基于電渦流傳感器的硬幣辨?zhèn)蜗到y(tǒng)的設(shè)計(jì)*

郭 玉，李彥梅，王 鵬

(安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，安徽安慶246011)

自動(dòng)售貨機(jī)、投幣電話機(jī)、游戲機(jī)、公交自動(dòng)售票等一系列自動(dòng)服務(wù)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，假硬幣給一些部門帶來(lái)很大損失。而假幣主流是壹元硬幣，其主要有兩種形式［1］，一種是用于市面流通，與真幣相比材質(zhì)差異較大;如假幣模壓工藝差，圖紋模糊，鍍層薄，較易生銹腐蝕;另一種是專門用于自動(dòng)服務(wù)場(chǎng)所的假幣，其材質(zhì)與真幣非常接近，但圖案花紋與真幣完全不同，往往偽裝成游戲幣。硬幣辨別有光電管檢測(cè)法、圖像對(duì)比法、應(yīng)變片測(cè)重法、激光掃描法和渦流檢測(cè)法等，而渦流檢測(cè)法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、非接觸實(shí)時(shí)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用［2－5］。

目前，渦流檢測(cè)法大多是根據(jù)激勵(lì)磁場(chǎng)線圈幅值的變化，即可測(cè)出真假幣的幅值大小，而且真假幣通過時(shí)其改變的幅值是不一樣的，從而達(dá)到檢測(cè)真假幣的目的。眾所周知，實(shí)際應(yīng)用中電子線路元器件受溫漂的影響是比較大的，由于有些真假幣材質(zhì)相差并不是很大，導(dǎo)致信號(hào)差距很小，若溫漂影響稍大一點(diǎn)，則很難準(zhǔn)確檢測(cè)，另外真假幣差別是較小的，傳感器出來(lái)的信號(hào)是非常微弱的，還需要一定的處理電路。而本文是通過測(cè)量輸出信號(hào)的頻率進(jìn)行硬幣辨?zhèn)?，不需要?fù)雜的處理電路，另外頻率受外界干擾小，這樣識(shí)別率比較高。

1 渦流傳感器測(cè)量原理

電渦流傳感器工作原理圖如圖1所示，當(dāng)金屬導(dǎo)體被置于振蕩器線圈的交變磁場(chǎng)H1中時(shí)，在金屬導(dǎo)體中感應(yīng)出電渦流，并產(chǎn)生一個(gè)與原磁場(chǎng)方向相反的新磁場(chǎng)H2，兩者相互作用，改變了線圈的電感、阻抗及品質(zhì)因數(shù)等參數(shù)［6］。線圈的這些參數(shù)變化與被測(cè)金屬電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、勵(lì)磁頻率f以及線圈與被測(cè)金屬體的距離d等有關(guān)。因此可以利用線圈這些參數(shù)的變化［7］，把對(duì)被測(cè)導(dǎo)體所要測(cè)量的量變換成電量的形式來(lái)測(cè)量。

圖1 電渦流傳感器工作原理圖

若金屬導(dǎo)體等效為一個(gè)短路線圈，它與傳感器線圈之間有磁耦合，設(shè)互感系數(shù)用M表示。電渦流傳感器渦流效應(yīng)的等效電路圖［8－9］如圖2所示，其中L1和R1為傳感器線圈的電感和電阻，L2和R2為金屬導(dǎo)體的等效電感和電阻。

圖2 渦流效應(yīng)的等效電路

根據(jù)克希荷夫定律及所設(shè)電流參考方向，寫出方程為:

解方程可得:

線圈等效阻抗為:

線圈的等效電感為:

式(6)中［10－11］，第①項(xiàng) L1與靜磁效應(yīng)有關(guān)，線圈與導(dǎo)體構(gòu)成一個(gè)磁路，其有效磁導(dǎo)率決于此磁路，當(dāng)導(dǎo)體為磁性材料時(shí)，L1根據(jù)線圈與導(dǎo)體距離變化而變化，如導(dǎo)體為非磁性材料時(shí)，L1不變;第②項(xiàng)L2為電渦流的反射電感，使得傳感器的等效電感減小，當(dāng)靠近傳感器的導(dǎo)體為非磁性或硬磁材料時(shí)，L將減小，若為軟磁性材料時(shí)，L將增大。故由式(6)可知，靠近傳感器的導(dǎo)體不同，L和Z的大小將會(huì)不同。

2 硬幣辨?zhèn)蜗到y(tǒng)設(shè)計(jì)

辨?zhèn)坞娐分饕烧袷庪娐?、傳感器、控制及顯示電路等幾部分組成，電路圖［12］如下圖3所示。

圖3 硬幣辨?zhèn)蜗到y(tǒng)

2.1 振蕩電路

硬幣的真假是通過振蕩輸出信號(hào)頻率的大小來(lái)判斷，振蕩電路由555定時(shí)器和傳感器組成。圖中OUT為振蕩電路的輸出，其為一方波信號(hào)，振蕩頻率f與L成反比，與R成正比關(guān)系，即f=K·R/L，式中K為比例系數(shù)，從上式可知，若電路中電感L和電阻R改變時(shí)，f就會(huì)跟著改變，若固定一個(gè)參數(shù)，則可以找出頻率與另一參數(shù)的關(guān)系。文中將電阻R固定，當(dāng)有不同硬幣通過時(shí)，傳感器的L不同，從而被測(cè)信號(hào)的頻率不同。

2.2 傳感器的設(shè)計(jì)

辨?zhèn)蜗到y(tǒng)的核心就是渦流傳感器，它決定了鑒別真假的準(zhǔn)確率。文中傳感器是由直徑為0.22 mm的漆包線在“工”字型鐵氧體磁芯上自己繞制的線圈，匝數(shù)為100，當(dāng)不同厚度和材質(zhì)的硬幣通過傳感器時(shí)，將引起不同的渦流效應(yīng)，從而傳感器線圈的等效電感L將發(fā)生變化，則多諧振蕩電路輸出信號(hào)頻率就會(huì)改變。本文通過單片機(jī)采集振蕩信號(hào)的頻率對(duì)硬幣的真假進(jìn)行鑒別。

為了能夠提高辨?zhèn)蔚臏?zhǔn)確度，采用兩種不同結(jié)構(gòu)的傳感器對(duì)硬幣進(jìn)行實(shí)際辨別，即單側(cè)傳感器和雙側(cè)對(duì)稱傳感器，其硬幣檢測(cè)示意圖［5］，如圖4所示。

雙側(cè)傳感器采用了差分結(jié)構(gòu)，則輸出信號(hào)的頻率受硬幣的擺動(dòng)、溫度、干擾噪聲等環(huán)境因素影響小。從而提高了辨?zhèn)蔚臏?zhǔn)確度，減少誤檢幾率小。采用兩種不同結(jié)構(gòu)的傳感器進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表1、2)表明，雙側(cè)傳感器檢測(cè)時(shí)，真假硬幣通過時(shí)的輸出信號(hào)頻率差別度較大，通過頻率的判斷能夠正確地區(qū)分真假硬幣。

2.3 控制和顯示電路的設(shè)計(jì)

控制與顯示電路主要以AT89S51單片機(jī)為控制核心，其主要完成頻率的測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、顯示和報(bào)警系統(tǒng)的控制。頻率測(cè)量和數(shù)據(jù)處理利用單片機(jī)內(nèi)部資源;顯示電路采用功耗低的液晶顯示模塊LCD1602，顯示真幣的個(gè)數(shù);報(bào)警電路采用繼電器，當(dāng)有假幣通過時(shí)，進(jìn)行報(bào)警。由于振蕩電路輸出為方波信號(hào)，單片機(jī)可以直接采集，不需外加信號(hào)處理電路，從而使電路簡(jiǎn)單化。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

(1)頻率測(cè)量和數(shù)據(jù)處理

數(shù)字信號(hào)的頻率為1 s內(nèi)數(shù)字脈沖的個(gè)數(shù)，本文頻率的測(cè)量是由單片機(jī)內(nèi)部的兩個(gè)16 bit定時(shí)/計(jì)數(shù)器來(lái)現(xiàn)實(shí)，其中一個(gè)用來(lái)定時(shí)1 s，一個(gè)用于計(jì)數(shù)。將輸出信號(hào)送入單片機(jī)，在1 s內(nèi)通過的脈沖個(gè)數(shù)即為輸出信號(hào)的頻率。單片機(jī)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率比較穩(wěn)定，所以其定時(shí)1 s的誤差通常情況下非常小。

輸出信號(hào)頻率的動(dòng)態(tài)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理利用單片機(jī)內(nèi)部資源完成。有硬幣通過時(shí)，首先將測(cè)量頻率值與單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的頻率值(真硬幣的頻率范圍)進(jìn)行比較，當(dāng)頻率在真幣頻率范圍內(nèi)時(shí)，則硬幣為真，將真幣個(gè)數(shù)加一，并顯示出;否則，為假幣，并進(jìn)行報(bào)警。

(2)軟件程序

程序主要包括主程序和中斷服務(wù)程序，主程序包括初始化和顯示程序。其中T1為定時(shí)，T0為計(jì)數(shù)，R4、R5和R6、R7分別存放真幣的頻率范圍值，R3存放真硬幣個(gè)數(shù)。其軟件流程如下圖5所示。

圖5 軟件流程

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

采用單傳感器和雙傳感器進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，當(dāng)測(cè)量頻率(無(wú)硬幣通過時(shí))在300 kHz左右時(shí)，測(cè)量精度比較高，本實(shí)驗(yàn)中將頻率固定在300 kHz，在單個(gè)和雙傳感器作用下，對(duì)部分一元真假硬幣進(jìn)行測(cè)量(頻率測(cè)量采用自設(shè)計(jì)的頻率計(jì))結(jié)果如下表1、表2所示。

表1 單側(cè)傳感器時(shí)壹元真、假硬幣測(cè)試頻率

表2 雙側(cè)傳感器時(shí)壹元真假硬幣測(cè)試頻率

從表1、2可知，采用單側(cè)傳感器時(shí)，大部分假幣與真幣頻率差別較大，而游戲幣與真幣的頻率很接近，難以區(qū)分;采用雙側(cè)傳感器時(shí)，真幣和假幣的頻率差別較大，再加上軟件處理可從頻率上區(qū)分開。本系統(tǒng)傳感器采用雙側(cè)傳感器，進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量，真硬幣的頻率范圍為300 600 Hz～301 000 Hz，對(duì)不同年限壹元硬幣鑒別，準(zhǔn)確度達(dá)95%以上。

4 結(jié)論

基于渦流傳感器的硬幣檢測(cè)系統(tǒng)能夠從硬幣的材質(zhì)和厚度兩個(gè)參數(shù)反映硬幣的特點(diǎn)，大大提高了硬幣的鑒別率，且檢測(cè)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高。隨著硬幣流通量的增加及銀行自動(dòng)化的要求，該系統(tǒng)具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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