电流可控的音圈电机无针注射系统

王文豪

（杭州电子科技大学机械工程学院,杭州 310018）

电流可控的音圈电机无针注射系统

王文豪

（杭州电子科技大学机械工程学院,杭州 310018）

针对普通音圈电机驱动的无针喷射系统，不能调节音圈电机驱动电流的大小，构建了一种基于H桥驱动，可以改变音圈电机通过电流大小的无针喷射系统。介绍了电流可控无针喷射系统的工作原理、系统硬件组成、软件功能的介绍。搭建了喷射压强采集系统，对不同电流对喷射压强的影响进行了实验研究。实验表明相同剂量的无针注射，初始电流越大，得到的平均压强越高，当初始电流为10A时喷射压强足以穿透皮肤。

电流可调;H桥驱动;喷射压强

0 引言

无针注射就是进行药物喷射时不使用针头，使用高压射流喷射，对药液加压，并通过小孔加速产生高速流体射流穿透皮肤组织。

目前市场上的无针注射产品的动力源为多为弹簧和压缩气体,然而这些动力源普遍存在着注射剂量小和驱动力难以控制。驱动力难以控制，因为动力（如压缩弹簧的回复力或气体的压力）是无针注射器系统自身给定的、难以进行调节[1]。

本文针对电容作为音圈电机驱动力，控制输出电流设计的复杂等缺点。设计了用功率放大器作为音圈电机驱动力，搭建了基于H桥驱动的音圈电机控制系统，通过PWM调节输出电压的占空比，来调节给音圈电机输入的电流，搭建了测量音圈电机喷射压强的实验平台，对喷射中电流大小对喷射压强影响进行研究。

1 系统的工作原理

电流可控音圈电机无针注射的简图和压强采集系统如图1所示，滑块可以在滑轨上自由移动，滑块连接平台用来固定音圈电机。调节螺栓可以调节滑块位置，使安瓿喷孔和压力传感器保持合适的距离。首先给STM32的控制电路有三个按键控制音圈电机运动，KEY1，急停按钮KEY2,音圈电机通反向低电压，音圈电机向上吸合。KEY3通过改变PWM占空比来调节电压，给音圈电机通正向大电流进行无针喷射。当音圈电机进行喷射时，从安瓿喷射出来的液体喷射到压力传感器上，压力传感器检测点受到喷射压力由触力传感器转化为电压信号，通过放大滤波电路输出给数据采集卡，采集卡把采集到的数据存储在电脑的上位机程序里。把采集出来的数据导入到上位机里进行计算分析，得到喷射压强随时间和电流大小变化的压力曲线图。

2 系统的硬件和软件设计

系统的硬件设计分为3个组成部分：STM32控制模块、传感器放大模块、H桥驱动模块。

系统上电初始化，系统监测判断位移传感器是否在初始位置，若不在初始位置，H桥驱动电路为音圈电机反向供电，PWM占空比为10%,音圈电机提供低电压线圈收到电磁力拉动活塞后退，安瓿内的压强减少进行吸药，线圈回复到初始位置，吸药完毕。判断喷射按钮是否按下，若按下，H桥驱动电路为音圈电机正向供电，PWM占空比设定为100%，音圈电机推动活塞进行喷射，系统控制通电时间为0.1s，喷射完成。

3 不同电流下的音圈电机喷射实验

喷射压力的实验设备由霍尼韦尔FSG15N1A触力传感器，OP07CP放大器，放大器具有极低的输入失调电压，能使采集出来的数据更为精确。首先对传感器进行标定，用0-500g不同质量的砝码进行标定。

使用功率放大器对音圈电机进行供电，安瓿活塞的直径是5mm、喷孔直径是0.21mm、安瓿内液体的剂量为0.3ml的水进行喷射实验，喷孔距离传感器距离为1mm。对程序进行设定，使H桥驱动电路的PWM占空比分别为40%、60%、80%，分别对应40V、60V、80V，由于音圈电机电阻为4Ω，供给音圈电机喷射的初始电流分别对应，10A、15A、20A。

实验表明前10ms的注射平均压强曲线图，可以得到初始电流为10A时，初始的最大平均压强为18MPa。初始压强超过15MPa就可以穿透人体皮肤[2]。当初始电流增大，注射初始的平均压强就越高。当电流达到20A时注射压强可以达到28MPa。注射的平均压强从10ms以后开始衰减，当到达100ms时，注射压强基本降到。本文搭建的电流可变音圈电机无针注射系统，在初始电流为10A时足以穿透人体皮肤。因为不同年龄的人体皮肤有差异。所以可以改变音圈电机的初始电流，来针对不同年龄段的人群。

实验表明不同电流下，最高平均压强随电流变化的关系。可以得出最高平均压强的大小随着初始电流的增大而增加。两者用matlab拟合可得到初始电流和最大平均压强成二次线性相关。证明了所设计的电流可控音圈电机系统，可以随着初始电流的变化，来调剂音圈电机喷射中的最大注射压强。

4 结论

本文设计了电流可控的音圈电机无针注射系统，搭建的电流可控无针注射系统，当电流为10A时，初始喷射压强达到18MPa，足够穿透人体皮肤。电流最大为20A，初始注射压强达到最28MPa，该装置模块集成度高，稳定可靠，可以根据不同年龄段人体皮肤，进行喷射压力的调节，克服了普通音圈电机注射不能改变注射电流的缺点。

[1]陈凯,杨锋雷.基于音圈直线驱动的无针注射技术[J].机械工程学报,2010,4(09)：151-156.

[2]周华.液体无针注射系统的机械和力学性能研究[D].杭州：杭州电子科技大学,2007.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.22.124

王文豪（1990-）,男,浙江杭州人,硕士研究生,主要从事无针注射的研究。