CZ20792U1 - Zařízení pro měření viskoelasticity materiálu - Google Patents
Zařízení pro měření viskoelasticity materiálu Download PDFInfo
- Publication number
- CZ20792U1 CZ20792U1 CZ201022265U CZ201022265U CZ20792U1 CZ 20792 U1 CZ20792 U1 CZ 20792U1 CZ 201022265 U CZ201022265 U CZ 201022265U CZ 201022265 U CZ201022265 U CZ 201022265U CZ 20792 U1 CZ20792 U1 CZ 20792U1
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- inertial member
- sample
- inertial
- probe
- measurement
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title description 29
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 75
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 14
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 claims description 8
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 8
- 239000003190 viscoelastic substance Substances 0.000 claims description 7
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 claims description 6
- 239000000834 fixative Substances 0.000 claims description 6
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 claims description 3
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 47
- 230000004044 response Effects 0.000 description 27
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 18
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 7
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 6
- 210000003491 skin Anatomy 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 4
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 3
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 3
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 3
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- 238000004441 surface measurement Methods 0.000 description 3
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 2
- 210000000845 cartilage Anatomy 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 2
- 210000002391 femur head Anatomy 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 2
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 2
- 210000002435 tendon Anatomy 0.000 description 2
- AZUYLZMQTIKGSC-UHFFFAOYSA-N 1-[6-[4-(5-chloro-6-methyl-1H-indazol-4-yl)-5-methyl-3-(1-methylindazol-5-yl)pyrazol-1-yl]-2-azaspiro[3.3]heptan-2-yl]prop-2-en-1-one Chemical compound ClC=1C(=C2C=NNC2=CC=1C)C=1C(=NN(C=1C)C1CC2(CN(C2)C(C=C)=O)C1)C=1C=C2C=NN(C2=CC=1)C AZUYLZMQTIKGSC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000309551 Arthraxon hispidus Species 0.000 description 1
- 241000132092 Aster Species 0.000 description 1
- 208000010392 Bone Fractures Diseases 0.000 description 1
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010017076 Fracture Diseases 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical group [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241001523405 Limax Species 0.000 description 1
- 239000004677 Nylon Substances 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 230000003542 behavioural effect Effects 0.000 description 1
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 1
- 210000004204 blood vessel Anatomy 0.000 description 1
- 239000010951 brass Substances 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000004590 computer program Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005674 electromagnetic induction Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 238000001595 flow curve Methods 0.000 description 1
- 210000001624 hip Anatomy 0.000 description 1
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 description 1
- 230000004672 jump response Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 229920001778 nylon Polymers 0.000 description 1
- 230000021715 photosynthesis, light harvesting Effects 0.000 description 1
- 239000002504 physiological saline solution Substances 0.000 description 1
- 238000011002 quantification Methods 0.000 description 1
- 238000012502 risk assessment Methods 0.000 description 1
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 1
- 230000037394 skin elasticity Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- 230000002792 vascular Effects 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
Description
Zařízení pro měření viskoelastícity materiálu
Oblast techniky
Předkládané řešení se týká obecně měření viskoelastícity a zařízení pro měření mechanických vlastností viskoelastických těles. Konkrétně se týká dynamického viskoelastometru s inerciálním členem. Tento viskoelastometr 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, to 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 Thurber, Parameter Estimation and Inverse Problems, Academie
Press, 2004. ISBN 0-12-065604-3). 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.
U viskoelastických 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 rovnicí typu
kde a a b jsou koeficienty, i a j jsou stupně derivace, s je vstupní veličina (obvykle síla či mechanické napětí), tíř 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). Výpočet 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 Hookeových těles (obr. 1, model A vlevo), reprezentujících elastickou složku chování a Newtonových těles (obr. 1, model B vpravo), reprezentujících viskózní složku chování a tedy i disipaci energie při dynamické odezvě (Meyers and Chawla (1999): Mechanical Behaviors of Materials, Mechanical behavior of Materials, 570-580. Prentice Halí, lne.). Pro popis mechanických vlastností se používají různě složité reologické modely. Ob40 vykle se používá Voightův model.
Složitější model, který je sério-paralelní kombinací Hookeových a Newtonových těles, je popsán následující soustavou rovnic:
FW-FsV = 0 (1)
-1CZ 20792 Ul kde F(t) je vnější síla působící na těleso, F$) je síla působící v tělese jako reakce na vnější sílu, přičemž síly působící na jednotlivé „paralelní“ kombinace Hookeových a Newtonových těles jsou shodné:
dt dt
N.
(2) kde Nt, N2... jsou Newtonovy koeficienty, H{, H2... jsou Hookeovy koeficienty, L}, L2... jsou délky u jednotlivých „paralelních“ kombinací Hookeových a Newtonových těles.
Celková délka tělesa je:
^)=Σ(Α.+Δ£() (3)
I kde Lifí jsou klidové délky a ΔΙ( jsou deformace dílčích „ paralelních“ kombinací Hookeových a io Newtonových těles.
Celková klidová délka je:
Λ)=Σ^ό (4) l
Celková deformace je:
Δ£=ΧΔΔ, (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).
Patent US 3 470 732 popisuje přístroj určený pro měření modulu pružnosti a tzv. „loss“ modulu (který souvisí s viskóznírai vlastnostmi materiálů). Přístroj měří deformační odezvu na sinusový průběh síly, tedy frekvenční charakteristiky a neužívá žádný inerciální člen. Je určen pro vzorky plastů.
Patent US 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 charak- * teristik umožňuje získat komplexní modul pružnosti a tzv. mechanické ztráty („mechanical loss“).
Dokument JP 62 250 336 popisuje přístroj určený pro měření vzorků krycí vrstvy kompozitních materiálů. Vzorek je upnut mezi dvě svorky, uprostřed vzorkuje umístěno inerciální těleso speciální konstrukce. Systém vzorek plus inerciální těleso se rozkmitá a měří se tlumené kmity. Z ao frekvence a tlumení kmitů se počítají viskoelastické vlastnosti vzorku. Měří se namáhání v torzí.
Měření je založeno na obecně známém principu výpočtu viskoelasticity z tlumených torzních kmitů. Měření je možné pouze v torzi, vůbec není možné měření povrchů.
Dokument JP 63 196 838 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 viskoelastíckých 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.
-2CZ 20792 Ul
Patent US 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 je mechanicky připojena „hmotnost“ (inerciální člen). Při měření se snímá zrychlení, a to kontaktním způsobem. Měří se tedy frekvenční charakteristiky. Navíc se z těchto měření neurčují parametry reologic5 kých modelů.
Český patent č. 292284 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 se určují parametry reologického modelu. Přístroj však neobsahuje inerciální člen, snímání není bezkontaktní a zařízení je končilo pováno jen pro měření v tlaku.
Hlavní nedostatky dosud používaných zařízení lze shrnout následovně:
a) 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.
b) Citlivost používaných metod je omezena malými hodnotami měřených deformací.
c) Přesnost používaných metod zhoršuje také vliv snímačů, pokud jsou v kontaktu s měřeným materiálem.
Nedostatky a problémy zařízení doposud užívaných ke zjišťování Teologických vlastností materiálů, konkrétně viskoelasticity, a to zejména biologických vzorků, řeší jednoduše a přitom účinně zařízení podle předloženého technického řešení.
Podstata technického řešení
Hlavním předmětem předkládaného technického řešení je dynamický viskoelastometr s inerciálním členem (dále jen zkráceně inerciální viskoelastometr). Obecně řečeno, inerciální viskoelastometr je viskoelastometr vybavený inerciálním členem. Tento inerciální člen je přitom zvolen tak, že jeho hmotnost je 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 možností jednoduchého bezkontaktního snímání deformací.
Inerciální viskoelastometr obsahuje inerciální člen uzpůsobený k připojení buďto ke vzorku viskoelastického materiálu nebo k sondě uváděné do styku se vzorkem viskoelastického materiálu, přičemž hmotnost inerciálního členu je významně větší než hmotnost vzorku nebo sondy, a 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.
V jednom výhodném provedení inerciální viskoelastometr obsahuje fixační přípravek pro upevnění vzorku měřeného materiálu, inerciální Člen, bezkontaktní snímač polohy, elektroniku zpracovávající signál ze snímače a převádějící informaci o poloze inerciálního Členu do digitální formy, a dále počítač vybavený programem či programy pro identifikaci modelu mechanického chování měřeného materiálu a výpočty jeho parametrů. Hmotnost inerciálního členu je přitom zvolena tak, že pohybová rovnice systému tvořeného měřeným vzorkem a inerciálním členem má periodické řešení a zároveň tak, že hmotnost inerciálního členu je významně větší, než hmotnost samotného vzorku. Inerciální člen je alespoň zčásti tvořen feromagnetickým materiálem. Bezkontaktní snímač vytváří v okolí inerciálního členu magnetické pole a snímá změny elektromag-3ci iwm ui netického pole vyvolané pohybem inerciálního členu. Informace ze snímače se zpracovávají pomocí počítače. Program počítače provádí řešení inverzního problému. Energie pro vyvolání pohybu systému vzorek-inerciální člen se do systému vnáší prostřednictvím zdroje budicí 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 technické řešení lze modifikovat pro různé typy měření, např. pro měření při namáhání vzorku v ohybu, tahu a tlaku nebo torzi, a také pro měření povrchů a membrán, jak je ukázáno dále v příkladech.
Pomocí zařízení podle předloženého technického řešení se měří viskoelasticita materiálu. Podstata měření spočívá v tom, že se k měřenému vzorku viskoelastického materiálu nebo k sondě uváděné do styku se vzorkem viskoelastického materiálu připojí inerciální člen, jehož hmotnost je významně větší než hmotnost vzorku nebo sondy, přičemž inerciální člen 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 torzi.
Významnou skupinu biologických materiálů lze z mechanického hlediska považovat za viskoelastická tělesa, Do této skupiny patři 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 v tom, 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 postu25 puje tak, že se měří dynamické odezvy vzorku. Obvyklé je použití frekvenčních charakteristik. Identifikace modelu a výpočty parametrů vycházejí z matematického popisu výše uvedených reologických modelů.
Principiální nedostatek výše uvedeného přistupuje zanedbávám vlivu setrvačné složky materiálu, a ve většině případů i vlivu setrvačnosti pohyblivých částí měřicího zařízení (svorek, snímače apod.). Tento přístup může vést k zásadním chybám. Dokonce i v případě, kdy je zanedbání setrvačnosti oprávněné a systém se chová podle jednoduchého modelu, 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.
V zařízení podle předloženého řešení 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 předloženého řešení je tato nutnost odstraněna tím, že inerciální člen je alespoň zčásti tvořen feromagnetickým materiálem a nahrazuje pohyblivou část klasických snímačů.
Bezkontaktní snímač tak vytváří v okolí inerciálního členu magnetické pole a snímá změny elektromagnetického pole vyvolané pohybem inerciálního členu. Výhodou je eliminace vlivu snímače na měřený vzorek a tudíž vysoká citlivost snímání.
Model
Inerciální viskoelastometr podle předloženého technického řešení má dva podstatné znaky, a sice, že vzorek nebo sonda, která se uvádí do kontaktu se vzorkem, jsou spojeny s inerciálním členem a snímání je bezkontaktní. Pro lepší pochopení principu měření je dále uveden a vysvětlen matematický model, který tvoří teoretické východisko měření.
Na pohyblivou část měřicího zařízení, která je tvořena měřeným vzorkem nebo sondou, se mechanicky připojí inerciální člen. Hmotnost inerciálního členu je přitom zvolena tak, že jsou sou50 časně splněny následující podmínky:
-4CZ 20792 Ul
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)).
y
Pohybová rovnice má periodické řešení za podmínky ΛΪ)-alespoň pro jednu z „paralelních“
4H kombinací Hookeových a Newtonových těles.
b) Hmotnost inerciálního členu je významně větší, než je hmotnost pohybující se části měřeného tělesa. V případě měření vzorků materiálu je zvolena hmotnost inerciálního členu alespoň 5X větší, než je hmotnost vzorku. V případě měření povrchu vzorkuje zvolena hmotnost inerciálního ío členu alespoň 5χ 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 je prováděna s dostatečnou přesností a citlivostí na is základě impulsních nebo přechodových charakteristik, což je jednodušší a v důsledcích levnější než obvyklé měření frekvenčních charakteristik.
Po připojení inerciálního členu se jednoduchý model již výše popsaný změní na model složitější, popsaný následující soustavou rovnic, která se liší od původní soustavy rovnic (1) až (4) tím, že je do ní zahrnut vliv setrvačných sil:
Pro rovnováhu sil platí:
d2L dL, d2L dL· dL.
(6) kde M je hmotnost inerciálního členu, Nh N2... jsou Newtonovy koeficienty, Hh ... jsou Hookeovy koeficienty, Z/, L2... jsou délky u jednotlivých „ paralelních“ kombinací Hookeových a Newtonových těles.
Celková délka tělesa j e:
O)
I kde L,o jsou klidové délky a z\Z, jsou deformace dílčích „paralelních“ kombinací Hookeových a Newtonových těles Celková klidová délka je:
(8)
Celková deformace je:
(9)
Je třeba zdůraznit, že hmotnost M je známa s velkou přesností. Je dána hmotností inerciálního Členu, která je určena velmi přesně vážením.
Výše uvedená soustava rovnic (6) až (9) umožňuje vyjádřit závislost &L(t) na budicí síle F(t) a na parametrech systému. Následně je možné na základě měření konkrétních průběhů NL(t), tj. na základě dynamických charakteristik, určit parametry modelu.
-5CZ 20792 Ul
Výhodná provedení zařízení podle předloženého řešení jsou pro lepší porozumění podrobněji popsána v následujících příkladech a jsou také znázorněna na připojených obrázcích.
Přehled obrázků
Obr. 1 znázorňuje Hookeovo těleso (A) a Newtonovo těleso (B) a rovnice popisující jejich chování.
Obr. 2 znázorňuje Voigtův model sestávající z paralelní kombinace Hookeových a Newtonových těles.
Obr. 3 znázorňuje reologický model obsahující „sériově-paralelní“ kombinace Hookeových a Newtonových těles.
Obr. 4 znázorňuje reologický model samotného inerciálního Členu.
Obr. 5 znázorňuje reologický model s inerciálním Členem.
Obr. 6 ukazuje schematicky nárys (A) a půdorys (B) zařízení pro měření viskoelasticity vzorku při namáhání vzorku v ohybu.
Obr. 7 je schéma bezkontaktního snímače se sondou snímače.
Obr. 8 je schéma zdroje budicí síly a/nebo zvedacího elektromagnetu.
Obr. 9 znázorňuje schematicky postup zpracování dat.
Obr. 10 znázorňuje reologický model obsahující 2 složky.
Obr. 11 je graf průběhu deformace při měření podle příkladu 1. Autentický záznam měření.
Obr. 12 je graf tlumených kmitů složky 1 modelu, s periodickou odezvou. Přepočtená data z průběhu deformace znázorněné na obr. 11.
Obr. 13 ukazuje schematicky zařízení pro měření viskoelasticity modifikované pro měření při namáhání vzorku v tahu a tlaku.
Obr. 14 ukazuje schematicky zařízení pro měření viskoelasticity modifikované pro měření povrchu materiálů.
Obr. 15 ukazuje schematicky zařízení pro měření viskoelasticity modifikované pro měření membrán.
Obr. 16 ukazuje schematicky fixační přípravek pro membrány.
Příklady provedení technického řešení
Příklad 1
Zařízení pro stanovení parametrů viskoelasticity materiálu při namáhání v ohybu nebo v tahu la) Inerciální viskoelastometr vhodný pro měření vzorků v ohybu
Provedení viskoelastometru vhodné pro měření vzorků, v tomto případě kostí, v ohybuje znázorněno na obr. 6. Viskoelastometr v tomto uspořádání obsahuje jako hlavní části fixační přípravek 1, inerciální člen 3, bezkontaktní snímač 4 a zdroj budicí síly 5. Vzorek 2 měřeného materiálu měl rozměry: 15 až 50 mm (délka), 1 až 10 mm (příčné rozměry) a je mechanicky upevněn do fixačního přípravku 1. Na dolní konec měřeného vzorku 2 je připevněn inerciální člen 3 vyrobený z feromagnetického materiálu (ocel). Hmotnost inerciálního členu 3 je vybrána ze sady inerciálních členů. Hmotnost inerciálního členu 3 přitom musí být nejméně 5krát větší než hmotnost vzorku 2. Inerciální člen 3 má tvar kvádru. Délka (ve směru kmitů $2) je 2krát větší než rozměr ve směru kolmém na kmity (hloubka). V sadě jsou inerciální Členy 3 v rozmezí hmotností 2 g až 150 g. Snímač 4 pro bezkontaktní snímání je tvořen válcovou cívkou 4 (obr. 7) obsahující 6000 závitů ze smaltovaného drátu, Cu, 0,14 mm, s feromagnetickým jádrem 8, délka 55 mm, průměr 5 mm, které je současně sondou 8 bezkontaktního snímače 4. Sonda 8 vyčnívá 10 mm nad homí čelo cívky 4. Přikládá se paralelně k hraně inerciálního členu 3. V klidovém stavu je vzdálenost mezi okrajem inerciálního členu 3 a bližším okrajem sondy 8 v rozmezí 1 až 2 mm. Systém tvořený vzorkem 2 a inerciálním členem 3 se mechanicky rozkmitá pomocí zdroje budicí síly 5. Amplituda kmitů musí být menší nebo stejná jako vzdálenost sondy 8 snímače od inerciálního Členu 3. Vnesení budicí síly se provede zapnutím a vypnutím zdroje budicí síly 5, kterým je elektromagnet 5 (na obr. 9), tvořený cívkou, 5500 závitů smaltovaného drátu, Cu, 0,22 mm, s
-6CZ 20792 Ul železným jádrem, délka 45 mm, průměr 10 mm. Signál ze snímače 4 je elektronickým převodníkem 6 zpracován a převeden do digitální formy a dále je zpracováván pomocí počítače 7.
Blokové schéma postupu zpracování dat je na obr. 10. Data D z měřeného systému A jsou převáděna A/D převodníkem B. Po načtení C dojde k volbě modelu a identifikaci E parametrů. Časový průběh X budicí síly a časový průběh Y deformační odezvy jsou zpracovány dle modelu a výstupem Z jsou pak reologické parametry (Ni, N2, Hi, H2, viz model na obr, 11).
Reologický model uvedený na obr. 11 je popsán následující soustavou rovnic:
d2L dl, d2L dL,
Fs(t)=M-+Ní^-+HlL, -£-+H2L2 00) kde L je průhyb koncového bodu vzorku.
L(t) = L{(t) + L2(t) (11) kde Lj(t) a L2(t) jsou průhyby připadající na jednotlivé složky modelu (obr. 11).
Mezi členy T}aT2 platí poměr:
^2 _^\ΜΛΧ (12) kde LtMAX a L2majc jsou deformace jednotlivých složek modelu v ustáleném stavu na počátku měření.
Hmotnost inerciálního členu 3 je volena tak, aby první složka modelu měla periodickou odezvu M2 na impuls i skok budicí síly (M)-) a druhá složka měla odezvu na impuls i skok budicí síly aperiodickou (M (-).
4H2
Pro odezvu na skok síly periodické složky platí:
I, (/)= ^ΑΧ .e~k'J cosáz/
2]
Pro tlumení amplitudy kmitů platí:
ki = N,t2M kde Λ/je hmotnost inerciálního členu 3.
Pro frekvenci tlumených kmitů platí:
(13) (14) = 4M.H 2M (15)
Časová odezva druhé složky modeluje aperiodická.
-7CZ 20792 Ul (16)
Časová odezva druhé složky modelu na skok je v tomto případě:
^(,)=^(,^-=-) l2 k2 = H2ÍN2 (17)
Vlastní měření a výpočty byly provedeny následujícím způsobem:
a) Bylo provedeno měření časové odezvy vzorku 2 na skok deformace v ohybu. Výsledná odezva má průběh daný součtem dílčí deformace Li(t) první složky (viz rovnice (13)) a dílčí deformace L2(t) druhé složky (viz rovnice (16)). Z průběhu odezvy byly s využitím rovnic (13) a
L\max (16) určeny veličiny A/, k2, ω, a poměr-.
Umax
b) Dále byl určen parametr N} na základě rovnice (14).
c) Z rovnice (15) byl určen parametr Η2.
d) Z rovnic (12), (13) a (16) byl určen parametr H2.
e) Z rovnice (17) byl určen parametr V;.
Měření biologického 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 kyčelního kloubu. Po operaci byl materiál po dva týdny uchováván ve fyziologickém roztoku za teploty -15 °C.
Před experimentem byl při teplotě místnosti (24 °C) z hlavice kloubu vybroušen vzorek.
Následně bylo provedeno měření v ohybu výše uvedeným způsobem.
Vzorek 2: rozměry 25 x 3,5 x 3,5 mm, hmotnost 0,61 g.
Inerciální člen 3: hmotnost M= 141,6 g, rozměry 20 χ 20 x 45 mm.
Na obr. 11 je záznam měření deformace v závislosti na čase. Na obr. 12 jsou vypočtené hodnoty 25 tlumené kmity složky 1 modelu - získané z hodnot ukázaných na obr. 11. Výsledky měření jsou shrnuty v následující tabulce 1.
Tab. 1. Parametry vzorku spongiózní části caput femoris
| Měření v ohybu | N, (kg.s-’) | H, (N.m'1) | n2 (kg-s'1) | h2 (N.m'1) | Váha 1. složky |
| 0,714 | 316 | 209 | 719 | 0,695 |
Váha první složky vyjadřuje poměr mezi deformací první (rychlé) složky k celkové deformaci v 30 ustáleném stavu.
Získané parametry ukazují na významný vliv viskózních složek při dynamickém zatěžování. Vliv viskózních složek na odezvy roste s frekvencí budicí deformační síly a projevuje se růstem dynamické tuhostí materiálů. Nárůst dynamické tuhosti (ve srovnám s tuhostí 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 (N/H) jsou u první složky 2,3 ms (viz tab. 1) 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 0,65 s. Prakticky z toho plyne, že odezvy
-8CZ 20792 Ul deformace na impulsy sil kratší než cca 0,5 s jsou vlivem viskózní složky N2 významným způsobem zmenšeny, ve srovnání se statickým zatěžováním. Jinými slovy, viskózní složka Ň2 omezuje namáhání vzorku při namáhání obdélníkovými impulsy kratšími než řádově sekundy. Implikace pro analýzu rizika zlomenin jsou zřejmé.
1 b) Viskoelastometr modifikovaný pro měření při namáhání v tahu a tlaku
Provedení zařízení vhodné pro měření viskoelasticity při namáhání vzorku v tahu a tlaku je znázorněno na obr, 13. Inerciální člen 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 je ocel. Hmotnost v rozsahu 1,54 až 50 g. Inerciální člen 3 je veden pomocí vedení 12 inerciálního io členu 3. Vedení 12 je tvořeno například skleněnou trubicí o průměru o 0,1 mm větším než je průměr inerciálního členu 3, Vedení 12 zamezuje stranovým výchylkám kmitů. Vedení 12, inerciální člen 3 a vzorek 2 jsou upevněny souose, přičemž osa je vertikální.
Příklad 2
Zařízení pro stanovení parametrů viskoelasticity materiálu při měření povrchu materiálů a membrán
2a) Viskoelastometr pro měření vískoelastických vlastností povrchu materiálů
Inerciální viskoelastometr modifikovaný pro měření povrchu materiálů je schematicky znázorněn na obr. 14. Tento modifikovaný viskoelastometr obsahuje jako hlavní části sondu 13, inerciální člen 3, bezkontaktní snímač 16, zdroj budicí síly 5 a fixační přípravek 15. Inerciální člen 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. Materiálem je mosaz. Hmotnost je v rozsahu 1,7 až 50 g. Inerciální ělen 3 je umístěn na sondě 13, mezi snímačem 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 homím konci je zakončena kruhovou patkou
14 o průměru 8 mm, patka je z oceli. Zvedací elektromagnet 5 je proveden stejně jako elektromagnet 5 na obr. 8,
Měření probíhá tak, že sonda 13 s inerciálním Členem 3 je elektromagnetem 5 zvednuta 5 až 10 mm nad povrch měřeného vzorku 2. Vypnutím elektromagnetu 5 se sonda 13 s inerciálním členem 3 spustí volným pádem na povrch tělesa vzorku 2. Snímačem 16 (princip popsán v pa30 tentu č. 292284) se měří časový průběh deformace. Elektronický převodník 6 a počítač 7 vybavený vhodným programem jsou shodné jako při měření v příkladu 1.
Postup měření a výpočtů:
Δ Limax
1. Byly určeny parametry průběhu: k;, k2, ω,-.
Δ L2MAX
2. Další postup byl obdobný jako pri měření v příkladu la. Teoretické vztahy a výpočty byly také analogické.
Aplikace zařízení na biologickém vzorku
Měření probíhalo na kůži dlaně levé ruky u ženy ve věku 58 let, v oblasti uprostřed nad facilis brevis způsobem popsaným výše. Ruka byla odmaštěna a ohřátá infralampou na přibližně 30 °C. Následně byla pneumaticky tlakem 60 mmHg fixována. Hmotnost inerciálního členu 3 a sondy 13 byla 37,8 g. Otvor fixačního přípravku 15 měl průměr 20 mm. Výsledky měření jsou uvedeny v následující tabulce 2.
-9CZ 20792 Ul
Tab. 2. Parametry Teologického modelu chování povrchu lidského těla
| Měření povrchu kůže | N, (kg-s'1) | Hi (kN.m1) | N2 (kg.s') | h2 (N.m'1) |
| 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 (Ηι/Ni a T2/N2i viz tab. 2).
2b) Viskoelastometr uzpůsobený pro měření membrán
Inerciální viskoelastometr uzpůsobený pro měření membrán je znázorněn na obr. 15. Zařízení se liší od výše popsané varianty (2a) odlišným způsobem fixace vzorku 2 pomocí fixačního přípravίο ku 15, který je znázorněn podrobněji na obr. 16. Vzorek 2 měřené membrány se sevře mezi dvě desky 17, vybavené koncentrickým a stejně velkým otvorem 18 pro průchod sondy 1£. Vzorek 2 membrány je mezi fixační desky 17 uchycen pomocí šroubů 19. Velikost (průměr) otvoru 18 je v rozmezí 5 až 50 mm.
Teorie, vztahy i postupy jsou analogické k předchozímu příkladu.
Claims (5)
15 NÁROKY NA OCHRANU
1. Zařízení pro měření viskoelasticíty materiálu, vyznačující se tím, že obsahuje inerciální člen (3) pro připojení k měřenému vzorku (2) viskoelastického materiálu, kde hmotnost inerciálního členu (3) je významně větší než hmotnost vzorku (2), přičemž inerciální člen (3) je alespoň zčásti tvořen feromagnetickým materiálem, a zařízení dále obsahuje fixační přípravek (1)
20 pro uchycení vzorku (2), bezkontaktní snímač (4) pro snímání změny elektromagnetického pole bezkontaktního snímače a zdroj (5) budicí síly pro vyvolání tlumeného kmitavého pohybu inerciálního členu (3).
2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že hmotnost inerciálního členu (3) je alespoň 5x větší než hmotnost vzorku (2), přičemž současně pohybová rovnice sestavy
25 tvořené vzorkem (2) a inerciálním členem (3) má periodické řešení.
3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že snímač (4) pro bezkontaktní snímání změny elektromagnetického poleje tvořen cívkou s feromagnetickým jádrem.
4. Zařízení podle nároků laž3, vyznačující se tím, že zdroj (5) budicí síly je elektromagnet.
30 5. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se t í m, že dále obsahuje sondu pro kontakt se vzorkem (2) viskoelastického materiálu, přičemž inerciální člen (3) je uzpůsobený pro připojení k sondě (13) a hmotnost inerciálního členu (3) je významně větší než hmotnost sondy (13), a inerciální člen (3) nebo sonda (13) jsou alespoň zčásti tvořeny feromagnetickým materiálem,
6. Zařízení podle nároku 5, vyznačující se tím, že dále obsahuje fixační přípravek
35 (15) pro fixování povrchu vzorku (2).
7. Zařízení podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že hmotnost inerciálního členu (3) je alespoň 5* větší než hmotnost sondy (13) a současně pohybová rovnice sestavy tvořené sondou (13) a inerciálním členem (3) má periodické řešení.
-10CZ 20792 Ul
8. Zařízení podle nároků 5 až 7, vyznačující se tím, že snímač (16) pro bezkontaktní snímání změny elektromagnetického poleje tvořen cívkou s feromagnetickým jádrem.
9. Zařízení podle nároků 5 až 8, vyznačující se tím, že zdroj (5) budicí síly je elektromagnet.
5 10. Zařízení podle nároků 5 až 9, vyznačující se tím, že fixační přípravek (15) je uzpůsoben k upevnění vzorku (2) membrány.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ201022265U CZ20792U1 (cs) | 2007-06-13 | 2007-06-13 | Zařízení pro měření viskoelasticity materiálu |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ201022265U CZ20792U1 (cs) | 2007-06-13 | 2007-06-13 | Zařízení pro měření viskoelasticity materiálu |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ20792U1 true CZ20792U1 (cs) | 2010-04-19 |
Family
ID=42113145
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ201022265U CZ20792U1 (cs) | 2007-06-13 | 2007-06-13 | Zařízení pro měření viskoelasticity materiálu |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ20792U1 (cs) |
-
2007
- 2007-06-13 CZ CZ201022265U patent/CZ20792U1/cs not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Menciassi et al. | Force feedback-based microinstrument for measuring tissue properties and pulse in microsurgery | |
| Dresner et al. | Magnetic resonance elastography of skeletal muscle | |
| Menciassi et al. | Force sensing microinstrument for measuring tissue properties and pulse in microsurgery | |
| Flynn et al. | Mechanical characterisation of in vivo human skin using a 3D force-sensitive micro-robot and finite element analysis | |
| Bandari et al. | Miniaturized optical force sensor for minimally invasive surgery with learning-based nonlinear calibration | |
| Coucke et al. | Measuring the mechanical stiffness of an eggshell using resonant frequency analysis | |
| KR20190137093A (ko) | 의료용 임플란트의 안정성을 측정하고 평가하는 방법 및 시스템 | |
| CN103025238A (zh) | 用于确定对象的结构特性的系统和方法 | |
| Behrmann et al. | Fiber optic micro sensor for the measurement of tendon forces | |
| Jaasma et al. | Measurement and characterization of whole-cell mechanical behavior | |
| Hooshiar et al. | Sensing principle for real-time characterization of viscoelasticity in the beating myocardial tissue | |
| CZ2007406A3 (cs) | Zpusob merení mechanických vlastností materiálu, kdy se zjištuje alespon jeden parametr charakterizující viskoelasticitu materiálu, a zarízení k provádení takového zpusobu | |
| Sridhar et al. | Elasticity imaging of polymeric media | |
| Almassri et al. | Evaluation of a commercial force sensor for real time applications | |
| Nahvi et al. | An investigation of the transmission system of a tendon driven robot hand | |
| CZ20792U1 (cs) | Zařízení pro měření viskoelasticity materiálu | |
| Ahmadi et al. | A multi-purpose optical microsystem for static and dynamic tactile sensing | |
| Schmoll et al. | A novel miniature in-line load-cell to measure in-situ tensile forces in the tibialis anterior tendon of rats | |
| Bidhendi et al. | Assembly of a simple scalable device for micromechanical testing of plant tissues | |
| Secco et al. | An optical-based fingertip force sensor | |
| Saxon et al. | Assessment of the in vivo adaptive response to mechanical loading | |
| Pahonie et al. | Experimental characterisation of hyperelastic materials for use in a passive-adaptive membrane on MAVs wing | |
| Ďoubal et al. | Non-linear mechanical behavior of visco-elastic biological structures–measurements and models | |
| Xie et al. | Investigating testing elasticity of equivalent material for human skin | |
| US10996156B2 (en) | High-throughput rheometer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FG1K | Utility model registered |
Effective date: 20100419 |
|
| MK1K | Utility model expired |
Effective date: 20110613 |