用于液體違禁品檢測(cè)的電容傳感器設(shè)計(jì)

常見的液體容器，一般高度在20 cm以上，考慮到一般不會(huì)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(cè)試，選擇FREESCALE公司的MC34940的評(píng)估板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如圖5所示，評(píng)估板相當(dāng)于對(duì)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(shí)連接9個(gè)電極，這里只需要用其中的5個(gè)。

MC34940在10～70 p范圍內(nèi)有較高的靈敏度，在電極設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮到這個(gè)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(diǎn)，在式1中，必須滿足：

由式(3)、式(4)可得，a／b在0．5倍左右時(shí)可以滿足上述要求。根據(jù)前面的推導(dǎo)，設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)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(cè)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(lì)電極，而其他幾個(gè)電極就是接收電極。讀出測(cè)試結(jié)果，用折線圖來表示。不妨選擇每組電極中的2號(hào)極板作比對(duì)，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(cè)量數(shù)值明顯小于C，也即測(cè)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(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，電極越寬測(cè)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(shí)，其測(cè)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(duì)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(duì)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(xiǎn)品和安全液體之間，將其作為分界點(diǎn)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(duì)不同組分的酒精進(jìn)行了一組實(shí)驗(yàn)。容器換為玻璃瓶。