電鰻放電非接觸式測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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(xué)信息與控制工程學(xué)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(xué)家Galvani發(fā)現(xiàn)了生物電現(xiàn)象，并提出了“動物電學(xué)說”。1902年，Bernstein通過“薄膜學(xué)說”對生物電的活動過程進(jìn)行了解釋。法國學(xué)者Claude Bernard和瑞士學(xué)者Du Bois等人通過大量的試驗(yàn)證明，構(gòu)成生物體的任何器官組織和細(xì)胞在活動的過程中均可產(chǎn)生相應(yīng)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(tǒng)具有極高的分辨率、較寬的動態(tài)范圍和較強(qiáng)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(xiàn)[2]介紹了兩種結(jié)構(gòu)簡單、性能良好的高輸入阻抗差分生物電放大器，并對并聯(lián)型和串聯(lián)型的多通道生物電放大器進(jìn)行了比較分析。該生物電放大器對共模干擾信號具有較強(qiáng)的抑制作用，但是對極化電壓所產(chǎn)生的干擾卻無法抑制。通過引入高精度A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種由低通濾波器和高通濾波器構(gòu)成的50 Hz陷波器，有效抑制了工頻干擾問題。

文獻(xiàn)[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(jìn)行了比較分析，其中三電極地懸浮測試法具有較強(qiáng)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(zhì)的研究表明，每個(gè)組織均具有獨(dú)特的介電常數(shù)和不同表現(xiàn)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(xiàn)[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(chǔ)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(xiàn)[6]利用RC三元件模型，推導(dǎo)出了人體柱體模型與輸入阻抗的計(jì)算方法。

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

文獻(xiàn)[8]分別采用非接觸式的方法，對心電檢測和顱內(nèi)水腫血腫等現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了研究。

文獻(xiàn)[9]～[15]分別對電鰻的等效電源和電場參數(shù)模型進(jìn)行了研究。

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

本文設(shè)計(jì)了一種新型的非接觸式、可實(shí)時(shí)監(jiān)測電鰻放電電壓的裝置，該裝置可檢測到電鰻相應(yīng)的放電電壓值。信號采集端用JN5139無線收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，避免采集端和接收端電源共地串?dāng)_的問題。該裝置和PC機(jī)相聯(lián)，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)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(jù)現(xiàn)場環(huán)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(dǎo)線引出，并存儲在采集端的電容元件中，經(jīng)過計(jì)算(Q=CU)，電鰻放出的電荷可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值。

現(xiàn)場環(huán)境陰暗潮濕，存在多種電磁場干擾，這將影響測量結(jié)果的精確度。為了濾除電磁場干擾，在魚缸中放置一個(gè)同水質(zhì)的器皿，該器皿與魚缸不連通。將連接導(dǎo)線從器皿中引出，作為采集端2與采集端1并同時(shí)差分放大，再經(jīng)過減法運(yùn)算電路，最終將電磁場干擾濾除。

在實(shí)際試驗(yàn)中，電鰻所放出的電荷通過八支交錯連接的銅柱經(jīng)導(dǎo)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(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式。采集端JN5139模塊作為終端節(jié)點(diǎn)，與PC機(jī)相連的JN5139模塊作為路由節(jié)點(diǎn)。當(dāng)顯示端的電壓幅值變化量ΔVout＞400 V時(shí)，燈閃爍，同時(shí)音樂響起;當(dāng)顯示端電壓幅值變化量ΔVout＜400 V時(shí)，則燈和音樂不工作，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流程圖如圖2所示。

圖2 無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.2 Flowchart of wireless network node program

3 實(shí)驗(yàn)室測試

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，采用多個(gè)極性電容串聯(lián)充電方法來模擬電鰻放電并進(jìn)行定量分析。假設(shè)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(nèi)，并以ΔVin=5 V遞增變化。LAB在30～35 cm范圍之內(nèi)，并以ΔL=1 cm遞增變化。實(shí)驗(yàn)室模擬電鰻放電框圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)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(yàn)的目的是測量Vout=f(Vin，d)中各物理量之間的關(guān)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(shí)驗(yàn)室模擬電鰻放電數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室模擬電鰻放電數(shù)據(jù)Tab.1 Data of electric eel discharging simulated in the lab

分別將上述試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)取平均值，得到Vout=f(Vin，d)的關(guān)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(shí)，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(dāng)電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離d保持不變時(shí)，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(shí)，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(dāng)電鰻放電電壓Vin保持不變時(shí)，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(xiàn)場測試

上位機(jī)為操作人員提供了人機(jī)交互界面，上位機(jī)通過USB接口與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并顯示電鰻放電電量隨時(shí)間變化的波形。

路由節(jié)點(diǎn)的主要功能包括接收上位機(jī)的命令，并通過無線傳輸把命令傳送給終端節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將終端節(jié)點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。終端節(jié)點(diǎn)的主要功能包括接收路由節(jié)點(diǎn)命令，并將測量結(jié)果通過無線傳送給路由節(jié)點(diǎn)。

現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 電鰻放電現(xiàn)場監(jiān)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(fā)現(xiàn)有較大浮動;在3 000～4 000 s之間有2個(gè)較大的幅值變化，電壓幅值變化范圍在100～1 200 V之間。

由現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)可知，電鰻并不是時(shí)時(shí)放電的，只有在遇到敵害和捕捉食物時(shí)，才釋放高電壓，其余時(shí)間處于不放電狀態(tài)。

5 結(jié)束語

試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，可實(shí)時(shí)監(jiān)測電鰻放電電壓，避免了電源共地串?dāng)_問題。數(shù)據(jù)采集端電壓Vout與電鰻放電電壓值Vin有關(guān)，同時(shí)也與電鰻放電位置到采集端銅柱之間距離d有關(guān)。但由于電鰻電壓測量值的大小與電鰻放電位置、監(jiān)測點(diǎn)位置、電鰻大小等眾多不確定因素相關(guān)，因此未能推導(dǎo)出Vout=f(Vin，d)的準(zhǔn)確關(guān)系。此外，數(shù)據(jù)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(shí)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(zhǔn)確、更先進(jìn)的方法來測定，該試驗(yàn)也有待進(jìn)一步完善。

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