電渦流式鈔票厚度檢測傳感器設計

摘要：在ATM機和紙幣清分機中，鈔票的厚度檢測是必須的功能，通過鈔票的厚度特征可以識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傳感器，采用并列的結構相同的多路厚度傳感器，通過每路獨立的厚度傳感器檢測出來的信號，拼接成整張鈔票的厚度特征，從而識別鈔票是否有異常。本傳感器具有電路簡單、成本低、檢測范圍大等優點。

0 前言

電渦流厚度檢測具有成本低、線性范圍大等優點。通過選擇合適的頻率點和被測金屬材料，可用于檢測金屬材料的位移。通過機械結構把鈔票厚度轉換成金屬材料位移的變化，可以用于測量鈔票厚度。

在ATM機和紙幣清分機中，鈔票的厚度檢測是必需的功能，通過鈔票的厚度特征可以識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，所以厚度檢測必須能夠覆蓋整張鈔票的范圍，需要設置緊密排列的多路厚度傳感器，每路厚度傳感器的結構相同，檢測原理也相同。通過多路獨立的厚度傳感器檢測出來的信號，拼接成整張鈔票的厚度特征，從而識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、驅動電路、電渦流諧振電路、檢波電路、比較放大、基準電壓產生、A/D轉換器、CPU等部分組成。

1.1 晶體振蕩器

采用有源晶振，提供穩定的頻率給電渦流線圈作為激勵源，系統的頻率穩定性取決于此晶振。

1.2 CPLD

晶體振蕩器產生的振蕩信號輸入CPLD，經過CPLD分頻后，輸出2個不同頻率的信號到驅動電路，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 輸出驅動電路

用于提高CPLD輸出信號的驅動能力，驅動電渦流線圈工作。

1.4 電渦流諧振電路

由電渦流線圈和諧振電容組成。應該諧振在工作頻率的附近。

1.5 檢波電路

負責檢出經過諧振電路分壓后的高頻信號包絡。

1.6 比較放大

把檢波輸出電壓和基準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 基準電壓產生

每路傳感器的基準電壓可通過IIC接口調節，用于和檢波輸出電壓相減，以補償結構或電路的差異造成檢波輸出電壓的不一致。

1.8 A/D轉換器

用于把放大輸出的傳感器模擬信號轉換為數字信號，采樣速率和采樣時間受CPU控制。

1.9 CPU

控制A/D轉換器進行傳感器信號采集、非線性修正等。

2 厚度傳感器結構原理

厚度傳感器的機械結構原理如圖3所示，由1條基準軸和12個浮動輪構成?；鶞瘦S固定在兩側框架上，要求旋轉起來圓周的跳動盡可能小。浮動輪圍繞著轉軸上下運動，被測金屬片固定在浮動輪上，隨浮動輪一起上下運動。電渦流線圈固定在電路板上，位置固定不變。彈簧負責給浮動輪施加壓力，使浮動輪緊貼基準軸。限位片用于防止浮動輪橫向移動?；鶞瘦S和浮動輪緊貼在一起旋轉，鈔票經過兩個輪子之間時，浮動輪會被頂起，造成被測金屬片和電渦流線圈距離發生變化，通過檢測頂起的高度，可以得知鈔票的厚度情況。

3 厚度測量方法

首先需要厚度自校準，相當于自學習的過程。先讓厚度組件空轉，測得傳感器輸出電壓，稱為零值電壓，然后使用1張標準厚度的測試鈔票，稱為校準鈔，以正常速度通過厚度組件，測得傳感器輸出電壓，此電壓減去零值電壓，得到電壓變化量，然后轉換成100 μm厚度對應的傳感器輸出電壓變化量，即為K值。比如校準鈔的厚度為110 μm，對應的電壓變化量為550mV，則100 μm的電壓變化量為100/110×550= 500mV，即K值為500mV。假設厚度組件是穩定的，那么其K值應該恒定不變，后續的測量可以此為基準。

正常點鈔時厚度檢測，每次點鈔前都會讓厚度組件空轉，先測得零值電壓，然后開始點鈔，用測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值換算成實際的鈔票厚度。即如果測得的厚度電壓變化量為600mV，那么厚度為600/500×100=120 μm。

實際使用時由于振動、機械磨損的影響，使金屬片和傳感器的距離發生變化，由于距離和傳感器輸出的關系不是線性的，所以相當于厚度K值發生了變化，為了補償K值的變化，需要在使用前先進行非線性修正。

4 非線性修正方法

首先，通過人工測量的方法得到傳感器輸出電壓VS和檢測距離(金屬片到傳感器的距離)的關系曲線。設基準電壓的調節范圍為Vbmin～Vbmax，Vo的變化范圍為Vomin～Vomax，且Vo=(Vs-Vb×G，G為放大倍數。實際使用時，要給Vo預留上下變化的范圍，要求沒有鈔票時Vo= Vomax/2。調節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和檢測距離的關系曲線，如圖4所示。該關系曲線存儲在CPU的非易失存儲器中。該關系如表1所示。

實際測量前，先對厚度組件進行校準，得到當前工作點的K值Kw。然后CPU根據當前基準電壓Vb和比較放大輸出Vo的值，可以計算出當前Vs值Vsw=Vo/G+Vb，CPU通過查找內部存儲的關系曲線，計算出Vsw點的斜率Bw。假設Vsw處于Vs1和Vs2之間，那么Bw=(Vs2-Vs1)/(D2-D1)。

實際測量時，同樣根據基準電壓Vb和比較放大輸出Vo的值，可以得出當前的Vs值Vsv。查表計算出Vsv點的斜率Bv，那么當前的K值Kv=Bv ×Kw/Bw。即實現對K值的非線性修正。

5 結束語

該傳感器通過引入CPLD分頻，采用門電路驅動等方法，拋棄了復雜的高頻振蕩電路和功率放大電路，具有穩定性好、電路簡單、成本低等優點。采用特別的非線性修正方法和校準方法，具有機械誤差容忍度好、檢測范圍大等優點，可以適用于ATM機和紙幣清分機等要求小體積、低成本的場合。