活塞调压式高敏度小张力膜状生物材料力学检测装置 【技术领域】
本发明属于用机械压力测试固体材料的强度特性，特别涉及一种施加稳定的张力或压力的固体材料力学检测装置。
背景技术
随着组织工程技术的发展进步和成熟，组织工程皮肤的研制与应用也日新月异。为保证组织工程皮肤更好地应用于临床，其生物物理特性，特别是生物力学性能应得到高度重视。研究力学性能也需要材料的长、宽及厚度等指标，而常规设备对较薄膜状软组织材料厚度难以准确测量，为了量化组织工程皮肤等小张力膜状生物材料的生物力学性能，必需开发研制一种能检测生物材料力学性能及厚度的装置。
在现有技术中，我们有一件名称为《高敏度小张力膜状生物材料力学检测装置》的CN1789958A于2006年6月21日公开，并已获取专利权。它由压力传感器、压力箱、试样固定环、载样台、上面板、承重面板、活动夹紧板、顶紧螺杆、轴承、哑铃型螺母、调压箱、滑轮、玻璃管、升降拉绳、软管、步进电机、数据导线、控制导线和微机组装而成。它能对组织工程化皮肤、骨、血管、肌腱、肌肉等产品和软组织材料等进行方便、准确的检测，检测值都以Pa计算，操作控制敏捷方便。但该装置在实际应用中发现仍存在一些不足：1)试样固定环处于游离状态而未加以固定，在试样张力较小时尚能将试样固定于载样台上并保持密闭，但试样张力较大时则可能漏气甚至固定环滑脱；2)此装置将试样置于不透明的密闭压力箱内，试样夹持状态及测试过程中的变化均无法观测，难以确定试样是否被正确夹持、夹持是否达到密闭要求；3)此装置压力加载系统通过提升一根内径比调压箱内径小得多的玻璃管，靠玻璃管与调压箱之间的液面差为调压箱提供压力，箱内空气因被压缩而会导致玻璃管内液体不断向调压箱流动，而且调玻璃管内液面下降的高度为调压箱内液面升高高度的数倍，而理论上要达到设计压力如为10KPa，则要求两侧的液面差达到1.33m高，因此该压力加载系统效率低下，操作不便。
【发明内容】
针对现有技术CN1789958A存在的上述缺陷，我们拟对它进行改进，采用直接压缩密闭容器内空气的方式加载，设计一种活塞调压式高敏度小张力膜状生物材料力学检测装置，使之结构简单、外形小巧、操作方便、精确度高、重复性好并可检测多个指标的高敏度小张力膜状生物材料力学性能，能对组织工程化的皮肤、骨、血管、肌腱、肌肉等产品和其它如肠系膜、筋膜、心脏瓣膜等软组织材料的力学性能进行精确方便地检测。
本发明所采取的技术方案如下。
一种活塞调压式高敏度小张力膜状生物材料力学检测装置，包括试样固定环、载样台、机架立柱、上面板、承重面板、活动夹紧板、顶紧螺杆、轴承、哑铃型螺母、步进电机、压力传感器和微机；活动夹紧板与机架立柱相套，活动夹紧板的上面设置有上部为圆台型的载样台，在载样台大盘下端面开有环形槽，活动夹紧板的上面有与载样台大盘下端面环形槽相匹配的环形凸；哑铃型螺母穿过承重面板的中心孔并与承重面板卡合，使哑铃型螺母能传动，哑铃型螺母的下螺母头与承重面板之间设置有轴承，顶紧螺杆与哑铃型螺母丝扣连接，顶紧螺杆上部呈锅口顶状抵住活动夹紧板；压力传感器用压力传感器数据线与微机相连，步进电机用控制导线与微机相连；其特征在于：
1)它还有定位杆、透明增压加载箱、上置位移传感器、下置位移传感器、连通管、三通阀、活塞调压器和滚珠丝杠；
2)定位杆垂直固定在上面板底面或活动夹紧板上面，定位杆的长度恰好使活动夹紧板被夹紧后能确保载样台上的试样平整无损，透明增压加载箱底面开设有口径小于试样固定环外径的圆孔，试样固定环与圆孔同轴紧贴在透明增压加载箱底面相连为一体，试样固定环内壁与载样台的圆台锥度一致并能与圆台匹配相套，透明增压加载箱顶面设有直通管与压力传感器连通，透明增压加载箱侧面设有直通管与连通管连通，透明增压加载箱顶面紧贴在上面板底部中央相连为一体，上置位移传感器同轴设置在透明增压加载箱顶面直通管口下；
3)滚珠丝杠一端与步进电机的转轴固定连接，另一端与活塞调压器的活塞杆相连，透明增压加载箱与活塞调压器之间用连通管连通，在连通管上设置有能连通大气的三通阀，活塞调压器和步进电机固定在台架上；
4)载样台中心开有与圆台锥度一致的锥形孔，下置位移传感器同轴设置在锥形孔下口，哑铃型螺母的下螺母头焊接有手柄；
5)上置位移传感器和下置位移传感器分别用位移传感器数据线与微机相连。
本发明的活塞调压式高敏度小张力膜状生物材料力学性能检测装置，它的工作原理是：在检测前，先将活塞调压器的活塞置于气筒后端位置，再将待检测的薄膜样品(试样)放置在载样台的圆台口，用手转动哑铃型螺母手柄推升顶紧螺杆，随活动夹紧板上移而载样台的圆台被定位套入到紧贴透明增压加载箱底面的试样固定环中，使试样在载样台的圆台与试样固定环之间得以平整无损地被均匀、稳固夹持，至此试样处于在透明增压加载箱的密闭空间中，开启一次连通管上的三通阀大气通，使系统内压与大气压相同以保证测试初始条件相同，然后关闭大气通；检测时，微机经控制导线对步进电机发出控制指令后，由步进电机推动活塞调压器的活塞，缓慢压缩密闭空间内的空气使压力升高，实现对试样的均匀加载，并且可根据需要调节压力加载速度，位移传感器采集的试样中央部位随压力变化的位移数据，压力传感器采集的试样表面所加载压力数据，通过数据导线反馈到微机中进行数据处理，当薄膜破裂时终止测量，微机对传感器采集到的压力及位移变化数据进行计算可得到厚度、极限抗张强度、应变、蠕变及杨氏模量等指标，并及时得到显示和存储，同时系统内压力降低至大气压，步进电机带动活塞调压器的活塞回到初始位置，系统回到初始状态，回转哑铃形螺母手柄使载样台随活动夹紧板降低回到初始位置，取下测试过的试样即可安装新的试样进行新的测试。
本发明的活塞调压式高敏度小张力膜状生物材料力学性能检测装置，结构简单合理，它完全克服了现有技术地缺陷，能对低张力的组织工程化皮肤、骨、血管、肌腱、肌肉等产品和其它如肠系膜、筋膜、心脏瓣膜软组织材料等进行方便、准确的检测，可测量厚度、极限抗张强度、应变、蠕变及杨氏模量等指标，操作控制灵敏方便，试样在检测时可目视监测其变化情况，能灵敏地反映载荷的变化并能抵抗环境的干扰，确保检测数据的准确。本发明装置为组织工程化生物材料的批量生产及质量控制提供了一种理想的力学性能检测工具。
四、附图说明
附图为本发明活塞调压式高敏度小张力膜状生物材料力学性能检测装置在夹紧状态的局部剖视结构示意图。
在图中，1-压力传感器，2-试样，3-透明增压加载箱，4-试样固定环，5-载样台，6-定位杆，7-机架立柱，7a-上面板，7b-承重面板，8-活动夹紧板，9-顶紧螺杆，10-手柄，11-轴承，12-哑铃型螺母，13a-上置位移传感器，13b-下置位移传感器，14-位移传感器数据线，15-连通管，16-三通阀，17-活塞调压器，18-滚珠丝杠，19-步进电机，20-控制导线，21-台架，22-微机，23-压力传感器数据线。
五、具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明装置的具体结构和它的工作原理。
一种活塞调压式高敏度小张力膜状生物材料力学检测装置，包括试样固定环4、载样台5、机架立柱7、上面板7a、承重面板7b、活动夹紧板8、顶紧螺杆9、轴承11、亚铃型螺母12、步进电机19、压力传感器1和微机22；活动夹紧板8与机架立柱7相套，活动夹紧板8的上面设置有上部为圆台型的载样台5，在载样台5大盘下端面开有环形槽，活动夹紧板8的上面有与载样台5大盘下端面环形槽相匹配的环形凸；哑铃型螺母12穿过承重面板7b的中心孔并与承重面板7b卡合，使哑铃型螺母12能传动，哑铃型螺母12的下螺母头与承重面板7b之间设置有轴承11，顶紧螺杆9与哑铃型螺母12丝扣连接，顶紧螺杆9上部呈锅口顶状抵住活动夹紧板8；压力传感器1用压力传感器数据线23与微机22相连，步进电机19用控制导线20与微机22相连；其特征在于：
1)它还有定位杆6、透明增压加载箱3、上置位移传感器13a、下置位移传感器13b、连通管15、三通阀16、活塞调压器17和滚珠丝杠18；
2)定位杆6垂直固定在上面板7a底面或活动夹紧板8上面，定位杆6的长度恰好使活动夹紧板8被夹紧后能确保载样台5上的试样2平整无损，透明增压加载箱3底面开设有口径小于试样固定环4外径的圆孔，试样固定环4与圆孔同轴紧贴在透明增压加载箱3底面相连为一体，试样固定环4内壁与载样台5的圆台锥度一致并能与圆台匹配相套，透明增压加载箱3顶面设有直通管与压力传感器1连通，透明增压加载箱3侧面设有直通管与连通管15连通，透明增压加载箱3顶面紧贴在上面板7a底部中央相连为一体，上置位移传感器13a同轴设置在透明增压加载箱3顶面直通管口下；
3)滚珠丝杠18一端与步进电机19的转轴固定连接，另一端与活塞调压器17的活塞杆相连，透明增压加载箱3与活塞调压器17之间用连通管15连通，在连通管15上设置有能连通大气的三通阀16，活塞调压器17和步进电机19固定在台架21上；
4)载样台5中心开有与圆台锥度一致的锥形孔，下置位移传感器13b同轴设置在锥形孔下口，哑铃型螺母12的下螺母头焊接有手柄10；
5)上置位移传感器13a和下置位移传感器13b分别用位移传感器数据线14与微机22相连。
本发明的活塞调压式高敏度小张力膜状生物材料力学性能检测装置，它的工作原理是：在检测前，先将活塞调压器17的活塞置于气筒后端位置，再将待检测的薄膜样品(试样)放置在载样台5的圆台口，用手转动哑铃型螺母手柄10推升顶紧螺杆9，随活动夹紧板8上移而载样台5的圆台被定位套入到紧贴透明增压加载箱3底面的试样固定环4中，使试样2在载样台5的圆台与试样固定环4之间得以平整无损地被均匀、稳固夹持，至此试样2处于在透明增压加载箱3的密闭空间中，开启一次连通管15上的三通阀16大气通，使系统内压与大气压相同以保证测试初始条件相同，然后关闭大气通；检测时，微机22经控制导线20对步进电机19发出控制指令后，由步进电机19推动活塞调压器17的活塞，缓慢压缩密闭空间内的空气使压力升高，实现对试样2的均匀加载，并且可根据需要调节压力加载速度，上置位移传感器13a和下置位移传感器13b采集的试样2中央部位随压力变化的位移数据，压力传感器1采集的试样2表面所加载压力数据，通过数据导线反馈到微机22中进行数据处理，当薄膜破裂时终止测量，微机22对传感器采集到的压力及位移变化数据进行计算可得到厚度、极限抗张强度、应变、蠕变及杨氏模量等指标，并及时得到显示和存储，同时系统内压力降低至大气压，步进电机19带动活塞调压器17的活塞回到初始位置，系统回到初始状态，回转哑铃形螺母手柄10使载样台5随活动夹紧板8降低回到初始位置，取下测试过的试样即可安装新的试样进行新的测试。