用于液體違禁品檢測的電容傳感器設(shè)計

摘要：提出了利用液體介電常數(shù)的電子測量，實現(xiàn)一種快速、無輻射、非接觸、低成本的液體違禁品探測的新方法。在研究了液體介電常數(shù)測量的理論，并結(jié)合具體應(yīng)用場合的基礎(chǔ)上，提出了基于平面板電容器原理的平面板電容傳感器和改進(jìn)型的梳妝電容傳感器電極，從理論的角度上對電極的參數(shù)進(jìn)行了探討。通過實驗證明了改進(jìn)型的梳狀電極能夠在不開瓶取樣的情況下，有效鑒別出在厚度為4 mm以下的非金屬容器中濃度50％以上的酒精和水，可以用于非接觸式液體違禁品快速檢測。

關(guān)鍵詞：液體違禁品；介電常數(shù)；電容傳感器；平面板電容；梳妝電容

0 引言

液體炸藥和可燃物的發(fā)明及使用已經(jīng)有相當(dāng)長的歷史，但因威力不如固體炸藥強(qiáng)，其在軍事等領(lǐng)域使用并不是很普遍。但是近年來恐怖分子和不法分子利用其原料廉價、易取得、制造步驟簡單、容易偽裝成普通飲料或日用品、易引爆的特點(diǎn)，作為各種類型的恐怖襲擊或擾亂治安的工具，嚴(yán)重威脅了公眾安全和社會穩(wěn)定。目前比較普遍的液體違禁品檢查儀一般基于以下幾種技術(shù)：靜態(tài)X射線斷層掃描技術(shù)、微波輻射技術(shù)、拉曼光譜、氣相色譜等。這些方法可以有效的完成違禁品檢測或預(yù)警，但是同時也存在著不同的缺點(diǎn)：如存在輻射危害、無法克服容器形狀和壁厚對檢測結(jié)果的影響、分析時間長不適于快速安檢的環(huán)境、體積大、價格高、誤判率高等。

1 概述

利用準(zhǔn)靜態(tài)電容層析技術(shù)能夠在不打開外包裝的情況下，探測出非金屬容器中液體是否為違禁品。這項技術(shù)的核心是測量液體介電常數(shù)。介電常數(shù)可以反映液體的性質(zhì)，液體危險品的介電常數(shù)與水等普通液體相差很大，如表1所示，因此利用準(zhǔn)靜態(tài)電容層析技術(shù)測量介電常數(shù)，可以判斷所測液體是否為液體違禁品。因為是純電子測量，無輻射危害，且很容易實現(xiàn)小型化。該技術(shù)與應(yīng)用于石油加工、食品、造紙等領(lǐng)域的ECT(電容層析技術(shù))的基本原理相同。由C=εS／(4πkd)可知，當(dāng)電容極板的距離d與有效面積S確定的情況下，介電常數(shù)與電容容量成正比，因此可以通過測量電容值來推算介電常數(shù)。基于準(zhǔn)靜態(tài)電容層析技術(shù)的液體違禁品檢查裝置正是基于這一原理。

但是為了克服不同形狀的容器的影響不能再選用固定極間距的傳統(tǒng)平行板電容器和目前廣泛應(yīng)用與ECT(電容層析技術(shù))的能夠用于檢測特定待測物體形狀的圓柱形傳感器。基于邊緣效應(yīng)的平面板傳感器更適合本研究，如圖1所示。

2 傳感器設(shè)計

根據(jù)電容的基本理論，對標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型加以簡化。若被測物是絕緣體，在邊緣效應(yīng)的影響下，兩電極極板間的電力線如圖1所示。

當(dāng)極板的長度為L，寬度為a，極板間距為b時，在x方向上的微小增量單元△x上的微小的面積增量(△S=I△x)內(nèi)，可以將電場線視為半圓弧形，弧形的長度為d，因此近似有：

式中：εx即為和介電常數(shù)成正比的參數(shù)，這里將其定義為有效介電常數(shù)。對上式進(jìn)行0～a／2積分可得：

如果增加電極的對數(shù)，則可以增大電容的測量值提高測量靈敏度。同時考慮到基板材料和空氣間隙的影響，將總電容表示為：

CE=Kn(Cω+Cb) (2)

式中：Kn表示電極對數(shù)；Cb表示基板電容。因此只需要測量電容的變化值，就可以得到待測物質(zhì)的介電常數(shù)。

為了降低成本，降低制造工藝，傳感器使用雙面鋪銅的PCB板?；宓牟牧蠟橐话愕沫h(huán)氧樹脂-玻璃纖維布基覆銅板(通稱FR-4)，其介電常數(shù)公稱值為4．7。屏蔽電極采用整面覆銅的形式，銅表面絕緣層采用環(huán)氧樹脂。為了保減少絕緣層對測量的影響，絕緣層厚度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電極間距b。在布有電極的一面，鋪相同材質(zhì)相同厚度的絕緣層。