超声波传感器在纸币清分机上的应用

董今彤，刘　佳

(沈阳中钞信达金融设备有限公司，辽宁沈阳　110044)

1　设计原理

1．1超声波基础特性

超声波是一种机械振动在媒质中的传播过程，其频率一般在20 kHz以上。与普通声波相比，具有如下特性：

(1)束射特性。由于超声波的频率高、波长短，所以超声波射线和光线一样，遵守几何光学的定律，能够反射、折射，还能聚焦。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角；当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时会产生折射，即会改变它的传播方向，两种物质的密度相差越大，折射愈大。

(2)吸收特性。声波在各种物质中传播时，随着传播距离的增加，强度会逐渐减弱，这是因为物质会吸收掉它的部分能量。对同一物质，超声波的频率越高，吸收越强。对频率一定的声波，在空气中传播时吸收最强，在固体中传播时吸收最弱。

(3)高功率性。当声波到达某一物质中时，声波的作用使得物质中的分子也跟着振动，振动的频率和声波频率―样，频率决定了速度，频率越高，速度越快。分子由于振动所获得的能量除了与分子的质量有关外，还与分子振动的速度有关。速度越快，能量越高。超声波的频率比普通声波高很多，所以它可以使物质分子获得更大的能量，超声波可以使物质获得足够大的功率。

(4)声压作用。当声波通入某物体时，由于声波振动使物质分子产生压缩和稀疏的作用，从而使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力的现象叫声压作用。

超声波之所以在工业领域中得到了广泛应用，主要是利用它的高功率特性。超声波的频率升高，相应地波长就变短，因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟，甚至波长可远小于试样材料的尺寸，因此超声波可用于测量厚度尺寸很小物体。

1．2超声波检测纸币质量及厚度的原理

声波传播时，能流密度和声压幅将衰减；首先，球面波由于波射线发散而波面增大，有限能流分布的面积增大，故声强声压幅均衰减。另一方面，对于平面波，传播过程中部分能量被 介质吸收，转变为热运动能，故声强逐步衰减，如式(1)、式(2)所示：

Id=Ie-ad

(1)

Lid=Li-a0d

(2)

式中：I为入射初始声强；Id为深入介质d处的声强；a、a0为衰减系数，与波的频率及介质性质有关；Lid和Li为开始入射和深入介质d处的声强级，dB．

超声波检测纸张厚度，主要是基于超声波吸收特性原理。超声波的发射和接收传感器位于纸币运送通道的两端，间距可以<5 mm，入射角可以为5°左右。超声波传感器线性排列，直径9．8 mm的传感器需要18对组成，以保证对纸币的全覆盖。当没有纸张通过传感器，或有透明胶带拼接的纸币，或有孔洞和撕裂的纸币，甚至双张或多张纸币通过传感器时，声波的传播强度在改变，空张时传播强度在空气中衰减后，由接受传感器收到的强度为基准，其他情况时，传播强度由于纸张对声波的反射、散射和折射等情况，衰减变化值相应变大，通过计算超声波在被检查纸币中的传播强度的变化与检测模板(超声波通过全新纸币所建立的数据图形模板)的差异，不但能够定性地判断出被检查纸币的纸质状况，还可以将有透明胶带拼接的纸币，或有孔洞和撕裂的纸币检查出来。图1为超声波检测不同类型钞票的输出电压波形图。

图1　超声波检测不同类型钞票的输出电压波形图

用新钞的各个通道的波形平均幅度做基准，很容易检查出某通道的平均输出电压大大高于这个基准，可判断出钞票过厚，以此检测出透明胶带。

2　纸币厚度检测系统的设计

以ARM芯片STM32F103VB6为控制核心，外部电路包括18路超声波发射电路、18路超声波接收电路、18路包络检波电路和多路模拟转换开关电路。超声波发射头和接收头都一字排列，上下对应，间隙5 mm．当钞票通过检测通道时，发射头发射超声波，超声波穿过钞票后由接收头接收，经由放大、检波电路后，通过模拟转换开关由ARM芯片的AD口进行采集。不管是钞票撕裂、粘接胶带和折叠，凡是造成钞票厚度变化，超声波穿透时衰减的幅度就会不同，在采集的各路数据中就会体现出来，从而可以准确分析出钞票各种特征。图2为整体设计结构简略框图。

图2　电路设计整体结构简略图

2．1超声波发射电路

ARM芯片的IO口PA1控制18路超声波的产生，频率为40 kHz的方波，并通过PA1口接到 CD4069，而后面的CD4069则对40 kHz频率信号进行调理，以使超声波传感器产生谐振。图3为一路超声波发射电路。

图3　超声波发射电路

2．2超声波接收电路

接收电路由OP37构成的两级运放电路和TL082构成的二阶带通滤波电路组成。因该系统频率较高，回波信号非常弱，为mV级，因此设计成两级放大电路，第一级放大100倍，第二级放大50倍，共放大5 000倍左右。带通滤波器的中心频率为40 kHz．信号由Vout输出后经包络检波器检波，去掉40 kHz的载波。图4为一路超声波接收电路。

图4　一路超声波接收电路

2．3峰值包络检波器

包络检波器的作用是去掉40 kHz的载波，选择适当的参数使电路输出能快速跟踪电路输入包络的变化。输出波形更接近输入波形的包络，从而降低失真达到更好效果。图5为峰值包络检波器电路。

图5　峰值包络检波器电路

2．4多路模拟转换开关

包络检波器输出信号，经过多路模拟转换开关后接入ARM的AD输入端。18路模拟信号经过3片74HC4052双四选一模拟开关，三路信号经开关后变成一路。电路如图6所示。

图6　多路模拟转换开关

超声波传感器经标定后，通过放大器可将1 mm厚度变化转化为0～3．3 V的电压变化，然后由A/D转换器转换为12位的数字信号，则检测精度可达到1/(4 096)=0．000 244 mm，而纸张(60 g/m2)的厚度为0．075 mm，所以检测精度足够。另外，超声波传感器是通过发出和接收声波的形式来检测距离，所以纸张的平滑度和环境温度对检测效果几乎无影响，这就决定了用超声波传感器检测纸张厚度的优势。

3　结束语

超声波传感器在纸币清分机上的应用，可以对钞票的胶带拼接、撕裂、孔洞等进行有效的检测。配合图像传感器对于纸币清分有一个很重要的补充作用。并且超声波传感器具有无接触测量的特点，检测速度快、精度高、无污染、无损害，是纸币清分系统中的理想的测厚传感器。

参考文献：

[1]张海燕．印刷机与印后加工设备．北京：中国轻工业出版社，2004．

[2]何希才．传感器技术及应用．北京：北京航空航天大学出版社，2005．

[3]王之海．数字化印刷设备接口技术开发：[学位论文]．北京：北京工业大学，2008．