一种带报警功能的轮式压电精密输液泵

技术领域

本发明涉及一种压电精密输液泵，特别涉及一种带报警功能的轮式压电精密输液泵。

背景技术

近几年来，随着微机电系统技术的快速发展，作为其重要分支的微流体控制系统因其控制精度高，尺寸小，功耗低而备受青睐。微泵是构成流体控制系统的重要部件，它可以精确的控制液体的流量。

与其他驱动方式的微泵相比，压电微泵有着结构简单，体积小，质量轻，噪声低，无电磁干扰且可通过施加不同的电压和频率来控制输出流量等优点，在药物输送，合成，微量流体合成和精确控制领域有着广泛的应用前景。

目前，压电输液微泵不需要附加驱动电机，而是利用压电陶瓷的逆电压效应使压电振子产生变形，带动泵腔体积产生周期性变化实现流体输出。现有的压电输液微泵普遍存在以下问题：

1、初始净容积较大，压电微泵自吸困难；

2、阀片易于疲劳与磨损，液体中的颗粒有可能会吸附在阀片上，导致系统堵塞；

3、微泵的泵腔存在高度，泵送液体时死角容积会对液体造成污染。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的压电输液微泵在使用过程中普遍存在的诸多问题而提供的一种带报警功能的轮式压电精密输液泵。

本发明提供的带报警功能的轮式压电精密输液泵包括有壳体、基板、密封膜、入口单向阀、出口单向阀和报警系统，其中基板、密封膜、入口单向阀和出口单向阀均集成在壳体的内腔中，基板装配在壳体内腔的上部，基板上设置有电阻应变片和压电晶片，电阻应变片与报警系统相连接，报警系统根据电阻应变片的传输数据进行工作，密封膜设在基板的下部，密封膜与基板之间设置有连接柱，入口单向阀和出口单向阀依次设在密封膜的底部，入口单向阀上设置有入口阀和第一通孔，出口单向阀上设置有出口阀和第二通孔，第二通孔对应入口阀设置，第一通孔对应出口阀设置，壳体内设置有输液通道，第二通孔和入口阀与输液通道的进口相连通，第一通孔和出口阀与输液通道的出口相连通。

基板为轮辐式金属基板，基板上装配的电阻应变片设置有两个，两个电阻应变片对应粘贴在基板的顶面上，基板上装配的压电晶片设置有四个，四个压电晶片两两相对分别粘贴在基板的顶面和底面，电阻应变片的装配轴线与压电晶片的装配轴线相垂直。

密封膜的底面与入口单向阀片顶面之间以紧密贴合的方式封装在一起，密封膜随基板向上翘曲时,密封膜的底面与入口单向阀片顶面之间形成有通道,该通道与壳体内的输液通道相连通。

报警系统连接有电源，报警系统由电源提供电能，报警系统是由传感器、控制器和交互机构组成，其中传感器是由基板上的电阻应变片上的引出线与放大电路和模拟数字转换器相连接所构成，控制器是集成有微控制器和微控电路的电路板，传感器与该电路板相连接，控制器中的微控电路包括了按键电路、显示电路和蜂鸣器电路，交互机构包括有按键、OLED显示屏和蜂鸣器，其中OLED显示屏能够显示实时的应变值，按键用来设置报警阈值，被测应变值高于阈值蜂鸣器发出警报，否则不会报警，基板上的电阻应变片组成应变电桥，当基板在压电晶片的作用下发生形变时，电阻应变片产生相应的应变，电阻应变片利用电桥电路获得相应电压的变化，模拟电压信号经过模拟数字转换器转化成高精度的数字量传输到微控制器中，由微控制器完成对该数字量的处理，再经过显示电路，从而驱动显示部分完成信息交换，在OLED显示屏上得出被测应变值，若被测的应变值超过设置的压电振子应变的最大值，蜂鸣器会发出警示信号,控制压电振子的信号为非对称的方波信号,一个周期内，电压幅值为较大正值时，壳体内缓慢泵入液体,电压幅值为较小负值时，有助于加快密封膜回弹的速度，泵出药液。

密封膜与基板之间设置的连接柱为柔性连接柱，柔性连接柱能够随基板的变形而变形。

入口单向阀上设置的入口阀和出口单向阀上设置的出口阀均为悬臂梁式单向阀，出口单向阀的底部还装配有轮式截止阀，轮式截止阀对应输液通道的出口设置。

上述的电阻应变片、压电晶片和报警系统均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理如下：

本发明提供的带报警功能的轮式压电精密输液泵通过给压电振子施加外电场，使压电振子在逆压电效应的作用下发生位移，并随着交变电压的作用，压电振子产生周期性位移，实现泵腔内流体的单向流动。

当外电场较大的正电压作用于压电材料两端时，压电晶片发生形变，使压电振子向上弯曲变形，带动柔性连接柱向上位移，使密封膜与入口单向阀之间产生通道而形成泵腔。同时入口单向阀上的入口阀开启，出口单向阀上的出口阀关闭，泵入药液。

当外电场较小的负电压作用于压电材料两端时，压电晶片开始恢复形变，带动柔性连接柱向下位移，使密封膜与入口单向阀之间的通道变小。同时入口单向阀上的入口阀闭合，出口单向阀上的出口阀和轮式截止阀开启，泵出药液。当药液完全泵出时，压电振子和密封膜都恢复形变。

当压电输液泵出口发生堵塞时，输液泵中的药液无法顺利泵出，压电振子和密封膜都无法恢复形变。随后，外电场信号进入下一个周期，即外电场由负电压变为正电压，输液泵再次泵入药液。当泵入药液的周期结束时，由于上一个周期的药液未完全排出，压电振子和密封膜的形变量再次增大。粘接在轮辐式压电振子上的电阻应变片形变量增大，会超出压电振子形变量的最大值。所以当压电输液泵的出口单向阀发生堵塞，但压电输液泵仍持续泵入液体时，报警系统会起到警示的作用。

本发明的有益效果：

本发明提供的带报警功能的轮式压电精密输液泵在初始状态下，密封膜与入口单向阀以紧紧贴合的方式封装。这意味着轮式压电精密输液泵无初始泵腔高度，同时也实现了药液泵出后无死角容积对药液造成污染,同时，药液泵出后，不存在死角容积对药液造成污染。出口单向阀和轮式截止阀叠加能够防止药物的回流，同时满足所需功能。本发明装配有传感电路、测量电路和报警电路使输液泵堵塞时有反馈示警的效果。

附图说明

图1为本发明所述输液泵整体结构示意图。

图2为本发明所述输液泵分解结构示意图。

图3为本发明所述输液泵进药过程原理示意图。

图4为本发明所述输液泵出药过程原理示意图。

图5为本发明所述报警系统结构框图。

上图中的标注如下：

1、壳体 2、基板 3、密封膜 4、入口单向阀 5、出口单向阀

6、报警系统 7、电阻应变片 8、压电晶片 9、连接柱

10、入口阀 11、第一通孔 12、出口阀 13、第二通孔

14、输液通道 15、轮式截止阀 16、电源 17、传感器 18、控制器

19、交互机构 20、放大电路 21、模拟数字转换器 22、微控制器

23、按键电路 24、显示电路 25、蜂鸣器电路 26、按键

27、OLED显示屏 28、蜂鸣器。

具体实施方式

请参阅图1至图5所示：

本发明提供的带报警功能的轮式压电精密输液泵包括有壳体1、基板2、密封膜3、入口单向阀4、出口单向阀5和报警系统6，其中基板2、密封膜3、入口单向阀4和出口单向阀5均集成在壳体1的内腔中，基板2装配在壳体1内腔的上部，基板2上设置有电阻应变片7和压电晶片8，电阻应变片7与报警系统6相连接，报警系统6根据电阻应变片7的传输数据进行工作，密封膜3设在基板2的下部，密封膜3与基板2之间设置有连接柱9，入口单向阀4和出口单向阀5依次设在密封膜3的底部，入口单向阀4上设置有入口阀10和第一通孔11，出口单向阀5上设置有出口阀12和第二通孔13，第二通孔13对应入口阀10设置，第一通孔11对应出口阀12设置，壳体1内设置有输液通道14，第二通孔13和入口阀10与输液通道14的进口相连通，第一通孔11和出口阀12与输液通道14的出口相连通。

基板2为轮辐式金属基板，基板2上装配的电阻应变片7设置有两个，两个电阻应变片7对应粘贴在基板2的顶面上，基板2上装配的压电晶片8设置有四个，四个压电晶片8两两相对分别粘贴在基板2的顶面和底面，电阻应变片7的装配轴线与压电晶片8的装配轴线相垂直。

密封膜3的底面与入口单向阀4顶面之间以紧密贴合的方式封装在一起，密封膜3随基板2向上翘曲时,密封膜3的底面与入口单向阀4顶面之间形成有通道,该通道与壳体1内的输液通道14相连通。

报警系统6连接有电源16，报警系统6由电源16提供电能，报警系统6是由传感器17、控制器18和交互机构19组成，其中传感器17是由基板2上的电阻应变片7上的引出线与放大电路20和模拟数字转换器21相连接所构成，控制器18是集成有微控制器22和微控电路的电路板，传感器17与该电路板相连接，控制器18中的微控电路包括了按键电路23、显示电路24和蜂鸣器电路25，交互机构19包括有按键26、OLED显示屏27和蜂鸣器28，其中OLED显示屏27能够显示实时的应变值，按键26用来设置报警阈值，被测应变值高于阈值蜂鸣器28发出警报，否则不会报警，基板2上的电阻应变片7组成应变电桥，当基板2在压电晶片8的作用下发生形变时，电阻应变片7产生相应的应变，电阻应变片7利用电桥电路获得相应电压的变化，模拟电压信号经过模拟数字转换器21转化成高精度的数字量传输到微控制器22中，由微控制器22完成对该数字量的处理，再经过显示电路24，从而驱动显示部分完成信息交换，在OLED显示27屏上得出被测应变值，若被测的应变值超过设置的压电振子应变的最大值，蜂鸣器28会发出警示信号,蜂鸣器会发出警示信号,控制压电振子的信号为非对称的方波信号,一个周期内，电压幅值为较大正值时，壳体1内缓慢泵入液体,电压幅值为较小负值时，有助于加快密封膜3回弹的速度，泵出药液。

密封膜3与基板2之间设置的连接柱9为柔性连接柱，柔性连接柱能够随基板2的变形而变形。

入口单向阀4上设置的入口阀10和出口单向阀5上设置的出口阀12均为悬臂梁式单向阀，出口单向阀5的底部还装配有轮式截止阀15，轮式截止阀15对应输液通道14的出口设置。

上述的电阻应变片7、压电晶片8和报警系统6均为现有设备的组装，因此，具体型号和规格没有进行赘述。

本发明的工作原理如下：

本发明提供的带报警功能的轮式压电精密输液泵通过给压电振子施加外电场，使压电振子在逆压电效应的作用下发生位移，并随着交变电压的作用，压电振子产生周期性位移，实现泵腔内流体的单向流动。

当外电场较大的正电压作用于压电材料两端时，压电晶片8发生形变，使压电振子向上弯曲变形，带动柔性连接柱9向上位移，使密封膜3与入口单向阀4之间产生通道而形成泵腔。同时入口单向阀4上的入口阀10开启，出口单向阀5上的出口阀12关闭，泵入药液。

当外电场较小的负电压作用于压电材料两端时，压电晶片8开始恢复形变，带动柔性连接柱9向下位移，使密封膜3与入口单向阀4之间的通道变小。同时入口单向阀4上的入口阀10闭合，出口单向阀5上的出口阀12和轮式截止阀15开启，泵出药液。当药液完全泵出时，压电振子和密封膜3都恢复形变。

当压电输液泵出口发生堵塞时，输液泵中的药液无法顺利泵出，压电振子和密封膜3都无法恢复形变。随后，外电场信号进入下一个周期，即外电场由负电压变为正电压，输液泵再次泵入药液。当泵入药液的周期结束时，由于上一个周期的药液未完全排出，压电振子和密封膜3的形变量再次增大。粘接在轮辐式压电振子上的电阻应变片7形变量增大，会超出压电振子形变量的最大值。所以当压电输液泵的出口单向阀5发生堵塞，但压电输液泵仍持续泵入液体时，报警系统6会起到警示的作用。