用于液体违禁品检测的电容传感器设计
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。
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