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，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：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?；谶吘壭?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。

采用平行板電極(見圖2(a))和梳妝電極(如圖2(b))所示。

平行板電極(見圖2(a))的激勵電極為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，但是對于測量精度提出了較高的要求。梳妝電極只有兩個電極，反映的是一個平均信息，它的特點是每個電極接觸面大，有效面積增大，所以可以增加測試靈敏度，因為在液體違禁品檢測時允許通過傾斜瓶體的方式使液體覆蓋整個電極表面，因此梳妝電極也作為選擇之一，將通過進(jìn)一步的實驗驗證兩種電極的檢測靈敏度。

這里對梳妝電極做一個修正，如圖3所示。相當(dāng)于在E1和E2之間并聯(lián)了若干個電容，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靈敏度。

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

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

為了方便測試，選擇FREESCALE公司的MC34940的評估板進(jìn)行實驗。如圖5所示，評估板相當(dāng)于對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可以同時連接9個電極，這里只需要用其中的5個。

MC34940在10～70 p范圍內(nèi)有較高的靈敏度，在電極設(shè)計的時候要考慮到這個因素。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，在式1中，必須滿足：

由式(3)、式(4)可得，a／b在0．5倍左右時可以滿足上述要求。根據(jù)前面的推導(dǎo)，設(shè)計了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 實驗過程和實驗結(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就作為了激勵電極，而其他幾個電極就是接收電極。讀出測試結(jié)果，用折線圖來表示。不妨選擇每組電極中的2號極板作比對，如圖6所示。

比較B和C兩組電極，B電極中兩極板間距小，測量數(shù)值明顯小于C，也即測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測量結(jié)果的影響，電極越寬測量電容越大，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，其測量結(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中介于危險品和安全液體之間，將其作為分界點更為嚴(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。因此我們對不同組分的酒精進(jìn)行了一組實驗。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50％和70％的酒精區(qū)分不開，而其他電極均能夠有效區(qū)分開，而A電極效果最佳。

在完成了電容極板的設(shè)計后，對電容傳感器極板性能參數(shù)進(jìn)行了分析，包括傳感器對于容器最大探測壁厚、不同容量、氣隙對測量結(jié)果的影響。實驗主要在容量為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。測量結(jié)果如圖8所示。

實驗證明，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情況下的測量，其最大探測距離約為5 mm，基本符合設(shè)計要求。

4 結(jié)語

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

另一方面，對于平面板電極，如果改變?nèi)臃绞?，改為探測每兩個相鄰極板之間采樣值的變化，同時加大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，完全能夠滿足探測需求。