmer 9 bildet einen Kreis­ ring, in dessen Mitte der Fühlstift 6 angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Druckaufnehmer 9 ein Aufnehmer vom Typ "ELF-1000", der von der Firma "ENTRAN DEVICES INC." hergestellt wird. Dieser Kraftaufnehmer wird durch eine Wheastonsche Brücke gebildet, deren beide Zweige Membra­ nen aufweisen, die eine Halbleiteranordnung oder einen Halbleitersatz abdecken. Der Kraftaufnehmer 9 wird mit einem Wechselstrom mit einer Frequenz von 1 kHz mittels eines Oszillators 10 gespeist. Dieser Kraftaufnehmer 9 gibt an seinem Ausgang eine Wechselstromspannung von gleicher Frequenz wie die Speisespannung ab und die ma­ ximale Spannung dieses Wechselstromausgangs ist proportio­ nal zum Auflagedruck der Vorrichtung auf dem Material 1. In Fig. 3 ist in der ersten Zeile die Veränderung des Auf­ lagedruckes P der Vorrichtung als Funktion der Zeit darge­ stellt, wenn man die Vorrichtung auf das zu prüfende Material aufbringt, und in der zweiten Zeile sind die Änderungen der Ausgangsspannung des Kraftaufnehmers 9 (nach Verstär­ kung) dargestellt.
Fig. 2 ist eine Übersichtsdarstellung der elektronischen Schaltung, die der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zu­ geordnet ist. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist der bewegliche Teil der Meßvorrichtung und ist einem festen Teil zugeordnet, der einen Ausgang hat, welcher von einem Digitalvoltmeter 11 gebildet wird. In Fig. 2 symbolisiert die gestrichelte Linie 12 die Trennung zwischen dem festen Teil der Meßvorrichtung, der rechts von dieser Linie 12 angeordnet ist und dem beweglichen Teil, der links von dieser Linie angeordnet ist und in Fig. 1 dargestellt ist. Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist mit dem festen Teil der Meßvorrichtung über elektrische Leitungen ver­ bunden, welche zur Speisung der beiden Aufnehmer dienen und welche die Ausgangssignale übertragen, die von den beiden Aufnehmern 7 und 9 abgegeben werden.
Das Ausgangssignal des Kraftaufnehmers 9 wird einem Se­ lektivverstärker 13 für die Frequenz von 1 kHz zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 13 ist eine lineare Funktion des Auflagedruckes des Aufnehmers 9 auf dem zu prüfenden Material 1. In der zweiten Linie der Fig. 3 werden die Veränderungen der Spannung V A am Punkt A am Ausgang des Verstärkers 13 dargestellt. Die Spannung V A wird einer Triggerschaltung 14 zugeführt, die am Ausgang ein Signal V P mit konstanter Amplitude und mit der Frequenz von 1 kHz abgibt, sobald die Eingangsspannung V T die obere Schwelle U₀ der Triggerschaltung 14 erreicht. Dieses Ausgangssignal wird während der Zeit aufrechterhalten, in der die Ein­ gangsspannung V A oberhalb der unteren Schwelle U 1 der Triggerschaltung 14 bleibt. In der dritten Linie der Fig. 3 ist das Ausgangssignal V T der Triggerschaltung 14 dar­ gestellt.
Die Spannung V T wird dem Eingang eines monostabilen Vibra­ tors 15 zugeführt, dessen Ausgangsspannung V S in der vierten Zeile der Fig. 3 dargestellt ist. Die Spannung V S nimmt einen hohen Wert an der aufsteigenden oder senk­ rechten Flanke der Spannung V T an, und dieser Wert wird aufrechterhalten, während das Signal V T vorhanden ist und auch noch während einer Verzögerungszeit t 1 nach dem Ende des Signals V T .
Die Ausgangsspannung V S des monostabilen Vibrators 15 wird einer Torschaltung 16 zugeführt, die aus einem Feldeffekttransistor besteht, der von der Spannung V D gespeist wird, die vom Wegaufnehmer 7 zugeführt wird. In der fünften Linie der Fig. 3 sind die Spannungs­ änderungen der Spannung dargestellt, die vom Aufnehmer 7 zugeführt wird. Wenn der monostabile Vibrator 15 kein Signal abgibt, so ist der Transistor, der die Torschal­ tung 16 bildet, leitend und die Speisespannung V D des Transistors lädt einen Kondensator auf, der die Speicher­ schaltung 17 bildet. In der sechsten Zeile der Fig. 3 ist die Spannung V M am Ausgang der Speicherschaltung 17 dar­ gestellt. In dem Augenblick, in dem die aufsteigende oder senkrechte Flanke des Signals V S gebildet wird, das vom monostabilen Multivibrator 15 zugeführt wird, ist die Spannung, die vom Aufnehmer 7 zugeführt wird, V₀ und die­ se Spannung tritt am Ausgang der Speicherschaltung 17 auf. Die aufsteigende oder senkrechte Flanke des Signals V S blockiert den Transistor der Torschaltung 16, und die Spannung V M bleibt danach konstant bei einer geringen Entladung des Kondensators, der die Speicherschaltung 17 bildet. Im Augenblick der Sperrung der Transistors ent­ stehen parasitäre Schwingungen der Spannung V M , die der­ art sind, daß es zweckmäßig ist, den Wert dieser Spannung zur Anzeige am Digitalvoltmeter 11 nach Zeitverzögerung t O gegenüber dem Augenblick aufzunehmen, der der Sperrung des Transistors entspricht, welcher die Torschaltung 16 bildet. Das Digitalvoltmeter 11 zählt mit einer Frequenz, die von einem eingebauten Taktgeber bestimmt wird, und die Verzögerung t O kann so gewählt werden, daß sie gleich zwei Zählperioden des Voltmeters ist.
Um den Zählerstand des Digitalvoltmeters in dem Augen­ blick zu blockieren, in dem die Torschaltung 16 blockiert wird, und zwar mit der Verzögerung t O , verwendet man das Signal V S , welches vom monostabilen Multivibrator 15 abgegeben wird. Dieses Signal steuert einen Verzögerungs­ kreis 18, der seinerseits einen bistabilen Multivibrator 19 steuert. In der letzten Zeile der Fig. 3 ist die Aus­ gangsspannung V B des bistabilen Multivibrators 19 darge­ stellt. Die senkrechte Flanke des Signals V B folgt mit der Verzögerung t O der senkrechten Flanke des Signals V S , d. h. dem Augenblick der Sperrung der Torschaltung 16. Wenn das Signal V B einen hohen Wert annimmt, wird das Di­ gitalvoltmeter 11 bei der letzten durchgeführten Zählung gesperrt. Das Digitalvoltmeter 11 kann lediglich dann ent­ sperrt werden, wenn der bistabile Multivibrator 19 auf Null manuell zurückgestellt ist. Das Digitalvoltmeter 11 wird daher bei dem Wert der Spannung V M gesperrt, der um t O hinter dem Augenblick der Sperrung der Torschaltung 16 liegt. Die Verzögerung t O ist gering, und der Kondensator der Schaltung 17 hat keine Zeit, sich wesentlich zu ent­ laden, und deshalb ist die Spannung praktisch gleich der Spannung V₀, die am Ausgang des Wegaufnehmers 7 in dem Augenblick auftritt, in dem man den Druck P O am Kraftaufnehmer 9 erreicht.
Wenn man die erfindungsgemäße Vorrichtung einsetzt, so ist zu erkennen, daß die Messungen der Festigkeit oder der Zähigkeit eines relativ weichen Materials, bei­ spielsweise der weiblichen Brust, Werte ergeben, die reproduzierbar sind. Ferner sind die Abmessungen der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung gering gehalten, dies ermöglicht, die Änderungen der Festigkeit in verschiedenen Bereichen des gleichen Mate­ rials dadurch zu untersuchen, daß manuell dieses Gerät auf dem Material verschoben wird. Die Anwendung dieser Vorrichtung ist außerordentlich einfach. Nachdem das Digi­ talvoltmeter 11 dadurch entsperrt wurde, daß der bista­ bile Multivibrator 19 auf Null zurückgesetzt wurde, ist es lediglich erforderlich, fortschreitend die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung auf das zu prüfende Material zu drücken und am Voltmeter 11 den Wert in dem Moment abzu­ lesen, in dem man den Meßdruck P O erreicht.
Der Aufbau der Vorrichtung ist außeror­ dentlich einfach. Diese Vorrichtung kann leicht und billig hergestellt werden.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur reproduzierbaren Messung der Festigkeit von Körperoberflächenbereichen am Menschen,
wobei die Vorrichtung einen in seiner Achs­ richtung verschiebbaren Fühlstift (6),
einen Wegaufnehmer (7) zur Messung der Verschiebung des Fühlstiftes (6),
Beaufschlagungsmittel (3), um eine vorbestimmte Kraft auf den Fühlstift (6) in seiner Verschiebungs­ richtung aufzubringen, sowie
einen Kraftaufnehmer (9) zur Messung des Auflagedrucks aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
daß Kraftaufnehmer (9) zwischen dem zu messenden Körperoberflächenbereich (1) und einem Gehäuse (2, 2 a) der Vorrichtung angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der vom Kraftaufnehmer (9) ermittelte Meßwert mit einem vorgegebenen Schwellenwert P O verglichen wird und
daß bei Erreichen dieses Schwellenwerts P O die vom Wegaufnehmer (7) gemessene Verschiebung festgehalten wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beaufschlagungsmittel eine Feder (3) sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (9) ringförmig und symmetrisch um die Achse des Fühlstiftes (6) und des Wegaufnehmers (7) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wegaufnehmer (7) einen Gleich- oder Wechselstrom abgibt, dessen Spannungsamplitude im wesent­ lichen proportional zur Verschiebung des Fühlstiftes (6) ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (9) Gleich- oder Wechselstrom abgibt, dessen Spannungsampli­ tude im wesentlichen proportional zum Auflagedruck der Vorrichtung auf dem zu messenden Körperoberflächenbereich (1) ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (9) mit einem niederfrequenten Wechselstrom gespeist wird und eine Wheastonesche Brücke darstellt, dessen beide Zweige druckempfindliche Elemente sind.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftaufnehmer (9) eine Triggerschaltung (14) speist, die den Durchgang der vom Kraftaufnehmer (9) zugeführten Spannung für einen vor­ bestimmten Wert festlegt, der einem Druck P O entspricht und daß diese Triggerschaltung (14) einen monostabilen Multivibrator (15) auslöst, wobei die senkrechte Flanke des von diesem abgegebenen Signals die Speicherung der Spannung hervorruft, die vom Wegaufnehmer (7) abgegeben wird.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Wegaufnehmer (7) abgegebene Spannung in den Augenblicken gespeichert wird, die von der Trigger­ schaltung (14) bestimmt werden.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Wegaufnehmer (7) abgegebene Spannung mit einem Digitalvoltmeter (11) angezeigt wird.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Triggerschaltung (14) ausgelöste monostabile Multivibrator (15) die Eingabe der gemessenen Spannung in das Voltmeter (11) mit einer vorbestimmten Verzögerung steuert, insbeson­ dere unter Zwischenschaltung eines bistabilen Multi­ vibrators.
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