低频电流激励下苹果电阻抗检测系统的研究

论文摘要

近年来，随着人民生活水平的提高，人们对水果需求有了很大的提高，水果品种也在增多，产量也逐年上升，人们对水果品质也有了更高的要求。水果品质的主要评定指标通常包括成熟度、新鲜度、硬度、糖度、酸度等多种理化指标，这些指标可以通过水果的宏观电特性的参数（阻抗Z、导纳Y、介电常数ε）反映出来。因此，国内外许多学者对水果的品质特性的检测进行了大量的研究。生物电阻抗是反映生物组织、器官、细胞或整个生物体电学性质的物理量。生物电阻抗测量技术（Bioelectrical Impedance Measuring Technology）是利用生物组织与器官的电特性（阻抗、导纳、介电常数等）及其变化，提取与生物体生理、病理状况相关的生物医学信息的一种检测技术。这种技术具有无创、廉价、安全、无毒无害、操作简便和信息丰富等特点，因此具有广泛的应用前景。生物组织的阻抗频谱特性，主要是指生物组织电阻抗中，阻性和容性成份的值随着加载电信号频率的不同会发生比较显著的变化，本文依据生物组织的这种特性对苹果进行阻抗频谱的研究，探索水果的新鲜度与其阻抗的关系。本文较全面地介绍了以苹果为对象的生物电阻抗检测系统的工作原理及硬软件的设计。所作的研究工作主要分为两大部分，一是主要完成了实验系统的硬件设计。即对苹果阻抗信号的采集、前置放大、中间滤波，使之进入数字存储示波器显示、分析和处理，最后通过USB接口线传送到计算机进行存储。具体设计内容包括：激励源的设计与实现；检测电路的设计与实现，包括设计滤波电路和具有输入阻抗大、高增益、高共模抑制比的前置放大电路；还有电极与电源电路的设计。二是主要是根据生物阻抗原理即生物组织R-C三元件模型、Cole-Cole理论和频散理论，对以苹果为对象的生物体进行了大量的实验研究，并计算其阻抗模值，实验结果反映了苹果组织在不同频率激励下其电阻抗信息的不同，结论是随着频率的增加其阻抗模值在逐渐减小。我们又以红富士和水晶为例，分别将其放置2天、10天、1个月后检测其阻抗值，实验结果是随着放置时间的变长其阻抗模值越大，从而可以反映出水果的新鲜度与其阻抗的关系，这为水果品质的在线检测提供了一定的参考价值和理论依据。另外，本文也对抗干扰技术也作了有益的尝试。最后，文中提出了本系统尚需进一步改进的意见。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 水果电特性
• 1.2 水果电特性检测研究现状
• 1.3 生物电阻抗基础研究
• 1.3.1 生物电阻抗基础研究进展
• 1.3.2 生物电阻抗测量技术研究进展
• 1.4 研究中存在的问题
• 1.5 课题研究内容
• 1.5.1 总体目标
• 1.5.2 主要内容
• 1.5.3 课题技术思路
• 第二章 生物电阻抗检测的原理及方法
• 2.1 生物阻抗测量原理
• 2.1.1 生物组织三元件模型
• 2.1.2 Cole-Cole理论
• 2.1.3 Schwan频散理论
• 2.2 生物阻抗测量方法
• 2.2.1 电桥测量法
• 2.2.2 双电极测量法
• 2.2.3 四电极测量法
• 2.2.4 四环电极测量法
• 2.2.5 开放端同轴电缆测量法
• 2.3 生物阻抗求解方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 阻抗检测系统的硬件设计
• 3.1 系统总体设计
• 3.2 信号发生系统
• 3.3 电极的选择与设计
• 3.4 恒流源电路的设计
• 3.5 测量电路系统
• 3.5.1 前置放大电路
• 3.5.2 前置放大电路的设计与分析
• 3.5.3 滤波电路的设计
• 3.5.4 测量电路系统的综合仿真与调试
• 3.6 信号采集系统
• 3.6.1 示波器的选型
• 3.6.2 Ultrascope for D55000计算机测控软件简介
• 3.7 系统电源部分的设计
• 3.8 系统抗干扰的设计
• 3.8.1 硬件抗干扰的设计
• 3.8.2 软件抗干扰的设计
• 3.9 本章小结
• 第四章 实验及分析
• 4.1 实验系统
• 4.1.1 实验装置
• 4.1.2 实验方法
• 4.2 苹果阻抗与其新鲜度的关系
• 4.2.1 苹果采后生理概述
• 4.2.2 无激励下苹果电信号
• 4.2.3 苹果阻抗频谱特性
• 4.2.4 红富士苹果阻抗与其新鲜度的关系
• 4.2.5 水晶苹果阻抗与其新鲜度的关系
• 4.3 实验分析
• 4.4 实验的影响因素
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 改进与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 附录
• 致谢