一種用于薄片介質厚度檢測的裝置及優化設計

謝衛平

（廣州廣電運通金融電子股份有限公司，廣州 510663）

0 引言

金融設備處理鈔票的數額的正確率要求是百分之百，如果設備出現清點的鈔票比實際的少或者是清點的鈔票比實際的多，是非常嚴重的賬務問題，對用戶來說是零容忍的，如果金融的設備出現此問題，對設備是一票否決的。那么如何確保設備處理的鈔票的數額正確，其中涉及到多種對設備中運行的鈔票進行檢測的檢測技術手段，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果，帶來誤判或者漏判，因此對用于金融設備的薄片厚度檢測裝置的檢測精度和準確性要求非常高。影響檢測精度的因素除傳感器本身的檢測精度外，厚度檢測裝置結構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。當前在鈔票處理速度為7 張/s 時，厚度結構受到鈔票的沖擊不大時，結構抖動的干擾還可通過對傳感器采集的信號進行優化處理來消除。隨著金融設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，厚度結構受到鈔票的沖擊大大增大，厚度結構抖動幅度和時間隨之增加，僅采取對傳感器采集的信號進行處理已經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行薄片厚度檢測的薄片厚度檢測裝置成為了優化的方向。

1 在高速工況下現有薄片介質厚度檢測機構的問題

薄片介質在進入和離開薄片介質厚度檢測機構都會造成機構狀態的突變對結構產生沖擊，沖擊的能量造成帶來結構的抖動。在鈔票處理速度為7 張/s 或更低時，沖擊造成的結構抖動可以在微小位移傳感器采集的信號上進行處理，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果的精度，剩下的平穩的信號也能夠滿足用于計算薄片介質厚度的需求[1-3]。隨著金融設備對鈔票處理速度的要求越來越高，當鈔票處理速度提升到10 張/s 甚至更高的時候，相應的薄片介質進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，可提供給厚度計數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，相應的薄片介質通過檢測裝置的阻力會增大，剛度不夠的薄片介質不容易進入厚度檢測裝置從而造成卡滯帶來設備的故障率的增加。由于在金融設備中，鈔票處理類設備由于是處理鈔票、支票等重要有價介質，通常會被放在保險柜內。當需要進行維護時，需要打開保險柜，為了確保現金安全，必須提前申請安保人員持槍守護且需要銀行員工參與，過高的維護頻次會產生較高的安保費用，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頻次，同時保證測量的鈔票厚度的精度。

2 設計方案

2.1 結構組成

本薄片介質厚度檢測裝置主要由厚度檢測機構和微小位移傳感器組成[4-5]。通過厚度檢測機構將薄片介質通過厚度檢測裝置引起的位移進行放大，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行位移相關信號的檢測，從而計算薄片介質的厚度。

如圖1 所示，本厚度檢測機構主要包括單向元件1、信號放大元件2、轉軸元件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上再連接到轉軸元件3 上，單向元件1、信號放大元件2 可繞轉軸元件3順時針轉動，信號放大元件2、單向元件1、轉軸元件3可整體在支架元件8 上逆時針轉動。阻尼元件4安裝在轉軸元件3 和支架元件8 之間，限制轉軸元件3 轉動。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[6]。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20 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[7]。

圖2 所示為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[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行薄片厚度檢測時，傳輸輥6 提供薄片介質進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上的從動滾輪以轉軸元件3為旋轉中心壓合在傳輸輥6 上，薄片介質由傳輸棍6 轉動進入厚度檢測裝置后，傳輸棍6和信號放大元件2的從動滾輪對薄片介質進行捏合，薄片介質的物理厚度使信號放大元件2 的從動輪繞轉軸元件3進行了旋轉位移，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 整體繞轉軸元件3 進行了旋轉位移，信號放大元件2 遠端距轉軸元件3中心的距離比信號放大元件2的從動滾輪距轉軸元件3中心的距離要大，由杠桿原理可知，薄片介質在信號放大元件2的從動滾輪引起的旋轉位移在信號在放大元件2遠端進行了放大，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準厚度的薄片經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致和設計值不一致且每個裝置的誤差可能都不一樣的問題，降低批量生產的難度也提高了檢測的精度。

圖3 薄片經過薄片厚度檢測裝置

在鈔票進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9的沖擊下會克服彈性元件5與單向元件1一起繞轉軸元件3順時間旋轉，由于轉軸元件3 沒有轉動，阻尼元件4 不能限制信號放大元件2 的轉動，薄片介質9進入信號放大元件2，無需克服阻尼元件4 的阻尼。薄片介質9 進入信號放大元件2 后，在彈性元件5的作用下信號放大元件2進行逆時針回復，在單向元件1的作用下，轉軸元件3會隨著一起逆時針轉動，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并輸出穩定的信號。通過對采集的信號進行濾波處理，得到穩定的位移變化信號，由于位移放大的比例和傳感器檢測處的位移變化量已知，可通過相關的計算可得知經過傳輸輥6處薄片介質的厚度。同時因為薄片介質9進入信號放大元件2，無需克服阻尼元件4的阻尼，這樣不會導致薄片介質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 下對經過薄片厚度檢測裝置的鈔票的厚度進行測量、計算和對測試數據進行統計，如圖4 所示，該薄片厚度檢測裝置及優化設計在鈔票高速運轉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50%的范圍，為60～180 μm，從測量的數據統計可見，測試的結果都在閾值范圍內，由此可見該厚度檢測裝置及優化設計可在高速工控下穩定運行并能保障測量的精度，符合使用環境的要求。

圖4 測試統計結果

3 結束語

該薄片介質厚度檢測裝置及其優化設計，通過實踐驗證統計，新優化設計很好地解決了在金融設備提速后，厚度檢測裝置在薄片介質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致薄片介質卡滯率的提升的情況。隨著金融業的發展，金融設備的要求會越來越高，設計師會面臨更多的挑戰，后續還需對金融設備中的厚度檢測裝置進行更全面的深入研究，以更好地提升裝置性能，適應金融設備的升級。