薛大為，楊春蘭

(蚌埠學(xué)院機(jī)械與電子工程系，安徽蚌埠 233030)

0 引言

淡水魚是我國(guó)盛產(chǎn)的魚類之一，其味道鮮美，營(yíng)養(yǎng)豐富，受到眾多消費(fèi)者的喜愛。然而，魚類在運(yùn)輸和存貯過程中很容易出現(xiàn)死亡，隨著死亡時(shí)間的增長(zhǎng)魚肉新鮮度降低甚至?xí)瘮∽冑|(zhì)，如果食用變質(zhì)的魚肉會(huì)損害人體健康。因此，新鮮度是衡量魚類或魚肉質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)［1］。目前，常用的魚肉新鮮度的檢測(cè)方法有感官評(píng)定法、生化測(cè)定法、阻抗特性測(cè)定法等。感官評(píng)定法主要通過人的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判別，受主觀因素影響較大，準(zhǔn)確度不能保證;生化測(cè)定法通過測(cè)量魚體中的生化物質(zhì)含量進(jìn)行判別，準(zhǔn)確度高，但操作過程繁瑣，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng);阻抗技術(shù)測(cè)定法是利用生物阻抗技術(shù)通過測(cè)量魚體阻抗特性進(jìn)行判別，具有快速、無損、方便等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域越來越受到關(guān)注［2－3］。準(zhǔn)確的測(cè)量魚體的阻抗參數(shù)，建立基于阻抗特性的魚肉新鮮度評(píng)價(jià)指標(biāo)，是利用生物阻抗技術(shù)對(duì)魚肉新鮮度進(jìn)行判別的前提。雖然目前有很多種生物阻抗分析儀器，但普遍價(jià)格昂貴，可擴(kuò)展性不強(qiáng)。因此，本文將設(shè)計(jì)一種基于虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用于淡水魚阻抗的測(cè)量系統(tǒng)。

1 魚體阻抗測(cè)量原理

魚體阻抗測(cè)量原理［4］是給魚體表面施加一小的交變激勵(lì)電流，測(cè)量輸出電壓，通過測(cè)量信號(hào)計(jì)算出魚體的復(fù)阻抗。測(cè)量方法采用四電極測(cè)量法［5］，其中一對(duì)電極作為激勵(lì)電極用于輸入激勵(lì)電流，另一對(duì)電極作為測(cè)量電極用于測(cè)量輸出電壓。魚體阻抗測(cè)量示意圖如圖1所示。

圖1 魚體阻抗測(cè)量示意圖

魚體阻抗測(cè)量等效電路如圖2所示。其中Z1、Z2為激勵(lì)電極與測(cè)量電極之間的阻抗，Ri為測(cè)試電極與魚體體表面的接觸電阻。在使用高輸入阻抗的放大器時(shí)，接觸電阻可以忽略。

圖2 魚體阻抗測(cè)量等效電路

2 魚體阻抗參數(shù)提取方法

魚體阻抗的模值和相角參數(shù)信息隱含于測(cè)量的電壓信號(hào)中，需要通過一定的方法提取出來。

2.1 數(shù)字解調(diào)法

利用數(shù)字解調(diào)法［6］提取魚體阻抗的特征參數(shù)，首先要對(duì)測(cè)量電壓信號(hào)進(jìn)行整周期采樣。

設(shè)測(cè)量電壓信號(hào)頻率為f，采樣頻率fs=M×f(M≥2)，共采樣p個(gè)周期，則總的采樣點(diǎn)數(shù)N=M× p，測(cè)量電壓信號(hào)序列為:

根據(jù)測(cè)量信號(hào)頻率構(gòu)造正弦參考序列Sr(j)與余弦參考序列Cr(j):

將參考序列與測(cè)量電壓序列進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，

因?yàn)槭钦芷诓蓸?，因此正余弦序列之和等?，則

由式(4)可得魚體阻抗模值與相角為

其中，B為輸入激勵(lì)電流信號(hào)幅值。

2.2 串聯(lián)參考電阻法

上述數(shù)字解調(diào)法只有在保證輸入激勵(lì)電流與參考信號(hào)同相位的條件下，才能提取出相角的精確值［7］。然而激勵(lì)電流在傳輸?shù)倪^程中受到各種因素的影響，相位通常要出現(xiàn)偏移。針對(duì)這一問題，可以通過串聯(lián)參考電阻法來消除相角測(cè)量誤差［8］。參考電阻法示意圖如圖3所示。圖中，Z為魚體復(fù)阻抗，Rf為參考電阻，Az、Ar、φz、φr分別為魚體和參考電阻的電壓幅值與相角，Uz、Ur分別為魚體和參考電阻電壓。

圖3 參考電阻法示意圖

設(shè)激勵(lì)電流為I，則

由式(6)可得

由式(7)可知

通過串聯(lián)參考電阻，利用魚體電壓信號(hào)與參考電阻電壓信號(hào)相位的差值來確定魚體阻抗的相角，可消除激勵(lì)電流相位偏移引入的誤差。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由電流源模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)等部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

工作過程中，由電流源模塊產(chǎn)生激勵(lì)電流信號(hào)經(jīng)激勵(lì)電極施加在魚體上，測(cè)量電極測(cè)量的電壓信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊處理后，經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊采集到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算、分析、顯示及存儲(chǔ)等功能。

3.1 電流源模塊

電流源模塊由信號(hào)發(fā)生器和V/I(電壓/電流)轉(zhuǎn)換電路組成。在對(duì)淡水魚阻抗特性分析時(shí)，需要在較寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行，且信號(hào)幅值和相位可調(diào)。針對(duì)這些要求，系統(tǒng)采用泰克公司的可程控AFG3052C高性能信號(hào)發(fā)生器。AFG3052C具有5 MHZ頻寬，可通過USB接口與計(jì)算機(jī)連接，由計(jì)算機(jī)編制程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制。

V/I轉(zhuǎn)換電路功能就是將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。系統(tǒng)采用具有第二代電流鏡傳輸功能的AD844芯片，同時(shí)為了提高轉(zhuǎn)換精度，增加前置輸入緩沖器和直流反饋單元(DCFB)［9］。V/I轉(zhuǎn)換電路的原理圖如圖5所示。電流源輸出電流io=Vi/Rb。

圖5 V/I轉(zhuǎn)換電路的原理圖

3.2 信號(hào)調(diào)理模塊

由于魚體阻抗的測(cè)量電壓信號(hào)通常很微弱，一般為毫伏級(jí)，在傳輸過程中極易被噪音淹沒，因此必須要對(duì)測(cè)量電極的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。系統(tǒng)采用儀表放大器AD620，該放大器采樣差動(dòng)輸入，具有高共模抑制比、10 GΩ左右的高輸入阻抗，且增益可調(diào)。為了進(jìn)一步抑制高頻噪音和工頻干擾，在AD620前端還加入了無源高通與低通濾波器。

3.3 信號(hào)采集模塊

信號(hào)采集模塊主要負(fù)責(zé)將測(cè)量信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換輸入到計(jì)算機(jī)。因?yàn)樽杩箙?shù)提取應(yīng)用串聯(lián)參考電阻法，需要對(duì)魚體和參考電阻電壓信號(hào)同步采樣，因此系統(tǒng)選用NI公司的具有同步采樣功能的PCI－6111數(shù)據(jù)采集卡。該采集卡具有2路模擬輸入通道、2路模擬輸出通道、8路數(shù)字輸入輸出通道、12位輸入分辨率、5 MS/s最高采樣率，能夠滿足要求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采樣虛擬儀器的編程軟件LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)。LabVIEW采用圖形化的編程方式，具有界面友好、使用方便、編程效率高等特點(diǎn)［10］。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)主要包括:信號(hào)發(fā)生器模塊、信號(hào)采集模塊、阻抗參數(shù)提取模塊、顯示模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。軟件的流程圖如圖6所示。

信號(hào)發(fā)生器模塊完成對(duì)AFG3052C信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)電流源的輸出信號(hào)頻率、幅值及相位控制，具有根據(jù)設(shè)置頻率段實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃頻輸出功能;信號(hào)采集模塊完成對(duì)PCI－6111數(shù)據(jù)采集卡的控制，將魚體測(cè)量電壓信號(hào)和參考電阻電壓信號(hào)采集到計(jì)算機(jī);阻抗參數(shù)提取模塊利用串聯(lián)參考電阻法通過數(shù)字解調(diào)將魚體阻抗的模值和相角計(jì)算出來;顯示模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的魚體測(cè)量電壓信號(hào)實(shí)時(shí)顯示以及模值和相角結(jié)果指示;存儲(chǔ)模塊根據(jù)完成對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，并對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件名進(jìn)行標(biāo)識(shí)，便于后期的分析和處理。

5 實(shí)驗(yàn)分析

圖6 軟件流程圖

為了檢驗(yàn)阻抗測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，從集貿(mào)市場(chǎng)隨機(jī)購買了10條大小與新鮮度不等的鰱魚，分別用本系統(tǒng)和Agilent 4294A高精度阻抗分析儀對(duì)魚體阻抗進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)樵趯?duì)淡水魚阻抗特性與新鮮度關(guān)系進(jìn)行分析時(shí)，通常采用音頻范圍內(nèi)激勵(lì)信號(hào)，一般選擇在10 HZ～100 KHZ之間，并且隨著激勵(lì)頻率的增加，魚體阻抗測(cè)量誤差也會(huì)增大。因此實(shí)驗(yàn)以100 KHZ信號(hào)作為激勵(lì)對(duì)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。可以看出，魚體阻抗模值最大相對(duì)誤差為0.47%，相角最大相對(duì)誤差為4.35%，系統(tǒng)測(cè)量精度較高。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)論

本文基于虛擬儀器設(shè)計(jì)了淡水魚阻抗測(cè)量系統(tǒng)，在阻抗參數(shù)的提取中采用了串聯(lián)參考電阻法，解決了由于激勵(lì)電流相位偏移導(dǎo)致的相角測(cè)量誤差。系統(tǒng)軟件采用LabVIEW進(jìn)行編寫，具有界面友好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。通過與Agilent 4294A阻抗分析儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較，表明該系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于對(duì)鰱魚新鮮度檢測(cè)的研究中，實(shí)際使用效果較好。

［1］張軍.基于復(fù)阻抗特性和電子鼻的淡水魚新鮮度快速檢測(cè)方法的研究［D］.武漢:華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2008.

［2］蔡騁，李曉龍，馬惠玲，等.基于生物阻抗特性的蘋果新鮮度無損測(cè)定［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2013，44(2):147－152.

［3］丁強(qiáng)，王忠義，黃嵐，等.生物阻抗技術(shù)及其在肉品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，28(3):4－7.

［4］霍鋮宇，何愛軍，黃松鑫.基于虛擬儀器的便攜式生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2009，23(8):90－94.

［5］王家海，張志征，Pedro Stang.一種新型的基于四電極結(jié)構(gòu)的生物電阻測(cè)量方法［J］.機(jī)電一體化，2010，16(7):65－71.

［6］王超，章曉麗，劉俊霞，等.基于虛擬儀器的混頻生物阻抗測(cè)量系統(tǒng)［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(1):53－56.

［7］王超，王化祥.基于虛參考點(diǎn)的生物阻抗測(cè)量方法［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，38(4):352－355.

［8］林凌，王斯亮，李剛.基于AD5933的高精度生物阻抗測(cè)量方法［J］.電子產(chǎn)品世界，2008(7):74－78.

［9］薛大為，楊春蘭.基于阻抗特性的淡水魚新鮮度快速檢測(cè)系統(tǒng)［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，40(1):191－193.

［10］韋哲，汪凌艷，趙鈺，等.基于LabVIEW2011的心音信號(hào)STFT分析［J］.中國(guó)醫(yī)學(xué)裝備，2014，11(1):20－21.