基于双联对置传感器的硬币机读特征检测系统

摘 要： 与硬币自动识别相关的硬币电磁参数称为硬币的机读特征。传统的硬币机读特征识别方法具有检测参数温飘大、一致性差、检测参数单一等缺陷。在此采用相关检测方法对硬币机读特征检测线圈的复阻抗变化进行检测，从而获得检硬币机读特征。检测系统采用DDS的正交激励信号具有波生波形良好，频率、相位和幅值稳定的有点。采用相关检测方法，电路从本质上改善了对硬币差异形成的微弱信号的捕获能力，有利于实现硬币机读特征的在线检测。利用双联对置涡流传感器能有效地克服温漂和提高信号的动态范围，每枚硬币可以检测两次，通过数据处理后可以获得更加准确的结果。结果表明该系统能够检测出微小的硬币机读特征差异，具有良好的稳定性和可重复性。

关键词： 复阻抗； 双联对置涡流传感器； 相敏检测； 硬币机读特征

中图分类号： TN919?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）04?0138?05

System based on dual opposed sensor for detecting machine?readable features of coins

ZHANG Wu?jun1， SI Jun?feng2， HUANG xiao?lin2

（1. Nanjing CBPM Great Wall Financial Equipment Co.， Ltd， Nanjing 210029， China；

2. School of Electronic Science & Engineering， Nanjing University， Nanjing 210093， China ）

Abstract： Coins’ electromagnetic parameters related to automatic coin recognition are called coin machine readable features. Traditional method of automatic coin recognition has big defection temperature drift， poor consistency， sole detecting parameter and so on. In this paper， the method to detect complex impedance variation of coin machine readable feature detecting coil is proposed in this paper. The detecting system can generate orthogonal excitation signal， which has perfect waveform， and stable frequency， phase and amplitude. By the relevant detection method， the circuit can essentially improve the ability to capture the weak signal formed by the difference between coins. It is conducive to the realization of online detection for coin machine readable features. The system can effectively overcome the temperature drift and improve the dynamic range of signal by using dual opposed eddy current sensor. Every coin can be detected twice， thus more accurate results can be obtained by data processing. The testing results show that the system can detect the tiny difference of coin machine readable feature， and has good stability and repeatability.

Keywords： complex impedance； dual opposed eddy current sensor； phase sensitive detection； coin machine?readable feature

0 引 言

硬币作为辅币具有流通周期长，易于自动售货与找零等优点，以美国、日本和德国为代表的发达国家已基本实现辅币的硬币化。辅币的硬币化使得硬币的自动识别成为流通过程中不可缺少的一个环节。硬币识别所涉及电磁参数的规范化成为实际问题[1]。

从硬币识别分类的原理上看，当某一类硬币被用于识别的电磁参数的一致性越好，与其他硬币电磁特征上的差异越大，这类硬币就也容易被识别。电磁特征越不容易被复制，这类硬币的防伪特征就越好。前者与生产工艺和质量控制有关，后者则与硬币的规划与设计有关，本文所研究的系统用于生产过程中的质量控制[1?2]。通过在生产过程中对硬币与识别相关的电磁特征进行逐枚硬币测试，剔除电磁参数偏差较大的硬币，为市场上的硬币自动识别打下良好的基础。

硬币自动识别过程中的参数检测涉及多学科研究领域，技术复杂，国内外相关研究部门和一些院校均做过研究，在给定币种样本范围内取得了较好的效果。但对硬币特征的识别都局限于社会流通领域，在系统性、完整性和稳定性上没有进行深入研究，存在对伪币识别效果不好等问题[3]。目前，主流的硬币机读特征检测方法主要有频率法、相位法、幅值法和脉冲法。其中采用频率计数法的硬币特征检测装置占据了市场的主要份额；但是， 基于频率计数法方法在实际使用中也存在一些问题：检测参数温飘大、易误判、一致性差，需要周围环境温度适合时才能有较高的正确识别率。频率计数法还存在检测参数单一，无法获得更多的硬币信息，无法对硬币信息进行智能化处理的问题。幅值法因性能不稳定而应用较少[4]。本项研究采用复阻抗分析法，对于由于硬币的影响带来的涡流检测线圈的复阻抗变化量进行检测，作为硬币电磁特征指标的判定依据[5]。对于不同币种，均有其最佳检测频率，在该频率下能使其特征电磁参数的复阻抗变化量达到最大化，使检测更加精确。在本研究中还设计了高稳定度的信号源，采用双联对置传感器有效地克服前端的温飘，同时对硬币本身参数随温度变化带来的影响进行了修正。实际测量表明通过上述措施，系统具有良好的稳定性和一致性，有效地提高了硬币产品电磁参数的一致性。

1 检测原理

涡流法实现硬币的原理是识别当硬币接近或穿过涡流传感器的线圈时，由于互感作用，将直接导致线圈的视在阻抗发生变化，这种变化直接与硬币的结构及相对位置有关。这些因素主要包括硬币的材质、外形、厚度、镀层、花纹等，通过对于检测线圈视在阻抗变化量的检测即可获得硬币信息[2?3，6]。

电涡流传感器的工作原理如图1（a）所示。当采用交变电流I1激励检测线圈1时，其周围产生交变磁场H1，相应电涡流I2同时在检测线圈附近的被测导体2中产生；而I2又将产生交变磁场H2来阻碍H1的变化。I2的大小、分布等与被测导体存在缺陷或电导率、磁导率等物理化学性质有关，涡流I2产生的磁场H2反作用于线圈，使线圈视在阻抗发生变化。因此，线圈阻抗的变化就反映了被测体的物理化学性质变化的情况[7?11]。

图1 涡流检测原理

由被测导体2的影响使得线圈视在阻抗产生的变化可以用下式表示：

[Z=R1+jX1+X2MR22+X22R2+j-X2MR22+X22X2] （1）

式中：R1为检测线圈直流电阻；X1为检测线圈空载状态时的感抗；R2为涡流环的等效电阻；X2为涡流环的等效感抗，XM为线圈与涡流环之间的互感抗。R2和X2引起的附加项反映了被测导体上的涡流场对检测线圈的影响。通过对线圈信号的测量和处理，就可以知道被测导体在结构和材质上的变化。

2 检测系统总体结构与电路设计

检测系统的结构框图如图2所示。系统包括涡流检测传感器和上位机。其中涡流检测传感器包含了正交信号源、平衡电桥、宽带放大、相位校正、A/D转换与数据上传、温度检测、鉴相器和滤波等模块。

图2 检测系统框图

该系统采用68013单片机进行数据采集和初步判断，对于不合乎要求的硬币进行剔除。同时将每次检测结果通过USB接口传送到上位机进行统计，以实现对硬币质量的掌控[6]。其中关键性电路的设计如下所述。

2.1 相敏检测电路设计

在本系统中，采用模拟乘法器作为相敏检测器来实现对涡流信号实虚部的分离，同时获得实虚部的幅度大小。当被检波信号为[xt=Vscosω0t+θ]，参考信号为[rt=Vrcosω0t+?]时，乘法器得到输出为：

[Vp=xt?rt=Vscosω0t+θ?Vrcosω0t+? =0.5VsVrcosθ-?+0.5VsVrcos2ω0+θ+?] （2）

输出中包含有反映相位信息的低频信号分量和频率为激励源两倍的高频信号分量。在本系统中，反映相位信息的被测量的变动频率小于20 Hz，因此采用三阶低通滤波器就能有效地将高频分量去掉，得到有用信号如下式所述：

[Vo=0.5VsVrcosθ-?] （3）

可以看出输出信号是Vr和θ的函数。当θ=?时，输出最大值Vr；在实际应用时，两路参考信号的?分别为0和90°，幅度[Vr=0.5]，此时Vo分别为[Vo=0.25Vscosθ]和[Vo=0.25Vssinθ]，从而实现了对复阻抗变化量的正交分解。本系统采用两片模拟乘法器AD835构成两个相敏检波器，在10 MHz以下，该乘法器具有理想的各种特性，器件本身产生的相移可以忽略不计。图3给出了相敏检测电路中的低通滤波器的元件参数。

图3 相敏检测电路中的低通滤波器

2.2 正交信号源的设计

对于相敏检测，当信号源的相位存在抖动时，会给检测结果带来很大的误差。在采用相关技术的涡流检测系统中，必须采用谐波失真小，相位噪声小、频率、幅值与相位极其稳定的激励信号。直接数字频率合成（DDS ）信号源具有频率、相位稳定性好、易于编程控制的有点，因此采用DDS产生激励信号[11]。

本文采用DDS芯片AD9854产生DDS信号，两路输出之间的相位差固定为90°，频率为152 kHz，精度为12位。两路信号均作相敏检测时的参考信号，其中一路信号经过功率放大后用于激励交流电桥。AD9854有串行和并行接口两种编程方式可以选择，此处将S/P SELECT（Pin70）引脚接高电平，选择并行编程方式。采用并行接口方式，要使AD9854能够产生双路正交的正弦信号，各口线定义分别为：

A5～A0为6位并行地址口；D7～D0为8位并行数据如口；WR为并行模式下写控制端；RESET为复位端。S/P SELECT（Pin70），编程模式选择口。REFCLK，时钟输入端，本电路中时钟频率f0=20 MHz。

AD8954与单片机的接口电路如图4所示，其中：DAC Rset引脚用于设定AD9854的满幅输出电流。输出电流幅值取Io=[39.93Rset]，单位为A。本设计中，电阻Rset的阻值为3.9 kΩ，这样AD9854的满幅输出电流便约为10 mA。

AD9854的输出引脚采用IOUT1，IOUT2，在这些引脚各接上50 kΩ，将电流输出转化成电压输出，由于这些引脚输出电流峰峰值为10 mA，这样AD9854的输出电压峰峰值为0.5 V。另外，IOUT1和IOUT2输出电流的相位差为90° ， IOUTA与IOUTIB输出电流相位差为180°，IOUT2与IOUT2B输出电流相位差为180°。

以下是单片机向AD9854写入152 kHz频率控制字的程序：

unsigned char sigFreq[]={0x01， 0x2a， 0x30，0x55， 0x32， 0x61 } ； //信号频率控制字

在本检测系统中，信号源输出信号的幅度对于检测结果也至关重要，为此引入幅度自动控制环节。从信号源的输出选取一路送入A/D，处理器61083从A/D中读取信号源的电压， 对其幅度进行判别，然后通过AD7524进行调整，此处AD7524用作程控衰减器。结合AD9854中的幅度调整，可以获得218的调整分辨率。

2.3 双联对置传感器结构

当硬币接近或穿过涡流传感器的线圈时，由于互感作用，将直接导致线圈的视在阻抗发生变化，这种变化直接与硬币的结构及相对位置有关。这些因素主要包括硬币的材质、外形、厚度、镀层、花纹等。通过测量检测线圈的视在阻抗变化量即可获得硬币机读特征。

在涡流检测线圈的输出信号中，由检测线圈视在阻抗变化量。引起的电压的变化量ΔU与线圈两端的电压U相比要小得多，约为10-2～10-3数量级。一般需要把ΔU放大。如果同时把ΔU和U一起加人放大器的输人端，由于ΔU和U相差很大，受放大器动态范围的限制，会造成放大器的输出严重阻塞而得不到正确的检测结果。解决这一问题的方法通常采用交流电桥电路，使检测线圈的自身输出信号与参考线圈的输出信号相抵消，仅仅保留并输出电压变化量ΔU，这样，就能满足放大器动态范围的要求，有效地把ΔU放大到所需要的程度。

其次，温度变化对于检测结果也有明显的影响，涡流法检测是建立在涡流线圈视在阻抗变化量检测的基础之上，而金属的电导率不可避免的要受到温度的影响，导致检测线圈和被测体硬币的物理参数发生变化，对于定量检测，必然会使结果发生变化。

针对以上存在的问题，我们采取了以下方法加以解决，如图5所示：采用矩形对置线圈，消除了硬币位置偏移对检测结果带来的影响，同时可以适用不同尺寸的币种。L1和L2构成一组对置线圈，L3和L4构成一组对置线圈，4只线圈的参数必须完全一致。采用双联结构，提供了两次测量机会，通过数据分析和处理获得更加准确的检测结果。完全对称结构也可以有效地抵消温度对传感器带来的影响。增加温度传感器，对温度变化带来的金属的电导率变化的影响通过后期处理进行抵消，取得了良好的结果。

2.4 前置放大电路设计

交流电桥输出的信号通常为几毫伏到几十毫伏，带负载能力差，需要采用放大器进行放大，以便于后续电路的处理。普通仪表放大器带宽较窄，在系统工作的频带范围内会产生较大的相移。本系统采用三只高速运放AD8011构建了增益为20 dB的前置放大电路，该放大器在4 MHz时相移小于5°。图6为前置放大的电路的原理图。

图5 传感器原理图

图6 前置放大器

3 系统运行结果与分析

对该系统从检测结果的一致性、模块自身的稳定性、模块工作稳定性日推移进行了测试，实验还对系统对于在线检测的速度和剔币性能进行了检测，结果如下：

3.1 模块检测稳定性

3.1.1 单枚币检测值稳定性测试

任意取5枚硬币，分别进行300次重复测试，计算各枚币电磁参数的检测误差如表1所示。

可以发现，单枚币的检测参数在平均值的±3个数字量以内，测试误差L参数≤0.5%，R参数

表1 单枚币重复300次测试稳定性

3.1.2 模块工作稳定性（一天中各时间段）

任意取5枚硬币，在模块正常运行工作的同时，从早上10：00至下午3：00点分时段进行8次测试，每次测试投币100次，取其平均值，各枚币的电磁参数平均值的误差如表2所示。

表2 硬币的电磁参数平均值的误差

可以看出，在电磁参数检测模块长时间工作过程中，针对同一枚币不同时间点的测试误差L参数

3.1.3 模块工作稳定性日推移

取20 000枚硬币，每日进行一次跑币测试，将每日所有币测试数据求平均，其中每天电磁参数检测参数如图6所示。从图6可以看出，每天测试的参数值误差在1个数字量以内，误差L参数

3.2 检测速度

任取2万枚币进行批量检测并计时，全部检测完毕共费时23 min，计算平均检测速度达870 枚/min，检测期间通过软件检测瞬时最大检测速度达1 100 枚/min。

图7 模块工作稳定性日推移图

3.3 剔币稳定性

任取500枚硬币，把软件调至全废模式，进行全部剔废测试，通过每日3次共计8天的测试，所有硬币都被准确剔除，剔币准确率为100%，没有造成漏废。

4 结 语

本文设计了完整的硬币机读特征检测系统，采用相关检测方法实现了对硬币机读特征检测线圈的复阻抗变化进行检测。利用DDS的正交激励信号具有波生波形良好，频率、相位和幅值稳定的有点，有效地提高了对于微弱信号检测的灵敏度和稳定性，从本质上改善了对硬币差异形成的微弱信号的捕获能力，有利于实现硬币机读特征的在线检测。利用双联对置涡流传感器能有效地克服温飘，有效地提高信号的动态范围；同时提供两次检测信号，通过数据处理后可以获得更加准确的结果。检测结果表明该系统能够检测出硬币的微小的缺陷，具有良好的稳定性和可重复性。

致谢：该系统的研制过程中得到了南京造币厂的大力协助，在此表示感谢。

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