基于虚拟仪器的淡水鱼阻抗测量系统

薛大为，杨春兰

(蚌埠学院机械与电子工程系，安徽蚌埠 233030)

0 引言

淡水鱼是我国盛产的鱼类之一，其味道鲜美，营养丰富，受到众多消费者的喜爱。然而，鱼类在运输和存贮过程中很容易出现死亡，随着死亡时间的增长鱼肉新鲜度降低甚至会腐败变质，如果食用变质的鱼肉会损害人体健康。因此，新鲜度是衡量鱼类或鱼肉质量的一个重要指标［1］。目前，常用的鱼肉新鲜度的检测方法有感官评定法、生化测定法、阻抗特性测定法等。感官评定法主要通过人的经验进行判别，受主观因素影响较大，准确度不能保证;生化测定法通过测量鱼体中的生化物质含量进行判别，准确度高，但操作过程繁琐，检测时间较长;阻抗技术测定法是利用生物阻抗技术通过测量鱼体阻抗特性进行判别，具有快速、无损、方便等优点，在农产品领域越来越受到关注［2－3］。准确的测量鱼体的阻抗参数，建立基于阻抗特性的鱼肉新鲜度评价指标，是利用生物阻抗技术对鱼肉新鲜度进行判别的前提。虽然目前有很多种生物阻抗分析仪器，但普遍价格昂贵，可扩展性不强。因此，本文将设计一种基于虚拟仪器技术应用于淡水鱼阻抗的测量系统。

1 鱼体阻抗测量原理

鱼体阻抗测量原理［4］是给鱼体表面施加一小的交变激励电流，测量输出电压，通过测量信号计算出鱼体的复阻抗。测量方法采用四电极测量法［5］，其中一对电极作为激励电极用于输入激励电流，另一对电极作为测量电极用于测量输出电压。鱼体阻抗测量示意图如图1所示。

图1 鱼体阻抗测量示意图

鱼体阻抗测量等效电路如图2所示。其中Z1、Z2为激励电极与测量电极之间的阻抗，Ri为测试电极与鱼体体表面的接触电阻。在使用高输入阻抗的放大器时，接触电阻可以忽略。

图2 鱼体阻抗测量等效电路

2 鱼体阻抗参数提取方法

鱼体阻抗的模值和相角参数信息隐含于测量的电压信号中，需要通过一定的方法提取出来。

2.1 数字解调法

利用数字解调法［6］提取鱼体阻抗的特征参数，首先要对测量电压信号进行整周期采样。

设测量电压信号频率为f，采样频率fs=M×f(M≥2)，共采样p个周期，则总的采样点数N=M× p，测量电压信号序列为:

根据测量信号频率构造正弦参考序列Sr(j)与余弦参考序列Cr(j):

将参考序列与测量电压序列进行相关运算，

因为是整周期采样，因此正余弦序列之和等于0，则

由式(4)可得鱼体阻抗模值与相角为

其中，B为输入激励电流信号幅值。

2.2 串联参考电阻法

上述数字解调法只有在保证输入激励电流与参考信号同相位的条件下，才能提取出相角的精确值［7］。然而激励电流在传输的过程中受到各种因素的影响，相位通常要出现偏移。针对这一问题，可以通过串联参考电阻法来消除相角测量误差［8］。参考电阻法示意图如图3所示。图中，Z为鱼体复阻抗，Rf为参考电阻，Az、Ar、φz、φr分别为鱼体和参考电阻的电压幅值与相角，Uz、Ur分别为鱼体和参考电阻电压。

图3 参考电阻法示意图

设激励电流为I，则

由式(6)可得

由式(7)可知

通过串联参考电阻，利用鱼体电压信号与参考电阻电压信号相位的差值来确定鱼体阻抗的相角，可消除激励电流相位偏移引入的误差。

3 系统硬件设计

系统硬件主要由电流源模块、信号调理模块、数据采集模块、计算机等部分组成。系统结构示意图如图4所示。

图4 系统结构示意图

工作过程中，由电流源模块产生激励电流信号经激励电极施加在鱼体上，测量电极测量的电压信号经过信号调理模块处理后，经数据采集模块采集到计算机，计算机实现数据计算、分析、显示及存储等功能。

3.1 电流源模块

电流源模块由信号发生器和V/I(电压/电流)转换电路组成。在对淡水鱼阻抗特性分析时，需要在较宽的频率范围内进行，且信号幅值和相位可调。针对这些要求，系统采用泰克公司的可程控AFG3052C高性能信号发生器。AFG3052C具有5 MHZ频宽，可通过USB接口与计算机连接，由计算机编制程序对其进行控制。

V/I转换电路功能就是将信号发生器产生的电压信号转换成电流信号。系统采用具有第二代电流镜传输功能的AD844芯片，同时为了提高转换精度，增加前置输入缓冲器和直流反馈单元(DCFB)［9］。V/I转换电路的原理图如图5所示。电流源输出电流io=Vi/Rb。

图5 V/I转换电路的原理图

3.2 信号调理模块

由于鱼体阻抗的测量电压信号通常很微弱，一般为毫伏级，在传输过程中极易被噪音淹没，因此必须要对测量电极的测量信号进行预处理。系统采用仪表放大器AD620，该放大器采样差动输入，具有高共模抑制比、10 GΩ左右的高输入阻抗，且增益可调。为了进一步抑制高频噪音和工频干扰，在AD620前端还加入了无源高通与低通滤波器。

3.3 信号采集模块

信号采集模块主要负责将测量信号进行A/D转换输入到计算机。因为阻抗参数提取应用串联参考电阻法，需要对鱼体和参考电阻电压信号同步采样，因此系统选用NI公司的具有同步采样功能的PCI－6111数据采集卡。该采集卡具有2路模拟输入通道、2路模拟输出通道、8路数字输入输出通道、12位输入分辨率、5 MS/s最高采样率，能够满足要求。

4 系统软件设计

系统软件采样虚拟仪器的编程软件LabVIEW进行设计。LabVIEW采用图形化的编程方式，具有界面友好、使用方便、编程效率高等特点［10］。系统软件采用模块化设计主要包括:信号发生器模块、信号采集模块、阻抗参数提取模块、显示模块及数据存储模块。软件的流程图如图6所示。

信号发生器模块完成对AFG3052C信号发生器进行配置，实现对激励电流源的输出信号频率、幅值及相位控制，具有根据设置频率段实现自动扫频输出功能;信号采集模块完成对PCI－6111数据采集卡的控制，将鱼体测量电压信号和参考电阻电压信号采集到计算机;阻抗参数提取模块利用串联参考电阻法通过数字解调将鱼体阻抗的模值和相角计算出来;显示模块实现对采集的鱼体测量电压信号实时显示以及模值和相角结果指示;存储模块根据完成对采集数据进行保存，并对存储数据文件名进行标识，便于后期的分析和处理。

5 实验分析

图6 软件流程图

为了检验阻抗测量系统的准确性，从集贸市场随机购买了10条大小与新鲜度不等的鲢鱼，分别用本系统和Agilent 4294A高精度阻抗分析仪对鱼体阻抗进行测量。因为在对淡水鱼阻抗特性与新鲜度关系进行分析时，通常采用音频范围内激励信号，一般选择在10 HZ～100 KHZ之间，并且随着激励频率的增加，鱼体阻抗测量误差也会增大。因此实验以100 KHZ信号作为激励对系统测量准确度进行验证。实验结果如表1所示。可以看出，鱼体阻抗模值最大相对误差为0.47%，相角最大相对误差为4.35%，系统测量精度较高。

表1 实验结果

6 结论

本文基于虚拟仪器设计了淡水鱼阻抗测量系统，在阻抗参数的提取中采用了串联参考电阻法，解决了由于激励电流相位偏移导致的相角测量误差。系统软件采用LabVIEW进行编写，具有界面友好、操作简单等特点。通过与Agilent 4294A阻抗分析仪进行实验比较，表明该系统具有较高的测量精度。目前，该系统已经应用于对鲢鱼新鲜度检测的研究中，实际使用效果较好。

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