電鰻放電非接觸式測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李奇安 劉 朋 金 鑫 王 越 周軍小 付貴增 李 悅

(遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院1，遼寧 撫順 113001;中石油天然氣管道局2，河北 廊坊 065000)

0 引言

1786年，意大利生物解剖學(xué)家Galvani發(fā)現(xiàn)了生物電現(xiàn)象，并提出了“動(dòng)物電學(xué)說(shuō)”。1902年，Bernstein通過(guò)“薄膜學(xué)說(shuō)”對(duì)生物電的活動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了解釋。法國(guó)學(xué)者Claude Bernard和瑞士學(xué)者Du Bois等人通過(guò)大量的試驗(yàn)證明，構(gòu)成生物體的任何器官組織和細(xì)胞在活動(dòng)的過(guò)程中均可產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作電位變化，從而形成了生物電[1]。

生物電是一種頻率極低、幅值較小的信號(hào)，且容易受到工頻50 Hz的干擾。因此，生物電信號(hào)的檢測(cè)要求系統(tǒng)具有極高的分辨率、較寬的動(dòng)態(tài)范圍和較強(qiáng)的噪聲抑制能力。人類(lèi)在生物電的研究方面做了大量的工作[2－15]。

文獻(xiàn)[2]介紹了兩種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好的高輸入阻抗差分生物電放大器，并對(duì)并聯(lián)型和串聯(lián)型的多通道生物電放大器進(jìn)行了比較分析。該生物電放大器對(duì)共模干擾信號(hào)具有較強(qiáng)的抑制作用，但是對(duì)極化電壓所產(chǎn)生的干擾卻無(wú)法抑制。通過(guò)引入高精度A/D轉(zhuǎn)換器和低增益直流放大器，消除了極化電壓和基線(xiàn)漂移對(duì)生物電放大器的影響。對(duì)于工頻50 Hz干擾的問(wèn)題，可采用軟件方法濾除。

文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種由低通濾波器和高通濾波器構(gòu)成的50 Hz陷波器，有效抑制了工頻干擾問(wèn)題。

文獻(xiàn)[4]通過(guò)兩電極測(cè)試法和三電極測(cè)試法，對(duì)生物電前置放大器的接地問(wèn)題進(jìn)行了比較分析，其中三電極地懸浮測(cè)試法具有較強(qiáng)的抗工頻干擾能力和抗靜電干擾能力。通過(guò)對(duì)生物體組織中電性質(zhì)的研究表明，每個(gè)組織均具有獨(dú)特的介電常數(shù)和不同表現(xiàn)形式。

生物體組織在不同的頻率下，具有不同的阻抗特性。文獻(xiàn)[5]通過(guò)兩電極法，獲得了生物體組織的幅頻特性和相頻特性。Cole R H在Cole K S基礎(chǔ)之上，建立了生物體組織的等效電路模型即RC三元件模型，并提出了Cole-Cole理論。

文獻(xiàn)[6]利用RC三元件模型，推導(dǎo)出了人體柱體模型與輸入阻抗的計(jì)算方法。

文獻(xiàn)[7]通過(guò)采用抽象化的思想，將生物電阻抗測(cè)量系統(tǒng)劃分為信號(hào)源模塊、激勵(lì)選通模塊、測(cè)量選通模塊和解調(diào)模塊。

文獻(xiàn)[8]分別采用非接觸式的方法，對(duì)心電檢測(cè)和顱內(nèi)水腫血腫等現(xiàn)代醫(yī)學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了研究。

文獻(xiàn)[9]～[15]分別對(duì)電鰻的等效電源和電場(chǎng)參數(shù)模型進(jìn)行了研究。

電鰻的發(fā)電器分布在身體兩側(cè)的肌肉內(nèi)，由8 000多個(gè)肌肉薄片重疊排列而成，每個(gè)肌肉薄片就像一節(jié)“小電池”。若全身肌肉薄片同時(shí)放電，電壓可達(dá)300～800 V。電鰻身體的尾部為正極，頭部為負(fù)極，電流從尾部流向頭部。

本文設(shè)計(jì)了一種新型的非接觸式、可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電鰻放電電壓的裝置，該裝置可檢測(cè)到電鰻相應(yīng)的放電電壓值。信號(hào)采集端用JN5139無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，避免采集端和接收端電源共地串?dāng)_的問(wèn)題。該裝置和PC機(jī)相聯(lián)，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性。

1 生物電非接觸式測(cè)量原理

本文以非極性電容作為存儲(chǔ)電荷的元件，并在電容兩端加高阻值的放電電阻，以防止電容充滿(mǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的不同，電阻取值也不相同。電鰻所放出的電荷，通過(guò)采集端銅柱導(dǎo)線(xiàn)引出，并存儲(chǔ)在采集端的電容元件中，經(jīng)過(guò)計(jì)算(Q=CU)，電鰻放出的電荷可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值。

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境陰暗潮濕，存在多種電磁場(chǎng)干擾，這將影響測(cè)量結(jié)果的精確度。為了濾除電磁場(chǎng)干擾，在魚(yú)缸中放置一個(gè)同水質(zhì)的器皿，該器皿與魚(yú)缸不連通。將連接導(dǎo)線(xiàn)從器皿中引出，作為采集端2與采集端1并同時(shí)差分放大，再經(jīng)過(guò)減法運(yùn)算電路，最終將電磁場(chǎng)干擾濾除。

在實(shí)際試驗(yàn)中，電鰻所放出的電荷通過(guò)八支交錯(cuò)連接的銅柱經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)引出，與采集端存儲(chǔ)電容相連接。銅柱之間距離約為20 cm。

2 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖如圖1所示。

圖1 主程序流程圖Fig.1 Flowchart of the main program

本文采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式。采集端JN5139模塊作為終端節(jié)點(diǎn)，與PC機(jī)相連的JN5139模塊作為路由節(jié)點(diǎn)。當(dāng)顯示端的電壓幅值變化量ΔVout＞400 V時(shí)，燈閃爍，同時(shí)音樂(lè)響起;當(dāng)顯示端電壓幅值變化量ΔVout＜400 V時(shí)，則燈和音樂(lè)不工作，繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)流程圖如圖2所示。

圖2 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.2 Flowchart of wireless network node program

3 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，采用多個(gè)極性電容串聯(lián)充電方法來(lái)模擬電鰻放電并進(jìn)行定量分析。假設(shè)LBC為電鰻身體長(zhǎng)度，LBC=20 cm;電鰻放電電壓為Vin。LAD為采集端銅柱之間間隔長(zhǎng)度，LAD=20 cm;LAB為電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離，LAB=LCD=40 cm，模擬電鰻與采集端銅柱之間的距離及放電電壓值。Vin在40～60 V范圍之內(nèi)，并以ΔVin=5 V遞增變化。LAB在30～35 cm范圍之內(nèi)，并以ΔL=1 cm遞增變化。實(shí)驗(yàn)室模擬電鰻放電框圖如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)室模擬電鰻放電框圖Fig.3 Block diagram of electric eel discharging simulated in the lab

上述試驗(yàn)的目的是測(cè)量Vout=f(Vin，d)中各物理量之間的關(guān)系。其中，Vout為采集端采集電壓值，Vin為電鰻放電電壓值，d為電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離。實(shí)驗(yàn)室模擬電鰻放電數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室模擬電鰻放電數(shù)據(jù)Tab.1 Data of electric eel discharging simulated in the lab

分別將上述試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)取平均值，得到Vout=f(Vin，d)的關(guān)系圖，如圖4和圖5所示。

圖4表示電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離d在30～35 cm分別保持不變時(shí)，采集端采集的電壓值Vout與電鰻放電電壓值Vin之間的變化情況。從圖4所示整體趨勢(shì)可以看出，當(dāng)電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離d保持不變時(shí)，采集端采集的電壓值Vout隨著電鰻放電電壓值Vin的增加而增加。

圖5表示電鰻放電電壓Vin在40～60 V之間分別保持不變時(shí)，采集端采集的電壓值Vout和電鰻放電位置與采集端銅柱之間距離d之間的變化情況。從圖5所示整體趨勢(shì)可以看出，當(dāng)電鰻放電電壓Vin保持不變時(shí)，采集端采集電壓值Vout將隨著電鰻與采集端銅柱之間距離d的增加而減小。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

上位機(jī)為操作人員提供了人機(jī)交互界面，上位機(jī)通過(guò)USB接口與路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，并顯示電鰻放電電量隨時(shí)間變化的波形。

路由節(jié)點(diǎn)的主要功能包括接收上位機(jī)的命令，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸把命令傳送給終端節(jié)點(diǎn)，同時(shí)將終端節(jié)點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。終端節(jié)點(diǎn)的主要功能包括接收路由節(jié)點(diǎn)命令，并將測(cè)量結(jié)果通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳送給路由節(jié)點(diǎn)。

現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)結(jié)果如圖6所示。

圖6 電鰻放電現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)Fig.6 Curve of field monitor of electric eel discharging

由圖6可以看出，在0～3 000 s和4 000～6 000 s之間，測(cè)量電壓幅值保持平衡，未發(fā)現(xiàn)有較大浮動(dòng);在3 000～4 000 s之間有2個(gè)較大的幅值變化，電壓幅值變化范圍在100～1 200 V之間。

由現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)可知，電鰻并不是時(shí)時(shí)放電的，只有在遇到敵害和捕捉食物時(shí)，才釋放高電壓，其余時(shí)間處于不放電狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電鰻放電電壓，避免了電源共地串?dāng)_問(wèn)題。數(shù)據(jù)采集端電壓Vout與電鰻放電電壓值Vin有關(guān)，同時(shí)也與電鰻放電位置到采集端銅柱之間距離d有關(guān)。但由于電鰻電壓測(cè)量值的大小與電鰻放電位置、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置、電鰻大小等眾多不確定因素相關(guān)，因此未能推導(dǎo)出Vout=f(Vin，d)的準(zhǔn)確關(guān)系。此外，數(shù)據(jù)采集端采用雙排交叉直線(xiàn)型的連接方法作為探測(cè)頭，精確度較差。若高精確度采集電鰻放電電荷，可采用矩陣式的采集方法。該方法可使探測(cè)頭與電鰻放電時(shí)電荷分布的接觸面積大大增加，從而可最大限度地存儲(chǔ)電鰻放電電荷。電鰻放電周?chē)艌?chǎng)變化情況需要用更準(zhǔn)確、更先進(jìn)的方法來(lái)測(cè)定，該試驗(yàn)也有待進(jìn)一步完善。

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