一种用于薄片介质厚度检测的装置及优化设计

谢卫平

（广州广电运通金融电子股份有限公司，广州 510663）

0 引言

金融设备处理钞票的数额的正确率要求是百分之百，如果设备出现清点的钞票比实际的少或者是清点的钞票比实际的多，是非常严重的账务问题，对用户来说是零容忍的，如果金融的设备出现此问题，对设备是一票否决的。那么如何确保设备处理的钞票的数额正确，其中涉及到多种对设备中运行的钞票进行检测的检测技术手段，薄片厚度检测是其中重要的一种检测手段，通过检测判别钞票是否是多张叠在一起，对于检测到得多张重叠可以通过对其回收处理，以避免多种记为一张带来得账务问题。目前各个国家的钞票厚度一般都在100～150 μm之间，属于精密测量范围，稍微的干扰都会影响测量结果，带来误判或者漏判，因此对用于金融设备的薄片厚度检测装置的检测精度和准确性要求非常高。影响检测精度的因素除传感器本身的检测精度外，厚度检测装置结构的抖动是影响厚度检测装置检测精度的一个重要干扰因素。当前在钞票处理速度为7 张/s 时，厚度结构受到钞票的冲击不大时，结构抖动的干扰还可通过对传感器采集的信号进行优化处理来消除。随着金融设备处理的速度越来越快，钞票处理速度提升到10 张/s 甚至更高的时候，厚度结构受到钞票的冲击大大增大，厚度结构抖动幅度和时间随之增加，仅采取对传感器采集的信号进行处理已经不能消除抖动带来的影响；另外钞票的宽度有限，不能通过采集更多的信号的方式来拉低影响整体的程度，一种能在高速工控下快速精确地进行薄片厚度检测的薄片厚度检测装置成为了优化的方向。

1 在高速工况下现有薄片介质厚度检测机构的问题

薄片介质在进入和离开薄片介质厚度检测机构都会造成机构状态的突变对结构产生冲击，冲击的能量造成带来结构的抖动。在钞票处理速度为7 张/s 或更低时，冲击造成的结构抖动可以在微小位移传感器采集的信号上进行处理，将冲击造成的前段的波动大的信号去掉不参与计算，以免影响厚度检测结果的精度，剩下的平稳的信号也能够满足用于计算薄片介质厚度的需求[1-3]。随着金融设备对钞票处理速度的要求越来越高，当钞票处理速度提升到10 张/s 甚至更高的时候，相应的薄片介质进入检测装置带来的冲击越来越大，而给信号采样点和信号处理的时间越来越少，这要求厚度检测信号尽快趋于平稳，可提供给厚度计数的可用的采样点占总采样点的比例要高，但如果仅仅通过简单增大薄片检测装置的阻尼来减小冲击带来的影响使检测信号尽快平稳，相应的薄片介质通过检测装置的阻力会增大，刚度不够的薄片介质不容易进入厚度检测装置从而造成卡滞带来设备的故障率的增加。由于在金融设备中，钞票处理类设备由于是处理钞票、支票等重要有价介质，通常会被放在保险柜内。当需要进行维护时，需要打开保险柜，为了确保现金安全，必须提前申请安保人员持枪守护且需要银行员工参与，过高的维护频次会产生较高的安保费用，且耗费银行员工的大量时间。因此需要寻找一种解决方案不能增加维护频次，同时保证测量的钞票厚度的精度。

2 设计方案

2.1 结构组成

本薄片介质厚度检测装置主要由厚度检测机构和微小位移传感器组成[4-5]。通过厚度检测机构将薄片介质通过厚度检测装置引起的位移进行放大，降低对微小位移传感器的灵敏度要求，并通过微小位移传感器进行位移相关信号的检测，从而计算薄片介质的厚度。

如图1 所示，本厚度检测机构主要包括单向元件1、信号放大元件2、转轴元件3、阻尼元件4、弹性元件5、传输辊6、微小位移传感器7、支架元件8。上述装置的特征在单向元件1固定在信号放大元件2上再连接到转轴元件3 上，单向元件1、信号放大元件2 可绕转轴元件3顺时针转动，信号放大元件2、单向元件1、转轴元件3可整体在支架元件8 上逆时针转动。阻尼元件4安装在转轴元件3 和支架元件8 之间，限制转轴元件3 转动。微小位移传感器7 固定在信号放大元件2 上方，检测信号放大元件2 与其物理位移的变化。

图1 薄片介质厚度检测装置

2.2 检测原理

微小位移传感器7 通常有电涡流传感器、霍尔传感器、PSD（Position Sensitive Detectors）光电位置传感器等。从易用性和成本上考虑，PSD 具有明显优势。PSD是一种半导体位置敏感器件，它是基于横向光电效应的连续模拟式光斑位置检测器件，其原理是利用光照在不同PSD 光敏面的不同位置时光电二极管表面阻抗的变化来检测光斑的位置[6]。和CCD 等非连续（分割式）探测器相比，PSD 的位置分辨率较高。PSD 器件是20 世纪70年代研制成功的一种新型位置传感器，由于该器件具有体积小、灵敏度高、线性范围大、噪声低、响应速度快、后续处理电路简单等优点，所以广泛应用于光电位置测量、光学遥控、位移和振动的检测和监控、方向探测、光学边界判别、医用器械、三维位置测量系统以及机器人视觉等方面[7]。

图2 所示为PSD 位移检测原理图。LED 为发射端，LED 发光时，光线从A点发射，经过物体（Object）表面漫反射后有一束光透过O点到达PSD 光敏面上，转换为电信号进行测量，当物体位置变化时，反射后到达光敏面的位置也发生变化。在钞票厚度检测中，通过机构传导，将钞票厚度转换到图中Object 的位移变化，由于位移变化（BB′），最终引起PSD 光敏面光斑位置的变化（bb′），转换为电信号的变化。由于相似三角形原理，光斑位置的变化bb′ 与位移变化BB′ 成正比。因此可以根据测量到的电信号变化来计算出位移的变化[8]。

图2 PSD位移检测原理

钞票厚度检测的过程如图3 所示，薄片厚度检测装置在进行薄片厚度检测时，传输辊6 提供薄片介质进入薄片厚度检测传感装置的动力，弹性元件5 使信号放大元件2上的从动滚轮以转轴元件3为旋转中心压合在传输辊6 上，薄片介质由传输棍6 转动进入厚度检测装置后，传输棍6和信号放大元件2的从动滚轮对薄片介质进行捏合，薄片介质的物理厚度使信号放大元件2 的从动轮绕转轴元件3进行了旋转位移，因为信号放大元件2和从动轮是刚性连接，从而也使信号放大元件2 整体绕转轴元件3 进行了旋转位移，信号放大元件2 远端距转轴元件3中心的距离比信号放大元件2的从动滚轮距转轴元件3中心的距离要大，由杠杆原理可知，薄片介质在信号放大元件2的从动滚轮引起的旋转位移在信号在放大元件2远端进行了放大，微小位移传感器7 检测到的位移变化比实际的位移变化要大，这样降低对位移检测传感器灵敏度的要求，便于微小位移的检测。杠杆的实际比例可用标准厚度的薄片经过厚度检测装置来推算得知，这样可用消除装置的零件在加工和组装过程中的累计误差导致和设计值不一致且每个装置的误差可能都不一样的问题，降低批量生产的难度也提高了检测的精度。

图3 薄片经过薄片厚度检测装置

在钞票进入薄片厚度检测传感器装置的过程中，信号放大元件2在薄片介质9的冲击下会克服弹性元件5与单向元件1一起绕转轴元件3顺时间旋转，由于转轴元件3 没有转动，阻尼元件4 不能限制信号放大元件2 的转动，薄片介质9进入信号放大元件2，无需克服阻尼元件4 的阻尼。薄片介质9 进入信号放大元件2 后，在弹性元件5的作用下信号放大元件2进行逆时针回复，在单向元件1的作用下，转轴元件3会随着一起逆时针转动，阻尼元件4 此时可提供阻尼快速的衰减信号放大元件2 的震动，使微小位移传感器7 检测到的信号尽快的趋于平稳并输出稳定的信号。通过对采集的信号进行滤波处理，得到稳定的位移变化信号，由于位移放大的比例和传感器检测处的位移变化量已知，可通过相关的计算可得知经过传输辊6处薄片介质的厚度。同时因为薄片介质9进入信号放大元件2，无需克服阻尼元件4的阻尼，这样不会导致薄片介质在厚度检测装置处的卡滞率的提升。

在高速工控钞票处理速度提升到10 张/s 下对经过薄片厚度检测装置的钞票的厚度进行测量、计算和对测试数据进行统计，如图4 所示，该薄片厚度检测装置及优化设计在钞票高速运转下测量的钞票厚度的平均值接近真实钞票的厚度。测试用钞实际厚度为120 μm，经薄片厚度检测装置测量后得到的平均厚度为124 μm。一般用钞票合格钞票厚度判断的阈值为钞票真实厚度的正负50%的范围，为60～180 μm，从测量的数据统计可见，测试的结果都在阈值范围内，由此可见该厚度检测装置及优化设计可在高速工控下稳定运行并能保障测量的精度，符合使用环境的要求。

图4 测试统计结果

3 结束语

该薄片介质厚度检测装置及其优化设计，通过实践验证统计，新优化设计很好地解决了在金融设备提速后，厚度检测装置在薄片介质的高速冲击的情况下，厚度检测精度受到影响的问题。同时不会因解决厚度精度问题而导致薄片介质卡滞率的提升的情况。随着金融业的发展，金融设备的要求会越来越高，设计师会面临更多的挑战，后续还需对金融设备中的厚度检测装置进行更全面的深入研究，以更好地提升装置性能，适应金融设备的升级。