微小位移傳感器的自適應修正方法

李天睿

摘? 要：微小位移傳感器在金融設備中主要作為有價介質（鈔票，支票等）的厚度檢測傳感器，用于判別是否重張，是避免賬目問題的重要手段。該傳感器對精確度要求較高，而在實際應用環境中，由于傳感器衰減、環境變化、積塵等影響，需要經常校準，因此文章導入一種自適應修正方法，能有效地減少校準次數，提高穩定性并確保精度。

關鍵詞：微小位移;自適應;金融設備

中圖分類號：TP212? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0061-02

Abstract：The micro displacement sensor is mainly used as the thickness detection sensor of the valuable medium （banknotes，cheques，etc.） in the financial equipment. It is an important means to avoid the account problems. The sensor requires high accuracy，but in the practical application environment，due to the sensor attenuation，environmental change，dust and other effects，it needs to be calibrated frequently. Therefore，this paper introduces an adaptive correction method，which can effectively reduce the number of calibrations，improve the stability and ensure the accuracy.

Keywords：micro displacement;adaptive;financial equipment

0? 引? 言

微小位移傳感器主要用于檢測微小位移的變化，一般用于檢測幾十μm的信號變化。在金融設備中，主要用作有價介質（鈔票、支票等）的厚度檢測，通過結構設計，通過鈔票經過時傳感器檢測到的位移的變化，來換算出鈔票的厚度。鈔票厚度一般在100 μm～150 μm之間，屬于精密測量范圍，因此對傳感器的檢測精度和準確性要求較高。通常情況下，需要定期校準。基于金融設備的特殊性，每次校準都要在繁瑣的手續和較高的安全保證下進行，耗費較多的人力和財力。如何能在保證測量精度和準確性的基礎上，延長維護間隔時間，就成為了重點問題。

1? 微小位移傳感器

微小位移傳感器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具有明顯優勢。PSD是一種半導體位置敏感器件，它是基于橫向光電效應的連續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[1]。和CCD等非連續（分割式）探測器相比，PSD的位置分辨率較高。PSD器件是上世紀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、響應速度快、后續處理電路簡單等優點，所以廣泛應用于光電位置測量、光學遙控、位移和振動的檢測和監控、方向探測、光學邊界判別、醫用器械、三維位置測量系統以及機器人視覺等方面[2]。

圖1是PSD位移檢測原理圖。LED為發射端，LED發光時，光線從A點發射，經過物體（Object）表面漫反射后有一束光透過O點到達PSD光敏面上，轉換為電信號進行測量，當物體位置變化時，反射后到達光敏面的位置也發生變化。在鈔票厚度檢測中，通過機構傳導，將鈔票厚度轉換到圖中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。因此可以根據測量到的電信號變化來計算出位移的變化，從而算出鈔票厚度。

2? 現有微小位移檢測方法

由于PSD檢測的光電轉換并非完全線性，以及為了避免傳感器個體差異，因此為了提高測量精度，通常需要進行校準。如圖2所示，在d0位置，傳感器輸出電壓為v0，當鈔票經過時，傳感器檢測到位置為d1，此時傳感器輸出電壓為v1。實際上由于位移較小，每一段曲線都可以得到一個近似的線性曲線關系，v=x-kd。因此根據v0=x-kd0，v1=x-kd1，可以得到v1-v0=-k（d1-d0）即Δv=-kΔd，則k=-Δv/Δd。在做校準時，通過測量A，B兩點的電壓和位移，可以很容易算出k的值。A，B點的選取，通常選取A為鈔票未經過時的點，稱為零值。而B點為標準厚度校準鈔經過時的點。標準厚度校準鈔的厚度即為Δd。為了保證校準精度，通常要求標準厚度校準鈔的厚度值穩定，誤差控制在±5%以內，為了進一步減小誤差，一般采用每次校準使用20張標準厚度校準鈔，進行3次校準取平均值的方式確定初始k值。

實際測量中，通常會采集鈔票未經過的點A?，和鈔票經過時的點B?，通過k值轉換計算得到鈔票厚度h。由于機構磨損、傳感器衰減、積塵等原因，鈔票未經過的點采集到的電壓即零值點會逐漸偏移。當零值點偏移較大時，原來校準的擬合曲線和實際曲線會出現較大的偏移，原來的k值也會發生變化，再采用原來的k值進行厚度計算時，會出現較大的誤差，此時需要重新進行校準，否則容易出現厚度誤判，如果實際k值變小，則實際檢測到的Δv變小，如果仍采用原來的k值，則計算出來的鈔票厚度會變小，當出現重鈔（兩張鈔票疊在一起）時，會被判斷為一張合格鈔票，而被送出給客戶，就會造成銀行的損失。反之，如果實際k值變大，最后計算出來的鈔票厚度變大，容易誤判為重鈔，而被當成廢鈔處理，使拒鈔率增高，降低鈔票有效使用效率。