【《牙菌斑检测仪结构设计案例》5500字】

牙菌斑检测仪结构设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u26647牙菌斑检测仪结构设计案例 1235681.1牙菌斑检测仪工作原理及组成 135451.2牙菌斑检测仪外壳结构设计 2147371.3牙菌斑检测仪内部结构设计 5298601.3.1内部元件及其作用 6175141.3.2元件所需工作空间 7243321.3.3内部结构布局 726791.3.4内部元件固定 1027361.4本章小结 111.1牙菌斑检测仪工作原理及组成牙菌斑检测仪的功能为检测牙齿中是否含有牙菌斑；形成的牙菌斑在显微镜下可以进行仔细观察,牙菌斑主要由几个具有大小粗糙不等的被覆细菌基质或者是细菌获得活性膜的多种原生细菌群和几个团块共同混合组成,成熟的原生牙菌斑由内至外一般而言可以仔细划分大致为三层:其膜基底层认为是形成牙菌斑中最靠近人体牙面的一层,为一个无任何原生细胞的均质细菌结构,HE染色为红色,厚度范围一般为0.1至1.0μm,实际上这些都认为是细菌获得的活性膜,可以明显看出少量的原生细菌结构会直接粘附于其它的表面或者一些连接体会黏附在一些釉质的表面;中间层认为是形成牙菌斑的主要细胞组成结构部分,主要物质是由一些排列结构形式为类似栅栏状细菌结构的各种原生细菌所混合组成,栅栏状的细菌结构则认为是形成牙菌斑的基本结构。该病菌的表层组织是一种牙菌斑组织形成的最外层,结构松散,可以清晰看到谷穗样的网状结构或者看到试管刷样的网状结构。研究者的结果表明,当光照射到某种化学物质上,光子就会击穿到这些物质分子,大约电子会在10到15秒内被这些分子基态吸收,原来这些分子处于基态的物质电子被强光激发释放出来的并达到较高的分子热力学反应能级。此后,激发态的其他分子经过内部电子能量相互转换的振动过程把部分激发电子的外部能量转移到周围的其他分子,使较高处于激发态的部分电子很快又重新返回转移到处于激发态最低态和振动态的能量级上（亦称第一单线态）。处在第一单线态的分子的平均寿命是10^（-8）秒左右。如果这种分子通过发射出相应的光子而回到基态的各个不同的振动能级，即可产生荧光，该技术称为荧光技术[14]。而牙菌斑会在特定波段紫光照射下发出红色荧光，一般认为是由厌氧牙菌斑中细菌的代谢产物中的卟啉化合物产生的[15],利用高分子滤光片就可以看见牙齿表面的牙菌斑，该方法已经被用于不使用显示剂下的牙菌斑检测[16]。因此在设计检测仪时可以利荧光技术对牙菌斑进行检测。由于目前牙齿上的组织和其他牙菌斑之间的自体荧光光谱之间仍然存在着很强的荧光差异性,在405nm光的激发光谱和照射的相互作用下,牙齿上的组织和其他牙菌斑均仍然可以发现具有等分子体相对荧光光谱效应,且其对自体荧光光谱之间仍然存在着较大的荧光差异性。牙齿粘膜组织中牙菌斑被激所产生的荧光光谱主要发散分布在红或蓝绿荧光波段,菌斑被激分解后所产生的红色荧色光谱主要是发散分布在蓝或红色荧光波段,其主要原因是由于在刷牙菌斑内部的放线菌、拟杆菌等原生菌群经过被激而结合产生的诸如卟啉类有机化合物等物质自体形成荧光基底物团[17],采用紫光照射加滤光片，可以清晰看见红色部分为牙菌斑。利用此现象可以非常方便的对牙菌斑进行检测[18]。本文所设计的牙菌斑检测仪最终由电路和光学两部分组成；其中光学部分包含了光学透镜以及紫色荧光组件。1.2牙菌斑检测仪外壳结构设计产品设计无疑是一门综合性学科，同时也是一门艺术。好的产品设计决定了该产品是否能够畅销市场。在产品设计中，外壳设计是至关重要的；在设计外形时，外形的基本形态一般包括两大类：几何形态和有机形态。其中几何形态包括长方体、正方体、圆柱体、圆锥体、球体、棱柱、棱锥、棱台、圆台、多面体等，有机形态包括流线型、生物仿生型、自由曲面型等。在产品外观造型中，有这样一种外观，圆柱体设计，在生活中也是十分常见的一种外观设计；研究表明，由于对人们整体视觉效果的影响,圆柱体比立方柱让整个人整体看起来更加舒适,给予了一种比较温柔的视觉感受,现在已经越来越充分地将其体现并用在了一些大型建筑上,反观了众多的历史名胜古迹,圆柱体也现在可以说已经是最为容易受到人们青睐的一种新型建筑设计形式。圆柱体设计的物体在生活中出现的频率也很高，不仅因为圆柱体没有棱角，安全性好，稳定性较强，另一个很好的优势就是由于圆柱体本身整体摩擦阻力系数小,所以也不易被破坏,使得产品寿命更长,同时由于圆柱体的设计也使得单体自身动力学性能好,与正方形产品相比,封闭式的圆柱体,近似的尺寸下,可以达到最高的弯曲强度。因此在对牙菌斑检测仪进行外壳设计时，基于简洁便携的设计原理，本文决定采用仿电动牙刷的外型，如图1.1。将该牙菌斑检测仪设计为圆柱体结构，圆柱体不仅可以节省材料，把牙菌斑检测仪设计成圆柱体还可以还使它的体积扩大；整个牙菌斑检测仪的外壳设计也分为两部分，为由两个上窄下宽的圆柱体拼接在一起，上端半径小的圆柱设计为光学部分，下端半径较大的圆柱体设计为电路部分；在使用时圆柱体能使检测者更方便手握，并且使检测仪便于携带；同时，圆柱体的设计也能让整体外形看起来更加流畅，美观。图1.1牙菌斑检测仪初步外形构想图最终设计的牙菌斑检测仪外壳的尺寸为：上端光学部分的尺寸约为：直径8mm高26mm，下端电路部分的尺寸约为：直径35mm高110mm。在软件上建模后如图1.2。图1.2牙菌斑检测仪初步外壳设计图由于牙菌斑检测仪在使用时，被测者需要将检测仪的头部也就是紫色荧光组件照射的部分深入到口腔中对牙齿进行照射，因此在设计头部时，本文决定将外壳上端，也就是深入嘴中的部分的棱角设计全部都改为圆角设计，这样在使用时就能有效的避免被测者被牙菌斑检测仪划伤口腔内部的情况。在软件上对牙菌斑检测仪的建模顶端部分的棱角进行修改为圆角后如图1.3所示。图1.3牙菌斑检测仪的圆角设计图在设计牙菌斑检测仪的开关时，秉着符合人们平时使用习惯的原则，该设计决定把牙菌斑检测仪的开关设置在外壳中间偏上的位置如图1.4，这样方便被测者在使用牙菌斑检测仪深入口腔探测的同时，被测者还能轻松的按下开关对牙齿进行拍照。图1.4牙菌斑检测仪的开关设计图最后在设计充电接口时，为了使整个电路的连接顺畅并且不繁琐，以及在使用时方便，不妨碍和限制牙菌斑检测仪的使用，本文决定把充电接口的空间设置在整个仪器外壳的底部如图1.5；在牙菌斑检测仪的底部的圆心位置留出一个接口大小的空间，在对牙菌斑检测仪内部元件结构设计的时候，通过这个孔来连接电源。图1.5牙菌斑检测仪电源孔设计图在设计的牙菌斑检测仪壳体内部的底端设计电路板的底座，并预留了电路板中电线穿过底座与充电线相连接的空间如图1.6所示。底座的设计能够使电路板在所设计的牙菌斑检测仪的外壳中拥有更加稳定的结构，同时也让电路板与充电线相连接的电线只能在所设计的通道孔中活动，在一定程度上保护了电路。减少了电线因为活动空间过大，电线拉扯等可能导致的松断问题，从而增加了电线的使用寿命。图1.6牙菌斑检测仪电路板底座图1.3牙菌斑检测仪内部结构设计1.3.1内部元件及其作用本文最终根据牙菌斑会发生荧光效应来设计牙菌斑检测仪；光学部分主要为光学透镜和滤光片，牙齿在受到荧光照射后，激发光通过光孔和整个光路最终照射到CMOS图像传感器上，由图像传感器接收图像。荧光部分使用能发出紫色荧光的LED光源，照射在牙齿上时，若牙齿上若具有牙菌斑，那么牙齿上的牙菌斑吸收紫色荧光LED光源所发出的紫外荧光后，会散发出波长为600～700nm的偏红色的紫外荧光。CMOS图像传感器的任务主要是负责图像采集以及图像传输。CMOS传感器侦测所述牙齿在紫外荧光照射下发出的颜色，通过不同颜色来后端处理，最后得到一张标定牙菌斑后的照片。最终通过牙菌斑检测仪连接的手机或电脑上观测图片，从而判断照射的牙齿上是否有牙菌斑。电路部分由三块电路板组成，其中两块小电路板负责连接CMOS相机和大电路板，大电路板连接小电路板，开关和usb-c接口，负责通过开关控制拍照，连接小电路板传输数据，以及通过usb-c接口连接电源给整个牙菌斑检测仪通电，是至关重要的一个元件，也是整个电路部分的核心。本文所设计的牙菌斑检测仪为手机或者电脑供电。在使用时通过usb接口，用数据线一端连接牙菌斑检测仪另一端连接手机或者电脑，电脑和手机在供电的同时，还作为牙菌斑检测仪的终端，最终获得的图像也会由手机或电脑收到。在设计电源接口时，通过查资料对不同种类的电源接口进行了比较和了解，发现现在常用的电源接口有USBTYPY-A,USBTYPE-C,USB-micro等，经过了解type-a接口的应用十分广泛，很多电脑手机等电子设备都在使用这个接口，可以说非常的普及，兼容性非常的高；type-c接口最大特点是支持USB接口双面插入，如今也被很多用户广泛使用，它们的双面都能使用，传输速度可以达到10gps，但不是什么电脑产品都能使用这个接口的，有些电子设备就是用的这个数据线进行连接充电，传输数据的；micro接口最常见的就是安卓手机的使用，分为很多型号，安卓手机的数据线就是micro的a型号，安卓手机都是用这一类型的接口。经过对比，本文最终决定在设计牙菌斑检测仪时，使用type-c接口。Type-c接口的优点是：1、超薄，老式USB端口长14mm*6.5mm，而USB-C只有8.4mm*1.6mm。2、不分正反面，与Lightning接口一样，不论正插反查都不会有问题，号称可承受1万次反复插拔。3、传输速度快USB-C端口的最高传输速率为每秒10Gb，比USB3.0快不少。4、双向传输，不像老款USB端口，功率只能单向传输，USB-C型端口的功率传输是双向的，这意味着它可以拥有两种发送功率方式。5、供电能力强，配备Type-C连接器的标准规格连接线可通过3A电流，同时还支持超出现有USB供电能力的“USBPD”，可以提供最大100W的电力。因此，本文最终决定使用type-c接口为该牙菌斑检测仪供电插口。牙菌斑检测仪共设有一个开关，也是该牙菌斑检测仪的总开关。开关连接了大电路板，它的目标为CMOS图像传感器，开关控制了CMOS图像传感器进行拍摄照片这一动作，在连接电源的情况下，每当按下开关，CMOS相机就会进行拍照，使得整个牙菌斑检测仪在使用起来十分简单，大人和小孩都可以轻松上手。1.3.2元件所需工作空间光学部分的透镜和滤光片设计在在一个直径8mm高26mm的光学套筒里，在光学套筒的下方连接CMOS图像传感器。CMOS图像传感器的预留尺寸是长15mm宽10mm厚3mm。电路部分两块小的电路板所预留空间的尺寸是：长32mm宽25mm厚10mm；一块大电路板预留空间的尺寸是：长66mm宽19mm厚10mm。光源部分的紫色荧光LED发光组件为贴片，设计贴在光孔的四周有，因此所需的内部空间可以忽略不计。1.3.3内部结构布局本文设计的牙菌斑检测仪上边部分的工作原理如图1.7所示，紫色荧光组件照射牙齿后，激发光进入光孔经过三棱镜反射，穿过透镜组以及滤光片后，到达CMOS图像传感器，被传感器所接收。因此在设计内部结构时需要把CMOS图像传感器设计在光学部分的下方，CMOS图像传感器接才能正确的接收到图像，从而使牙菌斑检测仪正常工作。在软件上对透镜组以及CMOS图像处理器进行建模后如图1.8所示。图1.7牙菌斑检测仪光路部分结构设计图图1.8透镜组和相机建模图由于本文设计的牙菌斑检测仪的理念之一是简易便携方便使用，为了使设计的牙菌斑检测仪在规定的尺寸之内，每一个元件在选择时都应该更加节省空间，本文挑选发出紫色荧光的LED光源时决定选用LED贴片，一共使用五个LED贴片在光孔周围如图1.9所示。采用嵌入式，能在使用时能全方面的对牙齿进行照射，同时也不占用内部空间。图1.9LED贴片图在设计电路板时，本文所设计的牙菌斑检测仪一共需要三块电路板，为了减少电路板所占的空间，最终将电路板设计为：两块体积小的电路板采用并联方式然后与剩下一块体积小的进行串联的方式进行连接。三块电路板的布局为，体积小的两块电路板与CMOS图像传感器相连接，所以设计在电路部分的上端，体积大的单块电路板设计在电路部分的下端，上端两块电路板与下端单块电路板相邻的两个面呈垂直摆放。在软件上建模后如图1.10所示。图1.10牙菌斑检测仪电路板布局图下端的电路板与底部在设计外壳时，为电路板所预留的底座相连接。在软件上装配好的图如图1.11所示。图1.11电路板与底座的装配图数据线接口设计在整个牙菌斑检测仪的底部，连接在外壳结构设计时所预留的type-c充电孔，同时和底部的大电路板的底座相连。1.3.4内部元件固定在光学中，设计透镜等光学仪器时，常常使用光学套筒。套筒一般运用于光学模具及模仁的组合上，主要适用于生产高阶手机镜头、车载镜头、及光学镜片等重要核心零组件；本文在设计牙菌斑检测仪时，光学部分的光学透镜以及滤光片借助了光学套筒，将光学部分的元件放入其中。紫外荧光发光组件采用嵌入式的方法，嵌入到光孔周围。由于电路板相互直接不能接触否