用于液体违禁品检测的电容传感器设计

摘要：提出了利用液体介电常数的电子测量，实现一种快速、无辐射、非接触、低成本的液体违禁品探测的新方法。在研究了液体介电常数测量的理论，并结合具体应用场合的基础上，提出了基于平面板电容器原理的平面板电容传感器和改进型的梳妆电容传感器电极，从理论的角度上对电极的参数进行了探讨。通过实验证明了改进型的梳状电极能够在不开瓶取样的情况下，有效鉴别出在厚度为4 mm以下的非金属容器中浓度50％以上的酒精和水，可以用于非接触式液体违禁品快速检测。

关键词：液体违禁品；介电常数；电容传感器；平面板电容；梳妆电容

0 引言

液体炸药和可燃物的发明及使用已经有相当长的历史，但因威力不如固体炸药强，其在军事等领域使用并不是很普遍。但是近年来恐怖分子和不法分子利用其原料廉价、易取得、制造步骤简单、容易伪装成普通饮料或日用品、易引爆的特点，作为各种类型的恐怖袭击或扰乱治安的工具，严重威胁了公众安全和社会稳定。目前比较普遍的液体违禁品检查仪一般基于以下几种技术：静态X射线断层扫描技术、微波辐射技术、拉曼光谱、气相色谱等。这些方法可以有效的完成违禁品检测或预警，但是同时也存在着不同的缺点：如存在辐射危害、无法克服容器形状和壁厚对检测结果的影响、分析时间长不适于快速安检的环境、体积大、价格高、误判率高等。

1 概述

利用准静态电容层析技术能够在不打开外包装的情况下，探测出非金属容器中液体是否为违禁品。这项技术的核心是测量液体介电常数。介电常数可以反映液体的性质，液体危险品的介电常数与水等普通液体相差很大，如表1所示，因此利用准静态电容层析技术测量介电常数，可以判断所测液体是否为液体违禁品。因为是纯电子测量，无辐射危害，且很容易实现小型化。该技术与应用于石油加工、食品、造纸等领域的ECT(电容层析技术)的基本原理相同。由C=εS／(4πkd)可知，当电容极板的距离d与有效面积S确定的情况下，介电常数与电容容量成正比，因此可以通过测量电容值来推算介电常数。基于准静态电容层析技术的液体违禁品检查装置正是基于这一原理。

但是为了克服不同形状的容器的影响不能再选用固定极间距的传统平行板电容器和目前广泛应用与ECT(电容层析技术)的能够用于检测特定待测物体形状的圆柱形传感器。基于边缘效应的平面板传感器更适合本研究，如图1所示。

2 传感器设计

根据电容的基本理论，对标准数学模型加以简化。若被测物是绝缘体，在边缘效应的影响下，两电极极板间的电力线如图1所示。

当极板的长度为L，宽度为a，极板间距为b时，在x方向上的微小增量单元△x上的微小的面积增量(△S=I△x)内，可以将电场线视为半圆弧形，弧形的长度为d，因此近似有：

式中：εx即为和介电常数成正比的参数，这里将其定义为有效介电常数。对上式进行0～a／2积分可得：

如果增加电极的对数，则可以增大电容的测量值提高测量灵敏度。同时考虑到基板材料和空气间隙的影响，将总电容表示为：

CE=Kn(Cω+Cb)      (2)

式中：Kn表示电极对数；Cb表示基板电容。因此只需要测量电容的变化值，就可以得到待测物质的介电常数。

为了降低成本，降低制造工艺，传感器使用双面铺铜的PCB板。基板的材料为一般的环氧树脂-玻璃纤维布基覆铜板(通称FR-4)，其介电常数公称值为4．7。屏蔽电极采用整面覆铜的形式，铜表面绝缘层采用环氧树脂。为了保减少绝缘层对测量的影响，绝缘层厚度要远远小于电极间距b。在布有电极的一面，铺相同材质相同厚度的绝缘层。

采用平行板电极(见图2(a))和梳妆电极(如图2(b))所示。

平行板电极(见图2(a))的激励电极为E1，接收电极为E2～E5，也可以根据需要增多电极的数目。电极极板数量越多，所测得信息越多，能够充分反映液体液位的液位高度信息，但是对于测量精度提出了较高的要求。梳妆电极只有两个电极，反映的是一个平均信息，它的特点是每个电极接触面大，有效面积增大，所以可以增加测试灵敏度，因为在液体违禁品检测时允许通过倾斜瓶体的方式使液体覆盖整个电极表面，因此梳妆电极也作为选择之一，将通过进一步的实验验证两种电极的检测灵敏度。

这里对梳妆电极做一个修正，如图3所示。相当于在E1和E2之间并联了若干个电容，如果横向单片的E1和E2间电容与图2(a)的E1和E2之间的电容相当的话，相当于电容增大了若干倍，理论上，可以有效的提高探测灵敏度。

而电极极板间距的大小则影响了电场线穿透深度。当极板形状、面积一定，减小极板的间距，会降低电场线穿透深度，但同时也增加了传感器测量信号的强度；反之，增大极板间距，能增加电场线穿透深度，但相应的也会减小传感器测量信号的强度。图4给出了穿透深度与极板间距的直接关系。

常见的液体容器，一般高度在20 cm以上，考虑到一般不会将容器全部灌满，因此电极的总长度控制在15cm以内。

为了方便测试，选择FREESCALE公司的MC34940的评估板进行实验。如图5所示，评估板相当于对形成在电极电容上的电压进行包络检波后求其平均值。电容越大，滤波作用越大，电压越小，也就是电压与介电常数成反比。MC34940可以同时连接9个电极，这里只需要用其中的5个。

MC34940在10～70 p范围内有较高的灵敏度，在电极设计的时候要考虑到这个因素。根据表1，为了确定电极参数取1≤εx≤7(×8．85 pF／m)作为严格意义上的违禁品分界点，在式1中，必须满足：

由式(3)、式(4)可得，a／b在0．5倍左右时可以满足上述要求。根据前面的推导，设计了5组电极，分别采用改进型的梳状电极和平面板电容器的模型。具体参数如下：

A电极采用改进型的梳妆电极，两对电极之间的尺寸为：16 mm×4 mm×2 mm(L×a×b)

B电极采用图3(a)所示的平行板电极，电极尺寸为：16 mm×6 mm×10 mm(L×a×b)

C电极采用图3(a)所示的平行板电极，电极尺寸为：16 mm×6 mm×12．5 mm(L×a×b)

D电极采用图3(a)所示的平行板电极，电极尺寸为：12 mm×6 mm×12．5 mm(L×a×b)

E电极采用图3(a)所示的平行板电极结构，电极尺寸为：12 mm×6 mm×10 mm(L×a×b)

3 实验过程和实验结果

使用高度大于所有电极高度的、壁厚1 mm的玻璃容器，分别盛满汽油、丙酮、酒精和水用不同电极进行测量。

如果将通道选择端置于通道1，那么通道1就作为了激励电极，而其他几个电极就是接收电极。读出测试结果，用折线图来表示。不妨选择每组电极中的2号极板作比对，如图6所示。

比较B和C两组电极，B电极中两极板间距小，测量数值明显小于C，也即测量出的电容值明显大于C，与前述的穿透深度与极板间距理论吻合。比较B和E两组电极，可以看到电极宽度对测量结果的影响，电极越宽测量电容越大，也就是灵敏度越高。

比较B和A两组电极，A电极在物质介电常数发生变化时，其测量结果变化率较高，图中反映为两组物质之间的折线斜率较高，因此对物体的区分最明显，灵敏度最高。

根据混合物介电常数公式：ε=ε1×P1+ε2×P2(P1和P2为溶质体积分数，ε1和ε2为对应的溶质的介电常数)易得50％的酒精介电常数为51．4，在表1中介于危险品和安全液体之间，将其作为分界点更为严格。如果该电极能够准确区分50 ％的酒精和水则该电极灵敏度已经达到较高水平。因此我们对不同组分的酒精进行了一组实验。容器换为玻璃瓶。

比较图7数据，可以看到C和D两组电极的灵敏度较差，对50％和70％的酒精区分不开，而其他电极均能够有效区分开，而A电极效果最佳。

在完成了电容极板的设计后，对电容传感器极板性能参数进行了分析，包括传感器对于容器最大探测壁厚、不同容量、气隙对测量结果的影响。实验主要在容量为80 mL和150 mL壁厚为1～4 mm、最大气隙为5 mm的情况下进行。测量结果如图8所示。

实验证明，该尺寸电容传感器极板可以满足在最小容量为80 mL，最大容器壁厚4．06 mm情况下的测量，其最大探测距离约为5 mm，基本符合设计要求。

4 结语

经过改进的梳妆电极较平面板电极，能够更好满足测量的要求。但是在实验过程中，由于试验条件的限制我们只能使用240 kHz的正弦波激励极板，根据Zc=1／jωC，如果升高激励信号的频率，容抗变小，在图5所示的示意图中，最终检测的电压就会升高，能够进一步提高测试灵敏度。如果可以把频率提高到原来的2倍，检测灵敏度会更高。如果想扩展检测范围，则应该降低检测频率。

另一方面，对于平面板电极，如果改变取样方式，改为探测每两个相邻极板之间采样值的变化，同时加大A／D转换器的采样精度，该种电极也能够具有较好的灵敏度，完全能够满足探测需求。