CN100568298C - 硬币磁电特性参数静态扫频检测方法及检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及硬币磁电特性参数静态扫频检测方法及相应的检测仪，属于硬币鉴伪技术领域。该方法将在预定频率范围变化的扫频电信号加载到检测线圈；将待测硬币置于检测线圈一侧，使其产生涡流并形成逆磁场；记录检测线圈的一组视在阻抗变化数据；对测得的视在阻抗变化数据进行数据处理；以数据处理结果作为待测硬币的特性数据，与系列标准硬币的对应标定特性数据相比较，从而得出检测结果。相应的检测仪由扫频信号发生器、检测线圈、微处理器等部分构成。本发明采用有别与现有技术方法的扫频方式，可以检测硬币在连续频段上的磁导率和平均电导率等变化，从而确定各类硬币在广泛频率下的磁电特征参数，以实现硬币机读磁电特征的防伪设计与检测。

Description

硬币磁电特性参数静态扫频检测方法及检测仪

技术领域

本发明涉及一种硬币参数的检测方法，同时还涉及相应的检测仪器，属于硬币鉴伪技术领域。

背景技术

在自动售货机之类的机具中，普遍采用硬币进行交易。在硬币自动识别过程中，磁电特征是区分硬币种类与面额的主要依据之一。为了使同一币值的硬币在自动识别系统中的综合表象相具有唯一性，首先应确保硬币的磁电特征在应用范围内具有唯一性。因此，检测硬币在一个通用频段内的磁电特性具有重要的意义。

电涡流检测技术在硬币识别领域内得到广泛应用，其基本原理如图1所示。当通有交变电流的线圈产生交变磁场Hp时，在Hp的作用下，邻近的硬币中感应出电涡流，电涡流又产生出新逆磁场H_S，它与原磁场Hp相互作用，使线圈内的磁通改变，从而使线圈的视在阻抗发生变化。硬币的几何尺寸、电导率、磁导率、花纹结构等会改变电涡流的密度和分布，从而改变线圈的阻抗。国内外绝大多数硬币识别器都使用电涡流检测技术，只是各硬币识别器在信号处理方面略有不同而已。这项技术利用了硬币可以使检测线圈的等效电感和电阻产生明显变化的原理，并采用电路间接检测这些变化，由此识别硬币的类型。据申请人所知，上述电路检测方法大致可以分为三种类型：

1、移频法——这是最简单和最廉价的方法，其实质是将检测线圈接入LC振荡电路，组成谐振回路。当被测硬币引起线圈等效参数变化时，谐振频率发生变化，因此可以通过检测谐振频率偏移量识别硬币。其缺点是①受温度影响大，当环境温度变化时，将引起检测线圈自身固有频率发生变化，结果会造成判别结果与判别标准集合的不一致；②传感器与振荡回路之间连接电缆的分布电容与电缆的摆放位置对检测频率有较大的影响，容易导致识别偏颇。

2、变频调幅法——此法较移频法有所改进，在移频检测的基础上增加了对线圈幅度的检测，即以线圈输出电压的幅值和振荡频率太共同作为判别量。该方法相对移频式可以获得更多的信息，在硬币鉴伪电路中应用较多。但仍未避免移频式的缺点。

3、相位检测法——通常以固定的频率驱动检测线圈，然后测试该检测线圈受硬币影响电压或电流的相位(或幅度)，并相位(或幅度)的测试结果反映检测线圈电感和电阻的变化，从而达到识别硬币的目的。其缺点是由于以固定的频率驱动检测线圈，因此电涡流频率范围单一，对于在该频点磁电特征表象相同的硬币难以区分。

公开号为CN1445726的中国专利申请公开了一种硬币识别器，该识别器对硬币电导率和磁导率受电涡流的影响不加区别，而是根据硬币对振荡电路中幅度和频率的影响来鉴别硬币。该识别器内的振荡电路串接一对检测线圈。当硬币进入检测区时，检测线圈的复阻抗就会发生变化，振荡电路的幅度和频率也作相应的变化，识别器对这些变化作一定的处理，形成对应的识别模式，然后再与存储的模式比较，从而判断其真伪和币值。由于该硬币识别器的电涡流频率范围单一，因此具有与上述相位检测法相同的缺点，对于在该频点磁电特征表象相同的硬币无法区分。

此外，公开号为CN1856808的中国专利申请公开了另一种硬币鉴别器，该鉴别器使用连续波CW方法或脉冲感应PI方法来鉴别硬币的真伪和币值。其中连续CW方法使用高、低频率两个交变信号同时驱动单个线圈，采用相敏检测器检测出与硬币表面材质相关的量和与硬币主体材质相关的量。再计算出这两个量的比率。将这些值与机内存储的值相比较，从而确定其真伪和币值。该鉴别器仍然不能从根本上消除硬币检测频点单一导致的误差。

总之，以上现有技术对于在特定频点可能存在的磁电特征表象相同的不同币种均无能为力，不能识别。此外，由于检测参数相对较少，且均为间接物理量，信息量小，难以进行数据分析处理，不适用于硬币机读磁电特征的提取，限制了为硬币制造和防伪提供有用信息。

发明内容

本发明要解决技术问题是：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种硬币磁电特性参数静态扫频检测方法，该方法可以排除外界因素影响，有效区别包括在特定频点磁电特征表象相同的不同币种在内的各种硬币，同时本发明还将给出相应的硬币磁电特性参数静态扫频检测仪。

研究表明，由于硬币的制造通常包括坯饼下料、电镀、印花等多道工序，所以不同的硬币通常具有特定的磁电特性。虽然借助电涡流现象可以反映这些特性，但由于影响硬币磁电特征的因素较多，例如主体材质的电学特性、磁学特性，镀层材质的电学、磁学特性，硬币的制造工艺与结构等，因此要通过不同材质的特性和硬币的构成方式来推知其综合表象极为困难。当通有交变电流的线圈形成临近于硬币面的交变电磁场时，会在硬币内引发涡流，从而形成逆磁场作用于线圈，作用的结果使得线圈的视在阻抗发生了变化，而视在阻抗的变化特征取决于硬币的磁导率、电导率、组成比例以及交变磁场的频率。

本专利发明人在以上研究过程中逐渐意识到，当在预定有效的频段范围内对线圈在硬币或其等效组合体影响下的视在阻抗变化进行连续精确检测，将开辟解决上述本发明技术问题的一条可行途径。经总结归纳，申请人得出本发明的硬币磁电特性参数静态扫频检测方法步骤如下：

1)、将以预定规律在预定频率范围变化的扫频电信号加载到检测线圈；

2)、将待测硬币以预定间距置于检测线圈一侧，使其产生涡流并形成逆磁场；

3)、记录检测线圈在预定频率范围因逆磁场作用而导致的一组视在阻抗变化数据；

4)、对测得的视在阻抗变化数据按预定算法进行数据处理；

5)、以数据处理结果作为待测硬币的特性数据，与系列标准硬币的对应标定特性数据相比较，从而得出检测判定结果。

以上所述的预定算法很多，之一是先分别求取检测线圈在不同频率下一组视在阻抗与线圈固有自身阻抗的差值(即线圈空载时的视在阻抗值)，然后相对其固有自身阻抗进行规一化处理，即对每一个检测记录频率点上受硬币逆磁场作用的线圈视在阻抗值除以线圈空载时的视在阻抗值，作为硬币在该频率点的磁电特性。由于该算法求出的是视在频率的相对变化值，因此可以避免不同检测线圈之间的差异对检测结果的影响。

以上预定算法之二是先测出检测线圈在对应检测条件(对应的频率变化以及间距等)下受标准试样(例如100％IACS标准铜)逆磁场作用的一组视在阻抗数据，作为归一化处理的校准参数，然后对测得的检测线圈视在阻抗变化数据进行归一化计算，即在对应每一个检测频率点上，检测线圈受待测硬币逆磁场作用的视在阻抗值除以对应的校准参数，从而作为待测硬币在该频率点的磁电特性。在检测过程中，待测硬币与检测线圈之间具有一定间隙，而间隙的大小对硬币与线圈之间互感系数有影响，互感系数又不易检测。采用该方法时，由于标准式样和被待测硬币的检测值均受互感值的影响，因此规一化运算后可抵消互感系数对检测结果的影响。需要注意的是，标准试样应具有足够厚度，以保证在整个频段内不被涡流穿透。

以上预定算法之三是将测得的检测线圈视在阻抗变化数据转换为阻抗模随频率变化和阻抗相位随频率变化的形式，得出幅度--频率变化曲线和相位--频率变化曲线，然后采用多阶AR模型对扫频曲线的幅度和相位进行拟合，从中得到AR模型的系数，利用该系数对待测硬币的磁电特性进行描述，或以该参数作为硬币的分类依据。

由于理论研究充分证明，当硬币处于交变磁场时，其中感生的电涡流密度随着离表面距离的增加而减少，其变化完全取决于激励频率、以及硬币的电导率和磁导率，因此本发明的方法具有科学依据，切实可行，可以作为待测硬币在不同频率下磁导率和平均电导率特征的机读磁电特征。为了消除边缘效应对检测结果的影响，检测线圈的直径应小于硬币直径的二分之一。

用于实现上述方法的硬币磁电特性参数静态扫频检测仪主要由主要由微处理器、扫频信号发生器、检测线圈、数据分析电路组成；所述微处理器的扫频控制输出端接所述扫频信号发生器的受控端，用以控制扫频信号发生器以预定规律发出在预定频率范围变化的扫频电信号；所述扫频信号发生器的输出接检测线圈的输入，用以将所述扫频电信号加载到检测线圈；所述检测线圈的输出接数据分析电路的信号输入端，用以将待测硬币在预定频率范围产生的逆磁场而导致的一组视在阻抗变化数据输入数据分析电路后，按预定算法进行数据处理；所述数据分析电路的输出接微处理器的输入端，用以将数据处理结果作为待测硬币的特性数据，与系列标准硬币的对应标定特性数据相比较，得出检测判定结果。

可以理解，由于本发明的检测结果不仅可以免受诸如温度等其它外界因素对硬币识别的影响，而且能够有效区别在特定频点磁电特征表象相同的不同币种，因此明显提高了硬币鉴伪的技术水准和准确性，与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为电涡流检测的基本原理示意图。

图2为本发明一个实施例的电路原理框图。

图3为与图2对应的电路原理图。

具体实施方式

实施例一

本实施例按以下具体步骤对硬币磁电特性参数进行静态扫频检测：

1)、将数字频率合成信号发生器产生的3千赫兹到3兆赫兹连续变化的正弦信号，经功率驱动后加载到检测线圈上；

2)、将待测硬币以小于2毫米的固定间距置于检测线圈的一侧(或位置相对固定的两个平行检测线圈之间)，以获得足够的灵敏度；在检测线圈交变磁场的激励下，硬币中产生涡流并形成逆磁场作用于检测线圈，使线圈的视在阻抗发生变化；

3)、由于电磁场在金属表面具有趋肤效应，因此在不同频率激励信号的作用下，检测线圈的视在阻抗发生变化，在信号从3千赫兹到3兆赫兹连续变化过程中，记录下线圈在各频率点的视在阻抗。记录频率点的数量根据分析的精度不同而不同，但不宜少于150个，即每10倍频程内不少于50个；

4)、以上过程虽然可以获得大量反映硬币材质、制造工艺等内容在内的硬币特征信息，但这些数据往往受到检测系统误差的影响，不宜直接应用，有必要按预定算法进行数据处理；

本实施例采用将检测线圈视在阻抗变化数据转换为阻抗模随频率变化和阻抗相位随频率变化的处理方法，即对检测到的每一频点有负载和空载的阻抗值，首先求出有负载模值和相位的大小，然后再用空载的对应模值和相位对有负载时的模值和相位进行用归一化处理和修正，对于所有检测到频点的数据进行这种运算即可得出幅度--频率变化曲线和相位--频率变化曲线，然后采用多阶AR(自然回归系统)模型对扫频曲线的幅度和相位进行拟合，从中得到AR模型的系数，利用该系数对待测硬币的磁电特性进行描述，或以该参数作为硬币分类依据的特性数据。

5)、以数据处理结果作为微机识读的待测硬币磁电特性数据，与系列标准硬币的对应标定特性数据相比较；在容差允许的范围内判定为真币，否则认定为假币。系列标准硬币的对应标定特性数据可以预先测定，存储在样本库中。

测试表明，当扫频频率在大于某一个值(该值对应于该币种的趋肤深度小于硬币厚度的三分之一)的一个范围内，对检测线圈视在阻抗的影响主要是硬币的主体材质；随着检测频率的增高，主体材质的影响逐渐降低，镀层的材料与厚度的影响逐渐明显，镀层的工艺也表现出一定的特征；频率继续增高时，硬币表面的花纹高度于印制工艺也表现出了影响。无论何种硬币均具有一定的厚度，当频率较低时(该值对小于该币种的趋肤深度小于硬币厚度的三分之一)可以穿透硬币，此时的视在阻抗变化反映出了厚度信息，随着频率逐渐降低，厚度的影响逐渐明显。

趋肤效应使得感生涡流的密度从被检硬币的表面到其内部按指数分布规律递减，而涡流的相位差随着深度的增加成比例地增加。通常将电涡流密度衰减为其表面密度的36.8％时对应的深度定义为趋肤深度。趋肤深度是反映电涡流密度分布与被检测硬币的电导率、磁导率及激励频率之间的基本关系的特征值。应根据检测要求来确定渗透深度，合理选择检测频率。

本实施例的硬币磁电特性参数静态扫频检测仪硬件部分的基本构成参见图2所示，由DDS扫频信号发生器信号源、AMP宽带功率驱动电路、检测线圈、I-V变换电路、ADC模/数(A/D)转换电路、LPF低通滤波电路、DFT数据分析电路、微处理器等部分构成。其中，各部分可以按需集成在相应的模块芯片(Module)中。

本实施例具体电路见图5，主要由DSP数字信号处理器6(型号ADS2100)、作为扫频信号发生器的DDS信号源芯片1(型号AD9854)、功率驱动电路2、检测线圈3、I/V转换器电路4、A/D转换电路5、以及集成在DSP数字信号处理器芯片中的低通滤波预处理电路LPF和(傅立叶变换)数据分析电路DFT组成。数字信号处理器的扫频控制输出端接扫频信号发生器中DDS序列发生器的受控端，用以控制扫频信号发生器以预定正弦变化规律发出在预定频率范围(3千赫兹到3兆赫兹)变化的扫频电信号。扫频信号发生器的输出通过集成在DDS信号源芯片内部的D/A以及I/V转换接检测线圈的输入，用以将扫频电信号加载到检测线圈。检测线圈的输出通过I/V以及A/D转换电路接DSP数字信号处理器中LPF预处理电路之后，接DFT数据分析电路的信号输入端，用以将待测硬币在预定频率范围产生的逆磁场而导致的一组视在阻抗变化数据输入数据分析电路后，按傅立叶变换算法进行数据处理。该数据分析电路的输出经DSP数字信号处理器中的微处理器，将数据处理结果作为待测硬币的特性数据，与系列标准硬币的对应标定特性数据相比较，得出检测结果。DSP数字信号处理器通过USB通信接口7与上位计算机通信连接，完成检测数据的传输。

检测时，扫频信号源采用脉冲(DDS)扫频技术，为系统提供了具有极高频率和相位稳定度的扫频信号，保证了检测结果的精确性。宽带功率驱动电路对信号源的信号进行功率放大，为检测线圈提供足够的检测电流；I-V转换装置将检测线圈中包含硬币信息的电流转换成一定幅度的电压，供A/D转换电路转换成数字量，DFT数据分析电路对检测到的信息进行由时域到频域的转换或进行相关运算，获得各频点下检测电压的实部和虚部，微处理器读取DFT的计算结果，并根据信号源的输出幅度计算得出各频点下检测线圈视在阻抗的实际值，并发送到PC机进行后期处理，最终获得所需硬币磁电特性参数静态扫频检测结果。

检测结果的实时分析与处理既可通过接口在PC机中完成，也可以在微处理器中完成。

总之，该实施例采用有别与现有技术方法的扫频方式，可以检测硬币在连续频段上的磁导率和平均电导率等变化，从而确定各类硬币在广泛频率下的磁电特征参数，以实现硬币机读磁电特征的防伪设计与检测，即可为硬币防伪鉴伪设备奠定基础，也可用于流通硬币的机读磁电特征检测和硬币鉴伪。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种硬币磁电特性参数静态扫频检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)、将以预定规律在预定频率范围变化的扫频电信号加载到检测线圈；

2)、将待测硬币以预定间距置于检测线圈一侧，使其产生涡流并形成逆磁场；

3)、记录检测线圈在预定频率范围因逆磁场作用而导致的一组视在阻抗变化数据；

4)、对测得的视在阻抗变化数据按预定算法进行数据处理；所述预定算法为以下A、B、C之一：

A、先分别求取检测线圈在不同频率下一组视在阻抗与线圈固有自身阻抗的差值，然后用每一检测记录频率点上受硬币逆磁场作用的线圈视在阻抗值除以线圈空载时的视在阻抗值，作为待测硬币在该频率点的磁电特性数据；

B、先测出检测线圈在对应检测条件下受标准试样铜逆磁场作用的一组视在阻抗数据，作为校准参数，然后用对应每一个检测频率点上，检测线圈受待测硬币逆磁场作用的视在阻抗值除以对应的校准参数，作为待测硬币在该频率点的磁电特性数据；

C、将测得的检测线圈视在阻抗变化数据转换为阻抗模随频率变化和阻抗相位随频率变化的形式，得出幅度--频率变化曲线和相位--频率变化曲线，然后采用多阶AR模型对扫频曲线的幅度和相位进行拟合，从中得到AR模型的系数，利用该系数对待测硬币的磁电特性进行描述，或以该参数作为硬币的分类依据；

5)、以数据处理结果作为待测硬币的特性数据，与系列标准硬币的对应标定特性数据相比较，从而得出检测判定结果。

2.根据权利要求1所述的硬币磁电特性参数静态扫频检测方法，其特征在于：所述预定规律为正弦变化规律，所述预定频率范围为3千赫兹到3兆赫兹。

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