楊劍之 ， 彭瀚旻 ， 圣 娟 ， 朱攀丞

(南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室 南京，210016)

引 言

當今科學技術發(fā)展迅速，很多場合要求對流體的流速進行精確且慢速的控制，微量注射泵[1-2]和壓電泵在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療設備以及精密實驗中被大量應用。尤其在醫(yī)療方面利用注射泵或壓電泵[3-5]對患者進行長時間均勻微量的藥物注射，具有恒量、恒速和持續(xù)的要求，避免了由于人工注射而帶來的誤差，從而充分發(fā)揮藥物的最大治療效果。微量注射泵的應用在提高醫(yī)療給藥精度的同時，降低了醫(yī)護人員的勞動強度，提高了安全性和整體護理水平[6]。

目前市場上大部分注射泵都是國外產(chǎn)品，性能優(yōu)異但價格昂貴。例如：美國自然基因(Nature Gene)公司生產(chǎn)的PHD22/2000型號，精度為0.35%；美國IMED公司生產(chǎn)的Gemini PC-2TX型號注射泵，流速范圍為0.28 ～25 μL/s；德國貝朗(B.BRAUN)公司的Multifuse型、Perfusor Compact型注射泵，流速范圍為0.028 ～84 μL/s；日本日東工器生產(chǎn)的BIMOR系列壓電泵，流速最低為167 μL/s。國內注射泵使用和研發(fā)時間相對國外起步較晚，但也有自主研發(fā)的產(chǎn)品投入市場，如：北京科力豐高公司的ZNB系列產(chǎn)品(精度為3%～5%，流速范圍為0.28 ～308 μL/s)；北京思路高的恒速注射泵TCI-II產(chǎn)品(2%～3%，0.028 ～168 μL/s)；浙江大學的WZS系列(±2%，0.028 ～168 μL/s)。

已有的微量注射泵通常是利用直流或交流步進電機驅動，易受到電磁場干擾，由于通過多級減速箱進行調速，導致其整體尺寸較為龐大，難以隨身攜帶，為患者的治療帶來較大的不便。壓電泵雖然具有小尺寸、不受電磁干擾的優(yōu)點，但由于本身存在流速難以連續(xù)調控、壓力相對較低的缺陷，也難以滿足要求[7-9]。筆者希望利用超聲電機技術研制一種微型便攜、流速可調的微量注射泵。超聲電機是20世紀80年代開始發(fā)展的一種全新概念的微特電機，它利用壓電材料的逆壓電效應，使彈性體(定子)在超聲頻段內產(chǎn)生振動，通過定轉子之間的摩擦獲得運動和扭矩，可以打破電磁電機尺寸極限[10]，易于微型化，并且低轉速保持高扭矩，無噪聲和電磁干擾，滿足便攜式微量注射泵的要求[11]。

1 超聲電機注射系統(tǒng)結構

1.1 桿式直線超聲電機結構及原理

傳統(tǒng)注射泵通常由步進電機旋轉帶動多級減速裝置，然后通過絲杠將旋轉運動轉化為直線運動，筆者采用一種桿式直線超聲電機作為注射泵的動力機構[12-14]。該電機基體形狀為切角四棱柱，材料采用磷青銅，整體尺寸為4 mm×4 mm×15 mm。基體端面開有M3的螺紋通孔并配有相應的螺紋桿，構成一個絲杠結構，基體兩端開有2道圓槽，用以夾持電機，總質量為3.75 g，如圖1所示。傳統(tǒng)注射泵型號較多，尺寸都在280 mm×210 mm×130 mm左右，質量在2 kg以上；而該桿式直線超聲電機尺寸小、重量輕，可以直接集成于注射器中，以便患者攜帶。

圖1 桿式直線超聲電機結構(單位：mm)

該電機利用2組極化方向相同的壓電陶瓷片，并分別加有一定頻率的正余弦交流電，激發(fā)出基體定子兩個不同方向上的1階彎振，并將2組1階彎振模態(tài)以相位差90°的方式進行疊加，在定子兩端面形成同方向的環(huán)形行波，整體產(chǎn)生“搖頭式”振動，進而利用螺紋副的摩擦帶動中間螺桿進行轉動，轉化為軸向的直線運動。筆者利用Comsol Multiphysics有限元仿真軟件計算得出該電機定子的相應振型，特征頻率為54.9 kHz，最大振幅可達60.1 μm，如圖2(a)所示。4片壓電陶瓷片的相對2片極化方向相同，分別構成A，B兩相，加以頻率為54.9 kHz的相位差90°的正余弦交流電，基體接地，如圖2(b)所示。

圖2 桿式直線超聲電機工作原理

1.2 超聲電機激光測振

為驗證仿真的準確性和有效性，筆者采用德國Polvtec公司PSV-300型激光多普勒測振儀對超聲電機基體端面進行了振動掃頻實驗，如圖3(a)所示，得到電機基體A，B兩相的特征頻率曲線及相應振型。A，B相工作頻率分別為53.91 和54.10 kHz，兩相彎振的方向相互垂直，與仿真計算結果一致，且兩相特征頻率接近，容易實現(xiàn)對電機正常工作的控制，如圖3(b)所示。

圖3 激光測振實驗

1.3 超聲電機夾持裝置

超聲電機通過壓電陶瓷對基體激振，從而產(chǎn)生相應的振型來進行工作。因此，超聲電機夾持裝置的設計尤為重要，要在不影響基體正常振動的前提下對電機進行固定，否則會導致工作振型改變或者振幅大幅減小，無法正常工作。仿真計算表明，在壓電陶瓷的上下沿處振幅接近為0，是電機工作的節(jié)線位置，因此在此處對電機進行夾持,如圖4(a)所示。在電機基體振動節(jié)線上開有圓形溝槽，用以配合夾持裝置固定電機，并通過2對緊固螺栓和螺母對整體結構進行固定，夾持裝置如圖4(b)所示。在超聲電機注射系統(tǒng)中使用1 mL標準注射器，和電機一同固定在可調式導軌上，并保持電機螺桿和注射器推桿在同一高度。注射器推桿直接由桿式直線超聲電機推動，沒有外加任何減速裝置。為了使電機的絲杠結構配合得更加緊密，加大電機的推力，在螺桿端部安裝了一個2g的配重塊，整體裝置如圖4(c)所示。

圖4 超聲電機注射系統(tǒng)機構圖

2 實驗測試系統(tǒng)

2.1 實驗測試裝置及測試方法

筆者對上述超聲電機注射系統(tǒng)進行了流量測試實驗，通過雙通道信號發(fā)生器及2臺功率放大器分別對電機A，B相進行驅動。通過對電機的調試，發(fā)現(xiàn)兩相正余弦交流電頻率在52.57 kHz時工作情況最穩(wěn)定。電機在實際工作時帶有螺紋桿以及配重塊，所以工作頻率與之前測振(無螺紋桿和配重塊)得到的頻率有一定差異，但在合理誤差范圍內。

在注射器端口處外接一個管徑為3 mm的計量管來測量流速，利用蒸餾水作為計量液體。在慢速情況下(流速低于0.5 μL/s)利用計時器對計量管中液體流過5 mm長度(容積為35.325 μL)所用時間進行計時，從而得出超聲電機注射系統(tǒng)的流速。在快速情況下(流速高于0.5 μL/s)利用高速攝像機對計量管液面位置變化過程進行錄像，利用KMplayer軟件對實驗內容逐幀分析，得出流速。攝像機FPS為240幀/s，所測時間誤差在±5 ms以內，實驗測試裝置如圖5所示。

圖5 實驗裝置示意圖

為了驗證超聲電機注射系統(tǒng)在低流速情況下電機工作的連續(xù)性，筆者采用日本基恩士公司的LK-G5000高精度激光位移傳感器對超聲電機注射系統(tǒng)工作情況進行測試，其傳感器精度為0.001 μm，采樣間隔為100 μs，測試位置為桿式直線超聲電機的螺桿端部，如圖6所示。

圖6 激光位移傳感器測試系統(tǒng)

2.2 實驗測試驅動波形

筆者利用1臺雙通道信號發(fā)生器和2臺功率放大器驅動該超聲電機工作，通過調整驅動電壓以及脈沖模式下正弦波的占空因數(shù)來控制注射系統(tǒng)的流速大小。脈沖模式下正弦波的占空因數(shù)類似于脈沖信號的占空比，即固定周期內輸出一定時間的固定頻率(電機工作頻率)的正弦波信號，正弦波所占整個周期比例為占空因數(shù)[15]，如圖7所示。

圖7 驅動信號波形

本研究通過功率放大器來調整驅動電壓峰峰值，通過信號發(fā)生器設置間隔周期為100 ms，正弦波頻率為52.57 kHz，通過調整正弦波輸出的個數(shù)來調整占空因數(shù)，例如輸出個數(shù)分別為5 257，2 629和263時，占空因數(shù)分別為100%，50%和5%。筆者分別測試了超聲電機注射系統(tǒng)在驅動電壓為300，250 和200 V時、占空因數(shù)為100%～1%條件下的流速。為了保證數(shù)據(jù)的一致性，在上述實驗中保持相同的實驗環(huán)境及相同的電機螺桿工作區(qū)間，以保證電機工作時具有相同的推力及速度，并對多次實驗數(shù)據(jù)取平均值，使所測得的實驗數(shù)據(jù)更具有可對比性。

3 實驗結果討論及分析

通過上述實驗測試了不同電壓峰峰值下超聲電機注射系統(tǒng)流量與驅動信號占空因數(shù)的關系，如圖8(a)所示，可以得知超聲電機注射系統(tǒng)流量隨著驅動信號占空因數(shù)的降低而降低。當占空因數(shù)為100%、電壓峰峰值為300 V時，系統(tǒng)流量達到最大值61.87 μL/s；當占空因數(shù)為5%、電壓峰峰值為200 V時，系統(tǒng)流量為0.58 μL/s。由此可以看出，通過調節(jié)占空因數(shù)可以有效地控制超聲電機注射系統(tǒng)的流量。為了得到該系統(tǒng)的最小流量，本研究在更低占空因數(shù)下進行了相同的流量測試實驗，發(fā)現(xiàn)當驅動信號占空因數(shù)低于1%時，由于螺紋加工精度的原因，超聲電機難以穩(wěn)定地工作。因此測試了系統(tǒng)在不同電壓下驅動信號占空因數(shù)為1%的流量，并與市場常見的醫(yī)用注射泵最小流量相對比，如圖8(b)所示。在電壓峰峰值為200 V、占空因數(shù)為1%時得到注射系統(tǒng)的最小流量為0.01 μL/s，而醫(yī)用注射泵最小流量為0.028 μL/s。這說明筆者設計的超聲電機注射系統(tǒng)在未加任何減速裝置的前提下，通過調節(jié)電壓與占空因數(shù)所得最低流量精度已經(jīng)高于傳統(tǒng)醫(yī)用注射泵1倍以上，且易于微型化，方便控制，結構簡單，小巧便攜。

為了測試超聲電機注射系統(tǒng)以最小流速實際工作時的連續(xù)性，筆者通過激光位移傳感器得到了超聲電機在實際工作情況下推桿端部的時間位移曲線，如圖8(c)所示。電機在實際工作中有輕微波動，這主要是由于螺紋孔與螺桿之間不同位置的配合程度差異導致，但總體上較為穩(wěn)定，位移與時間呈線性關系，電機推桿的平均速度為0.457 μm/s。

圖8 通過占空因數(shù)調控流速測量結果

4 結束語

采用桿式直線超聲電機作為注射系統(tǒng)的驅動元件，利用超聲電機啟動響應快、低轉速高轉矩等特性，通過調控驅動信號的占空因數(shù)和電壓實現(xiàn)對注射系統(tǒng)流速的調控。利用實驗測試得到超聲電機注射系統(tǒng)在電壓峰峰值為200 V、占空因數(shù)為1%且沒有任何減速裝置的情況下，流速為0.01 μL/s，優(yōu)于傳統(tǒng)注射泵產(chǎn)品的最低流速。證明利用占空因數(shù)和電壓控制流速方法對于超聲電機注射系統(tǒng)是有效的，可以實現(xiàn)61.87 ～ 0.01 μL/s范圍內的流速調控。由于超聲電機本身的優(yōu)勢，使得整個系統(tǒng)易于微型化，相比傳統(tǒng)步進電機注射泵更加輕巧便攜。