危险液体检测方法研究

论文总字数：23002字

摘 要

非法携带液体危险品能够对公共安全造成极大威胁，因此在机场、火车站、客运站等人流量大的场所对于旅客携带的瓶装液体进行快速有效的安全检查意义重大。需要寻找到一种能够快速对液体进行无损检测，且成本较低的方法。本文对常用的几种液体检测方法进行分析，并选择对介电常数法进行实验研究。

本论文首先介绍危险液体检测的背景、发展，在介绍常见的液体安检技术的几种常见方法后，对它们进行对比并分析出结论。其中介电常数法是一种快速有效的方法，它利用水与其他危险液体在介电常数上存在明显区别，可以通过测定以液体为介质的极板间电容值间接地比较介电常数，对液体进行检测，分辨出危险液体。

本论文基于介电常数法原理，设计了实验平台，并通过实验进行研究。设计内容包括电容传感器、电容测量方案、单片机软件、PC端分析软件。在完成实验平台后，对准备好的样品进行实验研究。第一阶段的实验对测试数据特征进行观察，发现数据变化规律。第二阶段实验分析数据数值范围。最后结合两个阶段实验，设计完善单片机实验平台的自动判断功能。

关键词：液体危险品；介电常数；电容传感器；

RESEARCH ON THE METHOD OF DETECTING HAZARDOUS LIQUID

Abstract

Illegally carrying liquid dangerous goods could pose a great threat to public safety. It is significant to scan liquid carried by passengers quickly and safely at the airport, train station, bus terminal and other high traffic places. Hence, finding a non-contact way to detect liquid fast and inexpensively is necessary for public safety. In this research, the method based on dielectric constant is selected for in-depth experiment after the analysis of several commonly used liquid detection methods.

First, this paper describes the background and development of liquid detection, and introduce several common used method in this field. After comparison and analysis of those technologies, one effective method which is based on the theory of dielectric constant is chosen for experiment. Using the obvious difference between water and hazardous liquid, this method could identify dangerous liquids by measuring the capacitance of them.

In this paper, based on the basic principle of the dielectric constant, an experimental platform is designed for research experiments. The design includes a capacitive sensing, the capacitance measurement program, SCM software, PC-side software. After completing the test platform, the experimental study on prepared samples begins. The first phase of the experimental test data characteristics were observed and found data variation. The second phase of the experiment analyzing the data value range. Take the results of two phases of experiments into consideration, and complete the automatic identification function of the SCM platform.

KEY WORDS: Hazardous liquid; Dielectric constant; Capacitance sensor

目录

中文摘要 …………………………………………………………………………………………I

Abstract …………………………………………………………………………………………II

1. 绪论 …………………………………………………………………………………………1
   1. 危险液体检测背景及意义 …………………………………………………………1
   2. 液体检测国内外发展现状 …………………………………………………………1
   3. 本文内容和结构安排 ………………………………………………………………5
2. 液体安检技术常用方法简介 ………………………………………………………………6
   1. X射线法 ……………………………………………………………………………6
   2. 核磁共振法 …………………………………………………………………………6
   3. 拉曼光谱法 ………………………………………………………………………7
   4. 介电常数法 …………………………………………………………………………7
   5. 分析比较总结 ………………………………………………………………………8
3. 介电常数法液体探测实验平台设计 ………………………………………………………9
   1. 实验平台综述 ………………………………………………………………………9
   2. 电容传感器原理 ……………………………………………………………………9
      1. 测量原理 ………………………………………………………………………9
      2. 平板电容器原理 ………………………………………………………………10
   3. 电容极板的设计 ……………………………………………………………………11
      1. 影响因素 ……………………………………………………………………12
      2. 实验极板设计 …………………………………………………………………12
   4. 测量控制电路设计 …………………………………………………………………13
      1. 电容检测电路设计 ……………………………………………………………13
      2. 实验板电路设计 ………………………………………………………………15
   5. 单片机软件设计 ……………………………………………………………………17
   6. PC端软件设计 ………………………………………………………………………19
4. 测试与结果分析 …………………………………………………………………………21
   1. 实验设计 ……………………………………………………………………………21
      1. 实验目的 ……………………………………………………………………21
      2. 实验材料 ……………………………………………………………………21
      3. 实验步骤 ……………………………………………………………………22
   2. 实验数据 ……………………………………………………………………………22
      1. 静态数据 ……………………………………………………………………22
      2. 动态数据 ……………………………………………………………………23
   3. 结果分析 …………………………………………………………………………27
5. 总结与展望 ………………………………………………………………………………30

致谢 …………………………………………………………………………………………31

参考文献（References）……………………………………………………………………32

第1章 绪论

1.1 危险液体检测背景及意义

“如果将两瓶胶状液体混合，它们将会混合成杀伤力很强的炸弹。”在2006年8月，在英国发生的恐怖分子利用液体炸弹摧毁航班未遂事件之后，很多媒体将目光聚集到这种威力不大，但对公共交通能够产生极大威胁的犯罪手段上。为了防范这种犯罪手段，一些国家在机场严格控制乘客随身携带物品，只能将证件、药物等急需物品放在透明塑料袋中^[1]。

液体爆炸物的发明和使用已经有这相当长的历史。液体爆炸物可分为单质液体爆炸物和混合液体爆炸物两种。前者只由一种成分组成，稳定性不足，爆炸威力弱；而由两种以上的液体混合成的混合液体爆炸物性质更稳定，爆炸威力更大。而更为可怕的是，液体爆炸物的原料很容易获得，通常用于建筑工地和采石场的硝化甘油、用于化学实验中的硝化甲烷，以及家用的清洁剂、染发剂或其他含有过氧化物的液体都可以作为原料。这些原料若以正确的比例混合就可以制作出液体炸弹。

与固体炸药不同，混合液体炸药的成分可以分开保存，利用其混合前化学性质稳定的特性，可以方便地运输、保存。而且这些成分单独运输难以被安检设备发现。

很显然，液体爆炸物易于制造、隐蔽性高的特点很容易引起恐怖分子的注意。早在1994年，“基地”组织成员就曾策划过将液体爆炸物带上多架飞往美国的飞机，所幸这一阴谋并未得逞；2006年8月，恐怖分子与英国计划携带的液体爆炸物更是利用金属可乐罐伪装：罐内上半部盛放普通饮料，下半部分盛放染了色的液体炸药。这种危害公共安全的形式不仅在国外时有发生，在国内同样有案例。最严重的一次发生在2002年，一名张姓乘客点燃了随身携带的易燃液体，从而导致其乘坐的北方航空MD82在大连坠海。该事件导致全部机组人员以及乘客112人遇难。不到一年之后，又发生一起劫机事件。一名失业男子在中国国际航空公司航班上将藏于饮料罐内的燃料洒在机舱内，以此要求飞机改道飞往台湾。在此次事件后，中国航空部门开始禁止乘客自行携带液体物质登机。而这条禁令随着时间推进，有所松动，这也给了恐怖分子可乘之机。在2008年北京奥运前夕，在南方航空公司一架由乌鲁木齐飞往北京的航班上，空姐发现一名可疑女乘客进入洗手间长时间不出来，敲开门后发现该女性身上散发浓重香水味，神情怪异，并在垃圾桶中发现一个味道奇怪的可乐罐。其后证实这是将独分子企图利用藏在可乐瓶内的汽油进行的恐怖袭击。

即使在机场可以禁止乘客携带液体物质，但在铁路、公路运输中无法要求乘客做到这样。一旦恐怖分子将液体爆炸物带到列车或客车上引爆将造成极为严重的后果。以此看来，在火车站、汽车站等人口密集地区，对于人员随身携带的瓶装液体进行检测需要得到高度重视。

当前客运液体检查基本使用观察和闻气味检测的方法。安检人员长时间闻这些液体样本对自身健康也有很大的负面影响，且比较容易出现漏判、误判的情况^[2]。民航中严格要求旅客携带的液体，。最近APEC会议期间，上海铁路使用了台式液体检测仪，实现无损检测。但在旅客流量过大时，这种检测方法检测时间较长的弊端又会显现。因此，液体无损检测的精确性、稳定性及检测速度都是至关重要的性能指标^[3]。

1.2 液体检测国内外发展现状

传统安检设备在管制刀具、枪支等危险品检测工作中发挥重要作用。但对于液体危险品，传统检测方式很难分辨。在受到英国恐怖袭击案警示之后，世界各国开始严格控制旅客携带液体。在国内，中国民航安检规定，禁止旅客携带包括液体、凝胶、悬浮颗粒等形态的液态物品。容器容积超过100毫升不许携带；低于50毫升可不用开瓶检测。可携带自用化妆品，适量牙膏及剃须膏，且有数量和容积的限制。而在欧洲，欧盟航空安全法规规定在2006年11月之后，每次航班乘客所携带液体体积不可大于100毫升。而这条中对于可携带液体数量的限制已于2013年4月取消，取而代之的是欧洲民航会议（ECAC）特别制定的法规185/2010和297/2010，这法规中就制定了液体探测系统（LEDS）设备应符合的标准。这套标准作为液体探测设备的发展风向标，从操作方式以及检测性能两方面对设备进行划分。具体内容如表1-1、1-2所示^[4]。

表1-1 ECAC认证中操作方式的等级划分^[4]

表1-2 液体探测系统（LEDS）检测性能标准表^[4]

依照欧盟提供的标准，对世界典型液体探测系统进行介绍：

1. A型设备

美国史密斯探测公司（Smiths Detection）设计了RespondeR BLS液体扫描仪，该仪器获得了欧盟LEDS标准2的A型认证^[4]。RespondeR BLS是一种利用拉曼光谱技术鉴别密封危险液体的系统，检查对象的容器材质可以是透明、玻璃或塑料。该系统能够在20秒内分析出检测结果，且能够清晰显示检验结果^[5]。

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