CN112730480B - 基于电容耦合式天线的ct检测装置及天线制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电容耦合式天线的CT检测装置及天线制作方法，涉及柔性电路技术领域，解决了现有的电容耦合式天线的长度和阻抗无法满足实际需求的问题，CT检测装置包括：CT探测器、旋转盘、电容耦合式天线和数据处理单元；所述CT探测器用于采集被检测物体的图像，通过所述电容耦合式天线将所被检测物体的图像传输至所述数据处理单元；所述CT探测器和所述电容耦合式天线安装在所述旋转盘上；所述电容耦合式天线为电路板制成的天线，所述电路板基材的材料包括：聚乙烯和/或聚四氟乙烯。本发明提供的技术方案能够提高检测设备的传输信号效率。

Description

基于电容耦合式天线的CT检测装置及天线制作方法
技术领域
本发明涉及柔性电路技术领域，尤其涉及一种基于电容耦合式天线的CT检测装置及天线制作方法。
背景技术
X射线计算机断层扫描成像技术(简称“CT技术”)因其自身特有的优势，在安全检查领域被高度重视并广泛使用。
在扫描过程中，检测设备需要用电容耦合式天线进行实时数据交互，电容耦合式天线通常是圆形的。
然而，受工艺和天线材质影响，现有的电容耦合式天线的长度和阻抗无法满足实际需求，从而降低了检测设备的传输信号效率。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提出一种基于电容耦合式天线的CT检测装置及天线制作方法，从而提高了检测设备的信号传输效率。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
第一方面，本发明实施例提供了一种基于电容耦合式天线的CT检测装置，包括：CT探测器、旋转盘、电容耦合式天线和数据处理单元；
所述CT探测器用于采集被检测物体的X射线信号，通过所述电容耦合式天线将所被检测物体的X射线信号传输至所述数据处理单元；
所述CT探测器和所述电容耦合式天线安装在所述旋转盘上；
所述电容耦合式天线为电路板制成的天线，所述电路板基材的材料包括：聚乙烯和/或聚四氟乙烯。
进一步地，所述电容耦合式天线的数量为两个；
两个所述电容耦合式天线围绕所述旋转盘的外边缘上，信号输出端和信号输入端相互接触，形成信号传输通路。
进一步地，所述电路板还包括：插件、上铜箔走线和下铜箔走线；
所述插件、所述上铜箔走线和所述下铜箔走线设置在所述基材上；
所述插件设置在所述电路板的一端；
所述插件一端连接所述上铜箔走线，另一端连接下铜箔走线。
进一步地，所述上铜箔走线的厚度为：0.1mm-0.2mm；
所述上铜箔走线铜箔宽度为：4mm-7mm。
进一步地，所述下铜箔走线的厚度为：0.1mm-0.2mm；
所述下铜箔走线铜箔宽度为：3cm-5cm。
进一步地，所述电路板为双层电路板；
所述双层电路板的电路分别设置在所述基材两侧；
每一侧的电路包括：插件、上铜箔走线和下铜箔走线。
进一步地，所述电路板的厚度为1mm-1.5mm。
进一步地，所述装置还包括：编码器和传送带；
所述编码器设置在所述传送带上，并跟随所述传送带移动；
所述编码器用于采集所述传动带的移动数据，并将所述移动数据传输至所述数据处理单元，所述移动数据包括：所述传送带的移动速度和移动时间；
所述数据处理单元用于根据外部输入的停止指令，确定所述传送带处于停带状态；并根据所述电容耦合式天线传输的X射线信号、所述移动数据和预设的倒带时间，对停带前后被检测物体的图像进行拼接。
进一步地，所述基材的厚度为0.7mm-1.0mm。
第二方面，本发明实施例提供了一种电容耦合式天线的制作方法，制备第一方面中任一项所述的CT检测装置的电容耦合式天线，包括：
基材选择；
确定上铜箔走线的厚度和宽度、下铜箔走线的厚度和宽度以及基材厚度；
将所述上铜箔走线和所述下铜箔走线贴在所述基材上，得到电路板；
在所述电路板的顶面和底面贴上绝缘膜，得到所述电容耦合式天线。
进一步地，所述上铜箔走线和所述下铜箔走线为差分线，差分阻抗为80欧姆-100欧姆。
进一步地，所述基材的介电常数为2.2-2.8。
进一步地，所述CT探测器用于采集被检测物体的第一图像；通过所述信号传输天线将所述第一图像传输至所述数据处理单元；
所述编码器用于采集所述传送带的移动数据，并将所述移动数据传输至所述数据处理单元，所述移动数据包括：所述传送带的移动速度和移动时间；
所述数据处理单元用于根据外部输入的停止指令，确定所述被检测物体停止移动；根据所述第一图像、所述移动数据和预设倒带时间中的一个或多个，生成移动指令，并将所述移动指令发送至所述编码器和所述CT探测器；
所述编码器用于根据所述移动指令控制，控制所述传送带移动；
所述CT探测器用于根据所述移动指令采集所述被检测物体的第二图像，并通过所述信号传输天线将所述第一图像传输至所述数据处理单元；
所述数据处理单元用于拼接所述第一图像和所述第二图像，得到被检测物体的完整图像。
本发明技术方案具有如下有益效果之一：
1.CT检测设备包括旋转盘，电容耦合式天线通常需要缠绕在旋转盘上，并伴随旋转盘进行360度转动。因此，将电路板制成天线，从而能够将通信模块(在本发明实施例中通信模块设置在插件上)集成在天线上，以便于电容耦合式天线伴随旋转盘进行360度转动。
2.现有技术中通常用PCB电路板做电容耦合式天线，由于PCB板的材质比较脆，因此PCB板做成的电容耦合式天线容易在弯折的过程中断裂，且生产出的PCB板做成的电容耦合式天线的长度有限，一般不超过1.2m。因此，将两条PCB板做成的电容耦合式天线围绕在旋转盘上时，由于长度有限，两条天线的信号输出端和信号输入端之间存在距离，从而降低信号传输效率。由于弯折过程中易断裂，两条天线很可能在使用过程中失去信息传输功能。本发明利用聚乙烯或四氟乙烯为基材制作电容耦合式天线，使得电容耦合式天线具有足够柔性且生成出的天线长度可以到达2m以上，因而可以使两条天线的信号输出端和信号输入端相接触，并能够保证天线在弯折的过程中不会出现折断的情况，从而提高了信号的传输效率。
3.本发明提供的电容耦合式天线的信号输出端和信号输入端之间相互接触，减小了信号衰减，保证了图像的清晰度。同时，以聚乙烯或四氟乙烯为基材保证电容耦合式天线在缠绕在旋转盘上时不会折断，从而保证图像的稳定度。由此可知本发明提供的电容耦合式天线，为图像拼接奠定了技术基础，以便于在传送带停带后，CT检测装置可以自行对停带前未完成检测的物体继续进行安检，提高检测效率。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例提供的一种CT检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种两层电路板的结构示意图。
附图说明：1-插件；2-第一金属铜箔；3-基材；4-第二金属铜箔；10-射线源；20-旋转盘；30-CT探测器；40-被检测物体；50-传送带；60-传送带电机；70-运动控制计算机；80-滑环电机；90-数据处理计算机。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
CT装置的结构通常如图1所示，包括：射线源10、旋转盘20和CT探测器30、传送带50、数据处理单元90、传送带电机60、滑环电机80和运动控制计算机70。其具体工作方式是被检测物体40安检时，旋转盘20会旋转带动射线源10和CT探测器30进行360度旋转，以从多个角度得到被检测物体40的图像。其中，两条电容耦合式天线分别沿旋转盘20周向缠绕，并覆盖了旋转盘20绝大部分的边沿。两条电容耦合式天线用于将CT探测器30得到图像发送给数据处理单元90。由此可见，常规的天线虽然能够沿旋转盘20周向缠绕，但常规的天线需要通过信号线与数据处理单元90相连，而信号线会限制常规的天线伴随旋转盘20旋转的问题。
因此本申请采用电路板制作电容耦合式天线，将与通信相关的电子原件集成到天线上，从而解决了信号线对常规的天线不能任意旋转的限制。
在现有技术中，电容耦合式天线通常由印制电路板(Printed circuit boards，PCB)制成。PCB板以绝缘板为基材，切成一定尺寸，其上至少附有一个导电图形，并布有孔(如元件孔、紧固孔、金属化孔等)，用来代替以往装置电子元器件的底盘，并实现电子元器件之间的相互连接。由于是采用电子印刷术制作而成，故被称为“印刷”电路板。目前的PCB板，主要由线路与图面、介电层、孔、防焊油墨、丝印和表面处理几大部分组成。
PCB板制成的电容耦合式天线优点是：由于PCB板图形具有重复性(再现性)和一致性，极大地减少了布线和装配的差错，节省了天线的维修、调试和检查时间。设计上标准化、积小、重量轻等特点使天线具备了可替换行、便捷性、精密性及小型化等特点。
PCB板制成的电容耦合式天线缺点是对于超长、有柔性需求的电路板，存在成本高、周期长的限制，甚至由于工艺限制，无法生产的问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种用于CT检测的电容耦合式天线，如图2所示，包括：插件1、第一金属铜箔2、基材3和第二金属铜箔4。其中，第一金属铜箔2由上铜箔走线和下铜箔走线组成，上铜箔走线和下铜箔走线为差分线。插件1、上铜箔走线和下铜箔走线设置在基材3的一面上。在基材3的另一个面上，设置有第二金属铜箔4，第二金属铜箔4也包括插件1、上铜箔走线和下铜箔走线，且上铜箔走线和下铜箔走线为差分线。其中，基材的材料为聚乙烯或聚四氟乙烯，以保证电路板的长度可以大于2m。如此，安装在旋转盘上的两条电容耦合式天线可以实现信号输出端和信号输入端相互接触，以减少信号在传递过程中的衰减。同时，聚乙烯和聚四氟乙烯的柔韧性可以保证本发明的电容耦合式天线在弯折时不易断裂进一步提高了信号的传输效率。
在本发明实施例中，插件1上集成有通信模块，插件1设置在电路板的一端；插件一端连接上铜箔走线，另一端连接下铜箔走线。
在本发明实施例中，电路的工艺参数包括：基材的厚度、上铜箔走线的厚度、上铜箔走线铜箔宽度、下铜箔走线的厚度和下铜箔走线铜箔宽度。
具体地，基材的厚度为；0.7mm-1.0mm；基材的介电常数为2.2-2.8：
上铜箔走线的厚度为：0.1mm-0.2mm；上铜箔走线铜箔宽度为：4mm-7mm。
下铜箔走线的厚度为：0.1mm-0.2mm；下铜箔走线铜箔宽度为：3cm-5cm。
上述参数是基于基材的选定而确定的。从定性的角度，聚乙烯(PE)是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，是典型的软而韧的聚合物。PE的体积电阻率较高，介电常数和介电损耗因数较小，几乎不受频率的影响。
聚四氟乙烯具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力。聚四氟乙烯耐高温，使用工作温度可达250℃，同时聚四氟乙烯耐低温，在低温下具有良好的机械韧性，即使温度下降到－196℃，也可保持5％的伸长率。
本发明采用聚乙烯和/或聚四氟乙烯作为基质，能够增加电路板的柔性，极大增加电路板的长度，并使之不易在缠绕的状态下断裂。
基于介质厚度、导体宽度(上下铜箔走线宽度)和金属厚度(即上下铜箔走线厚度)的阻抗匹配性，本发明对采用聚乙烯和/或聚四氟乙烯作为基质时的介质厚度、导体宽度(上下铜箔走线宽度)和金属厚度(即上下铜箔走线厚度)进行了柔性电路的阻抗匹配设计。带状线的单导体的特性阻抗计算公式如公式1，差分阻抗计算如公式2。
公式1：
Figure BDA0002861134740000081
公式2：
Figure BDA0002861134740000082
Z0是特性阻抗(单位为欧姆)，H表示信号线与平面之间的介质厚度(单位为mil)，W表示线宽(单位为mil)，TCu表示金属厚度(单位为mil)，εr表示介电常数。ZDiff是差分阻抗(单位为欧姆)，S表示走线的边缘间距(单位为mil)，H表示平面之间的总的介质厚度(单位为mil)。
信号沿传输线传播时，其路径上的每一步都有相应的瞬时阻抗。不同传输线的阻抗不同，因此在信号从一根传输线传输到另一根传输线的时候，信号受到的瞬时阻抗发生变化，则一部分信号将被反射，另一部分发生失真并继续传播下去。阻抗差异越大，反射信号量就越大。阻抗突变对传输信号的失真有着极大的影响，它直接引起接收信号上升边的退化。为了得到最优的信号质量，本发明设计将天线做到2m及以上，以避免出现不同瞬时阻抗引起的信号失真。
直流时，电流在信号导线中均匀分布，电阻如公式3所示：
公式3：
Figure BDA0002861134740000083
R表示传输线的电阻(单位为Ω)，ρ表示导线的体电阻率(单位为Ω·in)，Len表示线长(单位为in)，w表示线宽(单位为in)，t表示导线的厚度(单位为in)。
高频时，铜导线中电流经过的横截面厚度约等于集肤深度δ，如公式4所示：
公式4：
Figure BDA0002861134740000084
其中，δ表示集肤深度(单位为μm)，f表示正弦波频率(单位为GHz)。由于趋肤效应，如果电流仅流过导线的下半部分，则导线的电阻近似为公式5：
公式5：
Figure BDA0002861134740000091
其中，R表示线电阻(单位为Ω)，ρ表示导线的体电阻率(单位为Ω·in)，Len表示线长(单位为in)，w表示线宽(单位为in)，δ示集肤深度(单位为in)。
由此可知，传输线等效电阻会随着传输信号的频率的变化而升高，也就是信号的损耗会随着频率的升高而增大。因此设计准确的阻抗能够有效降低传输介质对于信号的衰减。
本发明通过选用聚乙烯和/或聚四氟乙烯作为电路板的基材，同时从材料性能和连接方式两个方面对电路板制成的电容耦合式天线进行优化，保证了图像的稳定性和清晰度。
一旦CT检测装置停带，被检测物体40的图像必然会出现中断。本申请提出采用图像拼接的方法，即将停带前后被检测物体40的图像合到一起，以避免图像中断。需要说明的是，本发明的电容耦合式天线能够保证图像的稳定性和清晰度，为该方法提供了技术基础。
具体地，CT检测装置还包括：编码器。编码器设置在传送带上，并跟随传送带移动。编码器用于采集传送带的移动数据，并将对应关系传输至数据处理单元，移动数据包括：传送带的移动速度和移动时间。
数据处理单元用于根据外部输入的停止指令，确定传送带处于停带状态；并根据电容耦合式天线传输的X射线信号、移动数据和预设的倒带时间，对停带前后被检测物体的图像进行拼接。
进一步地，CT探测器30采集被检测物体的第一图像对应的X射线信号，通过电容耦合式天线将第一图对应的X射线信号像传输至数据处理单元90。数据处理单元90根据对应的X射线信号，确定第一图像。编码器采集传送带的移动数据，并将移动数据传输至数据处理单元90，移动数据包括：传送带的移动速度和移动时间。数据处理单元90根据外部输入的停止指令，确定被检测物体40是否停止移动。在确定被检测物体40停止移动时，数据处理单元90根据第一图像，确定在预设的检测范围内是否存在被检测物体40。
在预设的检测范围内存在被检测物体40时，数据处理单元90通过编码器控制传送带先倒带，以使被检测物体40离开预设检测区域，再控制被检测物体40进入预设检测区域，并通过CT探测器30和电容耦合式天线获取被检测物体40的第二图像。最后，数据处理单元90对第一图像和第二图像进行拼接，得到被检测物体40的完整图像。
在预设的检测范围内不存被检测物体40时，数据处理单元90通过编码器控制传送带沿靠近射线源10的方向移动。
本发明实施例提供了一种用于CT检测的电容耦合式天线的制作方法，包括以下步骤：
步骤1、基材选择。
在本发明实施例中，采用聚乙烯和/或聚四氟乙烯作为基材。
步骤2、根据柔性电路的阻抗匹配性，确定上铜箔走线的厚度和宽度、下铜箔走线的厚度和宽度以及基材厚度。
步骤3、将上铜箔走线和下铜箔走线贴在基材上，得到电路板。
步骤4、在电路板的顶面和地面贴上绝缘膜，得到电容耦合式天线。
以下结合实例来详细说明本申请的技术方案。本发明的电路板为柔性电路板，该柔性电路板为长*宽*高为2000mm*30mm*1mm的两层柔性电路板，该设计应用于通信领域，是用于传输信号的天线。该天线需要传输信号速率为2.5GBbps，需求长度为2米，且需要弯折一定的角度配合设备使用。该柔性电路板走线为一对差分线，差分阻抗85欧姆，顶层走线为宽6mm，厚0.1mm铜箔。两根走线之间的间距为1mm。中间基材是厚度0.8mm聚乙烯。底层为宽度3cm，厚度0.1mm铜箔。
步骤1，选择聚乙烯为基材。
聚乙烯(PE)是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂，是典型的软而韧的聚合物。PE的体积电阻率较高，介电常数和介电损耗因数较小，几乎不受频率的影响。
步骤2，确定参数。
材料的选择，不仅还要考虑阻抗，而且也要充分考虑选材的方便性。出于对生产加工难度及材料采购因素的考虑，选择3M工业胶带9508W。该工业胶带是双面胶带，能够方便粘贴信号传输线。该工业胶带泡沫密度较高，为90kg/m3，厚度为0.8mm。传输信号的铜箔导体宽度为6mm，厚度为0.1mm.
步骤3，天线的组装。
将金属铜箔精确的粘贴到作为基材的工业胶带。得到所需的信号传输线。然后再电路顶端和底端粘贴绝缘薄膜。
步骤4，测试。
使用网络分析仪，测试上述加工的柔性电路的特性阻抗及S参数，确定该柔性电路的品质。经测试，该柔性电路(长度为2m)可达到传输速率为2.5Gbps的高频信号，即测得的信号衰减小于3dB。
目前高频印制电路板成熟的制作工艺的长度可达1.2米，且不具备柔性。生产长度为1.2米的印制电路的成本约为2000元。对于更长的高速印制电路的生产需要和厂家共同开拓新的生产线并研制新工艺，存在成本高且品质不可控的缺点。
本发明提出的高速柔性电路的设计方法，仅需要确保粘贴传输导体的精确度就可以。柔性电路板长度只需要用测量尺测量裁剪即可实现，以实现根据产品需求任意制定。所使用的介质材料及传输导体材料都是市场常见材料，成本非常低，且容易采购。对于此种方法生产的电容耦合式天线单根成本低于50元。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电容耦合式天线的CT检测装置，其特征在于，包括：CT探测器、旋转盘、电容耦合式天线和数据处理单元；
所述CT探测器用于采集被检测物体的X射线信号，通过所述电容耦合式天线将所被检测物体的X射线信号传输至所述数据处理单元；
所述CT探测器和所述电容耦合式天线安装在所述旋转盘上；
所述电容耦合式天线为电路板制成的天线，所述电路板基材的材料包括：聚乙烯和/或聚四氟乙烯；
所述电容耦合式天线的数量为两个；
两个所述电容耦合式天线围绕所述旋转盘的外边缘上，信号输出端和信号输入端相互接触，形成信号传输通路；
所述电路板还包括：插件、上铜箔走线和下铜箔走线；
所述插件、所述上铜箔走线和所述下铜箔走线设置在所述基材上；
所述插件设置在所述电路板的一端；
所述插件一端连接所述上铜箔走线，另一端连接下铜箔走线；
所述电路板为双层电路板；所述电路板的长度大于2m；
所述双层电路板的电路分别设置在所述基材两侧；
每一侧的电路包括：插件、上铜箔走线和下铜箔走线；
所述插件上集成有通信模块；
所述装置还包括：编码器和传送带；
所述编码器设置在所述传送带上，并跟随所述传送带移动；
所述编码器用于采集所述传送带的移动数据，并将所述移动数据传输至所述数据处理单元，所述移动数据包括：所述传送带的移动速度和移动时间；
所述数据处理单元用于根据外部输入的停止指令，确定所述传送带处于停带状态；并根据所述电容耦合式天线传输的X射线信号、所述移动数据和预设的倒带时间，对停带前后被检测物体的图像进行拼接；
CT探测器采集被检测物体的第一图像对应的X射线信号，通过电容耦合式天线将第一图对应的X射线信号像传输至数据处理单元；数据处理单元根据对应的X射线信号，确定第一图像；
数据处理单元根据外部输入的停止指令，确定被检测物体是否停止移动，在确定被检测物体停止移动时，数据处理单元根据第一图像，确定在预设的检测范围内是否存在被检测物体；
在预设的检测范围内存在被检测物体时，数据处理单元通过编码器控制传送带先倒带，以使被检测物体离开预设检测区域，再控制被检测物体进入预设检测区域，并通过CT探测器和电容耦合式天线获取被检测物体的第二图像；最后，数据处理单元对第一图像和第二图像进行拼接，得到被检测物体的完整图像；
在预设的检测范围内不存被检测物体时，数据处理单元通过编码器控制传送带沿靠近射线源的方向移动。
2.根据权利要求1所述的CT检测装置，其特征在于，
所述上铜箔走线的厚度为：0.1mm-0.2mm；
所述上铜箔走线铜箔宽度为：4mm-7mm。
3.根据权利要求1所述的CT检测装置，其特征在于，
所述下铜箔走线的厚度为：0.1mm-0.2mm；
所述下铜箔走线铜箔宽度为：3cm-5cm。
4.根据权利要求1所述的CT检测装置，其特征在于，
所述电路板的厚度为1mm-1.5mm。
5.根据权利要求1所述的CT检测装置，其特征在于，
所述基材的厚度为0.7mm-1.0mm。
6.一种电容耦合式天线的制作方法，制备权利要求1-5任意一项所述的CT检测装置的电容耦合式天线，其特征在于，包括：
基材选择；
确定上铜箔走线的厚度和宽度、下铜箔走线的厚度和宽度以及基材厚度；
将所述上铜箔走线和所述下铜箔走线贴在所述基材上，得到电路板；
在所述电路板的顶面和底面贴上绝缘膜，得到所述电容耦合式天线。
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