摘 要：鉴于目前安检设备无法检测一些具有挥发性的有毒有害或易燃、易爆液态危险品。利用电子鼻气味识别的功能，将X射线检测技术与电子鼻气味识别技术有机的结合起来，分析了箱体容积内运动气体的流动特性，并确定电子鼻的位置分布及数量，实验表明：该方法对挥发性的有毒有害或易燃、易爆液态危险品检测的概率达到85%，电子鼻技术的应用克服X射线检测仪识别物质不全面的缺点，实现了对危险品的全面检测，提高了安检仪的性能。

    关键词：气体传感器；电子鼻；X射线检测仪

    0 引 言

    传统的安全检测设备，如，磁力针、金属武器检测门、X射线检测仪等，能检测到武器和普通炸药等危险品。沈阳地泰公司研制开发的DEX9080B型危险品检查仪^[1]设计采用X射线透射物体成像技术，应用高分辨力双能量L型探测器，其成像像素尺寸仅为1.5mm@1.5mm，可获得16383灰度级别的图像；获取的原始图像阵列数据进行数字化图形图像处理，并由物质分类试验建立分类区域的分类阈值，界定有机物、无机物、混合物，进一步分辨出危险品。该仪器成像技术先进，可分辨出0.09mm金属丝这样的微细物质。

    然而，该设备在检测过程中存在着一定的缺陷，在无人值守的情况下，无法检测一些具有挥发性的有毒有害或易燃、易爆液态危险品，如，酒精、汽油、丙酮、甲醇等。电子鼻作为一种化学分析仪器^[2]，将仿生学、传感技术、信号处理、模式识别和计算机技术融于一身，模仿生物感官——鼻子的功能，鉴别和判断带有气味的各种样品，包括气体、液体和固体的物质，恰能弥补传统安检设备的不足。

    本文以沈阳地泰公司研制开发的公路客运站危险品检查仪为背景，分析运动包裹散发出气味的流动特点，通过正交实验确定电子鼻在安检仪中的位置，利用电子鼻能够检测、识别气味的特点，提出将电子鼻系统应用于X射线检测仪中，融合不同的图像、气味信息，进而实现对危险品的识别，提高了X射线检测仪的检测效果。

    1 电子鼻工作原理

    电子鼻系统^[2~4]恰是模仿实际生物嗅觉系统，将传感器和计算机技术、信号处理结合起来的仿生型化学分析仪器，其结构框图如图1所示，主要包括传感器阵列、信号预处理和模式识别系统三部分。气体传感器是气体检测系统的核心，是电子鼻的关键部分，从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体的体积分数转换成对应电信号的转换器，通常，安装在探测头内，探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常，包括滤除杂质和干扰气体、作干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。

    气味分子被电子鼻中的气体传感器阵列所吸附并产生信号，生成的信号经处理加工和传输，然后，通过模式识别系统做出判断。气体传感器阵列在功能上相当于彼此重叠的人的嗅觉感受细胞，产生嗅感信号；模式识别、智能解释器和知识库在功能上相当于人的大脑，具有分析、判断、智能解释的功能。

图1 电子鼻的结构框图

    2 运动气体的流动特性及电子鼻分布确定

    实际应用中的X射线箱体一般为侧面开口的长方体，如图2所示，为了防止X射线的泄漏，开口端装有防护铅帘，因此，可将箱体内部视为密闭空间，仅在包裹进入或离开箱体空间时进行气体交换。箱体内的气体检测属于固定式非接触检测，输送带按一定速度运动，做匀速运动的包裹必然带动空气流动，加快气体的挥发和扩散；然而，在有限的箱体长度及一定的速度v条件下，对气体扩散的影响是很小的。此时，就必须选用吸气泵，通过吸气泵的作用，加快气体的流动、缩短采样时间，实现实时、快速检测。根据X射线检测仪箱体的结构和空气动力学的理论，吸气泵(或风扇)、气体检测仪主要有上、中、下3种安装位置。空间气流分布的形式取决于吸气泵(或风扇)的吹吸方式及布置方式^[5]，实验证明：图2安装方式气体检测仪响应时间最短，并且，此位置气体的体积分数最大。

图2 上测吸风系统空间模型

    运动包裹散发出的气味的流动是没有规律的，必须配置多个采样点，全方位的收集箱体内的气体，避免有毒有害物质的漏检。因此，在箱体的左面、顶面、右面装有气体传感器。本文的关键点是在实验的基础上确定气体传感器的数量和布置方式，为了减少实验次数、优化实验质量，以X射线检测仪的箱体顶面、侧面(长度方向)及侧面(高度方向)为实验因素确立的因素水平的正交实验表如表1所示。

表1 正交实验表

    由于旅客的包裹均有一定的高度，在高度上取2个水平；而左右两侧面在概率上是相同的，仅取左面为实验侧面，既符合安检时实际情况，又减少了实验次数。

    以体积分数为100%的丙酮为实验样品，分析实验结果得出2种安装位置和数量效果明显，结论基本一致，具体的配置如图3，图3(a)在左、右侧面各布置1个采样点，在顶面布置1或2个采样点；图3(b)在左、右及顶面分别布置2个采样点。

    针对于上述2种方案，分别对左、右面、顶面放置2只气体传感器进行进一步实验(图3(b)所示)，实验次数为100次。在顶端采用吸气泵的条件下，得到的响应次数发生的概率为， 1号电子鼻概率为33%；2号电子鼻响应概率为72%；3号电子鼻响应概率为20%；4号电子鼻响应概率为85%。在被检测物体随输送带自然扩散的前提下，得到响应次数的概率分别为10%， 18%， 35%， 43%。可见受顶端的放置吸气泵的影响，明显加快了气体扩散的速度，在箱体侧面或顶面、后端2或4号气体传感器的响应次数远大于前端传感器的响应次数，而且，接近于实验次数。

图3 电子鼻的数量及布置模型

    因此，根据实验结果，将多个电子鼻传感器分布于以图3(a)中1，2，3，4为中心的区域内，将多个传感器信息融合，提高安检仪对易挥发有毒有害气/液体的识别能力。

    3 多信息易燃液体的识别实验

    多信息易燃液体的识别实验主要由X射线检测方法和电子鼻气味识别技术对液体危险品进行识别。以装有丙酮液体容器的包裹为实验目标，并假设液体的体积分数达到一定值(认为已构成危险)的前提下分别利用X射线检测仪与配有电子鼻设备的X射线检测仪(电子鼻气味识别系统)进行检测。

    实验1：被检包裹经过X射线检测仪时，经X射线扫描后得到图像。从图中可以清楚地看到容器的形状，并且，通过线扫描实验还可获得与不同体积分数的丙酮相对应的灰度级，根据实验结果，可以知道图像的灰度级参数是有界且突变的。然而，通过这两点也很难确定包裹内是否有液态危险品存在。

    实验2：被检包裹通过配有电子鼻设备的X射线检测仪时，电子鼻能够实时检测到液态危险品的存在。并且，随着包裹与电子鼻探头距离的减小，检测的体积分数增大，电子鼻的响应也越明显。电子鼻对气味的识别功能恰能有效地弥补X射线检测仪的缺陷，实现了对具有挥发性的有毒有害或易燃、易爆液态危险品的检测。

    液态危险品与电子鼻间的距离与响应时间的关系是电子鼻气味识别系统设计的主要指标。由于X射线检测仪传动系统传送速度是一定的，所以，电子鼻需在有限的时间(5~6s左右)内响应，如果超出这个时间范围，被检包裹就会被传送出去，所以，需要电子鼻有很高的灵敏度。图4给出了不同体积分数的丙酮液体与电子鼻间的距离同电子鼻响应时间的关系曲线。

图4 响应时间和电子鼻距不同体积分数的丙酮间距离关系曲线

    4 结论

    本文将电子鼻应用于X射线检测仪中，并将X射线检测技术与电子鼻气味识别技术相结合，利用电子鼻气味识别系统对具挥发性的易燃、易爆液体进行检测，实验证明：此系统能够很好地检测出被检包裹中的易燃、易爆等挥发性液体，弥补了X射线检测仪的不足。安装有电子鼻的X射线检查设备不仅增强了识别功能，而且，检测危险品的范围也大大增加，多信息的融合使安检设备的功能更加完善。

    参考文献：

    [1] Corcoran P.Electronic odour sensing systems [J]. Electronics&Communition Engeering Journal，1993(5)：303-308.

    [2] Natale C D.An electronic nose for food analysis [J]. Sensors and Actuators B， 1997(44)：521-526.

    [3] 高大启，杨根兴.电子鼻技术新进展及其应用前景[J].传感器技术， 2001，20(9)： 1-5.

    [4] 李树坦.X射线安检设备中数字图像处理的研究与探索[D].沈阳：东北大学，2003：11-21.

    [5] 黄雪莲，戴有为，梅启元.空调房间气流组织的数值模拟[J].南京理工大学学报，2003，27(4)：355-358.