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超微量天平用于壓電微泵的性能系統(tǒng)測試
來源：中國醫(yī)療器械雜志 瀏覽 1015 次 發(fā)布時間:2024-07-16
隨著人們生活水平的提高和生活方式的轉(zhuǎn)變，糖尿病已成為多發(fā)病和常見病并成為人類繼心腦血管病、癌癥之后的第三大殺手。胰島素泵是糖尿病強化治療的最佳手段，不僅實現(xiàn)了血糖的最佳控制，而且對糖尿病治療過程中難以控制的高血糖、脆性糖尿病、反復(fù)低血糖、黎明現(xiàn)象、胃輕癱等常規(guī)注射方式難以控制血糖的情況提供了有效的手段。
為了實現(xiàn)胰島素泵的微型化，方便糖尿病患者使用，本研究著力于將泵體部分小型化，將壓電隔膜泵應(yīng)用到胰島素泵中去，作為其核心動力部分，與傳統(tǒng)電機/減速器方式相比體積大大減小。本文對壓電微泵的性能做了系統(tǒng)的測試和總結(jié)。
1實驗平臺的搭建
1.1本實驗所用到的設(shè)備及其說明
(1)信號發(fā)生器
本實驗所采用的信號發(fā)生器型號是XFD-8B，該儀器具有多種輸出波形，輸出電壓范圍0～250 V，頻率可調(diào)范圍0.000 5 Hz～10 kHz，用來提供壓電陶瓷元件致動的交流電環(huán)境。
(2)微量天平
本實驗所采集的數(shù)據(jù)是使用秒表計時1 min并收集壓電泵出口泵出來的液體，然后利用微量天平(精度0.000 1 g)稱其質(zhì)量，再換成泵的流速。微量天平采用Kibron公司生產(chǎn)的SuperG超微量天平。
(3)背壓模擬系統(tǒng)
本實驗采用傳感器標定法來模擬實際背壓。傳感器測試部分的結(jié)構(gòu)：該裝置由上下兩層構(gòu)成，中間用硅橡膠膜隔開。上層開兩個小孔，液體從一邊進入，從另一邊流出。下層最底部安裝壓力傳感器，并在硅膠膜下面的腔體內(nèi)注滿硅油。為防止胰島素或者硅油泄露，兩層之間加一密封圈。上下兩層用4個螺釘固定，底部傳感器密封。
(4)微電壓泵系統(tǒng)連接如圖1所示。
圖1微電壓泵系統(tǒng)組裝示意圖
在系統(tǒng)裝配良好的情況下，單獨從4號口推藥，由于保護裝置的存在，保護膜將把5，6兩孔堵塞，液體不會從8流出，甚至液體都不會進入泵液部分，因為該保護裝置對氣體同樣適用；將5號孔的管子拔除，然后從4號口向里注射液體，則泵液部分出口會有液體流出，待排空從4號孔至泵液部分出口之間的氣泡后，將5號口的管子裝上，這時，給泵液部分加上交變電壓，液體將從8號孔流出；將8號孔堵住，由于背壓的存在，傳感器讀數(shù)將發(fā)生變化。
1.2實驗說明
本實驗主要是測試壓電微泵的流速與其他條件（波形、驅(qū)動電壓，頻率，背壓，管子直徑等）的關(guān)系以及微泵的穩(wěn)定性等問題，利用信號發(fā)生器及搭建起來的管路改變泵的工作環(huán)境，利用微量天平稱取一分鐘內(nèi)從泵的出口流出來的液體的質(zhì)量，建立起流速與其他參數(shù)之間的關(guān)系。
實驗過程中所要采集的數(shù)據(jù)為：壓電微泵驅(qū)動液體(水)的流速(mL/min)；驅(qū)動電壓(V)、頻率(Hz)、背壓(Pa)等。
2性能研究
本研究所做的實驗主要為了探討以下幾個問題：
(1)探討壓電陶瓷片在不同波形驅(qū)動下，微泵流速的比較，為驅(qū)動電壓波形的選擇提供依據(jù)；
(2)壓電微泵的流速與驅(qū)動電壓和頻率的關(guān)系，為壓電微泵工作找到一個合適的工作點；
(3)探討粗管與細管對壓電微泵工作效率的影響；
(4)壓電微泵流速與背壓的關(guān)系，測試壓電微泵在出口背壓不同的情況下其流速的變化情況；
(5)討論壓電微泵性能的穩(wěn)定性，探討長時間工作下壓電微泵泵液效率是否會有衰減。
3結(jié)論
在性能研究方面，本文探討了不同驅(qū)動波形，不同工作條件，粗細管等對壓電微泵性能的影響以及壓電微泵的穩(wěn)定性。綜合本研究結(jié)果得到以下結(jié)論：
(1)壓電微泵單向閥閉合與張開的有效性對其性能影響很大。方波電壓驅(qū)動微泵流速最大，約是正弦波驅(qū)動的兩倍，鋸齒波驅(qū)動的三倍；壓電微泵在高頻區(qū)工作時，閥膜的開關(guān)與閉合的頻率亦不能和驅(qū)動電壓的頻率匹配，故壓電微泵的效率與驅(qū)動頻率之間的關(guān)系并不是簡單的線性關(guān)系，而是一個復(fù)雜的關(guān)系。
(2)壓電微泵工作時，并不能簡單把液面高度等同于背壓。本研究采用傳感器標定的方式來消除這個差異，傳感器將液面高度（靜態(tài)背壓）和阻力綜合反映出來，本文認為，這才是真正的背壓。經(jīng)測試，微泵的流速與背壓幾乎成線性遞減關(guān)系，并且和選用管子的內(nèi)徑無關(guān)。這是流量控制的一個關(guān)鍵。
(3)壓電微泵的穩(wěn)定性不好并且存在衰減。穩(wěn)定性不好是因為泵腔內(nèi)容易混進微小氣泡，導(dǎo)致微泵的性能下降，采取一定的措施后，微泵性能可望得到恢復(fù)；衰減則是微泵性能一種不可逆的變化，無論采取什么措施均不能使其性能恢復(fù)。