交变电场作用下骨表面温升的实验研究

发布时间：2021-12-19 00:40

　　骨具有力电性质,这一性质可促进骨组织生长。骨既是生理器官又是介电材料,在交变电场作用下,其表现行为可能有生理作用。为此,本文测量了骨悬臂梁试样在交变电场下的表面温升与顶端挠度。发现在电压70V,频率为10～70kHz的交流电场下,最大表面温升达到2～4℃,最大挠度变化为9.0～78.7μm;在频率10kHz,电压为70～175V的交流电场下,最大表面温升达到4～6℃,最大挠度变化为13.0～114.3μm。同时测量了两种经典介电材料有机玻璃和聚乙烯在交变电场下的温升与顶端挠度,最大温升低于0.5℃,但是挠度与骨试样相当,所以相对高温升是骨特有的性质。将交流电压有效值替换成相同幅值的直流电压时,最大温升也低于0.5℃,基本没有挠度变化,所以相对的高温升反映了骨的交流性质。分析后认为,骨在交变电场作用下的温升由胶原的介电损耗引起。实验数据显示,骨在交变电场下,表面温度变化与加载电压的平方成正比,且在实验加载的10～70kHz频段内,骨的介电常数随频率的变化明显。 

【文章来源】：实验力学. 2020,35(02)北大核心CSCD

【文章页数】：11 页

【部分图文】：

骨试样示意图

本实验共取5个干骨试样,在同一牛胫骨上沿厚度方向平行取出两个试样(4号、5号试样),其余3个试样取自不同牛胫骨(沿厚度方向的取样位置随机)。骨试样的尺寸为:长65.00mm、宽10.46mm、厚0.40mm。实验过程中,将骨试样底端固定在夹具上,顶端自由,形成悬臂梁。通过电极对试样施加交变电场,实验装置示意图如图2所示。波形发生器(Rigol, DG4062)输出频率可调的正弦交变电压,电压放大器(Agitek, ATA-2081)将输出电压的幅值放大至设定的值。数字式视频显微镜(Hirox, KH-7700)的镜头聚焦于试样上表面的一个区域,视场面积是236.3μm×177.2μm,基于数字图像相关方法(DIC)测量试样自由端截面的弯曲挠度。采用德国欧普士公司生产的红外测温仪(CTLaser-CF3-CB3)测量骨试样在加载时间内表面温度随时间的变化,温度测量的分辨率为0.1℃,误差范围是0.5℃。整个实验装置放置在光学防震平台上。

为确定骨悬臂梁试样在交变电场作用下,试样表面温度随时间变化的特点,首先测量了试样在电压为70V,频率为30kHz条件下1000s内的温度变化,测试结果如图3所示。由图3可知,在交变电场的作用下,骨试样表面温度逐渐增加。加载时间超过200s后,试样温度基本稳定。因此测试方案是:测量试样在加载交变电场后,200s时间范围内的温度变化,这一时间段的温度数据应该可以反映骨的温升特征。

【参考文献】：
期刊论文
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[2]湿度对骨内压电信号的影响[J]. 富东慧,侯振德,秦庆华,卢晨霞.  实验力学. 2009(05)
[3]干牛骨拉伸弹性模量沿径向的分布[J]. 侯振德,高瑞亭,周欣竹.  中国生物医学工程学报. 1995(02)
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本文编号：3543453