基于準靜態(tài)電容層析技術(shù)的液體違禁品檢查儀

摘要：引入一種基于準靜態(tài)電容層析技術(shù)的快速液態(tài)違禁品檢查裝置。使用單片機控制一片電容數(shù)字轉(zhuǎn)換(CDC)芯片，完成電容的檢測，經(jīng)過單片機的運算換算成相應(yīng)的介電常數(shù)，并迅速判斷被檢液體是否是違禁品。該設(shè)備能有效區(qū)分存于4 mm壁厚的容器內(nèi)的違禁品和安全液體，且能夠區(qū)分50％的酒精和水，能夠使檢查過程實現(xiàn)不開瓶、迅速、無輻射。
關(guān)鍵詞：液態(tài)違禁品；準靜態(tài)電容層析技術(shù)；平面板電容傳感器；電容數(shù)字轉(zhuǎn)換技術(shù)

0 引言
液體炸藥和可燃物的發(fā)明和使用已經(jīng)有相當長的歷史，但因威力不如固體炸藥強，其在軍事等領(lǐng)域使用并不是很普遍。但是近年來恐怖分子和不法分子利用其原料廉價、易取得、制造步驟簡單、容易偽裝成普通飲料或日用品、易引爆的特點，作為各種類型的恐怖襲擊或擾亂治安的工具，嚴重威脅了公眾安全和社會穩(wěn)定，使得液體違禁品探測得到了廣泛關(guān)注。
目前比較普遍的液體違禁品檢查儀原理包括：靜態(tài)X射線斷層掃描技術(shù)、微波輻射技術(shù)、拉曼光譜、氣相色譜等，這些方法雖然能夠很好地檢測液體違禁品，但是也同時存在著不同的缺點，如存在輻射危害、無法克服容器形狀和壁厚對檢測結(jié)果的影響、分析時間長不適于快速安檢的環(huán)境、體積大、價格高等。
基于準靜態(tài)電容層析技術(shù)的液態(tài)違禁品檢查裝置，有望解決上述問題。該方法利用易燃易爆液體違禁品與水和其他日常用液體介電常數(shù)之間的差別。作為判斷依據(jù)，采用純電場測量，無微波、射線、放射源等其他潛在危險因素；能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測；能夠消除容器形狀和厚度對測量結(jié)果的影響，無需開瓶；其純電子測量的原理使其能夠做到低成本和實現(xiàn)便攜式測量。

1 測量原理
介電常數(shù)可以反映液體的性質(zhì)，液體危險品的介電常數(shù)與水等普通液體相差很大，如表1所示，因此利用準靜態(tài)電容層析技術(shù)測量介電常數(shù)，可以判斷所測液體是否為液體違禁品。

根據(jù)液體電解質(zhì)的電容特性推算出其介電常數(shù)。
由可知，當電容極板的距離d與有效面積S確定的情況下，介電常數(shù)與電容容量成正比，因此可以通過測量電容值，來推算介電常數(shù)。因此該儀器的核心在于檢測兩固定電極間的電容。但是為了克服容器外形及厚度等對檢測結(jié)果的影響，需要采用多電極掃描檢測的方式，通過求解電場在多電極下的分布情況，來解決這一問題。進行電容掃描測量，也就是快速測量多組電容，因此可以選用CDC(電容數(shù)字轉(zhuǎn)化)電路，簡化設(shè)計過程。

2 電極設(shè)計
一般平行板電容器容易受到邊緣效應(yīng)的影響而破壞了測量精度，本文用以液體檢測的電容傳感器設(shè)計則充分利用邊緣效應(yīng)，采用平面板電容器。多電極中的任意一個電極作為激勵電極被提供以交流電壓，剩余電極作為接收或探測電極，從而在多電極間形成穩(wěn)定電場。容器中不同液體擁有不同的介電常數(shù)，因此會導(dǎo)致極問電容值產(chǎn)生變化，極間電容的變化和電容邊緣效應(yīng)原理如圖1所示。

設(shè)計傳感電極需要從三個方面考慮：傳感測量電極數(shù)目越多，傳感器獲取信息也就越多，其測量靈敏度相對越高；傳感電極幾何形狀以及電極分布同樣決定了是否能夠獲取到足夠的測量信息，從而判斷識別容器內(nèi)不同的液體；考慮到容器的形狀不同，會在容器壁上產(chǎn)生波紋狀氣泡間隙，形成所謂的氣隙。由于氣隙的存在，特別是當測量電極數(shù)目較少，電極分布稀疏，測量數(shù)據(jù)信息不足以用來判斷氣隙對測量的影響時，會引起不同程度的容差，導(dǎo)致測量誤差和對液體判斷失誤。