[發明專利]用于生物條狀材料力學性能測試的教學實驗設備及方法

無效

• 申請號: 201210273648.7
• 申請日: 2012-08-02
• 公開（公告）號: CN102789726A
• 公開（公告）日: 2012-11-21
• 發明（設計）人: 劉志成;張智河;劉志翔;曲典;張海霞;嚴華剛;李延玲;吳瑞
• 申請（專利權）人: 首都醫科大學
• 主分類號: G09B23/10
• 分類號: G09B23/10;G01N3/08;G01N3/14
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王勇;王博

技術領域

本發明涉及力學特性測試技術領域，具體地說，本發明涉及一種用于生物條狀材料力學性能測試的教學實驗設備及生物條狀材料力學性能測試方法。

背景技術

生物組織材料，如：頭發絲、蠶絲、蛛絲、肌肉、血管等生物組織材料的力學特性對于研究生物體的正常及病理狀態有重要意義。而通過單軸拉伸測試可以獲得生物材料全面的力學特性，如：應力-應變曲線、斷裂強度、斷裂能、松弛曲線和蠕變曲線等。

在傳統物理實驗教學中，用拉伸法測定金屬絲的楊氏模量實驗是測量金屬絲彈性模量的經典實驗。此實驗利用砝碼5（1Kg/個）給試件加載，利用光杠桿原理測定試件的微小形變量，通過數值計算得到金屬絲的楊氏模量。圖1（a）是實驗裝置示意圖，如圖所示，金屬絲1的上端固定于拉伸架6上，下端系有一個環，環上掛著砝碼托鉤（圖中未畫出），金屬絲穿過有小孔的圓柱體。實驗時應將圓柱體一端的螺旋卡頭夾緊，使其能隨金屬絲的伸縮而上下移動。固定平臺3，中間開有一孔，圓柱體可在孔中上下自由移動。帶有光學平面鏡的光杠桿2下面的薄鋼片放在平臺的溝槽內，其插桿尖腳放在圓柱體的上端，靠近但不接觸金屬絲。望遠鏡8和標尺7是測伸長量ΔL所用的主要測量裝置。當砝碼鉤上增加（或減少）砝碼后，金屬絲將伸長（或縮短）ΔL，光杠桿2的插桿尖腳端也隨圓柱體一同下降（或上升），使桿體在豎直面內轉過一角度α，同時平面鏡的法線也在豎直面內轉過相同角度α。用望遠鏡8和標尺7測得標尺讀數的變化，即可算出ΔL。

圖1（b）是光杠桿原理示意圖。光杠桿是一個帶有平面鏡M的支架，假設開始時平面鏡M的法線On₀在水平位置，則標尺7上的標度線n₀發出的光通過平面鏡M的反射，進入望遠鏡，在望遠鏡中形成n₀的像而被觀察到。當金屬絲伸長后，光杠桿的插桿尖端隨金屬絲下落ΔL，帶動M轉一角度α而至M'，法線On₀也轉過同一角度α至On₁。根據光的反射定律，從n₀發出的光將反射至n₂，且∠n₀On₁=∠n₁On₂=α，由光路的可逆性，從n₂發出的光經平面鏡反射后進入望遠鏡而被觀察到。當α很小時，從圖1（b）可以看到：

α≈tanα=ΔLb]]>

2α≈tan2α=ΔnD]]>

消去α，得

ΔL=b2DΔn]]>

ΔL原是難測的微小長度，但當D遠大于b后，經光杠桿轉換放大后標尺讀數的變化量Δn卻較大，可以從標尺上用望遠鏡直接讀出。光杠桿裝置的放大倍數為2D/b。在實驗中，通常b為4～8cm，D為1～2m，放大倍數可達25～100倍。

上述實驗裝置和測試方法能夠很好地演示金屬絲楊氏模量的測量原理和過程，非常適合于教學示范。然而，上述實驗裝置和測試方法僅適用于試件長度較長且形變量小的彈性材料楊氏模量的測定。生物組織材料試件一般比較小，形變量大小不一，并且具有非線性和黏彈性等特性，這導致上述實驗裝置和測試方法并不適用。