摘要：提出了利用液體介電常數(shù)的電子測(cè)量，實(shí)現(xiàn)一種快速、無(wú)輻射、非接觸、低成本的液體違禁品探測(cè)的新方法。在研究了液體介電常數(shù)測(cè)量的理論，并結(jié)合具體應(yīng)用場(chǎng)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(duì)電極的參數(shù)進(jìn)行了探討。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了改進(jìn)型的梳狀電極能夠在不開(kāi)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(cè)。

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(zhǎng)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(lái)恐怖分子和不法分子利用其原料廉價(jià)、易取得、制造步驟簡(jiǎn)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(huì)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(cè)或預(yù)警，但是同時(shí)也存在著不同的缺點(diǎn)：如存在輻射危害、無(wú)法克服容器形狀和壁厚對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響、分析時(shí)間長(zhǎng)不適于快速安檢的環(huán)境、體積大、價(jià)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(kāi)外包裝的情況下，探測(cè)出非金屬容器中液體是否為違禁品。這項(xiàng)技術(shù)的核心是測(cè)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(xiǎn)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(cè)量介電常數(shù)，可以判斷所測(cè)液體是否為液體違禁品。因?yàn)槭羌冸娮訙y(cè)量，無(wú)輻射危害，且很容易實(shí)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(guò)測(cè)量電容值來(lái)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(cè)特定待測(cè)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(jì)

根據(jù)電容的基本理論，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型加以簡(jiǎn)化。若被測(cè)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(zhǎng)度為L(zhǎng)，寬度為a，極板間距為b時(shí)，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(chǎng)線視為半圓弧形，弧形的長(zhǎng)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(duì)上式進(jìn)行0～a／2積分可得：

如果增加電極的對(duì)數(shù)，則可以增大電容的測(cè)量值提高測(cè)量靈敏度。同時(shí)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(duì)數(shù)；Cb表示基板電容。因此只需要測(cè)量電容的變化值，就可以得到待測(cè)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(shù)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(shù)脂。為了保減少絕緣層對(duì)測(cè)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。

采用平行板電極(見(jiàn)圖2(a))和梳妝電極(如圖2(b))所示。

平行板電極(見(jiàn)圖2(a))的激勵(lì)電極為E1，接收電極為E2～E5，也可以根據(jù)需要增多電極的數(shù)目。電極極板數(shù)量越多，所測(cè)得信息越多，能夠充分反映液體液位的液位高度信息，但是對(duì)于測(cè)量精度提出了較高的要求。梳妝電極只有兩個(gè)電極，反映的是一個(gè)平均信息，它的特點(diǎn)是每個(gè)電極接觸面大，有效面積增大，所以可以增加測(cè)試靈敏度，因?yàn)樵谝后w違禁品檢測(cè)時(shí)允許通過(guò)傾斜瓶體的方式使液體覆蓋整個(gè)電極表面，因此梳妝電極也作為選擇之一，將通過(guò)進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩種電極的檢測(cè)靈敏度。

這里對(duì)梳妝電極做一個(gè)修正，如圖3所示。相當(dāng)于在E1和E2之間并聯(lián)了若干個(gè)電容，如果橫向單片的E1和E2間電容與圖2(a)的E1和E2之間的電容相當(dāng)?shù)脑?，相?dāng)于電容增大了若干倍，理論上，可以有效的提高探測(cè)靈敏度。

而電極極板間距的大小則影響了電場(chǎng)線穿透深度。當(dāng)極板形狀、面積一定，減小極板的間距，會(huì)降低電場(chǎng)線穿透深度，但同時(shí)也增加了傳感器測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度；反之，增大極板間距，能增加電場(chǎng)線穿透深度，但相應(yīng)的也會(huì)減小傳感器測(cè)量信號(hào)的強(qiáng)度。圖4給出了穿透深度與極板間距的直接關(guān)系。

常見(jiàn)的液體容器，一般高度在20 cm以上，考慮到一般不會(huì)將容器全部灌滿，因此電極的總長(zhǎng)度控制在15cm以內(nèi)。

為了方便測(cè)試，選擇FREESCALE公司的MC34940的評(píng)估板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖5所示，評(píng)估板相當(dāng)于對(duì)形成在電極電容上的電壓進(jìn)行包絡(luò)檢波后求其平均值。電容越大，濾波作用越大，電壓越小，也就是電壓與介電常數(shù)成反比。MC34940可以同時(shí)連接9個(gè)電極，這里只需要用其中的5個(gè)。

MC34940在10～70 p范圍內(nèi)有較高的靈敏度，在電極設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮到這個(gè)因素。根據(jù)表1，為了確定電極參數(shù)取1≤εx≤7(×8．85 pF／m)作為嚴(yán)格意義上的違禁品分界點(diǎn)，在式1中，必須滿足：

由式(3)、式(4)可得，a／b在0．5倍左右時(shí)可以滿足上述要求。根據(jù)前面的推導(dǎo)，設(shè)計(jì)了5組電極，分別采用改進(jìn)型的梳狀電極和平面板電容器的模型。具體參數(shù)如下：

A電極采用改進(jìn)型的梳妝電極，兩對(duì)電極之間的尺寸為：16 mm×4 mm×2 mm(L×a×b)

B電極采用圖3(a)所示的平行板電極，電極尺寸為：16 mm×6 mm×10 mm(L×a×b)

C電極采用圖3(a)所示的平行板電極，電極尺寸為：16 mm×6 mm×12．5 mm(L×a×b)

D電極采用圖3(a)所示的平行板電極，電極尺寸為：12 mm×6 mm×12．5 mm(L×a×b)

E電極采用圖3(a)所示的平行板電極結(jié)構(gòu)，電極尺寸為：12 mm×6 mm×10 mm(L×a×b)

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用高度大于所有電極高度的、壁厚1 mm的玻璃容器，分別盛滿汽油、丙酮、酒精和水用不同電極進(jìn)行測(cè)量。

如果將通道選擇端置于通道1，那么通道1就作為了激勵(lì)電極，而其他幾個(gè)電極就是接收電極。讀出測(cè)試結(jié)果，用折線圖來(lái)表示。不妨選擇每組電極中的2號(hào)極板作比對(duì)，如圖6所示。

比較B和C兩組電極，B電極中兩極板間距小，測(cè)量數(shù)值明顯小于C，也即測(cè)量出的電容值明顯大于C，與前述的穿透深度與極板間距理論吻合。比較B和E兩組電極，可以看到電極寬度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，電極越寬測(cè)量電容越大，也就是靈敏度越高。

比較B和A兩組電極，A電極在物質(zhì)介電常數(shù)發(fā)生變化時(shí)，其測(cè)量結(jié)果變化率較高，圖中反映為兩組物質(zhì)之間的折線斜率較高，因此對(duì)物體的區(qū)分最明顯，靈敏度最高。

根據(jù)混合物介電常數(shù)公式：ε=ε1×P1+ε2×P2(P1和P2為溶質(zhì)體積分?jǐn)?shù)，ε1和ε2為對(duì)應(yīng)的溶質(zhì)的介電常數(shù))易得50％的酒精介電常數(shù)為51．4，在表1中介于危險(xiǎn)品和安全液體之間，將其作為分界點(diǎn)更為嚴(yán)格。如果該電極能夠準(zhǔn)確區(qū)分50 ％的酒精和水則該電極靈敏度已經(jīng)達(dá)到較高水平。因此我們對(duì)不同組分的酒精進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)。容器換為玻璃瓶。

比較圖7數(shù)據(jù)，可以看到C和D兩組電極的靈敏度較差，對(duì)50％和70％的酒精區(qū)分不開(kāi)，而其他電極均能夠有效區(qū)分開(kāi)，而A電極效果最佳。

在完成了電容極板的設(shè)計(jì)后，對(duì)電容傳感器極板性能參數(shù)進(jìn)行了分析，包括傳感器對(duì)于容器最大探測(cè)壁厚、不同容量、氣隙對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)主要在容量為80 mL和150 mL壁厚為1～4 mm、最大氣隙為5 mm的情況下進(jìn)行。測(cè)量結(jié)果如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)證明，該尺寸電容傳感器極板可以滿足在最小容量為80 mL，最大容器壁厚4．06 mm情況下的測(cè)量，其最大探測(cè)距離約為5 mm，基本符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)改進(jìn)的梳妝電極較平面板電極，能夠更好滿足測(cè)量的要求。但是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于試驗(yàn)條件的限制我們只能使用240 kHz的正弦波激勵(lì)極板，根據(jù)Zc=1／jωC，如果升高激勵(lì)信號(hào)的頻率，容抗變小，在圖5所示的示意圖中，最終檢測(cè)的電壓就會(huì)升高，能夠進(jìn)一步提高測(cè)試靈敏度。如果可以把頻率提高到原來(lái)的2倍，檢測(cè)靈敏度會(huì)更高。如果想擴(kuò)展檢測(cè)范圍，則應(yīng)該降低檢測(cè)頻率。

另一方面，對(duì)于平面板電極，如果改變?nèi)臃绞剑臑樘綔y(cè)每?jī)蓚€(gè)相鄰極板之間采樣值的變化，同時(shí)加大A／D轉(zhuǎn)換器的采樣精度，該種電極也能夠具有較好的靈敏度，完全能夠滿足探測(cè)需求。