危险液体检测仪的工作原理
世界网络www.linkwan.com 创办人 林和安 发表于《中无通讯》第91期
以往在进安检的时候安检员会要求携带者自己喝一口随身的矿泉水、饮料等物品，以防携带有危险液体进入。如今，我们看到越来越多的地方使用了液体检测设备，只需要把携带的液体放在设备前扫描一下即可完成检测，不再需要自己喝一口了。那麽，这个设备是什麽，又是怎麽样工作的呢？
这个设备即是我们本文需要讨论的仪器，叫危险液体检测仪，分为手持式、台式，这类检测仪能够在不直接接触液体的情况下将液体炸药、汽油、丙酮、乙醇等易燃易爆液体与水等安全液体区分开。目前针对危险液体的检测主要分为两类，分别是金属容器内的危险液体检测和非金属容器内的危险液体检测，由于被检测的液体容器不同，所以必须采用不同的方法进行检测，针对金属容器内液体的检测，目前主要采用的是热导法，而对于非金属容器内的液体检测则主要采用介电常数与电导率法、拉曼光谱、荧光淬灭、太赫兹波谱等。
热导法
热导法是利用不同性质的液体其热导率不同的特点，结合不同液体在相同加热条件和加热时间下温度差变化不同的特性，采集被检测液体温度差的变化信息计算出液体热导率，从而反过来辨别液体性质。采用热导法时，首先加热被检测液体，然后根据一定时间内不同液体吸收的热量不同，进而导致一定范围内液体的温度变化不同，从而根据不同的温度变化信息计算出液体的热导率，最终达到确定液体性质的目的。
图1：一款基于C8051F120芯片的检测原理图
检测仪器的采集模块加热装置、传感器装置、开关启停装置组成，采集模块完成信号的采集，把一定时间内温度差变化转化为电压变化信号，通过有关电路传送给微处理器电路，再通过控制处理芯片完成信号的运算、处理以及结果分析和相关显示，最终得出检测结果。
介电常数与电导率
此方法相对简单，设备轻巧。采用准静态计算机断层扫描技术，通过发射天线发射一个电场信号，用其他临近接收天线接收通过液体反馈回来的信号，评测出一种媒介电子特性的空间分布，经过算法分析出液体电导率和介电常数，从而判断其易燃易爆性。介质在外加电场时会产生感应电荷而削弱电场，介质中的电场减小与原外加电场(真空中)的比值即为相对介电常数，又称诱电率，与频率相关。介电常数是相对介电常数与真空中绝对介电常数乘积。如果有高介电常数的材料放在电场中，电场的强度会在电介质内会下降较大。通常危险液体不导电或弱导电。该设备完全是电子的，不含有任何放射性和微波材质以及其他有潜在危险性的成分。
图2：一种通过电磁波与称重合二为一的方式的液体检测仪原理框图
荧光淬灭技术
荧光淬灭技术的原理是当溶液中某种荧光分子（一般是稠环化合物、苯环上的硝基、胺基等）浓度超过某个数值的时候，会和溶剂分子产生相互作用，从而使得荧光效应减弱，这样在荧光谱上会形成大小不等的峰谷（图形）。不同的荧光分子淬灭图形不一样，因此能够区分出来。2005年，中科院上海微系统与信息技术研究所和上海三科仪器有限公司等单位合作，开展了荧光淬灭传感技术研究，并先后获得了863计划等科技项目的支持。他们发明了分子印迹荧光聚合物传感技术，设计、制备了一系列对常见炸药敏感、特异的聚合物传感材料，这些具有“特异功能”的传感材料能在紫外线的照射下发出荧光，如果有炸药分子吸附到聚合物纳米膜表面，将导致聚合物荧光迅速淬灭，这种荧光强度的改变采用上海三科仪器有限公司研制的专用荧光光度计很容易检测。
分子印迹荧光聚合物传感材料既具有分子印迹聚合物的高选择性，又具有分子链聚合物对目标分子的“一点接触，多点响应”的特点，使得其荧光强度对被检物分子十分敏感，表现出极高的灵敏度。目前研制的SIM07、SIM08型爆炸物探测器的检测下限达到0.1ppt，也就是说探测器能检出10万亿个空气分子中存在的1个炸药分子，这使得SIM07、SIM08 型炸药探测器能够像警犬一样，可以嗅出隐藏的爆炸物或残留在被检测对象表面的炸药痕迹，但它们要比训练有素的警犬还要敏感1个数量级。ＳＩＭ系列爆炸物探测器对操作人员和被检测对象都不产生伤害，也不污染环境，不会形成次生危险源。
图3：基于荧光淬灭技术的检测仪
拉曼光谱
拉曼光谱(Raman spectra)，是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C．V拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。
当光照射到物质上时会发生弹性散射和非弹性散射。弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分。非弹性散射的散射光有的比激发光波长长，有的比激发光波长短。非弹性散射激发出的光统称为拉曼效应。当用波长比试样粒径小得多的单色光照射气体、液体或透明试样时，大部分的光会按原来的方向透射，而小部分则按不同的角度散射开来，产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有若干条很弱的与入射光频率发生位移的拉曼谱线，这部分光就是拉曼效应。由于拉曼谱线的数目，位移的大小，谱线的长度直接与试样分子振动或转动能级有关。因此，拉曼光谱分析技术可以应用于物质的鉴定，分子结构的研究等。
拉曼安检软件是在拉曼安检仪原理样机研制的过程中设计实现的，其主要作用是完成拉曼安检仪的用户交互、谱图检测、数据处理、谱图识别、结果显示、数据存储管理、数据库管理等功能。拉曼安检仪是一种利用拉曼光谱对液体、固体粉末等进行安全检查的系统。通过探测被检测物体的拉曼光谱，对被检测物体进行识别，并给出安全提示或者危险报警。
拉曼安检仪一般包括以下几个部分：光学模块、控制电路系统、电池、算法系统、软件系统
图4 拉曼安检仪系统示意图
依据拉曼光谱简单说就是发射一束激光到液体，然后不同物质反射回来的光谱特征不同，以此区别液体种类，原理简图如下。
图5 拉曼光谱检测仪原理简图
相信随着科学技术的发展，还会有更先进、更方便的液体检测方法与仪器出现，由于文章篇幅有限，就不再一一介绍其他的检测方法了。如果读者有兴趣，欢迎共同探讨。