CN107607408A - 一种软材料力学性能测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种软材料力学性能测量装置及方法，属于软材料性能测量领域，该测量装置包括杠杆、压片、平面镜、标尺和望远镜；其中，所述杠杆的前端设有两只前足并形成豁口，末端设有一只后足，所述后足支在所述压片上，所述平面镜固定在所述杠杆的前端，并且与所述杠杆垂直，所述标尺与所述平面镜平行设置，所述望远镜紧靠所述标尺放置并朝向所述平面镜。另外本发明还提供了一种软材料力学性能测量方法。本发明相对于现有技术，操作简单，能测量卸载负荷材料的力学性能，并且装置成本合理。

Description

一种软材料力学性能测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种软材料力学性能测量装置及方法，属于软材料性能测量领域。

背景技术

伴随人们对生命质量要求的提高，体内置换的仿生器官会越来越多，而体内软组织材料力学行为研究对置换器官的使用寿命和可靠性极为重要。离体软组织材料的微小变形测量是体内材料力学性能的重要组成部分。目前，市场上有很多设备能够在线测量软组织材料在加载时的微小变形与时间的变化关系，但对于记录卸载后的材料变形方法较少，即使有类似的功能，但设备的价格普遍比较昂贵。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种软材料力学性能测量装置及方法。

本发明提供一种软材料力学性能测量装置，包括杠杆、压片、平面镜、标尺和望远镜；其中，所述杠杆前端的底部设有两只前足并形成豁口，末端的底部设有一只后足，所述后足支在所述压片上，所述平面镜固定在所述杠杆前端的顶部，并且与所述杠杆垂直，所述标尺与所述平面镜平行设置，所述望远镜紧靠所述标尺放置并朝向所述平面镜。

在一种实施方式中，所述软材料力学性能测量装置还包括加载装置，所述加载装置包括底座、升降支架、加载臂和压头；其中所述升降支架垂直固定在所述底座上，所述加载臂一端通过轴承与所述升降支架相连，另一端通过连杆与所述压头相接，所述压头放置在所述压片上。

在一种实施方式中，所述望远镜高于所述标尺的零点刻度。

在一种实施方式中，所述压片的厚度为1～2mm。

在一种实施方式中，所述压片为玻璃片、金属片或塑料片。

本发明还提供一种软材料力学性能测量方法，其利用上述的装置进行测量，包括如下步骤：

步骤1、将压片水平粘贴在软材料上；

步骤2、用摄像机记录望远镜中标尺在平面镜中所成的图像，并读出十字坐标上的数值X₀；

步骤3、在压片上施加压力，软材料变形Δl，也就是杠杆的后足下降Δl，平面镜向后倾斜α角，再次通过摄像机记录望远镜中标尺在平面镜中所成的图像，并读出十字坐标上的数值X，则ΔL＝X-X₀；

步骤4、计算出软材料变形Δl的值。

在一种实施方式中，计算软材料变形Δl的值的方法为：

假设前足与后足的垂直距离为d，平面镜向后倾斜α角，则有平面镜与标尺之间的距离为D，标尺上数值X处与水平线的夹角为2α，则有

由于软材料产生细微变形，因此有tgα＝α，tg2α＝2α，则整理可得

本发明提供的一种测量软材料力学性能的测量装置，能够满足正常情况下力学性能测量的精度要求。该装置结构简单，成本合理，并且利用光杠杆原理实时测量卸载负荷时软材料的力学性能与时间的关系。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的软材料力学性能测量装置的结构示意图；

图2为杠杆结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的软材料力学性能测量方法的流程示意图；

图4为该软材料力学性能测量装置进行测量时的示意图；

图5为本发明实施例三提供的样品测量示意图；

图6为本发明实施例三提供的加卸载时样品的法向位移随时间的测试曲线。

其中，1杠杆、2压片、3平面镜、4标尺、5望远镜、11前足、12后足、61底座、62升降支架、63加载臂、64压头、65轴承、66连杆。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种软材料力学性能测量装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例一

发明的一种软材料力学性能测量装置结构示意图如图1所示，包括包括杠杆1、压片2、平面镜3、标尺4和望远镜5；其中，所述杠杆1前端的底部设有两只前足11并形成豁口，末端的底部设有一只后足12，所述后足12支在所述压片2上，所述平面镜3固定在所述杠杆1前端的顶部，并且与所述杠杆1垂直，具体请参照图2。所述标尺4与所述平面镜3平行设置，所述望远镜5紧靠所述标尺4放置并朝向所述平面镜3，进一步的，所述望远镜5高于所述标尺4的零点刻度。

具体的，所述软材料力学性能测量装置还包括加载装置，所述加载装置包括底座61、升降支架62、加载臂63和压头64；其中所述升降支架62垂直固定在所述底座61上，所述加载臂63一端通过轴承65与所述升降支架62相连，另一端通过连杆66与所述压头64相接，所述压头64放置在所述压片2上，通过所述压片2向软材料施加压力使其产生形变。

具体的，所述压片为玻璃片、金属片或塑料片，具有高强度、轻质量且不易变形的特点。所述压片2的厚度为1～2mm。既能保证所述压片不会因变形而产生误差，也使压片不会因厚度太厚影响测量。

实施例二

本发明还提供一种软材料力学性能测量方法，流程示意图请参阅图3。该方法利用实施例一所提供的软材料力学性能测量装置，包括如下步骤：

在步骤S31中，将压片水平粘贴在软材料上；

步骤S32中，用摄像机记录望远镜中标尺在平面镜中所成的图像，并读出十字坐标上的数值X₀；

步骤S33中，在压片上施加压力，软材料变形Δl，也就是杠杆的后足下降Δl，平面镜向后倾斜α角，此时再次通过摄像机记录望远镜中标尺在平面镜中所成的图像，并读出十字坐标上的数值X，则ΔL＝X-X₀；

步骤S34中，计算出软材料变形Δl的值。

在利用该测量装置测量加载负荷时软材料的变形与时间的变化关系时，将所述压片2粘贴在待测软材料上，先用摄像机记录所述望远镜5中所述标尺4在所述平面镜3中所成的图像，并读出十字坐标上的数值X₀；然后在所述加载臂63上放置砝码，通过所述压头64将压力施加在软材料上，所述压头64的尺寸大于待测软材料的尺寸，使压力能够均匀的施加在该待测软材料上。此时软材料产生形变Δl，也就是所述杠杆1的所述后足12下降Δl，所述平面镜3向后倾斜α角，具体如图3所示。再次用摄像机记录并读出十字线坐标上的数值X，则ΔL＝X-X₀；最后计算出软材料变形Δl的值。

其中，计算软材料变形Δl的值的方法为：

假设所述前足11与所述后足12的垂直距离为d，所述平面镜3向后倾斜α角，则有所述平面镜3与所述标尺4之间的距离为D，所述标尺4上数值X处与水平线的夹角为2α，则有

由于软材料产生细微变形，可近似有tgα＝α，tg2α＝2α，则整理可得

根据上述步骤，可以计算出在加载负荷后不同时刻下软材料的变形情况，以研究软材料的力学性能与时间的关系。

实施例三

本实施例三提供了一种试验案例，利用实施例一中和实施例二中的软材料力学性能测量装置及方法，具体如下：

在本实施例三中，待测软材料选用新鲜成年牛的大腿关节，将其加工成Φ7.4mm×3.8mm的圆柱片状样品，并且该样品的厚度为1.5mm。在试验时，将加工好的样品置于盛有浓度为99％牛关节液的容器中。在样品表面水平粘贴一层压片(本实施例中选用玻璃片)，杠杆的后足置于玻璃片上，具体示意图如图5所示，玻璃片法向位置的变化反映样本的变形过程。在本实施例三中，杠杆前端与标尺之间的距离D为242.45mm，杠杆的前足与后足的垂直距离d为7.75mm。

具体实施过程如下：首先用摄像机记录望远镜中标尺在平面镜中所成的图像，并读出十字坐标上的数值；接着，通过加载装置向样品加载压力，加载臂上的砝码为40N，每隔20s记录一次数据；30min后立即卸载，并记录读数。当标尺的读数不再变化时，实验即停止。实验重复进行三次。

图6是样品加卸压力过程的法向位移测试曲线。可以看出，当加载压力时，样品的法向位移与加载时间呈非线性增加。在加载的初期，法向位移急剧上升；当加载时间超过12min之后，法向位移缓慢上升。当卸载压力时，样品的恢复变形与卸载时间呈非线性增加，样品的法向位移与卸载时间呈非线性减小。在卸载的初期，恢复的法向变形急剧上升，当卸载时间达到3.5min时，法向位移恢复到50％；随后恢复变形缓慢上升，当卸载时间达到17.3min，软骨基本恢复变形，法向位移为零。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (7)

1.一种软材料力学性能测量装置，其特征在于，所述测量装置包括杠杆、压片、平面镜、标尺和望远镜；其中，所述杠杆前端的底部设有两只前足并形成豁口，末端的底部设有一只后足，所述后足支在所述压片上，所述平面镜固定在所述杠杆前端的顶部，并且与所述杠杆垂直，所述标尺与所述平面镜平行设置，所述望远镜紧靠所述标尺放置并朝向所述平面镜。

2.如权利要求1所述的软材料力学性能测量装置，其特征在于，所述软材料力学性能测量装置还包括加载装置，所述加载装置包括底座、升降支架、加载臂和压头；其中所述升降支架垂直固定在所述底座上，所述加载臂一端通过轴承与所述升降支架相连，另一端通过连杆与所述压头相接，所述压头放置在所述压片上。

3.如权利要求1所述的软材料力学性能测量装置，所述望远镜高于所述标尺的零点刻度。

4.如权利要求2所述的软材料力学性能测量装置，其特征在于，所述压片的厚度为1-2mm。

5.如权利要求4所述的软材料力学性能测量装置，其特征在于，所述压片为玻璃片、金属片或塑料片。

6.一种软材料力学性能测量方法，其特征在于，其利用权利要求1-5任一所述的装置进行测量，包括如下步骤：

步骤1、将压片水平粘贴在软材料上；

步骤2、用摄像机记录望远镜中标尺在平面镜中所成的图像，并读出十字坐标上的数值X₀；

步骤3、在压片上施加压力，软材料变形Δl，也就是杠杆的后足下降Δl，平面镜向后倾斜α角，再次通过摄像机记录望远镜中标尺在平面镜中所成的图像，并读出十字坐标上的数值X，则ΔL＝X-X₀；

步骤4、计算出软材料变形Δl的值。

7.如权利要求6所述的软材料力学性能测量方法，其特征在于，计算软材料变形Δl的值的方法为：

假设前足与后足的垂直距离为d，平面镜向后倾斜α角，则有平面镜与标尺之间的距离为D，标尺上数值X处与水平线的夹角为2α，则有

由于软材料产生细微变形，因此有tgα＝α，tg2α＝2α，则整理可得