實驗名稱：高壓放大器在骨的逆力電研究中的應用

　　研究方向：生物醫學

　　測試目的：

　　骨(gu)中(zhong)(zhong)的膠原和羥基磷灰石沿厚度分布(bu)不均勻，骨(gu)試(shi)(shi)樣(yang)在(zai)直流(liu)(liu)電(dian)壓作(zuo)用下，內部(bu)出現(xian)傳導電(dian)流(liu)(liu)引起(qi)試(shi)(shi)樣(yang)內部(bu)溫度升高，不同組(zu)分熱變(bian)形不一(yi)致，導致了試(shi)(shi)樣(yang)的彎曲。骨(gu)在(zai)電(dian)場作(zuo)用下的變(bian)形響(xiang)應直接反映了其在(zai)電(dian)場中(zhong)(zhong)的極化(hua)特(te)征。以上得(de)到的結論不僅(jin)加深了對骨(gu)力(li)電(dian)性質的理(li)解(jie)，對于骨(gu)科病(bing)癥(zheng)的治(zhi)療(liao)和康(kang)復也具有(you)一(yi)定的參(can)考(kao)意義。探索骨(gu)的（逆(ni)）力(li)電(dian)性質，最終(zhong)目的在(zai)于解(jie)釋該(gai)性質影響(xiang)骨(gu)重建(jian)的作(zuo)用機理(li)，為用于臨(lin)床骨(gu)病(bing)治(zhi)療(liao)的醫療(liao)設備設計或替代材料開(kai)發(fa)提(ti)供技術(shu)和理(li)論支持。

　　測試設備：ATA-2081高壓放大器、信號發生器等。

　　實驗過程：

　　圖：實驗測試系統(tong)示意圖

　　實驗(yan)測(ce)試系統的示意(yi)圖如上圖所示。骨試樣(yang)下端被夾持，另(ling)一(yi)端自由，形成(cheng)一(yi)個(ge)豎直放置的懸臂梁，懸臂梁跨距為65mm。將信號發生器連接至高壓放大器(ATA-2081)，組合成一個(ge)可(ke)(ke)(ke)(ke)輸出(chu)(chu)峰到(dao)峰電(dian)(dian)(dian)壓(ya)為-400~400V、頻(pin)(pin)(pin)(pin)率0～60Mhz的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)多種(zhong)波形信(xin)號的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)源(yuan)。高(gao)壓(ya)放大(da)(da)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸出(chu)(chu)端(duan)分別與骨(gu)(gu)(gu)懸(xuan)臂梁試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)兩側表面的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)引(yin)出(chu)(chu)線相(xiang)連接(jie)，通(tong)過設置(zhi)信(xin)號放大(da)(da)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸出(chu)(chu)信(xin)號的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)波形、頻(pin)(pin)(pin)(pin)率以及高(gao)壓(ya)放大(da)(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)放大(da)(da)倍(bei)數，可(ke)(ke)(ke)(ke)以給骨(gu)(gu)(gu)懸(xuan)臂梁試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)施(shi)(shi)加一系列給定(ding)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率范(fan)圍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)掃(sao)(sao)頻(pin)(pin)(pin)(pin)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)，也可(ke)(ke)(ke)(ke)施(shi)(shi)加單個(ge)固定(ding)頻(pin)(pin)(pin)(pin)率和幅值的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)。初(chu)步實(shi)驗發(fa)現，給骨(gu)(gu)(gu)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)在(zai)施(shi)(shi)加交變電(dian)(dian)(dian)壓(ya)后，試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)在(zai)其內部產生的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)交變電(dian)(dian)(dian)場作用(yong)下發(fa)生振(zhen)(zhen)(zhen)動，用(yong)單點激光(guang)(guang)測(ce)振(zhen)(zhen)(zhen)系統測(ce)量骨(gu)(gu)(gu)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)在(zai)電(dian)(dian)(dian)壓(ya)激勵(li)下的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)振(zhen)(zhen)(zhen)動位(wei)移(yi)，該測(ce)振(zhen)(zhen)(zhen)儀精度(du)(du)很高(gao)，位(wei)移(yi)分辨率可(ke)(ke)(ke)(ke)達0.1pm。為了(le)盡(jin)可(ke)(ke)(ke)(ke)能消除(chu)外界環(huan)境對(dui)測(ce)試(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)影(ying)響，我們將骨(gu)(gu)(gu)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)，夾(jia)具(ju)和激光(guang)(guang)測(ce)振(zhen)(zhen)(zhen)儀的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)激光(guang)(guang)掃(sao)(sao)描(miao)(miao)探頭(tou)置(zhi)于(yu)光(guang)(guang)學防震(zhen)平(ping)臺(tai)上，試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)及夾(jia)具(ju)置(zhi)于(yu)固定(ding)在(zai)光(guang)(guang)學平(ping)臺(tai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)度(du)(du)調(diao)節(jie)臺(tai)上，通(tong)過調(diao)節(jie)高(gao)度(du)(du)調(diao)節(jie)臺(tai)，調(diao)整激光(guang)(guang)掃(sao)(sao)描(miao)(miao)探頭(tou)發(fa)出(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)激光(guang)(guang)照射在(zai)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)上部留白處，可(ke)(ke)(ke)(ke)以測(ce)得(de)目標表面該點的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)振(zhen)(zhen)(zhen)動位(wei)移(yi)隨時(shi)間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)變化，具(ju)體(ti)地說是測(ce)量物體(ti)表面沿著入射激光(guang)(guang)束方向(xiang)振(zhen)(zhen)(zhen)動位(wei)移(yi)向(xiang)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)投影(ying)分量。測(ce)振(zhen)(zhen)(zhen)儀控制單元接(jie)收激光(guang)(guang)掃(sao)(sao)描(miao)(miao)探頭(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)號后傳輸至計算機，記錄骨(gu)(gu)(gu)試(shi)(shi)樣(yang)(yang)(yang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)振(zhen)(zhen)(zhen)動位(wei)移(yi)并(bing)用(yong)快速傅里葉(xie)變換實(shi)時(shi)計算得(de)到(dao)相(xiang)應的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)(pin)(pin)譜(pu)。

　　圖：實驗測(ce)試系統(tong)(a)實驗測試系統實物圖；(b)試樣和引線固定裝置

　　在(zai)本(ben)實驗(yan)中，電極涂在(zai)骨(gu)試樣(yang)的兩個側表面（x-z面）上，加電壓后骨試樣沿著厚度方向（y方向）極化。實驗發現在交變電壓作用下，骨懸臂梁試樣會沿著試樣厚度方向（y方向）和試樣寬度方向（x方向）振動。在實際測試時，先將激光束垂直對準骨試樣的側表面（x-z面），可測得骨試樣垂直于測表面即沿厚度方向（y方向）的振動；然后將試樣旋轉90度放置，激光束照射在y-z面上時，測得振動為沿寬度方向（x方向）的。在測試過程中，激光入射在試樣表面的位置高度不變，測點始終距離試樣自由端2mm。

　　由于試(shi)樣(yang)的(de)振幅(fu)與(yu)其固有(you)(you)(you)頻率相關，需要知道懸臂(bei)梁(liang)試(shi)樣(yang)自由振動時的(de)固有(you)(you)(you)頻率，將骨(gu)看(kan)作均勻的(de)線(xian)彈(dan)性材(cai)料時，根據(ju)固有(you)(you)(you)公(gong)式可以計算。當(dang)試(shi)樣(yang)沿(yan)厚度方向(xiang)振動時，慣性矩I=bh3/12，計算得到一階和二階固有頻率分別為44.03Hz和275.94Hz；當試樣沿寬度方向振動時，慣性矩I=hb³/12，固(gu)有頻(pin)率(lv)為(wei)1655Hz。根據示意方法，給骨懸臂梁試樣一個沖擊力激發其沿厚度方向自由振動，測得一、二階固有頻率分別為49.22Hz和279.69Hz，與理論計算值一致。所有的試樣尺寸與測得的沿寬度方向的固有頻率共同列在下面圖表中。

　　圖：試(shi)樣尺(chi)寸與沿厚度(du)方向(xiang)（y方向）的固有頻率

　　按照(zhao)以下(xia)的(de)(de)步驟進行具體的(de)(de)測試(shi)：調節(jie)信號發生器和電壓(ya)放大器給試(shi)樣施(shi)加(jia)固定頻率(lv)和幅(fu)值的(de)(de)交流電壓(ya)，分別記錄(lu)該電壓(ya)激勵下(xia)試(shi)樣沿厚(hou)度(du)(y)方向、寬度(x)方向振動時的頻譜圖。測量沿厚度方向的振動時，激勵電壓的頻率范圍為0-500Hz，步長為10Hz；測量沿寬度方向振動，激勵電壓頻率范圍設置為0-5000Hz，步長為50Hz。在靠近固有頻率附近時，步長酌情減小，以盡量精細觀察振幅隨頻率的變化。

　　實驗結果：

　　圖4(a)為當激勵電壓的頻率為50Hz時，試樣2沿厚度方向的振動頻譜中，其中同時包含了50Hz和與其成倍的100Hz的頻率成分，以及試樣固有頻率41Hz。此處觀察到的倍頻現象是典型的非線性振動特征之一，當激勵電壓頻率接近梁的一階或二階固有頻率時振幅達到極值，也稱為超諧波共振；圖4(b)給出了試樣5在多個激勵頻率下沿厚度方向振動的合成頻譜圖，可以看到激勵電壓頻率為35Hz、67.5Hz和157.5Hz的頻譜圖中，均有與之對應的倍頻成分。

　　圖4(c)所示為當激勵電壓的頻率為1050Hz時，試樣2沿寬度方向的振動頻譜，在1050Hz頻率處，幅值約為270nm左右，但沒有觀察到如(a)、(b)中所示的倍頻；圖4(d)給出了5號試樣在多個不同頻率電壓激勵下的頻譜圖。沿寬度方向振動頻譜中只有與激勵電壓同頻率的成分，也沒有倍頻成分，可看作線性振動。

　　圖4：試樣2和試樣5在任意頻率的電壓作用下的振動頻譜圖

　　（a）試樣2沿厚度方向振動，激振頻率為50Hz；(b)試樣5沿厚度方向振動；(c)試樣2沿寬度方向振動，激振頻率為1050Hz；(d)試樣5沿寬度方向振動

　　為了(le)了(le)解激勵電壓的幅(fu)(fu)值(zhi)對振(zhen)動振(zhen)幅(fu)(fu)的影響(xiang)，我(wo)們(men)測試了(le)當激勵電壓頻(pin)率一定時，改(gai)變電壓幅(fu)(fu)值(zhi)對懸臂梁試樣振(zhen)幅(fu)(fu)的影響(xiang)。下圖5(a)和5(b)分別給出了試樣3在電壓頻率為50Hz時沿厚度方向振動、以及電壓頻率為1260Hz時沿寬度方向振動時的振幅與電壓幅值的關系。通過調節放大倍數改變激勵電壓幅值，可以看到當激勵電壓的頻率一定時，骨試樣的振幅隨電壓的增加而增加，用一次函數進行擬合，根據得到的相關系數R²，可(ke)以看出試樣沿厚度(du)方向振(zhen)動(dong)線性度(du)略差(R²=0.913)，這應當與(yu)倍頻現象(xiang)有關；試(shi)樣(yang)沿寬度(du)方向的振動時，振幅與(yu)電(dian)壓幅值的線性度(du)很好(R²=0.9997)。

　　圖(tu)5：試樣3沿厚度向與寬度方向振動振幅與電壓幅值的關系

　　安(an)泰(tai)ATA-2081高壓放大器：

　　圖：ATA-2081高壓放大器指標參數

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　　本(ben)文(wen)實驗(yan)案(an)例參考自知(zhi)網論文(wen)《骨的逆力電(dian)性質的實驗(yan)研(yan)究》