基于虛擬儀器的淡水魚阻抗測量系統

薛大為，楊春蘭

(蚌埠學院機械與電子工程系，安徽蚌埠 233030)

0 引言

淡水魚是我國盛產的魚類之一，其味道鮮美，營養豐富，受到眾多消費者的喜愛。然而，魚類在運輸和存貯過程中很容易出現死亡，隨著死亡時間的增長魚肉新鮮度降低甚至會腐敗變質，如果食用變質的魚肉會損害人體健康。因此，新鮮度是衡量魚類或魚肉質量的一個重要指標［1］。目前，常用的魚肉新鮮度的檢測方法有感官評定法、生化測定法、阻抗特性測定法等。感官評定法主要通過人的經驗進行判別，受主觀因素影響較大，準確度不能保證;生化測定法通過測量魚體中的生化物質含量進行判別，準確度高，但操作過程繁瑣，檢測時間較長;阻抗技術測定法是利用生物阻抗技術通過測量魚體阻抗特性進行判別，具有快速、無損、方便等優點，在農產品領域越來越受到關注［2－3］。準確的測量魚體的阻抗參數，建立基于阻抗特性的魚肉新鮮度評價指標，是利用生物阻抗技術對魚肉新鮮度進行判別的前提。雖然目前有很多種生物阻抗分析儀器，但普遍價格昂貴，可擴展性不強。因此，本文將設計一種基于虛擬儀器技術應用于淡水魚阻抗的測量系統。

1 魚體阻抗測量原理

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

圖1 魚體阻抗測量示意圖

魚體阻抗測量等效電路如圖2所示。其中Z1、Z2為激勵電極與測量電極之間的阻抗，Ri為測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，接觸電阻可以忽略。

圖2 魚體阻抗測量等效電路

2 魚體阻抗參數提取方法

魚體阻抗的模值和相角參數信息隱含于測量的電壓信號中，需要通過一定的方法提取出來。

2.1 數字解調法

利用數字解調法［6］提取魚體阻抗的特征參數，首先要對測量電壓信號進行整周期采樣。

設測量電壓信號頻率為f，采樣頻率fs=M×f(M≥2)，共采樣p個周期，則總的采樣點數N=M× p，測量電壓信號序列為:

根據測量信號頻率構造正弦參考序列Sr(j)與余弦參考序列Cr(j):

將參考序列與測量電壓序列進行相關運算，

因為是整周期采樣，因此正余弦序列之和等于0，則

由式(4)可得魚體阻抗模值與相角為

其中，B為輸入激勵電流信號幅值。

2.2 串聯參考電阻法

上述數字解調法只有在保證輸入激勵電流與參考信號同相位的條件下，才能提取出相角的精確值［7］。然而激勵電流在傳輸的過程中受到各種因素的影響，相位通常要出現偏移。針對這一問題，可以通過串聯參考電阻法來消除相角測量誤差［8］。參考電阻法示意圖如圖3所示。圖中，Z為魚體復阻抗，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

設激勵電流為I，則

由式(6)可得

由式(7)可知

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

3 系統硬件設計

系統硬件主要由電流源模塊、信號調理模塊、數據采集模塊、計算機等部分組成。系統結構示意圖如圖4所示。

圖4 系統結構示意圖

工作過程中，由電流源模塊產生激勵電流信號經激勵電極施加在魚體上，測量電極測量的電壓信號經過信號調理模塊處理后，經數據采集模塊采集到計算機，計算機實現數據計算、分析、顯示及存儲等功能。

3.1 電流源模塊

電流源模塊由信號發生器和V/I(電壓/電流)轉換電路組成。在對淡水魚阻抗特性分析時，需要在較寬的頻率范圍內進行，且信號幅值和相位可調。針對這些要求，系統采用泰克公司的可程控AFG3052C高性能信號發生器。AFG3052C具有5 MHZ頻寬，可通過USB接口與計算機連接，由計算機編制程序對其進行控制。

V/I轉換電路功能就是將信號發生器產生的電壓信號轉換成電流信號。系統采用具有第二代電流鏡傳輸功能的AD844芯片，同時為了提高轉換精度，增加前置輸入緩沖器和直流反饋單元(DCFB)［9］。V/I轉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轉換電路的原理圖

3.2 信號調理模塊

由于魚體阻抗的測量電壓信號通常很微弱，一般為毫伏級，在傳輸過程中極易被噪音淹沒，因此必須要對測量電極的測量信號進行預處理。系統采用儀表放大器AD620，該放大器采樣差動輸入，具有高共模抑制比、10 GΩ左右的高輸入阻抗，且增益可調。為了進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 信號采集模塊

信號采集模塊主要負責將測量信號進行A/D轉換輸入到計算機。因為阻抗參數提取應用串聯參考電阻法，需要對魚體和參考電阻電壓信號同步采樣，因此系統選用NI公司的具有同步采樣功能的PCI－6111數據采集卡。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 系統軟件設計

系統軟件采樣虛擬儀器的編程軟件LabVIEW進行設計。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［10］。系統軟件采用模塊化設計主要包括:信號發生器模塊、信號采集模塊、阻抗參數提取模塊、顯示模塊及數據存儲模塊。軟件的流程圖如圖6所示。

信號發生器模塊完成對AFG3052C信號發生器進行配置，實現對激勵電流源的輸出信號頻率、幅值及相位控制，具有根據設置頻率段實現自動掃頻輸出功能;信號采集模塊完成對PCI－6111數據采集卡的控制，將魚體測量電壓信號和參考電阻電壓信號采集到計算機;阻抗參數提取模塊利用串聯參考電阻法通過數字解調將魚體阻抗的模值和相角計算出來;顯示模塊實現對采集的魚體測量電壓信號實時顯示以及模值和相角結果指示;存儲模塊根據完成對采集數據進行保存，并對存儲數據文件名進行標識，便于后期的分析和處理。

5 實驗分析

圖6 軟件流程圖

為了檢驗阻抗測量系統的準確性，從集貿市場隨機購買了10條大小與新鮮度不等的鰱魚，分別用本系統和Agilent 4294A高精度阻抗分析儀對魚體阻抗進行測量。因為在對淡水魚阻抗特性與新鮮度關系進行分析時，通常采用音頻范圍內激勵信號，一般選擇在10 HZ～100 KHZ之間，并且隨著激勵頻率的增加，魚體阻抗測量誤差也會增大。因此實驗以100 KHZ信號作為激勵對系統測量準確度進行驗證。實驗結果如表1所示。可以看出，魚體阻抗模值最大相對誤差為0.47%，相角最大相對誤差為4.35%，系統測量精度較高。

表1 實驗結果

6 結論

本文基于虛擬儀器設計了淡水魚阻抗測量系統，在阻抗參數的提取中采用了串聯參考電阻法，解決了由于激勵電流相位偏移導致的相角測量誤差。系統軟件采用LabVIEW進行編寫，具有界面友好、操作簡單等特點。通過與Agilent 4294A阻抗分析儀進行實驗比較，表明該系統具有較高的測量精度。目前，該系統已經應用于對鰱魚新鮮度檢測的研究中，實際使用效果較好。

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