Elektryczno-mechaniczne własności struktur kostnych cd.

2. METODYKA POMIARóW

2.1. UKŁAD POMIAROWY

Przed przystąpieniem do właściwych pomiarów wielkości elektromechanicznych w kości, wcześniej należało zrealizować układ (Rys.1.), umożliwiający takie pomiary. Układ został wykonany na podstawie umieszczonego poniżej schematu blokowego.



Ze względu na dużą rezystancję wejściową wzmacniacz działa na zasadzie operacji matematycznej odejmowania-wzmacniacz różnicowy. Sygnał właściwy, będący o znacznie mniejszych wartościach w stosunku do występujących szumów (u nas1:3500), ma na wejściach wzmacniacza odwrotne fazy, w związku z czym na wyjściu uzyskuje się wzmocnioną jego sumę. Natomiast szum o takiej samej fazie na wejściach wzmacniacza odejmuje się jeden od drugiego. Dzięki zastosowaniu w układzie tranzystorów polowych, otrzymuje się lepsze wyniki ze względu na występujące szumy.

Pozwala on uzyskać wzmocnienie do 1000 x, ale po uwzględnieniu równolegle wzmacnianych szumów, obserwowalnych w trakcie testowania wzmacniacza, za optymalną wartość uznano wzmocnienie 200x. Początkowo nieobudowany układ wzmacniacza generował szumy znacznych wielkości, wynikające z jego wrażliwości na zmiany temperatury otoczenia (oddech, przepływ powietrza w otoczeniu stanowiska pomiarowego). Po umieszczeniu go w klatce Faradaya i odizolowaniu od wpływu niewielkich zmian temperatury układ funkcjonuje poprawnie. Szumy białe, generowane przez sam układ, można wyeliminować w etapie obróbki wyników, zapisanych na stacji PC za pośrednictwem odpowiedniej karty akwizycji.

Niestety znacznie wzrasta wartość szumu w funkcji czasu schnięcia materiału kostnego w związku, z czym należy utrzymywać go na względnie dużym poziomie wilgotności (Rys.2 i 3).





Po przeprowadzonych testach jakości badanego sygnału w zależności od różnych czynników, tj. od rodzaju użytych elektrod, sposobu połączenia aparatury czy też od wpływu zakłóceń od innych urządzeń elektrycznych, wyeliminowano możliwie dużo źródeł pogorszenia jakości charakterystyk sygnałów. Ostatecznie układ do pomiaru wielkości elektrycznych tkanki kostnej składa się z: elektrod stalowych pokrytych warstwą srebra, elektrody odniesienia, wzmacniacza (200x) wraz z zasilaniem (2x 9V), oscyloskopu cyfrowego TEKTRONIX TDS 220 oraz czujnika siły podłączonego do przetwornika i komputera PC.

Materiał do badań został pobrany z piszczeli wołu w formie belek prostokątnych o wymiarach 5x5x130 mm., przy czym odcinek długości 30 mm mocowany jest w uchwycie zaciskowym, w sposób zilustrowany poniżej.



Takie mocowanie próbki i sposób obciążania pozwala w prosty sposób wyznaczyć zależność między wielkością generowanych sygnałów a występującymi w kości naprężeniami. Naprężenie w przekroju odległym o x0 od utwierdzenia belki kostnej opisane jest poniższym równaniem (1):


gdzie: Mg - moment gnący, Wz - wyznacznik na zginanie dla określonego przekroju, L - ramię siły, F - przyłożona siła, xo- odległość miejsca przyłożenia elektrod od miejsca utwierdzenia próbki, a - długość krawędzi przekroju próbki kostnej.

Siła była przykładana w sposób dynamiczny o wartości średniej 13 N. Dla pierwszego punktu pomiarowego oznaczonego na Rys.4. otrzymano wartość amplitudy sygnału U1 = 6mV, co odpowiadało naprężeniom σ1=71N/mm2. Natomiast dla drugiego punktu pomiarowego dla naprężeń rzędu σ2=17,7N/mm2 amplituda miała wartość U2 = 1mV. Zatem wartości generowanych sygnałów są proporcjonalne do występujących w tkance kostnej naprężeń.