CN105527174B - 一种生物软组织力学性能的测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于一种生物软组织力学性能的测量装置，包括机架，机架底板上有电机机座和Z轴自动滑台机构，Z轴自动滑台机构上有Z轴传感器，Z轴传感器上有载物容器，机架上板下有Y轴自动滑台机构和Y轴驱动导轨，Y轴驱动导轨下衔接Y轴驱动板，Y轴自动滑台机构与Y轴驱动板连接，Y轴驱动板上有X轴驱动导轨和X轴自动滑台机构，X轴自动滑台机构与X轴驱动板连接，X轴驱动板下有Y轴从动导轨，Y轴从动导轨下衔接Y轴从动板，Y轴从动板上有X轴从动导轨，X轴从动导轨上衔接上剪切平台，X轴驱动板与Y轴从动板之间有Y轴传感器，上剪切平台与Y轴从动板之间有X轴传感器，本发明具有结构轻巧，准确度高，操作方便，便于携带的优点。

Description

一种生物软组织力学性能的测量装置
技术领域
本发明属于生物力学技术领域，尤其涉及一种生物软组织力学性能的测量装置。
背景技术
目前，生物软组织的力学性能测量大部分依旧停留在轴向拉伸实验阶段，比如单轴拉伸和双轴拉伸。轴向拉伸作为探究生物软组织力学性能的一种实验方式，能够在一定程度上反映生物软组织的力学性质，但由于生物软组织在结构上的多层性和成分上的多样性，仅仅由轴向拉伸实验获得的数据并不能完全反映出其复杂的各项异性的力学特性。为了更加全面地得到生物软组织的力学特性，我们需要采用另外一种实验方法，即剪切实验。简单地说，剪切实验采用立方体的实验样品，并且把它固定在上下两个平行的平台，其中一个平台是固定的，通过横向移动(X或Y方向)另外一个平台让样品产生剪切形变从而测量剪切力，同时也可以竖向(Z方向)移动该平台来测量拉力和压力。
现有的测量生物软组织力学性能的剪切设备中，测量X和Y轴方向的力的铜环和不锈钢梁等部件直接连接在一起的，这样会造成不同轴向之间较大的相互影响，而且呈现非线性，导致测量数据误差大；另外，载物容器固定在下平台上，当下平台移动时，载物容器内的生理溶液产生震荡，给测量带来进一步误差；同时，Z轴方向是手动控制，测量时操作不便，精度难以把握。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种生物软组织力学性能的测量装置，具有结构轻巧，灵敏性好，准确度高，操作方便的优点。
本发明的目的是这样实现的：一种生物软组织力学性能的测量装置，包括机架，机架包括机架底板和机架上板，机架底板与机架上板之间设置有机架支柱，其特征在于：所述的机架底板上设置有电机机座和Z轴自动滑台机构，Z轴自动滑台机构固定在电机机座侧面，Z轴自动滑台机构顶部设置有Z轴传感器，Z轴传感器上部设置有载物容器，机架上板下表面设置有Y轴自动滑台机构和Y轴驱动导轨，Y轴驱动导轨下方衔接有Y轴驱动板，Y轴驱动板与Y轴自动滑台机构连接，Y轴驱动板上平面X轴负方向一侧设置有X轴驱动导轨，Y轴驱动板上平面X轴正方向一侧设置有X轴自动滑台机构，X轴自动滑台机构连接有X轴驱动板，X轴驱动板X轴方向的边框下部与X轴驱动导轨衔接，X轴驱动板Y轴方向的边框下部设置有Y轴从动导轨，Y轴从动导轨下方衔接有Y轴从动板，Y轴从动板上平面设置有X轴从动导轨，X轴从动导轨上方衔接有上剪切平台，X轴驱动板与Y轴从动板之间设置有Y轴传感器，上剪切平台与Y轴从动板之间设置有X轴传感器。
所述的Y轴驱动板X轴负方向一侧是框体，X轴正方向一侧是实体，X轴驱动导轨设置在框体上，X轴自动滑台机构设置在实体上。X轴驱动板和Y轴从动板均为框体。
所述的X轴自动滑台机构、Y轴自动滑台机构、Z轴自动滑台机构均包括电机、与电机衔接的滑台、与滑台连接的驱动连接板。
所述的电机均为步进电机。
所述的X轴传感器、Y轴传感器、Z轴传感器均为拉压传感器。
所述的四个衔接处：Y轴驱动导轨与Y轴驱动板、X轴驱动导轨与X轴驱动板、Y轴从动导轨与Y轴从动板、X轴从动导轨与上剪切平台之间均由滑块衔接。
所述的Y轴驱动导轨、X轴驱动导轨、Y轴从动导轨、X轴从动导轨均为燕尾导轨，滑块为与导轨配合的燕尾滑块。
本发明具有如下积极效果：
1、本发明采用了双层结构分别测量X、Y轴的剪切力，很大程度上减少了两个方向的相互影响，从而减少了实验误差，保证了数据的精确度。
2、载物容器只在最初装载样品的时候沿着Z轴方向做上下移动，在测量过程中保持固定，从而减少载物容器内生理溶液的震荡，避免外界因素对测量结果产生影响。
3、对X轴、Y轴、Z轴方向上的控制，均采用自动滑台机构控制，提高了操作的方便性本发明设备简单轻巧，体积小，便于携带，可以与其他实验设备结合使用，从而多方面、多角度对样品进行测量。
附图说明
图1为生物软组织力学性能的测量装置的结构示意图。
图2为生物软组织力学性能的测量装置的主视结构示意图。
图3为生物软组织力学性能的测量装置的俯视结构示意图。
图4为生物软组织力学性能的测量装置的机架上板下部仰视结构示意图。
图5为生物软组织力学性能的测量装置的机架上板下方局部结构示意图。
图中：1.机架上板 2.X轴驱动连接板 3.X轴电机 4.滑块 5.Z轴滑台 6.Y轴驱动板 7.Y轴从动板 8.Z轴驱动连接板 9.Z轴电机 10.机架底板 11.机架支柱12.上剪切平台13.X轴传感器 14.Y轴传感器 15.X轴驱动板 16.载物容器 17.Z轴传感器 18.电机机座19.X轴驱动导轨 20.X轴从动导轨 21.Y轴驱动导轨22.Y轴从动导轨 23.Y轴驱动连接板24.Y轴电机 25.机架 26.Z轴自动滑台机构 27.Y轴自动滑台机构 28.X轴自动滑台机构29.X轴滑台 30.Y轴滑台。
具体实施方式
实施例1，如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种生物软组织力学性能的测量装置，包括机架25，机架25包括机架底板10和机架上板1，机架底板10与机架上1板之间设置有机架支柱11，其特征在于：所述的机架底板10上设置有电机机座18和Z轴自动滑台机构26，Z轴自动滑台机构26固定在电机机座18侧面，Z轴自动滑台机构26包括Z轴电机9、与Z轴电机9衔接的Z轴滑台5、与Z轴滑台5连接的Z轴驱动连接板8，Z轴驱动连接板8上设置有Z轴传感器17，Z轴传感器17上方设置有载物容器16，机架上板1下表面设置有Y轴自动滑台机构27和Y轴驱动导轨21，Y轴自动滑台机构27包括Y轴电机24、与Y轴电机24衔接的Y轴滑台30、与Y轴滑台30连接的Y轴驱动连接板23；Y轴驱动导轨21与Y轴驱动板6通过滑块4衔接，Y轴驱动板6与Y轴自动滑台机构27连接，Y轴驱动板6上方X轴负方向一侧设置有X轴驱动导轨19，Y轴驱动板6上方X轴正方向一侧设置有X轴自动滑台机构28，Y轴驱动板6的X轴负方向一侧是框体，X轴正方向一侧是实体，X轴驱动导轨19设置在框体上，X轴自动滑台机构28设置在实体上。X轴自动滑台机构28连接有X轴驱动板15，X轴自动滑台机构28包括X轴电机3、与X轴电机3衔接的X轴滑台29，与X轴滑台29连接的X轴驱动连接板2，X轴驱动连接板2与X轴驱动板15连接，X轴驱动板15下方Y方向通过滑块与X轴驱动导轨19衔接，X轴驱动板15下方X方向设置有Y轴从动导轨22，Y轴从动导轨22下方与Y轴从动板7通过滑块4衔接，Y轴从动板7上方设置有X轴从动导轨20，X轴从动导轨20上方与上剪切平台12通过滑块4衔接，X轴驱动板15与Y轴从动板7之间设置有Y轴传感器14，上剪切平台12与Y轴从动板7之间设置有X轴传感器13。
本发明可以将所述结构分为驱动部、支撑部、放样部、控制部和测量部，驱动部包括：驱动板和从动板，以及用于连接自动滑台与各轴向驱动板的驱动连接板，和用于引导驱动板及从动板在轴向滑动的导轨和滑块；支撑部包括：设备最下部的机架底板及其上用于固定Z轴电机的电机机座，位于机架底板四角的机架支柱，和机架上板；放样部包括：与Z轴自动滑台机构连接的载物容器，及上剪切平台；控制部包括：滑台及用于控制位移的步进电机；测量部包括：用于测量三个轴向的力的拉压传感器。
驱动部中，Y轴驱动板通过固定其上的滑块和固定在机架上板下面的Y轴驱动导轨，实现Y轴驱动板在Y轴方向的滑动；X轴驱动板通过固定在其下方的滑块和固定在Y轴驱动板上方的导轨，实现X轴驱动板在X轴方向的滑动；Y轴从动板通过固定在其上方的滑块和固定在X轴驱动板下方的导轨，实现Y轴从动板在Y轴方向的滑动；上剪切平台通过固定在其下方的滑块和固定在Y轴从动板上的X轴从动导轨，实现样品在X轴方向的移动；导轨为燕尾导轨，滑块为与导轨配合的燕尾滑块，滑块突起的部位与导轨凹下的部位配合。
放样部中，上剪切平台的下方固定有用于其沿X轴从动导轨滑动的滑块。
控制部中，X轴电机固定在Y轴驱动板上部；Y轴电机固定在机架上板的下表面；Z轴电机一侧固定于电机机座上，电机机座固定于机架底板上。
测量部中，X轴传感器一端固定在Y轴从动板上，另一端为受力端，连接上剪切平台，Y轴传感器一端固定在X轴驱动板上，另一端为受力端，连接在Y轴从动板上。
本发明在使用时将样品上表面粘贴在上剪切平台，并移动载物容器使样品下表面粘贴在载物容器的圆形凹槽中，然后向槽内添加生理溶液，最后通过Z轴电机调整样品距上剪切平台的距离，根据Z轴传感器的示数使样品处于自然状态。首先测量X轴剪切：通过设定X轴自动滑台的移动距离及速度，控制样品在X轴的剪切位移及速率，滑台在X轴正(负)方向移动时，带动X轴驱动连接板移动，从而带动X轴驱动板、Y轴从动导轨和Y轴从动板在X轴正(负)方向沿着X轴驱动导轨滑动，此时一端固定在Y轴从动板上的X轴传感器，通过受力端推(拉)动上剪切平台沿X轴从动导轨滑动，从而带动样品产生相应的形变，同时由X轴传感器得到样品在该形变下对应的剪切力。X轴剪切测试完毕后，使样品回到初始状态。开始测量Y轴剪切，通过设定Y轴自动滑台的移动距离及速度，控制样品在Y轴的剪切位移和速率，滑台在Y轴正(负)方向移动时，带动Y轴驱动连接板移动，从而带动Y轴驱动板(及固定在其上的X轴自动滑台机构、X轴驱动导轨和通过X轴驱动导轨衔接的X轴驱动板)沿Y轴驱动导轨移动，此时，一端固定在X轴驱动板上的Y轴传感器，通过受力端推(拉)动Y轴从动板(及其上的X轴传感器、X轴从动导轨和通过X轴从动导轨衔接的上剪切平台)沿Y轴从动导轨在Y轴方向滑动，从而带动样品产生相应的形变，同时由Y轴传感器得到样品在该形变下对应的剪切力。
上述实施例仅为本发明的优选实施例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生物软组织力学性能的测量装置，包括机架，机架包括机架底板和机架上板，机架底板与机架上板之间设置有机架支柱，其特征在于：所述的机架底板上设置有电机机座和Z轴自动滑台机构，Z轴自动滑台机构固定在电机机座侧面，Z轴自动滑台机构顶部设置有Z轴传感器，Z轴传感器上部设置有载物容器，机架上板下表面设置有Y轴自动滑台机构和Y轴驱动导轨，Y轴驱动导轨下方衔接有Y轴驱动板，Y轴驱动板与Y轴自动滑台机构连接，Y轴驱动板上平面X轴负方向一侧设置有X轴驱动导轨，Y轴驱动板上平面X轴正方向一侧设置有X轴自动滑台机构，X轴自动滑台机构连接有X轴驱动板，X轴驱动板X轴方向的边框下部与X轴驱动导轨衔接，X轴驱动板Y轴方向的边框下部设置有Y轴从动导轨，Y轴从动导轨下方衔接有Y轴从动板，Y轴从动板上平面设置有X轴从动导轨，X轴从动导轨上方衔接有上剪切平台，X轴驱动板与Y轴从动板之间设置有Y轴传感器，上剪切平台与Y轴从动板之间设置有X轴传感器。
2.根据权利要求1所述的生物软组织力学性能的测量装置，其特征在于：所述的Y轴驱动板X轴负方向一侧是框体，X轴正方向一侧是实体，X轴驱动导轨设置在框体上，X轴自动滑台机构设置在实体上，X轴驱动板和Y轴从动板均为框体。
3.根据权利要求1所述的生物软组织力学性能的测量装置，其特征在于：所述的X轴自动滑台机构、Y轴自动滑台机构、Z轴自动滑台机构均包括电机、与电机衔接的滑台、与滑台连接的驱动连接板。
4.根据权利要求3所述的生物软组织力学性能的测量装置，其特征在于：所述的电机均为步进电机。
5.根据权利要求1所述的生物软组织力学性能的测量装置，其特征在于：所述的X轴传感器、Y轴传感器、Z轴传感器均为拉压传感器。
6.根据权利要求1所述的生物软组织力学性能的测量装置，其特征在于：所述的Y轴驱动导轨与Y轴驱动板、X轴驱动导轨与X轴驱动板、Y轴从动导轨与Y轴从动板、X轴从动导轨与上剪切平台之间均由滑块衔接。
7.根据权利要求6所述的生物软组织力学性能的测量装置，其特征在于：所述的Y轴驱动导轨、X轴驱动导轨、Y轴从动导轨、X轴从动导轨均为燕尾导轨，滑块为与导轨配合的燕尾滑块。
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