CN107126593A - 基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法及系统，输入参数：输入输注参数，所述输注参数包括输注液体总量和流速；获取控制参数：根据所述输注参数确定输注时间，根据公式确定驱动电压的频率；驱动压电振子：向压电振子以确定的驱动电压的频率和输注时间输入驱动电压，该驱动电压驱动压电振子工作；输注液体：压电振子的振动控制腔体扩展和压缩从而完成进液和出液。本发明通过压电振子的振动控制从而完成进液和出液，既方便进行智能控制，又确保输注的精确，实现液体的精确输注控制。

Description

基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法及系统
技术领域
本发明涉及一种液体输注方法及系统，尤其涉及一种基于压电、能精确控制的液体输注方法及系统。
背景技术
输注泵已经普遍适用于临床治疗，在国内已广发用于麻醉、镇痛、抗生素治疗、肿瘤化疗、心脑血管疾病治疗、高血压、糖尿病的治疗。输注泵的应用，降低了治疗的患者的治疗风险，减少了护理工作人员的工作量，大大的降低了传统输注方法在重病患者治疗过程中产生的给药风险。
医疗器械质量安全是医院管理的重中之重，因此希望有一种高性能、智能化的自动输注装置。智能输注泵具有传统重力输注无法比拟的优点，它可以精确测量和控制输注速度，输注量流线良好，能对气泡、阻塞、漏血等异常进行检测，并具有报警功能和自动切断输注通路。确保了患者的安全，减少了医疗事故的发生。
发明内容
本发明解决的技术问题是：构建一种基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法及系统，克服现有技术液体输注不方便进行智能控制、液体输注不精确的技术问题。
本发明的技术方案是：提供一种基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法，包括如下步骤：
输入参数：输入输注参数，所述输注参数包括输注液体总量和流速；
获取控制参数：根据所述输注参数确定输注时间，根据确定驱动电压的频率，其中：Q表示每分钟输入流量，C表示流量系数，ΔP表示阀门两侧压力差(Pa)，ρ表示液体密度(kg/m3)，E表示悬臂梁阀门弹性模量(Pa)，b表示悬臂梁阀门宽度(mm)，h表示阀门厚度(mm)，l表示阀门总长度(mm)，f表示压电振子的振动频率(Hz)；
驱动压电振子：在确定的输注时间向压电振子施以驱动电压，该驱动电压驱动压电振子以确定的振动频率工作；
输注液体：压电振子的振动控制腔体扩展通过进液阀进液，压电振子的振动控制腔体压缩通过出液阀出液。
本发明的进一步技术方案是：还包括监测输液工作状态。
本发明的进一步技术方案是：还包括输出输注参数，所述输注参数包括输注液体总量、输注液体流速、液体输注时间、输注液体剩余时间、输注异常状态提示信息、电池电量提示信息、网络状态信息、输注液体类型、液体输注流速列表中的一种或多种。
本发明的进一步技术方案是：还包括在输注液体异常时报警。
本发明的进一步技术方案是：驱动压电振子的驱动电压为方波电压。
本发明的技术方案是：构建一种基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注系统，包括输入装置、容纳液体的腔体、压电振子、压电驱动模块、控制单元，所述腔体的至少一个端面为弹性端面,所述腔体包括进液阀和出液阀，所述进液阀和所述出液阀为悬臂梁单向阀门，所述压电振子设置在所述腔体的弹性端面上，所述控制单元连接所述压电驱动模块，所述压电驱动模块连接所述压电振子，所述输入装置输入输注参数，所述输注参数包括输注液体总量和流速，所述控制单元根据所述输注参数确定输注时间，根据确定压电振子的振动频率，其中：其中：Q表示每分钟输入流量，C表示流量系数，ΔP表示阀门两侧压力差(Pa)，ρ表示液体密度(kg/m3)，E表示悬臂梁阀门弹性模量(Pa)，b表示悬臂梁阀门宽度(mm)，h表示阀门厚度(mm)，l表示阀门总长度(mm)，f表示压电振子的振动频率(Hz)，所述控制单元控制所述压电驱动模块在确定的输注时间向压电振子施以驱动电压，该驱动电压驱动所述压电振子以确定的振动频率工作，所述压电振子的振动控制所述腔体扩展通过所述进液阀进液，所述压电振子的振动控制所述腔体压缩通过所述出液阀出液。
本发明的进一步技术方案是：驱动所述压电振子的驱动电压为方波电压。
本发明的进一步技术方案是：驱动所述压电振子的驱动电压的频率为0—1000Hz。
本发明的进一步技术方案是：所述腔体包括进液阀和出液阀，所述进液阀连接所述进液口，所述出液阀连接所述出液口。
本发明的进一步技术方案是：所述进液阀和所述出液阀为单向阀门。
本发明的技术效果是：构建一种基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法及系统，输入参数：输入输注参数，所述输注参数包括输注液体总量和流速；获取控制参数：根据所述输注参数确定输注时间，根据确定压电振子的振动频率，其中：其中：Q表示每分钟输入流量，C表示流量系数，ΔP表示阀门两侧压力差(Pa)，ρ表示液体密度(kg/m3)，E表示悬臂梁阀门弹性模量(Pa)，b表示悬臂梁阀门宽度(mm)，h表示阀门厚度(mm)，l表示阀门总长度(mm)，f表示压电振子的振动频率(Hz)，驱动压电振子：在确定的输注时间向压电振子施以驱动电压，该驱动电压驱动压电振子以确定的振动频率工作；输注液体：压电振子的振动控制腔体扩展通过进液阀进液，压电振子的振动控制腔体压缩通过出液阀出液。本专利通过压电振子的振动控制从而完成进液和出液，既方便进行智能控制，又确保输注的精确，实现液体的精确输注控制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明压电振子结构示意图。
图3为本发明悬臂梁受力示意图。
图4为本发明阀门分析原理图。
图5为本发明悬臂梁受力分析示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。
如图1所示，本发明的具体实施方式是：提供一种基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法，包括如下步骤：
输入参数：输入输注参数，所述输注参数包括输注液体总量和流速。
具体实施过程是：通过输入装置输入输注参数，包括输入输注液体总量和输注液体的流速。
获取控制参数：根据所述输注参数确定输注时间，根据确定驱动电压的频率，其中：Q表示每分钟输入流量，C表示流量系数，ΔP表示阀门两侧压力差(Pa)，ρ表示液体密度(kg/m3)，E表示悬臂梁阀门弹性模量(Pa)，b表示悬臂梁阀门宽度(mm)，h表示阀门厚度(mm)，l表示阀门总长度(mm)，f表示压电振子的振动频率(Hz)。
驱动压电振子4：在确定的输注时间向压电振子4施以驱动电压，该驱动电压驱动压电振子4以确定的振动频率工作。驱动压电振子4的驱动电压为方波电压。
输注液体：压电振子4的振动控制腔体3扩展通过进液阀7进液，压电振子4的振动控制腔体3压缩通过出液阀8出液。
具体实施过程如下：所述腔体3包括进液阀7和出液阀8，所述进液阀7和所述出液阀8为悬臂梁单向阀门，所述进液阀7连接所述进液口1，所述出液阀8连接所述出液口2。压电振子4在交变电压的作用下，产生弯曲变形从而形成腔体3内的容积和压力的变化从而实现流体的单向流动。当压电振子4在电压的驱动下向外弯曲形变时，腔体3内产生一定的真空度，促使所述进液阀7开启，所述出液阀8关闭，将液体吸入所述腔体3内。当压电振子4向内运动时，所述进液阀7关闭，压电振子4推动流体使所述出液阀8打开，所述腔体3中的液体从所述出液口2向外输出。
如图1所示，所述压电驱动模块5驱动所述压电振子4振动，所述压电振子4是由压电陶瓷晶片和基板衬底组成，压电陶瓷晶片设置在基板衬底上，所述压电振子4的基板衬底为弹性材料，所述压电陶瓷晶片包括但不仅限于压电生物陶瓷，如LiNbO3单晶(铌酸锂)、PZT(锆钛酸铝)和BaTiO3(钛酸钡)压电陶瓷等。
具体实施过程如下：当外电场作用于所述压电振子4的基板衬底两端时材料发生形变，其形变量正比于与外电场强度，对其极化方向上的两个端面施加正负相反的交变电压，所述压电振子4会进行上凸或下凹的变形。
如图2、图3、图4所示，如何根据输注参数确定驱动电压的频率，具体过程如下：压电振子4分成中间压电陶瓷晶片部分(N区)，以及外圈基板衬底的共同部分(W区)两个部分。对于N区，此时可将压电振子简化为在r＝a处简支的弯曲薄板，此时N区相对于O1的挠度为：
式中a表示压电陶瓷半径(m)；
r表示距中心点距离(m)；
De表示N区等效弯曲刚度(N/m)，其计算公式如式(1-2)；
Ve表示N区等效泊松比，其计算公式如式(1-4)；
M2表示N区外缘弯矩(N/m)，其计算公式如式(1-5)。
令压电陶瓷厚度为hc，基板厚度为hp，等效弯曲刚度由材料力学相关知识计算得：
式中h表示N区总厚度，h＝hc+hp(m)；
Ee表示N区等效弹性模量(Pa)，其计算公式如式(1-3)：
N区等效弹性模量及等效泊松比为：
式中C1表示压电陶瓷与内圈部分厚度比C1＝hc/h；
C2表示基板与内圈部分厚度比C2＝hp/h；
Ec表示压电陶瓷的弹性模量(Pa)；
Ep表示基板的弹性模量(Pa)；
Vc表示压电陶瓷的泊松比；
Vp表示基板的泊松比。
N区外缘弯矩M2可写为
M2＝M0-M1 (1-5)
式中M0表示压电陶瓷变形产生的弯矩(N·m)，其计算公式如式(1-6)；
M1表示金属基板变形产生的弯矩(N·m)。
由压电陶瓷产生的弯矩M0为：
式中Dc表示基板抗弯刚度，
对于W区部分，其固定支撑为基板外圈外缘，根据弹性力学知识可得W区挠度为：
式中Dp表示基板弯曲刚度，
b表示基板半径(m)。
利用两区域连接处的连续性方程，求解化简得整个振子的振幅为：
式中K表示简化系数，
综上所述，压电振子振幅为：
振子振动产生的容积变化量为：
如图1、图2、图3、图4、图5所示，当压电振子4在电压的驱动下向外弯曲形变时，腔体3内产生一定的真空度，促使所述进液阀7开启，所述出液阀8关闭，将液体吸入腔内。当压电振子4向内运动时，所述进液阀7关闭，压电振子4推动流体使所述出液阀8打开，液体从所述出液口2向外输出。液体流量与振子振动幅度及驱动频率有关，其每分钟的输出流量计算公式为：
Q＝(V0+ΔV)f·60
式中
V0表示腔体固定体积(m3)；
ΔV表示振子的容积变化量(m3)；
f表示驱动频率(Hz)。
根据所述输注参数确定输注时间，根据Q＝(V0+ΔV)f·60确定驱动电压的频率，然后向压电振子4以确定的驱动电压的频率和输注时间输入驱动电压，该驱动电压驱动压电振子4工作。压电振子4的振动控制腔体扩展和压缩从而完成进液和出液。由于悬臂梁单向阀涉及液体流动的变体，因此，影响其压电振子4振动时腔体容积的变化。还包括输出输注参数，所述输注参数包括输注液体总量、输注液体流速、液体输注时间、输注液体剩余时间、输注异常状态提示信息、电池电量提示信息、网络状态信息、输注液体类型、液体输注流速列表中的一种或多种。
具体实施过程如下：当外电场作用于压电材料两端时材料发生形变，其形变量正比于与外电场强度，对其极化方向上的两个端面施加正负相反的交变电压，振子会进行上凸或下凹的变形。压电振子在交变电压的作用下，产生弯曲变形从而形成腔体内的容积和压力的变化配合悬臂梁单向阀门的开闭，从而实现流体的单向流动。
本发明使用的悬臂梁单向阀可近似为均质等截面梁，且长度与截面高度比很大，此外振动过程中阀门轴线运动轨迹始终在一个平面中，所以可以用梁的振动理论进行近似分析，在计算中忽略剪切变形和转动惯量的影响，采用伯努利-欧拉梁模型进行分析。简化后示意图如图2所示。假设其中轴线位移ω(x，t)，悬臂梁单向阀门的单位长度质量为ρS，截面抗弯刚度为EI，分布力fl(x，t)均已知。从悬臂梁任意截面出x处取一微段dx，其质量为ρSdx，微段上作用有剪力FQ(x，t)，弯矩M(x，t)，和分布外力fl(x，t)dx均如图2中标注所示。
根据牛顿第二定律在ω方向的动力学方程，以及动量矩定理联合列方程并化简后可得：
利用式(1-11)对式(1-12)进行化简，同时考虑到本次采用的悬臂梁阀门可近似为均质等截面梁，所以可得：
若令则可得欧拉方程：
利用分离变量法求解设式(1-14)，并代入悬臂梁一端固定一端自由的边界条件中化简得到特征方程：
cos(μl)·cosh(μl)+1＝0 (1-15)
式中μ表示欧拉系数，
求得前三阶近似根分别为μ1l＝0.5969π，μ2l＝1.4942π，μ3l＝2.5002πl
其固有频率计算公式为
振型函数为：
如图1、图2、图3、图4、图5所示，根据实际经验可知，悬臂端最大振动幅度大约在几十微米左右，相比于阀门尺寸来说振动幅度十分微弱，所以此处将阀门的开启、闭合过程近似为阀门整体的平动以便于分析的简便性又不失精确性。简化后的悬臂梁阀门系统近似为一个有阻尼的受迫振动系统，其中外界驱动力f(t)是来自于液体压力差带来的驱动力，其系统中的阻尼主要来源于工作时的液体环境，弹簧刚度来自于悬臂梁阀的等效刚度。
假设驱动力为f(t)＝f0sinωt，由牛顿运动定理可得系统运动的微分方程为：
由于悬臂梁阀门实际工作时其工作频率不会很高，所以式(1-18)的瞬态解部分对整体影响较小，所以只求其稳态解，设其稳态解为：
x(t)＝B sin(ωt-φ) (1-19)
式中B表示受迫振动振幅(m)；
φ表示为相位差(rad)。
将式(1-19)代入式(1-18)得：
-mω2Bsin(ωt-φ)+cωBcos(ωt-φ)+kB sin(ωt-φ)＝f0 sin ωt (1-20)
利用三角函数关系式将式(1-20)完全展开并化简，且该式需对任意时间t成立，所以cos ωt和sin ωt的系数必须为0，经整理求得振幅与相位差为：
式中v表示频率比，p为一阶固有频率(Hz)；
ξ表示阻尼比，cc为临界阻尼，
由式(1-21)分析可得，当悬臂梁单向阀的驱动力处在低频区域的时候，响应振幅近似等于驱动力为f0时的静变形B0。由此可以得出当悬臂阀在低频区域工作时，振幅B主要由悬臂梁阀门的等效刚度控制。
如图3、图4、图5所示，阀门的开启与关闭可看做阀门两侧液体压力差交替驱动的结果。
由伯努利方程与连续性方程可推得通过矩形狭缝的液体流量为：
式中C表示流量系数；
B表示狭缝宽度(m)；
y表示阀门最大开度(m)；
ΔP表示阀门两侧压力差(Pa)；
ρ表示液体密度(kg/m3)。
由于安装间隙的关系，近似认为阀门受力为表面均布力，可得阀门位移量最大值为：
式中I表示截面惯性矩，
所以，
C表示流量系数
B表示狭缝宽度(m)
ΔP表示阀门两侧压力差(Pa)；
ρ表示液体密度(kg/m3)
由式(1-25)可知通过狭缝的流量与ΔP3/2成正比，压力差同时也是自吸能力的主要表征参数，刚度增大流量变小，阀门厚度h增大，流量减小迅速。而总长度l对流量增大影响较大。
同时要满足工作介质为空气和水时都能实现泵送功能，由理想气体绝热压缩公式可得：
p0V0 γ＝(p0+Δp)(V0+ΔV)γ (1-26)
式中V0表示初始体积(m3)；
ΔV表示振子引起的体积变化(m3)；
γ表示绝热系数；
ΔP表示振子引起的压力差(Pa)；
而当工作介质为水时，设水的压缩比为κ，由
V0+ΔV＝V0(1-κΔV) (1-27)
P0为入口处压强也就是大气压强
对于单腔体来说，P为出口压力，P＝P0+ΔP
带入计算可得：(1)
如图1所示，本发明的具体实施方式是：构建一种基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注系统，包括：输入装置11、进液口1、出液口2、容纳液体的腔体3、压电振子4、压电驱动模块5、控制单元6，所述压电振子4设置在所述腔体3的弹性端面上，所述控制单元6连接所述压电驱动模块5，所述压电驱动模块5连接所述压电振子4，所述腔体3连接所述进液口1和所述出液口2，所述控制单元6控制所述压电驱动模块5驱动所述压电振子4振动，所述压电振子4的振动控制所述腔体3扩展和压缩从而完成进液和出液。所述输入装置10输入输注参数，所述输注参数包括输注液体总量和流速，所述控制单元6根据所述输注参数确定输注时间，根据确定压电振子的振动频率，其中：Q表示每分钟输入流量，C表示流量系数，ΔP表示阀门两侧压力差(Pa)，ρ表示液体密度(kg/m3)，E表示悬臂梁阀门弹性模量(Pa)，b表示悬臂梁阀门宽度(mm)，h表示阀门厚度(mm)，l表示阀门总长度(mm)，所述控制单元6控制所述压电驱动模块5在确定的输注时间向压电振子4施以驱动电压，该驱动电压驱动压电振子4以确定的振动频率工作，具体实施例中，驱动所述压电振子4的驱动电压为方波电压,驱动所述压电振子4的驱动电压的频率为0Hz至1000Hz。
优选实施例中，所述腔体3包括进液阀7和出液阀8，所述进液阀7连接所述进液口1，所述出液阀8连接所述出液口2。压电振子4在交变电压的作用下，产生弯曲变形从而形成腔体3内的容积和压力的变化从而实现流体的单向流动。当压电振子4在电压的驱动下向外弯曲形变时，腔体3内产生一定的真空度，促使所述进液阀7开启，所述出液阀8关闭，将液体吸入所述腔体3内。当压电振子4向内运动时，所述进液阀7关闭，压电振子4推动流体使所述出液阀8打开，所述腔体3中的液体从所述出液口2向外输出。所述进液阀7和所述出液阀8为单向阀门。
如图1所示，还包括监测模块9，所述监测模块9监测输液工作状态。监测模块9包括检测管路阻塞状态的压力传感器，压力传感器传感管路内部的压力，若压力超过设定值，则判断为管路阻塞状态。所述监测模块9还包括时间提醒模块，时间提醒模块通过确定的输注时间可以确定输液时间，包括提醒输注即将完毕或者输注完毕的信息。所述监测模块9还包括电池电量监测模块，电池电量监测模块监测电池的电量情况，然后进行电量使用情况的显示以及信息提示。所述监测模块9还包括系统监测模块，在系统出错时进行提醒。还包括报警模块10，所述报警模块在输液状态异常时报警。还包括输出输注参数，所述输注参数包括输注液体总量、输注液体流速、液体输注时间、输注液体剩余时间、输注异常状态提示信息、电池电量提示信息、网络状态信息、输注液体类型、液体输注流速列表中的一种或多种。
本发明的技术效果是：构建一种基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法及系统，输入参数：输入输注参数，所述输注参数包括输注液体总量和流速；获取控制参数：根据所述输注参数确定输注时间，根据确定压电振子4的振动频率；驱动压电振子4：在确定的输注时间向压电振子4施以驱动电压，该驱动电压驱动压电振子4以确定的振动频率工作；输注液体：压电振子4的振动控制腔体3扩展和压缩从而完成进液和出液。本专利通过压电振子4的振动控制所述腔体3扩展和压缩从而完成进液和出液，既方便进行智能控制，又确保输注的精确，实现液体的精确输注控制。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法，其特征在于，包括如下步骤：
输入参数：输入输注参数，所述输注参数包括输注液体总量和流速；
获取控制参数：根据所述输注参数确定输注时间，根据确定压电振子的振动频率f，其中：Q表示每分钟输入流量，C表示流量系数，ΔP表示阀门两侧压力差(Pa)，ρ表示液体密度(kg/m3)，E表示悬臂梁阀门弹性模量(Pa)，b表示悬臂梁阀门宽度(mm)，h表示阀门厚度(mm)，l表示阀门总长度(mm)，f表示压电振子的振动频率(Hz)；
驱动压电振子：在确定的输注时间向压电振子施以驱动电压，该驱动电压驱动压电振子以确定的振动频率工作；
输注液体：压电振子的振动控制腔体扩展通过进液阀进液，压电振子的振动控制腔体压缩通过出液阀出液。
2.根据权利要求1所述基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法，其特征在于，还包括监测输液工作状态。
3.根据权利要求1所述基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法，其特征在于，还包括输出输注参数，所述输注参数包括输注液体总量、流速、输注液体时间、电池容量、运行状态以及输注液体剩余时间。
4.根据权利要求1所述基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法，其特征在于，还包括在输注液体异常时报警。
5.根据权利要求1所述基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注方法，其特征在于，驱动压电振子的驱动电压为方波电压。
6.一种基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注系统，其特征在于，包括输入装置、容纳液体的腔体、压电振子、压电驱动模块、控制单元，所述腔体的至少一个端面为弹性端面,所述腔体包括进液阀和出液阀，所述进液阀和所述出液阀为悬臂梁单向阀门，所述压电振子设置在所述腔体的弹性端面上，所述控制单元连接所述压电驱动模块，所述压电驱动模块连接所述压电振子，所述输入装置输入输注参数，所述输注参数包括输注液体总量和流速，所述控制单元根据所述输注参数确定输注时间，根据确定压电振子的振动频率f，其中：Q表示每分钟输入流量，C表示流量系数,ΔP表示阀门两侧压力差(Pa)，ρ表示液体密度(kg/m3)，E表示悬臂梁阀门弹性模量(Pa)，b表示悬臂梁阀门宽度(mm)，h表示阀门厚度(mm)，l表示阀门总长度(mm)，f表示压电振子的振动频率(Hz)，所述控制单元控制所述压电驱动模块在确定的输注时间向压电振子施以驱动电压，该驱动电压驱动所述压电振子以确定的振动频率工作，所述压电振子的振动控制所述腔体扩展通过所述进液阀进液，所述压电振子的振动控制所述腔体压缩通过所述出液阀出液。
7.根据权利要求6所述基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注系统，其特征在于，驱动所述压电振子的驱动电压为方波电压。
8.根据权利要求6所述基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注系统，其特征在于，驱动所述压电振子的驱动电压的频率为0Hz至1000Hz。
9.根据权利要求6所述基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注系统，其特征在于，所述腔体包括进液阀和出液阀，所述进液阀连接所述进液口，所述出液阀连接所述出液口。
10.根据权利要求6所述基于悬臂梁单向阀压电控制的液体输注系统，其特征在于，所述进液阀和所述出液阀为单向阀门。
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