CN1253626A - 塑料和其它材料的静电起电辅助的介电激活检测 - Google Patents

Abstract

一种介电激活检测器包括一个装有一种为严格同样的样品的介电参照材料,这种介电参照材料受到外部的静电而带电。所述参照材料受到机械束缚,这使得能够检测所束缚的介电电泳力的极化能量动力学情况,所述介电电泳力表明存在有具有与所述参照材料的性质相同介电性质的、任何目标。一个天线装置增加了所述检测的附近距离(范围)。用于上述参照材料的静电起电源增加了检测能力的耐久性,以便提供连续的检测能力,而一个外部电路的电能源通过电流冲击给出检测的可定量的显示结果。按照介电电泳原理,所述检测器可检测存在有某种特定的材料,而不考虑是否存在任何类型的、插入的、看不见的材料结构、障碍、或电磁干扰(EMI)信号。

Description

塑料和其它材料的静电起电辅助的介电激活检测

发明背景

本发明涉及利用介电激活(电泳现象)检测塑料和其它材料，更具体地说，涉及通过检测对于受到机械束缚的反向介电电泳力的电动力学反应电流冲击，来检测特定的塑料、聚合物、以及其它有机和无机材料。

检测特定的聚合物和塑料(各种各样的聚合物并带有添加剂的掺合物和混合物)以及其它有机/无机材料，而不考虑存在有看不见的的插入结构、障碍或EMI信号，这种检测业已极广泛地用于各种各样的应用领域，例如，(a)在预装货的飞机、列车和汽车上的运输安全；(b)新的和旧的结构；(c)执法；(d)军事行动；(e)反入店行窃的保护措施；以及(f)其它的安全需要和工作。

介电电泳说明了作用在初始为电中性的的物质上的力和该初始为电中性的物质的机械行为，所述初始为电中性的的物质通过外部空间的非均匀电场的感应而介电极化带电。电场的空间非均匀性的严重性通过该电场的空间梯度(空间变化率)来度量。介电电泳的一个基本的工作原理是在某一点以及随着时间的推移在空间中、在空气或其它周围介质中所产生的力(或力矩)总是指向(或试图指向)相同的方向，主要是朝向局部电场的最大梯度(非均匀的)方向，而且这与电场(电压)的符号(+或-)和随时间的变化(DC或AC)以及周围介质的介电性质无关。

介电电泳力的大小显著且非线性地依赖于周围介质的介电极化率、初始为电中性的物质的介电极化率，并且非线性地依赖于电中性的物质的几何结构。这种依赖性通过固体物理学的极化率研究中众所周知的Clausius-Mossotti函数来表征。介电电泳力非线性地依赖于由目标所产生的、施加于局部的电场。介电电泳力依赖于在空间和时间的某一点处的目标的局部电场分布的平方(二次幂)的空间梯度，所述空间和时间的某一点处为检测器所处的位置。通过在检测器的上感应的极化电荷所产生的介电电泳力来测量局部电场的平方的空间梯度。这种寻求恒定方向的力的大小作为角位置(距目标固定的径向距离)的函数、和作为径向位置(处于固定的角位置)的函数、并作为“有效”介质极化率的函数是高度可变的。力的检测信号经过平方的局部电场的目标的空间梯度的独特的图形，同时检测器总是指出(试图指出)梯度图形的最大值的方向。所有的实验结果和介电电泳的方程都与基本电磁定律(麦克斯维方程)一致。

有五种已知的介电极化的模式。这些模式包括：由于所施加的外电场使得围绕原子核的电子分布稍微扭曲的、电子极化；由于所施加的外电场使得初始为电中性的物质中的原子分布稍微扭曲的、原子极化；由于所施加的外电场使得在极为特殊的聚合物等中高度非定域的电子或质子分布在几个分子重复单元上高度扭曲的、游离极化；使得柔顺地附在在材料的分子上的永久性的偶极子(H₂O、NO、HF)和可定向的未定的偶极基(-OH、-Cl、-CN、-NO₂)朝向具有特征时间恒量的外电场可旋转地排齐的、旋转极化(偶极和定向的)；以及由于小的电导率的差别而造成非均匀的介电界面累积电荷载体的、界面(空间电荷)极化。对于界面极化，所得到的、累积起来使得界面电荷中性化的空间电荷扭曲了具有特征时间恒量的外电场。

介电极化的头三种模式，电子极化、原子极化、和游离极化，都是在分子距离的尺度上的模式，并且，一施加外电场就即时出现，而且，在极高频率(红外和光学)时影响材料的介电常数。后面的两种极化模式，旋转极化和界面极化都是在分子和宏观距离尺度上的模式，并且随时间呈现动态变化，同时具有特征时间恒量，以便帮助提高高频介电常数，因为它随时间朝向零频率时的介电常数演变。这些特征材料时间恒量控制着材料的介电和机械特性曲线。

各种出版物中都讨论了那些极化模式和它们对介电常数的随时间的变化的作用的动力学，例如，H.A.Pohl的“介电电泳”(剑桥大学出版社(1978年))；R.Schil1er的“介电介质中的电子”(C.Ferradini，J.Gerin(eds.)，CRC出版社(1991年))；以及R.Schiller的“宏观摩擦和介电弛豫”(IEEE Transactionson Electical Insulation，24，199(1989))；还有那些众所周知的教科书，这里都引为参考。

如果给介电材料施加一个外电场E₀，力(F)具有体密度(f＝F/v)，该体密度(f＝F/v)包括作用在自由电荷上的力、作用在起到可极化的偶极子作用的束缚电荷对上的力、在两个所述偶极子之间的相互作用力、以及上述介电材料内的电场(E)所产生的尺寸上的变化。可按照下述关系来定义一般性的力的体密度：f＝F/v＝ρ_电荷E-1/2(E₀E)ε+1/2α(E₀E)+

    +1/2(ρ_massε/ρ_mass)(E₀E)

f＝静电力+偶极子-E₀电场力+介电电泳力+电

   致伸缩力

这里，ε＝材料的静电磁导率(其等于Kε₀，这里，K是该材料的介电常数，而ε₀是自由空间的介电磁导率)，α＝介电材料的极化率，＝空间梯度矢量数学算子，ε/ρ_mss＝偏微分算子，ρ_电荷＝自由电荷(载体)的体密度，而ρ_masss＝介电材料的质量的体密度。

对于很大一部分电介质，ρ_电荷＝0，因此，就无需考虑静电力。类似地，除了压电材料外，ε/ρ_mss＝0(也就是说，静电常数没有密度的变化)，而且无需考虑电致伸缩力。这样，剩下的就只需考虑两种介电电泳力，偶极子-E₀电场力和介电电泳力。

如果静电磁导率ε＝Kε₀为零的话(也就是说，有效介电常数没有空间的变化)，第一种介电电泳力等于零。如果介电常数有某些空间上的变化，那么，就出现一个较大的力，这是由于方程(1)的第二项乘以了电场的平方。第一种介电电泳力的一个简单的例子是使暖的流体(比冷的流体具有更低的介电常数，因此，具有不等于零的空间梯度)朝向更低电场的区域运动。在一个复合的介电体内，如果ε＝0，那么，该介电体的所有部分都是空间介电匹配的。介电磁导率ε是一个复合材料参数，特别是对于“纯粹的”聚合物以及“塑料”，它们常常是带有添加剂的聚合物的混合物或掺合物，以便解决化学处理问题和最终用途产品的功能性限度的问题。参见D.W.vanKrevelen的“聚合物的性质及其与化学结构的关系(Elsevelen出版社(1976))，这里引用其中的那些教导作为参考。

H.Pohl所说明的方程(1)的第三项，即介电电泳力，包括电场平方的空间梯度。因此，这个第二种介电激活力比偶极-偶极介电激活力小。

f＝F/v＝-1/2(E₀E)ε+1/2α(E₀E)

因此，最后的力密度可表达为：

f＝偶极子-E₀电场力+介电电泳力

存储在介电体内的电能密度(U)可表达为：

F＝-U这里，能量(U)是所涉及到的两种介电激活力的体积分。

因此，可出现两种情形之一：(1)ε不等于零，而方程(2)中的的第一种介电激活力起主要作用(也就是说，复合介电体的各个部分并非空间介电匹配)并且，系统的总能量大且变化大。这种情况表明“没有检测到匹配“；或(2)ε等于零，而方程(2)中的介电电泳(Pohl)力起主要作用(也就是说，复合介电体的各个并非是空间介电匹配的)，并且系统的总的能量小且变化小。这种情况表明“检测到了匹配”对于第二种情况(检测到匹配)，力密度(f)为：

f＝F/v＝1/2G｜K₁ε₀E₀E₀｜

这里，E＝GE₀将电介质中的电场(E)转换为外电场(E₀)，对于球形绝缘物体，G＝3(K₂-K₁)/(K₂+2K₁)，而对于圆柱形的绝缘物体，

f＝F/v＝1/2G｜2U₀｜

G＝2(K₂-K₁)/(K₂+K₁)，(这里，K₂是对于参照样品的、空间介电匹配的球形或圆柱形材料的介电常数，而K₁是周围流体(气体或液体)的介电常数)，并且，U₀＝存储在外电场中的电能密度。

采用上述构思检测聚合物和塑料以及其它有机/无机材料而不考虑存在有插入的、看不见的结构、障碍或EMI信号，这一点是有益的。

发明概述

按照本发明，已获得这样的应用。本发明涉及一种利用初始为电中性的物体的新的组合的检测器，这种检测器使得能够以高分辨率检测特定的聚合物和塑料，甚至是两种名义上是相同的塑料公式，其中唯一的差别就是有或没有某种添加剂。

正如本申请人所同时拥有的、申请号为08/758,248、共同未决的专利申请中所说明的那样，通常是通过力矩型的“超距作用”、以及通过显示距明确确定的枢轴点为可变而且还是可积分的距离而作用的电泳力来观察电泳力的效果，这里，引用所述这篇专利文献作为参考。在本发明中，采用了不同的技术方案，其中，初始为电中性的物体为要检测的实体目标，而在上述共同未决的专利申请中，初始为电中性的物体是中间检测介质本身。对于这种情况，采用与那些初始为电中性的物质“目标”材料物体具有相同的化学和介电性质的材料源物体作为检测介质。

外电场及其空间梯度是由检测参考介质本身的连续的静电起电产生的。这种检测介质的外电场的静电梯度在来到该检测介质附近(范围)内的、任何相同的、初始为电中性的物体上产生电泳力。化学和介电性质相同的目标和检测介质都受到机械束缚，以便不能相应于介电激活力的存在而移动。结果，它们不能耗散机械能，而且又产生电流冲击。

当所感兴趣的、相同的目标材料来到检测介质附近(范围)内时，由连续静电起电所产生的外电场在所述初始为电中性的、相同的目标材料中产生一种感应极化样式，所述初始为电中性的、相同的目标材料从U₀中取得能量，即，存储在外电场中的能量密度。

用来表明存在有特定类型的塑料、聚合物或其它有机/无机材料的显示检测信号是一种电流冲击形式的电能冲击，这种电流冲击来自通过电路附着于检测介质上的一个电动势源(电池)。按照本发明的、将检测装置结合进结构的构思，可以检测塑料和其它实体而不用考虑存在有插入的、看不见的结构或障碍(手提皮箱、墙壁等等)或电磁干扰(EMI)信号。所有其它的(不匹配的)塑料和其它材料并不给出能量冲击，这是因为力和与之相伴随的能量比附着于参照介电材料上的电路所能提供的大得多，该参照介电材料位于检测装置内。

附图简述

将参照附图详细地说明本发明的进一步的目的和优点，在附图中：

图1是检测介质位置、它的电力线、所感兴趣的相同的目标材料的位置、以及它所感应的极化方式的的示意图；而

图2是附着于检测介质上的典型电路的示意图。

优选实施例的详细说明

图1示意性地显示了具有一个连续静电起电源1a的参照材料实体1以及一个用于提供电流冲击的电路1b的位置。静电起电源1a在参照材料上感应电荷2a-2g，所述参照材料被机械束缚在腔体6内，以便产生如电力线3a-3g所示的非均匀电场。所述电场的电力线具有独特的空间图形以及独特的空间梯度图形。参照材料的电场终止在周围的接地平面4，由此，在接地平面4的一个表面上感应出相反的电荷5a-5g。

从理论上来说，当目标介电材料7的初始为电中性的实体进入电力线3a-3g和空间梯度的环境时，就在目标材料7上感应出极化电荷8a-8d。如果目标材料7的介电性质与参照材料1的介电性质相同，按照上面所讨论的介电电泳现象，只有介电电泳力本身显示出来。因为目标材料7和参照材料1都受到机械束缚(如下所述)，它们对介电电泳力并没有反应，而电路1相应于所产生的极化电荷8a-8d提供可定量的电流冲击。

图2是本发明的检测器的详细示意图，该检测器包括图1的电路1b。一个参照材料室12机械地束缚参照材料。优选的、合适的参照材料的例子包括PVC、ABS以及其它一些材料。接地线14穿过参照材料到达接地钢杆16。用诸如钢螺帽那样的一对导电端部插入件18在参照材料室12的相对两端封闭参照材料室12。在一种可供选择的结构中，接地线14直接与导电端部插入件18的一端连接。一个可调整的天线20与导电插入件18的一端连接，并与钢螺帽16有一个公共地线。天线20用来增加检测器的附近距离(范围)。

接地线14与上述材料串联连接，该材料与诸如100圈的铜导线电感线圈那样的铜导线扼流圈22串联连接。该扼流圈然后与诸如NTE312 FET那样的场效应晶体管26的栅极输入串联连接。场效应晶体管26在经由扼流圈22提供给栅极输入的信号的控制下关闭了检测器电路24。电路24以串联的形式包括一个电流计28、一个100KΩ的可变电阻器30、一个22KΩ的固定电阻器32、一个电流指示器灯34以及一个诸如9伏电池那样的电池36。当然，可按照电源36、电流计28的特性等来选择不同的电阻值。当晶体管26关闭检测器电路24时，电池36就给负载30/32以及灯34通电。

可在便携、齐备的箱子38中合适地安置检测器的各个组件。

工作时，连续静电起电源10保持参照材料样品的外表面上带电，提供了一个外电场和它的空间梯度。当使得与参照材料1相匹配的、要检测的目标材料7进入由参照材料1所提供的电场及其空间梯度时，就按照上面所讨论的一般的体积力密度的概念，从所述外电场中吸收能量，沿着线路14产生电流冲击。小的电流就足以导致晶体管26关闭检测器电路24，由此，借助于电池36就产生通过电流计28和指示器灯34的电流脉冲。这样，灯34和电流计28就成为线路14中的电流冲击的一种指示，并且，这样一来，也成为存在目标材料的一种指示。

按照本发明，可通过检测参照介质的连续静电起电源产生一个外电场及其空间梯度。该空间梯度在进入所述检测介质的的附近距离(范围)内的、任何相同的、初始为电中性的目标材料物体上产生介电电泳力。因为参照材料和目标材料都受到机械束缚，所述介电电泳力就显示为一个电流冲击，这个电流冲击足以启动检测器电路，从而给电流计和/或指示灯提供一个电流冲击。

尽管业已参照目前认为最实用和优选的实施例说明了本发明，应该理解，本发明并不限于所公开的那些实施例，而是相反，打算在所附的权利要求书的构思和范围内包括各种改进和等同的方案。

Claims (21)

1、一种用于检测是否存在某种目标材料的介电激活检测器，该检测器包括：

一个具有参照材料室的检测器外壳；

一种置于所述室中的参照材料，按照上述目标材料的介电特性来选择所述参照材料；

一个置于所述检测器外壳中的静电起电源，所述静电起电源指向所述参照材料，以便由此在所述参照材料上感应出静电荷；以及

一个置于所述外壳中的检测电路，根据存在有上述目标材料来启动所述检测电路。

2、一种如权利要求1所述的介电激活检测器，进一步包括一根置于与所述参照材料电连接的接地导线，所述接地导线在一个方向上接地，而在相反的那个方向上与一个开关连接，该开关用于按照所述接地导线中的电流来关闭所述检测器电路。

3、一种如权利要求2所述的介电激活检测器，其特征在于上述开关是一种场效应晶体管。

4、一种如权利要求2所述的介电激活检测器，进一步包括一个在所述参照材料和所述开关之间的与所述接地导线串联连接的扼流圈。

5、一种如权利要求2所述的介电激活检测器，其特征在于所述参照材料室的端部用一对导电端部插入件覆盖，所述那对端部和所述材料室插入件机械束缚所述参照材料，所述接地导线与所述那些端部插入件之一电连接。

6、一种如权利要1所述的介电激活检测器，其特征在于所述检测器电路串联地包括一个电流计、一个负载以及一个电池。

7、一种如权利要求6所述的介电激活检测器，其特征在于所述检测器电路进一步包括与所述负载和所述电池串联连接的一个指示器灯。并且，其中所述负载包括一个可变电阻和一个固定电阻。

8.一种如权利要求1所述的介电激活检测器，其特征在于所述参照材料室的端部用一对导电端部插入件覆盖，所述那对端部插入件和所述室机械束缚所述参照材料。

9、一种如权利要求8所述的介电激活检测器进一步包括一个与所述那些导电端部插入件之一电连接的天线。

10、一种用于检测是否存在某种不导电的目标材料的检测器，该检测器包括：

一个机械束缚一种参照材料的参照材料室，按照上述目标材料的介电特性来选择所述参照材料；

一个指向上述参照材料的静电起电源，以便由此在所述参照材料上感应出静电电荷；以及

一个置于所述外壳中的检测器电路，根据存在有上述目标材料来启动所述检测器电路。

11、一种如权利要求10所述的检测器进一步包括一个置于与所述参照材料连接的接地导线，所述接地导线的一个方向接地，而另一个相反的方向与一个开关连接，所述开关用于按照所述接地导线中的电流来关闭所述检测电路，借助于一个非均匀的电场、根据所显示的介电电泳力来产生所述电流，所述那个非均匀的电场具有由在所述参照材料上的静电荷所产生的、独特的空间图形和独特的空间梯度图形。

12、一种如权利要求2所述的检测器，其特征在于上述开关是一种场效应晶体管。

13、一种如权利要求11所述的检测器进一步包括一个在所述参照材料和所述开关之间的与所述接地导线串联连接的扼流圈。

14、一种如权利要求11所述的检测器，其特征在于所述参照材料室的端部用一对导电端部插入件覆盖，所述那对端部插入件和所述室机械束缚所述参照材料，所述接地线与所述那些端部插入件之一电连接。

15、一种如权利要求10所述的检测器，其特征在于所述检测器电路以串联的形式包括一个电流计、一个负载、以及一个电池。

16一种如权利要求15所述的检测器，其特征在于所述检测器电路进一步包括与所述负载和所述电池串联安置的一个指示器灯，其中，其中所述负载包括一个可变电阻和一个固定电阻。

17、一种如权利要求10所述的检测器，其特征在于所述参照材料室的端部用一对导电端部插入件覆盖，所述那对端部插入件和所述室机械束缚所述参照材料。

18、一种如权利要求17所述的检测器进一步包括一个与所述那些导电端部插入件之一电连接的天线。

19、一种用检测器检测是否存在某种目标材料的模式，所述检测器包括包含有一种参照材料的参照材料室、一个指向所述参照材料的静电起电源、以及一个检测电路，所述模式包括：

(a)机械束缚包含在上述参照材料室中的所述参照材料；

(b)用上述静电起电源在所述参照材料上感应出静电荷；以及

(c)根据上述目标材料的存在来启动上述检测电路。

20、一种如权利要求19所述的模式，其特征在于借助于一个非均匀的电场、根据所显示的介电电泳力来进行步骤(c)，所述那个非均匀的电场具有由在所述参照材料上的上述静电荷所产生的、独特的空间图形和独特的空间梯度图形。

21、一种如权利要求19所述的模式进一步包括在进行步骤(a)之前、根据上述目标材料的介电特性来选择所述参照材料的步骤。

Images