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超微量天平用于壓電微泵的性能系統測試

來源:中國醫療器械雜志 瀏覽 835 次 發布時間:2024-07-16

隨著人們生活水平的提高和生活方式的轉變,糖尿病已成為多發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、反復低血糖、黎明現象、胃輕癱等常規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,將壓電隔膜泵應用到胰島素泵中去,作為其核心動力部分,與傳統電機/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的測試和總結。

1實驗平臺的搭建

1.1本實驗所用到的設備及其說明

(1)信號發生器

本實驗所采用的信號發生器型號是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境。

(2)微量天平

本實驗所采集的數據是使用秒表計時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)稱其質量,再換成泵的流速。微量天平采用Kibron公司生產的SuperG超微量天平

(3)背壓模擬系統

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構:該裝置由上下兩層構成,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)微電壓泵系統連接如圖1所示。

圖1微電壓泵系統組裝示意圖

在系統裝配良好的情況下,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,傳感器讀數將發生變化。

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、驅動電壓,頻率,背壓,管子直徑等)的關系以及微泵的穩定性等問題,利用信號發生器及搭建起來的管路改變泵的工作環境,利用微量天平稱取一分鐘內從泵的出口流出來的液體的質量,建立起流速與其他參數之間的關系。

實驗過程中所要采集的數據為:壓電微泵驅動液體(水)的流速(mL/min);驅動電壓(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動下,微泵流速的比較,為驅動電壓波形的選擇提供依據;

(2)壓電微泵的流速與驅動電壓和頻率的關系,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結論

在性能研究方面,本文探討了不同驅動波形,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定性。綜合本研究結果得到以下結論:

(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。方波電壓驅動微泵流速最大,約是正弦波驅動的兩倍,鋸齒波驅動的三倍;壓電微泵在高頻區工作時,閥膜的開關與閉合的頻率亦不能和驅動電壓的頻率匹配,故壓電微泵的效率與驅動頻率之間的關系并不是簡單的線性關系,而是一個復雜的關系。

(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(靜態背壓)和阻力綜合反映出來,本文認為,這才是真正的背壓。經測試,微泵的流速與背壓幾乎成線性遞減關系,并且和選用管子的內徑無關。這是流量控制的一個關鍵。

(3)壓電微泵的穩定性不好并且存在衰減。穩定性不好是因為泵腔內容易混進微小氣泡,導致微泵的性能下降,采取一定的措施后,微泵性能可望得到恢復;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。


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