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，能夠使檢查過程實(shí)現(xiàn)不開瓶、迅速、無輻射。
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，無需開瓶；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，因此可以通過測(cè)量電容值，來推算介電常數(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，通過求解電場(chǎng)在多電極下的分布情況，來解決這一問題。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，簡化設(shè)計(jì)過程。

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。[!--empirenews.page--]
    基于以上考慮，需要首先確定考慮電極形狀的影響。平面板式和電容層析(ECT)式兩種方案需要進(jìn)行對(duì)比。兩種電極的示意圖如圖2所示。

    但是由于容器形狀多種多樣，選擇電容層析式很難達(dá)到克服容器形狀影響的目的。因此考慮選擇平面板式傳感電極。
    現(xiàn)在需要從電極形狀和電極數(shù)目方面考慮進(jìn)一步確定傳感電極。為了減少容器形狀和壁厚的影響，所選用的電極尺寸應(yīng)該盡量的小，這樣中的S和d就可以看作近似不變的值。但是，小尺寸電極只能提供微小而難以測(cè)量的電容值，因此需要減小極間距離來增加電容值。綜上，選擇尺寸小的線狀電極單體陣列進(jìn)行測(cè)量能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

    最終確定的電極為如圖3所示的改進(jìn)型梳狀電極。由于基于邊緣效應(yīng)的電容傳感器檢測(cè)電容很小，需要加強(qiáng)屏蔽，以減少微小的電場(chǎng)變化帶來的干擾。因此在傳感器的背面增加了大面積的屏蔽電極。為了防止氧化需要在激勵(lì)電極和接收電極表面覆襯底物質(zhì)，且必須與屏蔽電極的表面襯底物質(zhì)厚度和材料，以消除由襯底物質(zhì)帶來的影響。

3 基于CDC的電容檢測(cè)電路的軟硬件設(shè)計(jì)
    采用CDC電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器件進(jìn)行電容測(cè)量，可以簡化整個(gè)設(shè)計(jì)過程。整個(gè)系統(tǒng)基本工作框圖如圖4所示。

     ADI公司生產(chǎn)的AD7143芯片，其工作電壓為2．6～3．6 V，并配有一個(gè)工作電壓在1．65～3．6 V的I2C串行接口，基本可以滿足常見MCU的工作電壓范圍。為了節(jié)約功耗，在閑暇時(shí)芯片會(huì)轉(zhuǎn)入低功耗模式，此時(shí)工作電耗僅為50μA。其內(nèi)部構(gòu)成主要包括∑-△轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓、激勵(lì)源、電容數(shù)字轉(zhuǎn)換器(CDC)、溫度補(bǔ)償器和一個(gè)I2C接口，通過該接口可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)AD7143內(nèi)部寄存器和轉(zhuǎn)換結(jié)果的控制。
    選用ATmega16作為整個(gè)系統(tǒng)的核心MCU，完成對(duì)外圍器件的控制和最終的數(shù)據(jù)處理工作。ATmega16基于增強(qiáng)的AVR精簡指令集結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，有著先進(jìn)的指令集和單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間。[!--empirenews.page--]
    ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS／MHz，從而有效緩減了系統(tǒng)功耗和處理速度之間的矛盾。其內(nèi)核有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器，所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)連接，使得一條指令能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器，大大提高了代碼效率。
    ATmega16單片機(jī)通過串行通信收集電容傳感器測(cè)量得到的電容值，從而判斷被測(cè)液體是否屬于違禁品。單片機(jī)各引腳與外圍模塊相連，控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的系統(tǒng)功能，包括系統(tǒng)初始化、電容傳感器初始化、電容值采集與處理及測(cè)量結(jié)果顯示等。因此，ATmega 16單片機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中具有非常重要的作用。系統(tǒng)連接圖如圖5所示。

    圖5中，MOSI和MISO引腳用于串行通訊；AJ1，AJ2用于按鍵輸入；PA0～PA7用于連接LCD1602液晶屏顯示測(cè)量數(shù)據(jù)；RXD，TXD用于控制MAX3232芯片的發(fā)送與接收狀態(tài)；LED1，LED2用于狀態(tài)指示燈的控制；C3，C6和Y1組成了頻率為16 MHz的時(shí)鐘電路，能夠?yàn)?strong>ATmega16單片機(jī)提供穩(wěn)定的高精度時(shí)鐘信號(hào)。

    軟件流程圖如圖6所示。按照流程圖對(duì)單片機(jī)編程，完成了整個(gè)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    根據(jù)混合物介電常數(shù)公式：ε=ε1×P1+ε2×P2(P1和P2為溶質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，ε1和ε2為對(duì)應(yīng)的溶質(zhì)的介電常數(shù))易得50％的酒精介電常數(shù)為51. 4，在表1中介于危險(xiǎn)品和安全液體之間，將其作為分界點(diǎn)更為嚴(yán)格。如果該電極能夠準(zhǔn)確區(qū)分50％的酒精和水則該電極靈敏度已經(jīng)達(dá)到較高水平。因此對(duì)不同組分的酒精進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如圖7(a)所示。同時(shí)，改變?nèi)萜鞯男螤詈秃穸?，?duì)不同液體進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖7(b)所示。

    可以看到在檢測(cè)過程中，50％的酒精與水顯著區(qū)分開來，證明該系統(tǒng)具有足夠的區(qū)分度。而對(duì)在壁厚4 mm以下的容器中，常見液體也能夠被區(qū)分開來。

5 結(jié)語
    利用準(zhǔn)靜態(tài)電容層析技術(shù)的液體探測(cè)器能夠區(qū)分液體違禁品和普通液體，且體積小，功耗低，實(shí)現(xiàn)了快速、安全、無輻射的檢測(cè)，在檢測(cè)過程中無需打開容器，單次檢測(cè)時(shí)間在2 s以內(nèi)，方便快捷，滿足了日常安檢的需求。
    由于測(cè)得的電容值很小，為了加強(qiáng)檢測(cè)精度，可以考慮提高激勵(lì)信號(hào)頻率和幅度的方法。此外為了提高設(shè)計(jì)可靠性，保證探測(cè)精度，除了對(duì)電極的屏蔽性需要多加考慮之外，整個(gè)儀器的外部屏蔽也相當(dāng)重要。