（机械电子工程专业论文）生物仿真材料力学性能测试系统的研究与开发.pdf

心川大学硕士学位论文y6 5 4 5 69生物仿真材料力学性能测试系统的研究与开发机械电子工程专业研究生梁正协指导教师袁中凡教授研究用以替代真人进行实验或者工作的生物仿真假人，例如汽车假人、航天假人、跳伞假人等，对我国经济发展、科学研究和增强国家国防实力都有着重要的意义。而生物仿真材料的等效性判定也就是实现对生物仿真材料的测试研究是生物仿真假人制造过程中一个极其重要的课题。目前国内外对生物仿真材料的测试研究尚不够完善，特别是因为生物仿真材料硬度较低，采用现有的方法测试其弹性模量存在着较大困难，故生物仿真材料的测试研究还有待进一步的发展。本论文针对目前国内外这方面的研究进展情况，在对邵氏硬度计测试原理分析研究的基础上，以v i s u a lc + + 为主要开发工具，重点对生物仿真材料测试环节中两个重要的项目：硬度和弹性模量的测试方法上进行了理论研究和系统开发，实现了对软质仿真材料硬度和弹性模量的定量检测。论文的主要研究成果如下：提出基于邵氏硬度计测试原理的生物仿真材料硬度测试系统的总体设计和实现方法。以容栅传感器为主实现邵氏硬度计弹簧测头的位移检测，采用串口通信方式实现了数据的传输和采集，用m a t i a b 和串口精灵程序实现数据的分析和计算。用v i s u mc + + 软件编程，采用单文档多视图结构以及多线程的编程方式，实现了对仿真材料邵氏硬度的动态检测。在材料邵氏硬度测试方法的基础上，将邵氏硬度计和千分表相结合，提出了测试生物仿真材料弹性模量的理论和方法，并以v i s u a lc + + 为开发工具，完成了软质仿真材料弹性模量测试系统的软件开发。四川大学硕士学位论文通过对软质仿真材料的测试实验，采用回归分析方法，分析了所测数据的线性相关性，取得了较为理想的结果。关键词：仿真材料，假人，邵氏硬度，弹性模量，串口通信凹川i 大学硕士学位论文r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to i lt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s ts y s t e mo fb i o a n t h r o p o p h i cm a t e r i a l sm a j o r i t y ：m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n gp o s t g r a d u a t e ：l i a n gz h e n g x i es u p e r v i s o r ：p r o f y u a nz h o n g f a nt h er e s e a r c ho nt h eb i o a n t h r o p o m o r p h i cp h a n t o m s ，s u c ha st h ep h a n t o m su s e df o ra u t o m o b i l e 、a v i g a t i o n 、p a r a c h u t e re t c ，c a ag r e a t l yh e l pf o rt h ee c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t ，s c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dm i1i t a r yd e f e n s es t r e n g t h m e a n w h i l e ，t h ee q u i v a l e n te v a l u a t i o no nt h eb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l si sa l s oac r i t i c a lt a s k ，a n da i m st or e a l i z et h es t u d yo nt h et e s to fb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l si nb i o a n t h r o p o m o r p h i cp h a n t o mm a n u f a c t u r i n g u n t i ln o w ，t h er e s e a r c ho nt h et e s to ft h eb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l si sn o tp e r f e c ts ow e l l p a r t t c u t a r l yi ti sd i f f i c u l tt ot e s tt h e i re l a s t i cm o d u l e sb e c a u s eo ft h e i rs m a l lh a r d n e s sv a l u e sb yu s i n gt h em e t h o d sa v a i l a b l e ，t h u st h es t u d yo nt h et e s to ft h eb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l sn e e dt ob ei m p r o v e d t h i st h e s i s ，a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to ft h er e s e a r c ho nt h et e s to fb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l sa n db a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et e s tp r i n c i p l eo ft h es h o r eh a r d n e s st e s t e r ，p u t sf o r w a r dt h et h e o r e t i cr e s e a r c ha n ds y s t e md e s i g n0 1 2t h et e s ti n gm e t h o d so fs h o r eh a r d n e s sa n de l a s ti cm o d u l e s ，w h i c ha r et h et w oi m p o r t a n tit e m so ft h et e s to fb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l s ，a n dr e a l i z e st h eq u a n t i t a t i v et e s to nt h es o f tb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l s w eu s ev i s u a lc + + a sap r i m a r yd e v e l o p m e n tt o o lt oc o m p l e t et h es o f t w a r ed e s i g n t h et h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：( ) b r i n gf o r w a r dt h eg e n e r a ld e s i g na n dt e s t i n gm e t h o do f4四川大学硕士学位论文h i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l ss h o r e sh a r d n e s st e s ts y s t e m ( 墓) t e s tt h ed i s p l a c e m e n to fh e a d - p i no fs h o r eh a r d n e s st e s t e rb yu s i n gt h ec a p a c i t i v eg a t et r a n s d u c e r 。i m p l e m e n td a t ac o l l e c t i o na n dt r a n s f e r sb ym e a n so ft h es e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，a n dr e a li z et h ed a t aa n a l y s i sa n dp r o c e s sb ya p p l i c a t i o n so fi a t l a ba n ds e r i a lc o m m u n i c a t i o ng e n i u sp r o g r a m r e a l i z et h ed y n a m i ct e s to nb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l s ，b yu s i n go fv i s u a lc + + a n di t st e c h n i q u eo fs i n g l ed o c u m e n t m u l t iv i e w ss t r u c t u r ea n dm u l t i t h r e a dp r o g r a m m i n g b a s e do i lt h es h o r e sh a r d n e s st e s tm e t h o do fb i o - a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l s ，a n db yu s i n go ft h es h o r eh a r d n e s st e s t e ra n dm i l l e s i m a lg a u g e ，p u tf o r w a r dt h em e t h o da n dt h e o r yo ft h ee l a s t i cm o d u l e st e s to fb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l s ，a n dr e a l i z et h es o f t w a r ed e s i g no ft h et e s tf o re l a s t i cm o d u l u so fs o f tb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l s ( 亘) t e s ts o m ek i n d so fs o f tb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l s ，a n a l y z et h el i n e a rc o r r e l a t i o no nt h ed a t at e s t e db yt h ea p p l i c a t i o no fc u r v ef i t t i n gm e t h o d 。a n dg o o dr e s u l t sa c h i e y e d k e yw o r d s ：b i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a l ，p h a n t o m ，s h o r e sh a r d n e s se l a s t i cm o d u l e s ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n四川大学硕士学位论文第1 章绪论随着现代科学技术的快速发展，人类科学研究活动的领域也变得越来越广泛。借助于对生物科学技术这种二十一世纪的新兴科学技术的深入研究，人类对自身和自然界的认识也将得到不断提高，人们利用这些科学技术改造自然和征服自然的能力也随之而大大提高。现代生物仿真模拟假人的成功研制是现代科学技术和现代生物技术相结合的重要科研成果之一。1 1仿真假人以及仿真材料相关背景1 1 1相关的应用领域生物仿真模拟假人的出现是由于在一些特殊的环境中需要用到生物假人代替真人去从事某些科学试验，而这些科学试验活动对人体本身具有较大的危险性和不确定性，采用假人替代真人的实验方法可以减小人们科学活动的风险，提高实验的安全性、重复性和可靠性。目前使用生物假人进行科研活动的领域越来越多，例如在汽车碰撞试验中，代替试车人员完成猛烈的汽车碰撞数据的采集以检测汽车的安全性能特制的汽车假人；在航空航天事业中用航空假人代替飞行员进行试飞试验；飞机飞行员遇到紧急情况时帮助飞行员逃生的弹射装置试验；直升机紧急着她的泊地试验；模拟人体皮肤温度进行非蒸发散热，代替真人进行服装热学分析试验研究的暖体假人；在核辐射区域放置假人进行数据采集等。此外，在医学上，人们也越来越多地用到生物仿生材料制作人工器官等。这些生物仿真假人以及人工器官的应用，都涉及到一个重要的课题，那就是生物仿真材料的研究和制作。目前国内外对于生物仿真假人的研究制作已经取得了一定的进展，在我国的某些科研领域中也已经采用生物仿真材料成功的制作出来了各种仿真假人，如汽车假人、航天假人、冷暖假人，消防假人等 2 - s a 我国在这方面逐渐加大了对仿真材料和假人的研究和投入。1 1 2仿真力学材料研究发展的三个阶段四川大学硕士学位论文仿真材料的研究发展大致可以划分为以下三个阶段：第一个时期是二十世纪六十年代，仿真材料的制作主要是寻找天然的替代物。如橡胶、皮革等。第二个时期在七十年代，仿真材料的制作开始采用现有的高分子材料。如乳胶发泡和聚氨脂发泡材料。第三个时期开始于八十年代，此时则可以根据安全模型的特殊要求设计和合成复合材料，模拟多种组织和器官等。1 1 3仿真假人研究及其现状“- 1 ”六十年代美国制造试验飞行器弹射座椅的人的代用品( 削也) 公司开发了假人v p ，1 9 7 1 年h y b i r d i 假人由a r l 公司和s i e r r a 工程公司标准化。1 9 7 2年，美国汽车产业界同美国第一安全公司( f t s s ) 合作，在h y b i r di 基础上开发、制造出了h y b i r di i 型假人。从1 9 7 6 年开始，美国第一技术安全公司同s a e 和用户集团共同开发出了g m 公司设计的h y b i r d i n ( 混合i i i 型假人) 。这一系列更加完善的的实验装置，不但包括成年人假人，还有不同年龄的儿童假人，这些假人已被世界各国采用。为满足标准要求，美国密执安大学于1 9 8 0 年开发了侧碰撞假人( s i d ) 。1 9 9 0 年s a e 同g m 合作对s i d 进行了改进，开发出b i o s i d 假人。现在美国正在研究开发更接近于人体工程学的新一代假人，包括孕妇假人等。根据文献报道：1 9 9 4 年美国已研制的新一代碰撞实验假 硼o r ，采用了新型的复合材料和弹性纤维包层的皮肤，骨架用合金铝、碳纤维，其材料的仿生等效性有了大幅度的提高，以期取代1 9 8 3 年研制的h y b r i di r 型假人( 假人的骨骼和关节由金属制成，皮肤为聚氨脂、橡胶、泡沫复合材料，颈椎和腰椎由金属橡胶做成) 。从上世纪八十年代以来，我们国家在国内已经开始了仿生材料和仿真人体模型的研究，并先后成功研究出了7 种仿真人体模型( 男性、女性、头颈部y 刀模型、胸部病灶模型、女性盆腔、鼻咽癌治疗专用头颈部模型及调强放射治疗模型) 以及多种组织等效功能材料( 辐射、微波、超声、热力学、核磁、力学、多功能复合等效材料) 。在理论上也取得了如下的丰富成果：创建了人体模型的相似原理；组织等效材料原子、分子、大分子层次设计理论；2四川i 大学硕士学位论文提出了某些等效性的判别和测试方法。此外在生物力学模型方面( 包括试验实物、物理性能、数学模型、化学特性方面) 也打下了良好的理论基础。1 1 4皮肤和肌肉等软质仿真材料的研究本课题的重点是实现皮肤等仿真软质材料的测试研究，因此我们需要更多的了解一下皮肤和肌肉的有关仿真材料制作基础 1 1 - 1 6 。皮肤是身体内部与外部环境间的边界器官，它形成一种自恢复的机械屏障抵抗外界物理和化学的侵袭，作为力学等效的仿生假人必须具有对外部抗冲击的能力和一定抗化学腐融的能力，以保证动态模拟假人的正常应用。正常皮肤组织由胶元纤维和弹性蛋白组成，胶元含量约为皮肤干重的6 0 一7 5 。骨骼肌是构成动物躯体的主要材料，占人体体重的4 0 。人体皮肤和肌肉的仿真结构和仿真材料制作的特点如下：仿真材料的第一层为表皮层，称复合性皮肤材料，由人造纤维和天然纤维混织，表面喷涂抗化学腐融的聚氨酯材料并有人造皮纹，厚度约o 5 毫米。仿真材料的第二层为皮下弹性体支撑组织，称橡塑共混弹性材料，厚度5毫米。材料为橡胶塑料共混发泡的海绵体。仿真材料的第三层为肌肉层，厚度为3 0 毫米。橡胶发泡材料，密度从o 3o 9 可调，邵氏硬度1 0 _ _ 9 0 可调。以保证假人整体及各部分质量、质心的调整。、采用三层结构叠加的制作方法，可以保障人造的仿生皮肤对外部的力学冲击、一定的抗化学侵蚀能力。内层肌肉则可保证动态假人的模型，又可以调整假人局部的质心分布，以便与真人相似，实现动态仿真的目的。1 2生物仿真材料检测的主要方法国内外的些科研人员提出了一些测试仿真材料的理论和方法“”1 ，但还没有形成这方面的公认的测试标准。而对于象皮肤等这种粘弹性材料的测试则有一些比较成熟的方法，如拉伸试验、压痕试验和扭转试验等。国际上对于生物组织及其等效材料的机械特性的检测可以粗略的分为静态法检测与动态法检测。四川大学硕士学位论文静态法检测有代表性的有英国的k k l i u 等研究的对单个微胶囊的压缩变形法测量。其测试方法为：将测试样品放在有液体的玻璃盘中，用一个2毫米的平玻璃作为压头，在玻璃盘的底板与压头之间就是放置微胶囊，通过在三个方向的微定位机构让压头压向样品，同时用微力传感器和高分辨率位移传感器记录下胶囊所承受的力和变形。k k l i u 利用m o o n e y r i v i l i n 定理和n e o h o o k e a n 本构方程建立了这种充满液体球的弹性模微胶囊的变形模型。j a y 和e d w a r d 使用微管吸气技术测量了微胶囊的弹性性质。他们还使用两个平板挤压单个微胶囊来测量微胶囊模的破例强度，由于运动板的相对位置难以精确测定，故这种方法很难研究微胶囊的变形行为。动态法检测检测粘弹性材料的机械特性早在1 9 5 1 年就有h a n sl o e s t r e i c h e r 进行了理论研究，他讨论了振动波在粘弹性介质中运动的方程，解决了两个问题：( 1 ) 平面波的能量传播和吸收；( 2 ) 一个振荡球的场和阻抗。其结果显示能量是以两种波的形式传播的，它们相对强度随频率强烈的变化：横波是由于剪切弹性和剪切粘性，压缩声波是由于介质体积的压缩性。而且作者以人体肌肉组织为例子，将其弹性常数的近似值代入一般的公式中，进而解释了从零到几百千赫兹范围内，在介质中球的阻抗可近似描述人体肌肉组织的实际行为。1 9 9 5 年美国的w m m a d i g o s k y 开发了一个能在制造现场使用，用于测量粘弹性材料的动态剪切模量或动态杨氏模量与损失因子的装置，他称为动态硬度试验机器，该装置由一个振子、阻抗头和压头组成。m a d i g o s k y 数字建模显示复数的剪切模量决定了系统的响应，并且与杨氏模量有一定的近似数字关系。而复数的剪切模量又可以通过测量力和加速度以一定的数字公式来得到，即剪切模量可以通过计算力和加速度的比值来确定。但是该方法需要同时测量力和加速度，系统比较复杂，成本也高。日本的s a d a oo m a t a 研究了一种测量软组织如人体皮肤和器官组织的的物理特性，如样品的刚度或硬度的仪器。该仪器由一个激振器和拾振器组成。当激振器以固定频率振动时，压头压向样品以及和样品的相互作用后其振动频率会发生变化。这个频率变化经实验证明了与软质材料的硬度变化呈线性交化关系。材料的硬度越高则频率会变高，而且频率变化正比于材料的剪切模量、密度和硬度。由此可知通过传感器的频率变化便可定量测量材料的硬度，测量系统简便，能在现场进行测量。但他们对频率变化的物理含义仍不清楚，4四川大学硕士学位论文缺乏对测量原理本质的认识。此外日本的k t a d a s h i 在2 0 0 0 研究了应用压电材料的动态响应来检测活细胞的机械特性，得到了一些初步的实验结果。虽然静态法和动态法都取得了一定的成果，但是这方面的科学定义和检测方法还未很好的建立起来，都有一些不够完善之处。1 3课题研究的目的和内容科学研究要求生物仿真假人和仿生材料的制作应该和真人的性能尽可能相似，从而使这些材料和假人的制作获得更加科学有效的等效性和使用依据。那么问题是如何才能对这些假人和仿生材料的等效性进行科学的评判呢? 这是一个非常重要的研究课题。因此本课题所涉及的对于生物仿真材料的测试方法研究，是生物仿真假人研究中迫切需要解决的理论和实际问题。本课题实现的是对生物仿真材料( 主要是皮肤和肌肉的仿真材料) 的力学性能的测试研究，它是仿真假人研究中一项重要的组成部分，它能为不断完善仿真假人的研究和制作提供更为科学的依据，使之具有同真人等效的仿真性能。本项目的创新之处在于：实现了对仿真材料邵氏硬度测试体系的研究并提出了一种测试软质材料弹性模量的方法。这些方法的提出将有益于今后生物仿真材料这方面的进一步深入研究和应用。1 4本章小结本章对仿真材料和仿真假人使用的背景以及意义进行了阐述，并着重讨论了目前国内外对仿真材料的测试研究现状。最后介绍了本课题的目的和研究内容。四川大学硕士学位论文第2 章材料硬度和弹性模量的测试理论基础2 1仿真材料的硬度及其检测生物仿真材料的测试内容包括生物性能、物理性能、化学性能、力学性能等方面的测试，如材料强度、硬度、弹性模量、密度、电阻率、成分分析、材料成分等。实现对仿真材料的硬度和弹性模量测量是衡量材料力学性能的重要指标。材料的力学性能也称为机械性质，是指材料在外力作用下表现出的变形、破坏等方面的特性。硬度是指材料抵抗其他较硬物体压入其表面的能力。硬度值的大小是表示材料软硬程度的有条件的定量反映，它本身不是一个单纯的确定的物理量，而是由材料的弹性、塑性。韧性等一系列力学性能组成的综合性指标。硬度值的大小不仅取决于该材料的本身，也取决于测量条件和测量的方法。2 1 1 硬度试验的目的硬度试验的主要目的是测量该材料的实用性，并通过对硬度的测量问接了解该材料的其他力学性能，例如磨耗性能、拉伸性能、固化性能等，因此硬度试验对于评价和检测仿真材料具有非常重要的作用。硬度试验具有测量迅速、经济、简便且不破坏试样的特点，是检测材料性能最容易的一种方法。2 1 2 硬度测量的方法测定硬度啪1 的方法很多，可分为以下三类：( 1 )测定材料耐顶针( 球型顶针) 压入能力的硬度试验。例如布氏硬度( b r i n e l l ) 硬度、维氏( v i e k e r s ) 硬度、努普( k n o o p ) 硬度、巴科尔( b a r c 0 1 ) 硬度，邵氏( s h o r e 硬度和塑料球压痕硬度等。( 2 )测定材料对尖头或另一种材料的抗划痕性硬度试验。例如比尔鲍姆( b i e r b a u m ) 硬度和莫斯( m o h s ) 硬度等。( 3 )测定材料回弹性的硬度试验。例如洛氏( r o c k w e l l ) 硬度和邵6四川大学硕士学位论文氏反弹硬度等。通常，大多数的硬度试验都是由第一类和第三类组合起来的。我们采用邵氏硬度的测量方法来测量生物仿真材料的硬度，主要着眼于测试的简便性和重复性好以及测量的材料主要是皮肤或者肌肉组织等质地较软的仿真材料。2 1 3邵氏硬度测试的基本原理邵氏硬度又称肖氏硬度，是表示塑料和橡胶等材料硬度等级的一种方法，皮肤和肌肉组织仿真材料的机械性能和橡胶等有着相似之处，因此我们也可采用邵氏硬度来衡量这些仿真材料。邵氏硬度分为邵氏压痕硬度和邵氏反弹硬度两种，前者被铡样品放在硬度计台面的适当位置，压紧到规定时间后立即读取用数字0 1 0 0 表示的压痕硬度读数。压痕硬度计有a 型、c 型和d 型三种刻度型号；后者则使用邵氏反弹式硬度迸行测定，使用顶端装有金刚石的总重约3 克的冲头，从约3 0 0 m n 高度的玻璃管中垂直落于试件上，由玻璃管的刻度读取其垂直反弹的高度，用下式计算其硬度值：h s = k h 心( 2 - i )式( 2 一1 ) 中h s 为邵氏反弹硬度。h 为冲头反弹的高度，i o 为冲头原始高度，k为反弹硬度系数。为了便于动态的观测材料的测试情况，我们采用邵氏压痕硬度计来进行测量。邵氏压痕硬度计的工作原理是将规定形状的压针在标准的弹簧压力下。并在严格的规定时间内，把压针压入试样的深度转换为硬度值，表示该试样材料的硬度等级，并可从硬度计的指示表上读取。指示表为1 0 0 个分度，每一个分度即是一个邵氏硬度值。邵氏硬度计分为a 型、c 型和d 型三种刻度，其硬度分别用h 、 i c 和h d 表示。邵氏a 型适用于软质材料，邵氏c 型和d 型则适用于较硬或硬质塑料和硫化橡胶。测定邵氏硬度时，我国规定与i s o 一致，只使用a 型和d 型两种。图2 1 中所示为邵氏a 型和d 型硬度计的示意图。7四川大学硕士学位论文aa图2 1 邵氏a 型和d 型硬度计示意图各个尺寸如下：a = 由3 0 0 1 5 0b = 由1 2 5 0 1 5c = 2 5 0 0 0 4d = 由0 7 9 0 0 3( 2 2 )硬度计弹簧对压针所施加的力应与压针伸出压板位移量有恒定的线性关系，其大小与硬度计指针所指刻度关系符合：a 型f = 5 5 0 + 7 5 h ( m n )( 2 4 )d 型f d = 4 4 5 r d ( m n )( 2 5 )规定邵氏硬度取值在0 一i 0 0 之间，压针处于自由状态时为0 ，当硬度计下压板与平整玻璃片完全接触时为1 0 0 。测试时硬度计安装在支架上，并加上规定的负荷( a 型加1 公斤砝码，d 型加5 公斤砝码) ，避免揉作人员的不同导致测试结果的差异。测试时试样置于硬度计平台上，缓慢均匀的在规定重量的重锤作用下，从下压板与试样完全接触1 5 秒后立即读数。也可以在完全接触i 秒钟内读数，该读数即为该测点的硬度值。采用a 型邵氏硬度计澳4 试硬度计的测试方法e 2 1 - 2 2 1 实验原理图如图2 2下所示。8四川大学硕士学位论文套筒图2 2 邵氏硬度测试实验原理图样2 2弹性模量及其检测弹性模量1 同样是材料力学性能重的一个重要指标。通过对材料的弹性模量测量可咀了解材料的在受到一定外力作用时所产生变形的机械性能。弹性模量的检测在试验上一般有拉伸和压缩的两种检测方法。虽然两种检测方法不一样，但是材料的弹性模量应该是一致的。2 2 1材料轴向拉伸或压缩时的变形试验表明，直杆材料在轴向拉伸时，其轴向尺寸伸长，横向尺寸缩短：反之轴向压缩时，轴向尺寸缩短，横向尺寸伸长，轴向和横向尺寸的改变是同时发生的。杆件沿轴向方向的变形称为纵向变形，垂直于轴向方向的变形称为横向变形。假设杆件原长为l ，横向尺寸为b ，受到轴向力( 拉或压) 后，杆的长度变为l 1 ，横向尺寸变为b 1 ，则纵向变形为：l 2 l 1 一l ：( 2 - 6 )横向变形为：b = b 1 - b( 2 7 )试验表明：在材料的弹性范围内，杆的变形l 与其长度l 以及轴向外力n成正比，与其横切面的面积a 成反比。即9四川大学硕士学位论文l o c n l a ：( 2 8 )引入比例常数e ，则得l = n l e a ：( 2 - 9 )以上式子成为材料的虎克定律。式中的e 称为材料的拉( 压) 弹性模量，其量纲为 力 长度 2 ，e 的单位常用g p a 或者m p a 。可以看出l 与e 成反比，故弹性模量表示了材料抵抗变形能力的大小。即相同尺寸的杆件，在相同的载荷作用下，弹性模量越大，则杆件的变形越小。同时也可看出，杆件的变形l 与e a 成反比。乘积e a 成为杆件的抗拉( 抗压强度) 。在一定的外力作用下，抗拉( 压) 刚度越大，杆件的变形越小。l 只能反映整个杆件的变形大小，不能反映杆件的变形程度。为了消除长度的影响，可利用下式得到杆件轴向方向的线应变：= l l( 2 - 1 0 )e 为一个无量纲的量，表示单位杆长的变形。式子( 2 - 1 0 ) 同样也可改写成：n a = e * l l( 2 - 1 1 )引入o = n a 以及( 2 1 0 ) 式，上式可变为：o = e8( 2 - 1 2 )( 2 - 1 2 ) 式为虎克定律的另一种形式。它表明在弹性范围内，杆的正应力和线应变成正比。以。为纵坐标，为横坐标，作图表示o 与e 的关系称为应力一应变图或者a e 曲线。2 2 2 试验室测量弹性模量的基本方法拉伸和压缩试验是材料的力学试验中最基本最重要的试验“，是工程上广泛使用的测定力学性能的方法之一。试验上有采用机械式引申仪和应变电测法测定弹性模量e 。这里简单阐述一下机械式引申仪测量的方法。首先需要用试验机夹紧试件，为了减少测量的误差，试验一般采用等增量法加载，即把载荷分成若干相等的加载等级，然后逐级加载。通过对载荷和试件的变形曲线关系，可以拟合得到材料的弹性模量。具体的测试和拟合方法将在随后的章节中介绍。1 0四川大学硕士学位论文2 3本章小结本章介绍了邵氏硬度和弹性模量的测试目的、基本原理以及数学模型。它们是实现测试系统方案的理论基础。四川大学硕士学位论文第3 章测试系统的总体设计仿真材料测试系统的设计将根据国家标准中关于邵氏硬度和弹性模量测试方法和基本原理的基本要求，并加以改进实现对皮肤或者肌肉等软质仿真材料的动态测试。测试系统要求能够操作简便、灵敏而且重复性能良好。本章将从测试系统的基本要求和功能实现进行分析，提出测试系统的总体设计方案，并对实现系统功能的软件方案进行着重介绍。3 1系统设计的基本要求系统的总体方案设计，关系到系统功能模块的划分、硬件设备的选择和配置以及软件的设计和编制。系统方案的优劣对于整个系统的性能以及运行的可靠性有十分重要的意义。设计一套具有实用性很强的用户操作界面，要充分了解分析软件所需的功能要求，明确系统实现的目标、应用范围、软硬件条件和实现方法。本系统设计的基本要求为：( 1 ) 能够正确地实现对各种软质材料的弹性模量和邵氏硬度测量，精确度高，所得结果误差较小。( 2 ) 通过计算机模拟测试进行的主要过程，直观的观察到测试过程的变化情况。( 3 ) 对测试数据进行实时传输，信号转换，并对所得到的数据进行图形处理、数据计算、线性回归和相关分祈。( 4 ) 在测试过程中，用户可以实现与测试系统的自由交互，能够对测试参数、测试条件以及数据传输协议进行修改和重新设置。( 5 ) 对测试结果能够实现保存。3 2测试系统设计的总体结构测试系统的设计基于邵氏硬度计的测试原理，综合生物力学、高分子材料、机械设计、仪器电路以及计算机程序编程等方面的内容，采取结构简单化、方便实用和易于普及的设计特点组成系统。系统的构件包括一个改装的邵氏硬度计、一台数据转接器和一台有九针插槽串行通信口的计算机。测试四川大学硕士学位论文弹性模量时除了以上的仪器设备外，还包括一台测量微位移变化的千分表。测试系统的组成框图如图3 1 所示。3 3测试系统的方案实现为达到方便快速的实现对硬度和弹性模量的测试，测试的硬件都以改装的邵氏硬度计为基础，只不过弹性模量的测试多了一个千分表测量相对位移。而且测试系统的软件也由两部分组成，界面也各自不同，即对邵氏硬度的测试系统软件和弹性模量测试软件。这实际上是一个体系的两个部分，而对弹性模量的测试是建立在邵氏硬度测试系统基础之上的。3 3 1系统设计硬件方案硬度计采用改装过的a 型邵氏硬度计。a 型邵氏硬度计的装置图如图3 2 所示。液晶图3 2a 型邵氏硬度计的装置示意图四川大学硕士学位论文在邵氏硬度计的测头上安装一个容栅传感器，该传感器作为信号采集部件，用来测量测头的位移变化。对测头施加一个外力以后，可以获取测头位移变化与时间的信息关系，再经测试计上的鉴相器进行鉴相、细分、量化和模拟擞字转换器，将模拟信号转换成数字信号，数字信号再通过串行口输入计算机，计算机对这些数字信号进行信息处理，编程实现各种结果和图形的显示。测试计采用特殊的结构，在测试计的测头部分装有弹簧，将弹簧一端固定于测试计的套筒上，在测头受力条件下，弹簧会发生形变，其力与形变符合虎克定律。固定测头的最大位移为2 5 4 毫米，对位移进行限程的是一个固定于表壳上的圆柱型套筒，套筒内安装有弹簧和固定元件，测头从套筒底面一圆孔伸出筒外。弹簧采用特殊舍金材料做成，邵氏硬度的测量是一种比较测量，对于不同的澳4 试对象，弹簧的变化很小，可以视其为一个恒力，测量出位移与时间的变化关系，并保持稳定性要求。测头采用聚酯类材料，避免与生物组织接触时造成伤害。为避免测试计重量对测量造成的不良影响，采用一可调装置固定测试计。测得的位移信号经测试计内集成电路转换成数字信号。此转换部分采取调相方式，将位移信号转换成相位反映位移量的电信号，再检测一定脉冲与调相信号过零点的时间差来测出输出信号的相位变化。测试计上安装有液晶窗口，其上显示的数据也就反映了形变量的大小。a 3 2 数据传输的实现测试计上有一个非标准的数据输出口，为达到与计算机兼容的目的，需要进行数据格式的转换处理。采用一台s z - 1 a 型数据转接器来实现将串行数据转换成符合r s 2 3 2 要求的信号。此数据转接器利用单片机为处理核心实现电平转换、整型、串并行转换，并定时输出一个数据。数据的传输采用异步通信方式。含一个起始位，8 位数据位，无校验位和一位停止位，波特率为9 6 0 0 b p s ，一个完整的测量数据由9 个a s c i i 码组成，数据按高位到低位传输。数据传输端为d b 一9 型插座。3 4测试系统的软件方案设计1 4四川大学硕士学位论文测试系统的软件设计是整个测试系统实现的重点。系统的软件方案设计和软件功能的实现对系统功能的实现起着举足轻重的作用。系统软件设计的总体方案如图3 3 所示。图3 3 系统软件设计方案图3 4 1测试系统的软件功能要求不同的软件开发工具有其不同的性能特点，软件开发工具的选择除了考虑开发者的熟练程度和编程习惯外，更重要的是考虑开发对象的功能实现以及软件运行的稳定性和可靠性等方面的要求。本测试系统软件实现的主要功能有：( 1 )能够实现串1 ：3 编程和数据的采集。本系统以r s - - 2 3 2 串1 ：3 为数据传输基础，软件应对串口操作进行控制，实现打开和关闭串1 ：3 的功能，并能改变传输协议的选择。四川大学硕士学位论文( 2 )对所采集的数据进行分析处理和运算的能力，得出结果。同时能对数据进行保存和重现的功能。( 3 )对测试过程进行图型演示，得到整个过程的模拟图。( 4 )所得数据能够进行线性拟合，直观的显示数据测试情况。( 5 )测试系统工作在进行串口传输的时候不会影响计算机其他程序正常运行处理，不会导致计算机挂起现象的发生，也就是能实现多线程编程。3 4 2 开发工具的选撵由于w i n d o w s 操作系统界面简单，操作方便而且以其功能强大，支持众多应用软件的开发而广受用户欢迎，因此我们选择w i n d o w s2 0 0 0 操作系统作为应用软件开发的平台。我们知道，m a t l a b 的数学运算功能强大，并能方便的实现对数据的处理、仿真和模拟，因此当用串口编程获得数据以后可以用m a t l a b 来进行数据处理。这就是我们最初选择是利用m a t l a b 来进行系统的开发的原因，而且也进行了一些试验，取得了一些有效的试验结果。同样，本测试系统也可以用d e l p h i 或者v i s u a lb a s i c 这些软件进行开发，但是我们后期最终选择了用v i s u a lc + + 6 0 作为系统开发的工具。选择v c 的原因在于：( 1 ) v c 是基于w i n d o w s 操作原理的面向对象的程序设计语言，采用结构化的程序编程设计方式，编程更为灵活、方便。( 2 ) v c 提供具有强大功能的向导工具来简化w i n 3 2 应用程序的开发。向导用于帮助用户生成应用程序的基本框架。拥有支持各种应用程序开发功能的m f c 类库。( 3 ) 对计算机拥有强大的底层开发和管理功能，同时也具有良好的界面接口。基于以上考虑，本系统将着重以v c 为重点完成系统的设计和开发。3 5本章小结本章根据系统设计的基本要求，分析了设计所要满足的基本功能，针对1 6四川大学硕士学位论文功能模块提出了系统设计的总体方案思想，阐述了实现系统测试的硬件装置以及数据传输的实现方法，介绍了系统的硬件组成方案。并针对测试功能实现对软件部分的要求，着重说明了软件开发的设计方案。四川大学硕士学位论文第4 章生物仿真材料邵氏硬度测试系统的开发本章将着重介绍生物仿真材料邵氏硬度测试系统的具体开发和程序设计情况，并对实际的测试结果进行分析。4 1测试系统的工作原理测试系统的工作原理以及组成如图4 1 所示。图4 1 邵氏硬度系统测试原理图测试时将事先经过校正的邵氏硬度计经改装后固定于测试平台上，用外力将夹持在托盘上的材料向上顶起，使测头与材料充分接触，测头在材料的压力作用下被压下直到材料表面与邵氏硬度计的套筒充分接触。硬度计内的弹簧随之也发生形变，该形变通过位移传感器测得信号变化，经数据转接器将模拟信号转换成数字信号，数字信号经r s 2 3 2 串口发送到计算机，由计算机开发的软件完成接受和信息处理。软件实现的功能主要是对整个测试系统的控制、数据的计算、保存、结果输出和图形的绘制等。4 2鉴相型容栅测量系统1 8四川大学硕士学位论文我们在整个系统的设计中为实现位移的测量采用了鉴相型容栅传感器。容栅传感器。5 _ ”1 是国外7 0 一8 0 年代研制出来的大型位移传感器，具有结构简单、体积小、耗能少、环境适应性强和测量精度较高的优点，在很多的量具和测量仪器方面的应用越来越多。容栅传感器是在电容传感器的基础上发展起来的，它的形成原理是在两极板相对工作面上分别刻划( 印制) 一系列栅纹，形成一对对电容，将这些电容并联在一起，即构成容栅传感器。当两极板相对运动时，电容值发生周期变化，于是根据测得的变化周期数和变化量值来测量线位移。按照形状和用途，容栅式传感器划分为长容栅传感器和圆容栅传感器，我们这里采用的是长容栅式传感器，其原理图如图4 2 所示。_动尺图4 2 容栅式传感器的测试原理图定尺在图中，将刻化有一系列栅纹的定尺容栅与动尺容栅叠合在一起，组成容栅副，当动尺容栅如图所示平行移动时，电容的面积会发生变化，因而传感器的电容值也发生变化。我们这里采用的是所谓的反射式群聚型容栅传感器，它的结构图4 3 如所示。1 9四川大学硕士学位论文动尺定尺口口口口口口口口口口口i 、i 图4 3 反射式群聚型容栅传感器结构图在动尺结构中，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 为发射极板，相同字母的发射极板通过金属化孔在印刷电路板的反面用引线相连；j 为接受板：d 为屏蔽极板。在定尺结构中，f 为反射极板，d 是屏蔽极板。在这种结构中，其发射极1 ，2 ，8 和反射极板f 均做成大小和形状不同的栅状电容极板。测量电路原理图如图4 4 所示。四川大学硕士学位论文图4 4 测试电路原理图将激励信号u j ( t ) 加在8 个动栅极板上，经传感器的动栅与定栅之间的电容c i ( x ) 的耦合及x 的调制，分别形成8 组u i ( t ) c i ( x ) 然后在输出极板上叠加而形成输出函数7u x ) u i ( o c i ( x )( 4 1 )i 0再经解调和滤波后得到u 化x ) 的基波。u ( t ，x ) = 4 c o s ( c ou t 2 x ( 1 ) )( 4 2 )u ( t ，x ) 的位相0 x 2 2nx f a ) ，它是随x 的变化而变化的。这就是鉴相型容栅传感器的移相原理a 然后将位相0 ；与基准相位在鉴相器中进行比较，得到移相值时大小和方向，再进入液显表就显示出x 位移的数值和方向，同时位移信号也发送到数据转接器中进行进一步的分析和处理。在实际的应用中，将容栅电路中各个组成电路做成一个集成电路芯片。四川大学硕士学位论文本系统采用的数显卡尺就是专为容栅尺传感器设计的位移测量电路，它是一种大规模c m o s 集成电路，芯片采用软封装技术与制成容栅动尺的印刷电路做成一体，再与容栅定尺以及l c d 一起组装在卡尺的构件中，成为数显卡尺成品。容栅电路主要由时钟、分频器、8 路容栅驱动信号输出、输入信号解调和放大、鉴相、计数、数据处理、译码显示驱动、控制逻辑等部分组成。其各路电路原理及功能和图中所示类似。4 - 3计算机与数码转接器的接口与通信技术测试系统的设计与组成，必须考虑计算机与数据转接器进行连接的时候，它们之间的信息交换需要有一个中间环节问题，这就涉及到它们之间的接口技术。接口是c p u 与设备之间的连接部件、是计算机与外界进行信息交换的中转站。研究计算机接口技术是研究c p u 如何与外部设备进行最佳结合与配合，将计算机系统中的各种功能部分连接起来构成一个完整的、实用的计算机系统，并能实现与外部设备高效、可靠的交换信息的- - n 软硬件相结合的技术，是软硬件结合之体现，是微型计算机应用的关键。4 3 1数码转接器功能实现的电路设计2 9 _ 3 4 1从容栅电路出来的数据输出口共有四根线：电源线、地线、同步时钟线和数据线。对数显卡尺送出的同步时钟和数据信号，首先进行电平转换和整形，然后再送到计数器和移位寄存器进行串并行转换。当转换完成后单片机读取移位寄存器中的数据。电路原理图如图所示：四川大学硕士学位论文图4 5 数据转接器输入接口电路原理图该接口电路的功能是接收数显尺输出端口送来的串行数据位( d a t a l )和同步时钟信号( c l k ) ，两路信号通过l m 3 1 1 电压比较器实现电平转换，串行数据经计数器g d 4 0 2 2 b 和移位寄存器m c l 4 0 9 4 b c p 转换成并行数据并由单片机读入。4 3 2单片机与计算机串口通讯电路的设计数据转接器采用的单片机为a t 8 9 c 2 0 5 1 3 5 _ 3 。a t 8 9 c 2