隧道磁阻傳感器在清分機(jī)厚度測量中的應(yīng)用

李 輝

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

隧道磁阻傳感器在清分機(jī)厚度測量中的應(yīng)用

李 輝

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032）

高質(zhì)量清分機(jī)，要對鈔票的厚度進(jìn)行檢測，從而可以有效檢測出厚度異常的鈔票。介紹一種通過隧道磁阻（TMR）器件SML-F0103檢測器件周圍磁場變化的方法，來對被測鈔票厚度進(jìn)行測量。該器件具有高靈敏性和高線性度，可以實(shí)現(xiàn)對厚度的微小變化進(jìn)行檢測，因此非常適合用在清分機(jī)鈔票測厚中，對于粘貼膠帶或厚度異常的鈔票都可以有效檢測。

隧道磁阻傳感器；清分機(jī)；高精度；磁場變化；測厚；數(shù)據(jù)校準(zhǔn)算法

1 高精度厚度測量背景介紹

高精度鈔票處理清分機(jī)都需要對鈔票進(jìn)行厚度檢測，以便清分出膠帶粘結(jié)的拼接幣和厚度異常的偽造假幣。早期厚度檢測采用紅外透射方法檢測，由于油墨對紅外光有不同程度吸收，造成同樣厚度的檢測值不同，而采用鈔票厚度建模方法要求采樣時(shí)位置精度很高，機(jī)械上實(shí)現(xiàn)困難。另外一種是超聲波測厚法，利用超聲波穿通鈔票，另一端超聲波接收，鈔票厚度不同接收端接收到的能量就不同，從而檢測出實(shí)際厚度，這種方法易被外部噪音干擾，相鄰?fù)ǖ来當(dāng)_比較嚴(yán)重，由于器件體積比較大，整張鈔票檢測的覆蓋范圍有限，測量精度不是很高。在此介紹一種利用簡單機(jī)械結(jié)構(gòu)加上高靈敏磁場檢測傳感器，實(shí)現(xiàn)高精度鈔票厚度測量的裝置。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)原理

檢測厚度裝置的基本原理：通過兩個(gè)測厚輥軸之間間隙的變化［1］，帶動浮動軸上下移動，再通過杠桿作用放大移動距離范圍，杠桿另一端上的磁鋼移動造成磁場變化，而隧道磁阻傳感器把磁場的變化轉(zhuǎn)變成電信號［2］，再通過AD采集［3］轉(zhuǎn)變成數(shù)字量進(jìn)入ARM［4］或DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

機(jī)械結(jié)構(gòu)由兩個(gè)測厚輥輪、支架、彈簧、杠桿、傳感器組成，上測厚輥可以繞定點(diǎn)上下運(yùn)動［5］。機(jī)械機(jī)構(gòu)如圖1所示。

正常情況下，上輥輪在彈簧作用下壓在下輥輪上，下輪為主動輪，在有鈔票經(jīng)過兩輪之間時(shí)，上輪沿定點(diǎn)向上運(yùn)動，運(yùn)動距離與厚度相關(guān)。再通過橋臂帶動磁鋼沿定點(diǎn)轉(zhuǎn)動，造成磁鋼和傳感器之間距離變化從而改變磁場強(qiáng)度變化，產(chǎn)生相應(yīng)電信號就可以檢測出厚度。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

3 磁傳感器器件介紹

該文采用的SML-F0103磁傳感器芯片［6］是一款高靈敏度的TMR線性傳感器芯片，采用獨(dú)特的推挽式惠斯通電橋設(shè)計(jì)，具有良好的溫度特性以及抗共模信號干擾能力。該芯片包括四個(gè)非屏蔽的高靈敏度TMR傳感器元件，當(dāng)平行于傳感器芯片靈敏度方向的磁場變化時(shí)，惠斯通電橋提供差分輸出信號，SML-F0103芯片的每個(gè)橋臂是一個(gè)約8k歐姆的TMR電阻，可以更好的匹配后端電路。SMLF0103是一款磁性傳感器芯片，通過匹配的磁路設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)電流、磁場、角度、位置等物理量檢測。有如下特點(diǎn)：

.TMR（磁隧道結(jié)）技術(shù)

.兼容寬范圍的電源電壓

.低功耗

.極低磁滯

.高靈敏度

.模擬信號輸出

.優(yōu)越的溫度穩(wěn)定性

TMR特性曲線：圖2是SML-F0103磁傳感器芯片的輸出隨外加磁場強(qiáng)度變化的典型曲線。

圖2 傳感器磁場強(qiáng)度和電壓輸出關(guān)系

4 單路測厚信號放大電路設(shè)計(jì)

圖3為一個(gè)TMR磁場傳感器和運(yùn)算放大器組成的信號放大電路，在靜態(tài)時(shí)由于傳感器在磁場中感應(yīng)一定信號所以運(yùn)放輸出有一個(gè)靜態(tài)偏差，可以調(diào)節(jié)磁鋼和傳感器距離使偏差在很小范圍內(nèi)，當(dāng)有鈔票通過兩個(gè)輥輪之間時(shí)，磁鋼移動造成磁場變化從而TMR橋產(chǎn)生信號輸出并經(jīng)過運(yùn)放放大?？梢哉{(diào)節(jié)磁鋼強(qiáng)度使最厚鈔票通過時(shí)不使輸出信號失真［7］。

5 數(shù)據(jù)采集和控制電路

在清分機(jī)測厚設(shè)計(jì)中一般要對鈔票全幅進(jìn)行厚度檢測［8］，但由于結(jié)構(gòu)限制一般可以做到橫向10毫米間隔一路測厚。圖4為厚度數(shù)據(jù)采集和控制簡略框圖，多路測厚輸出經(jīng)過放大后通過模擬開關(guān)依次進(jìn)行通道切換輪流被采集進(jìn)中央處理單元，然后經(jīng)過換算計(jì)算出每個(gè)通道厚度值。

圖3 單路測厚信號放大電路

6 厚度校準(zhǔn)算法介紹

用下列方程來代表厚度和AD輸出值之間的關(guān)系：

其中y代表HD_out經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換之后的數(shù)據(jù)量，x代表2個(gè)輥輪之間紙張的厚度，k為比例系數(shù)，a為常數(shù)。我們利用下列實(shí)驗(yàn)求出K和a。

在2個(gè)輥輪之間放入一張已知厚度（X1）的測試紙，讀出HD_out經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的值（Y1），則：

在2個(gè)輥輪之間放入一張已知厚度（X2）的測試紙，讀出HD_out經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換后的值（Y2），則：

二元一次方程組求出k＝（Y2-Y1）／（X2-X1），a＝Y(jié)1-kX1。計(jì)算出k和a之后利用公式（1）和每次HD_out的AD采集值求出紙張厚度。

圖4 厚度數(shù)據(jù)采集和控制電路框圖

7 結(jié)束語

在清分機(jī)中，測厚只是其中一個(gè)檢測項(xiàng)目，這里只對其中的鈔票厚度檢測原理進(jìn)行闡述。實(shí)驗(yàn)證明這種測厚方法在檢測鈔票厚度中有較高的精確度，分辨率可達(dá)到0.01毫米。和紅外識別鈔票圖樣、磁感應(yīng)傳感器檢測鈔票本身的磁信息等項(xiàng)目配合使用，對可能出現(xiàn)的粘貼異物和厚度異常，折角缺損等其它異常的鈔票都能很好鑒別。

［1］ 張春倩，耿紅艷.基于霍爾和光電傳感器特性新型轉(zhuǎn)速測量裝置的設(shè)計(jì)和開發(fā)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2009（10）：64-65. Zhang Chunqian，Geng Hongyan.Design and application of a new rotating speed measuring device based on Hall photoelectric sensor［J］.Digital technology and application，2009（10）：64-65.

［2］ 何佳兵，王殿春.一種采用霍爾傳感器的鈔票厚度識別裝置［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2006，35（8）：164-166. He Jiabing，Wang Dianchun.Banknote thickness verifying device using Hall-Effect sensor［J］.Mechanical and electrical engineering technology，2006，35（8）：164-166.

［3］ 楊光祥.STM32單片機(jī)原理與工程實(shí)踐［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2013. Yang Guangxiang.STM32 MCU principle and engineering practice［M］.Wuhan university of science and technology press，2013.

［4］ 廖義奎.ARM Cortex-M4嵌入式實(shí)戰(zhàn)開發(fā)精解-基于STM32F4［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003. Liao Yikui.The explained and expioitation of ARM cortex-M4 base on STM32F4［M］.Beijing：Beijing University of Aeronautics and Astronautics press，2013.

［5］ 殷玲玲，尚群立.磁阻傳感器在直線位移傳感中的應(yīng)用［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006（4）：1121 Yin Lingling，ShangQunli.Application of Magnetorsistve sensor in liner Displacement sening［J］.Journal of sensing technology，2006（4）：1121.

［6］ SML-F0103系列（TMR）線性傳感器芯片數(shù)據(jù)手冊［Z］.樂爾科技有限公司，2012. SML-F0103 series（TMR）linear sensor chip data manual［Z］.LeEr technology co.，LTD，2012.

［7］ 周潤景，郝曉霞.傳感器與檢測技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009. Zhou Runjing，Hao Xiaoxia.Sensor and detection technology［M］.Beijing：Electronic industry press，2009.

［8］ 劉立國，遲寶庫.紙幣清分機(jī)測厚技術(shù)的設(shè)計(jì)與研究［J］.學(xué)術(shù)交流，2011（2）：72-73. Liu Liguo，Chi Baoku.Design and research of thickness measurement technology For currency sorter［J］. Academic exchange，2011（2）：72-73.

特約聲明

本刊已入編《中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)》（光盤版）、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所《萬方數(shù)據(jù)網(wǎng)》、科學(xué)技術(shù)部西南信息中心《中文科技期刊數(shù)據(jù)庫》和（臺灣）華藝數(shù)位藝術(shù)股份有限公司《中文電子期刊服務(wù)》。其作者文章著作權(quán)使用費(fèi)與本刊稿費(fèi)一次性付清。凡不同意入編的稿件，請作者在投稿時(shí)聲明。

App lication of Tunneling Magnetoresistance Effect Sensor in Thickness Check of Counter Machines

Li Hui
（The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Thickness check is necessary in high quality countermachines to check the bank notewith unusual thickness.A method of checking magnetic field around tunneling magnetoresistance sensor is introduced in this paper to check the thickness of the bank note to be detected.The chip，with high sensitiveness and high linearity，is fit for thickness checking of counter machines and effectively check the counterfeit banknotewith unusual thickness because it can check very small change for the thickness.

Tunneling magnetoresistance Sensor；Counter Machines；High precision；Magnetic field Change；Thickness check；Data calibration algorithm

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.017

TM936.6

A

1002-2279（2016）06-0069-03

李輝（1963-），男，遼寧沈陽人，工程師，主研方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

2016-06-15