文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号: 123658
软组织粘弹性力学性能测试仪初步研制
唐禾雨 1 赵刚1
(1. 中国科学技术大学电子科学与技术系, 合肥, 230027)
( Tel: **********,Email: ******@.)
摘要:现今对软组织的粘弹性力学性能测定在低温保存、临床移植、组织工程、疾病诊断等诸多方面均具有不可替代的特殊意义。本文对生物组织粘弹性力学性能测试仪的研制进行了初步探讨,采用开发板直连步进电机进行驱动的方式对小样品生物软组织施加恒力,并采用PID控制算法对步进电机转动速率(即拉力)进行控制,从而对生物组织样品的蠕变特性进行测量。
关键词:粘弹性; 步进电机; PID; 蠕变
1 引言
粘弹性,就是指外力作用下,材料的形变性质兼具固体弹性和液体粘性的特征,其现象表现为力学性质随时间而变化的力学松弛现象。是由Wilhelm Weber(1835)基于其对蚕丝的研究所拟出的名称[1]。
生物软组织, 例如:皮肤、肌肉、血管、肠系膜、软骨等的力学特征主要表现在:小应力下的大变形, 应力—应变关系呈现出明显的粘弹性效应, 如滞后回线的存在、应力松弛及蠕变现象等; 此外这种粘弹性通常是非线性的。生物软组织力学性能的这种复杂性给研究工作带来一定的困难。因此对软组织的粘弹性力学性能测定在低温保存、临床移植、组织工程、疾病诊断等诸多方面均具有不可替代的特殊意义[2]。然而国内相关实验室在对皮肤、角膜、血管、肠衣、神经等小样品软组织的粘弹性力学性能进行测定时,大多依赖进口通用设备(如美国TA公司的DMAQ800)。鉴于进口设备造价昂贵,体积较大,本文拟研制其专用替代产品。拟研制的产品具有体积小,造价低的优点。且专用于高精度地测定小样品生物软组织的粘弹性力学性能。
2 系统设计
图1. 测试仪工作流程图
系统概述
由于本文只是对对生物组织粘弹性力学性能测试仪做初步的研究及制作,因此选择了生物粘弹性中的一个特性——蠕变作为测量的重点进行设计。本仪器采用传统的拉伸实验装置,仅测量一个方向上样品蠕变的过程。
因此测试仪主要分为以下装置:①样品固定装置;②拉力驱动装置;③拉力控制装置;④FLL2440开发板;⑤计算机。其中拉力驱动装置主要实现对生物材料的拉力输出,由步进电机及控制电路组成;拉力控制装置则是由张力传感器及控制电路组成,由于本仪器完成的是对样品蠕变特性的测试,即在在一定的温度和较小的恒定外力(拉力、压力或扭力等)作用下对样品的形变进行测试,因此需要通过张力传感器实时控制步进电机的转动,以保持输出的力为恒定。
整个设备的工作流程如图1所示,本文不再赘述。
电路设计
,本系统中最重要的就是对步进电机的驱动及控制。
考虑到本次设计中需要步进电机能够转动较小的角度,并且精度较高。所以最终选择的步进电机型号为SP9380002,五线四相的减速步进电机,具体参数在表1中列出:
表1. SP9380002参数
变量
数值
直径
31mm
电压
12V
步进角度
转动惯量
66
选定步进电机后,本文采用开发板来控制步进电机。此种方案采用开发板接口线直接去控制步进电机各相驱动线路。环形分配器其功能由开发板系统实现