電鰻放電非接觸式測量系統的設計與實現

李奇安 劉 朋 金 鑫 王 越 周軍小 付貴增 李 悅

(遼寧石油化工大學信息與控制工程學院1，遼寧 撫順 113001;中石油天然氣管道局2，河北 廊坊 065000)

0 引言

1786年，意大利生物解剖學家Galvani發現了生物電現象，并提出了“動物電學說”。1902年，Bernstein通過“薄膜學說”對生物電的活動過程進行了解釋。法國學者Claude Bernard和瑞士學者Du Bois等人通過大量的試驗證明，構成生物體的任何器官組織和細胞在活動的過程中均可產生相應的動作電位變化，從而形成了生物電[1]。

生物電是一種頻率極低、幅值較小的信號，且容易受到工頻50 Hz的干擾。因此，生物電信號的檢測要求系統具有極高的分辨率、較寬的動態范圍和較強的噪聲抑制能力。人類在生物電的研究方面做了大量的工作[2－15]。

文獻[2]介紹了兩種結構簡單、性能良好的高輸入阻抗差分生物電放大器，并對并聯型和串聯型的多通道生物電放大器進行了比較分析。該生物電放大器對共模干擾信號具有較強的抑制作用，但是對極化電壓所產生的干擾卻無法抑制。通過引入高精度A/D轉換器和低增益直流放大器，消除了極化電壓和基線漂移對生物電放大器的影響。對于工頻50 Hz干擾的問題，可采用軟件方法濾除。

文獻[3]設計了一種由低通濾波器和高通濾波器構成的50 Hz陷波器，有效抑制了工頻干擾問題。

文獻[4]通過兩電極測試法和三電極測試法，對生物電前置放大器的接地問題進行了比較分析，其中三電極地懸浮測試法具有較強的抗工頻干擾能力和抗靜電干擾能力。通過對生物體組織中電性質的研究表明，每個組織均具有獨特的介電常數和不同表現形式。

生物體組織在不同的頻率下，具有不同的阻抗特性。文獻[5]通過兩電極法，獲得了生物體組織的幅頻特性和相頻特性。Cole R H在Cole K S基礎之上，建立了生物體組織的等效電路模型即RC三元件模型，并提出了Cole-Cole理論。

文獻[6]利用RC三元件模型，推導出了人體柱體模型與輸入阻抗的計算方法。

文獻[7]通過采用抽象化的思想，將生物電阻抗測量系統劃分為信號源模塊、激勵選通模塊、測量選通模塊和解調模塊。

文獻[8]分別采用非接觸式的方法，對心電檢測和顱內水腫血腫等現代醫學領域進行了研究。

文獻[9]～[15]分別對電鰻的等效電源和電場參數模型進行了研究。

電鰻的發電器分布在身體兩側的肌肉內，由8 000多個肌肉薄片重疊排列而成，每個肌肉薄片就像一節“小電池”。若全身肌肉薄片同時放電，電壓可達300～800 V。電鰻身體的尾部為正極，頭部為負極，電流從尾部流向頭部。

本文設計了一種新型的非接觸式、可實時監測電鰻放電電壓的裝置，該裝置可檢測到電鰻相應的放電電壓值。信號采集端用JN5139無線收發模塊進行數據的接收和發送，避免采集端和接收端電源共地串擾的問題。該裝置和PC機相聯，具有較強的可擴展性。

1 生物電非接觸式測量原理

本文以非極性電容作為存儲電荷的元件，并在電容兩端加高阻值的放電電阻，以防止電容充滿。根據現場環境的不同，電阻取值也不相同。電鰻所放出的電荷，通過采集端銅柱導線引出，并存儲在采集端的電容元件中，經過計算(Q=CU)，電鰻放出的電荷可轉換成相應的電壓值。

現場環境陰暗潮濕，存在多種電磁場干擾，這將影響測量結果的精確度。為了濾除電磁場干擾，在魚缸中放置一個同水質的器皿，該器皿與魚缸不連通。將連接導線從器皿中引出，作為采集端2與采集端1并同時差分放大，再經過減法運算電路，最終將電磁場干擾濾除。

在實際試驗中，電鰻所放出的電荷通過八支交錯連接的銅柱經導線引出，與采集端存儲電容相連接。銅柱之間距離約為20 cm。

2 系統軟件流程圖

系統主程序流程圖如圖1所示。

圖1 主程序流程圖Fig.1 Flowchart of the main program

本文采用ZigBee網絡中點對點網絡模式。采集端JN5139模塊作為終端節點，與PC機相連的JN5139模塊作為路由節點。當顯示端的電壓幅值變化量ΔVout＞400 V時，燈閃爍，同時音樂響起;當顯示端電壓幅值變化量ΔVout＜400 V時，則燈和音樂不工作，繼續采集數據。無線網絡節點流程圖如圖2所示。

圖2 無線網絡節點程序流程圖Fig.2 Flowchart of wireless network node program

3 實驗室測試

在實驗室內，采用多個極性電容串聯充電方法來模擬電鰻放電并進行定量分析。假設LBC為電鰻身體長度，LBC=20 cm;電鰻放電電壓為Vin。LAD為采集端銅柱之間間隔長度，LAD=20 cm;LAB為電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離，LAB=LCD=40 cm，模擬電鰻與采集端銅柱之間的距離及放電電壓值。Vin在40～60 V范圍之內，并以ΔVin=5 V遞增變化。LAB在30～35 cm范圍之內，并以ΔL=1 cm遞增變化。實驗室模擬電鰻放電框圖如圖3所示。

圖3 實驗室模擬電鰻放電框圖Fig.3 Block diagram of electric eel discharging simulated in the lab

上述試驗的目的是測量Vout=f(Vin，d)中各物理量之間的關系。其中，Vout為采集端采集電壓值，Vin為電鰻放電電壓值，d為電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離。實驗室模擬電鰻放電數據如表1所示。

表1 實驗室模擬電鰻放電數據Tab.1 Data of electric eel discharging simulated in the lab

分別將上述試驗測量數據取平均值，得到Vout=f(Vin，d)的關系圖，如圖4和圖5所示。

圖4表示電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離d在30～35 cm分別保持不變時，采集端采集的電壓值Vout與電鰻放電電壓值Vin之間的變化情況。從圖4所示整體趨勢可以看出，當電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離d保持不變時，采集端采集的電壓值Vout隨著電鰻放電電壓值Vin的增加而增加。

圖5表示電鰻放電電壓Vin在40～60 V之間分別保持不變時，采集端采集的電壓值Vout和電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離d之間的變化情況。從圖5所示整體趨勢可以看出，當電鰻放電電壓Vin保持不變時，采集端采集電壓值Vout將隨著電鰻與采集端銅柱之間距離d的增加而減小。

4 現場測試

上位機為操作人員提供了人機交互界面，上位機通過USB接口與路由節點進行通信，并顯示電鰻放電電量隨時間變化的波形。

路由節點的主要功能包括接收上位機的命令，并通過無線傳輸把命令傳送給終端節點，同時將終端節點測量的數據發送給上位機。終端節點的主要功能包括接收路由節點命令，并將測量結果通過無線傳送給路由節點。

現場采集數據結果如圖6所示。

圖6 電鰻放電現場監測曲線Fig.6 Curve of field monitor of electric eel discharging

由圖6可以看出，在0～3 000 s和4 000～6 000 s之間，測量電壓幅值保持平衡，未發現有較大浮動;在3 000～4 000 s之間有2個較大的幅值變化，電壓幅值變化范圍在100～1 200 V之間。

由現場采集的數據可知，電鰻并不是時時放電的，只有在遇到敵害和捕捉食物時，才釋放高電壓，其余時間處于不放電狀態。

5 結束語

試驗結果表明，本系統穩定、可靠，可實時監測電鰻放電電壓，避免了電源共地串擾問題。數據采集端電壓Vout與電鰻放電電壓值Vin有關，同時也與電鰻放電位置到采集端銅柱之間距離d有關。但由于電鰻電壓測量值的大小與電鰻放電位置、監測點位置、電鰻大小等眾多不確定因素相關，因此未能推導出Vout=f(Vin，d)的準確關系。此外，數據采集端采用雙排交叉直線型的連接方法作為探測頭，精確度較差。若高精確度采集電鰻放電電荷，可采用矩陣式的采集方法。該方法可使探測頭與電鰻放電時電荷分布的接觸面積大大增加，從而可最大限度地存儲電鰻放電電荷。電鰻放電周圍磁場變化情況需要用更準確、更先進的方法來測定，該試驗也有待進一步完善。

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