基于USB6211和LabVIEW伏安型電子舌測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

周奕霖，康冠朋，王志斌，吳 濤，于亞萍,2,通信作者，趙 輝,2，楊仁杰

（1．天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津300384；2．天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072）

基于USB6211和LabVIEW伏安型電子舌測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

周奕霖1，康冠朋1，王志斌1，吳 濤1，于亞萍1,2,通信作者，趙 輝1,2，楊仁杰1

（1．天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津300384；2．天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072）

伏安型電子舌是對液態(tài)物質(zhì)進行檢測的一種新型測試系統(tǒng)，主要采用交互敏感電極陣列結(jié)合多變量數(shù)據(jù)分析方法對被測對象進行定性或定量分析。整個系統(tǒng)由激勵信號源、傳感器陣列、恒電位電路、數(shù)據(jù)采集電路和多變量數(shù)據(jù)分析軟件組成，在外加激勵信號作用下，對工作電極響應(yīng)信號的大小或響應(yīng)信號圖的形狀進行采集與分析。本文針對電化學(xué)工作站價格昂貴并且進行伏安檢測時只提取電化學(xué)反應(yīng)特征信息的不足，開發(fā)設(shè)計了一種伏安型電子舌檢測系統(tǒng)。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡USB6211結(jié)合LabVIEW軟件來實現(xiàn)激勵信號的產(chǎn)生和伏安響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲。采用主成分分析法對純牛奶和摻雜濃度為160 mg/L三聚氰胺牛奶測試數(shù)據(jù)進行分析，分析結(jié)果能清楚的區(qū)分該實驗中純牛奶和摻雜牛奶樣品，整個系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

伏安型電子舌；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；人機界面；USB6211

在傳統(tǒng)電化學(xué)測試中，一般要求選擇特異性傳感器對被測對象進行測試，但選擇性強的特異傳感器很難確定，針對這個問題，伏安型電子舌采用選擇性不是很強的交互敏感電極陣列來代替?zhèn)鹘y(tǒng)選擇性很強的特異性傳感器。它由交互敏感的貴金屬作為傳感器陣列和多變量數(shù)據(jù)分析處理單元構(gòu)成，將傳感器測試的電信號與被測對象的特性聯(lián)系在一起，盡管每個電極的選擇性比較低，但整個傳感器陣列還是能獲取被測對象相當(dāng)大的信息量，從而達到對被測對象進行定性或定量的分析的目的[1]。電子舌分為：電勢型、電導(dǎo)型、伏安型等，目前商用最廣泛的電子舌是α-ASTREE公司的電勢型電子舌，該電子舌價格昂貴，且電勢型電子舌易受溫度的影響。伏安型電子舌因其具有好的敏感性、測試方式多樣性、設(shè)備簡單且魯棒性強，而得到廣泛的應(yīng)用[2-5]。該論文采用USB6211和LabVIEW軟件設(shè)計一種伏安型電子舌測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計

整個測試系統(tǒng)分為五個部分，傳感器陣列、激勵信號、恒電位電路、數(shù)據(jù)采集卡和人機交互界面，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 伏安型電子舌測試系統(tǒng)框圖

傳感器陣列采用標準的三電極結(jié)構(gòu)，即工作電極、參比電極和輔助電極，工作電極可以為傳感器陣列或者單個工作電極。外加激勵電壓通過恒電位電路將電壓施加到工作電極與參比電極之間，恒電位電路保證工作電極與參比電極之間電位跟隨激勵信號的變化且沒有電流流過。為保證系統(tǒng)中恒電位電路的工作性能，采用天津蘭力科電化學(xué)有限公司生產(chǎn)的恒電位電路板。由工作電極和輔助電極形成回路將工作電極產(chǎn)生的電流響應(yīng)信號通過電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后由數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳送到上位機，通過LabVIEW軟件編寫的人機交互界面對響應(yīng)信號進行顯示，并將數(shù)據(jù)另存為EXCEL文件，為多變量分析提供數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

采用數(shù)據(jù)采集卡USB6211結(jié)合LabVIEW軟件主要為了提高系統(tǒng)的測量精度，它們主要完成激勵信號的產(chǎn)生和工作電極響應(yīng)信號的采集工作。

2.1 LabVIEW簡介

LabVIEW是一種圖形化編程語言，作為數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件的標準被廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究性實驗室。LabVIEW推動了計算機與測量儀器的結(jié)合，它來源于傳統(tǒng)設(shè)計語言的順序特性并以易用的圖形化設(shè)計環(huán)境為特色，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等工具，使用圖形化設(shè)計語言G語言，能在很短的時間內(nèi)解決多種問題。

2.2 USB6211

根據(jù)被測系統(tǒng)的需要數(shù)據(jù)采集卡選用了NI公司的USB6211，它是一款M系列的多功能數(shù)據(jù)采集卡模塊，該模塊提供了16位模擬輸入輸出通道。其中差分輸入8路，單端模擬輸入通道16路，輸入輸出通道采樣率為250 kS/s；模擬輸出通道2路，模擬輸入和輸出電壓的范圍是-10～10 V，滿足本系統(tǒng)信號源電壓和數(shù)據(jù)采集范圍的需要。

2.3 激勵信號產(chǎn)生電路

常用的激勵信號有大幅脈沖、小幅脈沖、階梯波和調(diào)頻調(diào)幅脈沖等，產(chǎn)生這幾種波形信號的數(shù)學(xué)模型為：

其中：u為輸出電壓，UM是電壓變量，激勵信號電壓幅值；N是同一頻率下激勵信號一個周期電壓變換值的次數(shù)，不同的電壓變換波形對N設(shè)定的值不同，以0.1～-0.6 V小幅脈沖為例N取值為16；采用軟件定時設(shè)定脈沖寬度，若電平寬度為0.5 s，軟件定時時間設(shè)定為500 ms，實驗測試所用的小幅脈沖程序如圖2所示，更多的波形輸出方式及實現(xiàn)查閱參考文獻[6]。

圖2 0.1～-0.6 V小幅脈沖電壓程序框圖

2.4 數(shù)據(jù)采集與顯示

數(shù)據(jù)采集與顯示程序如圖3所示，首先采用DAQmx Create Virtual Channel創(chuàng)建一個虛擬通道，同時根據(jù)所用采集卡的特點，將輸入電壓范圍設(shè)置為-10～10 V；接線端的配置設(shè)定為“單端接地”，通過采樣時鐘設(shè)定采樣率為100 S/s，因為是對模擬連續(xù)數(shù)據(jù)的采集，采樣模式設(shè)定為連續(xù)采樣；采樣數(shù)是一次采樣存儲的數(shù)據(jù)，所以它需要根據(jù)激勵信號的頻率和所需要設(shè)定的波形數(shù)來確定。為將采樣的數(shù)據(jù)采用EXCEL格式的文件存儲，采用DAQmx Configure logging.vi，只要設(shè)定記錄模式和文件的路徑即可。

采用DAQmx Start Task.vi 運行任務(wù)，通過DAQmx Read.vi從指定的虛擬通道和任務(wù)中讀取采樣值，輸出的數(shù)據(jù)通過示波器顯示。測量完成后，通過DAQmx Stop Task.vi來停止測試任務(wù)，并使用DAQmx Clear Task.vi來消除任務(wù)，釋放任務(wù)曾占有的資源[7]。

圖3 數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲程序

3 實驗結(jié)果

根據(jù)銅電極與摻雜牛奶中三聚氰胺反應(yīng)能產(chǎn)生銅偶離子對這一特性[8]，采用本系統(tǒng)對5個純牛奶樣品和5個摻雜濃度160 mg/L的摻雜三聚氰胺牛奶進行檢測。工作電極采用盤狀銅電極，其直徑為2 cm，純度為99.9％。輔助電極和參比電極分別采用鉑絲和飽和甘汞電極，采用小幅脈沖作為激勵信號，通過循環(huán)伏安法測試結(jié)果確定小幅脈沖的電壓范圍為0.1～-0.6 V和脈沖變換周期為1 s。

3.1 實驗測試結(jié)果

圖4顯示了采用激勵信號為0.1～-0.6 V的小幅脈沖電壓激勵信號波形圖，每個電平維持的時間是500 ms。將激勵信號采集到上位機如圖4所示。

圖4 人機交互界面圖

當(dāng)激勵信號通過恒電位儀施加給工作電極和參比電極時，工作電極表面的會發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，響應(yīng)電流通過工作電極與輔助電極產(chǎn)生的回路，然后通過I/V轉(zhuǎn)換電路，將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，從而通過數(shù)據(jù)采集卡將電壓響應(yīng)采集到LabVIEW應(yīng)用程序。

3.2 實驗分析結(jié)果

實驗分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 實驗結(jié)果

銅電極在純牛奶中的響應(yīng)信號如圖5（a）所示，每個樣品測試完成后，對電極進行打磨，用超純水對電極表面進行清洗，然后將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL文件，Mij為原始數(shù)據(jù)矩陣，行代表被測試的樣品數(shù)，列代表響應(yīng)變量，mj表示每一列數(shù)據(jù)。對測試數(shù)據(jù)進行截取后產(chǎn)生10×850的二維矩陣作為多變量數(shù)據(jù)分析對象。為了減小傳感器漂移對測試數(shù)據(jù)的影響，首先對測試數(shù)據(jù)中心化處理，每個變量減去在相同電壓下響應(yīng)信號的平均值，如式（2）所示。

將處理后的數(shù)據(jù)采用主成分分析法對測試結(jié)果進行分析，PCA主要起到兩個作用：（1）是對采集的數(shù)據(jù)進行降維，減小數(shù)據(jù)的冗余量；（2）是通過得分矩陣，對樣品進行分析。采用奇異值分解方法，如公式（3）。

T為得分矩陣，反應(yīng)樣品之間的差異性，前3個主成分分別為：71.424 4％，19.333 4％，4.958 8％；L為在載荷矩陣，反應(yīng)出每個變量的貢獻率。采用PC1和PC3所得分析如圖5（b）所示。紅色代表純牛奶樣品，藍色的代表加入160 mg/L三聚氰胺的摻雜牛奶。從圖5（b）中可以看出，純牛奶分布在得分圖左上方，PC3＞0的部分，而摻雜三聚氰胺牛奶分布在得分圖右下方，PC3＜0的部分。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡USB6211設(shè)計實現(xiàn)了一種伏安型電子舌檢測系統(tǒng)，完成了伏安型電子舌常用的激勵信號數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲電路的設(shè)計，并采用純牛奶樣品和摻雜濃度為160 mg/L三聚氰胺摻雜牛奶進行測試，測試數(shù)據(jù)通過主成分分析后能將其區(qū)分開來，通過實驗證明，該系統(tǒng)能夠應(yīng)用于牛奶摻雜物的測試。

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[2] 于亞萍，趙輝，楊仁杰，等. 伏安型電子舌在食品檢測中的應(yīng)用研究進展[J]. 天津農(nóng)學(xué)院學(xué)報，2014，21（2）：45-48，54.

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[8] Lígia Bueno，William R. de Araujo，Maiara O. Salles，et al. Voltammetric electronic tongue for discrimination of milk adulterated with urea, formaldehyde and melamine[J].Chemosensors，2014，2：251-266.

Design and Implementation of Voltammetric Electronic Tongue Test System Based on USB6211 and LabVIEW

ZHOU Yi-lin1, KANG Guan-peng1, WANG Zhi-bin1, WU Tao1, YU Ya-ping1,2，CorrespondingAuthor, ZHAO Hui1,2, YANG Ren-jie1
（1. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. School of Electrical Engineering & Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China）

A new measurement technology, voltammetric electronic tongue based on partially overlapping sensitive electrodes coupled with multivariable data analysis, has been used in detecting lipid food. It consists of external excitation signal sources, sensors array, potentiostat, data acquisition and multivariable data analysis method, which collects the size and shape of the transient response of tested objective from working electrodes. Aiming at these problems of electrochemical workstation that are expensive and only extracts feature information of electrochemical reaction, a kind of voltammetric electronic tongue test system has been developed, and the system achieved response data acquisition, display and storage by USB6211 and LabVIEW. The test results show that the difference of pure milk and melamine-tainted milk with concentration of 160 mg/L can be discriminated by using principal component analysis, the system has better stability.

voltammetric electronic tongue; LabVIEW; data acquisition; human-computer interfaces; USB6211

TP273

A

1008-5394（2016）04-0047-04

2016-03-03

天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“基于伏安型電子舌摻雜尿素牛奶檢測系統(tǒng)的開發(fā)”（201510061093）；天津市自然科學(xué)基金項目“基于二維相關(guān)熒光譜土壤中PAHs信息提取及檢測方法研究”（14JCYBJC30400）

周奕霖（1992-），男，河南周口人，本科在讀，主要從事儀器測量與控制專業(yè)研究。E-mail：2252829014@qq.com。

于亞萍（1979-），女，河南禹州人，副教授，博士在讀，主要從事控制科學(xué)與工程方向研究。E-mail：yaping261@163.com。