[发明专利]用于生物条状材料力学性能测试的教学实验设备及方法

说明书

技术领域

本发明涉及力学特性测试技术领域，具体地说，本发明涉及一种用于生物条状材料力学性能测试的教学实验设备及生物条状材料力学性能测试方法。

背景技术

生物组织材料，如：头发丝、蚕丝、蛛丝、肌肉、血管等生物组织材料的力学特性对于研究生物体的正常及病理状态有重要意义。而通过单轴拉伸测试可以获得生物材料全面的力学特性，如：应力-应变曲线、断裂强度、断裂能、松弛曲线和蠕变曲线等。

在传统物理实验教学中，用拉伸法测定金属丝的杨氏模量实验是测量金属丝弹性模量的经典实验。此实验利用砝码5（1Kg/个）给试件加载，利用光杠杆原理测定试件的微小形变量，通过数值计算得到金属丝的杨氏模量。图1（a）是实验装置示意图，如图所示，金属丝1的上端固定于拉伸架6上，下端系有一个环，环上挂着砝码托钩（图中未画出），金属丝穿过有小孔的圆柱体。实验时应将圆柱体一端的螺旋卡头夹紧，使其能随金属丝的伸缩而上下移动。固定平台3，中间开有一孔，圆柱体可在孔中上下自由移动。带有光学平面镜的光杠杆2下面的薄钢片放在平台的沟槽内，其插杆尖脚放在圆柱体的上端，靠近但不接触金属丝。望远镜8和标尺7是测伸长量ΔL所用的主要测量装置。当砝码钩上增加（或减少）砝码后，金属丝将伸长（或缩短）ΔL，光杠杆2的插杆尖脚端也随圆柱体一同下降（或上升），使杆体在竖直面内转过一角度α，同时平面镜的法线也在竖直面内转过相同角度α。用望远镜8和标尺7测得标尺读数的变化，即可算出ΔL。

图1（b）是光杠杆原理示意图。光杠杆是一个带有平面镜M的支架，假设开始时平面镜M的法线On₀在水平位置，则标尺7上的标度线n₀发出的光通过平面镜M的反射，进入望远镜，在望远镜中形成n₀的像而被观察到。当金属丝伸长后，光杠杆的插杆尖端随金属丝下落ΔL，带动M转一角度α而至M'，法线On₀也转过同一角度α至On₁。根据光的反射定律，从n₀发出的光将反射至n₂，且∠n₀On₁=∠n₁On₂=α，由光路的可逆性，从n₂发出的光经平面镜反射后进入望远镜而被观察到。当α很小时，从图1（b）可以看到：

α≈tanα=ΔLb]]>

2α≈tan2α=ΔnD]]>

消去α，得

ΔL=b2DΔn]]>

ΔL原是难测的微小长度，但当D远大于b后，经光杠杆转换放大后标尺读数的变化量Δn却较大，可以从标尺上用望远镜直接读出。光杠杆装置的放大倍数为2D/b。在实验中，通常b为4～8cm，D为1～2m，放大倍数可达25～100倍。

上述实验装置和测试方法能够很好地演示金属丝杨氏模量的测量原理和过程，非常适合于教学示范。然而，上述实验装置和测试方法仅适用于试件长度较长且形变量小的弹性材料杨氏模量的测定。生物组织材料试件一般比较小，形变量大小不一，并且具有非线性和黏弹性等特性，这导致上述实验装置和测试方法并不适用。