CN113671042A - 一种用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置 - Google Patents

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Abstract

超声共振谱作为一种利用超声激励样本产生自由振动反演材料力学特性的无损方案，近年来已被应用于小尺寸骨材料弹性性质测量中。超声共振谱测试过程需要保证待测样本不受测试装置干扰，在特定的放置角度下处于最为接近自由表面边界条件的自由振动状态，故超声共振谱测试对样本放置平台和夹持装置的设计提出了较高要求。本发明设计了一种用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置，主要用于小尺寸骨材料的共振谱测量，具体涉及生物医学电子技术领域，包括：测试架和一组轻质剪切波超声探头；本发明可用于超声共振谱测试中小尺寸骨材料样本的夹持，减小测试装置对样本的影响，为小尺寸骨材料力学性能的精确测量提供了样本测试装置。

Description

一种用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置
技术领域
本发明涉及一种用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置。
背景技术
骨组织力学特性的精确测量对于理解骨功能、揭示机理和植入式骨骼假体设计、制备与评价有重要意义。
由于骨组织材料硬度高、脆性大、尺寸小及取样困难，现有力学测试方法测试结果一致性差、重复性差、多为有损测量且对于小尺寸样本无法夹持。相较于现有的力学测试方法，超声共振谱因可实现无损测量、不受样本尺寸限制、单次测量就能获得全部弹性常数且结果高度可重复等优点，被广泛应用于金属或晶体材料的力学特性测试中。超声共振谱方法的具体操作步骤是：首先，通过超声激励待测样本产生共振，接收样本共振频率响应并对样本超声共振谱实验共振频率进行提取；之后建立理论模型，获取样本理论共振频率，最后将所得实验与理论共振频率结合，可反推出待测样本的力学性质，比如弹性常数等。然而，对于小尺寸骨材料样本的超声共振谱测量而言，超声探头与待测样本间的耦合及外界振动等因素均会对样本实验共振频率的测量结果产生影响，无法得到样本真实的共振频率，进而无法得到其准确的弹性性质。针对这一问题，本发明提出了一种用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置，为骨材料力学特性准确测量及描述提供了平台。
发明内容
针对超声共振谱测试中由于超声探头与样本耦合作用所导致测量结果不准确的问题，本发明的目的在于提供了一种用于小尺寸骨材料样本超声共振谱的测试装置，能够保证待测样本不受测试装置干扰，在特定的放置角度下处于最为接近自由表面边界条件的自由振动状态，实现样本共振频率的准确测量。其包括：测试架，用于安装超声探头和待测样本；第一超声探头，用于激励骨材料样本产生振动；第二超声探头，用于接收待测骨材料样本的共振频率响应；外壳，用于消除环境中空气流动对实验的不良影响；隔振平台，用于减小实验台振动对待测小尺寸骨材料样本共振的影响；
其中：
所述测试架包括底板和与底板垂直设置的立臂，与立臂平行设置有圆筒形滑道，用于安装第一和第二超声探头；
所述底板中心设置有凹槽，第二超声探头可嵌入凹槽中，并通过螺丝锁紧；
所述滑道内壁光滑，内径略大于第一超声探头的外径，第一超声探头可在滑道内自由滑动；
滑道侧面设置有方形缺口，第一超声探头的电连接线从缺口中伸出；滑道轴线与第一和第二超声探头振动面中心法线重合；
所述第二超声探头振动面向上，待测小尺寸骨材料样本设置在第二超声探头振动面上；第一超声探头在自身重力作用下，与待测小尺寸骨材料样本接触，与第二超声探头共同夹持住待测样本；
所述外壳设置在测试架外部，用于隔绝外界环境中气流对待测样本共振的影响；外壳下部设置有通孔，用于引出电连接线；
所述隔振平台为气浮隔振平台，测试架设置在隔振平台上，减小实验台振动对待测小尺寸骨材料样本共振的影响。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置的示意图；
图2是根据本发明的一个实施例的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置的测试架的示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置的滑道的示意图；
图4是根据本发明的一个实施例的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置的操作流程图；
附图标记：
1-测试架，101-底板，102-凹槽，103-立臂，104-滑道，105-缺口，106-滑道轴线；2-第二超声探头；3-第一超声探头；201/301-电连接线；4-待测样本；5-外壳，501-通孔；6-隔振平台；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本发明的目的在于提供了一种用于小尺寸骨材料样本超声共振谱的测试装置，能够保证待测样本不受测试装置干扰，在特定的放置角度下处于最为接近自由表面边界条件的自由振动状态，实现样本共振频率的准确测量。
根据本发明的一个实施例的用于小尺寸骨材料样本超声共振谱的测试装置包括：
测试架，用于安装超声探头和待测样本；
第一超声探头，用于激励骨材料样本产生振动；
第二超声探头，用于采集待测骨材料样本的超声共振频率响应；
外壳，用于消除环境中空气流动对实验的不良影响；
隔振平台，用于减小实验台振动对待测小尺寸骨材料样本共振的影响；
其中：
所述测试架包括底板和与底板垂直设置的立臂，与立臂平行设置有圆形滑道，用于安装第一和第二超声探头；
所述底板中心设置有凹槽，第二超声探头可嵌入凹槽中，并通过螺丝锁紧；
所述滑道内壁光滑，内径略大于第一超声探头的外径，第一超声探头可在滑道内自由滑动；
滑道侧面设置有方形缺口，第一超声探头的电连接线从缺口中伸出；滑道轴线与第一和第二超声探头振动面中心法线重合；
所述第二超声探头振动面向上，待测小尺寸骨材料样本设置在第二超声探头振动面上；第一超声探头在自身重力作用下，与待测小尺寸骨材料样本接触，与第二超声探头共同夹持住待测样本；
所述外壳设置在测试架外部，用于隔绝外界环境中气流对待测样本共振的影响；外壳下部设置有通孔，用于引出电连接线；
所述隔振平台为气浮隔振平台，测试架设置在隔振平台上，减小实验台振动对待测小尺寸骨材料样本共振的影响。
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，根据本发明的一个实施例的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置包括外壳5、隔振平台6和测试架1，其中测试架1设置在隔振平台6上面，用于减小实验台振动对待测样本4共振频率的影响；测试架1和隔振平台6共同置于外壳5内部，用于隔绝外界环境中气流对待测样本4共振的影响；如图2所示，外壳5下部设置有通孔501，用于引出电连接线201和301；
如图1、图2、图3所示，根据本发明的一个实施例的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置包括测试架1，用于安装第二超声探头3和滑道103；测试架1包括底板101和与底板101垂直设置的立臂103；与立臂103平行设置有圆形滑道104，用于安装第一超声探头3；
底板101中心设置有凹槽102，第二超声探头2可嵌入凹槽102中，并通过螺丝锁紧；
滑道104内壁光滑，内径略大于第一超声探头3的外径，第一超声探头3可在滑道104内自由滑动；
滑道104侧面设置有方形缺口105，第一超声探头3的电连接线301从缺口105中伸出；滑道轴线106与第一超声探头3、第二超声探头2的振动面中心法线重合；
第二超声探头2振动面向上，待测样本4设置在第二超声探头2的振动面上；第一超声探头3在自身重力作用下，与待测样本4接触，与第二超声探头2共同夹持住待测样本4。
如图4所示，根据本发明的一个实施例的工作过程如下：
首先组装测试架1，将底板101和立臂103垂直固定；将测试架1放置于隔振平台6上面；
其次，将第二超声探头2的振动面向上安装在底板101的中心凹槽102内，并使用螺丝锁紧；
放置待测小尺寸骨材料样本4在第二超声探头2振动面中心；
使第一超声探头3在滑道104内部受自身重力作用向下滑动，与待测样本4接触，与第二超声探头2共同夹持住待测样本4；
然后，接通电连接线201和301，输入超声信号，引起待测样本4以最大限度自由共振，并测量共振频率。
本发明的优点包括：
1)本发明采用轻质的剪切波超声探头，能够保证待测样本不受测试装置干扰，在特定的放置角度下处于最为接近自由表面边界条件的自由振动状态。
2)本发明采用外壳和隔振平台，减小了由于外界振动对于待测样本共振频率的影响。

Claims (7)

1.一种基于超声共振谱的小尺寸骨材料测试装置，其特征在于包括：
测试架，用于安装超声探头和待测样本；
第一超声探头，用于激励骨材料样本产生振动；
第二超声探头，用于接收待测样本的共振频率响应；
外壳，用于消除环境中空气流动对实验的不良影响；
隔振平台，用于消除实验台振动的影响；
其中：
所述测试架设置有竖直放置的圆筒形滑道，圆筒形滑道内壁光滑且内径略大于第一超声探头的外径，第一超声探头可在滑道内自由滑动；
测试架底板设置有凹槽，第二超声探头设置在凹槽中；
第一超声探头和第二超声探头振动面相对放置；
待测样本被放置于第一超声探头和第二超声探头之间，第一超声探头在自身重力作用下与待测样本接触。
2.根据权利要求1所述的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置，其特征在于：
所述外壳为透明材质，以便于观察待测样本状态；
测试架设置在外壳内部，以隔绝环境中空气流动对待测样本共振的影响。
3.根据权利要求1所述的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置，其特征在于：
外壳下部设置有通孔，用于引出两条超声探头线缆；
待测样本被对角放置于第一超声探头和第二超声探头之间；
所述隔振平台为气浮隔振平台，测试架设置在隔振平台上，减小实验台振动对待测小尺寸骨材料样本共振的影响。
4.根据权利要求1所述的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置，其特征在于：
所述超声探头为轻质剪切波探头；
所述样本为小尺寸骨材料。
5.根据权利要求1所述的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置，其特征在于：
滑道侧面设置有方形缺口，第一超声探头的电连接线从缺口中伸出；
第二超声探头通过螺丝锁紧在凹槽中。
6.根据权利要求1所述的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置，其特征在于：
滑道轴线与第一和第二超声探头振动面中心法线重合。
7.基于根据权利要求1－6所述的用于小尺寸骨材料超声共振谱的测试装置的测试方法，其特征在于包括如下步骤：
将测试架(1)的底板(101)和立臂(103)垂直固定；
将测试架(1)置于隔振平台(6)上方；
然后，将第二超声探头(2)的振动面向上安装在底板(101)的中心凹槽(102)内并锁紧；
把待测样本(4)放置在第二超声探头(2)振动面中心；
使第一超声探头(3)在滑道(104)内部受自身重力作用向下滑动，与待测样本(4)接触，与第二超声探头(2)共同夹持住待测样本；
然后，接通电源(201和301)，输入超声信号，使待测样本以最大限度自由共振，测量待测样本的共振频率。
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