李 輝

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

隧道磁阻傳感器在清分機厚度測量中的應用

李 輝

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110032）

高質(zhì)量清分機，要對鈔票的厚度進行檢測，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行測量。該器件具有高靈敏性和高線性度，可以實現(xiàn)對厚度的微小變化進行檢測，因此非常適合用在清分機鈔票測厚中，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；高精度；磁場變化；測厚；數(shù)據(jù)校準算法

1 高精度厚度測量背景介紹

高精度鈔票處理清分機都需要對鈔票進行厚度檢測，以便清分出膠帶粘結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位置精度很高，機械上實現(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，從而檢測出實際厚度，這種方法易被外部噪音干擾，相鄰通道串擾比較嚴重，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械結構加上高靈敏磁場檢測傳感器，實現(xiàn)高精度鈔票厚度測量的裝置。

2 機械設計原理

檢測厚度裝置的基本原理：通過兩個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變成電信號［2］，再通過AD采集［3］轉變成數(shù)字量進入ARM［4］或DSP進行數(shù)據(jù)處理。

機械結構由兩個測厚輥輪、支架、彈簧、杠桿、傳感器組成，上測厚輥可以繞定點上下運動［5］。機械機構如圖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，上輪沿定點向上運動，運動距離與厚度相關。再通過橋臂帶動磁鋼沿定點轉動，造成磁鋼和傳感器之間距離變化從而改變磁場強度變化，產(chǎn)生相應電信號就可以檢測出厚度。

圖1 機械結構示意圖

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，采用獨特的推挽式惠斯通電橋設計，具有良好的溫度特性以及抗共模信號干擾能力。該芯片包括四個非屏蔽的高靈敏度TMR傳感器元件，當平行于傳感器芯片靈敏度方向的磁場變化時，惠斯通電橋提供差分輸出信號，SML-F0103芯片的每個橋臂是一個約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，通過匹配的磁路設計，可以實現(xiàn)電流、磁場、角度、位置等物理量檢測。有如下特點：

.TMR（磁隧道結）技術

.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度變化的典型曲線。

圖2 傳感器磁場強度和電壓輸出關系

4 單路測厚信號放大電路設計

圖3為一個TMR磁場傳感器和運算放大器組成的信號放大電路，在靜態(tài)時由于傳感器在磁場中感應一定信號所以運放輸出有一個靜態(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)，當有鈔票通過兩個輥輪之間時，磁鋼移動造成磁場變化從而TMR橋產(chǎn)生信號輸出并經(jīng)過運放放大?？梢哉{(diào)節(jié)磁鋼強度使最厚鈔票通過時不使輸出信號失真［7］。

5 數(shù)據(jù)采集和控制電路

在清分機測厚設計中一般要對鈔票全幅進行厚度檢測［8］，但由于結構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依次進行通道切換輪流被采集進中央處理單元，然后經(jīng)過換算計算出每個通道厚度值。

圖3 單路測厚信號放大電路

6 厚度校準算法介紹

用下列方程來代表厚度和AD輸出值之間的關系：

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

在2個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轉換后的值（Y1），則：

在2個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轉換后的值（Y2），則：

二元一次方程組求出k＝（Y2-Y1）／（X2-X1），a＝Y1-kX1。計算出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 結束語

在清分機中，測厚只是其中一個檢測項目，這里只對其中的鈔票厚度檢測原理進行闡述。實驗證明這種測厚方法在檢測鈔票厚度中有較高的精確度，分辨率可達到0.01毫米。和紅外識別鈔票圖樣、磁感應傳感器檢測鈔票本身的磁信息等項目配合使用，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速測量裝置的設計和開發(fā)［J］.數(shù)字技術與應用，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］.機電工程技術，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單片機原理與工程實踐［M］.武漢：武漢理工大學出版社，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嵌入式實戰(zhàn)開發(fā)精解-基于STM32F4［M］.北京：北京航空航天大學出版社，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用［J］.傳感技術學報，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［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.紙幣清分機測厚技術的設計與研究［J］.學術交流，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

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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：計算機應用。

2016-06-15