CN105571956B - 一种测量生物软组织力学性能的剪切装置 - Google Patents

一种测量生物软组织力学性能的剪切装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于一种测量生物软组织力学性能的剪切装置，装置机架底板上有底座和Z轴自动滑台，Z轴自动滑台一侧有Z轴驱动板，Z轴驱动板上方有Z轴传感器，Z轴传感器上有载物容器，机架上板上有X、Y轴自动滑台和X、Y轴驱动导轨，X、Y轴自动滑台上有X、Y轴驱动板，X、Y轴驱动导轨上方是X、Y轴滑块和连接板，X、Y轴驱动板与X、Y轴连接板之间是X、Y轴传感器，X、Y轴连接板与上剪切平台之间是Y、X轴从动导轨和滑块；通过自动滑台来驱动传感器、连接板和上剪切平台来带动样品产生形变；通过上剪切平台和侧面导轨、滑块的组合实现双轴向剪切；本发明具有结构简单，稳定性好，灵敏度高，测量准确，操作方便，便于携带的优点。

Description

一种测量生物软组织力学性能的剪切装置
技术领域
本发明属于生物力学技术领域，尤其涉及一种测量生物软组织力学性能的剪切装置。
背景技术
目前，生物软组织的力学性能测量大部分依旧停留在轴向拉伸实验阶段，比如单轴拉伸和双轴拉伸。轴向拉伸作为探究生物软组织力学性能的一种实验方式，能够在一定程度上反映生物软组织的力学性质，但由于生物软组织在结构上的多层性和成分上的多样性，仅仅由轴向拉伸实验获得的数据并不能完全反映出其复杂的各项异性的力学特性。为了更加全面地得到生物软组织的力学特性，我们需要采用另外一种实验方法，即剪切实验。简单地说，剪切实验采用立方体的实验样品，并且把它粘贴在上下两个平行的平台，固定其中一个平台，然后横向移动(X或Y方向)另外一个平台让样品产生剪切形变从而测量剪切力。
现有的剪切设备是通过控制其下平台的横向移动来加载剪切形变的，其上平台采用的是由同心铜环，不锈钢梁和半导体应变片组成的子系统来测量X和Y轴方向的剪切力。因为形变加载是在下平台，力的测量在上平台，所以该子系统会不可避免的需要产生一些位移来测量剪切力，因此实际剪切形变需要进行修正，这样对数据的处理会带来不便，并且数据修正的时候会带来修正误差对数据准确度造成一定的影响，同时该子系统还有加工精度要求高，组装难度大等不利因素；另外，下平台横向移动时，会造成下平台上的载物容器内生理溶液的震荡，增加测量中的干扰，影响样品的测量；最后，在Z轴方向，采用的是手动旋转旋钮来升降下平台，带来Z轴方向的操作不便。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种测量生物软组织力学性能的剪切装置，具有结构简单，稳定性好，灵敏度高，测量准确，操作方便，便于携带的优点。
本发明的目的是这样实现的：一种测量生物软组织力学性能的剪切装置，包括机架，机架包括机架底板和机架上板，机架底板与机架上板之间设置有机架支柱，其特征在于：所述的机架底板上设置有底座和Z轴自动滑台，Z轴自动滑台固定在底座侧面，Z轴自动滑台另一侧设置有Z轴驱动板，Z轴驱动板上方设置有Z轴传感器，Z轴传感器上方设置有载物容器，机架上板上设置有X轴自动滑台、X轴驱动导轨、Y轴自动滑台和Y轴驱动导轨，X轴自动滑台上设置有X轴驱动板，X轴驱动导轨上方设置有X轴驱动滑块，X轴驱动滑块上方设置有X轴连接板，Y轴自动滑台上设置有Y轴驱动板，Y轴驱动导轨上方设置有Y轴驱动滑块，Y轴驱动滑块上方设置有Y轴连接板，机架上板上方有上剪切平台，上剪切平台X轴方向的侧面设置有Y轴从动导轨，上剪切平台Y轴方向的侧面设置有X轴从动导轨，Y轴从动导轨上设置有Y轴从动滑块，Y轴从动滑块连接有X轴连接板，X轴连接板与X轴驱动板之间设置有X轴传感器，X轴从动导轨上设置有X轴从动滑块，X轴从动滑块连接有Y轴连接板，Y轴连接板与Y轴驱动板之间设置有Y轴传感器。
所述的X轴从动导轨和Y轴从动导轨固定在上剪切平台正交的两侧。
所述的X轴传感器、Y轴传感器、Z轴传感器均为拉压传感器。
所述的上剪切平台和其侧面的导轨、滑块构成的组合能保证在X轴测量的同时，Y轴的传感器、自动滑台等处于静止状态，在Y轴测量的同时，X轴的传感器、自动滑台等处于静止状态。
所述的X轴驱动导轨、X轴从动导轨、Y轴驱动导轨、Y轴从动导轨均为燕尾导轨，X轴驱动滑块、Y轴驱动滑块、X轴从动滑块、Y轴从动滑块均为与导轨配合的燕尾滑块。
本发明具有如下积极效果：
1、本发明在剪切测量中，通过控制上剪切平台的横向移动来加载剪切形变，采用了拉压传感器和上剪切平台相连接的办法来直接加载剪切形变和读取剪切力，保证了形变的加载和力的测量都是在上平台完成的，从而不需要对形变进行修正，去除了数据修正误差，进而对数据的处理带来方便并且提高了数据的准确度，同时该设备还具有加工容易、组装简单等优点；
2、通过横向移动上剪切平台来测量时，载物容器是保持固定的，这样极大程度上减少了载物容器中生理溶液的震动，减少了干扰，增加了测量的准确度；
3、Z轴采用了自动滑台来控制载物容器的上下运动，保证载物容器的平稳移动，提高了操作的方便性；
4、本发明体积小，机架上板边长为245mm，机架支柱长160mm，设备方便携带，可以结合其它实验设备使用，比如放在同源辐射中心使用，可以在剪切的同时测量软组织的分子结构，进而同时观察到软组织的宏观和微观变化。
附图说明
图1为测量生物软组织力学性能的剪切装置的结构示意图。
图2为测量生物软组织力学性能的剪切装置的局部结构示意图。
图3为测量生物软组织力学性能的剪切装置前视结构示意图。
图中：1.机架底板 2.机架支柱 3.机架上板 4.X轴传感器 5.X轴驱动板 6.X轴自动滑台 7.Y轴自动滑台 8.Y轴驱动板 9.Y轴传感器 10.Z轴传感器 11.Z轴驱动板 12.Z轴自动滑台 13.底座 14.载物容器 15.X轴连接板 16.Y轴从动滑块 17.Y轴从动导轨 18.X轴驱动导轨 19.X轴驱动滑块 20.上剪切平台 21.Y轴驱动滑块 22.X轴从动导轨 23.Y轴驱动导轨 24.X轴从动滑块 25.Y轴连接板。
具体实施方式
实施例1，如图1、图2、图3所示，一种测量生物软组织力学性能的剪切装置，包括机架底板1和机架上板3，机架底板1与机架上板3之间设置有机架支柱2，机架底板1上设置有底座13和Z轴自动滑台12，Z轴自动滑台12的一侧固定在底座13的侧面，Z轴自动滑台12的另一侧与Z轴驱动板11连接，Z轴驱动板11上设置有Z轴传感器10，Z轴传感器10上方设置有载物容器14，机架上板3上设置有X轴自动滑台6和X轴驱动导轨18，X轴自动滑台6上设置有X轴驱动板5，X轴驱动导轨18上方与X轴驱动滑块19衔接，X轴驱动滑块19上方设置有X轴连接板15，X轴连接板15一侧与X轴驱动板5之间设置有X轴传感器4，X轴连接板15的另一侧设置有Y轴从动滑块16，Y轴从动滑块16与Y轴从动导轨17衔接，Y轴从动导轨17设置在上剪切平台的一侧；类似地，机架上板3上还设置有Y轴自动滑台7和Y轴驱动导轨23，Y轴自动滑台7上设置有Y轴驱动板8，Y轴驱动导轨23上方与Y轴驱动滑块21衔接，Y轴驱动滑块21上方设置有Y轴连接板25，Y轴连接板25一侧与Y轴驱动板8之间设置有Y轴传感器9，Y轴连接板25的另一侧设置有X轴从动滑块24，X轴从动滑块24与X轴从动导轨22衔接，X轴从动导轨22设置在上剪切平台20的一侧。
本发明可以将所述结构分为支撑部、衔接部、放样部、控制部、测量部，支撑部包括：设备最下部的机架底板及其上用于固定Z轴自动滑台的底座，位于机架四角的机架支柱，和机架上板；衔接部包括：用于衔接传感器与上剪切平台的导轨、滑块和同时对传感器起支撑作用的连接板；放样部包括：与Z轴自动滑台连接的载物容器，及上剪切平台；控制部包括：用于控制三个轴向位移的自动滑台；测量部包括：用于测量三个轴向的力的拉压传感器。
衔接部中，X轴连接板和Y轴连接板通过固定在各自底面上的滑块(两端各一个)，和固定在机架上板上表面(与滑块相对应位置处)的驱动导轨，分别实现在X、Y轴向的运动；位于上剪切平台正交的两个侧面的从动导轨，使上剪切平台能够沿导轨滑动实现样品在X、Y轴向的移动，并且上剪切平台在沿一个轴向移动时，另外一个轴向的传感器和自动滑台等都处于静止状态。
放样部中，上剪切平台正交的两侧固定有用于其沿X轴、Y轴向滑动的从动导轨，与该从动导轨相匹配的滑块分别固定于Y轴连接板，X轴连接板的侧面上(每条导轨匹配两个滑块)。
控制部中，X轴自动滑台和Y轴自动滑台固定在机架上板上；Z轴自动滑台底面固定于底座侧面，底座固定在底板上。
测量部中，X轴传感器和Y轴传感器的一端分别固定在X轴驱动板和Y轴驱动板上，另一端为受力端，分别连接在X轴连接板和Y轴连接板上；Z轴传感器一端固定在Z轴驱动板上，另一端为受力端，连接在载物容器下底面上。
本发明在使用时将样品上表面粘贴在上剪切平台，并移动载物容器使样品下表面粘贴在载物容器的圆形凹槽中，然后向槽内添加生理溶液，最后通过自动滑台调整样品在Z轴距上剪切平台的距离，根据Z轴传感器的示数使样品处于自然状态。首先测量X轴剪切：通过设定X轴自动滑台的移动距离及速度，控制样品在X轴的剪切位移及速率。自动滑台在X轴正(负)方向移动时，带动X轴驱动板和X轴传感器在X轴正(负)方向移动，同时，X轴传感器受力端拉(推)动X轴连接板沿固定于机架上板上的X轴驱动导轨在X轴正(负)方向滑动，然后X轴连接板通过固定于其上的Y轴从动滑块和固定于上剪切平台一侧的Y轴从动导轨间的衔接而拉(推)动上剪切平台，上剪切平台通过固定于其上另一侧的X轴从动导轨在X轴正(负)方向滑动，从而带动样品产生相应的形变，同时X轴传感器得到样品在相应形变下对应的剪切力。X轴测试完毕后，使同一样品回到初始状态。开始测量Y轴剪切，通过设定Y轴自动滑台的移动距离及速度，控制样品在Y轴的剪切位移和速率。自动滑台在Y轴正(负)方向移动时，带动Y轴驱动板和Y轴传感器在Y轴正(负)方向移动，同时，Y轴传感器受力端拉(推)动Y轴连接板沿固定于机架上板上的Y轴驱动导轨在Y轴正(负)方向滑动，然后Y轴连接板通过固定于其上的X轴从动滑块和固定于上剪切平台一侧的X轴从动导轨间的衔接而拉(推)动上剪切平台，上剪切平台通过固定于其上另一侧的Y轴从动导轨在Y轴正(负)方向滑动，从而带动样品产生相应的形变，同时Y轴传感器得到样品在相应形变下对应的剪切力，最终得到同一样品在X和Y两个轴向的剪切力。
上述实例仅为本发明的优选实例而已，并不用以限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种测量生物软组织力学性能的剪切装置，包括机架，机架包括机架底板和机架上板，机架底板与机架上板之间设置有机架支柱，其特征在于：所述的机架底板上设置有底座和Z轴自动滑台，Z轴自动滑台固定在底座侧面，Z轴自动滑台另一侧设置有Z轴驱动板，Z轴驱动板上方设置有Z轴传感器，Z轴传感器上方设置有载物容器，机架上板上设置有X轴自动滑台、X轴驱动导轨、Y轴自动滑台和Y轴驱动导轨，X轴自动滑台上设置有X轴驱动板，X轴驱动导轨上方设置有X轴驱动滑块，X轴驱动滑块上方设置有X轴连接板，Y轴自动滑台上设置有Y轴驱动板，Y轴驱动导轨上方设置有Y轴驱动滑块，Y轴驱动滑块上方设置有Y轴连接板，机架上板上方有上剪切平台，上剪切平台X轴方向的侧面设置有Y轴从动导轨，上剪切平台Y轴方向的侧面设置有X轴从动导轨，Y轴从动导轨上设置有Y轴从动滑块，Y轴从动滑块连接有X轴连接板，X轴连接板与X轴驱动板之间设置有X轴传感器，X轴从动导轨上设置有X轴从动滑块，X轴从动滑块连接有Y轴连接板，Y轴连接板与Y轴驱动板之间设置有Y轴传感器。
2.根据权利要求1所述的测量生物软组织力学性能的剪切装置，其特征在于：所述的X轴从动导轨和Y轴从动导轨固定在上剪切平台正交的两侧。
3.根据权利要求1所述的测量生物软组织力学性能的剪切装置，其特征在于：所述的X轴传感器、Y轴传感器、Z轴传感器均为拉压传感器。
4.根据权利要求1所述的测量生物软组织力学性能的剪切装置，其特征在于：所述的上剪切平台、X轴从动导轨、X轴从动滑块使在测量X轴时，Y轴的传感器处于静止状态，上剪切平台、Y轴从动导轨、Y轴从动滑块使在测量Y轴时，X轴的传感器处于静止状态。
5.根据权利要求1所述的测量生物软组织力学性能的剪切装置，其特征在于：所述的X轴驱动导轨、X轴从动导轨、Y轴驱动导轨、Y轴从动导轨均为燕尾导轨，X轴驱动滑块、Y轴驱动滑块、X轴从动滑块、Y轴从动滑块均为与导轨配合的燕尾滑块。
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