（机械电子工程专业论文）虚拟仪器在生物仿真材料测试系统中的应用.pdf

叫j 1 1 人学坝i 。学位论奠虚拟仪器在生物仿真材料测试系统中的应用机械电子工程专业研究生陈爽指导教师袁中凡教授在过去的2 0 年中，p c 机应用的迅速普及促进了测试测量和自动化仪器系统的革新，其中最显著的一点就是虚拟仪器概念的出现与发展。一套虚拟仪器系统就是一台工业标准计算机或工作站配上功能强大的应用软件、低成本的硬件( 例如数据采集卡d a q 、g p j b 总线仪器、v x i 总线仪器模块、串口r s 2 3 2 仪器等) 及驱动软件，他f l 在一起共同完成传统仪器的功能。虚拟仪器代表着从传统硬件为主的测量系统到以软件为中心的测量系统的根本性转变。以软件为主的测量系统充分利用了常用台式计算机和工作平台的计算、显示等诸多用于提高工作效率的强大功能。虽然p c 机和集成电路技术在过去的2 0 年旱有显著的发展和提高，但是，软件才。是在功能强大的硬件基础上创建虚拟仪器系统的真正关键所在。新的以软件为中心的虚拟仪器系统为用户提供了创新技术并大幅降低了生产成本。有了虚拟仪器，就可以完全根据自己的需求组建测量和自动化系统，而不用再受功能固定( 完全由厂家提供) 的传统仪器的限制。在对汽车假人、航空航天假人等生物模拟假人的深入研究过程中，如何实现这些生物假人的仿真制作对现代制造业提出了一些新的课题，例如制作加工的模拟人应当怎样才情拥有和真人尽可能多的相似性。对仿真假人和仿真材料进行深入研究不仅对于国家的科研水平和军事实力的提高有重要意义，同样在促进医学发展、提高人民生活质量等方面也起着非常重要的作用。四川夫学硕t 。学位论史对生物仿真材料的等效性判定，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完善，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，以邵氏硬度计为基础，以虚拟仪器开发工具为平台，使用虚拟仪器解决方案，在普通硬件基础上实现了虚拟仪器对软质仿真材料硬度和弹性模量的定量检测，大幅降低了资金投入、系统丌发成本和系统维护成本。对软质仿真材料的性能进行了测试分析，结果证明了将虚拟仪器技术应用于生物仿真材料性能测试系统的可行性和优越性。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，采用数据转接器实现了数据的转换、传输。用虚拟仪器开发工具l a b w i n d o w s c v i 软件编程，利用虚拟仪器软件丰富的库函数实现数据的采集、分析和计算；采用多线程的编程方式，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l a b w i n d o w s c v i 语言为平台，实现了软质仿真材料弹性模量测试系统的软件丌发。通过对软质仿真材料弹性模量的测试实验，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：虚拟仪器仿真材料邵氏硬度弹性模量l a b w i n d o w s c v i 库函数多线程编程串口通信数据采集2堕型叁兰堡! ：堂竺堡茎a p p l i c a t i o no ft h ev ii nb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a lm e a s u r e m e n ts y s t e ms p e c i a l 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 ：c h e ns h u a n gs u p e r vis o t ：p r o f y u a nz h o n gf a na tt h el a s ts c o r ey e a r s ，t h ea p p l i c a t i o no fp ch a dar a p i dp o p u l a r i z a t i o na n di ts p e e d e dt h e r e n o v a t i o no ft e s t i n g m e a s u r i n ga n dm e a s u r e m e n ts y s t e ma u t o m a t i o n t h em o s tr e m a r k a b l ee v e n tw a st h ea p p e a r a n c eo fv i r t u a li n s t r u m e n t ( v i )c o n c e p t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to f v it e c h n i q u e as e to fv is y s t e mi sac o m p u t e ro rw o r k s t o l o nw i t hi n d u s t r i a ls t a n d a r da d di ni n t e r n e ta p p l i c a t i o n sw i t hs t r o n gf u n c t i o n s ，h a r d w a r ea tl o wc o s t ( d a q ，g p i b ，v x i ，r s 2 3 2e g ) a n ds o f t w a r eu s e df o rd r i v i n gt h a tj o i nt o g e t h e rt oa c h i e v et h ef u n c t i o n so ft r a d i t i o n a la p p a r a t u s v ir e p r e s e n t st h er a d i c a lt r a n s f o r m a t i o no fat r a d i t i o n a lm e a s u r es y s t e mu s i n gh a r d w a r em o s t l yt oa na d v a n c e ds y s t e mu s i n gs o f t w a r ea sac o r e t h em e a s u r e m e n ts y s t e mt h a tm o s t l yd e p e n d so f fs o f t w a r eu t i l i z e st h es t r o n gf u n c t i o n sl i k ec o m p u t i n g ，d i s p l a y i n ga n ds oo no fp cc o m p u t e ro rw o r k s t a t i o nf u l l yt oh e i g h t e nt h ee f f i c i e n c y a l t h o u g ht h ep r o m i n e n td e v e l o p m e n to ft h et e c h n i q u eo fp ca n di ca tp a s tt w e n t yy e a r s ，t h et e c h n i q u eo fs o f t w a r ei st h er e a lk e yt oc o n s t r u c tas y s t e mo f v it h a tb a s eo nh a r d w a r ew h i c hh a ss t r o n gf u n c t i o n s t h en e ws y s t e mo fv it h a td e p e n d so ns o f t w a r ep r o v i d e si n n o v a t i n gt e c h n i q u ef o rc u s t o m sa n dd e c r e a s e st h ep r o d u c t i o nc o s ta th i g hs c a l e h a v i n gv it e c h n i q u e ，w ec a nc o n s t r u c tt h em e a s u r e m e n ta n dt h ea u t os y s t e mo no u ro w nd e m a n d s ，b u tn o ts u f f e rt h e1 i m i t a t i o no f t r a d i t i o n a la p p a r a t u sw i t hf i x e df u n c t i o n s 3凹川大学硕l 学位论文i nt h ef u r t h e rr e s e a r c h i n gc o u r s e0 nt h eb i o a n t h r o p o m o r p h i c ，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 a t i o ne t c h o wt oa c t u a l i z et h ep r o d u c t i o no 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 sh a sr a i s e ds e v e r a ln e ws u b j e c t st om o d e mm a n u f a c t u r i n g f o re x a m p l e ，h o wt og e tt h es i m i l a r i t yo fp h a n t o ma n dh u m a nb e i n ga sm a n ya sp o s s i b l ed u r i n gt h em a n u f a c t u r i n g t h ef u r t h e rr e s e a r c ho nb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a la n dp h a n t o mh a si m p o r t a n ts e n s et oi n c r e a s et h el e v e lo fs c i e n t i f i cr e s e a r c ha n dm i l i t a r ys t r e n g t h i th a sp e r f o r m e da ni m p o r t a n tr o l ei np r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to f m e d i c i n ea n di m p r o v i n gt h eq u a l i t yo f p e o p l e sl i v e i ti sa ne x t r e m e l yi m p o r t a n ts u b j e c ti 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 mm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sw h e nj u d g i n gt h ee q u i v a l e n 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 t h er e s e a r c h i n gm e t h o d so 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 sw e r en o tp e r f e c ta sy e t ，a n dl o o kf o r w a r df u r t h e rd e v e l o p m e n t t h i sa r t i c a l ea i m e da tt h es t a t u sa b o u tt h er e s e a r c h i n gd e v e l o p m e n ti nd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e c e n t l y ,b a s e do ns h o r eh a r d n e s st e s t e r ，u s e dv it o o l sa sap l a t f o r m ，t o o kt h es o l u t i o ns c h e m eo fv i ，a n dr e a l i z e dt h eq u a n t i t a t i v et e s to fh a r d n e s sa n de l a s t i cm o d u l u so 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 sb a s eo nc o m m o nh a r d w a r e t h ei n v e s t m e n t ，t h ec o s to fd e v e l o p m e n ta n dm a i n t e n a n c ew e r ed e c r e a s e da tl a r g es c a l e w eh a dm e a s u r e da n da n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co 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 ，a n dp r o v e dt h ef e a s i b i l i t ya n da d v a n t a g ea p p l y i n gt h ev it e c h n i q u ei nt h em e a s u r e m e n ts y s t e mo 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 t h ep a p e rp r i m a r yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：( 1 ) 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 fh a r d n e s sb a s eo nt h ep r i n c i p l eo f b i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a ls h o r eh a r d n e s st e s ts y s t e m ( 2 ) t e s tt h ed i s p l a c e m e n to fh e a dp 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 n v e r s i o na n dt r a n s f e rb yt h ed a t a - a d a p t e r ( 3 ) u s e dt h ed e v e l o p i n gt o o l so fv il a b w i n d o w s c v it op r o g r a m r e a l i z e dt h ed a t ac o l l e c t i o n ，a n a l y s i sa n dc o m p u t i n gb yt a k i n gf u l la d v a n t a g eo ft h ea b u n d a n tf u n c t i o nl i b r a r yo fv i ss o f t w a r e r e a l i z e dt 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 c4! ! 型墨堂堡! ：兰些笙兰一m a t c r i a lb ym u l t i t h r e a d sm e t h o d ( 4 ) b a s e do nt h es h o r eh 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 ，u s e ds 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 u 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 r e a l i z e dt 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 lb yu s i n gl a b w i n d o w s c v i ( 5 ) 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 s i st h el i n e a rc o r r e l a t i o na b o u tt h ed a t a ，a n dg o o dr e s u l t sh a v ea c h i e v e d k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r t t m e n tb i o a n t h r o p o m o r p h i cm a t e r i a ls h o r eh a r d n e s se l a s t i cm o d u l u sl a b w i n d o w s c v lf u n c t i o nl i b r a r ym u l t i t h r e a d ss e r i nc o m m u n i c a t i o nd a t ac o l l e c t i o n5川川大学坝卜学位论殳第1 章绪论随着现代科学技术的发展，人类科学研究活动涉足的领域也越来越宽广。借助于对二十一世纪新兴的生物科学技术的深入研究，人类对自身和自然界的认识得到了不断提高，人们利用科学技术改造和征服自然的能力也随之提高。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研究的相关背景1 1 1 相关的应用领域针对一些特殊的、对人体本身具有较大危险性和不确定性的科学试验，采用生物仿真模拟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“1 ，在医院作为每天“第一个病人”检查医疗设备的性能，作为新的治疗方法的“第一批受试者”，检查其技术的科学性、安全性，并不断的改进和提高：利用生物仿生材料制作人工器官等：作为新武器的“第一批参试人员”检查各类武器装备的杀伤力和防护器材的防护能力，提高武器装备的现代化水平和作战能力；作为高速运载工具( 汽车、火车、飞机) 的“第一批乘客”检验人机界面的友好程度，评价乘员的安全性、舒适性，以便于紧急状态下生命保障系统的可靠性；作为新的旅游点和新建筑的“第一批游客和住户”，对动态、静态、体内、体外、器官和整体的辐射危险度做出客观评价：在汽车碰撞试验中“，代替试车人员完成猛烈的汽车碰撞的数据采集以检测汽车的安全性能；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，直升机紧急着地的泊地试验。这些生物仿真假人以及人工器官的应用，都涉及到个重要的课题，这就是生物仿真材料的研究和制作。目前国内外对生物仿真假人的研究制作已经取得了一定的进叫j 1 1 人学硕 学位论文展，在我国的某些科研领域也已经采用生物仿真材料成功地制作了各种仿真假人，如汽车假人、航空航天假人等。我国也在更多的科研领域加大了对仿真材料和假人的研究与投入。1 2 仿真力学材料研究发展的三个阶段仿真材料的研究发展大致可以划分为以下三个阶段：第一个阶段是二十世纪五十年代之前，是仿真人体模型及材料的发展初期阶段。这个阶段仅是外型的替代，强调的是几何的形态，仿真材料从现成的天然物质中获得以水、大米、面粉、商岭土、石蜡等作为组织的替代物。第二个阶段是二十世纪五十至七十年代，五十年代提出了“组织等效材料”的概念，要求替代物对射线的散射、吸收、衰减等有相似特点，因此，聚乙烯、聚苯乙烯、有机玻璃，曾一度成为在人工高分子材料中首选的替代材料。第三个阶段开始于八十年代，随着科技的发展，人类的进步，又提出了“仿生功能高分子材料”要求按原子、分子、大分子层次设计的原理，实现仿生材料的化学元素仿生、组成结构仿生、物理特性仿生、能量传递仿生、功能仿生，使这些材料在微观组成结构、宏观性能与人体各种组织相似。在较宽的辐射能谱范围内具有全等效特点，这种全能谱仿生材料在高能辐射和宇宙辐射研究中有广泛用途。而“多功能等效材料”要求物理特性( 如x 、y 射线，电磁波、微波、机械波、热振动波) 等效从而提供了不同的电磁波谱的条件下，不同层次组成( 原子、分子、大分子) 、能量传递吸收的组织替代材料和人体模型。将仿生材料、微观元素组成、大分子结构和宏观特性相结合，成功的指导了仿生材料的设计、合成、测试的最优化，保证其误差在1 5 内。1 1 3 仿真假人研究及其现状六十年代美国制造试验飞行器弹射座椅的入的代用品( a r l ) 公司丌发了假人r i p 1 9 7 1 年h y b i r di 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 k e和用户集团共同开发出了g m 公司设计的h y b i r di i i ( 混合i i i 型假人) 。这一p q ，i i 大半坝i ：学位论文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，丌发出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人t h 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大幅度提高，以期取代1 9 8 3 年研制的t t y b r i di i i 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，颈椎和腰椎由金属一橡胶做成) 。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。经二十年不懈努力，迄今已研制生产了按不同需求，用透明、半透明、不透明及不同弹性的高分子材料制作，并有七种类型的仿真人体模型( 男性、女性、头颈部y 刀模型、胸部病灶模型、女性衙腔、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；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17 - 1 1 1 。1 1 ，4 皮肤和肌肉等软质仿生材料的研究本课题的重点是实现皮肤等仿生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生材料制作基础iz - i | 。皮肤是身体内部与外部环境问的边界器官，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入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j ：f 常使用。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 7 5 $ 。骨髂肌是构成动物躯体的主要材料，占人体体重的4 0 。人体皮肽和肌肉的仿生结构和仿生材料制作的特点如下：叫川大学硕 ：学位论殳仿生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0 5 毫米。仿生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。仿生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0 3 0 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一些科研人员提出了一些测试仿真材料的理论和方法17 - i 9 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。静态法检测代表性的有英国的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 h 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裂强度。由于运动板的掘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。动态法检测检钡4 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，解决了两令问题：平面波的量传播和吸收：一个振荡球的场和阻抗。其4旧川人学砸。学位论文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弹性模量与损失因子的装置，他称为动态硬度试验机器，该装肴! 由个振子、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，并且与弹性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，或样品的刚度和硬度的仪器。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变化关系。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，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制的仿生材料应该和真人的性能尽可能相似，从而便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旧门l 大学硕上学位论文究，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生材料) 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：利用虚拟仪器编程语占l a b w i n d o w s c v i 结合硬件测试系统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进一步的深入研究和应用。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。叫川人学硕l 学位论义第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。对材料硬度进行测定的试验称为硬度试验 2 0 l0 硬度试验属材料的机械性能试验范畴，是认识和了解材料性能的重要手段之一。硬度试验随着人类发现、生产和使用材料而产生，随着科学技术的发展而发展，硬度的概念也随着人们对材料性质研究的深入而逐渐完善和统一。现代科学技术、生产及日常生活，对材料的性能提出的要求尽管名目繁多，但归纳起来可分为两类：类是工艺性能；另一类是使用性能。工艺性能是表示材料是否适合某些加工生产方式，而使用性能表示材料能否在某些方面进行应用。为了解材料的性能就要进行材料性能试验。人们除了通过测定材料的一些基本性质如：熔点、导电率、密度等来了解材料的工艺性能和使用性能外，还要通过模拟各种实际的工艺和使用条件而设计出一些试验装置来测定和了解材料的性能。这样所测得的材料性能，往往是由材料的几个参变量( 即材料多种基本性质综合作用) 所决定，并且不但取决于材料本身性质，而且与所模拟的试验条件也密切相关。硬度试验也是人们模拟生产和使用条件设计出来的一些试验装置来测定材料的性能。硬度试验所得的结果是由材料的性质以及所模拟的试验条件所共同决定的。在同常生活中人们用手指掀压各种橡胶、塑料等来判断这些材料的硬度，对于容易压入的材料被认为是较软的材料，反之被认为较硬的材料。这样的硬度试验的结果，反映了材料抵抗弹性变形的能力。这种试验虽然非常粗糙，但现代较精确的橡胶、塑料等硬度试验都是根据上面这种硬度试验的基本原理发7蚺川大学顺l 学位论义展、完善起来的。硬度可以定义为：硬度是在只有材料局部区域受到试验影响的情况下，对材料抵抗塑性变形、弹性变形或破坏的能力，或者抵抗其中两种或三种同时发生能力的描述。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间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。212 硬度测量的方法硬度试验按其原理不同大致可分为以下几类tt i |一、静力压痕硬度试验静力压痕硬度试验是将一定形状的刚性压头，在试验力作用下缓慢地压入试样表面，硬度是由测量试样表面上所产生的压痕面积或深度通过公式计算而得到。静力压痕硬度试验还可细分为布氏、洛氏、维氏等硬度试验。所谓静力只是相对而言指压头压入试样时的速度很小，以致对测量结果的影响可以忽略不计。静力压痕硬度试验，由于试验力的大小和压头形状等都能较好的得到控制，所得结果的精确度一般比较高，使其能够得到比较广泛的应用。二、动力压痕硬度试验动力压痕硬度试验是将具有一定能量的冲头冲击试样表面，以所产生压痕的大小来确定硬度。这类硬度试验所得结果精确度都比较低。三、回跳硬度试验回跳硬度试验是将具有一定质量、一定顶端形状的金刚石或硬质合金的冲头，使其以一定的能量冲击试样表面，以冲头回跳高度或回跳时的速度来确定试样的硬度。冲头冲击试样时，冲击能量主要消耗在试样塑性变形上。塑性变形大，消耗能量多，回跳高度低。因此，回跳硬度试验主要是对试样抵抗塑性变形性质的测定。肖氏硬度试验和里氏硬度试验部属于此类硬度试验。：型型查兰堡! ：兰堡笙兰四、擦划硬度试验擦划硬度试验也可称为划痕硬度试验。莫氏硬度试验是属于这类硬度试验之一。莫斯( m o c c ) 将十种矿物作为标准矿物，按其硬度高低进行排列，将硬度分为十级。用较硬的标准矿物擦划较软的标准矿物时，在较软的标准矿物上可以看到明显的擦划条纹。其硬度是这样束测定的：从用最软的标准矿物开始，依次地在所测试样上擦划，找到第一个出现明显擦划条纹的标准矿物，则所得试样硬度在这个标准矿物和上个较软的标准矿物硬度之间。五、摇摆硬度试验摇摇硬度试验是将摇摆通过安装在其上的宝石或硬质合金制成的球体或圆柱体，支承于试样上，使摇摆摆动，以摆动一定次数所需时间或第一次摆动的振幅来确定硬度的高低。试样的硬度高，则摇摆摆动一次所需时间就长或振幅较大，这种硬度试验方法实质上由测定摇摆摆动时的摆动能量衰减来确定硬度，而摆动能量的衰减是直接与试样抵抗塑性变形和破坏能力有关。试样抵抗塑性变形和破坏的能力大，摆动能量的衰减慢，则摇摆摆动一次所需时间就长、或是振幅大，也即硬度值高。六、磨削、钻孔等工艺硬度试验所谓工艺硬度试验是在模拟各种机械加工工艺如磨、加工程度来确定其硬度。以上六种硬度试验中后五种硬度试验，就其试验力性质来说，均属于动力硬度试验。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试验又称肖氏硬度是橡胶和塑料所特有的硬度试验。皮胶和肌岗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，前者被测样品放在硬度计台面的适当位置，将一定形状的压针，在试验力作用下压入试件表面。当压足平面与试样表面紧密贴合时读取用数字o 1 0 0 表示的压痕四川i 大学硕 薯 位论文硬度读数。由于所用试验力的大小和压针( 邵氏硬度试验所用的压头形如针状，所以称其为压针) 形状的不同邵氏硬度试验有a 、b 、c 、和d 标尺之分，以适应不同硬度试样的需要。相应分别有a 、b 、c 、和d 型邵氏硬度计。在我国应用最广泛的是a 和d 标尺邵氏硬度试验。后者则使用邵氏反弹式硬度进行测定，使用顶端装有金刚石的总重约3 克的冲头，从约3 0 0 m m 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 h 。( 2 1 )式中h s 为邵氏反弹硬度。h 为冲头反弹的高度，h 。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澳4 试情况，我们采用邵氏压痕硬度计的来进行测量。当压足平面与试样表面紧密贴合时，测量压针压入试样的深度( 压针压入试样的深度即压针相对压足平面的仲长度) 见图2 1 ，邵氏硬度在数值上按下式计算倒f 肋1 ：1 0 0 一j l( 2 2 ) 压针式中h 一一压针压入试样深度( m m ) ：ih a ( h d ) 一一a 标尺或d 标尺邵氏硬度由：! i式( 2 2 ) 可知，压针压入试样越深，? ii ，压足表示邵氏硬度越低，反之邵氏硬度越，! ； i p高。压针压入试样深度为2 5 m m 时，邵：、叫一hj撵氏硬度应为0 ，压针压入试样深度为0：，j - i时邵氏硬度为1 0 0 ，1 个邵氏硬度单位一!相应在特定条件下压针压入试样的深度为0 0 2 5 m m ，邵氏硬度试验时，不允图2 1 邵氏硬度试验原理图许出现负读数，因此压针压入试样的最大深度为2 5 r o j n 。进行邵氏硬度试验时，试验力与邵氏硬度在数值上应符合下列关系式m 1 ，即：对于a 标尺邵氏硬度试验叫川大学硕i ? - - ? 位论义删：旦d 二型( 2 3 )7 5对于d 标尺邵氏硬度试验h d ：( 2 4 )4 4 5式中，f a ( f d ) 一一试验力( r a n ) ：由( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可知，邵氏硬度试验要求试验力是可变的，试样的硬度越高，要求试验力越大，两者应成f 比例的变化。当硬度值为o 时，试验力最小，对于a 标尺应为5 5 0 m n ，对于d 标尺应为o ：当硬度为1 0 0 时，试验力最大，对于a 标尺应为8 0 5 0 m n ，对于d 标尺应为4 4 5 0 0 m n ，1 个a 标尺硬度单位相应在特定试验条件下试验力变化7 5 m n ；1 个d 标尺硬度单位相应在特定试验条件下试验力变化4 4 5 m n 。a 标尺邵氏硬度试验的压针形状是顶端为平面的圆锥体，d 标尺压针形状是顶端为球面的圆锥体( 见图2 2 和表2 1 ) 。a 标尺试验力较小，适用于软橡胶和软塑料等软质材料的硬度测定，d 标尺试验力较大，适合于硬橡胶和硬塑料的硬度测定。邵氏硬度试验基本原理要求测量压针压入试样的深度来确定硬度值，但实际上，邵氏硬度计是测量压针向上的位移量得到压针压入试样的深度来确定硬度值的。压针的向上位移量与压针压入试样的深度存在以下关系，即l = h 一h( 2 5 )式中，1 一一压针位移量( m m )h 。、一一压针最大伸出长度( 即允许压针压入试样的最大深度) ( m m ) ：h 。= 2 5 m m 所以上2 1 0 0 - 上由式( 2 2 可得o 0 2 50 0 2 5h ( n d ) = ，( 2 6 )0 0 2 5根据上式，邵氏硬度值可由测量压针向上的位移量得到。邵氏硬度在数值上应等于以0 0 2 5 m m 为测量单位的压针位移量。旧川大学硕- j 学位论文邵氏硬度的试验力主要出弹簧产生，对于a 型硬度计，当压针压入试样，试样使压针即将向上移动时，试验力是5 5 0 m n ，这一试验力等于压针、弹簧等所受的重力和弹簧力之和。弹簧每压缩0 0 2 5 m m ，试验力增加7 5 m n 。商脚攀盥图2 2 压针外形规定邵氏硬度取值在0 1 0 0 之间，压针处于自由状态时为0 ，当硬度计的压足与平整玻璃面完全接触时为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l 公斤砝码，d 型加5公斤砝码) ，避免操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( 可以视为静力测量) 。也可以在完全接触1 秒钟内读数，该读数即为该测点的硬度值12 2 1 0表21 压针和压足几何形状要求名称压足外圆压足内压针直径压针顶端平压针顶端球压针顶端直径孔直径面直径面j p 径圆锥角符号d 。( m m )d 。佃m )d ：。( r a m )d t ( m m )r ( r a m )a( 0 1要a 型1 6 2 53 鬈1 2 5 01 50 7 9 0 0 3，3 5 02 5求3 髦1 2 5 0 1 50 1 0 0 1 23 0 1d 型1 6 2 52 1 4 邵氏硬度试验误差分析邵氏硬度试验误差来源于以下三个方面：硬度计，试验操作( 试验力施加速度，试验力保持时间和控制) 以及试样本身。在试验中只要试验力符合要求，且假设试样为完全弹性体的自u 提下，压针伸出长度测量不精确引起的硬度测量误差计算公式对于a 标尺邵氏硬度试验叫川大学坝卜学位论义为俐f m ：一塑! ! 型! 避忆叫l o 7 3x0 0 2 5a h a ( h ) 一一由压针伸出长度测量不精确引起的硬度测量误差； 一一压针伸出长度测量误差( m m ) ；4 一一硬度真值( h a ) 计算时可由测得值替代。试验力偏离标准引起的硬度测量误差计算公式对于a 标尺邵氏硬度试验删耻一筹q 川a h a ( f ) 一由试验力偏离标准引起的硬度测量误差( h a ) ：a f一试验力偏差( m n ) 。2 2 弹性模量及其检测弹性模量“”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以了解材料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，压缩形变时材料的弹性模量与拉伸形变时略有差别但一