压电驱动式胰岛素泵的理论与实验研究

【摘要】压电驱动式胰岛素泵，是以压电微泵作为输送装置，通过调节输入电信号的电压、频率、脉冲数量等来实现精密控制的胰岛素泵。由于胰岛素泵是代替人工注射根据人体血糖变化定时向人体内输注胰岛素治疗糖尿病，因此必须做到实时监测和精密输注，同时，为了满足大众化的要求，胰岛素泵又需要具备成本低、体积小、操作方便等特点。之前的研究和产品，由于受驱动方式、制作工艺、加工成本等的限制，都不可避免地存在着一些缺陷。本文在前人基础上，采用压电驱动，通过对压电微泵在材料、结构、工艺等方面的优化设计，结合大量的实验分析，制作出了满足使用要求的压电驱动式胰岛素泵样机。本文结合国家高技术研究发展计划（863）项目“血糖检测与胰岛素注射微系统”（项目编号：2011AA040406）开展研究，以压电微泵为基础，详细分析了压电微泵内各结构参数及系统工作原理，为压电驱动式胰岛素泵的设计、制作和应用提供理论与技术支持。具体研究内容如下：1.压电振子工作特性分析压电振子是压电微泵的动力源，利用压电振子等效集中力模型，对压电振子所能提供的极限流量和极限压力进行了分析。通过建立振子理论弯曲模型，找出影响压电振子输出位移的参数，并对基板与陶瓷半径比进行了优化。2.阀的特性研究单向阀是压电微泵中控制流体流向的元件，通过建立存在气泡时阀的动力学模型，分析了影响阀振动状态的参数。对不同形状的阀受气泡影响作了对比研究与实验，结果表明，当阀的刚度较大、阀片形状较平滑时，压电微泵受气泡影响较小，并以此为基础对阀进行选择和优化。详细探讨了阀的变刚度设计，从理论上分析了变刚度设计对压电微泵输出流量和输出压力产生的影响。3.压电微泵参数分析与实验在流体流动基本理论基础之上，对压电微泵由于装配方式不同带来的装配间隙进行了分析与实验，得出阀的间隙与输出压力的关系曲线图。分类讨论了外部负载对压电微泵输出性能的影响，其中包括出入口管长、介质粘度和温度。最后对影响压电微泵自吸性的原因进行了研究，指出泵腔初始容积和能量传递效率是两个关键因素，在压电微泵的结构设计中，应适当减小泵腔初始容积和提高振子振动传给流体动能的能量传递效率。4.压电驱动式胰岛素泵的设计与制作本文所研究的压电驱动式胰岛素泵，主要包括机械单元与电控单元，机械单元由压电微泵、药仓、外壳三部分组成，压电微泵是机械单元的主体，采用CNC工艺制作完成，药仓选用PE薄膜采用高周波热压工艺封装而成，外壳采用ABS材料用3D打印技术制作，外壳设计要符合封装性、工艺性、实用性、美观性等要求。电控单元为压电微泵提供驱动信号，波形选用正弦波，电控单元要做到输出精确、稳定、调整方便。制定压电驱动式胰岛素泵的性能指标，并对样机进行测试。
【作者】王浩；
【导师】杨志刚；刘国君；
【作者基本信息】吉林大学，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】压电驱动式胰岛素泵；压电微泵；悬臂梁阀；变刚度设计；气泡；装配间隙；自吸性；

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