传感器与智能时代 (8).pdf

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1、2020 年 1 月 控 制 工 程 Jan.2020 第 27 卷第 1 期 Control Engineering of China Vol.27,No.1 文章文章编号编号：1671-7848(2020)01-0104-05 DOI:10.14107/ki.kzgc.170366 电涡流式纸币厚度传感器设计 摘 要：点钞机主要依靠磁性安全线、磁性油墨、光学特征等特征来识别伪钞，部分伪钞或残旧钞票粘贴有大小、位置不同的透明胶纸也要区分，难以通过现有技术识别。设计了一种多段机械式厚度传感器，将纸币的厚度转化为机械位移，利用基于 TI 公司的LDC1000 电感数字转换器组成的精密位移传感器实

2、现纸币不同部位厚度的定位检测。首先阐述了机械式厚度传感器的结构与工作原理，并介绍采用 TI 公司提供的WEBENCHDesigner LDC1000 工具设计传感器电路系统。初步试验结果表明，该传感器可在 1 mm 检测范围内达到优于 5 m 的分辨率，检测速率达到 10 kHz，满足纸币厚度检测要求。关键词：电涡流；纸币；厚度检测；电感数字转换器；鉴伪 中图分类号：TP391.4 文献标识码：A Design of a Banknote Thickness Sensor Based on Eddy Current Principle ZHAO Zuo-xi1,2,LIU Xiong1,XIA

3、O Can2,PAN Xiang1,LAI Qi1,KE Xin-rong1(1.College of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642,China;2.Guangzhou Kangyi Electronics Co.,Ltd.,Guangzhou 510235,China)Abstract:The counting machine mainly relies on magnetic safety line,magnetic ink,optical characteristics to identi

4、fy counterfeit banknotes.Some counterfeit or old banknotes which stick transparent adhesive tapes with different sizes and positions should also be distinguished,but its difficult to identify them through existing technology.A multiple section mechanical thickness sensor is designed to convert the t

5、hickness of paper money into mechanical displacement,by using the precise displacement sensor based on the LDC1000 inductive digital converter provided by TI company to realize the positioning detection of the thickness of different parts of banknotes.Firstly,the structure and working principle of t

6、he mechanical thickness sensor are described.Then introduces the sensor circuit system that designed with the tool of WEBENCH Designer LDC1000 provided by TI company.The preliminary test results show that,the resolution of the sensor is better than 5m in the range of 1 mm and the detection rate reac

7、hes 10kHz.The design meets the requirements of banknote thickness detection.Key words:Eddy current;banknote;mechanical thickness sensor;inductance-to-digital converter 1 引引 言言 目前一般的点钞机依靠纸币的磁性安全线、磁性印刷油墨分布及光学特性鉴伪，这些手段对于破损残旧纸币上粘帖的透明胶纸识别效果不佳，胶纸是纸币残旧的标志，因而需要甄别。此外一些假币也是利用透明胶纸拼造假币。因此有必要开发一种不依赖磁性特性光学特性的辅助纸币

8、识别技术1。目前国内主要的点验钞机高端机具为进口品牌，如德国捷德、日本光荣等，其纸币检测的各项技术已经发展成熟，清分机普遍配备纸币厚度的检测设备2。国内各高校、企业及研究机构也在纸币测厚系统方面开展了相关研究，其中机械式测厚系统结构优化、纸币测厚装置结构设计、测厚传感器收稿日期：2017-06-10；修回日期：2017-09-05 基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFD0700101)；广东省联合培养研究生基地人才建设项目(2013JDXM13)作者简介：赵祚喜(1969-)，男，湖南慈利人，博士，教授，主要从事计算机应用、地面车辆导航技术等方面的教学与科研工作(本文通讯作者)；刘雄(

9、1992-)，男，广东惠州人，研究生，主要研究方向为计算机模式识别等。第 1 期 赵祚喜等：电涡流式纸币厚度传感器设计 105 技术仍是研究的重点3。本文设计基于电涡流的纸币厚度检测装置包括机械装置和检测电路。为了实现纸币整个表面厚度检测，将检测装置分为按纸币长度方向分为 12个相同的单元，一个单元称为一段，如图 1 所示。图 1 12 段测厚传感器机构图 Fig.1 12 sections thickness measurement sensor 图 1 每一段中，机械装置将纸币厚度转化为一个可动测量臂（弹簧片，后文简称弹片）的位移，检测电路是一个电涡流原理的高灵敏度小位移检测传感器，整个装

10、置称为机械式测厚传感器或机械式测厚装置。小位移传感器配有电感线圈，弹片靠近该线圈时产生电涡流，引起线圈阻抗的变化，利用专用的电感数字转换器 LDC1000 将电感线圈中的阻抗转换为数字电信号，此方案是一种小体积低成本的纸币厚度特征检测方案4。2 电涡流式纸币厚度检测原理电涡流式纸币厚度检测原理 为了能准确地检测到整张纸币的厚度变化，设计 12 个相同的独立单元组成测厚传感器。电涡流小位移检测电路基本构造包括一个外置静止电感线圈及一个有TI公司生产的LDC1000电感数字转换器。LDC1000 内部产生一个交变电流通到线圈上，线圈周围会产生交变电磁场。当金属物体（弹片）进入交变电磁场时，会在表面

11、产生感应电流及电涡流，感应电流是金属物体的距离、大小、成分的函数，电涡流产生的磁场也作用于原线圈上，其作用是削弱原来的磁场5。作用过程相当于一个以外置线圈作为初级绕组，以电涡流作为次级绕组形成一个变压器。由于变压器的互感作用，在初级绕组这一侧就可以检测到作为输入信号的初级绕组的参数。从另一方面看，这种电涡流式作用下，金属件由于电涡流作用发热导致线圈的能量损耗，可以证明这种损耗相当于线圈等效电阻上升、等效电感量下降。当线圈、金属件确定后，由于电涡流作用强弱与金属与线圈间距离有关，显然等效电阻或等效电感是距离 d 的函数。简化的电路模型，如图 2 所示。图 2 电感线圈在金属表面产生感应电流模型

12、Fig.2 Model of inductive current produced on metal surface by inductive coil 外置线圈电感量为 Ls，串联电阻为 Rs。通过振荡器产生交变电流使其产生交变磁场，在金属（弹片）表面产生感应电流，感应电流产生的反向磁场与线圈耦合，耦合作用相当于改变了线圈的电感和电阻值。图中，电感值记为 L(d)，电阻值记为 R(d)，它们均是上述定义的距离 d 的函数。为了减少功耗，在电路中并联一个电容 C 构成并联谐振电路，如图3 所示5。(a)LC 谐振电路(b)谐振频率下等效电路 (a)LC resonant circuit (b)

13、Equivalent circuit at resonance frequency 图图 3 谐振电路谐振电路 Fig.3 Resonant circuit 如图 3(a)中，此时功耗降低，仅有涡流和电感损耗 Rs 和 R(d)。LDC1000 不直接测量电路中的串联电阻，而是将串联电阻转化为谐振时的等效并联电阻，如图 3(b)(LDC1000 数据手册，Texas Instru-ments)。其中，()()*()LsL dRp dCRsR d+=+(1)这样通过检测 Rp 就可以实现小位移的准确检测。LDC1000 还对图 3 中的电感 Ls+L(d)进行了测量，如前所述，该电感值也能用来检

14、测小位移。根据 LDC1000 数据手册，一个直径为 14 mm、23 圈、线间距 0.1 mm、厚度为 35 m 的 PCB 线圈和一个厚度为 2 mm 的不锈钢金属片之间的距离和谐振阻106 控 制 工 程 第 27 卷 抗 Rp 的变化曲线5，如图 4 所示。图 4 电感线圈谐振阻抗 Rp 和金属距离的关系 Fig.4 Relationship between resonance impedance Rp and metal distance of inductance coil 人民币纸币的厚度为 0.09 mm0.12 mm 之间，而胶纸的厚度约为 0.05 mm，当纸币上粘有胶纸时

15、，纸币的厚度变化范围为 0.140.17 mm。综合考虑其他需求，要求测厚传感器测量范围 1 mm，测量分辨率为 5 m 以内。另外还要考虑测量数据输出速率。一般点钞机速度小于 1 000 张纸币每分钟，每张纸币测量时间约为 3050 ms（走钞过程中点钞机机械结构保证相邻纸币之间有间隙约 1030 ms），则 10 kHz 采样速度就能保证每张纸币能有约 900次以上的厚度数据。实际上应用的数据率 23 kHz已满足要求。为保证实现粘帖胶纸的定位检测，在纸币长度方向（与走钞方向垂直）均布 12 个测厚单元组成测厚传感器阵列6。3 厚度检测系统装置设计厚度检测系统装置设计 图 1 是安装在点钞

16、机上的纸币厚度检测装置示意图，纸币进钞方向横向排列有 12 段测厚单元，一个单元的侧向图，如图 5 所示。图 5 测厚传感器单元工作原理示意图 Fig.5 Schematic diagram of thickness sensor unit（相当于图 4 中沿着轴的方向观察）。每个传感器单元结构相同且独立工作。图 1 是测厚阵列机械系统结构图。公共部分包括 1 个安装架、安摇臂轴、有 12 个突出部分（即图 1 中的金属弹片）的狭长形不锈钢板，及 2 条转轴。其中，摇臂轴和狭长形不锈钢板均安装于安装架上，2 条转轴由电机驱动为走钞提供动力。每个单元的机械部分主要包括摇臂和不锈钢金属弹片，摇臂（

17、图 5）通过衬套安装于摇臂轴上可绕摇臂轴转动，摇臂左上方突起与弹片接触，左下方安装有间距 3.7 mm 的 2 个滚动轴承，滚动轴承外表面支撑在驱动轴 1（该轴承对应位置有突起的台阶）上。轴承的作用是减小走钞时的摩擦阻力使过钞顺畅7。金属弹片由安装于安装台上公共薄钢板上，一端为待检测对象，一端为固定的悬臂梁结构，动端接触左上端摇臂，压迫摇臂使安装在其下端 2 个滚动轴承与驱动轴 1 紧密接触。每个单元的电路部分基于电涡流原理实现的小位移测量，包括 1 个在 PCB 电路板上印制实现的线圈和1片TI公司生产的LDC1000电感-数字转换器，这样整个测厚阵列有 12 个线圈和 12 个 LDC10

18、00 芯片，制作成一块PCB 板，该PCB 板安装于图4 的安装架上。每个单元的线圈的位置与相应金属弹片对应。为了便于观察没有在图4 中画出PCB 板。以单元为例，其测厚原理简单分析如下。当纸币进入测厚机构时，由于纸币厚度变化，使摇臂绕摇臂轴旋转，摇臂将金属弹片顶起，使弹片和线圈之间的间距发生变化。4 基于基于 WEBENCH Designer LDC1000 工具工具的电涡流小位移传感器电路设计的电涡流小位移传感器电路设计 TI 提供了一套基于网络浏览器的软件设计工具 WEBENCH，可以方便用户实现电源、照明、滤波、时钟、传感器有关电路的设计。本例中涉及LDC1000芯片，在TI网站该芯片

19、主页（http:/www.ti.Com/product/ldc1000）右下角即出现对应的设计软件工具 WEBENCH Designer LDC1000，基于工具实现谐振线圈设计，如图 6 所示。图 6 基于工具实现谐振线圈设计 Fig.6 Design of resonant coil based on tools 第 1 期 赵祚喜等：电涡流式纸币厚度传感器设计 107 电涡流 PCB 线圈设计，如图 7 所示。图 7 电涡流 PCB 线圈设计 Fig.7 Design of eddy current PCB coil 测厚传感器单元的电路部分设计主要是外围谐振元器件设计，即电涡流电感线圈

20、的设计及谐振电容的选型。为了减小面积增加方便性，该线圈设计成PCB线圈，即在印刷电路板上直接印制得到8。在图 6 中填写测量距离 0.1 cm，分辨率 5 m，弹片材料和直径 1 cm，即可实现芯片选型，本例中LDC1000 是合适的，按照该软件，LDC1000 实际分辨率可优于 5 m。再根据图 7 即可实现印制线圈的实际设计。谐振电容的选择。要求选用温度稳定性高、电解质不产生任何压电现象。根据 LDC1000 手册推荐选用 C0G(NP0)介质的瓷片电容。LDC1000 测量数据输出速度计算。根据LDC1000 数据手册，其数据输出速度 SR 计算公式为：sensor3*SRftime=(

21、2)式中，fsensor为传感器频率；time 为响应时间，可根据需求设定参数。根据该手册，当 fsensor=5 MHz，time=192 时 SR达到最大值，则该最大值为75 kHz，可满足设计要求。5 纸币厚度传感器实验纸币厚度传感器实验 对纸币测厚传感器进行了实际制作，安装在专门制作的点钞机样机上进行了初步性能测试。5.1 纸币测厚传感器数据测试分析纸币测厚传感器数据测试分析 设计了一个单片机系统，该系统与 12 个传感器单元 LDC1000 芯片通过 SPI 接口通信，并通过串口将测试数据传至计算机分析。为适应慢速串口通信，实验中单片机先将数据缓冲再上传9。正常纸币通过测厚传感器时，

22、传感器数据波形，如图 8 所示。图 8 正常纸币通过时 12 路传感器单元的数据波形 Fig.8 Data waveform of 12 way sensor unit during normal banknote passing 其中，HR112 表示 12 个单元传感器，其数据分别绘制在各自的坐标系下，为了便于观察分析将其绘制在同一幅图中。由图 8 可见，每个单元的厚度波形形状基本相似，开始阶段均有超调部分之后才稳定。超调部分，约占过钞时间 5%10%，撞击产生的弹片震动幅值约为 400（LDC1000 读出的位移数据，与式(1)的Rp(d)对应），稳定时值约为 200。将稳定值代入公式(

23、3)可计算出纸币厚度为 0.12 mm，与实际情况相符。此外图 8 可见，稳定段实际上数据也有小波动，对应于纸币上制作过程引起的币面不平整程度，这也直观证明了本传感器是很灵敏的，或者说厚度分辨率是很高的。在图 8 中，第 1 路测厚传感器中没有波形是因为 12 路传感器的总长度为 194 mm，而纸币的长度为 155 mm，当纸币靠近一侧时，另一侧的测厚传感器无法检测到纸币的厚度数据。起始超调是由于纸币进入测厚机构时速度达30 m/s（高速相机测得），纸币与单元传感器上摇臂上的轴承发生撞击和挤压，轴承带动摇臂绕摇臂轴顺时针转动，初始阶段短时间大幅度跳动，用高速相机观察，可见此段时间内轴承与驱动

24、轴 1 之间分离（没有将纸币压紧于二者之间），该时间内本传感器不能实现纸币厚度检测。显然这是机械设计问题而不是电路部分问题，需要通过机械部分动力学分析增加系统阻尼等手段来解决。5.2 纸币厚度和传感器数据标定纸币厚度和传感器数据标定 机械式厚度传感器的输出受到存在许多因素影响，如金属弹片的大小和材质、电感线圈的大小，实验前需对其进行标定。采集不同厚度的纸币通过108 控 制 工 程 第 27 卷 测厚机构时传感器输出数据，见表 1。表 1 纸币厚度和传感器输出之间的关系 Tab.1 Relationship between banknote thickness and sensor outpu

25、t 纸币厚度/mm 传感器输出/0.12 200 0.18 260 0.24 400 0.30 550 0.36 700 将纸币厚度（0.12 mm0.36 mm）等间距分为 5份，分别记录其对应的传感器输出。以传感器输出为横坐标，纸币厚度为纵坐标，对其进行二次曲线拟合，如图 9 所示。图 9 纸币厚度和传感器输出拟合曲线 Fig.9 Fit curve of banknote thickness and sensor output 其中，黑色点为纸币厚度对应传感器实际输出值，实线为拟合曲线。实际输出值与所得拟合曲线存在误差，由线性回归误差分析计算得，真实值与拟合值的误差平方和（SSE）为 0

26、.000 345 4，线性回归复相关系数为 0.990 4，均方根误差为 0.013 14，误差较小，二次拟合曲线能反映实际纸币厚度。对曲线进行二次拟合后，得到纸币厚度和传感器输出之间公式如下，其中 x 表示传感器输出，y表示纸币厚度：523.3253e0.077 21.9417yxx=+(3)由于二次项系数很小，可忽略二次项，认为y与x成线性关系。0.077 21.9417yx=(4)这与电涡流式纸币厚度检测试验所得的结论是一致的，图 9 与图 4 所得波形基本一致（两图的距离表示在不同的坐标轴上）。6 结结 论论 本论文提出一种基于电涡流小位移测量原理的纸币测厚传感器设计。机械部分和电路设

27、计部分的原理可行。实验结果表明，测厚传感器数据可以计算得出正常纸币厚度约为 0.12 mm，与实际厚度相符。理论计算和初步实验证明，电涡流式传感器能实现整个纸币表面范围内厚度的测量，测量范围1 mm 测量分辨率可达 5 m，测量速度可达 10 kHz以上，满足实际纸币测厚应用的需要。参考文献参考文献(References)1 李亚军,姜斌.新型多功能防伪点钞机的造型设计与技术分析C.2001年中国机械工程学会年会暨第九届全国特种加工学术年会,2001:397-399.Li Y J,Jiang B.Modeling Design and Technical Analysis of A New M

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