一種用于薄片介質(zhì)厚度檢測的裝置及優(yōu)化設(shè)計

謝衛(wèi)平

（廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

金融設(shè)備處理鈔票的數(shù)額的正確率要求是百分之百，如果設(shè)備出現(xiàn)清點的鈔票比實際的少或者是清點的鈔票比實際的多，是非常嚴(yán)重的賬務(wù)問題，對用戶來說是零容忍的，如果金融的設(shè)備出現(xiàn)此問題，對設(shè)備是一票否決的。那么如何確保設(shè)備處理的鈔票的數(shù)額正確，其中涉及到多種對設(shè)備中運行的鈔票進(jìn)行檢測的檢測技術(shù)手段，薄片厚度檢測是其中重要的一種檢測手段，通過檢測判別鈔票是否是多張疊在一起，對于檢測到得多張重疊可以通過對其回收處理，以避免多種記為一張帶來得賬務(wù)問題。目前各個國家的鈔票厚度一般都在100～150 μm之間，屬于精密測量范圍，稍微的干擾都會影響測量結(jié)果，帶來誤判或者漏判，因此對用于金融設(shè)備的薄片厚度檢測裝置的檢測精度和準(zhǔn)確性要求非常高。影響檢測精度的因素除傳感器本身的檢測精度外，厚度檢測裝置結(jié)構(gòu)的抖動是影響厚度檢測裝置檢測精度的一個重要干擾因素。當(dāng)前在鈔票處理速度為7 張/s 時，厚度結(jié)構(gòu)受到鈔票的沖擊不大時，結(jié)構(gòu)抖動的干擾還可通過對傳感器采集的信號進(jìn)行優(yōu)化處理來消除。隨著金融設(shè)備處理的速度越來越快，鈔票處理速度提升到10 張/s 甚至更高的時候，厚度結(jié)構(gòu)受到鈔票的沖擊大大增大，厚度結(jié)構(gòu)抖動幅度和時間隨之增加，僅采取對傳感器采集的信號進(jìn)行處理已經(jīng)不能消除抖動帶來的影響；另外鈔票的寬度有限，不能通過采集更多的信號的方式來拉低影響整體的程度，一種能在高速工控下快速精確地進(jìn)行薄片厚度檢測的薄片厚度檢測裝置成為了優(yōu)化的方向。

1 在高速工況下現(xiàn)有薄片介質(zhì)厚度檢測機(jī)構(gòu)的問題

薄片介質(zhì)在進(jìn)入和離開薄片介質(zhì)厚度檢測機(jī)構(gòu)都會造成機(jī)構(gòu)狀態(tài)的突變對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，沖擊的能量造成帶來結(jié)構(gòu)的抖動。在鈔票處理速度為7 張/s 或更低時，沖擊造成的結(jié)構(gòu)抖動可以在微小位移傳感器采集的信號上進(jìn)行處理，將沖擊造成的前段的波動大的信號去掉不參與計算，以免影響厚度檢測結(jié)果的精度，剩下的平穩(wěn)的信號也能夠滿足用于計算薄片介質(zhì)厚度的需求[1-3]。隨著金融設(shè)備對鈔票處理速度的要求越來越高，當(dāng)鈔票處理速度提升到10 張/s 甚至更高的時候，相應(yīng)的薄片介質(zhì)進(jìn)入檢測裝置帶來的沖擊越來越大，而給信號采樣點和信號處理的時間越來越少，這要求厚度檢測信號盡快趨于平穩(wěn)，可提供給厚度計數(shù)的可用的采樣點占總采樣點的比例要高，但如果僅僅通過簡單增大薄片檢測裝置的阻尼來減小沖擊帶來的影響使檢測信號盡快平穩(wěn)，相應(yīng)的薄片介質(zhì)通過檢測裝置的阻力會增大，剛度不夠的薄片介質(zhì)不容易進(jìn)入厚度檢測裝置從而造成卡滯帶來設(shè)備的故障率的增加。由于在金融設(shè)備中，鈔票處理類設(shè)備由于是處理鈔票、支票等重要有價介質(zhì)，通常會被放在保險柜內(nèi)。當(dāng)需要進(jìn)行維護(hù)時，需要打開保險柜，為了確保現(xiàn)金安全，必須提前申請安保人員持槍守護(hù)且需要銀行員工參與，過高的維護(hù)頻次會產(chǎn)生較高的安保費用，且耗費銀行員工的大量時間。因此需要尋找一種解決方案不能增加維護(hù)頻次，同時保證測量的鈔票厚度的精度。

2 設(shè)計方案

2.1 結(jié)構(gòu)組成

本薄片介質(zhì)厚度檢測裝置主要由厚度檢測機(jī)構(gòu)和微小位移傳感器組成[4-5]。通過厚度檢測機(jī)構(gòu)將薄片介質(zhì)通過厚度檢測裝置引起的位移進(jìn)行放大，降低對微小位移傳感器的靈敏度要求，并通過微小位移傳感器進(jìn)行位移相關(guān)信號的檢測，從而計算薄片介質(zhì)的厚度。

如圖1 所示，本厚度檢測機(jī)構(gòu)主要包括單向元件1、信號放大元件2、轉(zhuǎn)軸元件3、阻尼元件4、彈性元件5、傳輸輥6、微小位移傳感器7、支架元件8。上述裝置的特征在單向元件1固定在信號放大元件2上再連接到轉(zhuǎn)軸元件3 上，單向元件1、信號放大元件2 可繞轉(zhuǎn)軸元件3順時針轉(zhuǎn)動，信號放大元件2、單向元件1、轉(zhuǎn)軸元件3可整體在支架元件8 上逆時針轉(zhuǎn)動。阻尼元件4安裝在轉(zhuǎn)軸元件3 和支架元件8 之間，限制轉(zhuǎn)軸元件3 轉(zhuǎn)動。微小位移傳感器7 固定在信號放大元件2 上方，檢測信號放大元件2 與其物理位移的變化。

圖1 薄片介質(zhì)厚度檢測裝置

2.2 檢測原理

微小位移傳感器7 通常有電渦流傳感器、霍爾傳感器、PSD（Position Sensitive Detectors）光電位置傳感器等。從易用性和成本上考慮，PSD 具有明顯優(yōu)勢。PSD是一種半導(dǎo)體位置敏感器件，它是基于橫向光電效應(yīng)的連續(xù)模擬式光斑位置檢測器件，其原理是利用光照在不同PSD 光敏面的不同位置時光電二極管表面阻抗的變化來檢測光斑的位置[6]。和CCD 等非連續(xù)（分割式）探測器相比，PSD 的位置分辨率較高。PSD 器件是20 世紀(jì)70年代研制成功的一種新型位置傳感器，由于該器件具有體積小、靈敏度高、線性范圍大、噪聲低、響應(yīng)速度快、后續(xù)處理電路簡單等優(yōu)點，所以廣泛應(yīng)用于光電位置測量、光學(xué)遙控、位移和振動的檢測和監(jiān)控、方向探測、光學(xué)邊界判別、醫(yī)用器械、三維位置測量系統(tǒng)以及機(jī)器人視覺等方面[7]。

圖2 所示為PSD 位移檢測原理圖。LED 為發(fā)射端，LED 發(fā)光時，光線從A點發(fā)射，經(jīng)過物體（Object）表面漫反射后有一束光透過O點到達(dá)PSD 光敏面上，轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行測量，當(dāng)物體位置變化時，反射后到達(dá)光敏面的位置也發(fā)生變化。在鈔票厚度檢測中，通過機(jī)構(gòu)傳導(dǎo)，將鈔票厚度轉(zhuǎn)換到圖中Object 的位移變化，由于位移變化（BB′），最終引起PSD 光敏面光斑位置的變化（bb′），轉(zhuǎn)換為電信號的變化。由于相似三角形原理，光斑位置的變化bb′ 與位移變化BB′ 成正比。因此可以根據(jù)測量到的電信號變化來計算出位移的變化[8]。

圖2 PSD位移檢測原理

鈔票厚度檢測的過程如圖3 所示，薄片厚度檢測裝置在進(jìn)行薄片厚度檢測時，傳輸輥6 提供薄片介質(zhì)進(jìn)入薄片厚度檢測傳感裝置的動力，彈性元件5 使信號放大元件2上的從動滾輪以轉(zhuǎn)軸元件3為旋轉(zhuǎn)中心壓合在傳輸輥6 上，薄片介質(zhì)由傳輸棍6 轉(zhuǎn)動進(jìn)入厚度檢測裝置后，傳輸棍6和信號放大元件2的從動滾輪對薄片介質(zhì)進(jìn)行捏合，薄片介質(zhì)的物理厚度使信號放大元件2 的從動輪繞轉(zhuǎn)軸元件3進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)位移，因為信號放大元件2和從動輪是剛性連接，從而也使信號放大元件2 整體繞轉(zhuǎn)軸元件3 進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)位移，信號放大元件2 遠(yuǎn)端距轉(zhuǎn)軸元件3中心的距離比信號放大元件2的從動滾輪距轉(zhuǎn)軸元件3中心的距離要大，由杠桿原理可知，薄片介質(zhì)在信號放大元件2的從動滾輪引起的旋轉(zhuǎn)位移在信號在放大元件2遠(yuǎn)端進(jìn)行了放大，微小位移傳感器7 檢測到的位移變化比實際的位移變化要大，這樣降低對位移檢測傳感器靈敏度的要求，便于微小位移的檢測。杠桿的實際比例可用標(biāo)準(zhǔn)厚度的薄片經(jīng)過厚度檢測裝置來推算得知，這樣可用消除裝置的零件在加工和組裝過程中的累計誤差導(dǎo)致和設(shè)計值不一致且每個裝置的誤差可能都不一樣的問題，降低批量生產(chǎn)的難度也提高了檢測的精度。

圖3 薄片經(jīng)過薄片厚度檢測裝置

在鈔票進(jìn)入薄片厚度檢測傳感器裝置的過程中，信號放大元件2在薄片介質(zhì)9的沖擊下會克服彈性元件5與單向元件1一起繞轉(zhuǎn)軸元件3順時間旋轉(zhuǎn)，由于轉(zhuǎn)軸元件3 沒有轉(zhuǎn)動，阻尼元件4 不能限制信號放大元件2 的轉(zhuǎn)動，薄片介質(zhì)9進(jìn)入信號放大元件2，無需克服阻尼元件4 的阻尼。薄片介質(zhì)9 進(jìn)入信號放大元件2 后，在彈性元件5的作用下信號放大元件2進(jìn)行逆時針回復(fù)，在單向元件1的作用下，轉(zhuǎn)軸元件3會隨著一起逆時針轉(zhuǎn)動，阻尼元件4 此時可提供阻尼快速的衰減信號放大元件2 的震動，使微小位移傳感器7 檢測到的信號盡快的趨于平穩(wěn)并輸出穩(wěn)定的信號。通過對采集的信號進(jìn)行濾波處理，得到穩(wěn)定的位移變化信號，由于位移放大的比例和傳感器檢測處的位移變化量已知，可通過相關(guān)的計算可得知經(jīng)過傳輸輥6處薄片介質(zhì)的厚度。同時因為薄片介質(zhì)9進(jìn)入信號放大元件2，無需克服阻尼元件4的阻尼，這樣不會導(dǎo)致薄片介質(zhì)在厚度檢測裝置處的卡滯率的提升。

在高速工控鈔票處理速度提升到10 張/s 下對經(jīng)過薄片厚度檢測裝置的鈔票的厚度進(jìn)行測量、計算和對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，如圖4 所示，該薄片厚度檢測裝置及優(yōu)化設(shè)計在鈔票高速運轉(zhuǎn)下測量的鈔票厚度的平均值接近真實鈔票的厚度。測試用鈔實際厚度為120 μm，經(jīng)薄片厚度檢測裝置測量后得到的平均厚度為124 μm。一般用鈔票合格鈔票厚度判斷的閾值為鈔票真實厚度的正負(fù)50%的范圍，為60～180 μm，從測量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計可見，測試的結(jié)果都在閾值范圍內(nèi)，由此可見該厚度檢測裝置及優(yōu)化設(shè)計可在高速工控下穩(wěn)定運行并能保障測量的精度，符合使用環(huán)境的要求。

圖4 測試統(tǒng)計結(jié)果

3 結(jié)束語

該薄片介質(zhì)厚度檢測裝置及其優(yōu)化設(shè)計，通過實踐驗證統(tǒng)計，新優(yōu)化設(shè)計很好地解決了在金融設(shè)備提速后，厚度檢測裝置在薄片介質(zhì)的高速沖擊的情況下，厚度檢測精度受到影響的問題。同時不會因解決厚度精度問題而導(dǎo)致薄片介質(zhì)卡滯率的提升的情況。隨著金融業(yè)的發(fā)展，金融設(shè)備的要求會越來越高，設(shè)計師會面臨更多的挑戰(zhàn)，后續(xù)還需對金融設(shè)備中的厚度檢測裝置進(jìn)行更全面的深入研究，以更好地提升裝置性能，適應(yīng)金融設(shè)備的升級。