用于液體違禁品檢測的電容傳感器設計

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，并結合具體應用場合的基礎上，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)進行了探討。通過實驗證明了改進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)有相當長的歷史，但因威力不如固體炸藥強，其在軍事等領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，作為各種類型的恐怖襲擊或擾亂治安的工具，嚴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：靜態(tài)X射線斷層掃描技術、微波輻射技術、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警，但是同時也存在著不同的缺點：如存在輻射危害、無法克服容器形狀和壁厚對檢測結果的影響、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

利用準靜態(tài)電容層析技術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，因此利用準靜態(tài)電容層析技術測量介電常數(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。該技術與應用于石油加工、食品、造紙等領域的ECT(電容層析技術)的基本原理相同。由C=εS／(4πkd)可知，當電容極板的距離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)?；跍熟o態(tài)電容層析技術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用與ECT(電容層析技術)的能夠用于檢測特定待測物體形狀的圓柱形傳感器?；谶吘壭钠矫姘鍌鞲衅鞲m合本研究，如圖1所示。

2 傳感器設計

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

當極板的長度為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，絕緣層厚度要遠遠小于電極間距b。在布有電極的一面，鋪相同材質(zhì)相同厚度的絕緣層。