靜電對行李RFID識別設備影響的研究

摘 要：在干燥季節，行李RFID識別設備容易出現設備損壞、識別效果下降等現象，給行李處理系統的運行帶來壓力。為此，分析行李RFID識別設備的作用、行李處理系統中靜電產生原因，研究靜電對行李RFID識別設備造成損壞的途徑和機理；通過麥克斯韋方程和邊界條件著手研究了環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識別設備的不利影響，最后給出了消除靜電不利影響的建議。

關鍵詞：RFID；靜電；ESD保護二極管；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 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-00-03

0 引 言

在北方冬季時節，安裝在機場行李分揀系統內的行李RFID識別設備容易出現各類故障以及識別效果變差的情況。維護人員對設備進行排查時，卻發現狀態正常，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、識別效果也不能恢復正常。然而進入春夏季后，這些異常情況會消失。維護人員在一次排查中無意中將萬用表表筆靠近分揀系統輸送機側板上的金屬支架時發生了火花放電，結合進入春夏季后異常情況會消失的現象，考慮是設備表面的靜電對RFID識別造成了影響。

靜電是處于靜止狀態的電荷，電荷在非導體材料上產生后無法流動而逐漸積累。當與其他有電位差的物體接觸時，則會產生電荷轉移。如果電位差足夠大，便會擊穿空氣產生火花放電現象。

本文將分析行李RFID識別設備的工作原理及關鍵指標，研究靜電產生和積累的原因，通過對靜電能量模型的研究探討靜電對設備造成故障的方式，通過介質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，最后給出應對靜電不利影響的方法。

1 行李RFID識別設備

行李RFID識別設備是安裝在行李處理系統內，用于識別托運行李的識別設備，識別結果被用于托運行李的跟蹤或分揀。機場行李系統的運行效率對航空運輸行業非常重要，分揀時效性和準確性關系到能否及時無誤地將托運行李送達目的地。使用RFID技術進行行李識別后，行李識別率已經超過99%，航空公司的不正常行李量以及相應的賠付金額逐年下降。因此保持行李RFID識別設備的正常運行是機場維護人員的關鍵工作。

1.1 RFID識別過程

行李RFID識別設備需要自動識別出經過的托運行李，將識別結果發送給行李處理系統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讀寫器產生調制的電磁波，經過RFID天線輻射至行李輸送線，RFID行李標簽感應電磁波并反向調制電磁波，反向調制的電磁波經過RFID天線回到RFID讀寫器內，RFID讀寫器解析數據，獲得RFID行李標簽的數據。

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

1.2 介質材料

行李處理系統使用大量的皮帶輸送機來傳輸托運行李，在輸送機的兩側安裝擋板避免托運行李翻落。在RFID識別設備所在位置的側板需要使用非金屬的介質材料，以便RFID讀寫器產生的電磁波能夠順利穿透擋板。

上述介質材料需要選擇電磁波穿透損耗小，強度、韌性以及耐磨性都較好的材質。環氧樹脂中含有獨特的環氧基，可以和多種類型的固化劑發生交聯反應而形成不溶/不熔的具有三向網狀結構的高聚物，具有力學性能高、黏結性能優、電性能好以及穩定性好的特點[1]。在行李處理系統中需要允許電磁波穿透的地方，常選擇環氧樹脂板來替代金屬材料。

環氧樹脂是優良的電絕緣體，表面電阻率和體積電阻率都很高，一旦產生靜電就不容易泄漏。

1.3 識別關鍵指標

行李RFID識別設備的識別率和串讀率是確保行李處理系統高效運行的關鍵指標。識別率是能夠識別出RFID行李標簽的數量和通過的行李件數的比值，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行李標簽的次數和通過行李件數的比值，每次串讀發生都有可能導致行李被錯誤分揀。對于行李處理系統而言，需要保證識別率盡可能高的同時，不要產生串讀。

在RFID行李標簽性能相同的條件下，增加RFID識別設備發射的電磁波強度會有利于對RFID行李標簽的識別，但增大的電磁波強度會使RFID識別設備識別范圍擴大，更易讀取到相鄰RFID行李標簽而造成串讀。通常需要對行李處理系統內的行李RFID識別設備進行細致地調測，使得在盡可能不發生串讀的情況下，獲得最佳的識別率。

2 靜電的產生

由于物體的接觸-分離、靜電感應、介質極化和帶電微粒的附著等原因，使物體正負電荷失去平衡或電荷分布不均勻，而在宏觀上呈現帶電的過程，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之間連續不斷地進行接觸-分離的過程。而且，由于摩擦導致的升溫、壓電效應等多種因素都會促進正負電荷分離。

托運行李箱材質多為丙烯腈-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，在靜電產生方面有著和環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側板產生摩擦。在行李RFID識別設備所在位置，行李箱和環氧樹脂板之間產生接觸-分離、持續摩擦，使得行李箱和環氧樹脂板都帶上電荷。行李箱隨后在與金屬側板的接觸中可以釋放表面電荷，環氧樹脂板上的電荷則會持續存在，在表面形成電荷斑。

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

3 靜電對RFID行李識別設備的影響

RFID行李識別設備在干燥冬季容易出現的問題包括設備故障和性能下降兩個方面。經過對故障設備的分析，發現問題在于RFID讀寫器內的集成芯片被擊穿。而性能下降主要體現在無法識別的行李數量增加，同時又會出現串讀數量增加。根據前文的分析，在設備自身性能沒有變動的情況下，干燥冬季和其他季節的最明顯變化是環氧樹脂板上容易產生電荷斑，且電量積累會增強。

靜電消散的一種途徑是通過氣體放電，空氣在標準狀況下的介電強度約為32 kV/cm， 相當于在（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生火花的現象是常見的。根據對絕緣體表面靜電電火花放電能量的測量，當維護人員的萬用表表筆距離環氧樹脂板1.3 cm并產生電火花時[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

對于半導體芯片，在反偏情況下，耗盡層上有較大壓降。當跨越結的兩邊有靜電放電時，耗盡層溫度快速上升，非本征半導體材料變成本征半導體材料，導致電阻急劇下降，出現二次擊穿，使硅和金屬可以穿過結而擴散，造成局部熱擊穿失效[5-6]。

電子設備設計時會考慮靜電防護，在端口使用靜電釋放（Electro-Static Discharge， ESD）保護二極管進行防護，當ESD保護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保護二極管也會出現失效，使得靜電電荷進入后面的電路內，導致對靜電敏感的半導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]，其防護電壓可以達到±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，靜電電荷進入該二極管，放電電流為4 mA，完全釋放需要

1 658 μs，遠遠超出設計的保護時間范圍。

為了將識別結果和行李綁定，RFID行李識別設備需要通過光電開關來感應行李。將光電開關安裝在環氧樹脂板上，信號通過數據線接入到RFID讀寫器端口。如果環氧樹脂板上的靜電斑位于光電開關安裝位置，則靜電電荷會沿著數據線進入RFID讀寫器的端口，超過ESD保護二極管釋放范圍的過量靜電電荷繼續進入RFID讀寫器，使RFID讀寫器內的靜電敏感芯片因熱擊穿失效。

3.2 對電磁波傳輸的影響

環氧樹脂板作為絕緣體，內部的自由電子極少，即使受到外部電場作用，分子內的帶電粒子只能做微觀位移，不會像導體中的自由電子那樣宏觀遷移[9]。當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生少量的能量損失，具體損失的能量多少與絕緣體的介質常數有關。介質常數具有復數形式，實數部分為介電常數，虛數部分為損耗因子Df。損耗角是損耗因子Df與介電常數的比值，損耗角的正切值被用來表示材料和電磁波的耦合能力。

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

當環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為波導率，ε為介電常數。

通過式（1）和式（3），可以得到折射和反射系數：

如果θi=θr，式（4）和式（5）就是菲涅爾定律表達式。

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系。對于指定的空氣介質和環氧樹脂板介質，折射角和入射角關系是確定的，意味著電磁波穿過環氧樹脂板后的傳播路徑是明確的，可以用于指導對RFID識別范圍也就是電磁波覆蓋范圍的預測和控制。

但是當環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之間的關系與表面電荷密度、入射電磁波的電場強度都有關系，并且根據cos函數的對稱性質，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）進行數值求解，計算在某些設定條件下的時域平均坡印廷矢量。根據計算結果，可以得知在介質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]。

從上述結果可以推測出，當環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

理論研究和計算結果表明：介質材料表面帶電荷后，一方面增加了電磁波穿透損耗，使得用于激活和識別RFID行李標簽的電磁波能量減少，降低了RFID行李標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的位置，串讀其他行李上的RFID行李標簽。這種情況與在冬季的行李處理系統中觀察到的現象相符合。

4 結 語

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

更換電壓防護等級更高、峰值脈沖功率更高的ESD防護二極管一定程度上可以改善RFID行李識別設備的靜電防護效果，但不能徹底避免潛在的更強的靜電電荷。因此，應該從靜電產生的源頭著手，一方面將光電開關支架位置充分接地，讓靜電可以及時泄放到大地，而不是沿著數據線進入RFID讀寫器端口；另一方面可以在環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生，規避靜電對行李RFID識別設備的不利影響，確保行李處理系統在干燥冬季也能高效運行。

參考文獻

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