Демонстрація впливу контейнера на процес розпізнавання рідин методом вимірювання кільцевого резонатора

Тургут Озтюрк

Кафедра електротехнічної електроніки Технічного університету Бурси, Бурса, Туреччина

Анотація

Перш ніж відокремлювати або класифікувати небезпечні/небезпечні рідини, слід визначити систему, яка може найкращим чином вимірювати певні рідини. Краща система вимірювань може бути корисною, швидкою реакцією, швидким вимірюванням тощо. Однак цих ознак недостатньо для класифікації рідин у різних контейнерах. Особливо в пунктах безпеки контейнери з рідиною, які перевозяться людьми, можуть бути різними. Тому було досліджено, чи можна провести класифікацію, використовуючи реакцію різних контейнерів на електромагнітне випромінювання. Коли метод вимірювання кільцевого резонатора використовується в діапазоні частот 1–1,4 ГГц, здійснюється успішний процес розділення, навіть якщо контейнери були виготовлені з різних матеріалів. Тим не менше, для аналізу результатів вимірювання вибраних рідин був використаний добре відомий алгоритм k-середніх значень.

Вступ

Можна спробувати різні методи, щоб зменшити вплив небезпечних матеріалів та вдосконалити способи захисту. На переповненому заводі, в аеропортах і торгових центрах запобіжні заходи повинні бути набагато вищими. Там, де багато людей, вибухові та незаконні матеріали частіше перевозяться людьми. З цієї причини слід представити новий метод ідентифікації небезпечних матеріалів, де ручний та візуальний пошук не може бути достатнім. Системи мікрохвильової спектроскопії, які можуть бути альтернативними методами, застосовувались у багатьох областях застосування, таких як безпека чи військова діяльність. Метод вимірювання вільного простору (FSM) особливо пропонує можливість особливо неруйнівних та безконтактних вимірювань, характеристики твердих речовин-рідин-порошкових матеріалів, вимірювання твердих матеріалів, за винятком дуже дрібних, і без підготовки зразка 1, 2 .

У цьому дослідженні було успішно проведено класифікацію різних рідин. Результати показали, що незаконні або вибухонебезпечні рідини можна розрізнити за допомогою запропонованої моделі. Отже, раптова реакція зразків під електромагнітним випромінюванням використовується для полегшення процесу класифікації за допомогою статистичних алгоритмів. Коли раптова зміна цієї радіаційної реакції зразків поєднується з високим рівнем продуктивності алгоритмів класифікації, очікуваний вихід виявляється більш чітко. Щоб зменшити ймовірність помилки, вимірювання повторювали для кожної рідини і отримували найбільш точні результати. Таким чином, він спрямований на зменшення витрат на процес ідентифікації, скорочення вимірювань та тривалості та покращення визначення матеріалів.

Метод вимірювання кільцевого резонатора

Кільцевий резонатор використовується для характеристики матеріалів, що визначають діелектричні властивості в мікрохвильовому діапазоні частот. Крім того, він зазвичай використовується в мікрохвильових пристроях, таких як муфти, фільтри, змішувачі, генератори та антени. Процес цього методу можна пояснити як взаємозв'язок між частотою та резонансом 26. Структура методу кільцевого резонатора складається з кільця на підкладці та лінії передачі для вимірювання величини S21 (дБ) та фазових значень. Характеристичний імпеданс був обраний як 50 Ом 27. Схематичний вигляд цього методу показаний на рис. 1, який ми намалювали. Існує замкнутий контур, два проміжки для з’єднання та дві лінії подачі як вхід і вихід, які зв’язані з Vector Network Analyzer (VNA). Система вимірювань отримала свою назву завдяки формі антени.

Схематичний вигляд RRM.

Застосування методу кільцевого резонатора є простим у використанні та простим у реалізації. Вперше був використаний тип мікросмужкової лінії цього методу, а згодом застосовувались різні типи, такі як зв’язані лінії, копланарні лінії та інвертована або підвішена мікросмугова лінія 28. Рідини поміщали в різні посудини. Для вимірювання параметра S21 на мікрохвильових частотах у цій спектроскопії використовується VNA. Це слід врахувати; результати RRM повинні перевірятись за допомогою загальновідомої довідки, якою може бути проба води. Таким чином, стандарти калібрування запроваджуються легко для досягнення хорошої точності для різних рідин. Водні дипольні втрати досить високі при широкосмуговій частоті 29 .

Кільцева антена резонує, коли довжина хвилі радіочастотної енергії, що поширюється в лінії подачі, еквівалентна оточенню кільця. Коефіцієнти пропускання та відбиття випробовуваного матеріалу в цій системі вимірювання за допомогою VNA. Зміна резонансу відповідно до вимірюваного опорного сигналу забезпечує отримання діелектричної проникності зразка. RRM здатний вимірювати рідини, а також тверді речовини. Був зроблений контейнер, який можна оточити кільцем, і його поставити над установкою.

Алгоритм аналізу

Для багатьох застосувань використовувались різні методи кластеризації. Ці методи можна відсортувати як k-середні та аналіз основних компонентів, часткові найменші квадрати, самоорганізуючі карти та алгоритми оптимізації рою частинок. Їм можна віддати перевагу групувати зразки з різними формами. У цьому дослідженні був обраний добре відомий та зручний метод класифікації для розрізнення рідин. Проблему можна визначити як визначення k (цілих) точок у Rd (d-мірний простір), які називаються центрами, у n точках даних для техніки K-означає. Отже, відстань середнього квадрата від кожної точки даних до найближчого центру. Цей процес називається спотворенням помилок у квадраті. Кількість кластерів повинна бути попередньо вказана у наборі даних. Відповідна кількість кластерів визначається методом спроб і помилок, і це сліпа сторона, оскільки ускладнює процес кластеризації. Тому набір може бути прийнятий замість одного за замовчуванням K. Оскільки відображення конкретної характеристики розумного великого набору даних є дуже важливим для досягнення гарної кластеризації 19 .

Етапи, які виконувались для узагальнення принципу запропонованої моделі, показані на рис. 2. Спочатку відбирають небезпечні рідини та включають відомий зразок води, що сприяє поділу. Спостерігається взаємодія рідин з електромагнітним випромінюванням. Для вимірювання рідин створена експериментальна система (RRM), за допомогою якої можна отримати швидкі результати вимірювань. Зібрані результати вимірювань (фаза та величина S21) аналізуються за допомогою алгоритму k-середніх для досягнення найкращих результатів класифікації.