基于电涡流传感器的硬币辨伪系统的设计*

郭 玉，李彦梅，王 鹏

(安庆师范学院物理与电气工程学院，安徽安庆246011)

自动售货机、投币电话机、游戏机、公交自动售票等一系列自动服务系统的广泛应用，假硬币给一些部门带来很大损失。而假币主流是壹元硬币，其主要有两种形式［1］，一种是用于市面流通，与真币相比材质差异较大;如假币模压工艺差，图纹模糊，镀层薄，较易生锈腐蚀;另一种是专门用于自动服务场所的假币，其材质与真币非常接近，但图案花纹与真币完全不同，往往伪装成游戏币。硬币辨别有光电管检测法、图像对比法、应变片测重法、激光扫描法和涡流检测法等，而涡流检测法具有结构简单、成本低、非接触实时测量等优点被广泛应用［2－5］。

目前，涡流检测法大多是根据激励磁场线圈幅值的变化，即可测出真假币的幅值大小，而且真假币通过时其改变的幅值是不一样的，从而达到检测真假币的目的。众所周知，实际应用中电子线路元器件受温漂的影响是比较大的，由于有些真假币材质相差并不是很大，导致信号差距很小，若温漂影响稍大一点，则很难准确检测，另外真假币差别是较小的，传感器出来的信号是非常微弱的，还需要一定的处理电路。而本文是通过测量输出信号的频率进行硬币辨伪，不需要复杂的处理电路，另外频率受外界干扰小，这样识别率比较高。

1 涡流传感器测量原理

电涡流传感器工作原理图如图1所示，当金属导体被置于振荡器线圈的交变磁场H1中时，在金属导体中感应出电涡流，并产生一个与原磁场方向相反的新磁场H2，两者相互作用，改变了线圈的电感、阻抗及品质因数等参数［6］。线圈的这些参数变化与被测金属电阻率ρ、磁导率μ、励磁频率f以及线圈与被测金属体的距离d等有关。因此可以利用线圈这些参数的变化［7］，把对被测导体所要测量的量变换成电量的形式来测量。

图1 电涡流传感器工作原理图

若金属导体等效为一个短路线圈，它与传感器线圈之间有磁耦合，设互感系数用M表示。电涡流传感器涡流效应的等效电路图［8－9］如图2所示，其中L1和R1为传感器线圈的电感和电阻，L2和R2为金属导体的等效电感和电阻。

图2 涡流效应的等效电路

根据克希荷夫定律及所设电流参考方向，写出方程为:

解方程可得:

线圈等效阻抗为:

线圈的等效电感为:

式(6)中［10－11］，第①项 L1与静磁效应有关，线圈与导体构成一个磁路，其有效磁导率决于此磁路，当导体为磁性材料时，L1根据线圈与导体距离变化而变化，如导体为非磁性材料时，L1不变;第②项L2为电涡流的反射电感，使得传感器的等效电感减小，当靠近传感器的导体为非磁性或硬磁材料时，L将减小，若为软磁性材料时，L将增大。故由式(6)可知，靠近传感器的导体不同，L和Z的大小将会不同。

2 硬币辨伪系统设计

辨伪电路主要由振荡电路、传感器、控制及显示电路等几部分组成，电路图［12］如下图3所示。

图3 硬币辨伪系统

2.1 振荡电路

硬币的真假是通过振荡输出信号频率的大小来判断，振荡电路由555定时器和传感器组成。图中OUT为振荡电路的输出，其为一方波信号，振荡频率f与L成反比，与R成正比关系，即f=K·R/L，式中K为比例系数，从上式可知，若电路中电感L和电阻R改变时，f就会跟着改变，若固定一个参数，则可以找出频率与另一参数的关系。文中将电阻R固定，当有不同硬币通过时，传感器的L不同，从而被测信号的频率不同。

2.2 传感器的设计

辨伪系统的核心就是涡流传感器，它决定了鉴别真假的准确率。文中传感器是由直径为0.22 mm的漆包线在“工”字型铁氧体磁芯上自己绕制的线圈，匝数为100，当不同厚度和材质的硬币通过传感器时，将引起不同的涡流效应，从而传感器线圈的等效电感L将发生变化，则多谐振荡电路输出信号频率就会改变。本文通过单片机采集振荡信号的频率对硬币的真假进行鉴别。

为了能够提高辨伪的准确度，采用两种不同结构的传感器对硬币进行实际辨别，即单侧传感器和双侧对称传感器，其硬币检测示意图［5］，如图4所示。

双侧传感器采用了差分结构，则输出信号的频率受硬币的摆动、温度、干扰噪声等环境因素影响小。从而提高了辨伪的准确度，减少误检几率小。采用两种不同结构的传感器进行了多次实验测试，实验结果(见表1、2)表明，双侧传感器检测时，真假硬币通过时的输出信号频率差别度较大，通过频率的判断能够正确地区分真假硬币。

2.3 控制和显示电路的设计

控制与显示电路主要以AT89S51单片机为控制核心，其主要完成频率的测量、数据处理、显示和报警系统的控制。频率测量和数据处理利用单片机内部资源;显示电路采用功耗低的液晶显示模块LCD1602，显示真币的个数;报警电路采用继电器，当有假币通过时，进行报警。由于振荡电路输出为方波信号，单片机可以直接采集，不需外加信号处理电路，从而使电路简单化。

2.4 软件设计

(1)频率测量和数据处理

数字信号的频率为1 s内数字脉冲的个数，本文频率的测量是由单片机内部的两个16 bit定时/计数器来现实，其中一个用来定时1 s，一个用于计数。将输出信号送入单片机，在1 s内通过的脉冲个数即为输出信号的频率。单片机系统的标准频率比较稳定，所以其定时1 s的误差通常情况下非常小。

输出信号频率的动态测量和数据处理利用单片机内部资源完成。有硬币通过时，首先将测量频率值与单片机内部存储的频率值(真硬币的频率范围)进行比较，当频率在真币频率范围内时，则硬币为真，将真币个数加一，并显示出;否则，为假币，并进行报警。

(2)软件程序

程序主要包括主程序和中断服务程序，主程序包括初始化和显示程序。其中T1为定时，T0为计数，R4、R5和R6、R7分别存放真币的频率范围值，R3存放真硬币个数。其软件流程如下图5所示。

图5 软件流程

3 实测结果

采用单传感器和双传感器进行多次实验，当测量频率(无硬币通过时)在300 kHz左右时，测量精度比较高，本实验中将频率固定在300 kHz，在单个和双传感器作用下，对部分一元真假硬币进行测量(频率测量采用自设计的频率计)结果如下表1、表2所示。

表1 单侧传感器时壹元真、假硬币测试频率

表2 双侧传感器时壹元真假硬币测试频率

从表1、2可知，采用单侧传感器时，大部分假币与真币频率差别较大，而游戏币与真币的频率很接近，难以区分;采用双侧传感器时，真币和假币的频率差别较大，再加上软件处理可从频率上区分开。本系统传感器采用双侧传感器，进行了实际测量，真硬币的频率范围为300 600 Hz～301 000 Hz，对不同年限壹元硬币鉴别，准确度达95%以上。

4 结论

基于涡流传感器的硬币检测系统能够从硬币的材质和厚度两个参数反映硬币的特点，大大提高了硬币的鉴别率，且检测速度快，结构简单、灵敏度高。随着硬币流通量的增加及银行自动化的要求，该系统具有一定的实用价值。

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