基于準(zhǔn)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(zhǔn)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(jī)控制一片電容數(shù)字轉(zhuǎn)換(CDC)芯片，完成電容的檢測(cè)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的運(yùn)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(guò)程實(shí)現(xiàn)不開(kāi)瓶、迅速、無(wú)輻射。
關(guān)鍵詞：液態(tài)違禁品；準(zhǔn)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(dāng)長(zhǎng)的歷史，但因威力不如固體炸藥強(qiáng)，其在軍事等領(lǐng)域使用并不是很普遍。但是近年來(lái)恐怖分子和不法分子利用其原料廉價(jià)、易取得、制造步驟簡(jiǎn)單、容易偽裝成普通飲料或日用品、易引爆的特點(diǎn)，作為各種類(lèi)型的恐怖襲擊或擾亂治安的工具，嚴(yán)重威脅了公眾安全和社會(huì)穩(wěn)定，使得液體違禁品探測(cè)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(cè)液體違禁品，但是也同時(shí)存在著不同的缺點(diǎn)，如存在輻射危害、無(wú)法克服容器形狀和壁厚對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響、分析時(shí)間長(zhǎng)不適于快速安檢的環(huán)境、體積大、價(jià)格高等。
基于準(zhǔn)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(wèn)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(chǎng)測(cè)量，無(wú)微波、射線、放射源等其他潛在危險(xiǎn)因素；能夠?qū)崿F(xiàn)快速檢測(cè)；能夠消除容器形狀和厚度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，無(wú)需開(kāi)瓶；其純電子測(cè)量的原理使其能夠做到低成本和實(shí)現(xiàn)便攜式測(cè)量。

1 測(cè)量原理
介電常數(shù)可以反映液體的性質(zhì)，液體危險(xiǎn)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(zhǔn)靜態(tài)電容層析技術(shù)測(cè)量介電常數(shù)，可以判斷所測(cè)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(dāng)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(guò)測(cè)量電容值，來(lái)推算介電常數(shù)。因此該儀器的核心在于檢測(cè)兩固定電極間的電容。但是為了克服容器外形及厚度等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，需要采用多電極掃描檢測(cè)的方式，通過(guò)求解電場(chǎng)在多電極下的分布情況，來(lái)解決這一問(wèn)題。進(jìn)行電容掃描測(cè)量，也就是快速測(cè)量多組電容，因此可以選用CDC(電容數(shù)字轉(zhuǎn)化)電路，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 電極設(shè)計(jì)
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(cè)量精度，本文用以液體檢測(cè)的電容傳感器設(shè)計(jì)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(gè)電極作為激勵(lì)電極被提供以交流電壓，剩余電極作為接收或探測(cè)電極，從而在多電極間形成穩(wěn)定電場(chǎng)。容器中不同液體擁有不同的介電常數(shù)，因此會(huì)導(dǎo)致極問(wèn)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(jì)傳感電極需要從三個(gè)方面考慮：傳感測(cè)量電極數(shù)目越多，傳感器獲取信息也就越多，其測(cè)量靈敏度相對(duì)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(cè)量信息，從而判斷識(shí)別容器內(nèi)不同的液體；考慮到容器的形狀不同，會(huì)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(dāng)測(cè)量電極數(shù)目較少，電極分布稀疏，測(cè)量數(shù)據(jù)信息不足以用來(lái)判斷氣隙對(duì)測(cè)量的影響時(shí)，會(huì)引起不同程度的容差，導(dǎo)致測(cè)量誤差和對(duì)液體判斷失誤。