一種電渦流式鈔票厚度檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)

摘要：在ATM機(jī)和紙幣清分機(jī)中，鈔票的厚度檢測(cè)是必須的功能，通過鈔票的厚度特征可以識(shí)別鈔票上粘貼的膠帶和折角等，從而剔除不合格鈔票。本文論述了一種電渦流式鈔票厚度檢測(cè)傳感器，采用并列的結(jié)構(gòu)相同的多路厚度傳感器，通過每路獨(dú)立的厚度傳感器檢測(cè)出來的信號(hào)，拼接成整張鈔票的厚度特征，從而識(shí)別鈔票是否有異常。本傳感器具有電路簡(jiǎn)單、成本低、檢測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。

0 前言

電渦流厚度檢測(cè)具有成本低、線性范圍大等優(yōu)點(diǎn)。通過選擇合適的頻率點(diǎn)和被測(cè)金屬材料，可用于檢測(cè)金屬材料的位移。通過機(jī)械結(jié)構(gòu)把鈔票厚度轉(zhuǎn)換成金屬材料位移的變化，可以用于測(cè)量鈔票厚度。

在ATM機(jī)和紙幣清分機(jī)中，鈔票的厚度檢測(cè)是必需的功能，通過鈔票的厚度特征可以識(shí)別鈔票上粘貼的膠帶和折角等，從而剔除不合格鈔票。由于膠帶可能粘貼在鈔票上的任何位置，所以厚度檢測(cè)必須能夠覆蓋整張鈔票的范圍，需要設(shè)置緊密排列的多路厚度傳感器，每路厚度傳感器的結(jié)構(gòu)相同，檢測(cè)原理也相同。通過多路獨(dú)立的厚度傳感器檢測(cè)出來的信號(hào)，拼接成整張鈔票的厚度特征，從而識(shí)別鈔票厚度是否有異常。

1 電路原理

原理框圖如圖1所示，由晶體振蕩器、CPLD、驅(qū)動(dòng)電路、電渦流諧振電路、檢波電路、比較放大、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生、A/D轉(zhuǎn)換器、CPU等部分組成。

1.1 晶體振蕩器

采用有源晶振，提供穩(wěn)定的頻率給電渦流線圈作為激勵(lì)源，系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性取決于此晶振。

1.2 CPLD

晶體振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)輸入CPLD，經(jīng)過CPLD分頻后，輸出2個(gè)不同頻率的信號(hào)到驅(qū)動(dòng)電路，再輸出到電渦流線圈。共有12路電渦流線圈，分別是A1～A6、B1～B6，A和B的工作頻率不同，A和B在PCB板上交替排列，防止互相干擾，如圖2所示。

1.3 輸出驅(qū)動(dòng)電路

用于提高CPLD輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)電渦流線圈工作。

1.4 電渦流諧振電路

由電渦流線圈和諧振電容組成。應(yīng)該諧振在工作頻率的附近。

1.5 檢波電路

負(fù)責(zé)檢出經(jīng)過諧振電路分壓后的高頻信號(hào)包絡(luò)。

1.6 比較放大

把檢波輸出電壓和基準(zhǔn)電壓相減后放大輸出，以得到較高的分辨力，輸出到A/D。

1.7 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生

每路傳感器的基準(zhǔn)電壓可通過IIC接口調(diào)節(jié)，用于和檢波輸出電壓相減，以補(bǔ)償結(jié)構(gòu)或電路的差異造成檢波輸出電壓的不一致。

1.8 A/D轉(zhuǎn)換器

用于把放大輸出的傳感器模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，采樣速率和采樣時(shí)間受CPU控制。

1.9 CPU

控制A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行傳感器信號(hào)采集、非線性修正等。

2 厚度傳感器結(jié)構(gòu)原理

厚度傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)原理如圖3所示，由1條基準(zhǔn)軸和12個(gè)浮動(dòng)輪構(gòu)成。基準(zhǔn)軸固定在兩側(cè)框架上，要求旋轉(zhuǎn)起來圓周的跳動(dòng)盡可能小。浮動(dòng)輪圍繞著轉(zhuǎn)軸上下運(yùn)動(dòng)，被測(cè)金屬片固定在浮動(dòng)輪上，隨浮動(dòng)輪一起上下運(yùn)動(dòng)。電渦流線圈固定在電路板上，位置固定不變。彈簧負(fù)責(zé)給浮動(dòng)輪施加壓力，使浮動(dòng)輪緊貼基準(zhǔn)軸。限位片用于防止浮動(dòng)輪橫向移動(dòng)?；鶞?zhǔn)軸和浮動(dòng)輪緊貼在一起旋轉(zhuǎn)，鈔票經(jīng)過兩個(gè)輪子之間時(shí)，浮動(dòng)輪會(huì)被頂起，造成被測(cè)金屬片和電渦流線圈距離發(fā)生變化，通過檢測(cè)頂起的高度，可以得知鈔票的厚度情況。

3 厚度測(cè)量方法

首先需要厚度自校準(zhǔn)，相當(dāng)于自學(xué)習(xí)的過程。先讓厚度組件空轉(zhuǎn)，測(cè)得傳感器輸出電壓，稱為零值電壓，然后使用1張標(biāo)準(zhǔn)厚度的測(cè)試鈔票，稱為校準(zhǔn)鈔，以正常速度通過厚度組件，測(cè)得傳感器輸出電壓，此電壓減去零值電壓，得到電壓變化量，然后轉(zhuǎn)換成100 μm厚度對(duì)應(yīng)的傳感器輸出電壓變化量，即為K值。比如校準(zhǔn)鈔的厚度為110 μm，對(duì)應(yīng)的電壓變化量為550mV，則100 μm的電壓變化量為100/110×550= 500mV，即K值為500mV。假設(shè)厚度組件是穩(wěn)定的，那么其K值應(yīng)該恒定不變，后續(xù)的測(cè)量可以此為基準(zhǔn)。

正常點(diǎn)鈔時(shí)厚度檢測(cè)，每次點(diǎn)鈔前都會(huì)讓厚度組件空轉(zhuǎn)，先測(cè)得零值電壓，然后開始點(diǎn)鈔，用測(cè)得的鈔票厚度電壓減去零值電壓，得到的電壓變化量通過K值換算成實(shí)際的鈔票厚度。即如果測(cè)得的厚度電壓變化量為600mV，那么厚度為600/500×100=120 μm。

實(shí)際使用時(shí)由于振動(dòng)、機(jī)械磨損的影響，使金屬片和傳感器的距離發(fā)生變化，由于距離和傳感器輸出的關(guān)系不是線性的，所以相當(dāng)于厚度K值發(fā)生了變化，為了補(bǔ)償K值的變化，需要在使用前先進(jìn)行非線性修正。

4 非線性修正方法

首先，通過人工測(cè)量的方法得到傳感器輸出電壓VS和檢測(cè)距離(金屬片到傳感器的距離)的關(guān)系曲線。設(shè)基準(zhǔn)電壓的調(diào)節(jié)范圍為Vbmin～Vbmax，Vo的變化范圍為Vomin～Vomax，且Vo=(Vs-Vb×G，G為放大倍數(shù)。實(shí)際使用時(shí)，要給Vo預(yù)留上下變化的范圍，要求沒有鈔票時(shí)Vo= Vomax/2。調(diào)節(jié)金屬片到傳感器的距離D，使Vs在Vbmin+Vomax/2/G到Vbmin+Vomax/2/G之間變化，得到傳感器輸出電壓Vs和檢測(cè)距離的關(guān)系曲線，如圖4所示。該關(guān)系曲線存儲(chǔ)在CPU的非易失存儲(chǔ)器中。該關(guān)系如表1所示。

實(shí)際測(cè)量前，先對(duì)厚度組件進(jìn)行校準(zhǔn)，得到當(dāng)前工作點(diǎn)的K值Kw。然后CPU根據(jù)當(dāng)前基準(zhǔn)電壓Vb和比較放大輸出Vo的值，可以計(jì)算出當(dāng)前Vs值Vsw=Vo/G+Vb，CPU通過查找內(nèi)部存儲(chǔ)的關(guān)系曲線，計(jì)算出Vsw點(diǎn)的斜率Bw。假設(shè)Vsw處于Vs1和Vs2之間，那么Bw=(Vs2-Vs1)/(D2-D1)。

實(shí)際測(cè)量時(shí)，同樣根據(jù)基準(zhǔn)電壓Vb和比較放大輸出Vo的值，可以得出當(dāng)前的Vs值Vsv。查表計(jì)算出Vsv點(diǎn)的斜率Bv，那么當(dāng)前的K值Kv=Bv ×Kw/Bw。即實(shí)現(xiàn)對(duì)K值的非線性修正。

5 結(jié)束語

該傳感器通過引入CPLD分頻，采用門電路驅(qū)動(dòng)等方法，拋棄了復(fù)雜的高頻振蕩電路和功率放大電路，具有穩(wěn)定性好、電路簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。采用特別的非線性修正方法和校準(zhǔn)方法，具有機(jī)械誤差容忍度好、檢測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，可以適用于ATM機(jī)和紙幣清分機(jī)等要求小體積、低成本的場(chǎng)合。