用於生物條狀材料力學性能測試的教學實驗設備及方法
2023-05-28 07:22:26 2
專利名稱：用於生物條狀材料力學性能測試的教學實驗設備及方法
技術領域：
本發明涉及力學特性測試技術領域，具體地說，本發明涉及一種用於生物條狀材料力學性能測試的教學實驗設備及生物條狀材料力學性能測試方法。
背景技術：
生物組織材料，如頭髮絲、蠶絲、蛛絲、肌肉、血管等生物組織材料的力學特性對於研究生物體的正常及病理狀態有重要意義。而通過單軸拉伸測試可以獲得生物材料全面的力學特性，如應力-應變曲線、斷裂強度、斷裂能、鬆弛曲線和蠕變曲線等。在傳統物理實驗教學中，用拉伸法測定金屬絲的楊氏模量實驗是測量金屬絲彈性模量的經典實驗。此實驗利用砝碼5 (IKg/個)給試件加載，利用光槓桿原理測定試件的微·小形變量，通過數值計算得到金屬絲的楊氏模量。圖1(a)是實驗裝置示意圖，如圖所示，金屬絲I的上端固定於拉伸架6上，下端系有一個環，環上掛著砝碼託鉤(圖中未畫出)，金屬絲穿過有小孔的圓柱體。實驗時應將圓柱體一端的螺旋卡頭夾緊，使其能隨金屬絲的伸縮而上下移動。固定平臺3，中間開有一孔，圓柱體可在孔中上下自由移動。帶有光學平面鏡的光槓桿2下面的薄鋼片放在平臺的溝槽內，其插杆尖腳放在圓柱體的上端，靠近但不接觸金屬絲。望遠鏡8和標尺7是測伸長量AL所用的主要測量裝置。當砝碼鉤上增加(或減少)砝碼後，金屬絲將伸長(或縮短)AL，光槓桿2的插杆尖腳端也隨圓柱體一同下降(或上升)，使杆體在豎直面內轉過一角度α，同時平面鏡的法線也在豎直面內轉過相同角度α。用望遠鏡8和標尺7測得標尺讀數的變化，即可算出Λ L0圖I (b)是光槓桿原理示意圖。光槓桿是一個帶有平面鏡M的支架，假設開始時平面鏡M的法線Ontl在水平位置，則標尺7上的標度線Iitl發出的光通過平面鏡M的反射，進入望遠鏡，在望遠鏡中形成Iitl的像而被觀察到。當金屬絲伸長後，光槓桿的插杆尖端隨金屬絲下落AL，帶動M轉一角度α而至Μ』，法線Ontl也轉過同一角度α至0叫。根據光的反射定律，從nQ發出的光將反射至n2,且Z Ii0On1= Z Ii1On2= α，由光路的可逆性,從η2發出
的光經平面鏡反射後進入望遠鏡而被觀察到。當α很小時，從圖I (b)可以看到
「 ISLa * tan a -——
b2a ^ tan 2a =——
D消去a，得Al. = — Αιι
2/.)Δ L原是難測的微小長度，但當D遠大於b後，經光槓桿轉換放大後標尺讀數的變化量Λη卻較大，可以從標尺上用望遠鏡直接讀出。光槓桿裝置的放大倍數為2D/b。在實驗中，通常b為4 8cm，D為I 2m，放大倍數可達25 100倍。上述實驗裝置和測試方法能夠很好地演示金屬絲楊氏模量的測量原理和過程，非常適合於教學示範。然而，上述實驗裝置和測試方法僅適用於試件長度較長且形變量小的彈性材料楊氏模量的測定。生物組織材料試件一般比較小，形變量大小不一，並且具有非線性和黏彈性等特性，這導致上述實驗裝置和測試方法並不適用。另一方面，在工業製造和科學研究中，一般採用萬能試驗機測定材料的力學特性。萬能試驗機是將試件固定在卡具上，通過移動試件的另一端給試件施加力，試件在力的作用下發生形變。萬能試驗機是利用位移傳感器測量試件的拉伸形變位移量，用力傳感器測量給試件加載的力，通過軟體控制加載過程中的力和位移，對試驗數據進行實時顯示記錄、列印。萬能實驗機可對各種材料進行拉伸、壓縮、彎曲、剝離、剪切等多項性能測試，獲得材料的全面力學性質。但是，萬能試驗機直接將移動端發生的位移作為試件發生的形變，利用測試給出的位移-載荷曲線就可得到試件的應力-應變曲線，在對生物軟組織材料進行實際的力學測試時，發現用上述方式計算出的應力-應變曲線 存在一定的誤差。另外，萬能試驗機通過軟體對力和位移進行控制，測試結果直接從軟體中給出，不能直觀地顯示力學測試的原理和方法，學生難以從實驗中建立感性認識，不適合教學示範。綜上所述，當前迫切需要一種便於操作和演示測量過程和原理的用於生物條狀材料力學性能測試的教學實驗設備及具有較小誤差的生物條狀材料力學性能測試方法。
發明內容
本發明的目的是提供一種便於操作及演示測量過程和原理的用於生物條狀材料力學性能測試的教學實驗設備及具有較小誤差的生物條狀材料力學性能測試方法。為實現上述發明目的，本發明提供了一種生物組織條狀材料力學性能測試的教學實驗設備，包括加載裝置、工作檯和安裝在工作檯上的力傳感器和CCD測量裝置；試件的兩端分別連接所述力傳感器和所述加載裝置；CCD測量裝置位置與試件位置匹配以測量試件的形變。其中，所述試件的兩端分別通過夾具與所述力傳感器和所述加載裝置連接。其中，所述加載裝置為步進電機，所述夾具與步進電機的轉盤固定相連。其中，所述加載裝置包括砝碼和砝碼託盤，所述教學實驗設備還包括設置於所述工作檯邊緣處的定滑輪，所述試件一端通過夾具以搭勾的方式與力傳感器相連，另外一端繞過定滑輪通過夾具與所述砝碼託盤相連。其中，所述教學實驗設備還包括ADC信號轉換器(即模數轉換器)、數據採集裝置和數據顯示裝置；所述力傳感器的信號輸出端與ADC信號轉換器相連，ADC信號轉換器和CCD測量裝置的輸出端均連接數據採集裝置，所述數據採集裝置的輸出端與數據顯示裝置連接。其中，所述工作檯上還設置一個位置可調的用於固定試件一端的固定裝置。本發明還提供了一種基於上述教學實驗設備的生物組織條狀材料力學性能測試方法，包括下列步驟I)對力傳感器進行定標；2)在試件上設置兩個標記點，把標記好的試件兩端分別固定在力傳感器和加載裝置上；3)通過加載裝置給試件施加不同載荷，用力傳感器測定試件加載應力的大小，CCD測量裝置跟蹤兩個標記點的位置變化，得到試件兩個標記點之間加載後的形變數值，進而得出試件的應力-應變曲線。本發明還提供了另一種基於上述教學實驗設備的生物組織條狀材料力學性能測試方法，包括下列步驟I)對力傳感器進行定標；2)在試件上設置兩個標記點，把標記好的試件兩端分別固定在力傳感器和加載裝置上；3)通過加載裝置給試件施加一定載荷，用CXD測量裝置跟蹤兩個標記點的位置變化，得到以一定時間間隔讀取的試件兩個標記點之間的一系列形變數值，進而得出試件的蠕變曲線。本發明還提供了另一種基於上述教學實驗設備的生物組織條狀材料力學性能測試方法，包括下列步驟·I)對力傳感器進行定標；2)把試件兩端分別固定在力傳感器和加載裝置上；3)控制步進電機連續運轉給試件加載直至試件被拉斷,力傳感器測出試件被拉斷時所受的力，進而得到試件的斷裂強度。本發明還提供了另一種基於上述教學實驗設備的生物組織條狀材料力學性能測試方法，包括下列步驟I)對力傳感器進行定標；2)在試件上設置兩個標記點，把標記好的試件兩端分別固定在力傳感器和工作檯的固定裝置上；3)以一定時間間隔讀取力傳感器所測得的試件的一系列受力值，進而得出試件的鬆弛曲線。與現有技術相比，本發明具有下列技術效果本發明可以完成生物組織條狀材料的應力-應變曲線，鬆弛曲線、蠕變曲線和斷裂強度的測定，並且可明顯地演示生物組織條狀材料力學性能測試的原理和方法，能更好地滿足醫用物理學實驗對此種材料力學性能測試的教學需求。
圖I (a)示出了現有技術中的拉伸法測量金屬絲的楊氏模量的實驗裝置示意圖；圖I (b)示出了現有技術中的拉伸法測量金屬絲的楊氏模量的實驗裝置的光槓桿原理示意圖；圖2示出了本發明一個實施例中的用於生物條狀材料力學性能測試的教學實驗設備的原理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的描述。圖2示出了根據本發明的一個實施例所提供的一種用於生物條狀材料力學性能測試的教學實驗設備，該教學實驗設備包括工作檯9和安裝在工作檯9上的力傳感器I、定滑輪5和CCD測量裝置7，以及加載裝置6、ADC信號轉換器、數據採集裝置和數據顯示裝置。其中，力傳感器I上設有夾具2，定滑輪5設置在工作檯的邊緣處，試件一端通過夾具2以搭勾的方式與力傳感器I相連，另外一端繞過定滑輪5通過夾具3與加載裝置6相連。根據實驗目的的不同，加載裝置6可以採用不同的加載方式。一個實施例中，為了便於學生理解載荷施加的過程和機制，採用加載單位質量砝碼來控制載荷大小，例如在夾具3的下部設置一小孔，砝碼託盤上的掛鈎直接鉤住小孔。另一個實施例中，通過採用步進電機控制載荷大小實現實時、穩定、連續加載，例如將夾具3與步進電機的轉盤固定相連。在該實施例中，試件也可以不繞過定滑輪5，而是直接將其一端與夾具3連接，通過夾具3與步進電機的轉盤連接，此時，所述教學實驗設備可以不包含定滑輪。CXD測量裝置7用於測量試件的形變量。在試件上標定兩個標記點，CXD測量裝置7通過光學成像得到兩個標記點加載後的位移信息，從而得到 兩個標記點之間的試件的形變。標記點位置選擇依據三點其一，要遠離夾持部位，以避免應力集中引起的誤差；其二，要考慮所用CCD系統的有效視野；其三，兩個標記點之間的試件在所需加載範圍內伸長量長短合適，便於測量。在一個實施例中，兩個標記點之間的距離為3 4cm，標記點利用專用標記槍(類似打玻璃膠的槍)將專用標記液塗在試件的合適部位即可，這種標記方式的標記點形狀規則，與試件的附著好，且CCD易於識別。在一個實施例中，CCD測量裝置7含有位置調節機構，用以調節CCD測量裝置7在工作檯上的位置，以確保試件處於可測量範圍內。所述力傳感器I的信號輸出端與ADC信號轉換器相連。ADC信號轉換器和(XD測量裝置7輸出端均連接數據採集裝置。數據採集裝置將信號進行處理，其結果通過數據顯示裝置顯示。數據顯示裝置可以是計算機的顯示器。數據採集裝置和加載裝置6可由外置的電源供電。另外，在一個實施例中，所述工作檯9上還設置有固定裝置4，固定裝置4的位置與力傳感器I的夾具2的位置相對應，位於工作檯的另一側。試件的兩端可分別固定在所述固定裝置4和力傳感器I的夾具2上，以便測量其鬆弛曲線。根據本發明的另一實施例，基於上述用於生物條狀材料力學性能測試的教學實驗設備，提供了一種生物條狀材料力學性能測試方法，包括下列步驟(I)接通電源。(2)對力傳感器定標。將試件固定在兩個夾具上，一端與力傳感器相連，一端與加載裝置相連。當加載裝置採用砝碼時，給試件加載不同數量的單位質量的砝碼並應用力傳感器測定相應電壓值，進而標定力傳感器測定的電壓與試件應力值之間的關係。(3)在試件上設置兩個標記點，把標記好的試件兩端分別固定在力傳感器和加載裝置的夾具上。(4)測定試件的應力一應變曲線。通過加載裝置給試件施加不同載荷，力傳感器測定試件加載應力的大小，CCD測量裝置跟蹤兩個標記點的位置變化，進而得到試件兩個標記點之間加載後的形變數值。根據測量結果繪製應力一應變曲線。(5)觀察蠕變現象，得到試件的蠕變曲線。若一個物體突然受到應力的作用，此後此應力保持常數，而該物體將繼續發生形變，這一現象稱為蠕變。蠕變曲線是指應力保持不變，應變隨時間變化的曲線。本實施例中，施加一定的載荷，數據採集裝置以一定時間間隔讀取CCD測量裝置所測得的試件兩個標記點之間的形變值並在數據顯示裝置顯示。這樣，根據測量結果可繪製蠕變曲線。
(6)觀察鬆弛現象，得到試件的鬆弛曲線。一個物體突然發生應變，此後此應變保持常數，該物體內相應的應力隨時間而減小，這一現象稱為應力鬆弛或簡稱鬆弛。鬆弛曲線是指應變保持不變，應力隨時間變化的曲線。本實施例中，將標記好的試件一端與力傳感器相連，一端與工作檯上的固定裝置相連。所述固定裝置位置可調，調節固定裝置可選擇不同應變程度(指試件被拉伸的鬆緊程度)，數據採集裝置自動以一定時間間隔讀取力傳感器所測得的試件受力值並在數據顯示裝置顯示。根據測量結果可繪製鬆弛曲線。(7)觀察斷裂現象，得到試件的斷裂強度。材料發生斷裂的應力稱斷裂強度。斷裂強度測量方法如下將試件一端通過夾具與力傳感器相連，另一端通過夾具與步進電機相連，步進電機連續運轉給試件加載，直至試件被拉斷，根據力傳感器測出的試件被拉斷時所受的力，即可得到材料的斷裂強度。容易理解，本發明中，也可以單獨測量試件的應力一應變曲線、蠕變曲線或者鬆弛曲線。例如執行步驟(I)至(4)即可測出試件的應力一應變曲線，執行步驟(I)至(3)以及
·(5)即可測出試件的蠕變曲線，執行步驟(1)、(2)以及(6)即可測出試件的鬆弛曲線。執行步驟(I)、(2)以及(7)即可測出試件的斷裂強度。最後，上述的實施例僅用來說明本發明，它不應該理解為是對本發明的保護範圍進行任何限制。而且，本領域的技術人員可以明白，在不脫離上述實施例精神和原理下，對上述實施例所進行的各種等效變化、變型以及在文中沒有描述的各種改進均在本專利的保護範圍之內。
權利要求
1.一種生物組織條狀材料力學性能測試的教學實驗設備，其特徵在於，包括加載裝置、工作檯和安裝在工作檯上的力傳感器和CXD測量裝置；試件的兩端分別連接所述力傳感器和所述加載裝置；CCD測量裝置位置與試件位置匹配以測量試件的形變。
2.根據權利要求I所述的教學實驗設備，其特徵在於，所述試件的兩端分別通過夾具與所述力傳感器和所述加載裝置連接。
3.根據權利要求I所述的教學實驗設備，其特徵在於，所述加載裝置為步進電機，所述夾具與步進電機的轉盤固定相連。
4.根據權利要求I所述的教學實驗設備，其特徵在於，所述加載裝置包括砝碼和砝碼託盤，所述教學實驗設備還包括設置於所述工作檯邊緣處的定滑輪，所述試件一端通過夾具以搭勾的方式與力傳感器相連，另外一端繞過定滑輪通過夾具與所述砝碼託盤相連。
5.根據權利要求I所述的教學實驗設備，其特徵在於，所述教學實驗設備還包括ADC信號轉換器、數據採集裝置和數據顯示裝置；所述力傳感器的信號輸出端與ADC信號轉換器相連，ADC信號轉換器和CCD測量裝置的輸出端均連接數據採集裝置，所述數據採集裝置的輸出端與數據顯示裝置連接。
6.根據權利要求I所述的教學實驗設備，其特徵在於，所述工作檯上還設置一個位置可調的用於固定試件一端的固定裝置。
7.一種基於權利要求I所述的教學實驗設備的生物組織條狀材料力學性能測試方法，其特徵在於，包括下列步驟 1)對力傳感器進行定標； 2)在試件上設置兩個標記點，把標記好的試件兩端分別固定在力傳感器和加載裝置上； 3)通過加載裝置給試件施加不同載荷，用力傳感器測定試件加載應力的大小，CCD測量裝置跟蹤兩個標記點的位置變化，得到試件兩個標記點之間加載後的形變數值，進而得出試件的應力一應變曲線。
8.一種基於權利要求I所述的教學實驗設備的生物組織條狀材料力學性能測試方法，其特徵在於，包括下列步驟 1)對力傳感器進行定標； 2)在試件上設置兩個標記點，把標記好的試件兩端分別固定在力傳感器和加載裝置上； 3)通過加載裝置給試件施加一定載荷，用CCD測量裝置跟蹤標兩個標記點的位置變化，得到以一定時間間隔讀取的試件兩個標記點之間的一系列形變數值，進而得出試件的蠕變曲線。
9.一種基於權利要求6所述的教學實驗設備的生物組織條狀材料力學性能測試方法，其特徵在於，包括下列步驟 1)對力傳感器進行定標； 2)在試件上設置兩個標記點，把標記好的試件兩端分別固定在力傳感器和工作檯的固定裝置上； 3)以一定時間間隔讀取力傳感器所測得的試件的一系列受力值，進而得出試件的鬆弛曲線。
10.一種基於權利要求I所述的教學實驗設備的生物組織條狀材料力學性能測試方法，其特徵在於，包括下列步驟 1)對力傳感器進行定標； 2)把試件兩端分別固定在力傳感器和加載裝置上； 3)控制步進電機連續運轉給試件加載直至試件被拉斷，力傳感器測出的試件被拉斷時所受的力，進而得到試件的斷裂強度。
全文摘要
本發明提供一種生物組織條狀材料力學性能測試的教學實驗設備，其特徵在於，包括加載裝置、工作檯和安裝在工作檯上的力傳感器和CCD測量裝置；試件的兩端分別連接所述力傳感器和所述加載裝置；CCD測量裝置位置與試件位置匹配以測量試件的形變。本發明還提供了相應的生物組織條狀材料力學性能測試方法。本發明可以完成生物組織條狀材料的應力-應變曲線，鬆弛曲線、蠕變曲線和斷裂強度的測定，並且可明顯地演示生物組織條狀材料力學性能測試的原理和方法，能更好地滿足醫用物理學實驗對此種材料力學性能測試的教學需求。
文檔編號G09B23/10GK102789726SQ201210273648
公開日2012年11月21日 申請日期2012年8月2日 優先權日2012年8月2日
發明者嚴華剛, 劉志成, 劉志翔, 吳瑞, 張智河, 張海霞, 曲典, 李延玲 申請人:首都醫科大學