以晶体为介质超声-应力耦合骨模拟材料表征设备及方法技术

本发明专利技术提供了一种以晶体为介质超声

【技术实现步骤摘要】
以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备及方法


[0001]本专利技术涉及材料测试领域，具体涉及一种以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备及方法。

技术介绍

[0002]骨骼是一种复杂精密的生物材料，考虑到其本构的复杂性以及骨的组成物质微观结构的多样性，骨模拟材料难以精确地模拟生物质本身，因此，使模拟材料的性能与活体尽量一致是领域内的重点研究方向。
[0003]目前，在常见的骨力学性能测试中，研究者仅考察密度、拉压力、杨氏模量、屈服应力等有限的几项指标。在Patel P S D,Shepherd D E T,Hukins D W L的论文《Compressive properties of commercially available polyurethane foams as mechanical models for osteoporotic human cancellous bone》[J].BMC musculoskeletal disorders,2008,9(1):1
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7.和Oroszl
á
nyNagy P,Kov
á
cs J G的论文《Compressive properties of commercially available PVC foams intended for use as mechanical models for human cancellous bone》[J].Acta Polytechnica Hungarica,2015,12(2):89
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101.中，研究者均是通过对模拟材料进行准静态压缩试验，测定其杨氏模量、屈服强度以及吸收的能量，初步得到可以模拟人松质骨和正常骨的材料。然而，将密度、拉压力、杨氏模量、屈服应力等有限的几项指标作为判断材料性能一致的标准，有很大局限性，均需要对这些材料作进一步的比较研究才能得到更有说服力的结果。因此，如果能够增加一个表征手段，即多一个验证的指标，对于材料一致性的评价和模拟效果将更有说服力。
[0004]超声检测是对材料的宏观缺陷、微观组织以及机械性能进行无损探测的技术，其对材料内部结构的变化非常敏感。例如，中国专利CN2891973U公开了一种超声骨密度测量分析装置，该装置是利用超声波对物质密度、结构以及材料的特征表现来评价骨的质量，这说明了将超声波作为骨模拟材料的一个表征手段具有可行性。然而，仅通过超声波静态探测获得的信息还远不能表征骨模拟材料。中国专利CN101915807A公开了一种非金属材料破坏过程超声波测试辅助装置，该装置是通过测试非金属材料破坏过程中超声波波速的变化，从而测试非金属材料的破坏过程，但是，该装置只能测得超声波波速的动态信息，考虑到超声探头和材料样品之间的介质为空气，当空气作为介质时超声波的损耗很大，因此，其收集到的信息尚不能作为骨模拟材料的表征手段。

技术实现思路

[0005]本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备及方法。
[0006]本专利技术提供了一种以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备，具有这样的特征，包括：压力试验机，包括可升降的移动台板、安装在移动台板上的上承压板、底座、
以及安装在底座上的下承压板，上承压板的内部设有通至下表面的探头容置腔，并且该探头容置腔的下端开口处安装有第一晶体板，下承压板的内部设有通至上表面的探头容置腔，并且该探头容置腔的上端开口处安装有第二晶体板；以及第一超声探头和第二超声探头，分别设置在上承压板的探头容置腔和下承压板的探头容置腔内，并分别紧贴第一晶体板和第二晶体板地相向安装，其中任意一个超声探头用于发射超声信号，另一个超声探头用于采集超声信号。
[0007]在本专利技术提供的以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备中，还可以具有这样的特征：第一超声探头和第一晶体板的接触面之间及第二超声探头和第二晶体板的接触面之间涂有耦合剂以减少界面效应。
[0008]在本专利技术提供的以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备中，还可以具有这样的特征：上承压板和下承压板均包括相连的套筒部和板体部，上承压板的套筒部通过上承压板接头安装在移动台板上，上承压板的板体部连接在套筒部的下端，并且板体部的中心开设有上下贯通且对应套筒部内腔的阶梯孔，下承压板的套筒部通过下承压板接头安装在底座上，下承压板的板体部连接在套筒部的上端，并且板体部的中心开设有上下贯通且对应套筒部内腔的阶梯孔；第一晶体板嵌装在上承压板的阶梯孔的下端，并且其下表面与上承压板的板体部的下表面齐平设置，第二晶体板嵌装在下承压板的阶梯孔的上端，并且其上表面与下承压板的板体部的上表面齐平设置。
[0009]进一步地，在本专利技术提供的以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备中，还可以具有这样的特征：上承压板接头和下承压板接头均呈T形圆柱状，上承压板接头的大径端设置在移动台板的上表面上，上承压板接头的小径端向下穿过移动台板，并与上承压板的套筒部连接，下承压板接头的大径端与底座连接，下承压板接头的小径端朝上，并与下承压板的套筒部连接。
[0010]更进一步地，在本专利技术提供的以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备中，还可以具有这样的特征：第一超声探头设置在上承压板的阶梯孔内，并通过螺纹连接的方式与上承压板接头的小径端连接，第二超声探头设置在下承压板的阶梯孔内，并通过螺纹连接的方式与下承压板接头的小径端连接。
[0011]在本专利技术提供的以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备中，还可以具有这样的特征：第一晶体板和第二晶体板的材质为透明耐压晶体。
[0012]本专利技术还提供了一种以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征方法，具有这样的特征，采用上述以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备，包括：使用压力试验机对骨模拟材料的材料样品进行压力试验，其中在上承压板和第一晶体板配合下承压板和第二晶体板对材料样品进行压力破坏的过程中，通过第一超声探头和第二超声探头使超声信号按照第一晶体板、材料样品、第二晶体板的路径或相反的路径进行传导，并同步记录超声信号衰变数据；对获得的超声信号衰变数据分析得到材料样品内部的动态结构信息。
[0013]专利技术的作用与效果
[0014]根据本专利技术所涉及的以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备及方法，因为包括压力试验机和两个超声探头，其中，压力试验机的上承压板和下承压板的内部均开设探头容置腔，并在腔体开口处安装晶体板作为超声波的介质，两个超声探头分别设置在上承压板和下承压板的探头容置腔内，并分别紧贴对应的晶体板相向安装，使用时，对骨
材料进行经典压力测试的同时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以晶体为介质超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备，其特征在于，包括：压力试验机，包括可升降的移动台板、安装在所述移动台板上的上承压板、底座、以及安装在所述底座上的下承压板，所述上承压板的内部设有通至下表面的探头容置腔，并且该探头容置腔的下端开口处安装有第一晶体板，所述下承压板的内部设有通至上表面的探头容置腔，并且该探头容置腔的上端开口处安装有第二晶体板；以及第一超声探头和第二超声探头，分别设置在所述上承压板的探头容置腔和所述下承压板的探头容置腔内，并分别紧贴所述第一晶体板和所述第二晶体板地相向安装，其中任意一个超声探头用于发射超声信号，另一个超声探头用于采集超声信号。2.根据权利要求1所述的超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备，其特征在于：其中，所述第一超声探头和所述第一晶体板的接触面之间及所述第二超声探头和所述第二晶体板的接触面之间涂有耦合剂以减少界面效应。3.根据权利要求1所述的超声
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应力耦合骨模拟材料表征设备，其特征在于：其中，所述上承压板和所述下承压板均包括相连的套筒部和板体部，所述上承压板的套筒部通过上承压板接头安装在所述移动台板上，所述上承压板的板体部连接在套筒部的下端，并且板体部的中心开设有上下贯通且对应套筒部内腔的阶梯孔，所述下承压板的套筒部通过下承压板接头安装在所述底座上，所述下承压板的板体部连接在套筒部的上端，并且板体部的中心开设有上下贯通且对应套筒部内腔的阶梯孔；所述第一晶体板嵌装在所述上承压板的阶梯孔的下端，并且其下表面与所述上承压板的板体部的下表面齐平设置，所述第二晶体板嵌装在所述下承压板的阶梯孔的上端，并且...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴龙燕，黄然，朱钧，宁心怡，马昕，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：