張峰 姚佳佩 童維媛 成岳恒

摘要：目前，采用電阻抗方法對(duì)肉品進(jìn)行鮮度評(píng)價(jià)的相關(guān)研究中，電極通常采用針狀電極。針狀電極測(cè)量中需要刺入肉品內(nèi)部，會(huì)在一定程度上破壞肉品外觀，影響該型式電極的廣泛使用。本文提出采用表面微電極進(jìn)行阻抗測(cè)量，微電極僅需要與肉品表面接觸即可進(jìn)行測(cè)量。通過印制電路板加工技術(shù)制作了一組表面微電極，通過鹽水水槽實(shí)驗(yàn)對(duì)該組電極進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，表面微電極的參數(shù)與測(cè)量準(zhǔn)確度之間存在明顯的相關(guān)關(guān)系。采用最優(yōu)的電極參數(shù)設(shè)計(jì)，表面微電極用于電阻抗測(cè)量可以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電阻抗測(cè)量；表面電極；微電極；水槽實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TH79 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）33-0250-02

1 背景技術(shù)

隨著肉品新鮮度的降低，微生物生長(zhǎng)繁殖使蛋白質(zhì)、脂肪等組織成分分解，由原來的大分子分解成一系列的小分子物質(zhì)，如氨基酸、有機(jī)酸、胺類等，使得肉品的導(dǎo)電性增大。張丙明采用不銹鋼針插入豬肉或牛肉測(cè)量電導(dǎo)率[1]。張軍用四針狀電極結(jié)構(gòu)測(cè)量鯽魚阻抗[2]。針狀電極測(cè)量中需要刺入肉品內(nèi)部[3]，會(huì)在一定程度上破壞肉品外觀，影響該電極形式的廣泛使用。

2表面微電極阻抗譜測(cè)量方法及裝置

表面微電極阻抗譜測(cè)量采用圖1a所示的方案，采用美國(guó)AD公司的AD5933芯片完成阻抗測(cè)量，采用LABVIEW開發(fā)上位機(jī)軟件，上位機(jī)主要負(fù)責(zé)串口通信、接收阻抗數(shù)據(jù)并繪制阻抗譜及保存數(shù)據(jù)文件[4]。具體測(cè)量場(chǎng)景如圖1b所示，自制電極采用表面電極方式，實(shí)物如圖1b右上角所示。自制一組電極7個(gè)，中心圓形為激勵(lì)電極，環(huán)形為采樣電極。電極型號(hào)定義規(guī)則為：激勵(lì)電極直徑D-激勵(lì)電極與采樣電極間隔距離-采樣電極寬度R。以D3-1P5-R2電極為例，表示該電極的激勵(lì)電極直徑3mm，激勵(lì)電極與采樣電極間隔1.5mm，環(huán)形采樣電極寬度2mm。該組電極的具體型號(hào)有7個(gè)，分別是D2-1-R2、D2-2P5-R1、D3-1P5-R2、D3-1P75-R1、D4-1-R2、D4-1P5-R1和D4-1P25-R1。

3實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過往水槽中添加氯化鈉，配置不同電導(dǎo)率的水溶液。水溶液的真實(shí)電導(dǎo)率通過TDS&EC; EZ-1型電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x獲得，該儀表的電導(dǎo)率測(cè)量范圍為0～9990us/cm，準(zhǔn)確度為±2%。然后通過圖1所示的表面微電極電阻抗譜測(cè)量裝置測(cè)量水溶液的電導(dǎo)納幅值。對(duì)真實(shí)值與測(cè)量值進(jìn)行比對(duì)。七個(gè)電極的測(cè)量結(jié)果差異明顯，但趨勢(shì)類似，因此僅給出圖2所示D4-1-R2電極的測(cè)量結(jié)果。

表面電極測(cè)量所獲得的電導(dǎo)納應(yīng)與水溶液的電導(dǎo)率成線性關(guān)系，線性系數(shù)與電極的參數(shù)有關(guān)。因此，我們將真實(shí)數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合，以確定系數(shù)R-square表示兩組數(shù)據(jù)匹配的程度。

對(duì)圖2所獲得的六條不同頻率下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行直線擬合，擬合方程為f（x）=p1x+p2，即可以獲得一組R-square。采用相同方法可以獲得七個(gè)電極在不同頻率下的R-square。

4 結(jié)論

表面微電極可以用于阻抗譜的測(cè)量。表面微電極的參數(shù)直接影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。7個(gè)電極中，D4-1P5-R1測(cè)量性能最優(yōu)，其次分別是D3-1P75-R1、D3-1P5-R2、D2-2P5-R1、D4-1-R2、D4-1P25-R1和D2-1-R2。前四個(gè)電極電極性能突出，可以用于5k-65k Hz整個(gè)頻段的測(cè)量。電極的測(cè)量準(zhǔn)確度普遍隨著測(cè)量頻率的升高而提升，這與電極極化電容有關(guān)，測(cè)量頻率越高，極化阻抗越小。根據(jù)表1可見，電極中心激勵(lì)電極直徑越大、間隔越寬，測(cè)量準(zhǔn)確度越高。分析原因可能在于，測(cè)量裝置采用電流激勵(lì)、電壓采樣方式，中心電極為電流激勵(lì)電極，中心電極直徑越大，極化電容就越大，因此極化效應(yīng)帶來的阻抗就越小。中心電極與環(huán)形電極的間隔寬一些，測(cè)量準(zhǔn)確度更高，可能源于這樣可以使電流路徑半球狀分布，路徑更為規(guī)則。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，中心電極的直徑取4mm、間隔取1.5mm、環(huán)形電極寬度取1mm的表面微電極用于阻抗譜的測(cè)量可以獲得優(yōu)異的測(cè)量結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1]張丙明，劉芝平，傅啟勇，等.肉類多功能檢測(cè)儀的研制[J].中國(guó)獸醫(yī)科技，1993（2）：34-36.

[2]張軍，李小昱，王為，等.用阻抗特性評(píng)價(jià)鯽魚鮮度的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007， 23（6）：44-48.

[3] Zhao X， Zhuang H， Yoon S C， et al. Electrical Impedance Spectroscopy for Quality Assessment of Meat and Fish： A Review on Basic Principles， Measurement Methods， and Recent Advances[J]. Journal of Food Quality， 2017， 2017（2）：1-16.

[4] 馮江濤， 張峰， 李帆，等. 基于電阻抗譜的肉品類別快速鑒別方法研究[J]. 電腦知識(shí)與技術(shù)， 2018（8）：243-245.

【通聯(lián)編輯：梁書】