易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測裝置設(shè)計

余岑

（安徽軍工集團控股有限公司 安徽省合肥市 230001）

易燃易爆氣液體作為縱火的助燃劑，容易引發(fā)火災(zāi)甚至引發(fā)爆炸，給人們的生活帶巨大的經(jīng)濟損失及心理創(chuàng)傷。本文目針對人口密集、客流量大的汽車客運樞紐站，開展系統(tǒng)研究并在西安城東客運站重點開展易燃物揮發(fā)氣體檢測。

1 研究內(nèi)容及目標

本文分析典型客車易燃易爆物品，研究日常容易獲得用于易燃易爆氣液體特性，實地考察并采集環(huán)境氣體數(shù)據(jù)，得出易燃易爆氣液體揮發(fā)物識別需求。以MEMS 薄膜半導(dǎo)體氣敏傳感器陣列為基礎(chǔ)[1]，從氣體進樣、傳感器信號處理、識別算法和報警輸出四個環(huán)節(jié)對易燃易爆氣液體識別系統(tǒng)展開總體設(shè)計，得出總體設(shè)計方案。

通過研究，形成一套技術(shù)先進、便裝實用、成本可控的易燃易爆品檢測裝備，應(yīng)用于人口密集且人流量大的汽車客運樞紐站，提升行業(yè)發(fā)現(xiàn)危險品的能力，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全，為健全我國公共安全體系、全面提升全國道路客運行業(yè)安全防范技術(shù)水平和能力、減少人員傷亡提供堅強保障。

2 易燃液體揮發(fā)物識別需求分析

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展及貧富差距的加大，發(fā)展過程中所積累的矛盾致使報復(fù)社會的事件時有發(fā)生，客車常見的縱火案件[2]。如圖1 所示。

縱火案中犯案人員由于對社會不滿或宣泄極端情緒，多以客車（人員密集區(qū)域）、地鐵，廣場等場所作為實施犯罪活動的目標，從而達到擴大影響面和報復(fù)社會等目的。

縱火案件使用液態(tài)燃料為主，易流淌擴散，起火后蔓延迅速。所使用的液態(tài)燃料以常見且難以管制的汽油、松香水、香蕉水和酒精為主。汽車客運樞紐，僅有X 光機等常規(guī)安檢手段，主要用于檢測刀、槍等金屬管制物品，對容器或行李包裹沾染等方式攜帶易燃液體進站伺機作案缺乏一種快速、有效、實用的安防檢測手段。

3 易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測裝置總體設(shè)計

易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測裝置將乘客通道中的氣體吸入到MEMS 薄膜半導(dǎo)體氣敏傳感器陣列表面，通過傳感器信號處理電路獲得氣敏傳感器陣列的電導(dǎo)率值，輸入到識別算法模型中分析比對，判斷是否為特征數(shù)據(jù)庫中的某類易燃液體揮發(fā)氣體，如果是且濃度超過該類氣體的設(shè)定報警閾值則發(fā)出報警。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計目標

易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測裝置與金屬安檢門集成應(yīng)用于汽車客運樞紐站進站口，有頂棚，處于非露天環(huán)境，可不考慮防淋雨設(shè)計。預(yù)計工作環(huán)境溫度-20℃～75℃，濕度5%～95%RH，存在一定的灰塵、顆粒物和飛絮等。

裝置安裝布置方式如圖2 所示，立于行人通道兩側(cè)，不得阻礙通行，無尖銳突起或鋒利邊緣，不得對人體有安全隱患，不容易鉤住衣物或行李。

檢測距離不小于10cm；檢測氣體種類：汽油、酒精、松節(jié)油、環(huán)乙烷、正已烷、四氫呋喃、石油醚和乙酸乙酯；檢測準確率不小于80%；響應(yīng)時間小于3 秒；檢測濃度（汽油）小于20mg/m3。

圖1：公交及客車縱火爆炸案件

圖2：易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測裝置安裝布置方式

圖3：裝置高度示意圖

圖4：傳感器電導(dǎo)率測量電路

3.2 氣體進樣設(shè)計

通常乘客攜帶易燃氣液體進站，雙手或者手提的行李最容易沾染或散發(fā)出易燃氣液體揮發(fā)物，因此易燃易爆氣液體揮發(fā)物檢測設(shè)備的氣體進樣重點區(qū)域就是人的雙手或者手提的行李附近。我國成年人的身高主要分布在160cm-180cm 之間，手臂自然下垂，雙手距離地面距離約為80cm-90cm。

圖5：系統(tǒng)總框圖

如圖3 所示，當設(shè)備上的人體接近探頭感應(yīng)到乘客通過安檢通道時，設(shè)備氣體進樣模塊會主動吸入通道距離地面80cm-90cm 處的空氣，對其進行種類和濃度分析。

3.3 傳感器信號處理

MEMS 薄膜半導(dǎo)體氣敏傳感器是基于半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜的電阻型氣體傳感器，薄膜中的半導(dǎo)體金屬氧化物成分如Fe2O3，SnO2，In2O3，WO3等，吸附目標氣體分子，使得材料電導(dǎo)率下降，電阻上升，達到檢測氣體的目的[2]。

具體檢測機理包括表面吸附、表面反應(yīng)和材料電學性能變化三個過程。首先，環(huán)境中的氧分子以等不同形式吸附在材料表面，對于N 型半導(dǎo)體，使得其電導(dǎo)率下降，對于P 型半導(dǎo)體，使得其電導(dǎo)率上升；其次，當遇到易燃氣液體揮發(fā)物時（一般為還原性目標氣體），材料表面的就會和還原性氣體發(fā)生電子交換，使N 型半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率下降，P 型半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率上升；最終，目標氣體濃度下降或消散時，材料的電導(dǎo)率逐漸恢復(fù)。

每種半導(dǎo)體金屬氧化物材料通常對應(yīng)一個最佳工作溫度，在最佳工作溫度下傳感器對一定濃度的目標氣體表現(xiàn)出較大的靈敏度。工作溫度偏低，會導(dǎo)致傳感器的響應(yīng)時間和恢復(fù)時間變長；工作溫度過高，會縮短傳感器的使用壽命。因此需要將半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜與一個微型加熱片通過MEMS 加工工藝疊加在一起，通過控制微加熱片的功率來使得半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜處于最佳工作溫度。

半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜處在最佳工作溫度時，其電阻阻值在K歐姆到百兆歐姆之間變化，目標氣體濃度過大時，材料表面的氧分子無更多電子釋放，電導(dǎo)率相對氣體濃度曲線會產(chǎn)生較大的非線性，信號采集和處理只考慮電導(dǎo)率線性區(qū)間內(nèi)，濃度過大時直接發(fā)出報警。

電導(dǎo)率測量采取如圖4。

半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜電阻為RS，串聯(lián)一個固定阻值電阻RL，兩端施加固定電壓Vc。輸出電壓VRL與RS存在如下關(guān)系：

3.4 識別算法模型

由于半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜對大多數(shù)還原性氣體均有響應(yīng)，并不能根據(jù)單個傳感器電導(dǎo)率ρS形成的序列判斷氣體的主要成分和該主要成分的濃度。因此需要使用多種不同材料和工藝制作的半導(dǎo)體金屬氧化物薄膜組成MEMS 薄膜半導(dǎo)體氣敏傳感器陣列，利用陣列中各個單元傳感器對多種目標氣體的響應(yīng)差異性來判斷當前被測氣體的主要成分種類，并計算該成分的濃度。

為更準確獲得被測氣體的主要成分種類，需要采用較多的傳感器單元組成陣列，一般8 個以上，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)維度較高，并且氣體種類成分復(fù)雜，難以找到傳感器陣列的變化規(guī)律，不利于分析。采用主成分分析方法，處理高維數(shù)據(jù)序列，提取其貢獻率較高的一到兩個主成分向量，可以將后續(xù)的分析處理集中在這一兩個主成分上，提高計算效率和準確率[3]。

要想根據(jù)主成分分析結(jié)果的一兩個主成分向量，判斷主成分對應(yīng)的氣體種類，需要解決三個問題：

（1）如何選擇區(qū)分度更好的傳感器陣列組合；

（2）已知氣體種類對應(yīng)的主成分向量如何描述和存儲；

（3）如何將待判定主成分向量與多種已知氣體種類對應(yīng)的主成分向量集合進行比對得到分類結(jié)果。

對于第一個問題，采用傳感器貢獻率分析方法，對需要區(qū)分的多種目標氣體進行檢測，分析各個傳感器在區(qū)分這些氣體時的特性差異，將特性差異較小傳感器替換出陣列組合，直至優(yōu)化獲得一組傳感器。

對于第二個和第三個問題，采用線性判別式分析，可以對預(yù)先采集并標記種類的數(shù)據(jù)進行主成分分析提取主成分向量，計算類間最有區(qū)分度并且類內(nèi)最有聚合度的特征空間，并將各類在特征空間的投影結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中備查[4]。待測數(shù)據(jù)輸入后，提取主成分向量后向聚類空間投影，與數(shù)據(jù)庫中保存的標記數(shù)據(jù)進行比對，判斷屬于待測氣體的主成分屬于哪一類。

3.5 報警輸出設(shè)計

在線性判別式分析確定主成分種類后，回到主成分分析的結(jié)果，計算主成分向量得分，即為主成分氣體的濃度。由于不同易燃氣液體的危害程度不一樣，因此分別設(shè)置報警閾值。

與金屬安檢門相似，設(shè)備通過安裝在頂部的兩個報警燈和蜂鳴器發(fā)出報警，并通過網(wǎng)口將報警氣體種類和濃度信息發(fā)送出來，可通過配套的工作站計算機顯示并記錄在數(shù)據(jù)庫中。

最終形成的系統(tǒng)總框圖如圖5 所示，氣體進樣后到達敏感材料表面，引起電導(dǎo)率變化，通過信號處理電路轉(zhuǎn)化為電壓變化，單片機AD 采樣計算后獲得傳感器陣列的輸出向量，以此向量作為識別算法的輸入，結(jié)合特征數(shù)據(jù)庫，判斷物質(zhì)種類，如果是易燃氣液體揮發(fā)物，并且達到報警閾值，進行報警輸出。

4 結(jié)語

隨著國內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的日益提高，基礎(chǔ)設(shè)施越來越完善，公交車、火車、地鐵等已經(jīng)成為人民出行的主要選擇的交通工具，這些場所人員密集，萬一有不法分子帶有易燃易爆氣液體闖入，將會給人民帶來巨大的經(jīng)濟損失，也會給社會帶來恐慌，本檢測裝置的設(shè)計，可以提早發(fā)現(xiàn)危險物品，提早預(yù)警，為人民的幸福生活保駕護航。