CN110672415B - 软材料力学性质表征装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种软材料力学性质表征装置，包括：运动框架、加载模组、监测模组及控制终端；加载模组一端与运动框架的运动部件固定，加载模组包括第一超声换能器；和/或第一超声换能器与硬质压头；和/或第一超声换能器与硬质压头与导声材料；控制终端用于发送控制指令控制运动框架动作，以带动加载模组对所述软材料表面作用；监测模组用于获取加载模组与软材料表面作用产生的数据信息，并发送至控制终端进行处理，计算所述软材料的力学性质。该装置对于许多软材料试样，可以采用不同的表征方法对其进行表征，测得的数据能够自身进行对比，从而降低测试的误差。面对比较复杂的试样，集成仪器能够采用不同的手段对试样进行表征，并且，成本远远降低。
Description
技术领域
本公开涉及材料力学领域，尤其涉及一种软材料力学性质表征装置及方法。
背景技术
软材料是指杨氏模量相比工业用硬材料远低(杨氏模量一般在Pa～MPa量级)的材料。常见的软材料包括凝胶、高分子聚合物、液晶和生物材料等。软材料模量较低，在常规工况下能够产生比较大的变形，且有些软材料在外界激励(如声场、光线、电磁场等)作用下会表现出特殊的物理性质(如液晶等)。因此，软材料有望在超材料设计、新型器件制造、仿生科技等方面发挥重要作用。随着材料制备工艺的提升，软材料受到了科研和工业界越来越广泛的关注。为了对软材料性质有更加充分的了解，发展与软材料相应的表征方法和设备具有非常重要的意义。力学性质的表征，是软材料表征的一个重要部分。许多软材料表现出一定的非线性弹性、粘弹性性质，需要专门的方法和设备来进行表征；实现在各种工作状况下原位、无损地对软材料进行表征也是研究者们共同努力的目标。
目前常用的软材料力学表征方法包括压痕方法、静态弹性成像方法、近场波方法和表面波方法。该些方法各自已实现一定规模的商业化。然而，压痕方法受其力学原理影响，测试结果主要受待测材料在压头接触点附近，尺度与压头半径相当的区域，对更远场性质的表征能力不强。静态弹性成像方法在对内部具有一定非均质性的软材料进行定量测量时，还存在一定问题。近场波方法适合对较大的块体材料进行表征；但对较小，较薄的材料，不适合用该方法进行表征。表面波方法对材料表面的质量要求很高。若材料表面粗糙，存在缺陷，则采用表面波进行力学性质表征会受到比较大的挑战。相关技术中缺少一种可以结合上述各方法有点的表征装置，以克服上述问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本公开提出一种软材料力学性质表征装置及方法，用于至少部分解决上述技术问题。
(二)技术方案
本公开一方面提供一种软材料力学性质表征装置，包括：运动框架、加载模组、监测模组及控制终端；加载模组一端与运动框架的运动部件固定，加载模组包括第一超声换能器；和/或第一超声换能器与硬质压头；和/或第一超声换能器与硬质压头与导声材料；控制终端用于发送控制指令控制运动框架动作，以带动加载模组对软材料表面作用；监测模组用于获取加载模组与软材料表面作用产生的数据信息，并发送至控制终端进行处理，计算软材料的力学性质。
可选地，第一超声换能器为医用超声换能器，或者外壳尺寸小于30毫米的超声换能器。
可选地，第一超声换能器与硬质压头连接，使得加载模组与软材料表面接触的部位的形状规则。
可选地，导声材料的声阻抗与软材料的声阻抗匹配。
可选地，运动部件为刚性运动部件，加载模组一端与运动部件刚性连接。
可选地，监测模组包括力传感器、位移传感器、激光位移传感器及至少一组超声换能器，其中，至少一组超声换能器包括第一超声换能器；力传感器设置于加载模组一端与运动框架的运动部件固定的位置；位移传感器设置于运动框架上；力传感器、位移传感器、激光位移传感器及至少一组超声换能器连接至控制终端。
可选地，监测模组包括力传感器、位移传感器、激光位移传感器、第一超声换能器及激光传感器；力传感器设置于加载模组一端与运动框架的运动部件固定的位置；位移传感器设置于运动框架上；力传感器、位移传感器、激光位移传感器、第一超声换能器及激光传感器连接至控制终端。
本公开另一方面提供一种基于上述装置的软材料力学性质表征方法，其中，软材料为薄膜-软基体的软材料，装置的加载模组包括第一超声换能器，方法包括：通过控制终端发送控制指令控制运动框架以预设频率振动，带动加载模组对软材料表面施加振动激励，以产生表面波沿软材料表面传播；通过监测模组获取表面波的传播速度；根据传播速度计算软材料中软基体的杨氏模量；通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组以第一预设速率压入软材料表面的预设深度，之后以第二预设速率抽离软材料；通过监测模组获取加载模组的位移及其承受的载荷；根据软基体的杨氏模量、加载模组的位移及其承受的载荷计算软材料中薄膜的杨氏模量。
本公开另一方面提供一种基于上述装置的软材料力学性质表征方法，其中，软材料为薄膜-软基体的软材料，其内部可进行超声成像，装置的加载模组包括第一超声换能器，方法包括：通过控制终端发送控制指令控制运动框架以预设频率振动，带动加载模组对软材料表面施加法向振动，以在软材料内部产生纵向偏振的近场波；通过监测模组获取近场波的传播速度；根据传播速度计算软材料中软基体的杨氏模量；通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组以第一预设速率压入软材料表面的预设深度，之后以第二预设速率抽离软材料；通过监测模组获取加载模组的位移及其承受的载荷；根据软基体的杨氏模量、加载模组的位移及其承受的载荷计算软材料中薄膜的杨氏模量。
本公开另一方面提供一种基于上述装置的软材料力学性质表征方法，其中，软材料为基体-夹杂相的软材料，装置的加载模组包括第一超声换能器与硬质压头，方法包括：通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组以第一预设速率压入软材料表面的预设深度，之后以第二预设速率抽离软材料；通过监测模组获取加载模组的位移及其承受的载荷；根据加载模组的位移及其承受的载荷计算软材料中基体的杨氏模量；通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组与软材料表面接触，以对软材料表面施加预设载荷，并发射超声信号对软材料进行第一次超声成像，得到第一超声图像；通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组压入软材料表面预设深度，以对软材料表面施加预设载荷，并发射超声信号对软材料进行第二次超声成像，得到第二超声图像；根据基体的杨氏模量、第一超声图像及第二超声图像，计算软材料中夹杂相的杨氏模量。
(三)有益效果
本公开提出一种软材料力学性质表征装置及方法，将诸多相互独立的软材料表征方法(压痕方法、近场波方法、静态弹性成像方法、表面波方法)集成在一套硬件体系下，对于许多软材料试样，可以采用不同的表征方法对其进行表征，测得的数据能够自身进行对比，从而降低测试的误差。面对比较复杂的试样(如生物试样)，集成仪器能够采用不同的手段对试样进行表征，突破采用单一方法能够表征的材料的范围，起到1+1＞2的效果。并且，相比于单一的表征装置，将各方法集成在一起的成本远远低于各种方法分散使用的成本。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开实施例的软材料力学性质表征装置的硬件结构图；
图2示意性示出了根据本公开实施例的基于小型超声换能器的加载模组的结构图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的基于医用超声换能器的加载模组的结构图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的监测模组的结构图；
图5示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图；
图6示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图；
图7示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图；
图8示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图；
图9示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图；
图10示意性示出了基于本公开实施例的薄膜-软基体的软材料的等效结构图；
图11示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图；
图12示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图；以及
图13示意性示出了基于本公开实施例的基体-夹杂相的软材料的等效结构图。
【附图标记】
1-运动框架
2-加载模组
3-监测模组
4-控制终端
M-待测软材料
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
图1示意性示出了根据本公开实施例的软材料力学性质表征装置的硬件结构图。
如图1所示，该装置例如可以包括运动框架1、加载模组2、监测模组3及控制终端4。
运动框架1主要由精密传动系统构成，其作用为接收控制终端4的指令，控制加载模组2实现要求的运动。运动框架1的运动部件与加载模组2可以为刚性连接固定，从而控制加载模组2的运动。运动框架1能够承受一定大小的载荷而保持框架自身的刚度，载荷大小范围例如可以为0.5N～200N。载荷引起的运动框架1端部的位移不超过第一设计阈值(第一设计阈值的范围例如可以为0～200微米)。运动框架1能够精确控制加载模组2的位移，控制精度至少达到50微米，在保持该控制精度的前提下，加载模组2的最大运动速度不低于1mm/s，移动范围不低于4mm。
加载模组2由一组具有统一硬件接口的不同加载元件构成。加载模组2例如可以包括第一超声换能器；还可以包括第一超声换能器与硬质压头；还可以包括第一超声换能器与硬质压头与导声材料。其中，第一超声换能器例如可以为小型超声换能器(外壳尺寸小于30毫米的超声换能器)，或者医用超声换能器，即加载模组2可以采用基于小型超声换能器的加载模组2和基于医用超声换能器的加载模组2。
图2示意性示出了根据本公开实施例的基于小型超声换能器的加载模组的结构图。
如图2所示，基于小型超声换能器的加载模组2可以仅包括小型超声换能器(如图2中的a所示)，或者可以包括小型超声换能器+硬质压头(如图2中的b、c所示)，或者还可以包括小型超声换能器+硬质压头+导声材料(如图2中的d所示)。硬质压头由硬质材料(例如亚克力、工程塑料)构成，能够与超声换能器以某种方式(如粘接、螺旋等方式)紧密配合，使组合后的加载模组2与软材料表面接触的部位的具有比较规则的形状(如柱形、球形、半球、圆柱和圆锥等)，对于特定的加载模组2的形状(如图2中的d所示的圆锥形)，可以采用硬质导声材料将加载模组2的形状补充完整。硬质导声材料的声阻抗应与待测软材料声阻抗(基本与水相当)匹配。
图3示意性示出了根据本公开实施例的基于医用超声换能器的加载模组的结构图。
如图3所示，基于医用超声换能器的加载模组2可以仅包括医用超声换能器(如图3中的a所示)，或者可以包括医用超声换能器+硬质压头(如图3中的b所示)，或者还可以包括医用超声换能器+硬质压头+导声材料(如图3中的c所示)。医用超声换能器可以是各个频段范围、各种阵列形状(如线阵、凸阵、面阵等)的医用超声换能器。导声材料可以是硬质的，也可以是软质的，其声阻抗与典型的软材料声阻抗(基本与水相当)匹配。硬质压头由硬质材料(如亚克力、工程塑料)构成，能够与医用超声换能器以某种方式(如粘接、摩擦配合等方式)紧密配合，使组合后的加载模组2与待测材料接触的面具有比较规则的形状(如圆形、长方形、正方形等)。
基于上述加载模组2的设计，可以，采用不同的表征方法对其进行表征对不同类型软材料试样的力学性能的表征。
监测模组3用于监测并获取加载模组2与软材料表面作用产生的信息，并发送至控制终端4进行处理。该信息例如可以通过监测包括运动框架1的位移、施加的载荷、超声换能器回波信号等，而获取的待测试样在测试中的变形、波动传播等力学响应信息。
监测模组3实时地将加载模组2所处的位置准确传输给控制终端4，其位置分辨率应达到50微米以上，最大采样频率不低于第三设计阈值(典型地，100～500Hz)。力传感器可以设置于加载模组2一端与运动框架1的运动部件固定的位置(即位于运动框架1端部和加载模组2之间)，能够实时地将加载模组2所受到的载荷大小准确传输给控制终端4；力传感器的最大量程不小于第四设计阈值(典型地，5N)；力传感器的分辨率不低于第五设计阈值(典型地，10mN)；力传感器的最大采样频率不低于第六设计阈值(典型地，100～500Hz)。
图4示意性示出了根据本公开实施例的监测模组的结构图。
如图4所示，该监测模组3例如可以包括力传感器、位移传感器、激光位移传感器及至少一组超声换能器，力传感器、位移传感器、激光位移传感器及至少一组超声换能器连接至控制终端4。超声换能器可以有一组(如图4中a、e所示)，也可以为多组(如图4中b、d所示)。在超声换能器中，至少有一组超声换能器是置于加载模组2中，及该超声换能器可以使用加载模组2中的超声换能器；其余超声换能器与加载模组2独立。
该监测模组3例如可以包括力传感器、位移传感器、激光位移传感器、第一超声换能器及激光传感器，即该超声换能器采用加载模组2的第一超声换能器，与加载模组2独立的超声换能器采用激光传感器替代(如图4中c所示)。力传感器、位移传感器、激光位移传感器、第一超声换能器及激光传感器连接至控制终端4。
监测模组3中的超声换能器有两类：小型超声换能器和医用超声换能器。小型超声换能器可以是单晶超声探头(A超)、双晶超声探头、多晶超声探头；其外壳特征尺寸小于第二设计阈值(如30mm)；医用超声换能器可以按需求采用各种换能器布置(如线阵、凸阵等)以及探头频率。
控制终端4例如可以包括数据采集卡、计算机等硬件及搭载在计算机上的软件等。控制终端4负责对运动框架1、加载模组2和监测模组3等各个模组发出控制指令，使得各个模组协调工作，按照用户设定的方式控制运动框架动作，以带动加载模组2对所述软材料表面作用；同时，接收监测模组3测得加载模组2与软材料表面作用产生的信息数据，并对数据进行处理、分析，从而得到待测材料的力学属性。数据处理软件例如可以包括压痕数据处理方法、表面波数据处理方法、近场波数据处理方法和静态弹性成像数据处理方法。
本公开实施例提出的软材料力学性质表征装置，将诸多相互独立的软材料表征方法(压痕方法、近场波方法、静态弹性成像方法、表面波方法)集成在一套硬件体系下，对于许多软材料试样，可以采用不同的表征方法对其进行表征，测得的数据能够自身进行对比，从而降低测试的误差。面对比较复杂的试样(如生物试样)，集成仪器能够采用不同的手段对试样进行表征，突破采用单一方法能够表征的材料的范围，起到1+1＞2的效果。并且，相比于单一的表征装置，将各方法集成在一起的成本远远低于各种方法分散使用的成本。
图5示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图。该方法适用于弹性均匀、且待测体的体积较大(例如，长度10cm的立方体)的软材料。
如图5所示，该方法例如可以包括操作S501～操作S505。
在操作S501，将待测软材料M稳定的放置于仪器的测量平台上。
在操作S502，选取加载模组。
该加载模组例如可以为如图2中的a所示的加载模组。加载模组的加载头的直径待测软材料匹配。例如16毫米。
在操作S503，通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组以第一预设速率压入软材料表面的预设深度，之后以第二预设速率抽离软材料。
其中，第一预设速率例如可以为1毫米/秒，第二预设速率例如可以为2毫米/秒。
在操作S504，通过监测模组获取加载模组的位移及其承受的载荷。
在执行操作S503的过程中，以一定的采样频率(如200Hz)记录下加载模组的加载头的位移d和其所承受的载荷f。
在操作S505，根据加载模组的位移及其承受的载荷计算软材料的杨氏模量。
具体可以根据接触力学经典公式(如赫兹解)，由f-d曲线拟合得到材料的杨氏模量。
图6示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图。该方法适用于弹性均匀、且待测体的体积较大(例如，长度10cm的立方体)的软材料。
如图6所示，该方法例如可以包括操作S601～操作S605。
在操作S601，将待测软材料M稳定的放置于仪器的测量平台上。
在操作S602，选取加载模组。
该加载模组例如可以为如图2中的a所示的加载模组。加载模组的加载头的直径待测软材料匹配。
在操作S603，通过控制终端发送控制指令控制运动框架以预设频率振动，带动加载模组对软材料表面施加振动激励，以产生表面波沿软材料表面传播。
例如控制运动框架运动，使加载模组的加载头以频率50Hz、位移振幅1mm振动一定的周期数。
在操作S604，通过监测模组获取表面波的传播速度。
该监测模块例如可以采用与第一超声换能器独立的一对超声换能器或激光传感器(如图4中b、c所示)采集表面波信号。在加载头开始振动的同时，监测模组获取并记录一对超声换能器或激光传感器的信号，对所得的信号进行相关等运算，从而得到一对超声换能器(或激光传感器)所在两个位点上的运动信息(如位移-时间关系或速度-时间关系)。对两个位点上的信息进行相关运算，则可算得表面波传播速度v(f)。v(f)的含义是表面波传播速度可能随着激励频率的变化而变化。
在操作S605，根据传播速度计算软材料的杨氏模量。
具体地，可以根据表面波经典理论，由v(f)算得材料的杨氏模量。若材料有一定的粘性，则可通过采用粘弹性表面波经典理论，对v(f)进行拟合，从而算得材料的粘弹性特征参数。
图7示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图。该方法适用于弹性均匀、且待测体的体积较大(例如，长度10cm的立方体)的软材料，且该软材料内部能够进行超声成像(多数生物组织都支持超声成像)。
如图7所示，该方法例如可以包括操作S701～操作S705。
在操作S701，将待测软材料M稳定的放置于仪器的测量平台上。
在操作S702，选取加载模组。
该加载模组例如可以为如图2中的a所示的加载模组。
在操作S703，通过控制终端发送控制指令控制运动框架以预设频率振动，带动加载模组对软材料表面施加法向振动，以在软材料内部产生纵向偏振的近场波。
例如控制运动框架运动，使加载模组的加载头以频率50Hz、位移振幅1mm振动一定的周期数。
在操作S704，通过监测模组获取近场波的传播速度。
该监测模块在加载头开始振动的同时，获取加载模组中超声换能器的信号，对超声信号进行相关运算，得到超声换能器所在轴线上各个位置在各个采样时刻的运动速度。对运动速度信号进行互相关运算，从而得到近场波的传播速度v(f)。v(f)的含义是近场波传播速度可能随着激励频率的变化而变化。
在操作S705，根据传播速度计算软材料的杨氏模量。
具体可以根据近场波经典理论，由v(f)算得材料的杨氏模量；若材料有一定的粘性，则可通过粘弹性材料的近场波经典理论，对v(f)进行拟合，从而算得材料的粘弹性特征参数。
图8示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图。该方法适用于弹性均匀、且待测体的体积较大(例如，长度10cm的立方体)的软材料，且该软材料内部能够进行超声成像(多数生物组织都支持超声成像)。
如图8所示，该方法例如可以包括操作S801～操作S805。
在操作S801，将待测软材料M稳定的放置于仪器的测量平台上。
在操作S802，选取加载模组。
该加载模组例如可以为如图3中的c所示的加载模组。
在操作S803，通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组与软材料表面接触，以对软材料表面施加预设载荷，并发射超声信号对软材料进行第一次超声成像，得到第一超声图像。
其中，加载模组的加载头所受载荷小于第一使用阈值(如1牛顿)，超声信号为控制终端控制超声换能器发出。
在操作S804，通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组压入所述软材料表面预设深度，以对软材料表面施加预设载荷，并发射超声信号对软材料进行第二次超声成像，得到第二超声图像。
其中，预设深度例如可以为2毫米。
在操作S805，根据第一超声图像及第二超声图像，计算软材料的杨氏模量。
具体地，控制/数据终端可以采用斑点追踪等算法对两次超声成像所得的超声图像进行运算，从而得到超声探头下方视野中各个位点的应变。根据应变分布，结合声垫的杨氏模量，通过静态弹性成像算法，得到待测材料的杨氏模量。
图9示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图。该软材料为薄膜-软基体的软材料，即有薄膜包裹的软材料(许多生物组织属于这种情况，如动物肝脏有肝包膜等)，且薄膜厚度较薄时，一般可以等效为如图10所示的软材料膜-基系统。
如图9所示，该方法例如可以包括操作S901～操作S908。
在操作S901，将待测软材料M稳定的放置于仪器的测量平台上。
在操作S902，选取加载模组。
该加载模组例如可以为如图2中的a所示的加载模组。
在操作S903，通过控制终端发送控制指令控制运动框架以预设频率振动，带动加载模组对软材料表面施加振动激励，以产生表面波沿软材料表面传播。
例如控制运动框架运动，使加载模组的加载头以预设频率50Hz、位移振幅1mm振动一定的周期数。
在操作S904，通过监测模组获取表面波的传播速度。
该监测模块例如可以采用与第一超声换能器独立的一对超声换能器或激光传感器(如图4中b、c所示)采集表面波信号。在加载头开始振动的同时，监测模组获取并记录一对超声换能器或激光传感器的信号，对所得的信号进行相关等运算，从而得到一对超声换能器(或激光传感器)所在两个位点上的运动信息(如位移-时间关系或速度-时间关系)。对两个位点上的信息进行相关运算，则可算得表面波传播速度v(f)。v(f)的含义是表面波传播速度可能随着激励频率的变化而变化。
改变预设频率，重复激励，测量f＝50Hz，100Hz，150Hz的表面波速v(50Hz)，v(100Hz)，v(150Hz)。当三个表面波速中的最大值与最小值的比小于第七设计阈值(如1.05)时，认为低频波速已经收敛。将三个表面波速的某种统计量(如平均值)作为波速收敛值v。否则，在已经进行测试的频率的基础上，继续减小激励频率(如f＝40Hz)进行测量，直至低频波速收敛到确定值v。
在操作S905，根据传播速度计算软材料中软基体的杨氏模量。
具体地，可以根据表面波经典理论，由v(f)算得材料中软基体的杨氏模量(Em)。若材料有一定的粘性，则可通过采用粘弹性表面波经典理论，对v(f)进行拟合，从而算得材料的粘弹性特征参数。
在操作S906，通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组以第一预设速率压入软材料表面的预设深度，之后以第二预设速率抽离软材料。
其中，第一预设速率例如可以为0.1毫米/秒，第二预设速率例如可以为2毫米/秒，预设深度例如可以为半个膜厚。
在操作S907，通过监测模组获取加载模组的位移及其承受的载荷。
在此过程中，以一定的采样频率(如200Hz)记录下加载头的位移d和其所承受的载荷f。
在操作S908，根据软基体的杨氏模量、加载模组的位移及其承受的载荷计算软材料中薄膜的杨氏模量(Ef)。
图11示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图。该软材料为薄膜-软基体的软材料，即有薄膜包裹的软材料(许多生物组织属于这种情况，如动物肝脏有肝包膜等)，且薄膜厚度较薄时，一般可以等效为如图10所示的软材料膜-基系统。该材料内部能够进行超声成像(多数生物组织都能进行超声成像)。
如图11所示，该方法例如可以包括操作S1101～操作S1108。
在操作S1101，将待测软材料M稳定的放置于仪器的测量平台上。
在操作S1102，选取加载模组。
该加载模组例如可以为如图2中的a所示的加载模组。
在操作S1103，通过控制终端发送控制指令控制运动框架以预设频率振动，带动加载模组对软材料表面施加法向振动，以在软材料内部产生纵向偏振的近场波。
例如控制运动框架运动，使加载模组的加载头以频率50Hz、位移振幅1mm振动一定的周期数。
在操作S1104，通过监测模组获取近场波的传播速度。
该监测模块在加载头开始振动的同时，获取加载模组中超声换能器的信号，对超声信号进行相关运算，得到超声换能器所在轴线上各个位置在各个采样时刻的运动速度。对运动速度信号进行互相关运算，从而得到近场波的传播速度v(f)。v(f)的含义是近场波传播速度可能随着激励频率的变化而变化。
在操作S1105，根据传播速度计算软材料中软基体的杨氏模量。
具体可以根据近场波经典理论，由v(f)算得材料中软基体的杨氏模量(Em)。若材料有一定的粘性，则可通过粘弹性材料的近场波经典理论，对v(f)进行拟合，从而算得材料的粘弹性特征参数。
在操作S1106，通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组以第一预设速率压入软材料表面的预设深度，之后以第二预设速率抽离软材料。
其中，第一预设速率例如可以为0.1毫米/秒，第二预设速率例如可以为2毫米/秒，预设深度例如可以为半个膜厚。
在操作S1107，通过监测模组获取加载模组的位移及其承受的载荷。
在此过程中，以一定的采样频率(如200Hz)记录下加载头的位移d和其所承受的载荷f。
在操作S1108，根据软基体的杨氏模量、加载模组的位移及其承受的载荷计算软材料中薄膜的杨氏模量(Ef)。
图12示意性示出了基于本公开实施例的软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法的流程图。该软材料为基体-夹杂相的软材料，内嵌夹杂(如粗纤维、肿瘤夹杂物等)的块体材料时，一般可以等效为如图13所示的基体-夹杂系统。该材料内部能够进行超声成像(多数生物组织都能进行超声成像)。
如图12所示，该方法例如可以包括操作S1201～操作S1208。
在操作S1201，将待测软材料M稳定的放置于仪器的测量平台上。
在操作S1202，选取加载模组。
该加载模组例如可以为如图3中的b所示的加载模组。
在操作S1203，通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组以第一预设速率压入软材料表面的预设深度，之后以第二预设速率抽离软材料。
其中，第一预设速率例如可以为1毫米/秒，第二预设速率例如可以为2毫米/秒，预设深度例如可以为2毫米。
在操作S1204，通过监测模组获取加载模组的位移及其承受的载荷。
在此过程中，以一定的采样频率(如200Hz)记录下加载头的位移d和其所承受的载荷f。
在操作S1205，根据加载模组的位移及其承受的载荷计算软材料中基体的杨氏模量。
具体可以根据接触力学经典公式(如赫兹解)，由f-d曲线拟合得到材料中基体的杨氏模量(Em)。
在操作S1206，通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组与软材料表面接触，以对软材料表面施加预设载荷，并发射超声信号对软材料进行第一次超声成像，得到第一超声图像。
其中，加载模组的加载头所受载荷小于第一使用阈值(如1牛顿)，超声信号为控制终端控制超声换能器发出。
在操作S1207，通过控制终端发送控制指令控制运动框架运动，带动加载模组压入所述软材料表面预设深度，以对软材料表面施加预设载荷，并发射超声信号对软材料进行第二次超声成像，得到第二超声图像。
其中，预设深度例如可以为2毫米。
在操作S1208，根据材料中基体的杨氏模量、第一超声图像及第二超声图像，计算软材料中夹杂相的杨氏模量(Ej)。
具体地，控制/数据终端可以采用斑点追踪等算法对两次超声成像所得的超声图像进行运算，从而得到超声探头下方视野中各个位点的应变。根据应变分布，结合基体的杨氏模量，通过静态弹性成像算法，得到待测材料中夹杂相的杨氏模量。
基于上述方法实施例进一步可以看出，采用本公开实施列提供的软材料力学性质表征装置，可以实现对于许多软材料试样的力学性质进行表征，并采用不同的表征方法对其进行表征，突破采用单一方法能够表征的材料的范围，起到1+1＞2的效果。相比于单一的表征装置，成本也远远降低。
本领域技术人员可以理解，尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法，所述软材料力学性质表征装置包括：运动框架、加载模组、监测模组及控制终端；所述加载模组一端与所述运动框架的运动部件固定，所述加载模组包括第一超声换能器；所述监测模组用于获取所述加载模组与所述软材料表面作用产生的数据信息，并发送至所述控制终端进行处理，计算所述软材料的力学性质；
其中，所述软材料为薄膜-软基体的软材料，方法包括：
通过所述控制终端发送控制指令控制所述运动框架以预设频率振动，带动所述加载模组对所述软材料表面施加振动激励，以产生表面波沿所述软材料表面传播；
通过所述监测模组获取所述表面波的传播速度；
根据所述传播速度计算所述软材料中软基体的杨氏模量；
通过所述控制终端发送控制指令控制所述运动框架运动，带动所述加载模组以第一预设速率压入所述软材料表面的预设深度，之后以第二预设速率抽离所述软材料；
通过监测模组获取所述加载模组的位移及其承受的载荷；
根据所述软基体的杨氏模量、所述加载模组的位移及其承受的载荷计算所述软材料中薄膜的杨氏模量。
2.一种基于软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法，所述软材料力学性质表征装置包括：运动框架、加载模组、监测模组及控制终端；所述加载模组一端与所述运动框架的运动部件固定，所述加载模组包括第一超声换能器；所述监测模组用于获取所述加载模组与所述软材料表面作用产生的数据信息，并发送至所述控制终端进行处理，计算所述软材料的力学性质；
其中，所述软材料为薄膜-软基体的软材料，其内部可进行超声成像，方法包括：
通过所述控制终端发送控制指令控制所述运动框架以预设频率振动，带动所述加载模组对所述软材料表面施加法向振动，以在所述软材料内部产生纵向偏振的近场波；
通过所述监测模组获取所述近场波的传播速度；
根据所述传播速度计算所述软材料中软基体的杨氏模量；
通过所述控制终端发送控制指令控制所述运动框架运动，带动所述加载模组以第一预设速率压入所述软材料表面的预设深度，之后以第二预设速率抽离所述软材料；
通过监测模组获取所述加载模组的位移及其承受的载荷；
根据所述软基体的杨氏模量、所述加载模组的位移及其承受的载荷计算所述软材料中薄膜的杨氏模量。
3.一种基于软材料力学性质表征装置的软材料力学性质表征方法，所述软材料力学性质表征装置包括：运动框架、加载模组、监测模组及控制终端；所述加载模组一端与所述运动框架的运动部件固定，所述加载模组包括第一超声换能器与硬质压头；所述监测模组用于获取所述加载模组与所述软材料表面作用产生的数据信息，并发送至所述控制终端进行处理，计算所述软材料的力学性质；
其中，所述软材料为基体-夹杂相的软材料，方法包括：
通过所述控制终端发送控制指令控制所述运动框架运动，带动所述加载模组以第一预设速率压入所述软材料表面的预设深度，之后以第二预设速率抽离所述软材料；
通过监测模组获取所述加载模组的位移及其承受的载荷；
根据所述加载模组的位移及其承受的载荷计算所述软材料中基体的杨氏模量；
通过所述控制终端发送控制指令控制所述运动框架运动，带动所述加载模组与所述软材料表面接触，以对所述软材料表面施加预设载荷，并发射超声信号对所述软材料进行第一次超声成像，得到第一超声图像；
通过所述控制终端发送控制指令控制所述运动框架运动，带动所述加载模组压入所述软材料表面预设深度，以对所述软材料表面施加预设载荷，并发射超声信号对所述软材料进行第二次超声成像，得到第二超声图像；
根据所述基体的杨氏模量、所述第一超声图像及所述第二超声图像，计算所述软材料中夹杂相的杨氏模量。
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