摘 要：在干燥季節(jié)，行李RFID識別設(shè)備容易出現(xiàn)設(shè)備損壞、識別效果下降等現(xiàn)象，給行李處理系統(tǒng)的運(yùn)行帶來壓力。為此，分析行李RFID識別設(shè)備的作用、行李處理系統(tǒng)中靜電產(chǎn)生原因，研究靜電對行李RFID識別設(shè)備造成損壞的途徑和機(jī)理；通過麥克斯韋方程和邊界條件著手研究了環(huán)氧樹脂板表面帶電后對電磁波傳播的影響，驗證了靜電對行李RFID識別設(shè)備的不利影響，最后給出了消除靜電不利影響的建議。

關(guān)鍵詞：RFID；靜電；ESD保護(hù)二極管；熱擊穿失效；電荷斑；斯涅爾定律；麥克斯韋方程；邊界條件

中圖分類號：TP39；TN98 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

在北方冬季時節(jié)，安裝在機(jī)場行李分揀系統(tǒng)內(nèi)的行李RFID識別設(shè)備容易出現(xiàn)各類故障以及識別效果變差的情況。維護(hù)人員對設(shè)備進(jìn)行排查時，卻發(fā)現(xiàn)狀態(tài)正常，其中包括接地狀況。即使更換RFID讀寫器、電源乃至天線，故障依然會出現(xiàn)、識別效果也不能恢復(fù)正常。然而進(jìn)入春夏季后，這些異常情況會消失。維護(hù)人員在一次排查中無意中將萬用表表筆靠近分揀系統(tǒng)輸送機(jī)側(cè)板上的金屬支架時發(fā)生了火花放電，結(jié)合進(jìn)入春夏季后異常情況會消失的現(xiàn)象，考慮是設(shè)備表面的靜電對RFID識別造成了影響。

靜電是處于靜止?fàn)顟B(tài)的電荷，電荷在非導(dǎo)體材料上產(chǎn)生后無法流動而逐漸積累。當(dāng)與其他有電位差的物體接觸時，則會產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移。如果電位差足夠大，便會擊穿空氣產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象。

本文將分析行李RFID識別設(shè)備的工作原理及關(guān)鍵指標(biāo)，研究靜電產(chǎn)生和積累的原因，通過對靜電能量模型的研究探討靜電對設(shè)備造成故障的方式，通過介質(zhì)表面電荷斑對電磁波傳播的影響來研究靜電對識別效果的影響，最后給出應(yīng)對靜電不利影響的方法。

1 行李RFID識別設(shè)備

行李RFID識別設(shè)備是安裝在行李處理系統(tǒng)內(nèi)，用于識別托運(yùn)行李的識別設(shè)備，識別結(jié)果被用于托運(yùn)行李的跟蹤或分揀。機(jī)場行李系統(tǒng)的運(yùn)行效率對航空運(yùn)輸行業(yè)非常重要，分揀時效性和準(zhǔn)確性關(guān)系到能否及時無誤地將托運(yùn)行李送達(dá)目的地。使用RFID技術(shù)進(jìn)行行李識別后，行李識別率已經(jīng)超過99%，航空公司的不正常行李量以及相應(yīng)的賠付金額逐年下降。因此保持行李RFID識別設(shè)備的正常運(yùn)行是機(jī)場維護(hù)人員的關(guān)鍵工作。

1.1 RFID識別過程

行李RFID識別設(shè)備需要自動識別出經(jīng)過的托運(yùn)行李，將識別結(jié)果發(fā)送給行李處理系統(tǒng)以便后者能夠查詢出該行李的分揀目的地。典型的行李RFID識別設(shè)備包括RFID讀寫器、RFID天線、傳感器以及其他輔助部件。RFID識別過程可以簡單描述如下：RFID讀寫器產(chǎn)生調(diào)制的電磁波，經(jīng)過RFID天線輻射至行李輸送線，RFID行李標(biāo)簽感應(yīng)電磁波并反向調(diào)制電磁波，反向調(diào)制的電磁波經(jīng)過RFID天線回到RFID讀寫器內(nèi)，RFID讀寫器解析數(shù)據(jù)，獲得RFID行李標(biāo)簽的數(shù)據(jù)。

對于行李RFID識別來說，除了需要獲取RFID行李標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)，還需要將該數(shù)據(jù)和行李正確綁定，也就是不能將周圍行李所攜帶的RFID行李標(biāo)簽數(shù)據(jù)錯誤綁定到當(dāng)前行李。因為錯誤綁定數(shù)據(jù)會導(dǎo)致行李分揀錯誤。為了避免出現(xiàn)錯綁，行李RFID識別設(shè)備需要使用光電開關(guān)來檢測行李位置，同時通過使用定向天線、吸波材料等技術(shù)手段來約束電磁波的空間分布。

1.2 介質(zhì)材料

行李處理系統(tǒng)使用大量的皮帶輸送機(jī)來傳輸托運(yùn)行李，在輸送機(jī)的兩側(cè)安裝擋板避免托運(yùn)行李翻落。在RFID識別設(shè)備所在位置的側(cè)板需要使用非金屬的介質(zhì)材料，以便RFID讀寫器產(chǎn)生的電磁波能夠順利穿透擋板。

上述介質(zhì)材料需要選擇電磁波穿透損耗小，強(qiáng)度、韌性以及耐磨性都較好的材質(zhì)。環(huán)氧樹脂中含有獨(dú)特的環(huán)氧基，可以和多種類型的固化劑發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶/不熔的具有三向網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物，具有力學(xué)性能高、黏結(jié)性能優(yōu)、電性能好以及穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[1]。在行李處理系統(tǒng)中需要允許電磁波穿透的地方，常選擇環(huán)氧樹脂板來替代金屬材料。

環(huán)氧樹脂是優(yōu)良的電絕緣體，表面電阻率和體積電阻率都很高，一旦產(chǎn)生靜電就不容易泄漏。

1.3 識別關(guān)鍵指標(biāo)

行李RFID識別設(shè)備的識別率和串讀率是確保行李處理系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵指標(biāo)。識別率是能夠識別出RFID行李標(biāo)簽的數(shù)量和通過的行李件數(shù)的比值，識別率越高，意味著更多的行李可以被行李處理系統(tǒng)直接自動分揀，無需人工介入。串讀率是單件行李通過時同時識別到其他行李上的RFID行李標(biāo)簽的次數(shù)和通過行李件數(shù)的比值，每次串讀發(fā)生都有可能導(dǎo)致行李被錯誤分揀。對于行李處理系統(tǒng)而言，需要保證識別率盡可能高的同時，不要產(chǎn)生串讀。

在RFID行李標(biāo)簽性能相同的條件下，增加RFID識別設(shè)備發(fā)射的電磁波強(qiáng)度會有利于對RFID行李標(biāo)簽的識別，但增大的電磁波強(qiáng)度會使RFID識別設(shè)備識別范圍擴(kuò)大，更易讀取到相鄰RFID行李標(biāo)簽而造成串讀。通常需要對行李處理系統(tǒng)內(nèi)的行李RFID識別設(shè)備進(jìn)行細(xì)致地調(diào)測，使得在盡可能不發(fā)生串讀的情況下，獲得最佳的識別率。

2 靜電的產(chǎn)生

由于物體的接觸-分離、靜電感應(yīng)、介質(zhì)極化和帶電微粒的附著等原因，使物體正負(fù)電荷失去平衡或電荷分布不均勻，而在宏觀上呈現(xiàn)帶電的過程，稱為靜電起電[2]。

兩種高聚物材料相互接觸時，接觸表面就會發(fā)生電荷的交換，在接觸界面處形成偶電層，即兩種材料分別帶上等量的正電荷和負(fù)電荷[3]。兩種材料接觸又分離時，會分別顯示出帶正電荷或者負(fù)電荷。兩種高聚物材料之間的摩擦過程就是接觸面上不同接觸點(diǎn)之間連續(xù)不斷地進(jìn)行接觸-分離的過程。而且，由于摩擦導(dǎo)致的升溫、壓電效應(yīng)等多種因素都會促進(jìn)正負(fù)電荷分離。

托運(yùn)行李箱材質(zhì)多為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物ABS、聚丙烯PP、聚碳酸酯PC、聚氯乙烯PVC、聚乙烯PE、乙烯-醋酸乙烯共聚物EVA等各類高聚物，在靜電產(chǎn)生方面有著和環(huán)氧樹脂板相似的性能。行李箱在輸送過程中，難以避免會與輸送機(jī)側(cè)板產(chǎn)生摩擦。在行李RFID識別設(shè)備所在位置，行李箱和環(huán)氧樹脂板之間產(chǎn)生接觸-分離、持續(xù)摩擦，使得行李箱和環(huán)氧樹脂板都帶上電荷。行李箱隨后在與金屬側(cè)板的接觸中可以釋放表面電荷，環(huán)氧樹脂板上的電荷則會持續(xù)存在，在表面形成電荷斑。

空氣中的水分子攜帶有各種雜質(zhì)，具有導(dǎo)電性。空氣濕度超過80%RH時，大量水分子在環(huán)氧樹脂板表面隨機(jī)碰撞，可以將表面電荷轉(zhuǎn)移至空氣中消散。但在干燥的冬季，空氣濕度低于30%RH時，空氣中的水分子數(shù)量非常少，難以轉(zhuǎn)移環(huán)氧樹脂板表面電荷。電荷斑電量會在行李箱和環(huán)氧樹脂板的反復(fù)接觸中逐漸增強(qiáng)。

3 靜電對RFID行李識別設(shè)備的影響

RFID行李識別設(shè)備在干燥冬季容易出現(xiàn)的問題包括設(shè)備故障和性能下降兩個方面。經(jīng)過對故障設(shè)備的分析，發(fā)現(xiàn)問題在于RFID讀寫器內(nèi)的集成芯片被擊穿。而性能下降主要體現(xiàn)在無法識別的行李數(shù)量增加，同時又會出現(xiàn)串讀數(shù)量增加。根據(jù)前文的分析，在設(shè)備自身性能沒有變動的情況下，干燥冬季和其他季節(jié)的最明顯變化是環(huán)氧樹脂板上容易產(chǎn)生電荷斑，且電量積累會增強(qiáng)。

靜電消散的一種途徑是通過氣體放電，空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的介電強(qiáng)度約為32 kV/cm， 相當(dāng)于在（5×10）?2的面積上存在一個電子所帶的電荷，電荷密度不是很高。因此，高聚物因靜電放電而產(chǎn)生火花的現(xiàn)象是常見的。根據(jù)對絕緣體表面靜電電火花放電能量的測量，當(dāng)維護(hù)人員的萬用表表筆距離環(huán)氧樹脂板1.3 cm并產(chǎn)生電火花時[4]，此時靜電電壓V0約為19.8 kV，電量Q約為0.67×10-7 C。

3.1 對RFID讀寫器的影響

對于半導(dǎo)體芯片，在反偏情況下，耗盡層上有較大壓降。當(dāng)跨越結(jié)的兩邊有靜電放電時，耗盡層溫度快速上升，非本征半導(dǎo)體材料變成本征半導(dǎo)體材料，導(dǎo)致電阻急劇下降，出現(xiàn)二次擊穿，使硅和金屬可以穿過結(jié)而擴(kuò)散，造成局部熱擊穿失效[5-6]。

電子設(shè)備設(shè)計時會考慮靜電防護(hù)，在端口使用靜電釋放（Electro-Static Discharge， ESD）保護(hù)二極管進(jìn)行防護(hù)，當(dāng)ESD保護(hù)二極管的反向偏壓超過擊穿電壓時，反向電流會突然增加，能夠吸收能量，保護(hù)后面的電路。但是如果靜電電荷過多，放電時間超過幾微秒，ESD保護(hù)二極管也會出現(xiàn)失效，使得靜電電荷進(jìn)入后面的電路內(nèi)，導(dǎo)致對靜電敏感的半導(dǎo)體芯片被熱擊穿失效，如圖1所示[7]。

以東芝DF2B18FU二極管為例[8]，其防護(hù)電壓可以達(dá)到±30 kV，峰值脈沖功率為80 W。如果上文所提到的靜電斑的電壓V0約為19.8 kV、電量Q約為0.67×10-7 C時，靜電電荷進(jìn)入該二極管，放電電流為4 mA，完全釋放需要

1 658 μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出設(shè)計的保護(hù)時間范圍。

為了將識別結(jié)果和行李綁定，RFID行李識別設(shè)備需要通過光電開關(guān)來感應(yīng)行李。將光電開關(guān)安裝在環(huán)氧樹脂板上，信號通過數(shù)據(jù)線接入到RFID讀寫器端口。如果環(huán)氧樹脂板上的靜電斑位于光電開關(guān)安裝位置，則靜電電荷會沿著數(shù)據(jù)線進(jìn)入RFID讀寫器的端口，超過ESD保護(hù)二極管釋放范圍的過量靜電電荷繼續(xù)進(jìn)入RFID讀寫器，使RFID讀寫器內(nèi)的靜電敏感芯片因熱擊穿失效。

3.2 對電磁波傳輸?shù)挠绊?/p>

環(huán)氧樹脂板作為絕緣體，內(nèi)部的自由電子極少，即使受到外部電場作用，分子內(nèi)的帶電粒子只能做微觀位移，不會像導(dǎo)體中的自由電子那樣宏觀遷移[9]。當(dāng)電磁波穿透這樣的絕緣體時，只會因為帶電粒子的振蕩而產(chǎn)生少量的能量損失，具體損失的能量多少與絕緣體的介質(zhì)常數(shù)有關(guān)。介質(zhì)常數(shù)具有復(fù)數(shù)形式，實(shí)數(shù)部分為介電常數(shù)，虛數(shù)部分為損耗因子Df。損耗角是損耗因子Df與介電常數(shù)的比值，損耗角的正切值被用來表示材料和電磁波的耦合能力。

根據(jù)斯涅爾定律，電磁波在非均勻材料或者不同介質(zhì)材料間傳播時，傳播方向會發(fā)生變化，如圖2所示。圖中下標(biāo)i表示入射波，r表示反射波，t表示折射波。

當(dāng)環(huán)氧樹脂板表面沒有電荷時，表面處的電磁波可以用麥克斯韋方程進(jìn)行描述，滿足電場和磁場均為0的邊界條件，寫成如下方程式：

式中：表示波阻抗，μ為波導(dǎo)率，ε為介電常數(shù)。

通過式（1）和式（3），可以得到折射和反射系數(shù)：

如果θi=θr，式（4）和式（5）就是菲涅爾定律表達(dá)式。

將式（4）和式（5）代入式（2），可以得到：

k1sinθi=k2sinθr" " " " " " " " " " " " " " " " " " （6）

式中：。通過該式可以求解出折射角和入射角的關(guān)系。對于指定的空氣介質(zhì)和環(huán)氧樹脂板介質(zhì)，折射角和入射角關(guān)系是確定的，意味著電磁波穿過環(huán)氧樹脂板后的傳播路徑是明確的，可以用于指導(dǎo)對RFID識別范圍也就是電磁波覆蓋范圍的預(yù)測和控制。

但是當(dāng)環(huán)氧樹脂板表面攜帶電荷斑，表面電荷密度σ不等于0時，式（2）則變成：

將式（4）和式（5）代入式（7），可以得到：

假設(shè)ε1=ε2及μ1=μ2，可以化簡為，表明由于表面電荷的存在，折射角θt和入射角θi之間的關(guān)系與表面電荷密度、入射電磁波的電場強(qiáng)度都有關(guān)系，并且根據(jù)cos函數(shù)的對稱性質(zhì)，可以有兩個折射角的解滿足式（8）。

利用亥姆霍茲方程對式（8）進(jìn)行數(shù)值求解，計算在某些設(shè)定條件下的時域平均坡印廷矢量。根據(jù)計算結(jié)果，可以得知在介質(zhì)表面存在電荷的情況下，折射波會被分成兩路，往兩個方向傳播，且幅度也會降低[10]。

從上述結(jié)果可以推測出，當(dāng)環(huán)氧樹脂板表面攜帶電荷后，入射的電磁波受到表面電荷影響而改變傳播方向，向兩個方向傳播出去，具體改變的角度受到靜電電荷密度的影響而不固定。

3.3 對識別性能的影響

理論研究和計算結(jié)果表明：介質(zhì)材料表面帶電荷后，一方面增加了電磁波穿透損耗，使得用于激活和識別RFID行李標(biāo)簽的電磁波能量減少，降低了RFID行李標(biāo)簽被正常識別的概率；另一方面改變了電磁波的傳播方向，使得電磁波可能傳播到更遠(yuǎn)的位置，串讀其他行李上的RFID行李標(biāo)簽。這種情況與在冬季的行李處理系統(tǒng)中觀察到的現(xiàn)象相符合。

4 結(jié) 語

在行李處理系統(tǒng)中，由于行李箱和環(huán)氧樹脂板的摩擦而產(chǎn)生靜電，靜電除了可以造成RFID行李識別設(shè)備損壞外，還會改變電磁波的傳播方向而導(dǎo)致識別性能下降。

更換電壓防護(hù)等級更高、峰值脈沖功率更高的ESD防護(hù)二極管一定程度上可以改善RFID行李識別設(shè)備的靜電防護(hù)效果，但不能徹底避免潛在的更強(qiáng)的靜電電荷。因此，應(yīng)該從靜電產(chǎn)生的源頭著手，一方面將光電開關(guān)支架位置充分接地，讓靜電可以及時泄放到大地，而不是沿著數(shù)據(jù)線進(jìn)入RFID讀寫器端口；另一方面可以在環(huán)氧樹脂板表面定期擦拭以及噴涂防靜電液，從根源上避免靜電的產(chǎn)生，規(guī)避靜電對行李RFID識別設(shè)備的不利影響，確保行李處理系統(tǒng)在干燥冬季也能高效運(yùn)行。

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