CN101822225B - 禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，包括孵化器，所述孵化器中的禽蛋蛋壳气室顶部开有小孔，在蛋壳外小孔处贴紧有铝箔并使小孔密封；还包括：位移传感器，其探头对准铝箔，用于从铝箔表面获取振动信号；放大器，用于将位移传感器获取的振动信号放大；振动分析仪，用于将放大器放大的振动信号进行分析并反映禽蛋胚胎胎动信息。本发明在完全不影响禽蛋发育的情况下，采用了半侵入法测量禽蛋胚胎胎动，实现孵化期禽蛋胚胎发育全过程的监测；如果孵化中活体胚胎胎动异常，监测结果还可反馈到孵化器进行检查和调整工作参数；本发明可用于研究种蛋的发育过程、增加家禽的孵化率、选种以及提高禽蛋在生物制药生产中的产品质量。
Description
技术领域
禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统是基于流体介质液压传递的流量连续性方程，利用电涡流位移传感器、放大器和多通道振动分析仪等设计而成。本发明通过对孵化期活体禽蛋胚胎胎动信号的提取，在完全不影响禽蛋发育的情况下，完成了孵化期禽蛋胚胎发育的全过程实时监测。当孵化器内发育中的禽蛋胚胎胎动信号减弱或出现异常情况，本发明会将测量数据输入孵化器的控制系统，并对其工作参数作相应的调整，实现快速隐患及故障排除，使之恢复正常，避免造成重大经济损失。本监测系统的发明对研究种蛋的发育过程、增加家禽的孵化率、选种以及提高禽蛋在生物制药生产中的产品质量非常重要，值得推广，属于农业生产自动化研究领域。
背景技术
本发明源于生物制药生产中病毒胚胎培养技术的研究，围绕如何实现对注毒后禽蛋胚胎活体的辨识而展开的。由于禽蛋胚胎的先天因素和后天发育情况不同，注毒后禽蛋胚胎有相当一部分会经不起毒素的侵扰，在注毒后的培养中相继死亡。如果不及时将死掉的和病弱的胚胎分离出去，该类胚胎会污染其它正常发育的活体禽蛋胚胎，造成大量的胚胎死亡。在收获阶段，如果死亡的胚胎没有及时分离出去，将严重污染生物制剂中药品的质量，后果不堪设想。为了实现孵化器中禽蛋胚胎的自动检测(抽样检测)，将本发明与现有的大型孵化器集成，在完全不影响禽蛋发育的情况下，完成对禽蛋胚胎发育全过程的监测控制。如果注毒后禽蛋胚胎在培养中信号出现异常，控制系统会立即检查孵化器(或人工检查)，对其工作参数作相应的调整，并启动其它工序及时将死亡和病弱的胚胎分离出去，使之恢复正常，避免造成重大经济损失。
目前，国内外对于禽蛋胚胎培养技术研究的比较多，检测方法主要有：ACG(acoustocardiogram)、BCG(ballistocardiogram)、ECG(electrocardiogram)和ICG(impedance-cardiogram)四种方法。其中ECG和ICG方法则是在蛋壳上打孔再插入电极来测量禽蛋胚胎活体的特征信号，由于电极插入胚胎内部比较深，这种方法会损坏胚胎的生理结构，测试完成后，被测禽蛋胚胎会停止发育，是一种侵入测量方法，无法满足孵化行业的生产需要。而ACG和BCG的方法是一种非侵入测量方法，其中ACG方法是通过测量孵化期的活体禽蛋胚胎发出的声音信号，将禽蛋放入密闭容器中直接进行测量；而BCG方法是测量孵化期的活体胚胎的胎动信号，是将磁铁粘帖在禽蛋壳上，通过固定的电磁线圈将磁铁的微小运动变成感应电流来实现测量的。它们所提取的信号都特别微弱，对测试环境有非常严格要求。目前在生产中大都采用光源照蛋方法，虽然简便易行，但不能及时准确地对活体胚胎进行识别，工人劳动强度大，误判率较高。
本发明基于流体介质液压传递的流量连续性方程，提出了一种全新的半侵入法测量孵化中禽蛋胚胎胎动信号，并设计了一套能提取该信号的监测系统，本方法在完全不损坏禽蛋发育的前提下，通过电涡流传感器收集胚胎的胎动信号，然后通过放大器将信号放大，输入到多通道振动分析仪进行分析，最后通过计算机显示所得禽蛋胚胎胎动曲线，并将测量分析值输入给孵化器控制系统，让孵化器的控制系统调整工作参数，实现闭环监测控制，也可人为干预实施手动控制。与传统方法相比，该方法信噪比高、结构简单、可靠易行，既可用于禽蛋孵化过程的在线监测与控制，也可用于研究禽蛋的发育、育种、生物制药等生产过程。
发明内容
活体禽蛋胚胎与死亡胚胎的差别主要体现在以下三个方面：1)活体禽蛋胚胎的心脏在有规律的跳动；2)活体禽蛋胚胎肌肉存在随机运动；3)活体禽蛋胚胎在和外界进行一定的气体交换。由于禽蛋胚胎在孵化过程中，活体的特征信号都比较微弱，而蛋壳的刚度比较大，透过蛋壳能传出来的信号就更弱了，加上环境的影响，很难测量。因此，采用何种方法来准确采集被测信号，是本发明研究的关键问题之一。
半侵入法发明原理：如图1所示，根据流体介质液压传递的流量连续性方程，注射器活塞的微小位移，会使透明针头处的液位发生很大变化，在不考虑液体可压缩性的情况下，位移放大倍数是注射器活塞面积与针头面积之比。
在孵化器里对孵化过程中胚胎进行在线检测时，可以同时抽取多个样品进行检测，并用针头在每个样品气室的顶部打上小孔(孔深不能破坏禽蛋内膜)，具体见禽蛋胚胎的结构图2(在生物制约中，如果是对注毒后的禽蛋胚胎进一步孵化，这里可利用注毒时禽蛋胚胎顶部留下的针孔)，并根据发明原理图1在禽蛋气室顶部的小孔处贴上很薄的铝箔，具体见图3。由于禽蛋胎动而引起内膜的微小运动，当不考虑气室内气体的可压缩性，其顶部小孔处的铝箔会产生幅值较大的振动。理论上讲，其振幅的放大倍数等于禽蛋内膜的面积与针孔的面积之比(实际气体有一定的压缩性，放大的幅值比理想的小点)。再利用电涡流传感器将放大的铝箔振动信号测量出来，把对胚胎内部振动信号的检测，间接地转移为对胚胎气室顶部小孔处铝箔位移的检测。如果是死胚胎，就没有振动信号；如果是弱病胚胎，则该信号就比较微弱。最后根据需要，将这些弱病、死胚胎剔除出来。
隔振垫的设计制作：为了减少环境振动对实验数据的影响，这里所用的自制隔振垫主要由两个20mm海绵垫中间夹一层2mm厚粘弹性材料组成，结合面用粘结剂粘接而成，其作用是阻断环境振动向禽蛋胚胎的传递，以便减小测试误差，提高实验精度。
监测系统信号采集：禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统工作原理见图4，经禽蛋气室顶部小孔放大的胎动信号，通过使用电涡流位移传感器采集并放大后，直接输入多通道振动分析仪进行数据分析处理，由计算机直接显示测试曲线，并将该结果作为反馈直接接入孵化器控制系统，对出现的异常信号采用调整工作参数等方法，使禽蛋胚胎实现正常发育。必要时也可采用人工干预，手动对孵化器控制系统进行调整，避免不必要的损失。
与孵化器的集成：由于现有的孵化器容量比较大，有的一次可孵化几十万只禽蛋，所以不可能同时对这些禽蛋进行在线监测。为了使测量的数据具有一定的代表性，可在孵化器的不同部位均匀的设置多个这样的传感器，将振动分析仪改成多通道分析系统，可同时对多个信号进行实时分析处理。如有异常情况，需对孵化器及时进行检查，排除影响禽蛋胚胎发育的不利因素，避免引起重大经济损失。利用本发明，可以达到对禽蛋胚胎培养过程进行实时监测目的，有效地提高禽蛋胚胎孵化率，促进家禽行业自动化生产水平的发展。
附图说明
图1流体介质液压传递的流量连续性方程实验演示；
图2禽蛋胚胎结构；
图3带小孔的和粘帖了铝箔的鸡蛋；
图4禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统工作原理图；
图5禽蛋信号提取装置；
图6多通道振动分析仪；
图7测试结果比较
(a)体弱活体禽蛋胚胎的测试曲线；
(b)健壮活体禽蛋胚胎的测试曲线；
(c)死亡禽蛋胚胎的测试曲线。
具体实施方式
本发明基于流体介质液压传递的流量连续性方程，利用位移传感器间接采集禽蛋胚胎的胎动信号，达到对禽蛋胚胎培养的全程监测。这里为了验证本发明的可行性，仅采用一套禽蛋信号提取装置(多套实施方式是一样的)，具体结构见图5所示。主要包括：电涡流传感器(传感器采用上海欧丹仪器生产的OD9000型电涡流传感器，灵敏度：2V/mm，探头直径：8mm)、传感器支架(自制)、隔振垫(自制)、多通道振动分析仪(见图6所示)等。
模拟实验准备：首先取禽蛋胚胎30个(这里使用的是孵化十天鸡蛋，包括死胚胎)，在其气室顶部开一个直径为2-3mm的小孔，并用铝箔贴紧。铝箔的作用表现在：一方面为了实现电涡流传感器的准确测量，另一方面利用流体介质液压传递的流量连续性方程，当气室的内膜由于禽蛋胚胎胎动而产生振动时，气室内的气体流动，就会在贴铝箔的小孔处产生较大的位移，易于传感器直接检测。此外，需在所测禽蛋胚胎底部加隔振垫，防止基础的微弱振动信号影响检测结果。具体见图5的测试装置。
监测系统的调整：将准备好的鸡胚胎放置到隔振垫上，调节鸡胚胎和固定支架上所用传感器的探头，使其对准鸡胚胎所贴铝箔的位置，让二者之间的距离保持在0.5～1mm之间，用示波器，微调传感器与蛋壳表面的距离，使电涡流传感器经放大后的输出处于多通道振动分析仪的量程中心。调整动态信号分析仪量程，确保最大振幅不超出量程。等调整后的测试系统稳定一段时间后，方可进行测量。
测量结果：本测试将所得结果分为两组，一组为已死亡鸡胚信号，另一组为正常活鸡胚信号。具体见测试结果图7，其中：7a体弱的活体禽蛋胚胎的测试曲线；7b健壮的活体禽蛋胚胎的测试曲线；7c死亡禽蛋胚胎的测试曲线。
从图7a、7b可以看出，当量程为3.91mV时活体胚胎显示测试为一条起伏明显的曲线，图7b胎动比图7a的快，而且胎动信号幅值较大。在孵化条件相同情况下，说明胚胎7b比胚胎7a更健壮。图7c显示，其量程为0.977mV时，电涡流传感器输出为一条近似0伏的直线，说明胚胎7c是一个死胚胎，应及时从孵化器中剔除。图7c与图7a、7b相比，图7a、7b信号清晰、信噪比高。足以说明将这种测试系统和半侵入法用于监控禽蛋胚胎发育是非常有效、准确的。与其它方法相比，此种测试方法采用非接触式测量，结构简单、可靠易行，并对环境要求不高，易于实现与禽蛋孵化器集成，完成孵化过程的自动化监控。
实验结论：活体禽蛋胚胎孵化中体内特征信息的提取对研究种蛋的发育过程、增加家禽的孵化率、选种以及提高禽蛋在生物制剂生产中的产品质量非常重要。本发明设计了一套测试禽蛋孵化中胚胎胎动的检测系统，并提出一种半侵入法测量禽蛋胚胎胎动的新方法，通过铝箔能直接提取孵化期活体禽蛋胚胎胎动信号。实验结果表明：该测试系统具有结构简单、信号提取准确可靠，而且对外部环境要求较低等特点。非常适用于禽蛋发育过程的自动在线监控。
Claims (10)
1.一种禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，包括孵化器，所述孵化器中的禽蛋蛋壳气室顶部开有小孔，在蛋壳外小孔处贴紧有铝箔并使小孔密封；还包括：位移传感器，其探头对准铝箔，用于从铝箔表面获取振动信号；放大器，用于将位移传感器获取的振动信号放大；振动分析仪，用于将放大器放大的振动信号进行分析并反映禽蛋胚胎胎动信息。
2.根据权利要求1所述的禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，其特征在于：还包括孵化器控制系统，用于接入所述振动分析仪的分析结果作为反馈来检查孵化器和调整孵化器的工作参数。
3.根据权利要求1所述的禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，其特征在于：所述振动分析仪选用多通道振动分析仪；在所述孵化器中多个部位的禽蛋设置多个位移传感器，位移传感器获取的多个振动信号经放大器放大后输入多通道振动分析仪，供分析并反映多个禽蛋胚胎胎动信息。
4.根据权利要求1或2或3所述的禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，其特征在于：在所述禽蛋下放置隔振垫。
5.根据权利要求1或2或3所述的禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，其特征在于：在所述位移传感器下放置隔振垫。
6.根据权利要求4所述的禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，其特征在于：所述隔振垫包括两层19～20mm厚的海绵及粘贴于中间的1.5～2.5mm厚的弹性材料。
7.根据权利要求5所述的禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，其特征在于：所述隔振垫包括两层19～20mm厚的海绵及粘贴于中间的1.5～2.5mm厚的弹性材料。
8.根据权利要求1或2或3所述的禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，其特征在于：所述禽蛋蛋壳气室顶部开有的小孔直径为2～3mm。
9.根据权利要求1或2或3所述的禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，其特征在于：所述位移传感器的探头距离铝箔0.5～1mm。
10.根据权利要求1或2或3所述的禽蛋胚胎孵化发育过程监测系统，其特征在于：所述位移传感器选用电涡流位移传感器。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: QINGDAO TECHNOLOGICAL UNIVERSITY Free format text: FORMER OWNER: LIANG SEN Effective date: 20110627 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 266033 MAILBOX 256, NO. 11, FUSHUN ROAD, SIFANG DISTRICT, QINGDAO CITY, SHANDONG PROVINCE TO: 266033 NO. 11, FUSHUN ROAD, QINGDAO CITY, SHANDONG PROVINCE |
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| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20110627 Address after: 266033 Fushun Road, Shandong, China, No. 11, No. Applicant after: Qingdao University of Technology Address before: 256 box 11, 266033 Fushun Road, Sifang District, Shandong, Qingdao Applicant before: Liang Sen |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120418 Termination date: 20121023 |