CZ2007406A3 - Zpusob merení mechanických vlastností materiálu, kdy se zjištuje alespon jeden parametr charakterizující viskoelasticitu materiálu, a zarízení k provádení takového zpusobu - Google Patents

Abstract

Pri merení mechanických vlastností materiálu, zejména biologických materiálu se zjištuje alespon jeden parametr charakterizující viskoelasticitu materiálu. K merenému vzorku viskoelastického materiálu nebo k sonde uvádené do styku se vzorkem viskoelastického se pripojí inerciální clen, jehož hmotnost je významne vetší než hmotnost vzorku nebo sondy, pricemž inerciální clen nebo sonda jsou alespon z cásti tvoreny feromagnetickým materiálem, a pomocí bezkontaktního snímace se merí impulsní a/nebo prechodové charakteristiky pri namáhání vzorku vohybu, tahu, tlaku nebo torzi. Zarízení k provádení techto merení je inerciální viskoelastometr. Vevýhodném provedení je modifikován pro stanovení viskoelasticity materiálu pri namáhání vzorku v ohybu, v tahu nebo tlaku. Vzorek (2), fixacní clen (1) a inerciální clen (3) tvorí systém, který se rozkmitá pusobením zdroje (5) budící síly. Signál z bezkontaktního snímace (4) polohy je zpracováván elektronikou (6) a veden ke zpracování do pocítace (7). Další výhodné provedení umožnuje stanovit viskoelasticitu na základe merení povrchu vzorku nebo stanovit viskoelasticitu vzorku v podobe membrány.

Description

Způsob měření mechanických vlastností materiálů, kdy se zjišťuje alespoň jeden parametr charakterizující viskoelasticitu materiálu, a zařízení k provádění takového způsobu

Oblast techniky

Předkládaný vynález se týká obecně způsobu měření vískoelasticity a zařízení pro měření mechanických vlastností viskoelastických těles. Konkrétně se jedná o dynamický viskoelastometr s inerciálním členem. Viskoeíastometr podle vynálezu je určen zejména pro měření biologických materiálů, jako jsou například cévní stěny, kůže kosti chrupavky šlachy a podobně.

Dosavadní stav techniky

Pro popis mechanického chování těles je důležitá znalost relací mezi silami působícími na těleso a následnými deformačními odezvami. Tyto relace mohou být v obecném smyslu nelineární. Adekvátní matematické modely mají v této situaci charakter nelineárních diferenciálních rovnic. Identifikace těchto rovnic a určení jejich parametrů je obtížné (Albert Tarantola, Inverse Problém Theory Society for Industrial and Applied Mathematics, 2005. ISBN 0-89871 -572-5, Richard Aster, Brian Borchers, and Cliff Thurher, Parameter Estimation and Inverse Problems, Academie Press, 2004. ISBN 0-12065604-3). Pro praktické účely se proto používají modely lineární.

Obvykle se vychází z předpokladu, že chování tělesa, jehož mechanické parametry jsou rozloženy v celém prostoru, které těleso zaujímá, lze nahradit modelem se soustředěnými parametry, Klasicky se chování reálného tělesa popisuje jako chování pevného pružného tělesa, u kapalin pak chováním Newtonovské kapaliny. U pevných těles je tento model přijatelný pro malé relativní deformace ve statickém režimu zatěžování. Vyhovují také v situacích, kdy změny zatížení jsou podstatně pomalejší než jsou časové konstanty vlastní pohybové rovnice tělesa.

• Β • ΒΒ

U viskoclastických těles tyto předpoklady nejsou splněny. Pro popis deformačního chování viskoelastických těles se proto používají modely, které popisují chování těles při dynamickém zatěžování. Obvykle se vychází z předpokladu, že se jedná o chování, které lze v určitém rozmezí zatěžujících sil považovat za lineární.

U lineárních mechanických systémů lze vztahy mezi vstupem a výstupem plně popsat diferenciální rovnici typu

kde a a b jsou koeficienty, i a / jsou stupně derivace, y je vstupní veličina (obvykle síla či mechanické napětí), ti je výstupní veličina (obvykle absolutní či relativní deformace).

Prakticky se postupuje zpravidla tak, že mechanické chování vychází z vhodného Teologického modelu (z něho plyne tvar levé strany výše uvedené rovnice). Vypočet parametrů levé strany rovnice vychází z měření mechanické deformační odezvy na zvolený průběh deformující síly (ten určuje tvar a velikost parametrů pravé strany rovnice). Jinými slovy vychází z měření zvolené charakteristiky.

Reologický model obsahuje kombinaci Ilookeových těles (obr. 1A), reprezentujících elastickou složku chováni a Newtonových těles (obr. 1B). reprezentujících viskózní složku chování a tedy i disipaci energie při dynamické odezvě (Meyers and Chawla (1999): Mcchanical Behaviors of Materials. Mcchanical behavior of Materials, 570-580. Prentice líall, lne.). Pro popis mechanických vlastností se používají různě složité Teologické modely. Obvykle se používá Voighlův model (obr.2).

Složitější model podle obr. 3, který je sério-paralelní kombinací ilookeových a Newtonových těles, je popsán následující soustavou rovnic:

F(i)- Ffa) --0 (1) kde l'(í) je vnější síla působící na těleso, je sila působící v tělese jako reakce na vnější sílu.

»· ·	0 0	0 0
<	0 0 «00	0 0
«*« 00	«0 · »	00 0

přičemž síly působící na jednotlivé „paralelní“ kombinace Hookeových a Newtonových těles jsou shodné:

F,(,)=W Λ _{+ H M} „ 7 = N, 7 + H.SL, dt dt dt (2) kde N/ N> ...jsou Newtonovy koeficienty, H/ LI? ...jsou Hookeovy koeficienty, L_{, Li... jsou délky u jednotlivých „paralelních“ kombinací Hookeových a Newtonových těles.

Celková délka tělesa je:

r.(i)=ý(i„₊4i,) (3)

I kde Lni jsou klidové délky a AA, jsou deformace dílčích „paralelních“ kombinací Hookeových a Newtonových těles

Celková klidová délka je

i.//„ w

I

Celková deformace je:

Λί.^ΔΛ, (5)

Dosud užívané způsoby měření často používají pro identifikaci modelu frekvenční charakteristiky nebo křivky toku („creep curves“). Zařízení jsou velmi komplikovaná a obvykle i drahá. V literatuře jsou popsány i metody založené na měření dalších charakteristik, např. přechodových charakteristik (např. český patent č. 292 284).

US patent 3,470,732 popisuje přístroj určený pro měření modulu pružnosti a tzv, „loss“ modulu (který souvisí v viskózními vlastnostmi materiálů), Přístroj měří deformační odezvu na sinusový průběh síly, ledy frekvenční charakteristiky a neužívá žádný inerciální člen, Je určen pro vzorky plastů.

v· · · * ta tat ta · «ta· • i · * «ta * ta » · * <b ta · ta·· tata ·» ·· ta ta • ta ta ta • · «ta ta

US patent 4,165,634 se týká přístroje pro měření vzorků nylonu, PE, gumy, vláken kompozitních materiálů a pod. Měření probíhá na vzorcích materiálů. Na základě měření frekvenčních charakteristiky umožňuje získat komplexní modul pružnosti a tzv. mechanické ztráty („mechanical loss‘j,

Dokument JP 62 250 336 popisuje přístroj určený pro měření vzorků krycí vrstvy kompositních materiálů. Vzorek jc upnut mezi dvě svorky, uprostřed vzorkuje umístěno inerciální těleso speciální konstrukce. Systém vzorek plus inerciální těleso se rozkmitá a měří se tlumené kmity. Z frekvence a tlumení kmitů se počítají viskoelastícké vlastnosti vzorku. Měří se namáhání v torzi. Měření je založeno na obecně známém principu výpočtu viskoelasticity ztlumených torzních kmitů, Měření je možné pouze v torzi, vůbec není možné měření povrchů.

Dokument JP63196838 se týká přístroje určeného pro měření viskoelasticity kůže. Zařízení neužívá inerciální těleso a umožňuje měření pouze odezvy k torzi.

Dokument DE 4 040 786 popisuje přístroj určený pro měření viskoelastických vlastností povrchů. Princip měření spočívá v měření závislosti mezi silami a deformacemi v ustálených stavech (statická měření) a v měření deformační odezvy na harmonický průběh zatěžující síly při různě velkých statických namáháních. Zařízení neobsahuje inerciální člen a měří frekvenční charakteristiky.

US patent 6,609,428 se týká přístroje pro určování tzv. reálných a imaginárních modulů (Youngova modulu a modulu ve smyku) a Poissonova čísla. Na jednom konci vzorku jc mechanicky připojena „hmotnost“ (inerciální člen). Při měření sc snímá zrychlení, a to kontaktním způsobem. Měří se tedy frekvenční charakteristiky. Navíc sc z těchto měření neurčují parametry reologických modelů.

Český patent č. 292 284 popsal přístroj pro měření viskoelasticity tkání živých organismů. Princip měření spočívá v měření časové závislosti deformace povrchu těla jako odezvy na působení obdélníkového impulsu zatěžující síly. Na základě této odezvy sc určují parametry reologického modelu. Přístroj však neobsahuje inerciální člen, snímání není bezkontaktní a zařízení je koncipováno jen pro měření v tlaku.

» · * ♦*« • · • *·

Hlavní nedostatky dosud používaných metod a zařízení lze shrnout následovně:

1) Významný problém představuje vliv setrvačnosti měřeného materiálu a setrvačnosti pohyblivé složky snímače. Setrvačné síly principiálně ovlivňují dynamiku deformační odezvy. Dosavadním řešením je to, že se uvedený vliv buďto zanedbává nebo se eliminuje výpočtem. Korekce chyb výpočtem je však komplikována tím, že hmotnost pohyblivých částí měřeného systému (tj. sondy a pohybující se části měřeného vzorku ) je obtížné určit, V důsledku je přesnost těchto měření principiálně omezená,

2) Citlivost používaných metod je omezena malými hodnotami měřených deformací.

3) Přesnost používaných metod zhoršuje také vliv snímačů, pokud jsou v kontaktu s měřeným materiálem.

Nedostatky a problémy způsobů a zařízení doposud užívaných ke zjišťování Teologických vlastností materiálů, konkrétně viskoelasticity, a to zejména biologických vzorků, řeší v podstatě jednoduše, a přitom účinně, způsob a zařízení podle předloženého vynálezu.

Podstata vynálezu

Výše popisované nedostatky známé ze stavu techniky odstraňuje nový způsob měření viskoelasticity a nové zařízení podle předloženého vynálezu, a sice dynamický viskoelastometr s inerciálním členem (dále jen zkráceně inerciální viskoelastometr).

Prvním hlavním předmětem vynálezu je způsob měření mechanických vlastností materiálů, při kterém se zjišťuje alespoň jeden parametr charakterizující viskoelasticitu materiálu, spočívající v tom, se k měřenému vzorku viskoelastického materiálu nebo k sondě uváděné do styku se vzorkem viskoelastického přípoji inerciální člen, jehož hmotnost je významně větší než hmotnost vzorku nebo sondy, přičemž inerciální clen nebo sonda jsou alespoň z části tvořeny feromagnetickým materiálem, a pomocí bezkontaktního snímače se měří impulsní a/nebo přechodové charakteristiky při namáhání vzorku v ohybu, tahu, tlaku nebo to rzi.

Druhým hlavním předmětem předkládaného vynálezu je zařízení k provádění výše popsaného způsobu, tj. inerciální viskoelastometr. Obecně řečeno, inerciální viskoelastometr podle předloženého vynálezu je vybaven inerciálním Členem. Tento inerciální člen se volí tak, aby jeho hmotnost větší než je hmotnost dalších pohyblivých částí měřeného systému (tj. sondy a pohybující se části vzorku). Připojením inerciálního členu je eliminována chyba měření, která vzniká vlivem setrvačných sil, protože hmotnost inerciálního členu je známa s velkou přesností a je také dobře definováno místo působení jeho setrvačné sily. Další výhodou této konstrukce je i podstatné zvětšení citlivosti měření. Toto uspořádání umožňuje použít na výrobu inerciálního členu (nebo jeho části) feromagnetický materiál. Toto řešení je spojeno s možnosti jednoduchého bezkontaktního snímání deformací.

Předmětem vynálezu tedy je zařízení k provádění způsobu podle vynálezu, které obsahuje inerciální člen uzpůsobený k připojení ke vzorku vískoelastického materiálu nebo k sondě uváděné do styku se vzorkem vískoelastického materiálu, jehož hmotnost je významně větší než hmotnost vzorku nebo sondy, přičemž inerciální člen nebo sonda jsou alespoň zčásti tvořeny feromagnetickým materiálem, a dále obsahuje bezkontaktní snímač pro snímání změny elektromagnetického pole bezkontaktního snímače a zdroj budicí síly pro vyvolání tlumeného kmitavého pohybu inerciálního členu nebo sondy.

Konkrétně je předmětem vynálezu inerciální viskoelastometr, znázorněný schématicky na obr. 4, který obsahuje fixační přípravek i pro upevnění vzorku 2 měřeného materiálu, inerciální člen 3, bezkontaktní snímač 4 polohy, elektroniku 6 zpracovávající signál ze snímače a převádějící informaci o poloze inerciálního členu do digitální formy, a dále počítač 7 vybavený programem či programy pro identifikaci modelu mechanického chování měřeného materiálu a výpočty jeho parametru. Hmotnost inerciálního členu 3 se volí tak, že pohybová rovnice systému tvořeného měřeným vzorkem 2 a inerciálním členem 3 má periodické řešení a zároveň tak, že hmotnost inerciálního členu 3 je významné větší, než hmotnost samotného vzorku 2. Inerciální člen 3 je alespoň zčásti tvořen feromagnetickým materiálem. Bezkontaktní snímač 4 vytváří v okolí inerciálního členu 3 magnetické pole a snímá změny elektromagnetického pole vyvolané pohybem inerciálního členu 3. Informace ze snímače 4 se zpracovávají pomoci počítače. Sf je směr kmitů pro tah a tlak, S2 je směr kmitů pro ohyb. Program počítače provádí řešení

• · · inverzního problému. Energie pro vyvolání pohybu systému vzorek-inerciální člen se do systému vnáší prostřednictvím zdroje 5 budící energie. Měří se odezvy na impuls síly nebo energie (impulsní charakteristiky), odezvy na skok síly či energie (přechodové charakteristiky) a odezvy na obdélníkový impuls síly nebo energie (křivky toku). Toto základní provedení vynálezu lze modifikovat pro různé typy měřeni, např, pro měřeni při namáhání vzorku v ohybu, tahu a tlaku nebo torzi, a také pro měření povrchů a membrán, jak bude ukázáno v příkladech výhodných provedení zařízení podle vynálezu.

Významnou skupinu biologických materiálů lze z mechanického hlediska považovat z,a viskoelastická tělesa. Do této skupiny patří mj. cévy, šlachy, chrupavky kůže a kosti. Obvykle používaná kvantifikace tuhosti (modulů pružnosti) těchto materiálů ani další statické charakteristiky (zatěžovací diagramy, diferenciální moduly Či meze pevnosti) nejsou pro popis mechanického chování viskoelastických těles dostačující. Principiální omezení těchto klasických metod spočívá vtom, že poskytují pouze informace o mechanickém chování v ustálených stavech (tedy při statickém zatěžování). V reálných situacích jsou však materiály zatěžovány dynamicky, což platí zejména pro biologické struktury.

Při určování adekvátního modelu konkrétního materiálu a pro výpočty jeho parametrů se postupuje tak, že se měří dynamické odezvy vzorku. Obvyklé je použití frekvenčních charakteristik. Identifikace modelu a výpočty parametrů vycházejí z matematického popisu výše uvedených Teologických modelů.

Principiální nedostatek výše uvedeného přístupu je zanedbávání vlivu setrvačné složky materiálu, a ve většině případů i vlivu setrvačnosti pohyblivých částí měřicího zařízení (svorek, snímače a pod). Tento přístup může vést k zásadním chybám. Dokonce i v případě, kdy je zanedbáni setrvačnosti oprávněné a systém se chová podle jednoduchého modelu na obr. 3, je tento přístup méně výhodný, než řešení popisované v předložené přihlášce. Měřené dynamické odezvy mají v tomto případě neperiodický charakter (pohybová rovnice má kořeny v reálné oblasti). Tato skutečnost omezuje citlivost a přesnost měření.

φ « • ··· • · <

Řešení podle předloženého vynálezu má dva podstatné znaky, a sice (1) spojení vzorku nebo sondy s inerciálním členem a (2) bezkontaktní snímání:

1) Spojení s inerciálním členem

Na pohyblivou část měřicího zařízení, která jc tvořena měřeným vzorkem (např, 2 na obr.

4) materiálem nebo sondou (např. 13 na obr. 15) se mechanicky připojí inerciální člen (např. 3 na obr. 4 nebo 3.3 na obr. 15). Hmotnost inerciálního členu se volí tak, že jsou současně splněny následující podmínky :

a) Hmotnost inerciálního členu je větší než odpovídá mezi pro periodický charakter odezvy. Mez periodicity vyplývá z řešení pohybové rovnice (viz dále uvedená rovnice (6)).

N¹

Pohybová rovnice má periodické řešeni za podmínky alespoň pro jednu z „paralelních“ kombinací Hookeových a Newtonových těles (viz obr. 6).

b) Hmotnost inerciálního členu je významně větší, než je hmotnost pohybující se části měřeného tělesa. V případě měření vzorků materiálu se volí hmotnost inerciálního členu alespoň 5x vetší, než je hmotnost vzorku. V případě měření povrchu se volí hmotnost inerciálního členu alespoň 5x větší než je hmotnost válce měřeného materiálu o ploše velikosti otvoru ve fixačním přípravku a délce 0,5 mm.

Splněním výše uvedených podmínek se zvýší citlivost určování parametrů a zlepší přesnost měření.

Identifikace parametrů měřeného objektu se provádí s dostatečnou přesností a citlivostí na základě impulsních nebo přechodových charakteristik, což jc jednodušší a v důsledcích levnější než obvyklé měření frekvenčních charakteristik.

Po připojení inerciálního členu (viz obr. 5) sc jednoduchý model podle obr. 3 změní na složitější model uvedený na obr. 6.

Model podle obr. 6 je popsán následující soustavou rovnic, která se liší od soustavy rovnic ((1)- (4)) tím, že jc do ní zahrnut vliv setrvačných sil:

♦ · • 4« d~L dL, d~L <ty d~L dL

F (i) = M —— + V, —- + H.U, =M — ·— + N, —- + H Δί, —-mV —tlí EL, dt² di ¹¹ d(² - dt ² ' dt² dí ··

Pro rovnováhu sil platí:

(6) kde M je hmotnost inerciálního členu, ty, fy ...jsou Newtonovy koeficienty, /// fy ...jsou Hookeovy koeficienty, ty, L₂ ... jsou délky u jednotlivých „paralelních“ kombinací Hookeových a Newtonových těles (viz model na obr. 6).

Celková délka tělesa je:

ί(/)=£(7.„+Δλ,) (7) [

kde tyo jsou klidové délky a Δ/l, jsou deformace dílčích „paralelních“kombinací Hookeových a Newtonových těles

Celková klidová délka je (8)

Celková deformace jc:

Δ/.=£δ/., (9)

I

Je třeba zdůraznit že hmotnost A/ známe, s velkou přesností. Je dána hmotností inerciálního členu, která sc určí velmi přesně vážením,

Výše uvedená soustava rovnic umožňuje vyjádřit závislost M,(t) na budící síle tyt) a na parametrech systému, Následné je možné na základě měření konkrétních průběhů &L(t), tj. na základe dynamických charakteristik, určit parametry modelu.

> · * * ·· ·*

2) Bezkontaktní snímání

Snímání změn délky (při měření v tahu) a měření polohy (při měření v ohybu), případně i měření působících sil se obvykle prování snímači, které jsou ve spojení smeteným objektem. Takovéto provedení vede ke vzniku chyb, vlivem ovlivnění měřeného objektu snímači.

V zařízení podle předloženého vynálezu je snímání prováděno bezkontaktně, na principu elektromagnetické indukce. Indukční a induktivní snímače v obvyklém provedení nepracují bezkontaktně, vyžadují aby jejich pohyblivá část byla mechanicky spojena s měřeným systémem V případě zařízení podle vynálezu je tato nutnost odstraněna tím, že inerciální člen je alespoň zčásti tvořen feromagnetickým materiálem a nahrazuje pohyblivou část klasických snímačů. Bezkontaktní snímač 4 (viz obr. 4) v provedení podle vynálezu vytváří v okolí inerciálního členu 3 magnetické pole a snímá změny elektromagnetického pole vyvolané pohybem inerciálního členu 3. Výhodou je eliminace vlivu snímače 4 na měřený vzorek 2 a vysoká citlivost snímání.

Výhodná provedení způsobu měření a zařízení podle přeloženého vynálezu jsou pro lepší porozumění podrobněji popsána v následujících příkladech l a 2 a výhodná provedení zařízení podle vynálezu jsou znázorněna na připojených obrázcích 7 až 9 a 14 až 17.

Popis obrázků na výkresech

Obr. 1 znázorňuje základní Teologická tělesa. Na obr. 1A je znázorněno Hookcovo těleso a rovnice popisující jeho chování, na obr. 1B je znázorněno Newtonovo těleso a rovnice popisující jeho chování.

Obr. 2 znázorňuje Voígtův model sestávající z paralelní kombinace Hookeových a Newtonových těles.

• » • · * • # ···

.....

• · · * · ·«

Obr. 3 znázorňuje reologický model obsahující „sério-paralelní“ kombinace Hookeovýcb a Newtonových těles.

Obr. 4 ukazuje obecné schéma dynamického inerciálního viskoelastometru tj. zařízení podle vynálezu.

Obr. 5 znázorňuje reologický model inerciálního členu.

Obr. 6 znázorňuje reologický model s inerciálním členem M.

Obr, 7 ukazuje schématicky zařízení podle vynálezu modifikované pro měření viskoclastieity vzorku při namáhání vzorku v ohybu. A je nárys, B je půdorys.

Obr. 8 je schéma bezkontaktního snímače se sondou 8 snímače.

Obr. 9 je schéma zdroje budící síly a/nebo zvedacího elektromagnetu.

Obr. 10 znázorňuje schematicky postup zpracování dat.

Obr, 11 znázorňuje reologický model obsahující 2 složky.

Obr. 12 je graf průběhu deformace při měření podle příkladu 1. Autentický záznam měření.

Obr. 13 je graf tlumených kmitů složky 1 modelu, s periodickou odezvou. Jedná se o přepočtená data z průběhu deformace podle obr. 12.

Obr. 14 ukazuje schématicky zařízení podle vynálezu modifikované pro měření viskoelasticity při namáhání vzorku v tahu a tlaku,

Obr. 15 ukazuje schématicky zařízení podle vynálezu modifikované pro měření povrchu materiálů.

Obr. 16 ukazuje schématicky zařízení podle vynálezu modifikované pro měření membrán.

Obr. 17 ukazuje schématicky fixační přípravek pro membrány.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Stanovení parametrů viskoelasticity materiálu při namáhání v ohybu nebo v tahu.

la) Měření na základě namáhání v ohybu

Provedení inerciálního viskoelastometru pro měření vzorků kostí v ohybu jc schématicky znázorněno na obr. 7.

Vzorek 2.1 měřeného materiálu má rozměry: 15 až 50 mni (délka), 1 až 10 mm (příčné rozměry) aje mechanicky upevněn do fixačního přípravku 1.1.

Na dolní konec měřeného vzorku 11 jc připevněn inerciální člen 3.1 z feromagnetického materiálu (ocel). Hmotnost inerciálního členu 11 se vybírá ze sady inerciálních členů. Hmotnost inerciálního členu 3.1 musí být nejméně 5 krát větší než hmotnost vzorku 2.1. Inerciální členy 3.1 mají tvar kvádru. Délka (ve směru kmitů) je 2 krát větší než rozměr ve směru kolmém na kmity(hloubka). V sadě jsou inerciální členy v rozmezí hmotností 2 až 150 g.

Snímač 4.1 je tvořen válcovou cívkou (schématicky znázorněn na obr. 8) obsahující 6000 závitů ze smaltovaného drátu, Cu, 0,14 mm, s feromagnetickým jádrem, délka 55 mm, průměr 5 mm, které je sondou 8 bezkontaktního snímače. Sonda 8 vyčnívá 10 mm nad horní čelo cívky. Přikládá se paralelně k hraně inerciálního členu 3.1. V klidovém stavuje * ·· vzdálenost mezi okrajem inerciálního členu 3.1 a bližším okrajem sondy 8 v rozmezí 1 až 2 mm.

Systém tvořený vzorkem 2,1 a inerciálním členem 3.1 se mechanicky rozkmitá pomocí zdroje budící síly 5.1, Amplituda kmitů musí být menší nebo stejná jako vzdálenost sondy 8 snímače od inerciálního členu 34, Vnesení budící síly se provede zapnutím a vypnutím zdroje budící síly 54, kterým je elektromagnet schématicky znázorněný na obr. 9, tvořený např. cívkou, 5 500 závitů smaltovaného drátu, Cu, 0,22 mm, s železným jádrem, délka 45 mm, průměr 10 mm

Signál ze snímače 4.1 je elektronikou 6.1 zpracován a převeden do digitální formy a dále je zpracováván počítačem 7.1, Blokové schéma postupu zpracování dat je na obr. 10, Zde blok A představuje měřený systém, B je A/D převodník, C představuje načtení a uložení naměřených dat, D je volba modelu, E je identifikace parametrů. Veličina X reprezentuje časový průběh budící síly či energie. Veličina Y reprezentuje časový průběh deformační odezvy. Výstupem Z jsou reologickc parametry (N_b N₂, H|, ll₂, viz. obr. 11) modelu. Pomocí počítače se tedy zaznamená průběh odezvy a vypočtou se parametry materiálu vzorku pro rcologický model, který je znázorněn na obr. 11.

Příklad identifikace modelu a vztahy pro výpočet parametrů

Reologický model uvedený na obr. 1 i jc popsán následující soustavou rovnic:

kde L je průhyb koncového bodu vzorku (10)

L(t) = Lft) r Lrft) (Π) kde Li(t) a ZjfZý jsou průhyby připadající na jednotlivé složky modelu (obr, 11). Mezi členy a T> platí poměr:

(12) • *· ··« • ' kde L;mx a Límax jsou deformace v jednotlivých složek modelu ustáleném stavu na počátku měření.

Hmotnost inerciálního členu je volena tak, aby první složka modelu měla periodickou ,y ² odezvu na impuls i skok budící síly ^a druhá složka měla odezvu na impuls i

IV,² skok budicí síly aperiodickou (M 7^- )·

Pro odezvu na skok síly periodické složky platí:

£,(/)= ^.e*<cos£y.í _(l3) ·* I

Pro tlumení amplitudy kmitů platí:

k_}=N_t/2M (14) kde Mje hmotnost inerciálního členu.

Pro frekvenci tlumených kmitů platí:

2M

Časová odezva druhé složky modelu je aperiodická.

Časová odezva druhé složky modelu na skok je v tomto případě:

£,(í) ₌ f^L(l__e^') (16) č

(15) k? = Hj/jVí (17) *

• · · » · ··· • · · · * · · ·* ·»

Postup měření a výpočtů

1) Provede se měření časové odezvy vzorku na skok deformace v ohybu, Výsledná odezva má průběh daný součtem dílčí deformace Ljt) první složky (viz, rovnice (13)) a dílčí deformace h(t) druhé složky (viz rovnice (16)). Z průběhu odezvy se s využitím rovnic (13) a (16) určí veličiny A/. Αγ ω, a poměr

2) Dále se určí parametr Ni na základě rovnice (14)

3) Z rovnice (15) se určí parametr Hj.

4) Z rovnic (12), (13) a (16) se určí parametr IN.

5) Z rovnice (17) se určí parametr AN

Aplikace způsobu podle vynálezu na biologickém vzorku

Měření bylo provedeno na výbrusu spongiózní části caput femoris. který tvoří hlavici kyčelního kloubu od lidského dárce (zdravý muž, 70 let). Materiál byl získán po operaci kyčelniho kloubu. Po operaci byl po dva týdny uchováván vc fyziologickém roztoku za teploty 15 °C. Před experimentem byl za laboratorní teploty (24°C) /.hlavice kloubu vybroušen vzorek.

Následně bylo provedeno měření v ohybu výše uvedeným způsobem.

Vzorek: rozměry 25 x 3,5 x 3,5 mm, hmotnost 0.61 g

Inerciální člen: hmotnost M _ 141.6 g, rozměry 20 x 20 x 45 mm

Na obr, 12 je záznamu měření deformace v závislosti na čase. Na obr, 13 jsou vypočtené hodnoty tlumené kmity složky 1 modelu - získané z hodnot ukázaných na obr, 12.

Výsledky měřeni jsou shrnuty v tabulce 1.

Tab. 1. Parametry vzorku spongiózní části caputfemoris

měření v	N,	Hi	N2	h2	Váha
ohybu	(kg·!1)	(N.rrf1)	(kg.s')	(N.nf1)	1. složky
	0,714	316	209	719	0,695

Váha první složky vyjadřuje poměr mezi deformací první (rychlé) složky k celkové deformaci v ustáleném stavu

Získané parametry ukazují na významný vliv viskózních složek při dynamickém zatěžování. Vliv viskózních složek na odezvy roste s frekvenci budící deformační síly a projevuje se růstem dynamické tuhosti materiálů. Nárůst dynamické tuhosti (ve srovnání s tuhosti při statickém namáhání) bude u první složky významný (nad 10%) u frekvencí nad 7 Hz . U druhé složky již nad 0,05 Hz.

Protože časová konstanty (AW) jsou u pivní složky 2,3 ms (viz. tab.l) a u druhé složky 0,29 s, je zřejmé, že při obdélníkovém impulsu zatěžující síly dosáhne deformace u první složky 90% deformace v ustáleném stavu za 5 ms a u druhé složky za O,65s. Prakticky z toho plyne, že odezvy deformace na impulsy sil kratší než cca 0,5 s jsou vlivem viskózní složky V? významným způsobem zmenšeny, ve srovnání se statickým zatěžováním. Jinými slovy, viskózní složka 7 omezuje namáhání vzorku při namáhání obdélníkovými impulsy kratšími než řádově sekundy. Implikace pro analýzu rizika zlomenin jsou zřejmé.

lb) Měření na základě namáhání v tahu a tlaku

Určování viskoelastických parametrů při namáhání v tahu lze provádět pomocí modifikovaného zařízení podle obr. 14. Inerciální člen 3.2 je v tomto provedení válcového tvaru. Průměr válce je v rozmezí 5 až 15 mm, délka 10 až 30 mm. Poměr délky k průměru 2 : 1 až 2,5 : 1. Materiál je ocel. Hmotnost v rozsahu 1,54 až 50 g. Inerciální Člen 32 )c veden pomocí vedeni U2 inerciálního členu. Vedení ý2 je tvořeno například skleněnou trubicí o průměru o 0,1 mm větším, než je průměr inerciálního členu 12. Vedení ]2 ·· inerciálního členu zamezuje stranovým výchylkám kmitů. Vedení 12 inerciálního členu, inerciální člen 3.2 a vzorek 2.2 jsou upevněny souose, přičemž osa je vertikální.

Příklad 2

Stanovení parametrů viskoelasticity materiálu při měření povrchu materiálů a membrán

2a) Měření viskoelastických vlastností povrchu materiálů

Na obr. 15 je schéma modifikace inerciálního viskoelastometru pro měření povrchu materiálů. Zařízení je zásadním zlepšením staršího zařízení podle českého patentu e. 292284. Inerciální člen 3.3 je v tomto provedení válcového tvaru. Průměr válce je v rozmezí 5 až 15 mm, délka 10 až 30 mm. Poměr délky k průměru 2 : 1 až 2,5 : 1. Materiál mosaz. Hmotnost v rozsahu 1,7 až 50 g. Inerciální člen 3.3 je umístěn na sondě 13, mezi snímačem deformace 16 a fixačním přípravkem 15. Sonda 13 je tvořena válcovou tyčinkou, např. ze skla nebo plastu, o průměru např. 4 mm. Na dolním konci je zakončena kulovým vrchlíkem nebo plochou. Na horním konci je zakončena kruhovou patkou 14 o průměru 8 mm, patka je z. oceli. Zvedací elektromagnet 5.3 může být proveden např. stejně jak je znázorněno na obr. 9.

Měření probíhá tak, že sonda E3 s inerciálním členem 3.3 se elektromagnetem 5.3 zvedne 5 až 10 mm nad povrch měřeného vzorku 23. Vypnutím elektromagnetu 5.3 se sonda j3 s inerciálním členem 3.3 spustí volným pádem na povrch tělesa vzorku 23. Snímačem 16 (podle patentu č. 292284) se měří časový průběh deformace. Elektronika 6.3 a počítač 73 vybavený programem mohou být případně shodne jako při měření podle la).

· to to to <♦· • to · » • v «

Postup výpočtů:

1. Urči se parametry průběhu: kj, k2, ω,

ΔΖ

ΔΙ

MAX

2. Další postup je obdobný jako měření podle la). Teoretické vztahy a výpočty jsou také analogické.

Aplikace způsobu podle vynálezu na biologickém vzorku

Měření probíhalo na kůži dlaně levé ruky u žena 58 let, v oblasti uprostřed nad facilis brevis způsobem popsaným výše.Ruka byla odmaštěna a ohřátá infralampou na cca 30°C. Následně byla pneumaticky tlakem 60 mmllg fixována. Hmotnost inerciálního členu a sondy byla 37,8 g. Otvor fixačního zařízení měl průměr 20 mm.

Výsledky měření jsou uvedeny v následující tabulce 2.

Tab. 2. Parametry Teologického modelu chování povrchu lidského těla

měření povrchu kůže	N, (kg-s1)	H, (kN.m'1)	N, (kg.s1)	h2 (N.nť1)
1,8	33	3,8	5,24

Výsledky ukazují na chování povrchu lidského těla v souladu s modelem podle obr. 3. Ukazují také na význam viskózních složek chování a na jejich význam v kosmetologii a dermatologii. Intuitivně používaný termín „pružnost kůže“ je možno přesněji nahradit rychlostními konstantami (H_s/Ni a T/jV?, viz tab. 2), «

♦ ♦ ··

2b) Stanovení viskoelastických vlastností měřením povrchu membrán

Na obr. 16 je schéma modifikace inerciálního viskoelastometru uzpůsobeného pro měření membrán. Zařízení se liší od varianty 2a odlišným způsobem fixace vzorku. Ostatní uspořádání je v podstatě shodné.

Na obr. 17 je znázorněn podrobněji fixační přípravek 15.1 (viz obr. 16) pro měření membrán. Vzorek 2.5 měřené membrány se sevře mezi dvě desky J_7, vybavené koncentrickým a stejně velkým otvorem 18 pro průchod sondy. Měřená membrána 2.5 je mezi fixační desky 17 uchycena pomocí šroubů 19. Velikost otvoru L8 je v rozmezí 5 až 50 mm (průměr).

Teorie, vztahy i postupy jsou analogické k předchozímu příkladu.

Odborníkovi je zřejmé, že příkladná provedení rozsah vynálezu neomezují pouze na tato provedení. Na základě zde uvedené vynálezecké myšlenky, popisu vynálezu a příkladů výhodných provedeni by odborník snadno našel další výhodné modifikace uvedených provedení či jiná výhodná provedení. Odborník např. může snadno upravit zařízení podle vynálezu pro měření vtorzi. Všechny takové modifikace nebo výhodná provedení spadají do rozsahu předloženého vynálezu.

Průmyslová využitelnost

Předložený vynález najde uplatnění v medicíně a biologickém výzkumu, v průmyslu náhradních a pomocných materiálů pro lékařství, případně i v textilním a gumárenském průmyslu a průmyslu plastů.

Výzkum viskoelastických vlastností biologických materiálů je klíčový pro poznání dynamiky mechanických reakcí kardiovaskulárního systému, kostí, šlach a dalších struktur.

Význam těchto vlastností je diagnostický a je klíčový i pro vhodnou volbu mechanických parametrů pomocných a náhradních materiálů. Zařízení podle vynálezu umožní přesné a ···« ·· · · · · · přitom levné měření těchto vlastnosti. Umožní i získání podrobnějšího popisu viskoclastíckých vlastností materiálů, než je v současné době možné. Umožní analýzu rizik poškození při dynamickém namáhání ve vztahu k ncmocem (osteoporóza, sklerotické změny a pod), výživě a stárnutí.

Dosud je malá pozornost věnována mechanickému přizpůsobení náhradních a pomocných materiálů ve zdravotnictví, Navržená aparatura umožní přesné a levné řešení těchto problémů.

Vynález umožní zkvalitnění technologie zejména v textilním a obuvnickém průmyslu, perspektivní je i použití v gumárenském průmyslu a vývoji a výrobě plastů.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY • ··· ····* · · · · ·β ·

   1. Způsob měření mechanických vlastností materiálů, kdy se zjišťuje alespoň jeden parametr charakterizující viskoelasticitu materiálu, v y z n a č u j í c í se tím, že se k měřenému vzorku viskoclastického materiálu nebo k sondě uváděné do styku se vzorkem viskoclastického materiálu připojí inerciální člen, jehož hmotnost je významně větší než hmotnost vzorku nebo sondy, přičemž inerciální člen nebo sonda jsou alespoň zčásti tvořeny feromagnetickým materiálem, a pomocí bezkontaktního snímače se mčří impulsní a/nebo přechodové charakteristiky při namáhání vzorku v ohybu, tahu, tlaku nebo torzi.
2. 2. Způsob podle nároku 1 vy zn a č u j íc í se t í m ,že hmotnost inerciálního členu je alespoň 5 x větší než hmotnost vzorku nebo sondy a současně pohybová rovnice sestavy tvořené vzorkem a inerciálním členem nebo sondou a inerciálním členem má periodické řešení, přičemž se sestava tvořená vzorkem a inerciálním členem nebo vzorkem, sondou a inerciálním členem uvede pomocí zdroje budící síly do pohybu v magnetickém poli bezkontaktního snímače, načež sc snímají změny elektromagnetického pole bezkontaktního snímače, vyvolané tlumeným kmitovým pohybem inerciálního členu nebo sondy.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2 vyznačující se tím, žc z naměřených hodnot se výpočtem určí alespoň jeden parametr reologického modelu viskolestického materiálu.
4. 4. Zařízení kprovádění způsobu podle nároku 1 až 3 vyznačující se tím, že obsahuje inerciální člen uzpůsobený k připojení ke vzorku viskoelastickcho materiálu nebo k sondě uváděné do styku sc vzorkem viskoelastického materiálu, jehož hmotnost je významně větší než hmotnost vzorku nebo sondy, přičemž inerciální člen nebo sonda jsou alespoň zčásti tvořeny * * · * feromagnetickým materiálem, a dále obsahuje bezkontaktní snímač pro snímání změny elektromagnetického pole bezkontaktního snímače a zdroj budicí síly pro vyvolání tlumeného kmitavého pohybu inerciálního členu nebo sondy.
5. 5. Zařízení podle nároku 4 v y z n a č u j í c í se tím, ž e hmotnost inerciálního členu je alespoň 5x větší než hmotnost vzorku nebo sondy a současně pohybová rovnice sestavy tvořené vzorkem a inerciálním členem nebo sondou a inerciálním členem má periodické řešení.
6. 6. Zařízení podle nároku 4 nebo 5 vyznačující se tím, že snímač pro bezkontaktní snímání zmenv elektromagnetického pole jc tvořen cívkou s feromagnetickým jádrem.
7. 7. Zařízení podle nároku 4až6vyznačující se tím, že zdroj budící síly je elektromagnet.

   S. Zařízení podle nároku 4 až 7 v y z n a č u j í c i se tím, že je modifikováno pro měření při namáhání vzorku v ohybu nebo tahu a tlaku tak, že fixační zařízení je uzpůsobeno k uchycení horního konce vzorku a inerciláni těleso je uzpůsobeno pro připojení na dolní konec vzorku.
8. 9. Zařízení podle nároku 4 až 7 v y z n a č u j í c í se t í m , že je modifikováno pro měření povrchu materiálů tak, že fixační zařízení je uzpůsobeno k fixování povrchu vzorku a inerciální těleso je uzpůsobeno pro připojení k sondě, která je uváděna do styku s povrchem měřeného vzorku.
9. 10. Zařízení podle nároku 9 v y z n a č u j í c í sc tím, žc jc modifikováno pro měření membrán tak, že fixační zařízení jc uzpůsobeno k upevnění membrán.