DE19827123C1 - Doppelplatten-Resonator für den sub- und unteren kHz-Frequenzbereich - Google Patents

Abstract

Es werden Doppelplatten-Resonatoren zur Bestimmung der viskoelastischen Größen von biologischen Materialien angegeben, deren geometrieabhängige Festfrequenzen im sub- und unteren kHz-Bereich liegen (Fig. 1). Als Resonatormaterialien eignen sich Aluminium, Edelstahl sowie andere Materialien hoher Güte. Die Anregung und Detektion der Doppelplatten-Resonatoren erfolgt piezoelektrisch. Für eine gute Resonanzüberhöhung muß die Piezoelementengröße hinreichend klein, und müssen beide Resonatorplatten sowohl bezüglich ihrer Massen als auch ihrer Trägheitsmomente optimal aufeinander abgestimmt sein. Nahe der Knotenebene werden Piezoelemente (P in Fig. 1) auf die Resonatoren aufgebracht. Die elektrischen Anschlüsse für die Piezoelemente (sowie für einen optionalen Temperatursensor und/oder Temperierelemente) werden durch die Resonatoraufhängung geführt. Durch geeignete Anbringung und Ansteuerung der Piezoelemente können zwei unterschiedliche Schwingungsmoden (Indentation und Scherung) unabhängig voneinander angeregt werden. Gemessen werden Resonanzfrequenz f und Dämpfung D des unbeladenen Resonators und die gleichen Größen nach Ankopplung an das Probenmaterial sowie die Kraft senkrecht zu den Resonatorplatten (Kopplungskraft). Als Prüfkörper wird ein mit einer der beiden Resonatorplatten fest verbundener Tastkopf verwendet, dessen Material, Geometrie sowie innerer Aufbau entsprechend den Meßanforderungen variiert werden kann. Aus Frequenzverschiebung DELTAf und Dämpfungsänderung DELTAD ...

Description

Mit Doppelplatten-Resonatoren sollen viskoelastische Kenngrößen (der komplexe Schermodul G* = G' + i G", die komplexe Scherkomplianz J* = J' - i J" = 1/G* sowie der komplexe Elastizitätsmodul E* = E' + i E") bei gewünschten Frequenzen im Labor, im Anwendungs­ bereich oder im Rahmen der medizinischen Diagnostik bestimmt werden.

Im MHz-Gebiet sind Dickenscherquarze und im oberen kHz-Gebiet Torsionsresonatoren geeignete Viskoelastizitätssensoren, die nach Eintauchen in oder Ankoppeln an das Probenmaterial Scherwellen abstrahlen. Der Meßeffekt beruht auf der Rückwirkung dieser Scherwellen auf die durch Eigenfrequenz f und Dämpfung D charakterisierte Eigenschwingung des Dickenscherquarzes bzw. des Torsionsresonators und äußert sich in einer Frequenzverschiebung Δf und Dämpfungsänderung ΔD, aus denen Real- und Imaginärteil des komplexen Schermoduls gemäß G' = k[(ΔD/2)² - (Δf)²], G" = -k Δf ΔD, mit der jeweiligen Geometriekonstante k berechnet werden (Dickenscherquarze: 1,5 bis 150 MHz, P. Schwarzenberger, Dissertation Ulm, 1993; Torsionsresonatoren: 1 kHz bis 1 MHz, W. Pechhold, S. Mücke, E. Keller, Viskoelastizitätssensor für kHz-Frequenzen, Offenlegungsschrift DE 196 41 115 A1, Anmeldetag 05.12.96).

Im sub- und unteren kHz-Gebiet läßt sich die analoge Aufgabe der Schermodulmessung - hier erweitert um die Elastizitätmodulmessung sowie die Messung der Kopplungskraft - mit Doppelplatten-Resonatoren aus dämpfungsarmem Material lösen, welche Transversal- bzw. Longitudinalwellen in das angekoppelte Probenmedium abstrahlen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, möglichst ungestörte Doppelplatten-Resonatoren für den Frequenzbereich 10 Hz bis 10 kHz zu entwickeln, die mit definierter Kopplungskraft an ein Probenmedium angekoppelt werden können und zuverlässige Aussagen über die viskoelastischen Kenngrößen aus Frequenzverschiebung Δf und Dämpfungsänderung ΔD im Labor, im Anwendungsbereich oder im Rahmen der medizinischen Diagnostik liefern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen des Doppelplatten-Resonators sind in den Unteranspüchen angegeben.

Anprüche1 bis 3 gehen z. B. von der heute verfügbaren gepolten dünnen Piezokeramik aus, die auf die Resonatorplatten störungsarm aufgebracht, als Aktor- oder Sensorelement betrieben werden kann.

Nach Anspruch 2 kann das Anbringen von Aktor- und Sensorelementen (z. B. durch Ankleben mit einem Hochtemperatur-Zweikomponentenkleber) nahe der Knotenebene auf die Resonatorplatten erfolgen. Diese Elemente dienen nach Anspruch 1 wahlweise als Aktor- oder Sensorelemente, und es kann nach Anspruch 4 - je nach Ansteuerung und Positionierung - eine Indentations oder Scherungsmode in der Tastkopfbewegung angeregt werden.

Für eine gute Resonanzüberhöhung, d. h. einen kleinen Grundpegel der beiden Schwingungs­ moden (Indentation und Scherung), ist von erheblicher Bedeutung, daß das Verhältnis von Resonatorplattendicke zu Piezoelementengröße einen bestimmten Wert nicht überschreitet und daß beide Resonatorplatten hinsichtlich ihrer Massen und Trägheitsmomente optimal aufeinander abgestimmt sind.

Um die Frequenzverschiebung Δf und die Dämfungsänderung ΔD reproduzierbar bestimmen zu können, ist es erforderlich, nach Anspruch 5 die Kraft, mit welcher der Doppelplatten-Resonator an die Probe angekoppelt wird, messen und definiert einstellen zu können.

Zur Bestimmung der durch das Probenmedium hervorgerufenen Frequenzverschiebung Δf muß entweder die Leermessung bei der selben Temperatur erfolgen wie die Messung selbst, oder es muß die Resonatortemperatur auf besser als 0,1 K bekannt sein, um den Temperaturgang der Resonanzfrequenz (verursacht durch das Resonatormaterial) korrigieren zu können. Nach Anspruch 6 kann dazu ein Temperaturfühler (z. B. Widerstandselement oder Thermolelement) störungsarm in den Doppelplatten-Resonator integriert werden und/oder nach Anspruch 7 der Resonator gegen temperaturändernde äußere Einflüsse abgeschirmt werden.

Für manche Meßaufgaben ist es notwendig, den Doppelplatten-Resonator auch heizen oder kühlen zu können. Dies kann nach Anspruch 6 durch zusätzlich störungsarmen Einbau eines Heiz- und/oder Kühlelementes realisiert werden.

Patentanspruch 8 soll sicherstellen, daß der Frequenzbereich von 10 Hz bis 10 kHz durch die Doppelplatten-Resonatoren unterschiedlicher Form und Dimensionierung ausreichend dicht abgedeckt werden und somit am unteren Ende des Frequenzbereiches der Torsions­ resonatoren (DE 196 41 115 A1) lückenlos angeschlossen werden kann.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel von Doppelplatten-Resonatoren nach der beschriebenen Erfindung (als Aufsatz auf ein Goldmann-Tonometer zur dynamisch-mechanischen Charakterisierung der Augenhülle): An plattenförmige Körper aus AlMg3 werden Piezoelemente beidseitig in der Nähe der Knotenebenen aufgebracht. Die elektrischen Anschlüsse (nicht eingezeichnet) sowie die Anschlüsse für die optionalen Temperaturfühler sowie Heiz- und Kühlelemente werden durch die Resonatoraufhängung geführt.

Claims (8)

1. Einrichtung zur Bestimmung viskoelastischer Kenngrößen im sub- bzw. unteren kHz- Frequenzbereich mit einem Doppelplatten-Resonator, bestehend aus zwei Platten aus einem Material niedriger Eigendämpfung, insbesondere Metall, Quarzglas, Keramik, die zu Biegeschwingungen angeregt werden können, und einer Auswerteeinrichtung, welche aus der Frequenzverschiebung und Dämpfungsänderung beim Ankoppeln an ein Probenmedium dessen viskoelastische Eigenschaften berechnet, wobei die beiden Platten des Doppelplatten-Resonators parallel zueinander fest miteinander verbunden und in ihren Eigenschwingungsfrequenzen aufeinander abgestimmt sind und Schwingungsanregung und -detektion durch auf die Resonatorplatten aufgebrachte Aktor- und Sensorelemente - vorzugsweise Piezoelemente - erfolgen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aktor- und Sensorelemente in der Nähe der Verbindungsstellen der Platten (Schwingungsknoten) angeordnet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Aktor und Sensor Längsdehnungsschwinger sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß je nach der Positionierung und der Ansteuerung der Aktorelemente zwei unterschiedliche Schwingungsmoden des Tastkopfes (Indentation und Scherung) unabhängig voneinander angeregt werden können.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Sensorelemente auch die statische Kraft, mit welcher der Doppelplatten-Resonator an die Probe angekoppelt wird, gemessen werden kann.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Temperaturfühler, insbesondere Widerstandselement oder Thermoelement, und/oder Heiz- oder Kühlelement in den Doppelplatten-Resonator störungsarm integriert ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschirmung gegen Temperaturstrahlung und andere temperaturändernde äußere Einflüsse ein Gehäuse den Resonator berührungslos umgibt.

8. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anpassung an gewünschte Frequenzbereiche Doppelplatten-Resonatoren unterschiedlicher Form und Dimensionierung vorgesehen sind, die leicht ausgetauscht werden können.