白瑞峰, 于赫洋, 王 超, 孫哲華

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

結(jié)合創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院 電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心, 天津 300072)

結(jié)合電氣信息類專業(yè)特點和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練,針對生物阻抗肉類品質(zhì)檢測平臺的功能進行了設(shè)計。利用Matlab與LabVIEW混合編程開發(fā)了開放的算法模塊,設(shè)計了可實時反饋解調(diào)模塊的偏置與增益自校驗?zāi)K,以減小系統(tǒng)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(tǒng)的靈敏度和精度。該平臺為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練提供基礎(chǔ)和條件。

生物電阻抗； 無損檢測； 便攜式系統(tǒng)； 實驗教學(xué)； 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)

1 研究背景及目標(biāo)

近年來,天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院在本科生教學(xué)工作中,有針對性地加強了面向創(chuàng)新能力培養(yǎng)的環(huán)節(jié),先后構(gòu)建起大學(xué)生創(chuàng)新實驗室和設(shè)計創(chuàng)新實驗室,并配備了無人機、磁懸浮、倒立擺等實驗臺,構(gòu)建起基礎(chǔ)型—綜合型—創(chuàng)新型的多層次、開放式實踐教學(xué)體系,開設(shè)了一些具有較強應(yīng)用背景的創(chuàng)新型實驗。其中,自動化專業(yè)學(xué)生參與的“生物阻抗肉類品質(zhì)檢測平臺”項目取得了階段性成果,并獲得大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目資助。

我國是一個人口大國,也是肉類生產(chǎn)和消費大國,全國肉類產(chǎn)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(zhì)越來越受到重視。肉的肥瘦比率、新鮮度是肉類品質(zhì)的重要指標(biāo),對肉類的營養(yǎng)成分、口感、食用價值有著非常重要的影響。國內(nèi)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(xué)方法和物理方法等。感官評價法具有主觀性,受操作人員經(jīng)驗與心理狀態(tài)的影響；微生物法所需檢測設(shè)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(yīng)用；化學(xué)方法準(zhǔn)確性較高,但操作復(fù)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(xù)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(xué)意義和實用價值。

生物阻抗技術(shù)是當(dāng)今熱門的無損檢測技術(shù)之一,該技術(shù)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(jiān)測等特點。生物阻抗技術(shù)最早在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用,由于生物體的相似性,近年來也被用于食品工業(yè)中。文獻[4]介紹了9種水果和蔬菜的阻抗測量結(jié)果,表明果蔬的阻抗特性與新鮮度有強相關(guān)性。文獻[5]研究了在4℃、15℃、25℃條件下和100 kHz的頻率范圍內(nèi),阻抗與魚的新鮮度之間的關(guān)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(xué)指標(biāo)(TVBN)具有一致性。國內(nèi)外眾多學(xué)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(chǎn)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(biāo),建立一套用于評價豬肉品質(zhì)的阻抗測量系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件采用模塊化的設(shè)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(diào)理模塊、解調(diào)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及通信接口單元等部分,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)由計算機對信號源和采集模塊進行數(shù)據(jù)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(fā)出的配置信息。

混頻激勵信號由3個AD7008芯片產(chǎn)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(diào)節(jié)精度為0.087 0。測量手柄含有優(yōu)化設(shè)計的弧形電極[9]。

信號調(diào)理模塊由放大單元、抗混疊濾波器、解調(diào)模塊構(gòu)成,完成信號預(yù)處理及乘法解調(diào)。

數(shù)據(jù)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(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要利用LabVIEW圖形化編程語言實現(xiàn),分為數(shù)據(jù)采集模塊、信號激勵配置模塊、阻抗信息提取及辨識模塊、數(shù)據(jù)庫調(diào)用模塊、系統(tǒng)顯示模塊。

LabVIEW開放性強、界面友好、易于實現(xiàn)較復(fù)雜的系統(tǒng),但工程計算能力有限,難以實現(xiàn)復(fù)雜的算法；而Matlab較LabVIEW在仿真及工程計算方面有明顯優(yōu)勢。因此,本軟件系統(tǒng)使用LabVIEW中的Matlab Script節(jié)點,將LabVIEW與Matlab進行連接,實現(xiàn)跨平臺混合編程,完成阻抗信息的計算與分析,利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)完成檢測結(jié)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(guān)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(tǒng)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(lián)1個精密電阻R,設(shè)計了兩路完全對稱的差分放大與解調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)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(xù)的測量誤差。筆者設(shè)計了減少系統(tǒng)誤差的自校驗?zāi)K,如圖3所示。通過自校驗?zāi)K,可實時、自動地反饋解調(diào)模塊當(dāng)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?zāi)K運行前,需將信號源的同相信號分別接到解調(diào)模塊的兩路輸入信號。

圖3 自校準(zhǔn)部分程序

假設(shè)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(jīng)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(shù)和偏置,則最終輸出為A2/2×K+b。在不同頻率下,根據(jù)不同幅值的實際的輸入,可以擬合得到相應(yīng)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(jié)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(shù),Zi和Zai分別為阻抗測量系統(tǒng)和Agilent 4294A高精度阻抗分析儀在第i個頻率點的測量值。經(jīng)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(tǒng)的測量值與阻抗分析儀所測結(jié)果有很好的一致性,在重復(fù)性實驗中,亦表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

5 遞進式創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)體系

針對電氣信息類專業(yè)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(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育資源[13],構(gòu)建了課程教學(xué)、實踐訓(xùn)練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化等多層次、全方位的遞進式創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系,如圖5所示。

圖5 電氣信息類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系

在該體系下,大學(xué)生課外創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動得到了充分開展,本學(xué)院學(xué)生連續(xù)在“電腦鼠走迷宮大賽”、三菱電機全國大學(xué)生自動化大賽、挑戰(zhàn)杯等競賽中取得優(yōu)異成績,相關(guān)軟硬件設(shè)計方案已得到教學(xué)設(shè)備行業(yè)專業(yè)人士的認可,已具備較好的技術(shù)轉(zhuǎn)讓前景。天津大學(xué)電氣工程與自動化國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心堅持突出創(chuàng)新、注重特色、開放共享原則,全面深化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革,搭建統(tǒng)一的學(xué)生自主實踐平臺,探索創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的模式,構(gòu)建學(xué)生自主實踐的長效機制和良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

6 結(jié)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(tǒng)設(shè)計,并對系統(tǒng)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(tǒng)的準(zhǔn)確性與精度，設(shè)計并優(yōu)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(zhì)特征奠定基礎(chǔ)。該平臺構(gòu)建了課程教學(xué)、實踐訓(xùn)練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化遞進式創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育體系,具有學(xué)科前沿與工程訓(xùn)練相結(jié)合的特點,為提高人才培養(yǎng)質(zhì)量,增強學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力,為培養(yǎng)工科專業(yè)創(chuàng)新型人才、為電氣信息類學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練提供基礎(chǔ)和條件。

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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(xué)2014年校級實驗室建設(shè)改革項目(LAB2014-16)；天津大學(xué)2014年實驗教學(xué)改革與研究項目(2014-44)；天津大學(xué)2016年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201610056030)；天津大學(xué)2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)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(xué)與工程,工業(yè)機器人與阻抗測量技術(shù).

E-mail：bairuifeng@tju.edu.cn

TS251.7;G642

: A

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