CN109238843A - 一种智能生物材料力学测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料测试技术领域，公开了一种智能生物材料力学测试系统及方法；设置有底座、显示屏、电源、载物台、固定架、下夹板、上夹板、横梁、电子压力测试头、竖直导轨、步进电机、力学测试控制器。所述底座位于该装置的最底部，显示屏和电源位于底座上，通过螺栓固定在底座上，载物台位于底座上方，通过螺栓固定在底座上方，固定架位于载物台上，通过焊接固定在载物台上，下夹板位于底座上，通过螺栓固定在底座上，上夹板位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上，电子压力测试头位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上，步进电机位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上。
Description
技术领域
本发明属于材料测试技术领域，尤其涉及一种智能生物材料力学测试系统及方法。
背景技术
目前，生物材料是用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，又称生物医用材料。生物材料是材料科学领域中正在发展的多种学科相互交叉渗透的领域，其研究内容涉及材料科学、生命科学、化学、生物学、解剖学、病理学、临床医学、药物学等学科，同时还涉及工程技术和管理科学的范畴。生物材料有人工合成材料和天然材料；有单一材料、复合材料以及活体细胞或天然组织与无生命的材料结合而成的杂化材料。生物材料本身不是药物，其治疗途径是以与生物机体直接结合和相互作用为基本特征。由于生物材料的特殊性，现有生物材料力学测试系统大多采用力学的控制器对力学性能进行测量，测量结果不够精确，使得生物材料在使用时容易出错。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)由于生物材料的特殊性，现有生物材料力学测试系统大多采用力学的控制器对力学性能进行测量，测量结果不够精确，使得生物材料在使用时容易出错，显示屏的显示色品不恒定，通道不独立对显示屏显示的颜色特征化带来较大的影响，降低了颜色特征化模型的精度。
(2)步进电机的控制运行不够平滑，鲁棒性较弱，控制器散热器的散热情况较难控制，无法满足散热要求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种智能生物材料力学测试系统及方法。
本发明是这样实现的，一种智能生物材料力学测试方法，所述智能生物材料力学测试方法包括：
步骤一，当测材料的压力时，将材料放置在载物台上，启动电子压力测试头，启动步进电机向下运动，电子压力测试头通电，当材料表面出现凹痕的时候，电子压力测试头电流发生变化，传递到力学测试控制器上；
步骤二，力学测试控制器为电阻，通过流入控制器电流的大小来控制到步进电机的运动，当出现凹痕时，电流变化，传递到力学测试控制器上，使得步进电机停止运动，将步进电机停止运动前的电流大小显示在显示屏幕上，作为压应力值；
步骤三，测量压应力时，将材料用上夹板和下夹板夹住后，再启动步进电机，当材料断裂时，停止步进电机的运动，将材料断裂前通入步进电机的电流显示在显示屏上，作为材料的压应力值；
所述显示屏的分段分空间模型为：首先根据单通道的色品特性，将单通道的驱动值分成三段，每段三刺激值与驱动值的关系分别用二次多项式拟合；然后根据通道间的干扰特性，在三通道刺激值相加的基础上插入适当的干扰因子，分段分空间模型的具体特征化方法如下：
(1)根据显示屏的色品恒定性把单通道的驱动值分为三段，每一段的三刺激值直接用二次多项式拟合，以R通道其三刺激值模型表述为：
式中r为R通道的驱动值，dr为r对应的归一化驱动值，Tri为三刺激值，aji， bji，cji(j＝1，2，3)为常量，M、N分别为三色通道驱动值的低中分界点和中高分界点，根据显示屏的色品恒定和通道独立特性确定，对于G、B通道可作同样处理；
(2)通过每个通道M、N两个分界点将整个RGB空间分为27个子空间，并根据通道间的干扰特性，再将这27个子空间分为3类：
i)三个通道的驱动值中最多只有一个大于M，共7个子空间；
ii)三个通道的驱动值中有两个大于M，共12个子空间；
iii)三个通道的驱动值都大于M，共8个子空间；
对于第一类子空间，三个通道的三刺激值直接相加即得混合色的三刺激值；对于第二类子空间，当混合色三个通道的驱动值位于12个子空间中的子空间时 M＜r，g≤N，，b＜M，其三刺激值表示为：
Ti＝Tri+Tgi+Tbi+di+ei×dr×dg；
其中后面两项为干扰项，di和ei为常数，可通过该子空间的训练样本来拟合确定；
对于第三类子空间，当混合色三个通道的驱动值位于8个子空间中的M< r，g，b≤N子空间时，其三刺激值表示为：
Ti＝Tri+Tgi+Tbi+di+ei×dr×dg+
fi×dg×db+hi×dr×db+ki×r×dg×db；
其中后面五项为干扰项，di、ei、fi、hi和ki为常数，可通过该子空间的训练样本拟合确定，其它子空间也作同样处理，通过分段分空间的划分；
所述步进电机的BEL模型控制器为：
Ath＝Vthmax(S)；
输入信号S、信号REW以及信号Ath，并对其进行学习；信号的个数为n，
式中：Vi为节点Ai的权值，权值Vi对应奖励信号REW和节点Ai的差值成比例，其学习速度为：
式中：R为奖励信号REW，α为调节系数，当Si≥0时，则ΔVi≥0，Vi增加，直至Vi≤R/Si；当Si＜0时，则ΔVi＜0，Vi减小，直至Vi＞R/Si；整个BEL 模型的输出为：
式中：A为输出；O为输出；n为组织内的节点个数。
进一步，所述力学测试控制器功率损耗的算法为；利用示波器测出MOSFET 管的开通时间ton，功率损耗计算结果：
其中：Vds为电源电压，I为控制器工作最大电流，T为MOSFET管的工作周期；计算结果：
计算结果为：
控制器的MOSFET管的总损耗为：
P总＝(PA+PB(on))*9＝2078.1W。
本发明的另一目的在于提供一种实现所述智能生物材料力学测试方法的智能生物材料力学测试装置，所述智能生物材料力学测试装置设置有底座、显示屏、电源、载物台、固定架、下夹板、上夹板、横梁、电子压力测试头、竖直导轨、步进电机、力学测试控制器；
所述底座位于该装置的最底部，显示屏和电源位于底座上，通过螺栓固定在底座上，载物台位于底座上方，通过螺栓固定在底座上方，固定架位于载物台上，通过焊接固定在载物台上，下夹板位于底座上，通过螺栓固定在底座上，上夹板位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上，电子压力测试头位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上，步进电机位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上，力学测试控制器位于步进电机顶部，通过螺栓固定在步进电机顶部，横梁位于竖直导轨上，通过步进电机实现横梁和竖直导轨的相互连接，竖直导轨位于底座上，通过焊接实现两者的相互连接。
进一步，所述步进电机端部设置有齿轮，竖直导轨上设置有轮齿，两者相互啮合。
进一步，所述电源通过导线分别与步进电机、电子压力测试头、力学测试控制器相连接，力学测试控制器通过数据线与显示屏相连接，电子压力测试头通过导线与力学测试控制器相连接。力学测试控制器通过导线与步进电机相连接。
本发明的优点及积极效果为：该智能生物材料力学测试系统，通过底座对所有装置提供承载作用，通过载物台来盛放材料，通过固定架来将待测材料固定住，通过电子压力测试头进行压力的测试，通过上夹板和下夹板进行夹住材料，对材料进行拉力测试，通过电源对步进电机、电子压力测试头、力学测试控制器提供电力，通过显示屏对材料的力学性能进行显示，通过显示屏的分段分空间模型有效地减弱了色品不恒定和通道不独立对颜色特征化带来的影响，从而提高颜色特征化模型的精度，步进电机的BEL模型控制器使步进电机的控制运行更加平滑，鲁棒性增强，通过计算散热器的损耗功率，利用计算出来的功率损耗进行散热器的参数设计，使散热器能够满足目前环境下的散热需求。
本发明能够将生物材料的拉应力和压应力能够准确的进行测量，摒弃了传统的测量方法，使用电信号作为测量信号对材料的力学性能进测量，使得测量更加精确。
附图说明
图1是本发明实施例提供的智能生物材料力学测试系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的智能生物材料力学测试系统上夹板和下夹板的结构示意图；
图中：1、底座；2、显示屏；3、电源；4、载物台；5、固定架；6、下夹板；7、上夹板；8、横梁；9、电子压力测试头；10、竖直导轨；11、步进电机；12、力学测试控制器。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。
下面结合附图对本发明的结构作详细的描述。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的智能生物材料力学测试系统包括：底座1、显示屏2、电源3、载物台4、固定架5、下夹板6、上夹板7、横梁8、电子压力测试头9、竖直导轨10、步进电机11、力学测试控制器12。
所述底座1位于该装置的最底部，显示屏2和电源3位于底座1上，通过螺栓固定在底座1上，载物台4位于底座1上方，通过螺栓固定在底座1上方，固定架4位于载物台4上，通过焊接固定在载物台4上，下夹板6位于底座上，通过螺栓固定在底座上，上夹板7位于横梁上，通过螺栓固定在横梁8上，电子压力测试头9位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上，步进电机11位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上，力学测试控制器12位于步进电机顶部，通过螺栓固定在步进电机11顶部，横梁位于竖直导轨10上，通过步进电机11实现横梁和竖直导轨的相互连接，竖直导轨10位于底座1上，通过焊接实现两者的相互连接。所述步进电机11端部设置有齿轮，竖直导轨10上设置有轮齿，两者相互啮合。所述电源通过导线分别与步进电机11、电子压力测试头9、力学测试控制器12 相连接，力学测试控制器12通过数据线与显示屏2相连接，电子压力测试头9 通过导线与力学测试控制器相连接。力学测试控制器12通过导线与步进电机相连接。
所述显示屏的分段分空间模型为：首先根据单通道的色品特性，将单通道的驱动值分成三段，每段三刺激值与驱动值的关系分别用二次多项式拟合；然后根据通道间的干扰特性，在三通道刺激值相加的基础上插入适当的干扰因子，分段分空间模型的具体特征化方法如下：
(1)根据显示屏的色品恒定性把单通道的驱动值分为三段，每一段的三刺激值直接用二次多项式拟合，以R通道其三刺激值模型表述为：
式中r为R通道的驱动值，dr为r对应的归一化驱动值，Tri为三刺激值，aji， bji，cji(j＝1，2，3)为常量，M、N分别为三色通道驱动值的低中分界点和中高分界点，根据显示屏的色品恒定和通道独立特性确定，对于G、B通道可作同样处理；
(2)通过每个通道M、N两个分界点将整个RGB空间分为27个子空间，并根据通道间的干扰特性，再将这27个子空间分为3类：
i)三个通道的驱动值中最多只有一个大于M，共7个子空间；
ii)三个通道的驱动值中有两个大于M，共12个子空间；
iii)三个通道的驱动值都大于M，共8个子空间；
对于第一类子空间，三个通道的三刺激值直接相加即得混合色的三刺激值；对于第二类子空间，当混合色三个通道的驱动值位于12个子空间中的子空间时 M＜r，g≤N，，b＜M，其三刺激值表示为：
Ti＝Tri+Tgi+Tbi+di+ei×dr×dg；
其中后面两项为干扰项，di和ei为常数，可通过该子空间的训练样本来拟合确定；
对于第三类子空间，当混合色三个通道的驱动值位于8个子空间中的M＜ r，g，b≤N子空间时，其三刺激值表示为：
Ti＝Tri+Tgi+Tbi+di+ei×dr×dg+
fi×dg×db+hi×dr×db+ki×r×dg×db；
其中后面五项为干扰项，di、ei、fi、hi和ki为常数，可通过该子空间的训练样本拟合确定，其它子空间也作同样处理，通过分段分空间的划分；
所述步进电机的BEL模型控制器为：
Ath＝Vthmax(S)；
输入信号S、信号REW以及信号Ath，并对其进行学习；信号的个数为n，
式中：Vi为节点Ai的权值，权值Vi对应奖励信号REW和节点Ai的差值成比例，其学习速度为：
式中：R为奖励信号REW，α为调节系数，当Si≥0时，则ΔVi≥0，Vi增加，直至Vi≤R/Si；当Si＜0时，则ΔVi＜0，Vi减小，直至Vi＞R/Si；整个BEL 模型的输出为：
式中：A为输出；O为输出；n为组织内的节点个数。
所述力学测试控制器功率损耗的算法为；利用示波器测出MOSFET管的开通时间ton，功率损耗计算结果：
其中：Vds为电源电压，I为控制器工作最大电流，T为MOSFET管的工作周期；计算结果：
计算结果为：
控制器的MOSFET管的总损耗为：
P总＝(PA+Pg(on))*9＝2078.1W。
本发明的工作原理是：该装置通过底座1对所有装置提供承载作用，通过载物台4来盛放材料，通过固定架5来将待测材料固定住，通过电子压力测试头9进行压力的测试，通过上夹板7和下夹板6进行夹住材料，对材料进行拉力测试，通过电源3对步进电机11、电子压力测试头9、力学测试控制器12提供电力，通过显示屏2对材料的力学性能进行显示。在使用时，当测材料的压力时，将材料放置在载物台4上，启动电子压力测试头9，启动步进电机11向下运动，电子压力测试头9通电，当材料表面出现凹痕的时候，电子压力测试头9电流发生变化，传递到力学测试控制器12上，力学测试控制器12为一电阻，通过流入控制器电流的大小来控制到步进电机的运动，当出现凹痕时，电流变化，传递到力学测试控制器12上，使得步进电机11停止运动，将步进电机停止运动前的电流大小显示在显示屏幕2上，作为压应力值。测量压应力时，将材料用上夹板7和下夹板5夹住后，再启动步进电机11，当材料断裂时，停止步进电机11的运动，将材料断裂前通入步进电机11的电流显示在显示屏2 上，作为材料的压应力值。该装置能够将生物材料的拉应力和压应力能够准确的进行测量，摒弃了传统的测量方法，使用电信号作为测量信号对材料的力学性能进测量，使得测量更加精确。
以上所述仅是对本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种智能生物材料力学测试方法，其特征在于，所述智能生物材料力学测试方法包括：
步骤一，当测材料的压力时，将材料放置在载物台上，启动电子压力测试头，启动步进电机向下运动，电子压力测试头通电，当材料表面出现凹痕的时候，电子压力测试头电流发生变化，传递到力学测试控制器上；
步骤二，力学测试控制器为电阻，通过流入控制器电流的大小来控制到步进电机的运动，当出现凹痕时，电流变化，传递到力学测试控制器上，使得步进电机停止运动，将步进电机停止运动前的电流大小显示在显示屏幕上，作为压应力值；
步骤三，测量压应力时，将材料用上夹板和下夹板夹住后，再启动步进电机，当材料断裂时，停止步进电机的运动，将材料断裂前通入步进电机的电流显示在显示屏上，作为材料的压应力值；
所述显示屏的分段分空间模型为：首先根据单通道的色品特性，将单通道的驱动值分成三段，每段三刺激值与驱动值的关系分别用二次多项式拟合；然后根据通道间的干扰特性，在三通道刺激值相加的基础上插入适当的干扰因子，分段分空间模型的具体特征化方法如下：
(1)根据显示屏的色品恒定性把单通道的驱动值分为三段，每一段的三刺激值直接用二次多项式拟合，以R通道其三刺激值模型表述为：
式中r为R通道的驱动值，dr为r对应的归一化驱动值，Tri为三刺激值，aji，bji，cji(j＝1，2，3)为常量，M、N分别为三色通道驱动值的低中分界点和中高分界点，根据显示屏的色品恒定和通道独立特性确定，对于G、B通道可作同样处理；
(2)通过每个通道M、N两个分界点将整个RGB空间分为27个子空间，并根据通道间的干扰特性，再将这27个子空间分为3类：
i)三个通道的驱动值中最多只有一个大于M，共7个子空间；
ii)三个通道的驱动值中有两个大于M，共12个子空间；
iii)三个通道的驱动值都大于M，共8个子空间；
对于第一类子空间，三个通道的三刺激值直接相加即得混合色的三刺激值；对于第二类子空间，当混合色三个通道的驱动值位于12个子空间中的子空间时M＜r，g≤N，b＜M，其三刺激值表示为：
Ti＝Tri+Tgi+Tbi+di+ei×dr×dg；
其中后面两项为干扰项，di和ei为常数，可通过该子空间的训练样本来拟合确定；
对于第三类子空间，当混合色三个通道的驱动值位于8个子空间中的M＜r，g，b≤N子空间时，其三刺激值表示为：
Ti＝Tri+Tgi+Tbi+di+ei×dr×dg+fi×dg×db+hi×dr×db+ki×r×dg×db；
其中后面五项为干扰项，di、ei、fi、hi和ki为常数，可通过该子空间的训练样本拟合确定，其它子空间也作同样处理，通过分段分空间的划分；
所述步进电机的BEL模型控制器为：
Ath＝Vthmax(S)；
输入信号S、信号REW以及信号Ath，并对其进行学习；信号的个数为n，
式中：Vi为节点Ai的权值，权值Vi对应奖励信号REW和节点Ai的差值成比例，其学习速度为：
式中：R为奖励信号REW，α为调节系数，当Si≥0时，则ΔVi≥0，Vi增加，直至Vi≤R/Si；当Si＜0时，则ΔVi＜0，Vi减小，直至Vi＞R/Si；整个BEL模型的输出为：
式中:A为输出；O为输出；n为组织内的节点个数。
2.如权利要求1所述的智能生物材料力学测试方法，其特征在于，所述力学测试控制器功率损耗的算法为；利用示波器测出MOSFET管的开通时间ton，功率损耗计算结果：
其中：Vds为电源电压，I为控制器工作最大电流，T为MOSFET管的工作周期；计算结果：
计算结果为：
控制器的MOSFET管的总损耗为：
P总＝(PA+PB(on))*9＝2078.1W。
3.一种实现权利要求1所述智能生物材料力学测试方法的智能生物材料力学测试装置，其特征在于，所述智能生物材料力学测试装置设置有底座、显示屏、电源、载物台、固定架、下夹板、上夹板、横梁、电子压力测试头、竖直导轨、步进电机、力学测试控制器；
所述底座位于该装置的最底部，显示屏和电源位于底座上，通过螺栓固定在底座上，载物台位于底座上方，通过螺栓固定在底座上方，固定架位于载物台上，通过焊接固定在载物台上，下夹板位于底座上，通过螺栓固定在底座上，上夹板位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上，电子压力测试头位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上，步进电机位于横梁上，通过螺栓固定在横梁上，力学测试控制器位于步进电机顶部，通过螺栓固定在步进电机顶部，横梁位于竖直导轨上，通过步进电机实现横梁和竖直导轨的相互连接，竖直导轨位于底座上，通过焊接实现两者的相互连接。
4.如权利要求3所述的智能生物材料力学测试装置，其特征在于，所述步进电机端部设置有齿轮，竖直导轨上设置有轮齿，两者相互啮合。
5.如权利要求3所述的智能生物材料力学测试装置，其特征在于，所述电源通过导线分别与步进电机、电子压力测试头、力学测试控制器相连接，力学测试控制器通过数据线与显示屏相连接，电子压力测试头通过导线与力学测试控制器相连接；力学测试控制器通过导线与步进电机相连接。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201810830307.2A CN109238843A (zh) | 2018-07-26 | 2018-07-26 | 一种智能生物材料力学测试系统及方法 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN109238843A true CN109238843A (zh) | 2019-01-18 |
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ID=65072433
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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2018
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190118 |