基于雙聯(lián)對置傳感器的硬幣機讀特征檢測系統(tǒng)

張武軍+司峻峰+黃曉林

摘 要： 與硬幣自動識別相關(guān)的硬幣電磁參數(shù)稱為硬幣的機讀特征。傳統(tǒng)的硬幣機讀特征識別方法具有檢測參數(shù)溫飄大、一致性差、檢測參數(shù)單一等缺陷。在此采用相關(guān)檢測方法對硬幣機讀特征檢測線圈的復阻抗變化進行檢測，從而獲得檢硬幣機讀特征。檢測系統(tǒng)采用DDS的正交激勵信號具有波生波形良好，頻率、相位和幅值穩(wěn)定的有點。采用相關(guān)檢測方法，電路從本質(zhì)上改善了對硬幣差異形成的微弱信號的捕獲能力，有利于實現(xiàn)硬幣機讀特征的在線檢測。利用雙聯(lián)對置渦流傳感器能有效地克服溫漂和提高信號的動態(tài)范圍，每枚硬幣可以檢測兩次，通過數(shù)據(jù)處理后可以獲得更加準確的結(jié)果。結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠檢測出微小的硬幣機讀特征差異，具有良好的穩(wěn)定性和可重復性。

關(guān)鍵詞： 復阻抗； 雙聯(lián)對置渦流傳感器； 相敏檢測； 硬幣機讀特征

中圖分類號： TN919?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）04?0138?05

System based on dual opposed sensor for detecting machine?readable features of coins

ZHANG Wu?jun1， SI Jun?feng2， HUANG xiao?lin2

（1. Nanjing CBPM Great Wall Financial Equipment Co.， Ltd， Nanjing 210029， China；

2. School of Electronic Science & Engineering， Nanjing University， Nanjing 210093， China ）

Abstract： Coins electromagnetic parameters related to automatic coin recognition are called coin machine readable features. Traditional method of automatic coin recognition has big defection temperature drift， poor consistency， sole detecting parameter and so on. In this paper， the method to detect complex impedance variation of coin machine readable feature detecting coil is proposed in this paper. The detecting system can generate orthogonal excitation signal， which has perfect waveform， and stable frequency， phase and amplitude. By the relevant detection method， the circuit can essentially improve the ability to capture the weak signal formed by the difference between coins. It is conducive to the realization of online detection for coin machine readable features. The system can effectively overcome the temperature drift and improve the dynamic range of signal by using dual opposed eddy current sensor. Every coin can be detected twice， thus more accurate results can be obtained by data processing. The testing results show that the system can detect the tiny difference of coin machine readable feature， and has good stability and repeatability.

Keywords： complex impedance； dual opposed eddy current sensor； phase sensitive detection； coin machine?readable feature

0 引 言

硬幣作為輔幣具有流通周期長，易于自動售貨與找零等優(yōu)點，以美國、日本和德國為代表的發(fā)達國家已基本實現(xiàn)輔幣的硬幣化。輔幣的硬幣化使得硬幣的自動識別成為流通過程中不可缺少的一個環(huán)節(jié)。硬幣識別所涉及電磁參數(shù)的規(guī)范化成為實際問題[1]。

從硬幣識別分類的原理上看，當某一類硬幣被用于識別的電磁參數(shù)的一致性越好，與其他硬幣電磁特征上的差異越大，這類硬幣就也容易被識別。電磁特征越不容易被復制，這類硬幣的防偽特征就越好。前者與生產(chǎn)工藝和質(zhì)量控制有關(guān)，后者則與硬幣的規(guī)劃與設計有關(guān)，本文所研究的系統(tǒng)用于生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制[1?2]。通過在生產(chǎn)過程中對硬幣與識別相關(guān)的電磁特征進行逐枚硬幣測試，剔除電磁參數(shù)偏差較大的硬幣，為市場上的硬幣自動識別打下良好的基礎(chǔ)。

硬幣自動識別過程中的參數(shù)檢測涉及多學科研究領(lǐng)域，技術(shù)復雜，國內(nèi)外相關(guān)研究部門和一些院校均做過研究，在給定幣種樣本范圍內(nèi)取得了較好的效果。但對硬幣特征的識別都局限于社會流通領(lǐng)域，在系統(tǒng)性、完整性和穩(wěn)定性上沒有進行深入研究，存在對偽幣識別效果不好等問題[3]。目前，主流的硬幣機讀特征檢測方法主要有頻率法、相位法、幅值法和脈沖法。其中采用頻率計數(shù)法的硬幣特征檢測裝置占據(jù)了市場的主要份額；但是， 基于頻率計數(shù)法方法在實際使用中也存在一些問題：檢測參數(shù)溫飄大、易誤判、一致性差，需要周圍環(huán)境溫度適合時才能有較高的正確識別率。頻率計數(shù)法還存在檢測參數(shù)單一，無法獲得更多的硬幣信息，無法對硬幣信息進行智能化處理的問題。幅值法因性能不穩(wěn)定而應用較少[4]。本項研究采用復阻抗分析法，對于由于硬幣的影響帶來的渦流檢測線圈的復阻抗變化量進行檢測，作為硬幣電磁特征指標的判定依據(jù)[5]。對于不同幣種，均有其最佳檢測頻率，在該頻率下能使其特征電磁參數(shù)的復阻抗變化量達到最大化，使檢測更加精確。在本研究中還設計了高穩(wěn)定度的信號源，采用雙聯(lián)對置傳感器有效地克服前端的溫飄，同時對硬幣本身參數(shù)隨溫度變化帶來的影響進行了修正。實際測量表明通過上述措施，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和一致性，有效地提高了硬幣產(chǎn)品電磁參數(shù)的一致性。

1 檢測原理

渦流法實現(xiàn)硬幣的原理是識別當硬幣接近或穿過渦流傳感器的線圈時，由于互感作用，將直接導致線圈的視在阻抗發(fā)生變化，這種變化直接與硬幣的結(jié)構(gòu)及相對位置有關(guān)。這些因素主要包括硬幣的材質(zhì)、外形、厚度、鍍層、花紋等，通過對于檢測線圈視在阻抗變化量的檢測即可獲得硬幣信息[2?3，6]。

電渦流傳感器的工作原理如圖1（a）所示。當采用交變電流I1激勵檢測線圈1時，其周圍產(chǎn)生交變磁場H1，相應電渦流I2同時在檢測線圈附近的被測導體2中產(chǎn)生；而I2又將產(chǎn)生交變磁場H2來阻礙H1的變化。I2的大小、分布等與被測導體存在缺陷或電導率、磁導率等物理化學性質(zhì)有關(guān)，渦流I2產(chǎn)生的磁場H2反作用于線圈，使線圈視在阻抗發(fā)生變化。因此，線圈阻抗的變化就反映了被測體的物理化學性質(zhì)變化的情況[7?11]。

圖1 渦流檢測原理

由被測導體2的影響使得線圈視在阻抗產(chǎn)生的變化可以用下式表示：

[Z=R1+jX1+X2MR22+X22R2+j-X2MR22+X22X2] （1）

式中：R1為檢測線圈直流電阻；X1為檢測線圈空載狀態(tài)時的感抗；R2為渦流環(huán)的等效電阻；X2為渦流環(huán)的等效感抗，XM為線圈與渦流環(huán)之間的互感抗。R2和X2引起的附加項反映了被測導體上的渦流場對檢測線圈的影響。通過對線圈信號的測量和處理，就可以知道被測導體在結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的變化。

2 檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與電路設計

檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。系統(tǒng)包括渦流檢測傳感器和上位機。其中渦流檢測傳感器包含了正交信號源、平衡電橋、寬帶放大、相位校正、A/D轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)上傳、溫度檢測、鑒相器和濾波等模塊。

圖2 檢測系統(tǒng)框圖

該系統(tǒng)采用68013單片機進行數(shù)據(jù)采集和初步判斷，對于不合乎要求的硬幣進行剔除。同時將每次檢測結(jié)果通過USB接口傳送到上位機進行統(tǒng)計，以實現(xiàn)對硬幣質(zhì)量的掌控[6]。其中關(guān)鍵性電路的設計如下所述。

2.1 相敏檢測電路設計

在本系統(tǒng)中，采用模擬乘法器作為相敏檢測器來實現(xiàn)對渦流信號實虛部的分離，同時獲得實虛部的幅度大小。當被檢波信號為[xt=Vscosω0t+θ]，參考信號為[rt=Vrcosω0t+?]時，乘法器得到輸出為：

[Vp=xt?rt=Vscosω0t+θ?Vrcosω0t+? =0.5VsVrcosθ-?+0.5VsVrcos2ω0+θ+?] （2）

輸出中包含有反映相位信息的低頻信號分量和頻率為激勵源兩倍的高頻信號分量。在本系統(tǒng)中，反映相位信息的被測量的變動頻率小于20 Hz，因此采用三階低通濾波器就能有效地將高頻分量去掉，得到有用信號如下式所述：

[Vo=0.5VsVrcosθ-?] （3）

可以看出輸出信號是Vr和θ的函數(shù)。當θ=?時，輸出最大值Vr；在實際應用時，兩路參考信號的?分別為0和90°，幅度[Vr=0.5]，此時Vo分別為[Vo=0.25Vscosθ]和[Vo=0.25Vssinθ]，從而實現(xiàn)了對復阻抗變化量的正交分解。本系統(tǒng)采用兩片模擬乘法器AD835構(gòu)成兩個相敏檢波器，在10 MHz以下，該乘法器具有理想的各種特性，器件本身產(chǎn)生的相移可以忽略不計。圖3給出了相敏檢測電路中的低通濾波器的元件參數(shù)。

圖3 相敏檢測電路中的低通濾波器

2.2 正交信號源的設計

對于相敏檢測，當信號源的相位存在抖動時，會給檢測結(jié)果帶來很大的誤差。在采用相關(guān)技術(shù)的渦流檢測系統(tǒng)中，必須采用諧波失真小，相位噪聲小、頻率、幅值與相位極其穩(wěn)定的激勵信號。直接數(shù)字頻率合成（DDS ）信號源具有頻率、相位穩(wěn)定性好、易于編程控制的有點，因此采用DDS產(chǎn)生激勵信號[11]。

本文采用DDS芯片AD9854產(chǎn)生DDS信號，兩路輸出之間的相位差固定為90°，頻率為152 kHz，精度為12位。兩路信號均作相敏檢測時的參考信號，其中一路信號經(jīng)過功率放大后用于激勵交流電橋。AD9854有串行和并行接口兩種編程方式可以選擇，此處將S/P SELECT（Pin70）引腳接高電平，選擇并行編程方式。采用并行接口方式，要使AD9854能夠產(chǎn)生雙路正交的正弦信號，各口線定義分別為：

A5～A0為6位并行地址口；D7～D0為8位并行數(shù)據(jù)如口；WR為并行模式下寫控制端；RESET為復位端。S/P SELECT（Pin70），編程模式選擇口。REFCLK，時鐘輸入端，本電路中時鐘頻率f0=20 MHz。

AD8954與單片機的接口電路如圖4所示，其中：DAC Rset引腳用于設定AD9854的滿幅輸出電流。輸出電流幅值取Io=[39.93Rset]，單位為A。本設計中，電阻Rset的阻值為3.9 kΩ，這樣AD9854的滿幅輸出電流便約為10 mA。

AD9854的輸出引腳采用IOUT1，IOUT2，在這些引腳各接上50 kΩ，將電流輸出轉(zhuǎn)化成電壓輸出，由于這些引腳輸出電流峰峰值為10 mA，這樣AD9854的輸出電壓峰峰值為0.5 V。另外，IOUT1和IOUT2輸出電流的相位差為90° ， IOUTA與IOUTIB輸出電流相位差為180°，IOUT2與IOUT2B輸出電流相位差為180°。

以下是單片機向AD9854寫入152 kHz頻率控制字的程序：

unsigned char sigFreq[]={0x01， 0x2a， 0x30，0x55， 0x32， 0x61 } ； //信號頻率控制字

在本檢測系統(tǒng)中，信號源輸出信號的幅度對于檢測結(jié)果也至關(guān)重要，為此引入幅度自動控制環(huán)節(jié)。從信號源的輸出選取一路送入A/D，處理器61083從A/D中讀取信號源的電壓， 對其幅度進行判別，然后通過AD7524進行調(diào)整，此處AD7524用作程控衰減器。結(jié)合AD9854中的幅度調(diào)整，可以獲得218的調(diào)整分辨率。

2.3 雙聯(lián)對置傳感器結(jié)構(gòu)

當硬幣接近或穿過渦流傳感器的線圈時，由于互感作用，將直接導致線圈的視在阻抗發(fā)生變化，這種變化直接與硬幣的結(jié)構(gòu)及相對位置有關(guān)。這些因素主要包括硬幣的材質(zhì)、外形、厚度、鍍層、花紋等。通過測量檢測線圈的視在阻抗變化量即可獲得硬幣機讀特征。

在渦流檢測線圈的輸出信號中，由檢測線圈視在阻抗變化量。引起的電壓的變化量ΔU與線圈兩端的電壓U相比要小得多，約為10-2～10-3數(shù)量級。一般需要把ΔU放大。如果同時把ΔU和U一起加人放大器的輸人端，由于ΔU和U相差很大，受放大器動態(tài)范圍的限制，會造成放大器的輸出嚴重阻塞而得不到正確的檢測結(jié)果。解決這一問題的方法通常采用交流電橋電路，使檢測線圈的自身輸出信號與參考線圈的輸出信號相抵消，僅僅保留并輸出電壓變化量ΔU，這樣，就能滿足放大器動態(tài)范圍的要求，有效地把ΔU放大到所需要的程度。

其次，溫度變化對于檢測結(jié)果也有明顯的影響，渦流法檢測是建立在渦流線圈視在阻抗變化量檢測的基礎(chǔ)之上，而金屬的電導率不可避免的要受到溫度的影響，導致檢測線圈和被測體硬幣的物理參數(shù)發(fā)生變化，對于定量檢測，必然會使結(jié)果發(fā)生變化。

針對以上存在的問題，我們采取了以下方法加以解決，如圖5所示：采用矩形對置線圈，消除了硬幣位置偏移對檢測結(jié)果帶來的影響，同時可以適用不同尺寸的幣種。L1和L2構(gòu)成一組對置線圈，L3和L4構(gòu)成一組對置線圈，4只線圈的參數(shù)必須完全一致。采用雙聯(lián)結(jié)構(gòu)，提供了兩次測量機會，通過數(shù)據(jù)分析和處理獲得更加準確的檢測結(jié)果。完全對稱結(jié)構(gòu)也可以有效地抵消溫度對傳感器帶來的影響。增加溫度傳感器，對溫度變化帶來的金屬的電導率變化的影響通過后期處理進行抵消，取得了良好的結(jié)果。

2.4 前置放大電路設計

交流電橋輸出的信號通常為幾毫伏到幾十毫伏，帶負載能力差，需要采用放大器進行放大，以便于后續(xù)電路的處理。普通儀表放大器帶寬較窄，在系統(tǒng)工作的頻帶范圍內(nèi)會產(chǎn)生較大的相移。本系統(tǒng)采用三只高速運放AD8011構(gòu)建了增益為20 dB的前置放大電路，該放大器在4 MHz時相移小于5°。圖6為前置放大的電路的原理圖。

圖5 傳感器原理圖

圖6 前置放大器

3 系統(tǒng)運行結(jié)果與分析

對該系統(tǒng)從檢測結(jié)果的一致性、模塊自身的穩(wěn)定性、模塊工作穩(wěn)定性日推移進行了測試，實驗還對系統(tǒng)對于在線檢測的速度和剔幣性能進行了檢測，結(jié)果如下：

3.1 模塊檢測穩(wěn)定性

3.1.1 單枚幣檢測值穩(wěn)定性測試

任意取5枚硬幣，分別進行300次重復測試，計算各枚幣電磁參數(shù)的檢測誤差如表1所示。

可以發(fā)現(xiàn)，單枚幣的檢測參數(shù)在平均值的±3個數(shù)字量以內(nèi)，測試誤差L參數(shù)≤0.5%，R參數(shù)<2%，檢測重復性、穩(wěn)定性較好。

表1 單枚幣重復300次測試穩(wěn)定性

3.1.2 模塊工作穩(wěn)定性（一天中各時間段）

任意取5枚硬幣，在模塊正常運行工作的同時，從早上10：00至下午3：00點分時段進行8次測試，每次測試投幣100次，取其平均值，各枚幣的電磁參數(shù)平均值的誤差如表2所示。

表2 硬幣的電磁參數(shù)平均值的誤差

可以看出，在電磁參數(shù)檢測模塊長時間工作過程中，針對同一枚幣不同時間點的測試誤差L參數(shù)<0.5%，R參數(shù)<2%，較單枚幣重復檢測誤差還略小，這也說明檢測電路在長時間工作過程中較為穩(wěn)定，信號漂移較小。

3.1.3 模塊工作穩(wěn)定性日推移

取20 000枚硬幣，每日進行一次跑幣測試，將每日所有幣測試數(shù)據(jù)求平均，其中每天電磁參數(shù)檢測參數(shù)如圖6所示。從圖6可以看出，每天測試的參數(shù)值誤差在1個數(shù)字量以內(nèi)，誤差L參數(shù)<0.5%，R參數(shù)<1.5%，這說明模塊長期工作的穩(wěn)定性較好。

3.2 檢測速度

任取2萬枚幣進行批量檢測并計時，全部檢測完畢共費時23 min，計算平均檢測速度達870 枚/min，檢測期間通過軟件檢測瞬時最大檢測速度達1 100 枚/min。

圖7 模塊工作穩(wěn)定性日推移圖

3.3 剔幣穩(wěn)定性

任取500枚硬幣，把軟件調(diào)至全廢模式，進行全部剔廢測試，通過每日3次共計8天的測試，所有硬幣都被準確剔除，剔幣準確率為100%，沒有造成漏廢。

4 結(jié) 語

本文設計了完整的硬幣機讀特征檢測系統(tǒng)，采用相關(guān)檢測方法實現(xiàn)了對硬幣機讀特征檢測線圈的復阻抗變化進行檢測。利用DDS的正交激勵信號具有波生波形良好，頻率、相位和幅值穩(wěn)定的有點，有效地提高了對于微弱信號檢測的靈敏度和穩(wěn)定性，從本質(zhì)上改善了對硬幣差異形成的微弱信號的捕獲能力，有利于實現(xiàn)硬幣機讀特征的在線檢測。利用雙聯(lián)對置渦流傳感器能有效地克服溫飄，有效地提高信號的動態(tài)范圍；同時提供兩次檢測信號，通過數(shù)據(jù)處理后可以獲得更加準確的結(jié)果。檢測結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠檢測出硬幣的微小的缺陷，具有良好的穩(wěn)定性和可重復性。

致謝：該系統(tǒng)的研制過程中得到了南京造幣廠的大力協(xié)助，在此表示感謝。

參考文獻

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