基于USB6211和LabVIEW伏安型電子舌測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周奕霖，康冠朋，王志斌，吳 濤，于亞萍,2,通信作者，趙 輝,2，楊仁杰

（1．天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津300384；2．天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072）

基于USB6211和LabVIEW伏安型電子舌測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周奕霖1，康冠朋1，王志斌1，吳 濤1，于亞萍1,2,通信作者，趙 輝1,2，楊仁杰1

（1．天津農(nóng)學(xué)院 工程技術(shù)學(xué)院，天津300384；2．天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072）

伏安型電子舌是對(duì)液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)的一種新型測(cè)試系統(tǒng)，主要采用交互敏感電極陣列結(jié)合多變量數(shù)據(jù)分析方法對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行定性或定量分析。整個(gè)系統(tǒng)由激勵(lì)信號(hào)源、傳感器陣列、恒電位電路、數(shù)據(jù)采集電路和多變量數(shù)據(jù)分析軟件組成，在外加激勵(lì)信號(hào)作用下，對(duì)工作電極響應(yīng)信號(hào)的大小或響應(yīng)信號(hào)圖的形狀進(jìn)行采集與分析。本文針對(duì)電化學(xué)工作站價(jià)格昂貴并且進(jìn)行伏安檢測(cè)時(shí)只提取電化學(xué)反應(yīng)特征信息的不足，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種伏安型電子舌檢測(cè)系統(tǒng)。本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集卡USB6211結(jié)合LabVIEW軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生和伏安響應(yīng)數(shù)據(jù)的采集、顯示與存儲(chǔ)。采用主成分分析法對(duì)純牛奶和摻雜濃度為160 mg/L三聚氰胺牛奶測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析結(jié)果能清楚的區(qū)分該實(shí)驗(yàn)中純牛奶和摻雜牛奶樣品，整個(gè)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。

伏安型電子舌；LabVIEW；數(shù)據(jù)采集；人機(jī)界面；USB6211

在傳統(tǒng)電化學(xué)測(cè)試中，一般要求選擇特異性傳感器對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)試，但選擇性強(qiáng)的特異傳感器很難確定，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，伏安型電子舌采用選擇性不是很強(qiáng)的交互敏感電極陣列來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)選擇性很強(qiáng)的特異性傳感器。它由交互敏感的貴金屬作為傳感器陣列和多變量數(shù)據(jù)分析處理單元構(gòu)成，將傳感器測(cè)試的電信號(hào)與被測(cè)對(duì)象的特性聯(lián)系在一起，盡管每個(gè)電極的選擇性比較低，但整個(gè)傳感器陣列還是能獲取被測(cè)對(duì)象相當(dāng)大的信息量，從而達(dá)到對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行定性或定量的分析的目的[1]。電子舌分為：電勢(shì)型、電導(dǎo)型、伏安型等，目前商用最廣泛的電子舌是α-ASTREE公司的電勢(shì)型電子舌，該電子舌價(jià)格昂貴，且電勢(shì)型電子舌易受溫度的影響。伏安型電子舌因其具有好的敏感性、測(cè)試方式多樣性、設(shè)備簡(jiǎn)單且魯棒性強(qiáng)，而得到廣泛的應(yīng)用[2-5]。該論文采用USB6211和LabVIEW軟件設(shè)計(jì)一種伏安型電子舌測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)分為五個(gè)部分，傳感器陣列、激勵(lì)信號(hào)、恒電位電路、數(shù)據(jù)采集卡和人機(jī)交互界面，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 伏安型電子舌測(cè)試系統(tǒng)框圖

傳感器陣列采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極結(jié)構(gòu)，即工作電極、參比電極和輔助電極，工作電極可以為傳感器陣列或者單個(gè)工作電極。外加激勵(lì)電壓通過(guò)恒電位電路將電壓施加到工作電極與參比電極之間，恒電位電路保證工作電極與參比電極之間電位跟隨激勵(lì)信號(hào)的變化且沒(méi)有電流流過(guò)。為保證系統(tǒng)中恒電位電路的工作性能，采用天津蘭力科電化學(xué)有限公司生產(chǎn)的恒電位電路板。由工作電極和輔助電極形成回路將工作電極產(chǎn)生的電流響應(yīng)信號(hào)通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后由數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)，通過(guò)LabVIEW軟件編寫(xiě)的人機(jī)交互界面對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行顯示，并將數(shù)據(jù)另存為EXCEL文件，為多變量分析提供數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用數(shù)據(jù)采集卡USB6211結(jié)合LabVIEW軟件主要為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，它們主要完成激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生和工作電極響應(yīng)信號(hào)的采集工作。

2.1 LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEW是一種圖形化編程語(yǔ)言，作為數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件的標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究性實(shí)驗(yàn)室。LabVIEW推動(dòng)了計(jì)算機(jī)與測(cè)量?jī)x器的結(jié)合，它來(lái)源于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言的順序特性并以易用的圖形化設(shè)計(jì)環(huán)境為特色，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、結(jié)果顯示等工具，使用圖形化設(shè)計(jì)語(yǔ)言G語(yǔ)言，能在很短的時(shí)間內(nèi)解決多種問(wèn)題。

2.2 USB6211

根據(jù)被測(cè)系統(tǒng)的需要數(shù)據(jù)采集卡選用了NI公司的USB6211，它是一款M系列的多功能數(shù)據(jù)采集卡模塊，該模塊提供了16位模擬輸入輸出通道。其中差分輸入8路，單端模擬輸入通道16路，輸入輸出通道采樣率為250 kS/s；模擬輸出通道2路，模擬輸入和輸出電壓的范圍是-10～10 V，滿足本系統(tǒng)信號(hào)源電壓和數(shù)據(jù)采集范圍的需要。

2.3 激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路

常用的激勵(lì)信號(hào)有大幅脈沖、小幅脈沖、階梯波和調(diào)頻調(diào)幅脈沖等，產(chǎn)生這幾種波形信號(hào)的數(shù)學(xué)模型為：

其中：u為輸出電壓，UM是電壓變量，激勵(lì)信號(hào)電壓幅值；N是同一頻率下激勵(lì)信號(hào)一個(gè)周期電壓變換值的次數(shù)，不同的電壓變換波形對(duì)N設(shè)定的值不同，以0.1～-0.6 V小幅脈沖為例N取值為16；采用軟件定時(shí)設(shè)定脈沖寬度，若電平寬度為0.5 s，軟件定時(shí)時(shí)間設(shè)定為500 ms，實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的小幅脈沖程序如圖2所示，更多的波形輸出方式及實(shí)現(xiàn)查閱參考文獻(xiàn)[6]。

圖2 0.1～-0.6 V小幅脈沖電壓程序框圖

2.4 數(shù)據(jù)采集與顯示

數(shù)據(jù)采集與顯示程序如圖3所示，首先采用DAQmx Create Virtual Channel創(chuàng)建一個(gè)虛擬通道，同時(shí)根據(jù)所用采集卡的特點(diǎn)，將輸入電壓范圍設(shè)置為-10～10 V；接線端的配置設(shè)定為“單端接地”，通過(guò)采樣時(shí)鐘設(shè)定采樣率為100 S/s，因?yàn)槭菍?duì)模擬連續(xù)數(shù)據(jù)的采集，采樣模式設(shè)定為連續(xù)采樣；采樣數(shù)是一次采樣存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，所以它需要根據(jù)激勵(lì)信號(hào)的頻率和所需要設(shè)定的波形數(shù)來(lái)確定。為將采樣的數(shù)據(jù)采用EXCEL格式的文件存儲(chǔ)，采用DAQmx Configure logging.vi，只要設(shè)定記錄模式和文件的路徑即可。

采用DAQmx Start Task.vi 運(yùn)行任務(wù)，通過(guò)DAQmx Read.vi從指定的虛擬通道和任務(wù)中讀取采樣值，輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)示波器顯示。測(cè)量完成后，通過(guò)DAQmx Stop Task.vi來(lái)停止測(cè)試任務(wù)，并使用DAQmx Clear Task.vi來(lái)消除任務(wù)，釋放任務(wù)曾占有的資源[7]。

圖3 數(shù)據(jù)采集、顯示與存儲(chǔ)程序

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)銅電極與摻雜牛奶中三聚氰胺反應(yīng)能產(chǎn)生銅偶離子對(duì)這一特性[8]，采用本系統(tǒng)對(duì)5個(gè)純牛奶樣品和5個(gè)摻雜濃度160 mg/L的摻雜三聚氰胺牛奶進(jìn)行檢測(cè)。工作電極采用盤(pán)狀銅電極，其直徑為2 cm，純度為99.9％。輔助電極和參比電極分別采用鉑絲和飽和甘汞電極，采用小幅脈沖作為激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)循環(huán)伏安法測(cè)試結(jié)果確定小幅脈沖的電壓范圍為0.1～-0.6 V和脈沖變換周期為1 s。

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖4顯示了采用激勵(lì)信號(hào)為0.1～-0.6 V的小幅脈沖電壓激勵(lì)信號(hào)波形圖，每個(gè)電平維持的時(shí)間是500 ms。將激勵(lì)信號(hào)采集到上位機(jī)如圖4所示。

圖4 人機(jī)交互界面圖

當(dāng)激勵(lì)信號(hào)通過(guò)恒電位儀施加給工作電極和參比電極時(shí)，工作電極表面的會(huì)發(fā)生氧化-還原反應(yīng)，響應(yīng)電流通過(guò)工作電極與輔助電極產(chǎn)生的回路，然后通過(guò)I/V轉(zhuǎn)換電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，從而通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡將電壓響應(yīng)采集到LabVIEW應(yīng)用程序。

3.2 實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

銅電極在純牛奶中的響應(yīng)信號(hào)如圖5（a）所示，每個(gè)樣品測(cè)試完成后，對(duì)電極進(jìn)行打磨，用超純水對(duì)電極表面進(jìn)行清洗，然后將采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL文件，Mij為原始數(shù)據(jù)矩陣，行代表被測(cè)試的樣品數(shù)，列代表響應(yīng)變量，mj表示每一列數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行截取后產(chǎn)生10×850的二維矩陣作為多變量數(shù)據(jù)分析對(duì)象。為了減小傳感器漂移對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，首先對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)中心化處理，每個(gè)變量減去在相同電壓下響應(yīng)信號(hào)的平均值，如式（2）所示。

將處理后的數(shù)據(jù)采用主成分分析法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，PCA主要起到兩個(gè)作用：（1）是對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行降維，減小數(shù)據(jù)的冗余量；（2）是通過(guò)得分矩陣，對(duì)樣品進(jìn)行分析。采用奇異值分解方法，如公式（3）。

T為得分矩陣，反應(yīng)樣品之間的差異性，前3個(gè)主成分分別為：71.424 4％，19.333 4％，4.958 8％；L為在載荷矩陣，反應(yīng)出每個(gè)變量的貢獻(xiàn)率。采用PC1和PC3所得分析如圖5（b）所示。紅色代表純牛奶樣品，藍(lán)色的代表加入160 mg/L三聚氰胺的摻雜牛奶。從圖5（b）中可以看出，純牛奶分布在得分圖左上方，PC3＞0的部分，而摻雜三聚氰胺牛奶分布在得分圖右下方，PC3＜0的部分。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)采用LabVIEW和數(shù)據(jù)采集卡USB6211設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種伏安型電子舌檢測(cè)系統(tǒng)，完成了伏安型電子舌常用的激勵(lì)信號(hào)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路的設(shè)計(jì)，并采用純牛奶樣品和摻雜濃度為160 mg/L三聚氰胺摻雜牛奶進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)主成分分析后能將其區(qū)分開(kāi)來(lái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠應(yīng)用于牛奶摻雜物的測(cè)試。

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Design and Implementation of Voltammetric Electronic Tongue Test System Based on USB6211 and LabVIEW

ZHOU Yi-lin1, KANG Guan-peng1, WANG Zhi-bin1, WU Tao1, YU Ya-ping1,2，CorrespondingAuthor, ZHAO Hui1,2, YANG Ren-jie1
（1. College of Engineering and Technology, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China; 2. School of Electrical Engineering & Automation, Tianjin University, Tianjin 300072, China）

A new measurement technology, voltammetric electronic tongue based on partially overlapping sensitive electrodes coupled with multivariable data analysis, has been used in detecting lipid food. It consists of external excitation signal sources, sensors array, potentiostat, data acquisition and multivariable data analysis method, which collects the size and shape of the transient response of tested objective from working electrodes. Aiming at these problems of electrochemical workstation that are expensive and only extracts feature information of electrochemical reaction, a kind of voltammetric electronic tongue test system has been developed, and the system achieved response data acquisition, display and storage by USB6211 and LabVIEW. The test results show that the difference of pure milk and melamine-tainted milk with concentration of 160 mg/L can be discriminated by using principal component analysis, the system has better stability.

voltammetric electronic tongue; LabVIEW; data acquisition; human-computer interfaces; USB6211

TP273

A

1008-5394（2016）04-0047-04

2016-03-03

天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“基于伏安型電子舌摻雜尿素牛奶檢測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)”（201510061093）；天津市自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于二維相關(guān)熒光譜土壤中PAHs信息提取及檢測(cè)方法研究”（14JCYBJC30400）

周奕霖（1992-），男，河南周口人，本科在讀，主要從事儀器測(cè)量與控制專業(yè)研究。E-mail：2252829014@qq.com。

于亞萍（1979-），女，河南禹州人，副教授，博士在讀，主要從事控制科學(xué)與工程方向研究。E-mail：yaping261@163.com。