基于電渦流傳感器的硬幣辨偽系統的設計*

郭 玉，李彥梅，王 鵬

(安慶師范學院物理與電氣工程學院，安徽安慶246011)

自動售貨機、投幣電話機、游戲機、公交自動售票等一系列自動服務系統的廣泛應用，假硬幣給一些部門帶來很大損失。而假幣主流是壹元硬幣，其主要有兩種形式［1］，一種是用于市面流通，與真幣相比材質差異較大;如假幣模壓工藝差，圖紋模糊，鍍層薄，較易生銹腐蝕;另一種是專門用于自動服務場所的假幣，其材質與真幣非常接近，但圖案花紋與真幣完全不同，往往偽裝成游戲幣。硬幣辨別有光電管檢測法、圖像對比法、應變片測重法、激光掃描法和渦流檢測法等，而渦流檢測法具有結構簡單、成本低、非接觸實時測量等優點被廣泛應用［2－5］。

目前，渦流檢測法大多是根據激勵磁場線圈幅值的變化，即可測出真假幣的幅值大小，而且真假幣通過時其改變的幅值是不一樣的，從而達到檢測真假幣的目的。眾所周知，實際應用中電子線路元器件受溫漂的影響是比較大的，由于有些真假幣材質相差并不是很大，導致信號差距很小，若溫漂影響稍大一點，則很難準確檢測，另外真假幣差別是較小的，傳感器出來的信號是非常微弱的，還需要一定的處理電路。而本文是通過測量輸出信號的頻率進行硬幣辨偽，不需要復雜的處理電路，另外頻率受外界干擾小，這樣識別率比較高。

1 渦流傳感器測量原理

電渦流傳感器工作原理圖如圖1所示，當金屬導體被置于振蕩器線圈的交變磁場H1中時，在金屬導體中感應出電渦流，并產生一個與原磁場方向相反的新磁場H2，兩者相互作用，改變了線圈的電感、阻抗及品質因數等參數［6］。線圈的這些參數變化與被測金屬電阻率ρ、磁導率μ、勵磁頻率f以及線圈與被測金屬體的距離d等有關。因此可以利用線圈這些參數的變化［7］，把對被測導體所要測量的量變換成電量的形式來測量。

圖1 電渦流傳感器工作原理圖

若金屬導體等效為一個短路線圈，它與傳感器線圈之間有磁耦合，設互感系數用M表示。電渦流傳感器渦流效應的等效電路圖［8－9］如圖2所示，其中L1和R1為傳感器線圈的電感和電阻，L2和R2為金屬導體的等效電感和電阻。

圖2 渦流效應的等效電路

根據克希荷夫定律及所設電流參考方向，寫出方程為:

解方程可得:

線圈等效阻抗為:

線圈的等效電感為:

式(6)中［10－11］，第①項 L1與靜磁效應有關，線圈與導體構成一個磁路，其有效磁導率決于此磁路，當導體為磁性材料時，L1根據線圈與導體距離變化而變化，如導體為非磁性材料時，L1不變;第②項L2為電渦流的反射電感，使得傳感器的等效電感減小，當靠近傳感器的導體為非磁性或硬磁材料時，L將減小，若為軟磁性材料時，L將增大。故由式(6)可知，靠近傳感器的導體不同，L和Z的大小將會不同。

2 硬幣辨偽系統設計

辨偽電路主要由振蕩電路、傳感器、控制及顯示電路等幾部分組成，電路圖［12］如下圖3所示。

圖3 硬幣辨偽系統

2.1 振蕩電路

硬幣的真假是通過振蕩輸出信號頻率的大小來判斷，振蕩電路由555定時器和傳感器組成。圖中OUT為振蕩電路的輸出，其為一方波信號，振蕩頻率f與L成反比，與R成正比關系，即f=K·R/L，式中K為比例系數，從上式可知，若電路中電感L和電阻R改變時，f就會跟著改變，若固定一個參數，則可以找出頻率與另一參數的關系。文中將電阻R固定，當有不同硬幣通過時，傳感器的L不同，從而被測信號的頻率不同。

2.2 傳感器的設計

辨偽系統的核心就是渦流傳感器，它決定了鑒別真假的準確率。文中傳感器是由直徑為0.22 mm的漆包線在“工”字型鐵氧體磁芯上自己繞制的線圈，匝數為100，當不同厚度和材質的硬幣通過傳感器時，將引起不同的渦流效應，從而傳感器線圈的等效電感L將發生變化，則多諧振蕩電路輸出信號頻率就會改變。本文通過單片機采集振蕩信號的頻率對硬幣的真假進行鑒別。

為了能夠提高辨偽的準確度，采用兩種不同結構的傳感器對硬幣進行實際辨別，即單側傳感器和雙側對稱傳感器，其硬幣檢測示意圖［5］，如圖4所示。

雙側傳感器采用了差分結構，則輸出信號的頻率受硬幣的擺動、溫度、干擾噪聲等環境因素影響小。從而提高了辨偽的準確度，減少誤檢幾率小。采用兩種不同結構的傳感器進行了多次實驗測試，實驗結果(見表1、2)表明，雙側傳感器檢測時，真假硬幣通過時的輸出信號頻率差別度較大，通過頻率的判斷能夠正確地區分真假硬幣。

2.3 控制和顯示電路的設計

控制與顯示電路主要以AT89S51單片機為控制核心，其主要完成頻率的測量、數據處理、顯示和報警系統的控制。頻率測量和數據處理利用單片機內部資源;顯示電路采用功耗低的液晶顯示模塊LCD1602，顯示真幣的個數;報警電路采用繼電器，當有假幣通過時，進行報警。由于振蕩電路輸出為方波信號，單片機可以直接采集，不需外加信號處理電路，從而使電路簡單化。

2.4 軟件設計

(1)頻率測量和數據處理

數字信號的頻率為1 s內數字脈沖的個數，本文頻率的測量是由單片機內部的兩個16 bit定時/計數器來現實，其中一個用來定時1 s，一個用于計數。將輸出信號送入單片機，在1 s內通過的脈沖個數即為輸出信號的頻率。單片機系統的標準頻率比較穩定，所以其定時1 s的誤差通常情況下非常小。

輸出信號頻率的動態測量和數據處理利用單片機內部資源完成。有硬幣通過時，首先將測量頻率值與單片機內部存儲的頻率值(真硬幣的頻率范圍)進行比較，當頻率在真幣頻率范圍內時，則硬幣為真，將真幣個數加一，并顯示出;否則，為假幣，并進行報警。

(2)軟件程序

程序主要包括主程序和中斷服務程序，主程序包括初始化和顯示程序。其中T1為定時，T0為計數，R4、R5和R6、R7分別存放真幣的頻率范圍值，R3存放真硬幣個數。其軟件流程如下圖5所示。

圖5 軟件流程

3 實測結果

采用單傳感器和雙傳感器進行多次實驗，當測量頻率(無硬幣通過時)在300 kHz左右時，測量精度比較高，本實驗中將頻率固定在300 kHz，在單個和雙傳感器作用下，對部分一元真假硬幣進行測量(頻率測量采用自設計的頻率計)結果如下表1、表2所示。

表1 單側傳感器時壹元真、假硬幣測試頻率

表2 雙側傳感器時壹元真假硬幣測試頻率

從表1、2可知，采用單側傳感器時，大部分假幣與真幣頻率差別較大，而游戲幣與真幣的頻率很接近，難以區分;采用雙側傳感器時，真幣和假幣的頻率差別較大，再加上軟件處理可從頻率上區分開。本系統傳感器采用雙側傳感器，進行了實際測量，真硬幣的頻率范圍為300 600 Hz～301 000 Hz，對不同年限壹元硬幣鑒別，準確度達95%以上。

4 結論

基于渦流傳感器的硬幣檢測系統能夠從硬幣的材質和厚度兩個參數反映硬幣的特點，大大提高了硬幣的鑒別率，且檢測速度快，結構簡單、靈敏度高。隨著硬幣流通量的增加及銀行自動化的要求，該系統具有一定的實用價值。

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