微小位移传感器的自适应修正方法

李天睿

摘  要：微小位移传感器在金融设备中主要作为有价介质（钞票，支票等）的厚度检测传感器，用于判别是否重张，是避免账目问题的重要手段。该传感器对精确度要求较高，而在实际应用环境中，由于传感器衰减、环境变化、积尘等影响，需要经常校准，因此文章导入一种自适应修正方法，能有效地减少校准次数，提高稳定性并确保精度。

关键词：微小位移;自适应;金融设备

中图分类号：TP212      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）02-0061-02

Abstract：The micro displacement sensor is mainly used as the thickness detection sensor of the valuable medium （banknotes，cheques，etc.） in the financial equipment. It is an important means to avoid the account problems. The sensor requires high accuracy，but in the practical application environment，due to the sensor attenuation，environmental change，dust and other effects，it needs to be calibrated frequently. Therefore，this paper introduces an adaptive correction method，which can effectively reduce the number of calibrations，improve the stability and ensure the accuracy.

Keywords：micro displacement;adaptive;financial equipment

0  引  言

微小位移传感器主要用于检测微小位移的变化，一般用于检测几十μm的信号变化。在金融设备中，主要用作有价介质（钞票、支票等）的厚度检测，通过结构设计，通过钞票经过时传感器检测到的位移的变化，来换算出钞票的厚度。钞票厚度一般在100 μm～150 μm之间，属于精密测量范围，因此对传感器的检测精度和准确性要求较高。通常情况下，需要定期校准。基于金融设备的特殊性，每次校准都要在繁琐的手续和较高的安全保证下进行，耗费较多的人力和财力。如何能在保证测量精度和准确性的基础上，延长维护间隔时间，就成为了重点问题。

1  微小位移传感器

微小位移传感器通常有电涡流传感器、霍尔传感器、PSD（Position Sensitive Detectors）光电位置传感器等。从易用性和成本上考虑，PSD具有明显优势。PSD是一种半导体位置敏感器件，它是基于横向光电效应的连续模拟式光斑位置检测器件，其原理是利用光照在不同PSD光敏面的不同位置时光电二极管表面阻抗的变化来检测光斑的位置[1]。和CCD等非连续（分割式）探测器相比，PSD的位置分辨率较高。PSD器件是上世纪70年代研制成功的一种新型位置传感器，由于该器件具有体积小、灵敏度高、线性范围大、噪声低、响应速度快、后续处理电路简单等优点，所以广泛应用于光电位置测量、光学遥控、位移和振动的检测和监控、方向探测、光学边界判别、医用器械、三维位置测量系统以及机器人视觉等方面[2]。

图1是PSD位移检测原理图。LED为发射端，LED发光时，光线从A点发射，经过物体（Object）表面漫反射后有一束光透过O点到达PSD光敏面上，转换为电信号进行测量，当物体位置变化时，反射后到达光敏面的位置也发生变化。在钞票厚度检测中，通过机构传导，将钞票厚度转换到图中Object的位移变化，由于位移变化（BB?），最终引起PSD光敏面光斑位置的变化（bb?），转换为电信号的变化。由于相似三角形原理，光斑位置的变化bb?与位移变化BB?成正比。因此可以根据测量到的电信号变化来计算出位移的变化，从而算出钞票厚度。

2  现有微小位移检测方法

由于PSD检测的光电转换并非完全线性，以及为了避免传感器个体差异，因此为了提高测量精度，通常需要进行校准。如图2所示，在d0位置，传感器输出电压为v0，当钞票经过时，传感器检测到位置为d1，此时传感器输出电压为v1。实际上由于位移较小，每一段曲线都可以得到一个近似的线性曲线关系，v=x-kd。因此根据v0=x-kd0，v1=x-kd1，可以得到v1-v0=-k（d1-d0）即Δv=-kΔd，则k=-Δv/Δd。在做校准时，通过测量A，B两点的电压和位移，可以很容易算出k的值。A，B点的选取，通常选取A为钞票未经过时的点，称为零值。而B点为标准厚度校准钞经过时的点。标准厚度校准钞的厚度即为Δd。为了保证校准精度，通常要求标准厚度校准钞的厚度值稳定，误差控制在±5%以内，为了进一步减小误差，一般采用每次校准使用20张标准厚度校准钞，进行3次校准取平均值的方式确定初始k值。

实际测量中，通常会采集钞票未经过的点A?，和钞票经过时的点B?，通过k值转换计算得到钞票厚度h。由于机构磨损、传感器衰减、积尘等原因，钞票未经过的点采集到的电压即零值点会逐渐偏移。当零值点偏移较大时，原来校準的拟合曲线和实际曲线会出现较大的偏移，原来的k值也会发生变化，再采用原来的k值进行厚度计算时，会出现较大的误差，此时需要重新进行校准，否则容易出现厚度误判，如果实际k值变小，则实际检测到的Δv变小，如果仍采用原来的k值，则计算出来的钞票厚度会变小，当出现重钞（两张钞票叠在一起）时，会被判断为一张合格钞票，而被送出给客户，就会造成银行的损失。反之，如果实际k值变大，最后计算出来的钞票厚度变大，容易误判为重钞，而被当成废钞处理，使拒钞率增高，降低钞票有效使用效率。