生物組織電阻率介電常數實驗儀的製作方法

2023-08-05 05:08:16

專利名稱：生物組織電阻率介電常數實驗儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種實驗儀器，尤其指一種生物組織電阻率介電常數實驗儀。
技術背景
國內大學的普通物理實驗或大學物理實驗中，都包含交流電橋或惠斯登電橋的實驗項目，它是利用電橋的四個橋臂滿足平衡條件時，測出精確的被測物體的電阻或電容等物理量。對於上述兩個實驗項目，現有技術中的實驗過程都是測量電阻器或電容器、電感器等非生物物體。由於生命科學是當今和以後世界研究的一個熱點領域，使得近幾年許多高校新上生物物理學或相關的專業，其中很重要的一個研究領域就是生物組織(動物和植物) 的電參數研究。即便不是生物物理類專業的大學生，如果在做大學物理實驗時由測量無生命的物體改測有生命的物體，也會激發學生橫向思維意識和創新意識，甚至產生學科交叉類的科研成果。但在高校中現有技術中的此類實驗儀器，無法滿足要求，無法測量生物組織的電阻率和相對介電常數(以下簡稱介電常數)。發明內容
本發明的目的是提供一種可精確測量生物組織的電阻率以及介電常數的實驗儀器，它使用方便、結構巧妙，並且原有的實驗過程仍保留著。
為了實現上述目的，本發明包含一個電橋，電橋的一個檢測輸入端與左固定軸 (17)相連，電橋的另一個檢測輸入端與右固定軸(11)相連，左金屬板(13)與左固定軸(17) 相接並安裝在動板(15)的右側面，右金屬板(10)與右固定軸(11)相接並安裝在靜板(4)的左側面，靜板(4)與底板(3)相互固定，動板(15)的凹槽內安裝有轉動圓片(21)，轉動圓片 (21)與轉軸(6)用螺絲(22)相互緊固，檔板(19)通過螺絲(20)緊固在動板(15)的凹槽外面，轉軸(6)和動尺筒(8)固定在一起，轉軸(6)穿過測量架(5)的帶螺紋孔，轉軸(6)與測量架(5)的接觸區域帶有相互咬合的螺紋，測量架(5)與底板(3)相互固定，靜尺筒(7)的右端固定在測量架(5)上，靜尺筒(7)的左端插入動尺筒(8)內且兩者可活動式吻合，靜尺筒(7)和動尺筒(8)都帶有刻度。
為了方便測量不同的生物體，左金屬板(13)與右金屬板(10)有可更換的多個不同尺寸和形狀的。
為了測量精確，減小靜板(4)受力產生的附加位移，靜板(4)和底板(3)的右側還帶有加固板(2)。
為了方便、精確地獲得待測生物體(16)的面積尺寸，左金屬板(13)或右金屬板 (10)的四周邊緣安裝有切刀。為了方便放置待測生物體(16)在右金屬板(10)上而不會滑下來而豎放本裝置，還在靜板(4 )的上端右側面安裝有豎放支腳(18 )。
為了消除測量電容時的邊緣效應，提高測量精度，在右金屬板(10)的外沿帶有矯正電極(25)，右金屬板(10)與矯正電極(25)之間為一體化的，右金屬板(10)與矯正電極 (25)之間帶有間隙，矯正電極(25)與底部金屬網(23)通過接插件相連，屏蔽盒(24)扣放在底部金屬網(23)上。為了可看清內部情況，屏蔽盒(24)是由金屬網構成。
由於本發明把電橋的兩個檢測輸入端分別通過左固定軸和右固軸與左金屬板以及右金屬板相連，待測生物體置於左金屬板以及右金屬板之間並夾緊，左金屬板或右金屬板與待測生物體的接觸面積相等，保證了利用電橋測量待測生物體的電阻率和介電常數。 並且由於靜板與底板相互固定，轉軸和動尺筒固定在一起，轉軸穿過測量架的螺紋孔，轉軸與測量架的接觸區域帶有相互咬合的螺紋，測量架與底板相互固定，靜尺筒的右端固定在測量架上，靜尺筒的左端插入動尺筒內，靜尺筒和動尺筒都帶有刻度，再加上轉軸與動板之間的轉動獨立但平動同步結構，就使得本發明可方便、快速、精確地測量待測生物體的測量厚度，從而方便、快速、精確地測量待測生物體的電阻率以及介電常數。左金屬板或右金屬板的四周邊緣帶有切刀，在左金屬板與右金屬板相互靠近的過程中，可自動切割待測生物體的邊緣，使其面積恰好等於左金屬板或右金屬板的面積，省去了切割待測生物體邊沿的麻煩，且獲得的待測生物體面積精確。由於左金屬板或右金屬板通過左、右固定軸與動板或靜板可拆式安裝，可更換不同形狀或尺寸的左金屬板及右金屬板，方便了測量各種不同的生物體。靜板的上端右側面安裝的豎放支腳，更方便了安裝測量。防止測電容時的邊緣效應設置的結構，保證了當待測生物體厚度不相對其面積很薄的情況下，進一步提高了測量介電常數的精度。
本發明可把傳統的單一的物理實驗改造成物理與生物交叉的實驗項目，十分有利於大學生橫向思維和創新意識的培養；生物組織的電阻率及介電常數攜帶了生物體的生物信息，本發明對醫學、農學、生物學等領域也有重要研究及應用價值。


圖1是本發明的結構原理示意圖。
圖2是本發明的轉軸與動板的連接關係結構原理圖。
圖3是本發明的實施例2的結構原理示意圖。
圖4是本發明的矯正電極與右金屬板的組合關係示意圖。
具體實施方式
圖1實際是本發明的縱切面圖，垂直於紙面方向是立體的。底板3上面固定測量架5以及靜板4，測量架5與靜板4之間隔開距離，轉軸6穿過測量架5上端的帶螺紋圓孔， 與動板15以及動尺筒8相互固定在一起。轉軸6的表面與測量架5的接觸區域帶有相互咬合的螺紋，轉軸6可以在動尺筒內轉動，搖柄9安裝在動尺筒8的外沿，通過搖柄9搖動動尺筒8，可使轉軸6轉動及水平移動。測量架5與靜尺筒7緊固在一起，並且動尺筒8尺寸吻合地套合在靜尺筒7上(兩者之間可以相互轉動和平動但不會發生垂直於轉軸方向的晃動)。靜尺筒7的表面帶有水平方向的毫米刻度(分度為0. 5毫米)，動尺筒8的右端表面一圈都帶有圓周方向的刻度(分度為1/50毫米)，使得轉軸6的水平移動距離的0. 5毫米及以上從靜尺筒7上讀數，0. 5毫米以下從動尺筒7上讀數(動尺筒8轉一圈使得轉軸6水平移動0. 5毫米)，兩者數據相加就是轉軸6的總的水平移動距離。這就確保了轉軸6水平移動的位移距離測量精度很高。
左金屬板13與左固定軸17為緊固在一起的金屬件。左金屬板13上的左固定軸17 (也可帶有2-3個左固定軸)穿過動板15，使得左金屬板13貼在了動板15上，左緊固件 14起緊固作用，不用也可以。右金屬板10與右固定軸11為緊固在一起的金屬件。右金屬板10上帶的右固定軸11 (也可帶有2-3個右固定軸)穿過靜板4上的圓孔，使得右金屬板 10緊貼在靜板4上。右緊固件(不用也可)12擰在右固定軸11上。為了使靜板4受到向右的力但不發生向右移動，在靜板4的右側面和底板3右端的上表面還固定有三角形的加固板2，如果這三者都為塑料材料，可一次注塑成一體的結構。電橋1的兩個檢測輸入端子通過導線分別與左固定軸、右固定軸相連，這樣就把電橋1的兩個檢測輸入端子分別與左金屬板13、右金屬板10連接起來了。左金屬板13、右金屬板10的大小形狀相同。左金屬板13、右金屬板10相當於平板電容的兩個平板電極。 待測生物體16就置於左金屬板13和右金屬板10之間。按物理學原理，測量要求待測生物體16的面積和形狀必須與左金屬板13或右金屬板10相同。為了方便達到該目的，還可以在左金屬板13或右金屬板10的四個邊緣安裝四個非金屬切刀，或者安裝可以拆下的金屬切刀。比如在左金屬板13或右金屬板10的四個側面上分別安裝四個切刀，安裝方式為用緊固螺絲把切刀安裝在側面上，四個切刀的長度等於左金屬板13的一個邊的長度，寬度以接近左金屬板13和右金屬板10以及待測生物體16之間的總厚度為宜。也可把切刀製成方框型套在左金屬板13上，切完後可方便地取下再測量，方框型切刀的四個邊長應略大於金屬板13的邊長。為了便於測量不同大小和形狀的生物體，左金屬板13和右金屬板10可有多個不同尺寸和形狀的(可以有圓形的)。配套切刀也應一併配套提供。在實驗過程的最初安裝階段，為了便於把待測生物體16放在右金屬板10上而不滑下來，可在靜板4的上方右側，安裝一個豎放支腳18。豎放支腳18為柱狀的或板狀的， 其長度等於底板3右端的靜板4的右側部分。把圖1順時針轉動90度(電橋不必轉)就達到豎放狀態了，就使得待測生物體16平放在右金屬板10上而不滑下來，便於後續的實驗操作。上述的底板3、測量架5、靜板4、加固板2、豎放支腳18可以是用硬質塑料一體化注塑而成。動板15和靜板4則必須是硬質的非金屬材料製造(比如硬質塑料等)。動尺筒 8、轉軸6、搖柄9可用金屬製造。為便於安裝，測量架5上的帶螺紋圓孔可用上下兩塊半圓對在一起再用螺絲緊固的結構。當只測量待測生物體16的電阻率時，電橋1可以用惠斯登電橋，當要測量待測生物體16的電阻率及介電常數時，電橋1要用交流電橋或萬用電橋。本發明把惠斯登電橋和交流電橋統稱電橋。在圖2中，轉軸6的右端通過螺絲22與轉動圓片21緊固在一起，並伸入動板15的凹槽內，然後用中心帶圓孔的圓片或方片形檔板(途中灰色的部分為一體的，為便於安裝， 上下兩片對接成一個檔板19也行)蓋上，再擰上螺絲20，就可以使轉軸6和轉動圓片21 — 起同步轉動而動板15不轉動只平動(即轉軸6與動板15之間的轉動獨立而平動同步)。這就保證了實驗過程對動板15隻平動不轉動的需求。其中轉動圓片21和檔板19可用金屬或耐磨硬質塑料製造。為了防止轉軸6與轉動圓片21之間發生相互轉動，可在兩者的接觸面製造一些凹凸交錯的結構。轉動圓片21的中心區域還帶有凹陷部分，以便於螺絲22安裝後不會影響轉動圓片21與動板15的接觸。
按物理學原理可知，當待測生物體16的厚度不能遠小於其面積(或左金屬板13或右金屬板10的面積)時，將有明顯的邊緣效應，電力線不再是垂直於左金屬板13或右金屬板10，而是跑到了兩者夾擠的區域之外，這將給測量帶來誤差。為了消除測量電容時的邊緣效應，提高測量精度，在圖3中，在右金屬板10的外沿帶有(或稱外沿一周包圍著)矯正電極 25，右金屬板10與矯正電極25之間帶有間隙(間隙越小越好，但不能電連接)，右金屬板10 與矯正電極25之間為一體化的(兩者可用絕緣膠粘接的方式，或者用覆銅單面環氧電路板一次腐蝕而成)矯正電極25上面電連接著導線，導線的另一端連接著小夾子或其他類型的接插件可以與其他導體臨時連接(在測量電容時可與底部金屬網23連接；在測電阻率時與右固定軸11連接，以復原右金屬板10加上矯正電極25為一體電連接且總面積尺寸等於左金屬板13的測電阻率需求)。矯正電極25與底部金屬網(也可用金屬箔片)23通過接插件相連，屏蔽盒M扣放在底部金屬網23上。為了可看清內部情況，屏蔽盒M是由金屬網(也可用金屬箔片)構成，其下為開口形狀。屏蔽盒M的尺寸以正好扣在動板15、靜板4、豎放支腳18上為宜。底部金屬網23的面積略大於屏蔽盒M的開口，使得兩者扣合後自動電連接成封閉的屏蔽腔。本發明的使用過程簡要敘述如下把本發明的除電橋1以外的整體部分豎放，將待測生物體16切成片狀，選擇與其欲測面積小點的左金屬板13 (用帶切刀的)和右金屬板 10，分別安裝在動板15和靜板4上，把待測生物體16放在右金屬板10上並使兩者中心基本重合，搖動搖柄9使左金屬板13和右金屬板10相互靠近，待左金屬板13和右金屬板10 夾住待測生物體16後再平放。由於在左金屬板13和右金屬板10相互靠近的過程中，左金屬板13上安裝的切刀就自動把待測生物體16的邊沿切的與右金屬板10邊沿相同尺寸，這就不必再用刀子切割待測生物體16的邊沿了，並且切的直和精確。然後把切刀卸下來(如切刀為非金屬材料的可不必卸)。通過靜尺筒7和動尺筒8上的刻度就可把待測生物體16 的厚度d精確讀出(左金屬板13和右金屬板10相對面貼在一起時和不貼在一起的讀數差即為待測生物體16的厚度)。測出(或事先給出)左金屬板13或右金屬板10的邊沿長度， 就可算出其面積S。再把電橋1的兩個檢測輸入端子通過導線分別與左固定軸、右固定軸相連，把電橋調平衡就可以測出待測生物體16的電阻值R，那麼就可測出待測生物體16的電阻率P =RS/d ；如果要測量待測生物體16的介電常數(實為相對介電常數)，可用交流電橋或萬用電橋的交流電橋功能分別測出左金屬板13和右金屬板10之間有待測生物體16情況下的電容量C，並根據待測生物體16的厚度d和面積S，並計算出同樣條件下在真空條件下的電容量，就可計算出待測生物體16的介電常數。也可再測出左金屬板13和右金屬板 10之間同樣間隔下的空氣介質電容量Ctl，則待測生物體16的介電常數ε =C/ C。。欲測電容時，如果待測生物體16的厚度不能遠小於其面積時，可以按照圖3所示安裝各部件(還要把圖1中的右金屬板10更換成圖3所示的右金屬板與矯正電極組合的) 和連接電路。此時要把電橋的接地線與底部金屬網23之間電連接。這可消除該情況下的邊緣效應帶來的測量誤差。由於上述機械測量機構巧妙，使得待測生物體16的厚度d的測量十分精確(該數據對測量結果的影響遠比面積S測量要大)，再加上電橋是精度極高的測量儀器，兩者的結合使最終測量結果很精確。可見，本發明使得在現有技術中原有電橋實驗的基礎上，增加了測量待測生物體電阻率和介電常數的實驗內容，豐富了傳統的電橋實驗的實驗內容，有利於學生跨學科研究意識和能力的培養，也可因此而產生一些科研成果。
權利要求
1.一種生物組織電阻率介電常數實驗儀，包含電橋，其特徵是電橋的一個檢測輸入端與左固定軸(17)相連，電橋的另一個檢測輸入端與右固定軸(11)相連，左金屬板(13)與左固定軸(17)相接並安裝在動板(15)的右側面，右金屬板(10)與右固定軸(11)相接並安裝在靜板(4)的左側面，靜板(4)與底板(3)相互固定，動板(15)的凹槽內安裝有轉動圓片(21)，轉動圓片(21)與轉軸(6)用螺絲(22)相互緊固，檔板(19)通過螺絲(20)緊固在動板(15)的凹槽外面，轉軸(6)和動尺筒(8)固定在一起，轉軸(6)穿過測量架(5)的帶螺紋孔，轉軸(6)與測量架(5)的接觸區域帶有相互咬合的螺紋，測量架(5)與底板(3)相互固定，靜尺筒(7)的右端固定在測量架(5)上，靜尺筒(7)的左端插入動尺筒(8)內，靜尺筒 (7)和動尺筒(8)都帶有刻度。
2.按權利要求1所述的生物組織電阻率介電常數實驗儀，其特徵是左金屬板(13)與右金屬板(10)包含可更換的多個不同尺寸和形狀的。
3.按權利要求1所述的生物組織電阻率介電常數實驗儀，其特徵是靜板(4)和底板(3) 的右側還帶有加固板(2)。
4.按權利要求1所述的生物組織電阻率介電常數實驗儀，其特徵是左金屬板(13)或右金屬板(10)的四周邊緣安裝有切刀。
5.按權利要求1所述的生物組織電阻率介電常數實驗儀，其特徵是在靜板(4)的上端右側面安裝有豎放支腳(18)。
6.按權利要求1所述的生物組織電阻率介電常數實驗儀，其特徵是在右金屬板(10)的外沿帶有矯正電極(25)，右金屬板(10)與矯正電極(25)之間為一體化的，右金屬板(10)與矯正電極(25)之間帶有間隙，矯正電極(25)與底部金屬網(23)通過接插件相連，屏蔽盒 (24)扣放在底部金屬網(23)上。
7.按權利要求6所述的生物組織電阻率介電常數實驗儀，其特徵是屏蔽盒(24)是由金屬網構成。
全文摘要
本發明公開了一種生物組織電阻率介電常數實驗儀。電橋(1)的檢測輸入端與左金屬板(13)和右金屬板(10)相連。動板(15)與轉軸(6)之間為可轉動式連接。轉軸(6)、動尺筒(8)固定在一起。轉軸(6)與測量架(5)的接觸區域都帶有螺紋。靜尺筒(7)與測量架(5)為一體的，靜尺筒(7)和動尺筒(8)套合且帶有刻度。待測生物體(16)夾在左金屬板(13)和右金屬板(10)之間，可精確測量厚度和面積，算出待測生物體(16)的電阻率或介電常數，彌補了電橋不能測量生物組織電阻率以及介電常數的不足，可方便、精確、快速地檢測生物組織的電阻率等。它可用於高校的電橋實驗教學改革，對醫學、農學、生物學等領域也有重要研究及應用價值。
文檔編號G01R27/02GK102565535SQ20121005750
公開日2012年7月11日 申請日期2012年3月7日 優先權日2012年3月7日
發明者趙傑 申請人:德州學院