CN102565535A

CN102565535A - 生物组织电阻率介电常数实验仪

Info

Publication number: CN102565535A
Application number: CN2012100575033A
Authority: CN
Inventors: 赵杰
Original assignee: Dezhou University
Current assignee: Dezhou University
Priority date: 2012-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2012-07-11

Abstract

本发明公开了一种生物组织电阻率介电常数实验仪。电桥（1）的检测输入端与左金属板（13）和右金属板（10）相连。动板（15）与转轴（6）之间为可转动式连接。转轴（6）、动尺筒（8）固定在一起。转轴（6）与测量架（5）的接触区域都带有螺纹。静尺筒（7）与测量架（5）为一体的，静尺筒（7）和动尺筒（8）套合且带有刻度。待测生物体（16）夹在左金属板（13）和右金属板（10）之间，可精确测量厚度和面积，算出待测生物体（16）的电阻率或介电常数，弥补了电桥不能测量生物组织电阻率以及介电常数的不足，可方便、精确、快速地检测生物组织的电阻率等。它可用于高校的电桥实验教学改革，对医学、农学、生物学等领域也有重要研究及应用价值。

Description

生物组织电阻率介电常数实验仪

技术领域

本发明涉及一种实验仪器，尤其指一种生物组织电阻率介电常数实验仪。

背景技术

国内大学的普通物理实验或大学物理实验中，都包含交流电桥或惠斯登电桥的实验项目，它是利用电桥的四个桥臂满足平衡条件时，测出精确的被测物体的电阻或电容等物理量。对于上述两个实验项目，现有技术中的实验过程都是测量电阻器或电容器、电感器等非生物物体。由于生命科学是当今和以后世界研究的一个热点领域，使得近几年许多高校新上生物物理学或相关的专业，其中很重要的一个研究领域就是生物组织（动物和植物）的电参数研究。即便不是生物物理类专业的大学生，如果在做大学物理实验时由测量无生命的物体改测有生命的物体，也会激发学生横向思维意识和创新意识，甚至产生学科交叉类的科研成果。但在高校中现有技术中的此类实验仪器，无法满足要求，无法测量生物组织的电阻率和相对介电常数（以下简称介电常数）。

发明内容

本发明的目的是提供一种可精确测量生物组织的电阻率以及介电常数的实验仪器，它使用方便、结构巧妙，并且原有的实验过程仍保留着。

为了实现上述目的，本发明包含一个电桥，电桥的一个检测输入端与左固定轴（17）相连，电桥的另一个检测输入端与右固定轴（11）相连，左金属板（13）与左固定轴（17）相接并安装在动板（15）的右侧面，右金属板（10）与右固定轴（11）相接并安装在静板（4）的左侧面，静板（4）与底板（3）相互固定，动板（15）的凹槽内安装有转动圆片（21），转动圆片（21）与转轴（6）用螺丝（22）相互紧固，档板（19）通过螺丝（20）紧固在动板（15）的凹槽外面，转轴（6）和动尺筒（8）固定在一起，转轴（6）穿过测量架（5）的带螺纹孔，转轴（6）与测量架（5）的接触区域带有相互咬合的螺纹，测量架（5）与底板（3）相互固定，静尺筒（7）的右端固定在测量架（5）上，静尺筒（7）的左端插入动尺筒（8）内且两者可活动式吻合，静尺筒（7）和动尺筒（8）都带有刻度。

为了方便测量不同的生物体，左金属板（13）与右金属板（10）有可更换的多个不同尺寸和形状的。

为了测量精确，减小静板（4）受力产生的附加位移，静板（4）和底板（3）的右侧还带有加固板（2）。

为了方便、精确地获得待测生物体（16）的面积尺寸，左金属板（13）或右金属板（10）的四周边缘安装有切刀。为了方便放置待测生物体（16）在右金属板（10）上而不会滑下来而竖放本装置，还在静板（4）的上端右侧面安装有竖放支脚（18）。

为了消除测量电容时的边缘效应，提高测量精度，在右金属板（10）的外沿带有矫正电极（25），右金属板（10）与矫正电极（25）之间为一体化的，右金属板（10）与矫正电极（25）之间带有间隙，矫正电极（25）与底部金属网（23）通过接插件相连，屏蔽盒（24）扣放在底部金属网（23）上。为了可看清内部情况，屏蔽盒（24）是由金属网构成。

由于本发明把电桥的两个检测输入端分别通过左固定轴和右固轴与左金属板以及右金属板相连，待测生物体置于左金属板以及右金属板之间并夹紧，左金属板或右金属板与待测生物体的接触面积相等，保证了利用电桥测量待测生物体的电阻率和介电常数。并且由于静板与底板相互固定，转轴和动尺筒固定在一起，转轴穿过测量架的螺纹孔，转轴与测量架的接触区域带有相互咬合的螺纹，测量架与底板相互固定，静尺筒的右端固定在测量架上，静尺筒的左端插入动尺筒内，静尺筒和动尺筒都带有刻度，再加上转轴与动板之间的转动独立但平动同步结构，就使得本发明可方便、快速、精确地测量待测生物体的测量厚度，从而方便、快速、精确地测量待测生物体的电阻率以及介电常数。左金属板或右金属板的四周边缘带有切刀，在左金属板与右金属板相互靠近的过程中，可自动切割待测生物体的边缘，使其面积恰好等于左金属板或右金属板的面积，省去了切割待测生物体边沿的麻烦，且获得的待测生物体面积精确。由于左金属板或右金属板通过左、右固定轴与动板或静板可拆式安装，可更换不同形状或尺寸的左金属板及右金属板，方便了测量各种不同的生物体。静板的上端右侧面安装的竖放支脚，更方便了安装测量。防止测电容时的边缘效应设置的结构，保证了当待测生物体厚度不相对其面积很薄的情况下，进一步提高了测量介电常数的精度。

本发明可把传统的单一的物理实验改造成物理与生物交叉的实验项目，十分有利于大学生横向思维和创新意识的培养；生物组织的电阻率及介电常数携带了生物体的生物信息，本发明对医学、农学、生物学等领域也有重要研究及应用价值。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图。

图2是本发明的转轴与动板的连接关系结构原理图。

图3是本发明的实施例2的结构原理示意图。

图4是本发明的矫正电极与右金属板的组合关系示意图。

具体实施方式

图1实际是本发明的纵切面图，垂直于纸面方向是立体的。底板3上面固定测量架5以及静板4，测量架5与静板4之间隔开距离，转轴6穿过测量架5上端的带螺纹圆孔，与动板15以及动尺筒8相互固定在一起。转轴6的表面与测量架5的接触区域带有相互咬合的螺纹，转轴6可以在动尺筒内转动，摇柄9安装在动尺筒8的外沿，通过摇柄9摇动动尺筒8，可使转轴6转动及水平移动。测量架5与静尺筒7紧固在一起，并且动尺筒8尺寸吻合地套合在静尺筒7上（两者之间可以相互转动和平动但不会发生垂直于转轴方向的晃动）。静尺筒7的表面带有水平方向的毫米刻度（分度为0.5毫米），动尺筒8的右端表面一圈都带有圆周方向的刻度（分度为1/50毫米），使得转轴6的水平移动距离的0.5毫米及以上从静尺筒7上读数，0.5毫米以下从动尺筒7上读数（动尺筒8转一圈使得转轴6水平移动0.5毫米），两者数据相加就是转轴6的总的水平移动距离。这就确保了转轴6水平移动的位移距离测量精度很高。

左金属板13与左固定轴17为紧固在一起的金属件。左金属板13上的左固定轴17（也可带有2-3个左固定轴）穿过动板15，使得左金属板13贴在了动板15上，左紧固件14起紧固作用，不用也可以。右金属板10与右固定轴11为紧固在一起的金属件。右金属板10上带的右固定轴11（也可带有2-3个右固定轴）穿过静板4上的圆孔，使得右金属板10紧贴在静板4上。右紧固件（不用也可）12拧在右固定轴11上。为了使静板4受到向右的力但不发生向右移动，在静板4的右侧面和底板3右端的上表面还固定有三角形的加固板2，如果这三者都为塑料材料，可一次注塑成一体的结构。

电桥1的两个检测输入端子通过导线分别与左固定轴、右固定轴相连，这样就把电桥1的两个检测输入端子分别与左金属板13、右金属板10连接起来了。左金属板13、右金属板10的大小形状相同。左金属板13、右金属板10相当于平板电容的两个平板电极。待测生物体16就置于左金属板13和右金属板10之间。按物理学原理，测量要求待测生物体16的面积和形状必须与左金属板13或右金属板10相同。为了方便达到该目的，还可以在左金属板13或右金属板10的四个边缘安装四个非金属切刀，或者安装可以拆下的金属切刀。比如：在左金属板13或右金属板10的四个侧面上分别安装四个切刀，安装方式为用紧固螺丝把切刀安装在侧面上，四个切刀的长度等于左金属板13的一个边的长度，宽度以接近左金属板13和右金属板10以及待测生物体16之间的总厚度为宜。也可把切刀制成方框型套在左金属板13上，切完后可方便地取下再测量，方框型切刀的四个边长应略大于金属板13的边长。

为了便于测量不同大小和形状的生物体，左金属板13和右金属板10可有多个不同尺寸和形状的（可以有圆形的）。配套切刀也应一并配套提供。

在实验过程的最初安装阶段，为了便于把待测生物体16放在右金属板10上而不滑下来，可在静板4的上方右侧，安装一个竖放支脚18。竖放支脚18为柱状的或板状的，其长度等于底板3右端的静板4的右侧部分。把图1顺时针转动90度（电桥不必转）就达到竖放状态了，就使得待测生物体16平放在右金属板10上而不滑下来，便于后续的实验操作。

上述的底板3、测量架5、静板4、加固板2、竖放支脚18可以是用硬质塑料一体化注塑而成。动板15和静板4则必须是硬质的非金属材料制造（比如硬质塑料等）。动尺筒8、转轴6、摇柄9可用金属制造。为便于安装，测量架5上的带螺纹圆孔可用上下两块半圆对在一起再用螺丝紧固的结构。

当只测量待测生物体16的电阻率时，电桥1可以用惠斯登电桥，当要测量待测生物体16的电阻率及介电常数时，电桥1要用交流电桥或万用电桥。本发明把惠斯登电桥和交流电桥统称电桥。

在图2中，转轴6的右端通过螺丝22与转动圆片21紧固在一起，并伸入动板15的凹槽内，然后用中心带圆孔的圆片或方片形档板（途中灰色的部分为一体的，为便于安装，上下两片对接成一个档板19也行）盖上，再拧上螺丝20，就可以使转轴6和转动圆片21一起同步转动而动板15不转动只平动（即转轴6与动板15之间的转动独立而平动同步）。这就保证了实验过程对动板15只平动不转动的需求。其中转动圆片21和档板19可用金属或耐磨硬质塑料制造。为了防止转轴6与转动圆片21之间发生相互转动，可在两者的接触面制造一些凹凸交错的结构。转动圆片21的中心区域还带有凹陷部分，以便于螺丝22安装后不会影响转动圆片21与动板15的接触。

按物理学原理可知，当待测生物体16的厚度不能远小于其面积（或左金属板13或右金属板10的面积）时，将有明显的边缘效应，电力线不再是垂直于左金属板13或右金属板10，而是跑到了两者夹挤的区域之外，这将给测量带来误差。为了消除测量电容时的边缘效应，提高测量精度，在图3中，在右金属板10的外沿带有（或称外沿一周包围着）矫正电极25，右金属板10与矫正电极25之间带有间隙（间隙越小越好，但不能电连接），右金属板10与矫正电极25之间为一体化的（两者可用绝缘胶粘接的方式，或者用覆铜单面环氧电路板一次腐蚀而成）矫正电极25上面电连接着导线，导线的另一端连接着小夹子或其他类型的接插件可以与其他导体临时连接（在测量电容时可与底部金属网23连接；在测电阻率时与右固定轴11连接，以复原右金属板10加上矫正电极25为一体电连接且总面积尺寸等于左金属板13的测电阻率需求）。矫正电极25与底部金属网（也可用金属箔片）23通过接插件相连，屏蔽盒24扣放在底部金属网23上。为了可看清内部情况，屏蔽盒24是由金属网（也可用金属箔片）构成，其下为开口形状。屏蔽盒24的尺寸以正好扣在动板15、静板4、竖放支脚18上为宜。底部金属网23的面积略大于屏蔽盒24的开口，使得两者扣合后自动电连接成封闭的屏蔽腔。

本发明的使用过程简要叙述如下：把本发明的除电桥1以外的整体部分竖放，将待测生物体16切成片状，选择与其欲测面积小点的左金属板13（用带切刀的）和右金属板10，分别安装在动板15和静板4上，把待测生物体16放在右金属板10上并使两者中心基本重合，摇动摇柄9使左金属板13和右金属板10相互靠近，待左金属板13和右金属板10夹住待测生物体16后再平放。由于在左金属板13和右金属板10相互靠近的过程中，左金属板13上安装的切刀就自动把待测生物体16的边沿切的与右金属板10边沿相同尺寸，这就不必再用刀子切割待测生物体16的边沿了，并且切的直和精确。然后把切刀卸下来（如切刀为非金属材料的可不必卸）。通过静尺筒7和动尺筒8上的刻度就可把待测生物体16的厚度d精确读出（左金属板13和右金属板10相对面贴在一起时和不贴在一起的读数差即为待测生物体16的厚度）。测出（或事先给出）左金属板13或右金属板10的边沿长度，就可算出其面积S。再把电桥1的两个检测输入端子通过导线分别与左固定轴、右固定轴相连，把电桥调平衡就可以测出待测生物体16的电阻值R，那么就可测出待测生物体16的电阻率ρ =RS/d；如果要测量待测生物体16的介电常数（实为相对介电常数），可用交流电桥或万用电桥的交流电桥功能分别测出左金属板13和右金属板10之间有待测生物体16情况下的电容量C，并根据待测生物体16的厚度d和面积S，并计算出同样条件下在真空条件下的电容量，就可计算出待测生物体16的介电常数。也可再测出左金属板13和右金属板10之间同样间隔下的空气介质电容量C₀，则待测生物体16的介电常数ε=C/ C₀。

欲测电容时，如果待测生物体16的厚度不能远小于其面积时，可以按照图3所示安装各部件（还要把图1中的右金属板10更换成图3所示的右金属板与矫正电极组合的）和连接电路。此时要把电桥的接地线与底部金属网23之间电连接。这可消除该情况下的边缘效应带来的测量误差。

由于上述机械测量机构巧妙，使得待测生物体16的厚度d的测量十分精确（该数据对测量结果的影响远比面积S测量要大），再加上电桥是精度极高的测量仪器，两者的结合使最终测量结果很精确。

可见，本发明使得在现有技术中原有电桥实验的基础上，增加了测量待测生物体电阻率和介电常数的实验内容，丰富了传统的电桥实验的实验内容，有利于学生跨学科研究意识和能力的培养，也可因此而产生一些科研成果。

Claims

1.一种生物组织电阻率介电常数实验仪，包含电桥，其特征是电桥的一个检测输入端与左固定轴（17）相连，电桥的另一个检测输入端与右固定轴（11）相连，左金属板（13）与左固定轴（17）相接并安装在动板（15）的右侧面，右金属板（10）与右固定轴（11）相接并安装在静板（4）的左侧面，静板（4）与底板（3）相互固定，动板（15）的凹槽内安装有转动圆片（21），转动圆片（21）与转轴（6）用螺丝（22）相互紧固，档板（19）通过螺丝（20）紧固在动板（15）的凹槽外面，转轴（6）和动尺筒（8）固定在一起，转轴（6）穿过测量架（5）的带螺纹孔，转轴（6）与测量架（5）的接触区域带有相互咬合的螺纹，测量架（5）与底板（3）相互固定，静尺筒（7）的右端固定在测量架（5）上，静尺筒（7）的左端插入动尺筒（8）内，静尺筒（7）和动尺筒（8）都带有刻度。

2.按权利要求1所述的生物组织电阻率介电常数实验仪，其特征是左金属板（13）与右金属板（10）包含可更换的多个不同尺寸和形状的。

3.按权利要求1所述的生物组织电阻率介电常数实验仪，其特征是静板（4）和底板（3）的右侧还带有加固板（2）。

4.按权利要求1所述的生物组织电阻率介电常数实验仪，其特征是左金属板（13）或右金属板（10）的四周边缘安装有切刀。

5.按权利要求1所述的生物组织电阻率介电常数实验仪，其特征是在静板（4）的上端右侧面安装有竖放支脚（18）。

6.按权利要求1所述的生物组织电阻率介电常数实验仪，其特征是在右金属板（10）的外沿带有矫正电极（25），右金属板（10）与矫正电极（25）之间为一体化的，右金属板（10）与矫正电极（25）之间带有间隙，矫正电极（25）与底部金属网（23）通过接插件相连，屏蔽盒（24）扣放在底部金属网（23）上。

7.按权利要求6所述的生物组织电阻率介电常数实验仪，其特征是屏蔽盒（24）是由金属网构成。