应用于电阻抗测量的表面微电极研究

张峰 姚佳佩 童维媛 成岳恒

摘要：目前，采用电阻抗方法对肉品进行鲜度评价的相关研究中，电极通常采用针状电极。针状电极测量中需要刺入肉品内部，会在一定程度上破坏肉品外观，影响该型式电极的广泛使用。本文提出采用表面微电极进行阻抗测量，微电极仅需要与肉品表面接触即可进行测量。通过印制电路板加工技术制作了一组表面微电极，通过盐水水槽实验对该组电极进行了测试。测试结果表明，表面微电极的参数与测量准确度之间存在明显的相关关系。采用最优的电极参数设计，表面微电极用于电阻抗测量可以获得准确的结果。

关键词：电阻抗测量；表面电极；微电极；水槽实验

中圖分类号：TH79 文献标志码：A 文章编号：1009-3044（2018）33-0250-02

1 背景技术

随着肉品新鲜度的降低，微生物生长繁殖使蛋白质、脂肪等组织成分分解，由原来的大分子分解成一系列的小分子物质，如氨基酸、有机酸、胺类等，使得肉品的导电性增大。张丙明采用不锈钢针插入猪肉或牛肉测量电导率[1]。张军用四针状电极结构测量鲫鱼阻抗[2]。针状电极测量中需要刺入肉品内部[3]，会在一定程度上破坏肉品外观，影响该电极形式的广泛使用。

2表面微电极阻抗谱测量方法及装置

表面微电极阻抗谱测量采用图1a所示的方案，采用美国AD公司的AD5933芯片完成阻抗测量，采用LABVIEW开发上位机软件，上位机主要负责串口通信、接收阻抗数据并绘制阻抗谱及保存数据文件[4]。具体测量场景如图1b所示，自制电极采用表面电极方式，实物如图1b右上角所示。自制一组电极7个，中心圆形为激励电极，环形为采样电极。电极型号定义规则为：激励电极直径D-激励电极与采样电极间隔距离-采样电极宽度R。以D3-1P5-R2电极为例，表示该电极的激励电极直径3mm，激励电极与采样电极间隔1.5mm，环形采样电极宽度2mm。该组电极的具体型号有7个，分别是D2-1-R2、D2-2P5-R1、D3-1P5-R2、D3-1P75-R1、D4-1-R2、D4-1P5-R1和D4-1P25-R1。

3实验设计

通过往水槽中添加氯化钠，配置不同电导率的水溶液。水溶液的真实电导率通过TDS&EC; EZ-1型电导率测量仪获得，该仪表的电导率测量范围为0～9990us/cm，准确度为±2%。然后通过图1所示的表面微电极电阻抗谱测量装置测量水溶液的电导纳幅值。对真实值与测量值进行比对。七个电极的测量结果差异明显，但趋势类似，因此仅给出图2所示D4-1-R2电极的测量结果。

表面电极测量所获得的电导纳应与水溶液的电导率成线性关系，线性系数与电极的参数有关。因此，我们将真实数据和测量数据进行直线拟合，以确定系数R-square表示两组数据匹配的程度。

对图2所获得的六条不同频率下的测量结果进行直线拟合，拟合方程为f（x）=p1x+p2，即可以获得一组R-square。采用相同方法可以获得七个电极在不同频率下的R-square。

4 结论

表面微电极可以用于阻抗谱的测量。表面微电极的参数直接影响测量的准确度。7个电极中，D4-1P5-R1测量性能最优，其次分别是D3-1P75-R1、D3-1P5-R2、D2-2P5-R1、D4-1-R2、D4-1P25-R1和D2-1-R2。前四个电极电极性能突出，可以用于5k-65k Hz整个频段的测量。电极的测量准确度普遍随着测量频率的升高而提升，这与电极极化电容有关，测量频率越高，极化阻抗越小。根据表1可见，电极中心激励电极直径越大、间隔越宽，测量准确度越高。分析原因可能在于，测量装置采用电流激励、电压采样方式，中心电极为电流激励电极，中心电极直径越大，极化电容就越大，因此极化效应带来的阻抗就越小。中心电极与环形电极的间隔宽一些，测量准确度更高，可能源于这样可以使电流路径半球状分布，路径更为规则。根据测试结果，中心电极的直径取4mm、间隔取1.5mm、环形电极宽度取1mm的表面微电极用于阻抗谱的测量可以获得优异的测量结果。

参考文献：

[1]张丙明，刘芝平，傅启勇，等.肉类多功能检测仪的研制[J].中国兽医科技，1993（2）：34-36.

[2]张军，李小昱，王为，等.用阻抗特性评价鲫鱼鲜度的试验研究[J].农业工程学报，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] 冯江涛， 张峰， 李帆，等. 基于电阻抗谱的肉品类别快速鉴别方法研究[J]. 电脑知识与技术， 2018（8）：243-245.

【通联编辑：梁书】