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。