王文豪

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310018）

電流可控的音圈電機(jī)無(wú)針注射系統(tǒng)

王文豪

（杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,杭州 310018）

針對(duì)普通音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無(wú)針噴射系統(tǒng)，不能調(diào)節(jié)音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流的大小，構(gòu)建了一種基于H橋驅(qū)動(dòng)，可以改變音圈電機(jī)通過(guò)電流大小的無(wú)針噴射系統(tǒng)。介紹了電流可控?zé)o針噴射系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)硬件組成、軟件功能的介紹。搭建了噴射壓強(qiáng)采集系統(tǒng)，對(duì)不同電流對(duì)噴射壓強(qiáng)的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)表明相同劑量的無(wú)針注射，初始電流越大，得到的平均壓強(qiáng)越高，當(dāng)初始電流為10A時(shí)噴射壓強(qiáng)足以穿透皮膚。

電流可調(diào);H橋驅(qū)動(dòng);噴射壓強(qiáng)

0 引言

無(wú)針注射就是進(jìn)行藥物噴射時(shí)不使用針頭，使用高壓射流噴射，對(duì)藥液加壓，并通過(guò)小孔加速產(chǎn)生高速流體射流穿透皮膚組織。

目前市場(chǎng)上的無(wú)針注射產(chǎn)品的動(dòng)力源為多為彈簧和壓縮氣體,然而這些動(dòng)力源普遍存在著注射劑量小和驅(qū)動(dòng)力難以控制。驅(qū)動(dòng)力難以控制，因?yàn)閯?dòng)力（如壓縮彈簧的回復(fù)力或氣體的壓力）是無(wú)針注射器系統(tǒng)自身給定的、難以進(jìn)行調(diào)節(jié)[1]。

本文針對(duì)電容作為音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，控制輸出電流設(shè)計(jì)的復(fù)雜等缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)了用功率放大器作為音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)力，搭建了基于H橋驅(qū)動(dòng)的音圈電機(jī)控制系統(tǒng)，通過(guò)PWM調(diào)節(jié)輸出電壓的占空比，來(lái)調(diào)節(jié)給音圈電機(jī)輸入的電流，搭建了測(cè)量音圈電機(jī)噴射壓強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)噴射中電流大小對(duì)噴射壓強(qiáng)影響進(jìn)行研究。

1 系統(tǒng)的工作原理

電流可控音圈電機(jī)無(wú)針注射的簡(jiǎn)圖和壓強(qiáng)采集系統(tǒng)如圖1所示，滑塊可以在滑軌上自由移動(dòng)，滑塊連接平臺(tái)用來(lái)固定音圈電機(jī)。調(diào)節(jié)螺栓可以調(diào)節(jié)滑塊位置，使安瓿噴孔和壓力傳感器保持合適的距離。首先給STM32的控制電路有三個(gè)按鍵控制音圈電機(jī)運(yùn)動(dòng)，KEY1，急停按鈕KEY2,音圈電機(jī)通反向低電壓，音圈電機(jī)向上吸合。KEY3通過(guò)改變PWM占空比來(lái)調(diào)節(jié)電壓，給音圈電機(jī)通正向大電流進(jìn)行無(wú)針噴射。當(dāng)音圈電機(jī)進(jìn)行噴射時(shí)，從安瓿噴射出來(lái)的液體噴射到壓力傳感器上，壓力傳感器檢測(cè)點(diǎn)受到噴射壓力由觸力傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)放大濾波電路輸出給數(shù)據(jù)采集卡，采集卡把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在電腦的上位機(jī)程序里。把采集出來(lái)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到上位機(jī)里進(jìn)行計(jì)算分析，得到噴射壓強(qiáng)隨時(shí)間和電流大小變化的壓力曲線圖。

2 系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為3個(gè)組成部分：STM32控制模塊、傳感器放大模塊、H橋驅(qū)動(dòng)模塊。

系統(tǒng)上電初始化，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)判斷位移傳感器是否在初始位置，若不在初始位置，H橋驅(qū)動(dòng)電路為音圈電機(jī)反向供電，PWM占空比為10%,音圈電機(jī)提供低電壓線圈收到電磁力拉動(dòng)活塞后退，安瓿內(nèi)的壓強(qiáng)減少進(jìn)行吸藥，線圈回復(fù)到初始位置，吸藥完畢。判斷噴射按鈕是否按下，若按下，H橋驅(qū)動(dòng)電路為音圈電機(jī)正向供電，PWM占空比設(shè)定為100%，音圈電機(jī)推動(dòng)活塞進(jìn)行噴射，系統(tǒng)控制通電時(shí)間為0.1s，噴射完成。

3 不同電流下的音圈電機(jī)噴射實(shí)驗(yàn)

噴射壓力的實(shí)驗(yàn)設(shè)備由霍尼韋爾FSG15N1A觸力傳感器，OP07CP放大器，放大器具有極低的輸入失調(diào)電壓，能使采集出來(lái)的數(shù)據(jù)更為精確。首先對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，用0-500g不同質(zhì)量的砝碼進(jìn)行標(biāo)定。

使用功率放大器對(duì)音圈電機(jī)進(jìn)行供電，安瓿活塞的直徑是5mm、噴孔直徑是0.21mm、安瓿內(nèi)液體的劑量為0.3ml的水進(jìn)行噴射實(shí)驗(yàn)，噴孔距離傳感器距離為1mm。對(duì)程序進(jìn)行設(shè)定，使H橋驅(qū)動(dòng)電路的PWM占空比分別為40%、60%、80%，分別對(duì)應(yīng)40V、60V、80V，由于音圈電機(jī)電阻為4Ω，供給音圈電機(jī)噴射的初始電流分別對(duì)應(yīng)，10A、15A、20A。

實(shí)驗(yàn)表明前10ms的注射平均壓強(qiáng)曲線圖，可以得到初始電流為10A時(shí)，初始的最大平均壓強(qiáng)為18MPa。初始?jí)簭?qiáng)超過(guò)15MPa就可以穿透人體皮膚[2]。當(dāng)初始電流增大，注射初始的平均壓強(qiáng)就越高。當(dāng)電流達(dá)到20A時(shí)注射壓強(qiáng)可以達(dá)到28MPa。注射的平均壓強(qiáng)從10ms以后開始衰減，當(dāng)?shù)竭_(dá)100ms時(shí)，注射壓強(qiáng)基本降到。本文搭建的電流可變音圈電機(jī)無(wú)針注射系統(tǒng)，在初始電流為10A時(shí)足以穿透人體皮膚。因?yàn)椴煌挲g的人體皮膚有差異。所以可以改變音圈電機(jī)的初始電流，來(lái)針對(duì)不同年齡段的人群。

實(shí)驗(yàn)表明不同電流下，最高平均壓強(qiáng)隨電流變化的關(guān)系?？梢缘贸鲎罡咂骄鶋簭?qiáng)的大小隨著初始電流的增大而增加。兩者用matlab擬合可得到初始電流和最大平均壓強(qiáng)成二次線性相關(guān)。證明了所設(shè)計(jì)的電流可控音圈電機(jī)系統(tǒng)，可以隨著初始電流的變化，來(lái)調(diào)劑音圈電機(jī)噴射中的最大注射壓強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了電流可控的音圈電機(jī)無(wú)針注射系統(tǒng)，搭建的電流可控?zé)o針注射系統(tǒng)，當(dāng)電流為10A時(shí)，初始噴射壓強(qiáng)達(dá)到18MPa，足夠穿透人體皮膚。電流最大為20A，初始注射壓強(qiáng)達(dá)到最28MPa，該裝置模塊集成度高，穩(wěn)定可靠，可以根據(jù)不同年齡段人體皮膚，進(jìn)行噴射壓力的調(diào)節(jié)，克服了普通音圈電機(jī)注射不能改變注射電流的缺點(diǎn)。

[1]陳凱,楊鋒雷.基于音圈直線驅(qū)動(dòng)的無(wú)針注射技術(shù)[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2010,4(09)：151-156.

[2]周華.液體無(wú)針注射系統(tǒng)的機(jī)械和力學(xué)性能研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué),2007.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.124

王文豪（1990-）,男,浙江杭州人,碩士研究生,主要從事無(wú)針注射的研究。