結合創新創業教育的生物阻抗檢測平臺研究

白瑞峰, 于赫洋, 王 超, 孫哲華

(天津大學 電氣與自動化工程學院 電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心, 天津 300072)

結合創新創業教育的生物阻抗檢測平臺研究

白瑞峰, 于赫洋, 王 超, 孫哲華

(天津大學 電氣與自動化工程學院 電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心, 天津 300072)

結合電氣信息類專業特點和創新創業訓練,針對生物阻抗肉類品質檢測平臺的功能進行了設計。利用Matlab與LabVIEW混合編程開發了開放的算法模塊,設計了可實時反饋解調模塊的偏置與增益自校驗模塊,以減小系統誤差。利用Agilent 4294A高精度阻抗分析儀,在1.52 kHz～1.152 MHz的頻率下進行了豬肉組織阻抗的測量,驗證了該系統的靈敏度和精度。該平臺為學生創新創業訓練提供基礎和條件。

生物電阻抗； 無損檢測； 便攜式系統； 實驗教學； 創新創業

1 研究背景及目標

近年來,天津大學電氣與自動化工程學院在本科生教學工作中,有針對性地加強了面向創新能力培養的環節,先后構建起大學生創新實驗室和設計創新實驗室,并配備了無人機、磁懸浮、倒立擺等實驗臺,構建起基礎型—綜合型—創新型的多層次、開放式實踐教學體系,開設了一些具有較強應用背景的創新型實驗。其中,自動化專業學生參與的“生物阻抗肉類品質檢測平臺”項目取得了階段性成果,并獲得大學生創新創業項目資助。

我國是一個人口大國,也是肉類生產和消費大國,全國肉類產量從1985年的1 926.5萬噸增加到2012年8 384萬噸,增長了3.35倍[1]。隨著人民生活水平的提高,肉類的品質越來越受到重視。肉的肥瘦比率、新鮮度是肉類品質的重要指標,對肉類的營養成分、口感、食用價值有著非常重要的影響。國內外對肉類新鮮度的評價主要采用感官評價法和有損檢測法[2],包括微生物方法、化學方法和物理方法等。感官評價法具有主觀性,受操作人員經驗與心理狀態的影響；微生物法所需檢測設備昂貴、測試條件苛刻、檢材的制備繁瑣；物理方法檢測快速,但由于精度不高而不能推廣應用；化學方法準確性較高,但操作復雜、過程繁瑣、成本較高且屬于破壞性檢測,只能抽檢而無法進行連續檢測[3]。因此,有必要研究一種快速有效,且可進行批量檢測的無損檢測方法,這在肉類的銷售、存儲和深加工中有重要的科學意義和實用價值。

生物阻抗技術是當今熱門的無損檢測技術之一,該技術從細胞角度反映組織器官的生理病理信息,具有廉價、操作簡單、無損、可實時監測等特點。生物阻抗技術最早在醫學領域得到應用,由于生物體的相似性,近年來也被用于食品工業中。文獻[4]介紹了9種水果和蔬菜的阻抗測量結果,表明果蔬的阻抗特性與新鮮度有強相關性。文獻[5]研究了在4℃、15℃、25℃條件下和100 kHz的頻率范圍內,阻抗與魚的新鮮度之間的關系;文獻[6-8]證明了魚肉、牛肉、雞肉、狗肉的阻抗特性與其評價新鮮度的化學指標(TVBN)具有一致性。國內外眾多學者的研究成果可以表明,利用阻抗特性判別肉類新鮮度是可行的。

在我國肉類生產和加工中,豬肉占總量的2/3,所以本課題以豬肉為研究對象,以便捷、維護方便和測量精度高為目標,建立一套用于評價豬肉品質的阻抗測量系統。

2 系統硬件設計

系統硬件采用模塊化的設計理念,包括電源模塊、激勵與測量手柄模塊、信號源模塊、信號調理模塊、解調模塊、數據采集模塊及通信接口單元等部分,結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖

該系統由計算機對信號源和采集模塊進行數據處理和實時控制。信號源模塊控制器選用AT89C52單片機,通過RS-232總線接收計算機發出的配置信息。

混頻激勵信號由3個AD7008芯片產生,該芯片頻率控制寄存器32位,頻率分辨率Δf=fclk/232,精度為0.25×10-9,相位寄存器12位,幅值寄存器10位,調節精度為0.087 0。測量手柄含有優化設計的弧形電極[9]。

信號調理模塊由放大單元、抗混疊濾波器、解調模塊構成,完成信號預處理及乘法解調。

數據采集模塊采用NI公司的USB-6259(精度為16位,采集通道共32路,最高單通道采樣速率為1.25 MHz),完成顯示、存儲、計算和分析處理等功能。

3 系統軟件設計

系統軟件主要利用LabVIEW圖形化編程語言實現,分為數據采集模塊、信號激勵配置模塊、阻抗信息提取及辨識模塊、數據庫調用模塊、系統顯示模塊。

LabVIEW開放性強、界面友好、易于實現較復雜的系統,但工程計算能力有限,難以實現復雜的算法；而Matlab較LabVIEW在仿真及工程計算方面有明顯優勢。因此,本軟件系統使用LabVIEW中的Matlab Script節點,將LabVIEW與Matlab進行連接,實現跨平臺混合編程,完成阻抗信息的計算與分析,利用數據庫技術完成檢測結果的查詢和存儲。

生物阻抗檢測平臺集成了課題組前期研究的投影斜率綜合方法:虛部-頻率相關信息的投影斜率、實虛部差值-頻率方法[10-12],部分源程序如圖2所示。

圖2 LabVIEW與Matlab混合編程部分程序

在高頻情況下,系統中元器件的相移會比較大,在掃頻中很難消除誤差影響。為了解決該問題,在激勵與測量手柄模塊中,與被測對象串聯1個精密電阻R,設計了兩路完全對稱的差分放大與解調電路。通過檢測參考電阻與被測組織激勵的相移,消除激勵信號與參考信號的相位偏差。采集前端采用高精度(增益誤差0.06%、相移最高0.08°)的AD8130差分放大器,有效消除了共模干擾,提高了輸入阻抗,減少了對測量通路中檢測電極的影響。

由于解調模塊中乘法器AD734與MAX275均存在偏置與增益,而電源電壓、溫度等會影響增益和偏置。實際的4路解調電路中,由于外圍電路與理論值存在一定誤差,所以4路解調電路的增益與偏置均與理論值存在一定的誤差,從而引起后續的測量誤差。筆者設計了減少系統誤差的自校驗模塊,如圖3所示。通過自校驗模塊,可實時、自動地反饋解調模塊當前的增益與偏置。因測量信號和參考信號采用不同的輸入形式,很難保證信號的同步性,故校驗模塊運行前,需將信號源的同相信號分別接到解調模塊的兩路輸入信號。

圖3 自校準部分程序

假設采用相同的正弦信號為Asin ω t,乘法器輸出電壓的理論計算公式為

U=Asin(w t)·Asin(w t)=A2/2·(1-cos(2w t))

則經濾波器MAX275后的直流量為A2/2。

分別用K和b表示AD734與MAX275的實際的電壓放大倍數和偏置,則最終輸出為A2/2×K+b。在不同頻率下,根據不同幅值的實際的輸入,可以擬合得到相應的斜率與截距。

4 性能測試

以精度為0.05%的Agilent 4294A高精度阻抗分析儀為參考,以1.52 kHz～1.152 MHz的頻率對豬肉組織進行阻抗z測量,測量曲線的趨勢相同(見圖4)。

圖4 豬肉組織阻抗測量結果

為了具體分析,定義相對誤差、最大誤差及相對離散度分別為:

最大誤差=Max|Zi-Zai|

其中,N為頻率點個數,Zi和Zai分別為阻抗測量系統和Agilent 4294A高精度阻抗分析儀在第i個頻率點的測量值。經過分析,實部最大誤差4.328 Ω、相對平均誤差0.32、相對離散度為2.283,虛部最大誤差3.054 Ω、相對平均誤差0.69、相對離散度為1.223。本系統的測量值與阻抗分析儀所測結果有很好的一致性,在重復性實驗中,亦表現出良好的穩定性。

5 遞進式創新創業體系

針對電氣信息類專業的特點,整合原有的生物阻抗測量、GSM通信、條碼掃描、游戲桿操控、擊劍裁判器、智能制造等創新創業教育資源[13],構建了課程教學、實踐訓練、創新創業孵化等多層次、全方位的遞進式創新創業教育體系,如圖5所示。

圖5 電氣信息類創新創業教育體系

在該體系下,大學生課外創新創業活動得到了充分開展,本學院學生連續在“電腦鼠走迷宮大賽”、三菱電機全國大學生自動化大賽、挑戰杯等競賽中取得優異成績,相關軟硬件設計方案已得到教學設備行業專業人士的認可,已具備較好的技術轉讓前景。天津大學電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學中心堅持突出創新、注重特色、開放共享原則,全面深化創新創業教育改革,搭建統一的學生自主實踐平臺,探索創新型人才培養的模式,構建學生自主實踐的長效機制和良好的創新創業生態環境。

6 結語

針對豬肉組織阻抗測量方法,在硬件與軟件方面進行了系統設計,并對系統各個模塊的功能進行了初步的實驗研究。以Agilent 4294A高精度阻抗分析儀為參考,分析了該系統的準確性與精度，設計并優化了用戶界面,有利于操作人員便捷使用；開放的辨識算法模塊為有效提取豬肉組織的阻抗信息和肉類品質特征奠定基礎。該平臺構建了課程教學、實踐訓練、創新創業孵化遞進式創新創業教育體系,具有學科前沿與工程訓練相結合的特點,為提高人才培養質量,增強學生的創新精神、創業意識和創新創業能力,為培養工科專業創新型人才、為電氣信息類學生的創新創業訓練提供基礎和條件。

References)

[1] 成芳,廖宜濤,馬君偉.豬肉品質無損檢測研究進展[J].浙江大學學報:農業與生命科學版,2010,36(2):199-206.

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[3] 劉魁武,成芳,應義斌.豬肉品質檢測的研究進展[J].農業工程學報,2008(增刊1):239-242.

[4] Nigmatullin R R, Nelson S O. Recognition of the fractional kinetics in complex system:Dielectric properties of fresh fruits and vegetables for 0.01 to 1.8 GHz[J].Signal Processing,2006(86):2744-2759.

[5] Niu J, Lee J Y. A New Approach for the Determination of Fish Freshness by Electrochemical Impedance Spectroscopy[J].Journal of Food Science,2000,65(5):780-785.

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[10] Wang Chao, Li Mingdong, Yao Minsi. Impedance feature extraction of breast cancer and the surrounding tissues[C]//2010 3rd International Conference on Biomedical Engineering and Informatics.2010:922-926.

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[13] 白瑞峰,韓洪洪,于赫洋,等.智能制造虛擬實驗系統設計與集成[J].實驗技術與管理,2016,33(6):129-131.

Research on bio-impedance detection platform integrated with innovative and entrepreneurial education

Bai Ruifeng, Yu Heyang, Wang Chao, Sun Zhehua

(National Virtual Simulation Experiment Teaching Center of Electrical Engineering and Automation, School of Electric Engineering and Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Combined with electrical information innovation and entrepreneurship training, the function of meat quality inspection system based on biological impedance is designed. Matlab and LabVIEW are used to develop the open algorithm module. The self-calibration module which can calculate the bias and gain is designed, and the error of the system is reduced. Using Agilent 4294A high precision impedance analyzer for reference, the pork tissue impedance is measured at the frequency from 1.52 kHz to 1.152 MHz. The sensitivity and accuracy of the system are verified, which can lay the foundation for the identification of the characteristics of the meat quality, It provides the basis and conditions for the innovative and entrepreneurial training of the students in electrical information major.

bioelectrical impedance; nondestructive examination; portable system; experimental teaching; innovation and entrepreneurship

10.16791/j.cnki.sjg.2016.12.041

2016-08-25

天津大學2014年校級實驗室建設改革項目(LAB2014-16)；天津大學2014年實驗教學改革與研究項目(2014-44)；天津大學2016年國家級大學生創新創業訓練計劃項目(201610056030)；天津大學2016年大學生創新創業訓練計劃項目(201610056310)

白瑞峰(1987—),男,天津,碩士,工程師,主要研究方向為控制科學與工程,工業機器人與阻抗測量技術.

E-mail：bairuifeng@tju.edu.cn

TS251.7;G642

: A

: 1002-4956(2016)12-0167-04