CN1584567A - 小型非金属容器包装的易燃液体的检查方法及系统 - Google Patents

Abstract

小型非金属容器包装的易燃液体的检查方法及其系统属于微波无损检测技术领域。该方法及其系统用于检查进入公共场所人员随身携带的非金属容器中是否含有易燃液体。本发明的特征在于：把被检测液体放在发射天线和接收天线之间以及压力传感器之上，测量微波透射被检查液体后所产生的相位差，同时测量被检测液体的重量，根据相位差和重量来鉴别被检测液体是否易燃液体。同时相应地提出了一个含有压力传感器、微波八端口测量电路、微波源、发射天线和接收天线的系统，该系统可以实现本发明提出的检查方法。本发明可以广泛应用于机场、火车站、体育场馆、会场、大厦等公共场所出入口的快速安全检查，对公共安全具有重要意义。

Description

小型非金属容器包装的易燃液体的检查方法及系统

技术领域

小型非金属容器包装的易燃液体的检查方法及系统属于无损检查技术领域，尤其涉及微波无损检测领域和安全检查应用领域。

背景技术

易燃液体检查是近年提出的安全检查课题，是为了防止易燃、易爆液体进入飞机、火车、体育场馆、会议厅等重要公共场所而提出的。目前，还没有使用本发明所提出的检查方法及其系统来实现非金属包装易燃液体检查的。

用微波来测量物体的介电常数已经是被广泛研究的课题，在不同的应用场合有不同的测量方法。微波透射法是微波测量介电常数较好的方法之一。由于水的介电常数比其他一般的物质要高出许多，微波透射法也广泛应用在多种水分测量场合上。本发明就是采用微波透射法作为基础，配合压力传感器测量液体重量，来实现易燃液体检查的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以用于机场等公共场所的快速安全检查方法及系统——小型非金属容器包装的易燃液体的检查方法及系统。该系统检查的对象是进入公共场所人员随身携带的非金属容器包装的液体，如软塑料瓶装矿泉水。如果容器中装的是易燃、易爆液体，该系统可以进行报警。该系统对重要公共场所的安全防范很有意义。

本发明的基本思路是用微波透射来检查液体。由于一般易燃液体的介电常数要比水的介电常数低许多，而普通饮料的含水量很高，所以普通饮料的介电常数也很高。当微波透射物质时，会产生某种程度的相移。对于不同介电常数的物质，微波透射后所产生的相移明显不同，介电常数越大，产生的相移越大。普通饮料对微波的相移比易燃液体的要大许多。

本发明采用微波源产生一定频率的微波，通过发射天线把微波发射出来，被检测液体放在发射天线和接收天线之间，接收天线接收透射过被检测液体的微波，通过测量射出微波和接收微波之间的相位差可以得到微波透射液体所产生的相移。测量射出微波和射入微波之间的相位差采用微波多端口技术。由于不同重量的液体所产生的相移也不同，所以需要测量被检查液体的重量，并根据测量到的重量和相位差来鉴别出该液体是否易燃液体。

本发明所述的检查方法的特征在于它依次含有以下步骤：

(1)把以下参数存在微处理器：

    判断内盛液体的非金属容器是否达到启动测量条件的最小重量阈值Wmin；

    非金属容器及其内盛液体的重量W与用于判断是否易燃液体的最小相位差报警阈值Φ_W的曲线；

(2)用压力传感器测量非金属容器及其内盛液体的重量W，并把压力传感器的电压信号经过A/D转换器送入微处理器，并存储；

(3)微处理器把上述重量W与上述最小重量阈值Wmin进行比较，

若：W＞Wmin，则微处理器进行下一步骤；否则，重新回到步骤(2)；

(4)接通微波源，使微波经同轴传输线输入功率分配器，该功率分配器的一路输出经同轴传输线输入到八端口微波测量电路的第一个输入端，而该功率分配器的另一路输出经另一条同轴传输线送到发射天线，发射微波透过上述非金属容器后由接收天线接收，并经接收端的同轴传输线输入到上述八端口微波测量电路的第二个输入端口；

(5)上述八端口微波测量电路把输入的两路微波信号转换成六路电压信号P1、P2、P3、P4、P5、P6，其中P1、P2电压值与输入端口1和输入端口2的微波功率成正比，六路电压信号送入上述A/D转换器转换后输入上述微处理器；

(6)微处理器根据六路电压的数字信号计算出上述两路微波的相位差Φ，方法如下：

先计算功率比A， $A=\frac{P_1}{P_2},$ 其中P1、P2是功率计P1、P2输出电压值；

根据如下公式计算对应P_i的第i个相位差值Φ_i(i＝3-6)：

${\mathrm{\Φ}}_i=a\cos \left(\frac{P_i-k_{i1}{P}_1+k_{i2}{P}_2}{2\sqrt{k_{i1}{k}_{i2}{P}_1{P}_2}}\right)-{\mathrm{\θ}}_i,i=3-6;$

其中，P_i(i＝3-6)是功率计P3、P4、P5、P6的输出电压值，

k_i1，k_i2和θ_i(i＝3-6)是上述八端口微波测量电路预先标定的参数，

它们的物理意义如下：

$k_{i1}=\frac{P_i}{P_1},$ 当P2＝0时(i＝3-6)；

$k_{i2}=\frac{P_i}{P_2},$ 当P1＝0时(i＝3-6)；

${\mathrm{\θ}}_i=a\cos \left(\frac{P_i-k_{i1}{P}_1+k_{i2}{P}_2}{2\sqrt{k_{i1}{k}_{i2}{P}_1{P}_2}}\right),$ 当相位差Φ＝0时；

最后根据如下公式计算相位差Φ：

$\mathrm{\Φ}=\frac{1}{4}\underset{i=3}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_i+2\mathrm{n\π},$

其中n是整数周，根据上述测量到的功率比A，从预先标定的功率比A与整数周n的曲线中可以得到整数周n的值；

(7)微处理器根据上述测量到的重量W，从上述预先存放的重量W与相位差报警阈值Φ_W的曲线中求得相位差报警阈值Φ_W；

(8)微处理器比较上述相位差Φ和上述相位差报警阈值Φ_W，

若：Φ＜Φ_W，则认为被检查液体是易燃液体，微处理器向报警器输出报警信号后回到步骤(2)；否则，直接回到步骤(2)。

本发明所述的检查系统的特征在于它含有：

发射天线和接收天线，它们中间可以放置内盛被检查液体的非金属容器；

功率分配器，它有两个输出端，第一个输出端与上述发射天线的微波输入端相连；

微波源，它的输出端与上述功率分配器的微波输入端相连；

八端口微波测量电路，它的第一个微波信号输入端I1与上述功率分配器的第二个输出端相连；它的第二个微波输入端I2与上述接收天线的输出端相连；所述的八端口微波测量电路包括：

    六个功率计，分别标为P1、P2、P3、P4、P5、P6；

    三个定向耦合器，分别标为Q1、Q2、Q3，其中Q1的两个输出端分别与P3、P4的输入端相连；Q3的两个输出端分别与功率计P5、P6的输入端相连；Q2的两个输出端分别与Q1、Q3的输入端相连；

    三个功率分配器，分别标为D1、D2、D3，其中D1的输入端与八端口微波测量电路的第一个输入端I1相连；D2的输入端与D1的输出端相连，D2的两个输出端分别与上述两个定向耦合器Q1、Q3的输入端相连；D3的输入端与八端口微波测量电路的第二个输入端I2相连，而D3的输出端分别与上述Q2和功率计P2的输入端相连；上述的D1的另一个输出端与上述功率计的输入端相连；

A/D转换器，它的六个输入端分别与上述功率计的输出端相连；

微处理器，它的数据信号输入端与上述A/D转换器互连，它的报警信号输出端与报警器的输入端相连；

压力传感器，它的压力信号输出端与上述A/D转换器的信号输入端相连；

外壳，它包在上述发射天线、接收天线、微波源、功率分配器、八端口测量电路、A/D转换器、微处理器D和报警器之外，中间凹陷平台上放置上述压力传感器；在发射天线和接收天线之间的那一部分外壳是用易于微波透射的材料制的。

使用Ansoft公司的高频电磁场模拟计算软件Maxwell对本系统的模型进行模拟计算，模拟计算结果证明，本发明可以达到预期目的，可以识别出诸如汽油、酒精等易燃液体。预计整个检查过程不超过5秒。

本发明不适用于检查金属包装的液体。

附图说明

图1是典型设计的结构示意图。

图2是典型设计的核心电路的示意图。

图3是典型设计的微波八端口电路的示意图。

图4是微波八端口微带电路的实际电路图。

图5是本发明所述的检查方法的程序流程框图。

具体实施方式

请见图1：1是市售10GHz微波源，微波源产生的微波通过微波同轴传输线连接到功率分配器2的输入端，功率分配器把微波分成两路输出，一路通过微波同轴传输线送到核心电路7中，另一路通过微波同轴传输线送到发射天线3发射，由接收天线4接收后通过微波同轴传输线送到核心电路7中，关于核心电路7的详细描述请见图2及图3的说明。功率分配器2采用市售功率分配器JGF821B。天线3和4是一对市售喇叭天线。5是整个系统的外壳。在发射天线和接收天线之间的外壳是易于微波透射的材料。6是被检查液体及其容器。7是测量发射和接收两路微波的相位差并根据测量到的相位差进行报警的核心电路。8是用于测量被检查液体及其容器的重量的压力传感器。

请见图2：1、2、3、4和7同图1。核心电路7包括微波八端口测量电路9、模数转换器10和微处理器电路11、微波报警模块12。微波八端口测量电路9把输入的两路微波信号转换成六路电压信号输出，连接到模数转换器10的六路模拟输入端口，微波八端口测量电路9的细节请见图3。模数转换器10是把微波八端口测量电路9输出的六路电压信号及压力传感器8输出的电压信号转换成数字信号的模数转换器，型号是ADS7844。微处理器电路11的核心是一块Intel公司的8051微处理器，微处理器接收模数转换器的数字信号，进行计算和逻辑判断，还在需要报警时向报警模块12输出报警信号。报警模块12采用市售扬声器。

请见图3：微波八端口电路9由功率分配器D1、D2、D3；定向耦合器Q1、Q2、Q3；功率计P1、P2、P3、P4、P5、P6组成。其中，功率计P采用市售微波功率计。而其余部分采用微带电路设计，详细见图4。关于微带电路，请参考人民邮电出版社出版的清华大学编《微带电路》一书。

请见图5：微处理器按照图5的流程进行工作。实际应用时，被检查液体及其容器放在两天线之间，微处理器通过压力传感器测量到液体重量W，在重量测量结果W大于预先设定的启动测量的最小重量阈值W_min时，测量相位差Φ。通过预先刻度好的重量W和相位差报警阈值Φ_W曲线可以查出报警阈值Φ_W。如果测量到的相位差Φ小于报警阈值Φ_W，那么立即进行报警。其中根据六路数字信号计算出两路微波的相位差的具体计算方法如发明内容中所述，其细节可以参考相关文献，如《微波学报》2000年S1期，罗裕辉等，微波八端口结构及其自校准。

在具体实施时，可以不用10GHz微波源而采用其他频率的微波源，也可以不用微波八端口技术而采用其他测量两路微波相位差的方法。

本发明属于非接触式测量，适用于机场、火车站、体育场馆、会议厅等等重要公共场所的出入口安全检查，有着广泛的应用前景。

Claims (2)

1.小型非金属容器包装的易燃液体的检查方法，其特征在于，它依次含有以下步骤：

(1)把以下参数存在微处理器：

    判断内盛液体的非金属容器是否达到启动测量条件的最小重量阈值Wmin；

    非金属容器及其内盛液体的重量W与用于判断是否易燃液体的最小相位差报

    警阈值ΦW的曲线；

(2)用压力传感器测量非金属容器及其内盛液体的重量W，并把压力传感器的电压信号经过A/D转换器送入微处理器，并存储；

(3)微处理器把上述重量W与上述最小重量阈值Wmin进行比较，若：W＞Wmin，则微处理器进行下一步骤；否则，重新回到步骤(2)；

(4)接通微波源，使微波经同轴传输线输入功率分配器，该功率分配器的一路输出经同轴传输线输入到八端口微波测量电路的第一个输入端，而该功率分配器的另一路输出经另一条同轴传输线送到发射天线，发射微波透过上述非金属容器后由接收天线接收，并经接收端的同轴传输线输入到上述八端口微波测量电路的第二个输入端口；

(5)上述八端口微波测量电路把输入的两路微波信号转换成六路电压信号P1、P2、P3、P4、P5、P6，其中P1、P2电压值与输入端口1和输入端口2的微波功率成正比，六路电压信号送入上述A/D转换器转换后输入上述微处理器；

(6)微处理器根据六路电压的数字信号计算出上述两路微波的相位差Φ，方法如下：先计算功率比A， $A=\frac{P_1}{P_2},$ 其中P1、P2是功率计P1、P2输出电压值；根据如下公式计算对应P_i的第i个相位差值Φ_i(i＝3-6)：

${\mathrm{\Φ}}_i=a\cos \left(\frac{P_i-k_{i1}{P}_1+k_{i2}{P}_2}{2\sqrt{k_{i1}{k}_{i2}{P}_1{P}_2}}\right)-{\mathrm{\θ}}_i,i=3-6;$

其中，P_i(i＝3-6)是功率计P3、P4、P5、P6的输出电压值，

  k_i1，k_i2和θ_i(i＝3-6)是上述八端口微波测量电路预先标定的参数，

  它们的物理意义如下： $k_{i1}=\frac{P_i}{P_1},$ 当P2＝0时(i＝3-6)； $k_{i2}=\frac{P_i}{P_2},$ 当P1＝0时(i＝3-6)； ${\mathrm{\θ}}_i=a\cos \left(\frac{P_i-k_{i1}{P}_1+k_{i2}{P}_2}{2\sqrt{k_{i1}{k}_{i2}{P}_1{P}_2}}\right),$ 当相位差Φ＝0时；最后根据如下公式计算相位差Φ：

$\mathrm{\Φ}=\frac{1}{4}\underset{i=3}{\overset{6}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Φ}}_i+2\mathrm{n\π},$

其中n是整数周，根据上述测量到的功率比A，从预先标定的功率比A与整

数周n的曲线中可以得到整数周n的值；

(7)微处理器根据上述测量到的重量W，从上述预先存放的重量W与相位差报警阈值ΦW的曲线中求得相位差报警阈值ΦW；

(8)微处理器比较上述相位差Φ和上述相位差报警阈值ΦW，

若：Φ＜ΦW，则认为被检查液体是易燃液体，微处理器向报警器输出报警信号后回到步骤(2)；否则，直接回到步骤(2)。

2.小型非金属容器包装的易燃液体的检查系统，其特征在于，它含有：

发射天线和接收天线，它们中间可以放置内盛被检查液体的非金属容器；

功率分配器，它有两个输出端，它的第一个输出端与上述发射天线的微波输入端相连；

微波源，它的输出端与上述功率分配器的微波输入端相连；

八端口微波测量电路，它的第一个微波信号输入端与上述功率分配器的第二个输出端相连；它的第二个微波输入端与上述接收天线的输出端相连；所述的八端口测量电路包括：六个功率计，分别标为P1、P2、P3、P4、P5、P6；

三个定向耦合器，分别标为Q1、Q2、Q3，其中Q1的两个输出端分别与P3、P4的输入端相连；Q3的两个输出端分别与功率计P5、P6的输入端相连；Q2的两个输出端分别与Q1、Q3的输入端相连；

三个功率分配器，分别标为D1、D2、D3，其中D1的输入端与八端口微波测量电路的第一个输入端相连；D2的输入端与D1的输出端相连，D2的两个输出端分别与上述两个定向耦合器Q1、Q3的输入端相连；D3的输入端与八端口微波测量电路的第二个输入端相连，而D3的输出端分别与上述Q2和功率计P2的输入端相连；上述的D1的另一个输出端与上述功率计的输入端相连；

A/D转换器，它的六个输入端分别与上述功率计的输出端相连；

微处理器，它的数据信号输入端与上述A/D转换器互连，它的报警信号输出端与报警器的输入端相连；

压力传感器，它的压力信号输出端与上述A/D转换器的信号输入端相连；

外壳，它包在上述发射天线、接收天线、微波源、功率分配器、八端口测量电路、A/D转换器、微处理器D和报警器之外，中间凹陷平台上放置上述压力传感器；在发射天线和接收天线之间的那一部分外壳是用易于微波透射的材料制的。

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