JP2011220710A - 液体の検査方法および液体検査装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】容器の外より容器内の液体に対して近赤外光を照射する近赤外光照射工程と、液体を透過した近赤外光または液体により散乱された近赤外光を受光する近赤外光受光工程と、受光した近赤外光の吸収スペクトルを分析して、容器内の液体における爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査する吸収スペクトル分析工程とを有し、吸収スペクトル分析工程が、吸収スペクトルを多変量解析することにより導かれた複数の判別式により分別した後、予め爆発物原料などの濃度が既知濃度の複数の液体の吸収スペクトルに基づいて作成された濃度推定式に代入して、爆発物原料などの濃度を測定する工程である液体の検査方法。
【選択図】図1
Description
光透過性の容器内に充填された液体における爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査する液体の検査方法であって、
前記容器の外より、前記液体に対して近赤外光を照射する近赤外光照射工程と、
前記液体を透過した前記近赤外光または前記液体により散乱された前記近赤外光を受光する近赤外光受光工程と、
受光した前記近赤外光の吸収スペクトルを分析する吸収スペクトル分析工程とを有し、
前記吸収スペクトルを解析して、前記容器内に充填された液体における爆発物と爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査することを特徴とする液体の検査方法(請求項1)であり、またこれらの工程を手段として有する検査装置(請求項8)である。
光透過性の容器内に充填された液体における爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査する液体の検査方法であって、
前記容器の外より、前記液体に対して近赤外光を照射する近赤外光照射工程と、
前記液体を透過した前記近赤外光または前記液体により散乱された前記近赤外光を受光する近赤外光受光工程と、
受光した前記近赤外光の吸収スペクトルを分析することにより、前記容器内に充填された液体における爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査する吸収スペクトル分析工程とを有し、
前記吸収スペクトル分析工程が、前記吸収スペクトルを多変量解析することにより導かれた複数の判別式により分別した後、予め前記爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の濃度が既知濃度の複数の液体の吸収スペクトルに基づいて作成された濃度推定式に代入して、前記爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の濃度を測定する工程である
ことを特徴とする液体の検査方法である。
前記多変量解析が、主成分分析または判別分析であることを特徴とする請求項1に記載の液体の検査方法である。
前記爆発物原料が、過酸化水素であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の液体の検査方法である。
前記吸収スペクトル分析工程が、主成分分析により得られた主成分を用いて、液体可燃物の有無を判定する判別工程を有していることを特徴とする請求項3に記載の液体の検査方法である。
前記吸収スペクトル分析工程が、主成分分析により得られた主成分を用いて、過酸化水素の有無を判定する判別工程を有していることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の液体の検査方法である。
前記吸収スペクトル分析工程が、主成分分析により得られた主成分を用いて、液量によるグループ分けを判定する判別工程を有していることを特徴とする請求項3ないし請求項5のいずれか1項に記載の液体の検査方法である。
前記吸収スペクトル分析工程が、
第1の主成分分析により得られた主成分を用いて、液体可燃物の有無を判定する第1判別工程と、
第2の主成分分析により得られた主成分を用いて、過酸化水素の有無を判定する第2判別工程と、
第3の主成分分析により得られた主成分を用いて、液量によるグループ分けを判定する第3判別工程と
を有していることを特徴とする請求項3に記載の液体の検査方法である。
前記吸収スペクトル分析工程が、前記吸収スペクトルとその2次微分スペクトルを用いた分析工程であることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の液体の検査方法である。
前記濃度推定式が、回帰分析を用いて作成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の液体の検査方法である。
前記回帰分析が、PLS回帰分析であることを特徴とする請求項9に記載の液体の検査方法である。
光透過性の容器内に充填された液体における爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査する液体検査装置であって、
前記容器の外より、前記液体に対して近赤外光を照射する近赤外光照射手段と、
前記液体を透過した前記近赤外光または前記液体により散乱された前記近赤外光を受光する近赤外光受光手段と、
受光した前記近赤外光の吸収スペクトルを分析することにより、前記容器内に充填された液体における爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査する吸収スペクトル分析手段とを有し、
前記吸収スペクトル分析手段が、前記吸収スペクトルを多変量解析することにより導かれた複数の判別式により分別した後、予め前記爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の濃度が既知濃度の複数の液体の吸収スペクトルに基づいて作成された濃度推定式に代入して、前記爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の濃度を測定するように構成されている
ことを特徴とする液体検査装置である。
最初に、本実施の形態に係る液体検査装置の構成について、図1に基づいて説明する。図1は、本実施の形態に係る液体検査装置の主要部を模式的に示す図である。図1において、10は光源であり、11は集光レンズであり、12はシャッタであり、21は照射用光ファイバであり、22は受光用光ファイバであり、23は較正用光ファイバであり、30は容器載置台であり、31はリング状照射部であり、32は受光部であり、40は受光回折部であり、41はフィルタであり、42はスリットであり、43は光学格子であり、44はスペクトル用の光電変換センサであり、50はパーソナルコンピュータ(PC)であり、70はペットボトルである。また、ペットボトル70内の破線は反射および散乱により受光部32に入射する光である。
次に、前記の液体検査装置を用いた検査の手順について説明する。なお、容器としてはペットボトルを用いている。
検査対象のペットボトル70が容器載置台30に載置されると、自動的にセンタリング等がなされ、シャッタ12が開き、照射用光ファイバ21によりペットボトル70の底へ光が照射される。
前記の通り、光源10から発せられた光は集光レンズ11により集光され、照射用光ファイバ21を経由して容器載置台30に設けられたリング状照射部31に導かれ、近赤外光がペトボトル70およびペットボトル70内の液体に照射される。照射された近赤外光は前記液体により散乱されて破線で示した散乱近赤外光となる。散乱近赤外光は、容器載置台30に設けられた受光部32において受光され、受光用光ファイバ22を介して受光回折部40に導かれる。受光回折部40に導かれた散乱近赤外光はフィルタ41、スリット42を通って光学格子43に送られ、分光されて吸収スペクトルが得られる。
取得された吸収スペクトルの所定の複数の波長における吸光度は2次微分されて2次微分吸収スペクトルが求められる。2次微分を施すことにより、重なり合った吸収バンドを分離し、またバックグラウンド効果を除去することができ、採取された吸収スペクトルに生じた微細な変化を捉えることができる。そして、この吸収スペクトルおよび2次微分吸収スペクトルを多変量解析して、以下に示す検知アルゴリズムに従って検査がなされ、検査対象の危険物の種類や濃度等の含有状況が特定される。検査結果は、PC50やその他の表示手段、あるいは音声手段により伝達される。
次に、検査の内容を説明する。なお、以下の検知アルゴリズムにおいては、多変量解析として主成分分析を採用している。
(1)危険物検知のアルゴリズム
はじめに、危険物検知のアルゴリズムについて、図2に示すフロー図を用いて説明する。なお、本実施の形態で検査対象とするのは、液体可燃物、水、過酸化水素水、過酸化水素を含んでいない水以外の飲料水(以下、単に「飲料水」ともいう)である。
最初に判別式1を用いて検査対象が液体可燃物か否かを判別し、液体可燃物と判別された検査対象を液体危険物として報知する。
次に、判別式1において報知されなかった検査対象を判別式2、3を用いて2段階の検査で検査対象が過酸化水素を含んでいるか否かを判別する。このように、2段階の検査を行うのは、飲料水の性質による。過酸化水素を含んでいないと判別された検査対象は、危険性のない飲料水として報知される。
次に、判別式2、3を用いて判別されなかった検査対象を、判別式4を用い、液量に応じて検査対象がいずれのグループに該当するかを判別する。
次に、該当するグループの濃度推定式を用いて検査対象の過酸化水素の濃度を測定し、測定値が基準値以上である場合は危険物として報知する。
前記の濃度推定式は種々のペットボトルに入れられた各種濃度(既知)の過酸化水素水についての多数の測定データを用いて各グループ毎にPLS回帰分析や重回帰分析等の回帰分析を行い、各グループ毎の濃度推定式を作成する。
イ.PLS回帰分析による濃度推定式の作成
過酸化水素の濃度の検量線の作成には、波長選択が不要、全波長の情報を使用、スペクトルの変動に強い、予測性能が高い等の理由からPLS回帰分析が好ましく用いられる。PLS回帰分析における回帰モデルを図10に示す。
評価には予測標準誤差(SEP:Standard Error of Prediction)を用いる。SEPは、誤差(残差)ベクトルfとその転置ベクトルfT、および評価サンプル数nにより以下の式で表すことができ、過酸化水素の濃度が既知の試料の測定結果を用いてSEPを求めることにより、測定精度を評価することができる。
(予測標準誤差)
f:誤差(残差)ベクトル
fT:fの転置ベクトル
n:評価サンプル数
である。
重回帰分析を用いる場合には、一般的な下記の(1)式に示す濃度の推定値と各波長における吸光度の関係を表す重回帰式を立て、(1)式に各種濃度の液体の濃度と吸収スペクトルの選定した複数の波長(λi)における吸光度を代入した方程式を必要数作成し、最小二乗法を用いて(1)式の回帰定数β0、偏回帰係数βiを決定する。
y=β0+β1x1+β2x2+β3x3+・・・+βpxp (1)
x:選定した各波長λiにおける吸光度(i=1〜p)
y:濃度
β0:回帰定数(液量、容器、溶液等により決まる)
βi:偏回帰係数(液量、容器、溶液等により決まる)
c=K0+K1E1+K2E2+K3E3+・・・+KpEp (2)
c :濃度(推定値)
En :所定の各波長におる吸光度
K0、Ki(i=1〜p):定数
未開封の飲料水のデータ、水と過酸化水素水(0%、8%、26%、31%、45.5%)を液量100ml、200ml、300ml、400ml、500mlと変化させて容量が500mlの形状の異なる8種類のペットボトルに入れた試料のデータ、液体可燃物(アルコール、アセトン、ガソリン、サラダ油)を3段階で量を変えた試料のデータを使用し、主成分分析による液体危険物の判別を行った。
飲料水、水、45.5%の過酸化水素水、液体可燃物(アルコール、アセトン、ガソリン、サラダ油)をサンプリング試料として、それらの散乱・反射光から得られた吸収スペクトルを主成分分析により解析した。その結果、主成分分析により求められた第1主成分と第2主成分を用いることにより判別できることが分かった。
液体可燃物でないと判定された場合には、「水、過酸化水素水」とお茶やコーラ等の「飲料水」との分離を行うこととなるが、この検査は前記したように第2判別式と第3判別式を用いた2段階に分けてなされる。
過酸化水素の濃度測定について、種々の検討を行った結果、液量によるスペクトル変動は大きく、過酸化水素水中の過酸化水素の濃度の測定に大きな影響を与えるため、試料を液量(バンド強度)に応じてグループ分けし、各グループそれぞれに対応する濃度推定式を適用して濃度測定を行うことが望ましいことが分かった。そして、2次微分スペクトルの主成分分析により液量でグループ分けできることを見出した。
前記したクラスA、クラスBのそれぞれについてPLS回帰分析により濃度推定式(検量線)を作成した。具体的には、クラスA、クラスBのそれぞれについて2回ずつ測定したデータの波長範囲690〜980nmにおける測定データの片方を検量データとして前記した回帰モデルにより濃度推定式(検量線)を作成した。なお、クラスAではファクター数を8とし、クラスBではファクター数を10とした。
クラスAの回帰ベクトル、検量線をそれぞれ図7(a)、(b)に示す。
(2)クラスB
クラスBの回帰ベクトル、検量線をそれぞれ図8(a)、(b)に示す。
図7(a)、図8(a)の横軸は波長、縦軸は回帰ベクトルである。図7(b)、図8(b)の横軸は検量線の作成に用いた試料の過酸化水素の実際の濃度であり、縦軸は推定(測定)濃度である。
(1)測定結果
2回ずつ測定した測定データのうち、検量線の作成に用いていない他方の測定データに基づいて検量線から求められる推定濃度、即ち測定値と実際の濃度に基づいてプロットした。クラスA、クラスBのプロットした結果をそれぞれ図9(a)、(b)に示す。図の横軸は実際の濃度、縦軸は推定濃度である。(a)(b)共に推定濃度は実際の濃度である0%と30%を中心にして狭い範囲に分布しており、精度の高い良好な測定が行われたことが分かる。
図9(a)、(b)に示した結果に基づいて前記したSEPを算出し、測定精度を定量的に評価した。(a)においてSEPは2.81%、(b)においてSEPは2.78%と小さく、グループ分けしない場合の例えば4.25%に比べて測定精度が大幅に向上していることが確認された。
11 集光レンズ
12 シャッタ
21 照射用光ファイバ
22 受光用光ファイバ
23 較正用光ファイバ
30 容器載置台
31 リング状照射部
32 受光部
40 受光回折部
41 フィルタ
42 スリット
43 光学格子
44 スペクトル用の光電変換センサ
50 パーソナルコンピュータ
70 ペットボトル
Claims (11)
- 光透過性の容器内に充填された液体における爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査する液体の検査方法であって、
前記容器の外より、前記液体に対して近赤外光を照射する近赤外光照射工程と、
前記液体を透過した前記近赤外光または前記液体により散乱された前記近赤外光を受光する近赤外光受光工程と、
受光した前記近赤外光の吸収スペクトルを分析することにより、前記容器内に充填された液体における爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査する吸収スペクトル分析工程とを有し、
前記吸収スペクトル分析工程が、前記吸収スペクトルを多変量解析することにより導かれた複数の判別式により分別した後、予め前記爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の濃度が既知濃度の複数の液体の吸収スペクトルに基づいて作成された濃度推定式に代入して、前記爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の濃度を測定する工程である
ことを特徴とする液体の検査方法。 - 前記多変量解析が、主成分分析または判別分析であることを特徴とする請求項1に記載の液体の検査方法。
- 前記爆発物原料が、過酸化水素であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の液体の検査方法。
- 前記吸収スペクトル分析工程が、主成分分析により得られた主成分を用いて、液体可燃物の有無を判定する判別工程を有していることを特徴とする請求項3に記載の液体の検査方法。
- 前記吸収スペクトル分析工程が、主成分分析により得られた主成分を用いて、過酸化水素の有無を判定する判別工程を有していることを特徴とする請求項3または請求項4に記載の液体の検査方法。
- 前記吸収スペクトル分析工程が、主成分分析により得られた主成分を用いて、液量によるグループ分けを判定する判別工程を有していることを特徴とする請求項3ないし請求項5のいずれか1項に記載の液体の検査方法。
- 前記吸収スペクトル分析工程が、
第1の主成分分析により得られた主成分を用いて、液体可燃物の有無を判定する第1判別工程と、
第2の主成分分析により得られた主成分を用いて、過酸化水素の有無を判定する第2判別工程と、
第3の主成分分析により得られた主成分を用いて、液量によるグループ分けを判定する第3判別工程と
を有していることを特徴とする請求項3に記載の液体の検査方法。 - 前記吸収スペクトル分析工程が、前記吸収スペクトルとその2次微分スペクトルを用いた分析工程であることを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載の液体の検査方法。
- 前記濃度推定式が、回帰分析を用いて作成されていることを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれか1項に記載の液体の検査方法。
- 前記回帰分析が、PLS回帰分析であることを特徴とする請求項9に記載の液体の検査方法。
- 光透過性の容器内に充填された液体における爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査する液体検査装置であって、
前記容器の外より、前記液体に対して近赤外光を照射する近赤外光照射手段と、
前記液体を透過した前記近赤外光または前記液体により散乱された前記近赤外光を受光する近赤外光受光手段と、
受光した前記近赤外光の吸収スペクトルを分析することにより、前記容器内に充填された液体における爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の含有状況を検査する吸収スペクトル分析手段とを有し、
前記吸収スペクトル分析手段が、前記吸収スペクトルを多変量解析することにより導かれた複数の判別式により分別した後、予め前記爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の濃度が既知濃度の複数の液体の吸収スペクトルに基づいて作成された濃度推定式に代入して、前記爆発物、爆発物原料および/または不正薬物の濃度を測定するように構成されている
ことを特徴とする液体検査装置。
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