高压放大器在骨的逆力电研究中的应用

实验名称：高愦茉煲箸压放大器在骨的逆力电研究中的应用

研究方向：生物医学

测试目的：

　　骨中的胶原和羟基磷灰石沿厚度分布不均匀，骨试样在直流电压作用下，内部出现传导电流引起试样内部温度升高，不同组分热变形不一致，导致了试样的弯曲。骨在电场作用下的变形响应直接反映了其在电场中的极化特征。以上得到的结论不仅加深了对骨力电性质的理解，对于骨科病症的治疗和康复也具有一定的参考意义。探索骨的（逆）力电性质，最终目的在于解释该性质影响骨重建的作用机理，为用于临床骨病治疗的医疗设备设计或替代材料开发提供技术和理论支持。

测试设备：ATA-2081高压放大器、信号发生器等。

实验过程：

　　图：实验测试系统(a)实验测试系统实物图；(b)试样和引线固定装置

　　在本实验中，电极涂在骨试样的两个侧表面（x-z面）上，加电压后骨试样沿着厚度方向（y方向）极化。实验发现在交变电压作用下，骨悬臂梁试样会沿着试样厚度方向（y方向）和试样宽度方向（x方向）振动。在实际测试时，先将激光束垂直对准骨试样的侧表面（x-z面），可测得骨试样垂直于测表面即沿厚度方向（y方向）的振动；然后将试样旋转90度放置，激光束照射在y-z面上时，测得振动为沿宽度方向（x方向）的。在测试过程中，激光入射在试样表面的位置高度不变，测点始终距离试样自由端2mm。

　　由于试样的振幅与其固有频率相关，需要知道悬臂梁试样自由振动时的固有频率，将骨看做均匀的线弹性材料时，根据固有公式可以计算。当试样沿厚度方向振动时，惯性矩I=bh3/12，计算得到一阶和二阶固有频率分别为44.03Hz和275.94Hz；当试样沿宽度方向振动时，惯性矩I=hb3/12，固有频率为1655Hz。根据示意方法，给骨悬臂梁试样一个冲击力激发其沿厚度方向自由振动，测得一、二阶固有频率分别为49.22Hz和279.69Hz，与理论计算值一致。所有的试样尺寸与测得的沿宽度方向的固有频率共同列在下面图表中。

　　图4：试样2和试样5在任意频率的电压作用下的振动频谱图

　　（a）试样2沿厚度方向振动，激振频率为50Hz；(b)试样5沿厚度方向振动；(c)试样2沿宽度方向振动，激振频率为1050Hz；(d)试样5沿宽度方向振动

　　为了了解激励电压的幅值对振动振幅的影响，我们测试了当激励电压频率一定时，改变电压幅值对悬臂梁试样振幅的影响。下图5(a)和5(b)分别给出了试样3在电压频率为50Hz时沿厚度方向振动、以及电压频率为1260Hz时沿宽度方向振动时的振幅与电压幅值的关系。通过调节放大倍数改变激励电压幅值，可以看到当激励电压的频率一定时，骨试样的振幅随电压的增加而增加，用一次函数进行拟合，根据得到的相关系数R2，可以看出试样沿厚度方向振动线性度略差(R2=0.913)，这应当与倍频现象有关；试样沿宽度方向的振动时，振幅与电压幅值的线性度很好(R2=0.9997)。

　　图：ATA-2081高压放大器指标参数

　　本文实验案例参考自知网论文《骨的逆力电性质的实验研究》