CN114320845B - 一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵，它包括：泵体、自感知单元、泵腔、进液口、出液口、流道和逆止阀；所述的自感知单元包括：驱动部和传感部，驱动部包括：基板和压电晶体，传感部包括：信号采集晶体；所述的基板下方依次设有挤压块、膜片、储液腔、储液腔通孔；储液腔通孔与流道相通。储液腔底部为弧形与膜片相应，解决由于泵腔内液体无法排尽而造成污染的问题。自感知单元中驱动部的形变位置与传感部输出电信号一一对应，通过信号调理、采集、处理单元以及驱动控制电路可以实现压电精密输液泵的闭环控制。
Description
技术领域
本发明属于柔性工作元件驱动的液体泵送技术领域，具体涉及一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵。
背景技术
现代科技领域对流体的输送精度要求较高，如化学分析与检测、生物医药、临床医学等，而常见的精密流体输送装置体积大、造价贵，使用多受限。近年来，随着陶瓷技术研究的不断深入和发展，以压电元件为核心的压电泵因其能耗低、尺寸小、可控性好等特点，成为精密流体泵研究领域的热点，应用前景广泛。
压电微泵的核心在于利用压电陶瓷的逆压电效应使压电振子产生周期性变形，从而改变泵腔容积实现流体输出。虽然压电微泵较传统泵有诸多优点，但目前仍存在以下问题与不足：
1、出口流量受出口压力的影响较大，不能实现精准输注；
2、输液泵不能实现闭环控制，无法保证输注过程的准确性，在特殊情况下，不能反馈微泵的工作状态；
3、微泵工作过程中泵腔内的液体不会完全排尽，造成液体污染。
发明内容
本发明目的是为了解决上述问题而提供了一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵及闭环控制方法，用于胰岛素和镇痛药注射。
一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵，它包括：泵体、自感知单元、泵腔、进液口13、出液口14、流道和逆止阀；所述的自感知单元包括：驱动部和传感部，驱动部包括：基板211和压电晶体212，传感部包括：信号采集晶体213；
所述的信号采集晶体213与压电晶体212为一体，一体成型并设在基板211上；压电晶体212和信号采集晶体213组成具有驱动功能和数据采集功能的一体式部件，压电晶体212产生横波弯曲振动；信号采集晶体213采集压电晶体212的弯曲振动信号；
所述的信号采集晶体213设在基板211下方，信号采集晶体213下方设有第二基板211b。
所述的基板211或第二基板211b下方依次设有挤压块22、膜片123、储液腔124、储液腔通孔1241；储液腔通孔1241与流道相通，压电晶体212振动，基板211或第二基板211b推动挤压块22，挤压块22推动膜片123，液体在储液腔124内泵入泵出，储液腔124底部为弧形。
所述的泵体包括：上盖111、支撑架112、泵腔架121、泵体基座122；上盖111、支撑架112、泵腔架121和泵体基座122依次堆叠；
所述的支撑架112设有挤压块通孔1123；
所述的膜片123两端固定在支撑架112和泵腔架121之间；
所述的储液腔124和储液腔通孔1241设在泵腔架121上。
所述的膜片123与支撑架112之间，支撑架112上设有缓冲层1122。
所述的泵腔设有泄压孔，与外界相通。
所述的逆止阀为一体式阀片体3，一体式阀片体3上设有阀片体通孔31，两侧设有阀片，储液腔通孔1241与阀片体通孔31相通。
一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵的闭环控制方法，它包括：
1）控制电路控制驱动电源向自感知单元的驱动部211施加正电压时，自感知单元驱动部211驱动压电泵泵送液体；
传感部212与驱动部211同步运动；自感知单元2的传感部212监测驱动部211的运动状态，压电效应将位移信息转化为电信号；
2）电信号传递到解析判断电路，解析判断后输入到控制电路；
3）控制电路控制驱动电源向驱动部211施加正电压达到最高电压V2(t0-t1)后，持续向驱动部211施加最高正电压V2(t1-t2)，随后驱动电源向驱动部施加的正电压逐渐减小至0 (t2-t3)。在t0-t3时间段内，驱动部211和传感部212持续位移变形，传感部212持续向控制电路发出电信号；
4）控制电路控制驱动电源向驱动部211施加负电压，达到最低电压V1(t3-t4)后，持续向驱动部211施加最低负电压V1(t4-t5)，随后驱动电源向驱动部施加的负电压逐渐增大至0 (t5-t6)。在t3-t6时间段内，驱动部向初位置位移变形，传感部212发出电信号，直至传感部212恢复到初始状态，完成一个脉冲；
5）间隙t6-t7后进入下一个脉冲。
在大剂量输注模式时，采取连续多个脉冲作为驱动信号，脉冲的数量取决于输注剂量的大小；可根据抽液压力与排液压力的不同，适当地调整t1-t2过程和t4-t5过程的时间，使一次脉冲信号下输液泵的输注量等于储液腔612的体积。
本发明提供了一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵，它包括：泵体、自感知单元、泵腔、进液口、出液口、流道和逆止阀；所述的自感知单元包括：驱动部和传感部，驱动部包括：基板和压电晶体，传感部包括：信号采集晶体；所述的基板下方依次设有挤压块22、膜片、储液腔、储液腔通孔；储液腔通孔1241与流道相通。储液腔124底部为弧形与膜片相应，解决由于泵腔内液体无法排尽而造成污染的问题。自感知单元中驱动部的形变位置与传感部输出电信号一一对应，通过信号调理、采集、处理单元以及驱动控制电路可以实现压电精密输液泵的闭环控制。
附图说明
图1是本发明一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵的整体示意图；
图2是本发明一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵的分解示意图；
图3是本发明一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵的一体式自感知单元结构示意图；
图4是本发明一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵的堆叠式自感知单元结构示意图；
图5是本发明一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵的迸出原理示意图；
图6是本发明一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵的迸入原理示意图；
图7是本发明一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵的挤压块工作状态示意图；
图8是本发明一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵的闭环控制原理图；
图9是本发明一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵的基础率输注模式驱动信号图；
图10是本发明一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵的大剂量输注模式驱动信号图；
图中：上泵体11，上盖111，支撑架112，缓冲层1122，挤压块通孔1123，振摆腔113，下泵体12，泵腔架121，弧形凹槽1211，泵体基座122，膜片123，储液腔124，储液腔通孔1241，进液口13，出液口14，自感知单元21，基板211，第一基板211a，第二基板211b，压电晶体212，信号采集晶体213，挤压块22，一体式阀片体3，阀片体通孔31，第一阀片321，第二阀片322，第三阀片323，第四阀片324，第一进液阀室1212，第二进液流道1213，第一出液阀室1214，第一进液流道1222，第二进液阀室1223，第一出液流道1224，第二出液阀室1225。
具体实施方式
参见图1至图10所示，一种集驱动、传感于一体的压电精密输液泵，它包括：泵体、挤压组件、一体式阀片体3；
所述的泵体包括：上泵体11、下泵体12，挤压组件设在上泵体11和下泵体12之间；
所述的上泵体11包括：上盖111、支撑架112；
所述的下泵体12包括：泵腔架121、泵体基座122、膜片123；
所述的泵体中设有进液口13、出液口14，进液口13和出液口14分别设在泵体基座122两端；
所述的上盖111、支撑架112、泵腔架121、泵体基座122；上盖111、支撑架112、泵腔架121和泵体基座122依次堆叠；
所述的支撑架112上、下两个端面均设有撑架凹槽，上盖111设在支撑架112上，基板211边沿通过上盖111与支撑架112夹持；撑架上凹槽与上盖111之间形成振摆腔113；撑架下凹槽处设有缓冲层1122；
所述的撑架凹槽内设有挤压块通孔1123；
所述的泵腔架121上端面设有弧形凹槽1211；膜片123设在支撑架11与泵腔架121之间；
所述的膜片123边沿密封固定在泵腔架121上；膜片123与弧形凹槽1211之间形成储液腔124；弧形凹槽1211内设有储液腔通孔1241；储液腔通孔1241贯穿至泵腔架121底端端面；
所述的挤压组件包括：自感知单元21、挤压块22；
所述的自感知单元21中设有驱动部和传感部，其包括：基板211、压电晶体212、采集晶体213；
所述的自感知单元21中的驱动部和传感部的构成方式有以下2种实现方式：
（1）一体式自感知单元：压电晶体212和信号采集晶体213一体成型并设在基板211上；压电晶体212和信号采集晶体213组成具有驱动功能和数据采集功能的一体式部件，压电晶体212产生横波弯曲振动；信号采集晶体213采集压电晶体212的弯曲振动信号；
（2）堆叠式自感知单元：驱动部包括：第一基板211a、压电晶体212；传感部包括：第二基板211b、信号采集晶体213；第一基板211a、压电晶体212、第二基板211b和信号采集晶体213依次堆叠粘接；
所述的基板211、第一基板211a与第二基板211b采用相同材料制成，并且功能相同的部件；压电晶体212和信号采集晶体213采用相同材料制成的部件；
所述的挤压块22上端面与基板211下端面的中部紧密粘接；自感知单元21在振摆腔113内幅动；
挤压块22的主体在挤压块通孔1123内滑动；挤压块22下部为弧面，挤压块22下部弧面与膜片123接触；
所述的一体式阀片体3设在泵腔架121与泵体基座122之间；一体式阀片体3中部设有阀片体通孔31；阀片体通孔31两侧均设有阀片；
所述的一体式阀片体3为柔性材料，其阀片均为悬臂梁式的阀片；多个阀片朝向相同；
所述的储液腔通孔1241两侧设有阀室和流道；阀室和流道相对；阀片设在阀室和流道之间；
所述的阀片可封堵流道，也可向阀室内弯曲，贯通阀室与流道间的液体通路；
所述的阀片包括：第一阀片321、第二阀片322、第三阀片323、第四阀片324；
所述的阀室与流道分别设在泵腔架121、泵体基座122中；阀室与流道均为设在泵腔架121、泵体基座122端面上的凹槽；
所述的阀室分为：进液阀室、出液阀室；
进液阀室包括：第一进液阀室1212、第二进液阀室1223；出液阀室包括：第一出液阀室1214、第二出液阀室1225；
所述的流道分为：进液流道、出液流道；
进液流道包括：第一进液流道1222、第二进液流道1213；出液流道包括：第一出液流道1224，第二出液流道1215；
所述的第一进液阀室1212、第二进液流道1213、储液腔通孔1241、第一出液阀室1214、第二出液流道1215依次设在泵腔架121底端端面上；第一进液阀室1212与第二进液流道1213相通；第一出液阀室1214与第二出液流道1215相通；
所述的第一进液流道1222、第二进液阀室1223、第一出液流道1224、第二出液阀室1225依次设在泵体基座122上；
所述的储液腔通孔1241与阀片体通孔31相对应，储液腔通孔1241通过阀片体通孔31分别与第二进液阀室、第一进液流道贯通；
所述的进液口13与第一进液流道贯通；出液口14与第二出液阀室贯通；
所述的第一阀片321设在第一进液流道与第一进液阀室之间；第二阀片322设在第二进液流道与第二进液阀室之间；第三阀片323设在第一出液流道与第一出液阀室之间；第四阀片324设在第二出液流道与第二出液阀室之间；
进液口13依次通过进液流道、阀片、进液阀室、阀片体通孔31、储液腔通孔1241与储液腔124连通；
储液腔124依次通过储液腔通孔1241、阀片体通孔31、出液流道、阀片、出液阀室与出液口14连通。
本发明提供的集驱动、传感于一体的压电精密输液泵通过给自感知单元施加外电场，使其在逆压电效应的作用下发生形变，带动连接于基板211的挤压块22发生位移；随着交变电压的作用，挤压块驱动膜片发生周期性形变与恢复，实现储液腔124内流体的流动；
自感知单元中的信号采集晶体213随驱动部形变而形变，并产生正压电效应向外输出电信号；基板211和压电晶体212组成端驱动部形变至任意位置时，信号采集晶体213也会随其形变至对应位置并产生正压电效应输出电信号，即驱动部的形变位置与信号采集晶体213输出电信号一一对应；
当在自感知单元两端施加较大的正电压时，压电晶体212发生形变，连接于基板211的挤压块22向下位移并挤压膜片123，膜片123受力向下形变，一体式阀片体3中出液侧阀片开启，储液腔内的液体逐渐从出液口14排出；施加在自感知单元的驱动信号，在达到正电压峰值时会持续一段时间，在此过程中挤压块22不断向下，膜片随之不断形变直至与弧形凹槽1211的弧面完全贴合，使储液腔内的液体完全排尽，保证定量液体精准泵送；
当在自感知单元两端施加较小的负电压时，压电晶体212开始恢复形变并带动挤压块向上发生位移，膜片123也开始恢复形变，一体式阀片体3中进液侧阀片开启，液体逐渐从进液口13流入储液腔；施加在自感知单元的驱动信号，在达到负电压峰值时同样会持续一段时间；由于负电压的存在，自感知单元会有一定程度的反向形变，挤压块22也向上位移，不再与膜片123接触，即达到其初始位；因此膜片可以依靠自身弹性力充分恢复至初始状态；
当在自感知单元两端施加负电压时，膜片张紧回弹，发生反向形变，液体被吸入储液腔内；膜片充分恢复至初始状态，自感知单元内信号不在发生形变信号，停止对驱动部施加电压；使膜片充分恢复至初始状态而不发生反向形变，保证吸入与泵送的流量完全相同；缓冲层设置于限位部件和受限位部件之间，防止二者刚性接触减少使用寿命或发生损伤；
自感知单元中的传感部随驱动部形变而形变，并产生正压电效应向外输出电信号；驱动部形变至任意位置时，传感部也会随其形变至对应位置并产生逆压电效应输出电信号，即驱动部的形变位置与输出电信号一一对应；当压电精密输液泵内部流道或外部管路发生堵塞时，储液腔内的液体无法正常吸入及泵出，驱动部无法形变至对应位置，此时通过对传感部输出的电信号进行解析即可判断管路是否堵塞。
一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵的闭环控制方法，它包括：
1）控制电路控制驱动电源向自感知单元的驱动部211施加正电压时，自感知单元驱动部211驱动压电泵泵送液体；
传感部212与驱动部211同步运动；自感知单元2的传感部212监测驱动部211的运动状态，压电效应将位移信息转化为电信号；
2）电信号传递到解析判断电路，解析判断后输入到控制电路；
3）控制电路控制驱动电源向驱动部211施加正电压达到最高电压V2(t0-t1)后，持续向驱动部211施加最高正电压V2(t1-t2)，随后驱动电源向驱动部施加的正电压逐渐减小至0 (t2-t3)。在t0-t3时间段内，驱动部211和传感部212持续位移变形，传感部212持续向控制电路发出电信号；
4）控制电路控制驱动电源向驱动部211施加负电压，达到最低电压V1(t3-t4)后，持续向驱动部211施加最低负电压V1(t4-t5)，随后驱动电源向驱动部施加的负电压逐渐增大至0 (t5-t6)。在t3-t6时间段内，驱动部向初位置位移变形，传感部212发出电信号，直至传感部212恢复到初始状态，完成一个脉冲；
5）间隙t6-t7后进入下一个脉冲。
在大剂量输注模式时，采取连续多个脉冲作为驱动信号，脉冲的数量取决于输注剂量的大小；可根据抽液压力与排液压力的不同，适当地调整t1-t2过程和t4-t5过程的时间，使一次脉冲信号下输液泵的输注量等于储液腔612的体积。
Claims (6)
1.一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵，其特征在于，它包括：泵体、自感知单元、泵腔、进液口（13）、出液口（14）、流道和逆止阀；所述的自感知单元包括：驱动部和传感部，驱动部包括：基板（211）和压电晶体（212），传感部包括：信号采集晶体（213）；所述的信号采集晶体（213）与压电晶体（212）为一体，一体成型并设在基板（211）上；压电晶体（212）和信号采集晶体（213）组成具有驱动功能和数据采集功能的一体式部件，压电晶体（212）产生横波弯曲振动；信号采集晶体（213）采集压电晶体（212）的弯曲振动信号；
所述的信号采集晶体（213）设在基板（211）下方，信号采集晶体（213）下方设有第二基板（211b）；
所述的基板（211）或第二基板（211b）下方依次设有挤压块（22）、膜片（123）、储液腔（124）、储液腔通孔（1241）；储液腔通孔（1241）与流道相通，压电晶体（212）振动，基板（211）或第二基板（211b）推动挤压块（22），挤压块（22）下部为弧面，与膜片接触，推动膜片（123），液体在储液腔（124）内泵入泵出，储液腔（124）底部为弧形；
所述的逆止阀为一体式阀片体（3），一体式阀片体（3）上中部设有阀片体通孔（31），两侧设有阀片，储液腔通孔（1241）与阀片体通孔（31）相通；进液口（13）依次通过进液流道、阀片、进液阀室、阀片体通孔（31）、储液腔通孔（1241）与储液腔（124）连通；储液腔（124）依次通过储液腔通孔（1241）、阀片体通孔（31）、出液流道、阀片、出液阀室与出液口（14）连通；
所述的压电精密输液泵还包括：驱动电源、控制电路和解析、判断电路，信号采集晶体（213）与解析、判断电路、控制电路和驱动电源依次连接。
2.根据权利要求1所述的一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵，其特征在于，所述的泵体包括：上盖（111）、支撑架（112）、泵腔架（121）、泵体基座（122）；上盖（111）、支撑架（112）、泵腔架（121）和泵体基座（122）依次堆叠；
所述的支撑架（112）设有挤压块通孔（1123）；
所述的膜片（123）两端固定在支撑架（112）和泵腔架（121）之间；
所述的储液腔（124）和储液腔通孔（1241）设在泵腔架（121）上。
3.根据权利要求2所述的一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵，其特征在于：
所述的膜片（123）与支撑架（112）之间，支撑架（112）上设有缓冲层（1122）。
4.根据权利要求3所述的一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵，其特征在于：所述的泵腔设有泄压孔，与外界相通。
5.权利要求1所述的一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵的闭环控制方法，其特征在于：
1） 控制电路控制驱动电源向自感知单元的驱动部（211）施加正电压时，自感知单元驱动部（211）驱动压电泵泵送液体；
传感部（212）与驱动部（211）同步运动；自感知单元（2）的传感部（212）监测驱动部（211）的运动状态，压电效应将位移信息转化为电信号；
2）电信号传递到解析判断电路，解析判断后输入到控制电路；
3）控制电路控制驱动电源向驱动部（211）施加正电压达到最高电压V2 t0-t1后，持续向驱动部（211）施加最高正电压V2 t1-t2，随后驱动电源向驱动部施加的正电压逐渐减小至0t2-t3；在t0-t3时间段内，驱动部（211）和传感部（212）持续位移变形，传感部（212）持续向控制电路发出电信号；
4）控制电路控制驱动电源向驱动部（211）施加负电压，达到最低电压V1 t3-t4后，持续向驱动部（211）施加最低负电压V1 t4-t5，随后驱动电源向驱动部施加的负电压逐渐增大至0t5-t6；在t3-t6时间段内，驱动部向初位置位移变形，传感部（212）发出电信号，直至传感部（212）恢复到初始状态，完成一个脉冲；
5）间隙t6-t7后进入下一个脉冲。
6.根据权利要求5所述的一种集驱动传感于一体的压电精密输液泵的闭环控制方法，其特征在于：大剂量输注模式采取连续多个脉冲作为驱动信号，脉冲的数量取决于输注剂量的大小；可根据抽液压力与排液压力的不同，适当地调整t1-t2过程和t4-t5过程的时间，使一次脉冲信号下输液泵的输注量等于储液腔（612）的体积。
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