董今彤，劉　佳

(沈陽中鈔信達(dá)金融設(shè)備有限公司，遼寧沈陽　110044)

1　設(shè)計(jì)原理

1．1超聲波基礎(chǔ)特性

超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)在媒質(zhì)中的傳播過程，其頻率一般在20 kHz以上。與普通聲波相比，具有如下特性：

(1)束射特性。由于超聲波的頻率高、波長短，所以超聲波射線和光線一樣，遵守幾何光學(xué)的定律，能夠反射、折射，還能聚焦。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時(shí)，入射角等于反射角；當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生折射，即會(huì)改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度相差越大，折射愈大。

(2)吸收特性。聲波在各種物質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，這是因?yàn)槲镔|(zhì)會(huì)吸收掉它的部分能量。對同一物質(zhì)，超聲波的頻率越高，吸收越強(qiáng)。對頻率一定的聲波，在空氣中傳播時(shí)吸收最強(qiáng)，在固體中傳播時(shí)吸收最弱。

(3)高功率性。當(dāng)聲波到達(dá)某一物質(zhì)中時(shí)，聲波的作用使得物質(zhì)中的分子也跟著振動(dòng)，振動(dòng)的頻率和聲波頻率―樣，頻率決定了速度，頻率越高，速度越快。分子由于振動(dòng)所獲得的能量除了與分子的質(zhì)量有關(guān)外，還與分子振動(dòng)的速度有關(guān)。速度越快，能量越高。超聲波的頻率比普通聲波高很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得更大的能量，超聲波可以使物質(zhì)獲得足夠大的功率。

(4)聲壓作用。當(dāng)聲波通入某物體時(shí)，由于聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，從而使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動(dòng)引起附加壓力的現(xiàn)象叫聲壓作用。

超聲波之所以在工業(yè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，主要是利用它的高功率特性。超聲波的頻率升高，相應(yīng)地波長就變短，因而波長可與傳播超聲波的試樣材料的尺寸相比擬，甚至波長可遠(yuǎn)小于試樣材料的尺寸，因此超聲波可用于測量厚度尺寸很小物體。

1．2超聲波檢測紙幣質(zhì)量及厚度的原理

聲波傳播時(shí)，能流密度和聲壓幅將衰減；首先，球面波由于波射線發(fā)散而波面增大，有限能流分布的面積增大，故聲強(qiáng)聲壓幅均衰減。另一方面，對于平面波，傳播過程中部分能量被 介質(zhì)吸收，轉(zhuǎn)變?yōu)闊徇\(yùn)動(dòng)能，故聲強(qiáng)逐步衰減，如式(1)、式(2)所示：

Id=Ie-ad

(1)

Lid=Li-a0d

(2)

式中：I為入射初始聲強(qiáng)；Id為深入介質(zhì)d處的聲強(qiáng)；a、a0為衰減系數(shù)，與波的頻率及介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)；Lid和Li為開始入射和深入介質(zhì)d處的聲強(qiáng)級，dB．

超聲波檢測紙張厚度，主要是基于超聲波吸收特性原理。超聲波的發(fā)射和接收傳感器位于紙幣運(yùn)送通道的兩端，間距可以<5 mm，入射角可以為5°左右。超聲波傳感器線性排列，直徑9．8 mm的傳感器需要18對組成，以保證對紙幣的全覆蓋。當(dāng)沒有紙張通過傳感器，或有透明膠帶拼接的紙幣，或有孔洞和撕裂的紙幣，甚至雙張或多張紙幣通過傳感器時(shí)，聲波的傳播強(qiáng)度在改變，空張時(shí)傳播強(qiáng)度在空氣中衰減后，由接受傳感器收到的強(qiáng)度為基準(zhǔn)，其他情況時(shí)，傳播強(qiáng)度由于紙張對聲波的反射、散射和折射等情況，衰減變化值相應(yīng)變大，通過計(jì)算超聲波在被檢查紙幣中的傳播強(qiáng)度的變化與檢測模板(超聲波通過全新紙幣所建立的數(shù)據(jù)圖形模板)的差異，不但能夠定性地判斷出被檢查紙幣的紙質(zhì)狀況，還可以將有透明膠帶拼接的紙幣，或有孔洞和撕裂的紙幣檢查出來。圖1為超聲波檢測不同類型鈔票的輸出電壓波形圖。

圖1　超聲波檢測不同類型鈔票的輸出電壓波形圖

用新鈔的各個(gè)通道的波形平均幅度做基準(zhǔn)，很容易檢查出某通道的平均輸出電壓大大高于這個(gè)基準(zhǔn)，可判斷出鈔票過厚，以此檢測出透明膠帶。

2　紙幣厚度檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

以ARM芯片STM32F103VB6為控制核心，外部電路包括18路超聲波發(fā)射電路、18路超聲波接收電路、18路包絡(luò)檢波電路和多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)電路。超聲波發(fā)射頭和接收頭都一字排列，上下對應(yīng)，間隙5 mm．當(dāng)鈔票通過檢測通道時(shí)，發(fā)射頭發(fā)射超聲波，超聲波穿過鈔票后由接收頭接收，經(jīng)由放大、檢波電路后，通過模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)由ARM芯片的AD口進(jìn)行采集。不管是鈔票撕裂、粘接膠帶和折疊，凡是造成鈔票厚度變化，超聲波穿透時(shí)衰減的幅度就會(huì)不同，在采集的各路數(shù)據(jù)中就會(huì)體現(xiàn)出來，從而可以準(zhǔn)確分析出鈔票各種特征。圖2為整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡略框圖。

圖2　電路設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)簡略圖

2．1超聲波發(fā)射電路

ARM芯片的IO口PA1控制18路超聲波的產(chǎn)生，頻率為40 kHz的方波，并通過PA1口接到 CD4069，而后面的CD4069則對40 kHz頻率信號進(jìn)行調(diào)理，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。圖3為一路超聲波發(fā)射電路。

圖3　超聲波發(fā)射電路

2．2超聲波接收電路

接收電路由OP37構(gòu)成的兩級運(yùn)放電路和TL082構(gòu)成的二階帶通濾波電路組成。因該系統(tǒng)頻率較高，回波信號非常弱，為mV級，因此設(shè)計(jì)成兩級放大電路，第一級放大100倍，第二級放大50倍，共放大5 000倍左右。帶通濾波器的中心頻率為40 kHz．信號由Vout輸出后經(jīng)包絡(luò)檢波器檢波，去掉40 kHz的載波。圖4為一路超聲波接收電路。

圖4　一路超聲波接收電路

2．3峰值包絡(luò)檢波器

包絡(luò)檢波器的作用是去掉40 kHz的載波，選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)使電路輸出能快速跟蹤電路輸入包絡(luò)的變化。輸出波形更接近輸入波形的包絡(luò)，從而降低失真達(dá)到更好效果。圖5為峰值包絡(luò)檢波器電路。

圖5　峰值包絡(luò)檢波器電路

2．4多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)

包絡(luò)檢波器輸出信號，經(jīng)過多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)后接入ARM的AD輸入端。18路模擬信號經(jīng)過3片74HC4052雙四選一模擬開關(guān)，三路信號經(jīng)開關(guān)后變成一路。電路如圖6所示。

圖6　多路模擬轉(zhuǎn)換開關(guān)

超聲波傳感器經(jīng)標(biāo)定后，通過放大器可將1 mm厚度變化轉(zhuǎn)化為0～3．3 V的電壓變化，然后由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為12位的數(shù)字信號，則檢測精度可達(dá)到1/(4 096)=0．000 244 mm，而紙張(60 g/m2)的厚度為0．075 mm，所以檢測精度足夠。另外，超聲波傳感器是通過發(fā)出和接收聲波的形式來檢測距離，所以紙張的平滑度和環(huán)境溫度對檢測效果幾乎無影響，這就決定了用超聲波傳感器檢測紙張厚度的優(yōu)勢。

3　結(jié)束語

超聲波傳感器在紙幣清分機(jī)上的應(yīng)用，可以對鈔票的膠帶拼接、撕裂、孔洞等進(jìn)行有效的檢測。配合圖像傳感器對于紙幣清分有一個(gè)很重要的補(bǔ)充作用。并且超聲波傳感器具有無接觸測量的特點(diǎn)，檢測速度快、精度高、無污染、無損害，是紙幣清分系統(tǒng)中的理想的測厚傳感器。

參考文獻(xiàn)：

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