危險液體檢測儀的工作原理 ----世界網絡 創辦人 林和安

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               （ 本文刊載於 中無通訊 第91期 2020年1月版 ）

      以往在進行安檢的時候，安檢員會要求攜帶者自己喝一口隨身的礦泉水、飲料等物品，以防攜帶有危險液體進入。如今，我們看到越來越多的地方使用了液體檢測設備，只需要把攜帶的液體放在設備前掃描一下即可完成檢測，不再需要自己喝一口了。那麽，這個設備是什麽，又是怎麽樣工作的呢？

      這個設備即是我們本文需要討論的儀器，叫危險液體檢測儀，分為手持式、台式，這類檢測儀能夠在不直接接觸液體的情況下將液體炸藥、汽油、丙酮、乙醇等易燃易爆液體與水等安全液體區分開。目前針對危險液體的檢測主要分為兩類，分別是金屬容器內的危險液體檢測和非金屬容器內的危險液體檢測，由於被檢測的液體容器不同，所以必須採用不同的方法進行檢測，針對金屬容器內液體的檢測，目前主要採用的是熱導法，而對於非金屬容器內的液體檢測則主要採用介電常數與電導率法、拉曼光譜、螢光淬滅、太赫茲波譜等。

熱導法

                            【圖一】一款基於 C8051F120 晶片的檢測原理圖

      熱導法是利用不同性質的液體其熱導率不同的特點，結合不同液體在相同加熱條件和加熱時間下溫度差變化不同的特性，採集被檢測液體溫度差的變化訊息計算出液體熱導率，從而反過來辨別液體性質。採用熱導法時，首先加熱被檢測液體，然後根據一定時間內不同液體吸收的熱量不同，進而導致一定範圍內液體的溫度變化不同，從而根據不同的溫度變化訊息計算出液體的熱導率，最終達到確定液體性質的目的。

      檢測儀器的採集模組加熱裝置、傳感器裝置、開關啟停裝置組成，採集模組完成訊號的採集，把一定時間內溫度差變化轉化為電壓變化訊號，通過有關電路傳送給微處理器電路，再通過控制處理晶片完成訊號的運算、處理以及結果分析和相關顯示，最終得出檢測結果。

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介電常數與電導率
      此方法相對簡單，設備輕巧。採用準靜態電腦斷層掃描技術，通過發射天線發射一個電場訊號，用其他臨近接收天線接收通過液體反饋回來的訊號，評測出一種媒介電子特性的空間分佈，經過算法分析出液體電導率和介電常數，從而判斷其易燃易爆性。介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場，介質中的電場減小與原外加電場(真空中)的比值即為相對介電常數，又稱誘電率，與頻率相關。介電常數是相對介電常數與真空中絕對介電常數乘積。如果有高介電常數的材料放在電場中，電場的強度會在電介質內會下降較大。通常危險液體不導電或弱導電。該設備完全是電子的，不含有任何放射性和微波材質以及其他有潛在危險性的成份。


                              【圖二】一種通過電磁波與稱重合二為一的方式的液體檢測儀原理框圖

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螢光淬滅技術
       螢光淬滅技術的原理是當溶液中某種螢光分子（一般是稠環化合物、苯環上的硝基、胺基等）濃度超過某個數值的時候，會和溶劑分子產生相互作用，從而使得螢光效應減弱，這樣在螢光譜上會形成大小不等的峰谷（圖形）。不同的螢光分子淬滅圖形不一樣，因此能夠區分出來。2005年，中科院上海微系統與信息技術研究所和上海三科儀器有限公司等  單位合作，開展了螢光淬滅傳感技術研究，並先後獲得了 863 計劃等科技項目的支持。他們發明了分子印跡螢光聚合物傳感技術，設計、製備了一系列對常見炸藥敏感、特異的聚合物傳感材料，這些具有“特異功能”的傳感材料能在紫外線的照射下發出螢光，如果有炸藥分子吸附到聚合物納米膜表面，將導致聚合物螢光迅速淬滅，這種螢光強度的改變採用上海三科儀器有限公司研製的專用螢光光度計很容易檢測。
     【圖三】基於螢光淬滅技術的檢測儀
      分子印跡螢光聚合物傳感材料既具有分子印跡聚合物的高選擇性，又具有分子鏈聚合物對目標分子的“一點接觸，多點響應”的特點，使得其螢光強度對被檢物分子十分敏感，表現出極高的靈敏度。目前研製的 SIM07、SIM08 型爆炸物探測器的檢測下限達到0.1ppt，也就是說探測器能檢出10萬億個空氣分子中存在的 1 個炸藥分子，這使得 SIM07、SIM08 型炸藥探測器能夠像警犬一樣，可以嗅出隱藏的爆炸物或殘留在被檢測對象表面的炸藥痕跡，但它們要比訓練有素的警犬還要敏感 1 個數量級。SIM 系列爆炸物探測器對操作人員和被檢測對象都不產生傷害，也不污染環境，不會形成次生危險源。

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拉曼光譜
      拉曼光譜(Raman spectra)，是一種散射光譜。拉曼光譜分析法是基於印度科學家C．V拉曼(Raman)所發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面訊息，並應用於分子結構研究的一種分析方法。

         【圖四】拉曼安檢儀系統示意圖
     
      當光照射到物質上時會發生彈性散射和非彈性散射。彈性散射的散射光是與激發光波長相同的成分。非彈性散射的散射光有的比激發光波長長，有的比激發光波長短。非彈性散射激發出的光統稱為拉曼效應。當用波長比試樣粒徑小得多的單色光照射氣體、液體或透明試樣時，大部份的光會按原來的方向透射，而小部份則按不同的角度散射開來，產生散射光。在垂直方向觀察時，除了與原入射光有相同頻率的瑞利散射外，還有若干條很弱的與入射光頻率發生位移的拉曼譜線，這部份光就是拉曼效應。由於拉曼譜線的數目，位移的大小，譜線的長度直接與試樣分子振動或轉動能級有關。因此，拉曼光譜分析技術可以應用於物質的鑒定，分子結構的研究等。
      拉曼安檢軟件是在拉曼安檢儀原理樣機研製的過程中設計實現的，其主要作用是完成拉曼安檢儀的用戶交互、譜圖檢測、數據處理、譜圖識別、結果顯示、數據存儲管理、數據庫管理等功能。拉曼安檢儀是一種利用拉曼光譜對液體、固體粉末等進行安全檢查的系統。通過探測被檢測物體的拉曼光譜，對被檢測物體進行識別，並給出安全提示或者危險報警。
      拉曼安檢儀一般包括以下幾個部份：光學模組、控制電路系統、電池、算法系統、軟件系統。
      依據拉曼光譜簡單說就是發射一束鐳射到液體，然後不同物質反射回來的光譜特徵不同，以此區別液體種類，原理簡圖如 (圖五)。

        【圖五】拉曼光譜檢測儀原理簡圖

      相信隨著科學技術的發展，還會有更先進、更方便的液體檢測方法與儀器出現。由於文章篇幅有限，就不再一一介紹其他的檢測方法了。如果讀者有興趣,歡迎共同探討。