電流可控的音圈電機無針注射系統

王文豪

（杭州電子科技大學機械工程學院,杭州 310018）

電流可控的音圈電機無針注射系統

王文豪

（杭州電子科技大學機械工程學院,杭州 310018）

針對普通音圈電機驅動的無針噴射系統，不能調節音圈電機驅動電流的大小，構建了一種基于H橋驅動，可以改變音圈電機通過電流大小的無針噴射系統。介紹了電流可控無針噴射系統的工作原理、系統硬件組成、軟件功能的介紹。搭建了噴射壓強采集系統，對不同電流對噴射壓強的影響進行了實驗研究。實驗表明相同劑量的無針注射，初始電流越大，得到的平均壓強越高，當初始電流為10A時噴射壓強足以穿透皮膚。

電流可調;H橋驅動;噴射壓強

0 引言

無針注射就是進行藥物噴射時不使用針頭，使用高壓射流噴射，對藥液加壓，并通過小孔加速產生高速流體射流穿透皮膚組織。

目前市場上的無針注射產品的動力源為多為彈簧和壓縮氣體,然而這些動力源普遍存在著注射劑量小和驅動力難以控制。驅動力難以控制，因為動力（如壓縮彈簧的回復力或氣體的壓力）是無針注射器系統自身給定的、難以進行調節[1]。

本文針對電容作為音圈電機驅動力，控制輸出電流設計的復雜等缺點。設計了用功率放大器作為音圈電機驅動力，搭建了基于H橋驅動的音圈電機控制系統，通過PWM調節輸出電壓的占空比，來調節給音圈電機輸入的電流，搭建了測量音圈電機噴射壓強的實驗平臺，對噴射中電流大小對噴射壓強影響進行研究。

1 系統的工作原理

電流可控音圈電機無針注射的簡圖和壓強采集系統如圖1所示，滑塊可以在滑軌上自由移動，滑塊連接平臺用來固定音圈電機。調節螺栓可以調節滑塊位置，使安瓿噴孔和壓力傳感器保持合適的距離。首先給STM32的控制電路有三個按鍵控制音圈電機運動，KEY1，急停按鈕KEY2,音圈電機通反向低電壓，音圈電機向上吸合。KEY3通過改變PWM占空比來調節電壓，給音圈電機通正向大電流進行無針噴射。當音圈電機進行噴射時，從安瓿噴射出來的液體噴射到壓力傳感器上，壓力傳感器檢測點受到噴射壓力由觸力傳感器轉化為電壓信號，通過放大濾波電路輸出給數據采集卡，采集卡把采集到的數據存儲在電腦的上位機程序里。把采集出來的數據導入到上位機里進行計算分析，得到噴射壓強隨時間和電流大小變化的壓力曲線圖。

2 系統的硬件和軟件設計

系統的硬件設計分為3個組成部分：STM32控制模塊、傳感器放大模塊、H橋驅動模塊。

系統上電初始化，系統監測判斷位移傳感器是否在初始位置，若不在初始位置，H橋驅動電路為音圈電機反向供電，PWM占空比為10%,音圈電機提供低電壓線圈收到電磁力拉動活塞后退，安瓿內的壓強減少進行吸藥，線圈回復到初始位置，吸藥完畢。判斷噴射按鈕是否按下，若按下，H橋驅動電路為音圈電機正向供電，PWM占空比設定為100%，音圈電機推動活塞進行噴射，系統控制通電時間為0.1s，噴射完成。

3 不同電流下的音圈電機噴射實驗

噴射壓力的實驗設備由霍尼韋爾FSG15N1A觸力傳感器，OP07CP放大器，放大器具有極低的輸入失調電壓，能使采集出來的數據更為精確。首先對傳感器進行標定，用0-500g不同質量的砝碼進行標定。

使用功率放大器對音圈電機進行供電，安瓿活塞的直徑是5mm、噴孔直徑是0.21mm、安瓿內液體的劑量為0.3ml的水進行噴射實驗，噴孔距離傳感器距離為1mm。對程序進行設定，使H橋驅動電路的PWM占空比分別為40%、60%、80%，分別對應40V、60V、80V，由于音圈電機電阻為4Ω，供給音圈電機噴射的初始電流分別對應，10A、15A、20A。

實驗表明前10ms的注射平均壓強曲線圖，可以得到初始電流為10A時，初始的最大平均壓強為18MPa。初始壓強超過15MPa就可以穿透人體皮膚[2]。當初始電流增大，注射初始的平均壓強就越高。當電流達到20A時注射壓強可以達到28MPa。注射的平均壓強從10ms以后開始衰減，當到達100ms時，注射壓強基本降到。本文搭建的電流可變音圈電機無針注射系統，在初始電流為10A時足以穿透人體皮膚。因為不同年齡的人體皮膚有差異。所以可以改變音圈電機的初始電流，來針對不同年齡段的人群。

實驗表明不同電流下，最高平均壓強隨電流變化的關系。可以得出最高平均壓強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成二次線性相關。證明了所設計的電流可控音圈電機系統，可以隨著初始電流的變化，來調劑音圈電機噴射中的最大注射壓強。

4 結論

本文設計了電流可控的音圈電機無針注射系統，搭建的電流可控無針注射系統，當電流為10A時，初始噴射壓強達到18MPa，足夠穿透人體皮膚。電流最大為20A，初始注射壓強達到最28MPa，該裝置模塊集成度高，穩定可靠，可以根據不同年齡段人體皮膚，進行噴射壓力的調節，克服了普通音圈電機注射不能改變注射電流的缺點。

[1]陳凱,楊鋒雷.基于音圈直線驅動的無針注射技術[J].機械工程學報,2010,4(09)：151-156.

[2]周華.液體無針注射系統的機械和力學性能研究[D].杭州：杭州電子科技大學,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,主要從事無針注射的研究。