應(yīng)用于電阻抗測量的表面微電極研究

張峰 姚佳佩 童維媛 成岳恒

摘要：目前，采用電阻抗方法對肉品進行鮮度評價的相關(guān)研究中，電極通常采用針狀電極。針狀電極測量中需要刺入肉品內(nèi)部，會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行阻抗測量，微電極僅需要與肉品表面接觸即可進行測量。通過印制電路板加工技術(shù)制作了一組表面微電極，通過鹽水水槽實驗對該組電極進行了測試。測試結(jié)果表明，表面微電極的參數(shù)與測量準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，表面微電極用于電阻抗測量可以獲得準確的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：電阻抗測量；表面電極；微電極；水槽實驗

中圖分類號：TH79 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：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量電導(dǎo)率[1]。張軍用四針狀電極結(jié)構(gòu)測量鯽魚阻抗[2]。針狀電極測量中需要刺入肉品內(nèi)部[3]，會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量方法及裝置

表面微電極阻抗譜測量采用圖1a所示的方案，采用美國AD公司的AD5933芯片完成阻抗測量，采用LABVIEW開發(fā)上位機軟件，上位機主要負責(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]。具體測量場景如圖1b所示，自制電極采用表面電極方式，實物如圖1b右上角所示。自制一組電極7個，中心圓形為激勵電極，環(huán)形為采樣電極。電極型號定義規(guī)則為：激勵電極直徑D-激勵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，表示該電極的激勵電極直徑3mm，激勵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有7個，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實驗設(shè)計

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

表面電極測量所獲得的電導(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，我們將真實數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)進行直線擬合，以確定系數(shù)R-square表示兩組數(shù)據(jù)匹配的程度。

對圖2所獲得的六條不同頻率下的測量結(jié)果進行直線擬合，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量。表面微電極的參數(shù)直接影響測量的準確度。7個電極中，D4-1P5-R1測量性能最優(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。前四個電極電極性能突出，可以用于5k-65k Hz整個頻段的測量。電極的測量準確度普遍隨著測量頻率的升高而提升，這與電極極化電容有關(guān)，測量頻率越高，極化阻抗越小。根據(jù)表1可見，電極中心激勵電極直徑越大、間隔越寬，測量準確度越高。分析原因可能在于，測量裝置采用電流激勵、電壓采樣方式，中心電極為電流激勵電極，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，測量準確度更高，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量可以獲得優(yōu)異的測量結(jié)果。

參考文獻：

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

[2]張軍，李小昱，王為，等.用阻抗特性評價鯽魚鮮度的試驗研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，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]. 電腦知識與技術(shù)， 2018（8）：243-245.

【通聯(lián)編輯：梁書】