趙歐婭1，趙祚喜1，2，劉雄1，朱昌權2，潘翔1
（1. 華南農業大學 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣東 廣州 510642；2.廣州康藝電子有限公司，廣東 廣州 510240）
摘要：目前銀行使用的高端點驗鈔機配備機械式紙幣測厚系統，銀行需通過該系統將厚度異常的紙幣清分出來，特別是在紙幣前端黏貼有膠帶的紙幣。針對機械式紙幣測厚系統在走鈔過程中由于彈片的抖動無法檢測到紙幣前端黏貼有膠帶的問題，設計了一個抖動檢測試驗平臺，并分別利用高速相機及電渦流傳感器檢測走鈔過程中在沖擊初始階段測厚系統的彈片的彈跳。首先以測厚系統為樣本搭建一個抖動檢測試驗平臺模仿紙幣在點驗鈔機中的走鈔狀態，然后利用高速相機拍攝測厚系統在走鈔過程中的運動狀態并通過描繪拍攝照片特征點得到測厚系統在走鈔過程中的抖動軌跡，再利用安裝在抖動試驗平臺的電渦流傳感器檢測走鈔過程中測厚系統的抖動軌跡，最后結合彈簧質量系統進行理論分析。試驗結果表明，能通過高速相機及電渦流傳感器在抖動試驗平臺上清晰檢測到走鈔過程中沖擊初始階段測厚系統的彈片產生位移較大且維持時間占紙幣過鈔時間10%的彈跳。該研究結果可為改進設計提供依據及檢測手段，為類似應用提供借鑒。
關鍵詞：點驗鈔機；抖動試驗平臺；高速相機；電渦流傳感器
中圖分類號：O421+.4文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674 7720.2016.20.023
引用格式：趙歐婭，趙祚喜，劉雄，等. 紙幣機械式測厚系統運動過程試驗研究［J］.微型機與應用，2016,35（20）：82 86，89.
0引言
紙幣厚度檢偽技術是點驗鈔機實現識別與真偽鑒別的關鍵檢偽技術，是指通過點驗鈔機將厚度異常的鈔票從真鈔當中挑選出來，例如通過真假幣粘貼拼接而成的變造幣，及由于有膠紙修補而導致厚度異常的真鈔［1］。隨著我國人民幣流通增加，假鈔活動日益泛濫，傳統的手工整點鈔票已不能滿足銀行出納柜臺現金處理工作量的需求，因此為了全面監測到各種類型的假鈔，紙幣厚度檢偽技術成為點驗鈔機不可或缺的技術。精確、快速的紙幣厚度檢偽技術對于具有紙幣厚度檢偽功能的點驗鈔機來說至關重要。
測厚系統及測厚技術已經發展為點驗鈔機研發的一個主要方向，測厚技術也得到全世界的重視。目前國內主要的點驗鈔機高端機具為進口品牌如捷德、光榮等，其鈔票檢偽各項技術已經發展成熟，但針對紙幣測厚系統仍在研究階段。國內各高校、企業及研究機構也在機械式測厚系統設計等方面展開了相關研究，其中機械式測厚系統結構優化、紙幣測厚裝置的結構設計、測厚傳感器技術仍是研究的重點［2］。然而，目前國內研發的各種紙幣測厚裝置多采用機械式測厚裝置，此方式雖可以有效檢測出厚度異常的紙幣，但仍存在走鈔過程的機械式測厚系統不能完整檢測到整張紙幣厚度的問題［3-7］。
機械式測厚傳感器是通過機械結構將紙幣厚度信號轉化為一個可動測量臂（彈片）的位移，再利用位移傳感器來檢測。在走鈔過程的初始階段，具有一定初速度的進鈔紙幣與過鈔輪發生碰撞導致機械式測厚系統彈片產生一個較明顯的彈跳，導致無法全面檢測到過鈔紙幣厚度［8］。本文以檢測到走鈔過程中沖擊初始階段測厚系統彈片產生的彈跳為目標，設計了一個抖動試驗平臺。以測厚系統為樣本搭建了一個模仿紙幣在點驗鈔機中走鈔狀態的抖動測試試驗平臺，為了全面地檢測到進鈔紙幣厚度，在電渦流傳感器PCB板上橫向分布12個電渦流傳感器。基于該抖動測試試驗平臺，利用高速相機拍攝和記錄電渦流傳感器檢測走鈔過程中測厚系統彈片的運動狀態，通過對高速相機照片彈片上特征點描繪和電渦流傳感器數據處理得到測厚系統彈片的運動軌跡，確定走鈔過程中在沖擊初始階段測厚系統的彈片產生位移較大且維持時間占紙幣過鈔時間10%的彈跳，以期給機械式測厚系統改進提供依據。
1抖動試驗平臺
抖動試驗平臺以測厚系統為樣本搭建了一個模仿紙幣在點驗鈔機走鈔通道中走鈔狀態的抖動測試的試驗平臺，與真機比較，該裝置結構做了簡化，以方便拍攝和電渦流測試，但保證傳感器工作過程不變，其結構如圖1所示。彈片2一端固定在厚度傳感器支架3上，另一端懸臂與彈性輪支架觸點12接觸，電渦流傳感器1則固定在彈片2對應位置的上方可檢測彈片2的位移變化，彈性輪旋轉軸4固定在厚度傳感器支架3下方使彈性輪支架7可繞彈性輪旋轉軸4旋轉一定角度，彈性輪8安裝在彈性輪支架7下方可高速繞軸旋轉，在受到彈片2彈性力作用下與主傳動輪9彈性接觸。將主傳動輪9及厚度傳感器支架3固定在已設計好的的抖動試驗平臺支架11上確保彈性輪與主動輪接觸，在主傳輪9的水平導軌上前后各安置一對副傳動輪5、10作為驅動紙幣的傳輸機構使進入走鈔通道的紙幣具有一定的初速度。
走鈔時，紙幣受到副傳動輪組的驅動，按導軌方向水平加速進入走鈔通道。具有一定初速度的紙幣經過彈性輪與主傳動輪時，迫使彈性輪上移并使得與彈性輪連接在一起的彈性輪支架繞著固定在厚度傳感器支架上的彈性輪旋轉軸轉動，同時彈性輪支架上方觸點擠壓彈片使之發生彈性形變，減小了與電渦流傳感器之間的距離。隨著紙幣脫離彈性輪，彈性輪下移與主動輪接觸，彈片恢復形變，整個過程實現了紙幣厚度的測量與放大，使之易被檢測。同時為了檢測過鈔紙幣不同橫向位置上的厚度，試驗裝置的電渦流傳感器PCB板上橫向分布了12個電渦流傳感器。
2測厚系統走鈔過程抖動檢測試驗
2.1試驗設備工作原理原理
為了檢測到測厚系統彈片在紙幣走鈔過程中的運動情況，本文采用了兩種設備進行試驗：高速相機拍攝及處理和電渦流傳感器檢測。通過不同的試驗檢測設備對測厚系統彈片在紙幣走鈔過程中運動情況的觀測，對試驗結果進行對比得出得出結論。
高速相機拍攝照片的工作原理為，高速運動目標受到自然光或人工輔助照明燈光的照射產生反射光，或者運動目標本身發光,這些光的一部分透過高速成像系統的成像物鏡。經物鏡成像后，落在光電成像器件的像感面上，受驅動電路控制的光電器件，會對像感面上的目標像快速響應，即根據像感面上目標像光能量的分布，在各采樣點（即像素點）產生響應大小的電荷包，完成圖像的光電轉換。帶有圖像信息的各個電荷包被迅速轉移到讀出寄存器中。讀出信號經信號處理后傳輸至計算機中，由計算機對圖像進行讀出顯示和判讀，并將結果輸出。
電渦流傳感器的工作原理為，將印制在PCB板上由銅箔線圈串聯構成的電感與電容并聯構成振蕩電路，根據電渦流效應，當有金屬物體進入時，則會改變原由電路的電感，再利用LDC 1000電感檢測傳感器檢測，就可得到彈片和PCB線圈的空間位置關系［9-13］。為了全面地檢測到整張紙幣的走鈔過程中引起測厚系統彈片的抖動，在PCB板上分布12個電渦流傳感器。
2.2試驗儀器與設備
高速相機拍攝抖動試驗試驗儀器包括一臺Phantom M310高速相機、一個大面積光源LED燈、一個游標卡尺、一個抖動試驗平臺等，如圖2所示。Phantom M310高速相機能在1 280×800分辨率時不低于3 260 f/s，最高拍攝速率不低于650 000 f/s。為了提供足夠的光照強度使彈片運動細節顯現出來，采用大面積LED新聞燈作為主要光源。
基于高速相機拍攝走鈔過程測厚系統的抖動試驗需要清晰地觀測到測厚系統彈片的運動狀態。實驗時為了提供開闊的視野，需要將電渦流傳感器取下，將高速相機攝像頭對焦于測厚系統彈片前端，適當地調節光源照射角度以增加圖像對比度。試驗分別選用不同拍攝速率及相應的分辨率。通過選擇合適的拍攝速率及相應的分辨率和合適的拍攝角度，可以更加清晰觀測到測厚系統彈片的運動情況。
試驗儀器為電渦流傳感器，通過傳感器檢測在走鈔過程中測厚系統彈片運動情況，從而得到彈片運動軌跡。試驗時將電渦流傳感器PCB板安裝在測厚系統彈片的上方，用螺栓固定。
3基于高速相機的測厚系統抖動檢測試驗
3.1基于高速相機拍攝抖動的試驗方案及步驟
完成試驗準備工作后，首先，打開抖動試驗平臺開關，檢查高速相機專業軟件的畫面顯示，確定測厚系統彈片與其他機械機構清晰對比出來。然后，放置紙幣于入鈔通道前端進行紙幣走鈔，開始利用高速相機記錄測厚系統彈片的運動狀態。最后，對高速相機拍攝照片進行處理，可得到測厚系統彈片的運動軌跡。
3.2基于高速相機拍攝抖動的試驗結果及分析
3.2.1高速相機拍攝圖片處理
根據上述高速相機拍攝走鈔過程測厚系統彈片運動狀態照片，連續播放照片可以清晰觀測到彈片的運動狀態，選擇最優的拍攝速率及相應的分辨率和最佳的拍攝角度可得到測厚系統彈片最佳運動狀態照片。比較在拍攝速率及對應分辨率分別為5 000 f/s@256×256、2 000 f/s@512×512、500 f/s@1 280×1 024及不同觀測角度下的幾組照片，可以發現當拍攝速率及對應分辨率為5 000 f/s@256×256和觀測角度為側前方時，拍攝的照片可得到最佳彈片運動狀態，如圖3所示。
為了捕捉在走鈔過程中測厚系統彈片的運動軌跡，試驗選取測厚系統彈片前端右側一點作為特征點，該特征點在照片中能清晰地與其他構件區分開且位移變化量最大。由于彈片只受到與之接觸的彈性輪支架上觸點的作用力，具體表現為彈片受到作用力后的的彈跳及彈性形變，水平方向未收到任何作用力，因此只需測量特征點豎直位移的相對變化量就可得知測厚系統彈片的運動狀態。首先通過回訪高速相機拍攝照片觀測選擇特征點，并在計算機屏幕上標記出。其次由于本試驗只為記錄豎直方向上位移變化量，因此通過特征標記點做一條豎直線，在豎直線上選取一點為參照點即在整個走鈔過程中位移無變化的點，該點選擇特征標記點上方照片邊界線與豎直線交點處，特征標記點、參照點、豎直線如圖3所示。然后通過游標卡尺測量特征點到參照點位移變化值即特征點相對位移變化量，同時記錄下當前照片對應的照片幀數。最后在Excel表格中輸入橫坐標為照片幀數，縱坐標為特征點豎直位移相對變化值，表1為其中一組試驗數據。
3.2.2基于高速相機拍攝抖動試驗結果分析
將表1中的數據在Excel中繪成曲線，即可到特征點的在走鈔過程中運動軌跡即測厚系統彈片在走鈔過程中運動軌跡。紙幣剛進入彈性輪與主動輪之間時即走鈔過程中初始階段，測厚系統彈片特征點的運動軌跡如圖4所示。由圖4可以看出，在走鈔過程的初始階段，測厚系統彈片特征點運動趨勢首先為相對位移值較大的彈跳，然后接著為相對位移值減小的非簡諧振動直至運動消失。由于試驗選取的特征點為測厚系統彈片懸臂梁前端一點，因此特征點相對位移較大的運動可視為測厚系統彈片的運動，相對位移值較小的運動可能是由于作為懸臂梁的彈片受力形變后的形變恢復發生的振動，此時的相對位移變化不能確定為測厚系統彈片的整體運動。
上述試驗數據表明，可以通過高速相機拍攝記錄在走鈔過程中初始階段彈片特征點運動情況，由于在走鈔過程中初始階段開始彈片特征點有一個巨大的位移變化量，這個過程可視為彈片發生了彈跳。由于受人為數據觀測及測量限制，無法準確斷定彈片特征點起跳位置和彈片特征點位移值大小，只有當觀測到位移變化明顯時才進行數據測量，因此試驗數據未能完全準確反映真實彈片特征點運動情況。因為通過高速相機觀測到彈片在過鈔過程中初始階段的運動軌跡可知彈片發生了彈跳，并不需定量檢測彈跳值，且由于進鈔紙幣速度等外因，彈跳具體時間并不確定，因此本次高速相機抖動試驗數據橫坐標都為照片張數未換算成時間。
4基于電渦流傳感器的測厚系統抖動檢測試驗
4.1試驗方案及步驟
進行試驗前，首先接通電路，用數據線將電渦流傳感器與電腦相連，其次，打開MATLAB與調用相應的程序，設置相應的參數，端口選擇8，設置波特率為115 200 b/s，緩存為110 080 B。電渦流傳感器上的電感檢測傳感器芯片LDC1000將感應到的由于測厚傳感器彈片與PCB印制板上銅箔線圈之間的位移發生變化而產生的電感值轉化為數量值，經MATLAB調用程序換算得出相應的位移變化值。
完成試驗準備工作后，將紙幣放置在走鈔通道的前端準備進行抖動檢測試驗。紙幣走鈔完成后，讀取緩存文件，就可顯示出走鈔過程中測厚系統彈片的運動情況。
4.2試驗結果及分析
根據上述基于電渦流傳感器的抖動試驗可檢測到在走鈔過程中測厚系統彈片運動情況，通過在PCB板上的12個電渦流傳感器就可以同時檢測到紙幣長邊方向上不同位置的彈片運動情況，試驗結果如圖5所示。由圖5可以看出，12個電渦流傳感器同時檢測到走鈔過程中彈片抖動的運動軌跡，且每個電渦流傳感器檢測結果都表明在走鈔過程的初始階段，測厚系統彈片產生相對位移較大且維持時間較明顯的彈跳，在走鈔過程中中間階段及結束階段測厚系統彈片運動趨于穩定。
通過上述試驗結果證明，圖5中12個傳感器都表明在走鈔過程的初始階段，測厚系統彈片產生了相對位移較大彈跳，在走鈔過程的其他階段，測厚系統彈片運動較穩定，因此可以通過電渦流傳感器檢測到在走鈔過程中彈片的運動情況。
5彈片抖動試驗結果對比及理論分析
5.1彈片抖動實驗結果對比分析
圖6為高速相機在拍攝速率為2 000 f/s，分辨率為512×512的參數下拍攝得到的圖片，取特征點為測厚系統彈片最前端右側點，經過數據處理所得的在整個走鈔過程中測厚系統彈片的運動軌跡。在圖6中可以看到，在走鈔過程初始階段，彈片彈跳所花時間大約為8張圖片，而整個走鈔過程所花時間大約為80張圖片，即在走鈔初始階段測厚系統彈片將產生相對位移較大且維持時間占整個走鈔過程的10%左右的彈跳。
圖7為PCB板上12個電渦流傳感器中第一個電渦流傳感器檢測所得到在整個走鈔過程中測厚系統彈片與電渦流傳感器中銅箔線圈的相對位移及可視為測厚系統彈片的運動軌跡。由圖7中可以看出，在走鈔過程中彈片彈跳位移較大持續時間為16張，整個走鈔過程大約持續為160張，即在走鈔過程中初始階段彈片彈跳持續時間為整個走鈔時間的10%。
通過將基于高速相機拍攝圖片處理所得走鈔過程中測厚系統彈片運動情況與基于電渦流傳感器檢測得走鈔過程中測厚系統彈片的運動軌跡進行對比，可知在走鈔過程中初始階段測厚系統彈片將產生跳動位移較大且持續時間約占整個走鈔時間10%的彈跳。其中圖6檢測目標為彈片前端一點的運動軌跡，圖7檢測對象為彈片與電渦流傳感器中銅箔線圈的相對位移，因此在圖6中可以明顯觀測到作為懸臂梁的彈片會發生抖動，圖7中可以發現經濾波處理后的彈片與電渦流傳感器的相對位移值數值較平穩且單一，即使檢測對象存在很小的差別，但檢測目標都是因彈片在走鈔初始階段受撞擊而產生的位置變化，因此本文不進行彈片位移變化量上的數值定量檢測，只對彈片產生跳彈現象進行捕捉及對彈跳時間進行統計。基于高速相機的彈片抖動檢測試驗和基于電渦流傳感器彈片抖動檢測試驗本應該在同一走鈔過程中進行檢測，但是由于試驗條件限制，只能分開檢測，但在重復試驗中發現試驗結果相同，并不受到影響。
5.2基于彈簧質量阻尼系統的彈片彈跳及抖動的理論分析
基于沖量理論可知，由于具有一定初速度的紙幣與彈性輪發生碰撞導致彈性輪支架上方觸點與彈片發生碰撞，從而導致彈片突然受到沖量的作用，使彈片在位移上連續，但速度增加很大。基于彈簧質量阻尼系統理論可知，彈片可視為質量為零的彈簧，與彈片接觸的彈性輪及其支架為質量系統，如果彈片沒有受到外界阻力將會產生簡諧振動，但是由于作為質量系統的彈性輪機器支架是繞測厚傳感器支架下方的軸旋轉，會在旋轉軸的接觸面發生摩擦，摩擦阻力使質量系統的能量逐漸轉化為熱運動的能量，且彈片振動引起周圍物質的振動，例如空氣能量是以波的形式向四周發出，振動系統的振幅與能量有關，能量的逐漸減少導致振幅減小且按照時間周期性衰減等。因此通過改善阻尼就可解決。
6結論
針對機械式紙幣測厚系統在走鈔過程中由于彈片的抖動而無法全面檢測到整張紙幣厚度的問題，進行了抖動檢測試驗平臺設計，基于高速相機拍攝及電渦流傳感器檢測的抖動試驗平臺能有效地檢測到走鈔過程中沖擊初始階段彈片的彈跳。課題組當前以及下一階段重點研究內容。
（1）基于高速相機的彈片抖動試驗優化。高速相機拍攝圖片可以通過MATLAB軟件進行特征點自動識別提取并描繪出彈片運動軌跡，也可使用專業配套軟件進行特征點捕捉、運動軌跡描繪等。這樣的照片處理方式可提高檢測效率，使試驗結果更客觀。
（2）對試驗結果進行動力學分析。在進行人工處理圖片時發現，由于高速相機性能影響無法確定在走鈔過程中是否存在彈片與彈性輪支架觸點分離情況。如果經過提高高速相機性能能夠證明到彈片與彈性輪支架觸點在走鈔過程中存在分離，那么下一步工作即可以進行測厚系統彈片動力學分析，通過改善彈片來解決走鈔過程初始階段的彈跳問題。如果在走鈔過程中測厚系統彈片與彈性輪支架觸點無分離，那么就需對測厚系統進行改進，作進一步的研究來解決走鈔過程初始階段彈片彈跳的問題。
（3）通過對兩種方法結果的比較和一致性分析，表明可任用一種檢測方法。通過高速相機拍攝的抖動試驗較直觀，可檢測任意目標點的運動包括空間運動，但操作復雜，安裝困難，需要專門預留好檢測位置或使用內窺鏡。通過電渦流傳感器抖動試驗可知檢測利用測厚系統本身傳感器檢測方便，效果明顯，但是由于對數據進行處理和濾波，因此可能會導致數據失真。
（4）本文研究僅限于檢測到走鈔過程初始階段彈片產生的彈跳，如何提供有效的整改方案解決彈跳導致的檢測不全面將是下一步計劃，可利用Recurdyn軟件進行建模仿真，改變相應材料參數，或是優化測厚系統機械結構等方法解決彈片彈跳的問題。
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