CN101303778A - 硬币电导率测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电导率测量仪，属于硬币及其类似物测量识别设施技术领域。该测量仪的信号源通过交流恒流源接含有检测线圈的检测回路，信号源与交流恒流源之间引出基准信号，通过移相电路输入到相敏电路的基准信号输入端；检测回路引出检测信号，通过放大电路输入到相敏电路的检测信号输入端；相敏电路的输出端接CPU芯片的信号输入端；CPU芯片的检测结果输出端接显示电路，用以将运算得出的检测电导率输出显示。本发明与现有技术相比，检测线圈内部和周围无需使用附加磁性材料，并且影币鉴别器采用的是比较法，而本发明采用的绝对值测量法，因此可以尽量减少外围因素的影响。

Description

硬币电导率测量仪

技术领域

本发明涉及一种电导率测量仪，尤其是一种可用于硬币识别器选币的电导率测量仪批，属于硬币及其类似物测量识别设施技术领域。

背景技术

硬币电导率反映了硬币的电学特征，是决定硬币在自动识别系统中综合表象的重要特性之一。因此，硬币电导率的测量和在线检测具有重要的意义。为了使同一币值的硬币在自动识别系统中的综合表象相一致，首先应确保硬币的电导率误差在设定的允许范围内。然而，硬币是一种特殊的产品，其电阻值甚小，且表面又印有花纹，这给硬币电导率的测量带来了极大的困难。

目前，简易的电涡流检测系统包括一个交变信号发生器，一个检测线圈和一个指示器。交变信号发生器供给检测线圈激励电流，从而在被测硬币周围形成激励磁场，该磁场在硬币中感生出电涡流，电涡流又产生自己的磁场，反过叠加到激励磁场中，削弱和抵消激励磁场的变化，结果导致检测线圈的电阻和电感分量变化。因此，硬币的电涡流场中包含了硬币的电阻信息，测量硬币的电导率实质就是测量检测线圈阻抗的变化。

常规电涡流检测是一种检测材料导电性能的表面或近表面无损检测方法。事实上，材料的导电性能随着材料的电导率和磁导率的变化而变化，其中的电导率又受材料的化学成分、材料厚度、材料的热处理情况、材料的内应力大小，以及材料的裂纹、凹坑等缺陷的影响。因此，人们可以从检测到的电涡流变化中得到上述各种因素的综合信息。但是，如果只是检测材料中电涡流的变化，而无其它辅助识别措施，将无法知道是哪一种因素引起电涡流变化，不能达到最终的检测目的。

为了识别各种因素对电涡流的影响，在电涡流检测中的信号处理十分重要。目前广泛使用的电涡流探伤仪几乎都利用差分式线圈进行检测，即应用相敏电路、高低道滤波器以及信号幅度鉴别器得到缺陷的阻抗平面图，然后用当量比较法进行人工识别。所以，对检测人员要求比较高，容易造成人为因素导致的漏判和误判，影响检测质量。

电涡流检测技术在硬币识别领域内也得到了应用，据申请人了解，目前绝大多数硬币识别器使用了电涡流检测技术，只是各硬币识别器在信号处理方面略有不同而已。总的来说，可以分为如下有代表性的两大类：一类是将硬币电导率和磁导率对电涡流的影响不加区别的进行检测，根据它们对振荡电路中的幅度和频率的影响来鉴别硬币。另一类是应用相敏电路将硬币电导率和磁导率对电涡流的影响区别开来，根据与电导率和磁导率相关的量来鉴别硬币。

申请号03113396.7、公开号CN1445726的中国专利公开的硬币识别器属于第一类，不区别硬币电导率和磁导率对电涡流的影响，而是根据它们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L1、L2。当硬币进入检测区时，检测线圈L1、L2的复阻抗会发生变化，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。该硬币识别器考虑到电导率对电涡流的影响，但未将硬币电导率和磁导率的影响区分开，所以不能直接测出硬币的电导率。

申请号200480027758.9、公开号CN1856808的中国专利公开的硬币鉴别器属于第二类，应用相敏电路将硬币电导率和磁导率对电涡流的影响区分开来，再根据与电导率相关量来鉴别硬币。该鉴别器使用连续波CW和脉冲感应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，在相敏电路的作用下，分别提取与硬币表面电导率相关的量和与硬币体电导率相关的量。单片机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。该鉴别器虽将硬币的电导率的影响区分出来，但测出的只是与硬币电导率相关的无量纲的量，因此也不能直接给出硬币的电导率。

检索发现，专利申请号200620069174.4的中国专利公开了一种硬币类物体定量测量仪。该产品使用两个约5厘米长，直径与被测硬币直径一样大的测量电极分别置于硬币的两边，相互间留有一定的间隙，在固定件的包裹下，向间隙内注入耦合剂，使电极与硬币实现完全接触。通过混流电路使测试电流均匀分布流过被测硬币。再将两个电极测试点间的电压，除以电流回路中的电流，就得到相应的电阻，经过数据处理，得到整枚硬币的电导率。该技术方案采用了直接测量法，测量精度高。但是，整个测试过程是电化学反应过程，因此，测试速度较慢。而且某些材料的硬币与耦合剂之间往往会发生化学反应，使得这些测量属于有损测量范畴。

发明内容

本发明的首要目的在于：针对以上现有技术存在的缺点，提出一种可以直接测出硬币及其类似物电导率，并且无损伤的硬币电导率测量仪。

本发明进一步的目的在于：在以上基础上，获得更为精确的检测结果。

为了达到以上首要目的，本发明的硬币电导率测量仪含有信号源和检测线圈，所述信号源通过交流恒流源接含有检测线圈的检测回路，所述信号源与交流恒流源之间引出基准信号，通过移相电路输入到相敏电路的基准信号输入端，用以向相敏电路输送移相的基准信号；所述检测回路引出检测信号，通过放大电路输入到相敏电路的检测信号输入端，用以向相敏电路输送放大的检测复阻抗信号；所述相敏电路的输出端接CPU芯片的信号输入端，用以将根据移相基准信号和放大检测复阻抗信号得到的检测复阻抗和所述检测复阻抗实部输送到CPU芯片；所述CPU芯片的检测结果输出端接显示电路，用以将运算得出的检测电导率输出显示。

借助以上检测仪，输入空载参考信号和空载检测信号，即很容易测算出空载时检测回路的复阻抗。之后，将待测硬币置于检测位置，根据来自检测回路上的电压值和恒流源的电流值，可以测算出此时检测回路的检测复阻抗，再结合相位差，测算出复阻抗的实部电阻值，减去空载时的检测回路电阻值，即可得到被测硬币引起的电阻变化量。由于该变化量直接与材质决定的硬币电阻值相关，因此可以根据该变化量得到相应的硬币电阻值，求其倒数即可得到所需的检测结果——电导率，整个检测过程对硬币没有任何损伤。

为了达到以上进一步的目的，本发明进一步的完善是，所述检测回路由检测线圈与电容串联的LC电路构成。

工作时，交变电磁场发射和电涡流场接收线圈，即检测线圈将交变信号变成相应的电磁波，并接收硬币中电涡流产生的涡流场。随着频率的提高，感抗会特别大，其上电压会特别高，甚至超出放大电路和相敏电路的阈值。为此，本发明在线圈上串联一只电容C，利用其容抗与感抗方向向反的特点，大幅度地降低LC电路复阻抗的虚部，从而使其上的电压值低于相敏电路的阈值，同时还降低了复角，进一步提高了测量精度。

本发明的上述技术方案与中国专利公开号CN1856808(申请号200620069174.4)的硬币鉴别器相比，检测线圈内部和周围无需使用附加磁性材料，并且影币鉴别器采用的是比较法，而本发明采用的绝对值测量法，因此可以尽量减少外围因素的影响。

附图说明

图1是电涡流检测示意图。

图2是电涡流检测的等效电路原理图。

图3是不同电导率和磁导率的几种金属的标准渗透深度与频率的关系，其中1——铁(μ_r＝2000 σ＝2×10⁶S/m)；2——铁(μ_r＝200σ＝10×10⁶S/m)；3——铜(σ＝56×10⁶S/m)；4——铝(σ＝35×10⁶S/m)；5——铜(σ＝12×10⁶S/m)；6——铁(μ_r＝2 σ＝2×10⁶S/m)。

图4是本发明一个实施例的电路框图。

图5是对应图4的电路原理图。

具体实施方式

实施例一

通常，电涡流检测的原理可以用图1和图2表示，硬币总是放在检测线圈中或者接近线圈。由线圈产生一个交变磁场Hp，在Hp的作用下，在硬币中感应出电涡流，电涡流又产生出一个次级磁场HS，它与磁场Hp相互作用，导致原磁场发生变化，使线圈内的磁通改变，从而使线圈的阻抗发生变化。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。检测线圈的阻抗可用复阻抗来表示，即：Z＝R+jX

当一枚硬币接近线圈时，由于硬币中电涡流的作用，线圈的复阻抗会发生变化。其中，实部电阻R的变化直接与硬币的电阻相关，也就是与硬币的电导率相关，虚部X的变化与硬币的磁导率相关。本实施例主要关心实部电阻R的变化量。

当激励线圈中通以交变电流时，硬币中的电涡流密度随着离表面距离的增加而减少，其变化取决于激励频率、硬币的电导率和磁导率。在硬币中感应出的涡流集中在靠近激励线圈的表面附近，这种现象叫做趋肤效应。图3列出了不同电导率、不同磁导率的几种金属的标准渗透深度与频率的关系。

本实施例硬币电导率测量仪的基本构成如图4所示，主要由交变信号发生器1、交流恒流源2、检测线圈L和电容C构成的LC检测回路、放大电路3、整流滤波电路4、移相电路5、相敏电路6、带A/D转换电路的单片机7以及数码显示电路8构成。

交流恒流源2的输入端接交变信号发生器1，输出端接LC检测回路。交流恒流源2的输出电流在1mA-200mA范围内可调，在200Hz-2MHz频率范围内恒流。

交流恒流源2的输出端通过放大电路3接整流滤波电路4，再由整流滤波电路4的输出接单片机7的AN0电源端，为单片机供电。交变信号发生器1和交流恒流源2之间引出第一信号，通过移相电路5后，接相敏电路的基准信号输入端，而LC检测回路的输出端通过放大电路3接相敏电路的检测信号输入端。相敏电路6的输出端接单片机7的AN1信号输入端。单片机7的检测结果数据输出口接LED显示器电路8。

具体电路如图5所示，交流恒流源2主要由PA85构成，放大电路3主要由LF351构成，整流滤波电路4主要由LF353构成，移相电路5主要由LF351构成。相敏电路6主要由一只六史密特转换器4584和两级放大器LF351构成，具体而言，移相电路5的输出经六史密特转换器4584后接第二场效应管T2的栅极，该第二场效应管的漏极接第一级放大器LF351的正相输入端，放大电路3的输出端经并联的电阻R8、R9分别接第一级放大器LF351的反向和正相输入端，该第一级放大器LF351的反相输入端和输出端分别接第一场效应管T1原极和漏极，该第一级放大器的输出经电阻R11、R16、R12接第二级放大器LF351的反向输入端，该第二级放大器LF351的输出作为相敏电路的输出，接单片机7的AN1口。单片机7采用PIC16C73，LED显示器电路8由驱动芯片89C2051和4位LED构成。

检测时，检测线圈通电后产生交变电磁场，当有待侧硬币接近时，又将成为电涡流场接收线圈，即检测线圈将交变信号变成相应的电磁波，并接收硬币中电涡流产生的涡流场。由于随着频率的提高，线圈的感抗将很大，电压会特别高，以至于超出放大电路和相敏电路的阈值。为此，在检测回路的线圈L上串联了一只电容C，利用其容抗与感抗方向向反的特性，大幅度地降低了LC检测回路复阻抗的虚部，从而保证输出电压值低于相敏电路的阈值，同时又降低了复角，从而进一步提高测量精度。

单片机7是本实施例的控制核心，负责信号采集并对其进行运算处理，然后将检测结果输出到显示电路。该单片机7控制的具体检测运算处理步骤为：

第一步、测试检测线圈L空载时的实部电阻值R₁和虚部电感值WL₁

1、单片机从其AN1脚直接测出检测线圈L的复阻抗模Z₁，从其AN0脚直接测出检测线圈L复阻抗的实部，即电阻值R₁；

2、单片机依据式(1)计算出检测线圈L的虚部WL₁值；

即：Z₁＝R₁+jWL₁    (1)

第二步、测试求导标准退火铜块的电阻值表达式

1、将标准退火铜块放到测试位置——测试线圈中部，单片机直接测出其复阻抗模Z和电阻值R；

2、按照式(1)算出复阻抗的虚部X值；

即：Z＝R+jX

3、求标准退火铜块引起的电阻值和感抗变化量；

将以上R₁、R、WL₁、X分别代入式(2)的实部和虚部：

$Z=(R_1+\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left({\mathrm{WL}}_2\right)}^2}{R}_2)+j({\mathrm{WL}}_1-\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left({\mathrm{WL}}_2\right)}^2}W{L}_2)---\left(2\right)$

式中：Z——检测线圈L的复阻抗，Ω；

R₁——检测线圈L的电阻，Ω；

R₂——标准退火铜块的电阻，Ω；

L₁——检测线圈L的电感，H；

L₂——标准退火铜的等效电感，H；

W——交流电流的角频率，rad/S；

M——互感量，H；

由式(2)的实部得： $R=R_1+\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left({\mathrm{wL}}_2\right)}^2}{R}_2$

令： $R-R_1=\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left(w{L}_2\right)}^2}{R}_2=a$

由式(2)的虚部得： $X=w{L}_1-\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left(w{L}_2\right)}^2}w{L}_2$

令： $-(X-w{L}_1)=\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left(w{L}_2\right)}^2}w{L}_2=b$

4、化简a、b表达式；

$\frac{b}{a}=\frac{w{L}_2}{R_2}$

$w{L}_2=\frac{b}{a}{R}_2---\left(3\right)$

5、求标准退火铜块的电阻值表达式；

将式(3)代入a表达式：

$a=\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left(w{L}_2\right)}^2}{R}_2$

$=\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left(\frac{b}{a}\right)}^2{R}_2^2}{R}_2$

$=\frac{W^2{M}^2}{[1+{\left(\frac{b}{a}\right)}^2]R_2^2}{R}_2$

$=\frac{W^2{M}^2}{[1+{\left(\frac{b}{a}\right)}^2]\·R_2}$

$R_2=\frac{W^2{M}^2}{[1+{\left(\frac{b}{a}\right)}^2]\·a}$

即：

第三步、测试求导被测试件的电阻值表达式(参照第二步)

1、将被测试件放到测试位置上，单片机直接测出其复阻抗模Z′和电阻值R′；

2、按照式(1)算出复阻抗的X′值；

即：Z′＝R′+jX′

3、求被测试件引起的电阻值和感抗变化量：将R₁、R′、wL₁、X′分别代入式(2)的实部和虚部：

由式(2)的实部得： $R^{\′}=R_1+\frac{W^2{M}^2}{R_2^{\′2}+{\left(w{L}_2\right)}^2}{R}_2^{\′}$

令： $R^{\′}-R_1=\frac{W^2{M}^2}{R_2^{\′2}+{\left(w{L}_2\right)}^2}{R}_2^{\′}=c$

由式(2)的虚部得： $X^{\′}=w{L}_1-\frac{W^2{M}^2}{R_2^{\′2}+{\left(w{L}_2\right)}^2}w{L}_2$

令： $-(X^{\′}-w{L}_1)=\frac{W^2{M}^2}{R_2^{\′2}+{\left(w{L}_2\right)}^2}w{L}_2=d$

4、化简c、d表达式；

$\frac{d}{c}=\frac{w{L}_2}{R_2^{\′}}$

$w{L}_2=\frac{d}{c}{R}_2^{\′}---\left(4\right)$

5、求被测试件的电阻值表达式；将式(4)代入c表达式得：

$c=\frac{W^2{M}^2}{R_2^{\′2}+{\left(w{L}_2\right)}^2}{R}_2^{\′}$

$=\frac{W^2{M}^2}{R_2^{\′2}+{\left(\frac{d}{c}\right)}^2{R}_2^{\′2}}{R}_2^{\′}$

$=\frac{W^2{M}^2}{[1+{\left(\frac{d}{c}\right)}^2]R_2^{\′2}}{R}_2^{\′}$

$R_2^{\′}=\frac{W^2{M}^2}{[1+{\left(\frac{d}{c}\right)}^2]\·c}$

即：

第四步：求被测试件的电导率；将R_铜、R_件表达式代入式(3)得：

$=\frac{\frac{W^2{M}^2}{[1+{\left(\frac{b}{a}\right)}^2]\·a}}{\frac{W^2{M}^2}{[1+{\left(\frac{d}{c}\right)}^2]\·c}}\×100$

$=\frac{[1+{\left(\frac{d}{c}\right)}^2]\·c}{[1+{\left(\frac{b}{a}\right)}^2]\·a}\×100$

最后，单片机将测量结果通过串行口送给数码显示电路8进行显示。

由于标准退火铜的电学特征值是已知的，在20℃时，其电阻率ρ＝1.7241μΩ·cm；电导率σ＝58.00MS/m；国际退火铜标准σ_x＝100％ICAS，因此可以通过修正校准仪器，也不难此基础上得出以国际退火铜标准单位％ICAS的检测结果。

检测时，将检测线圈置于被测硬币的中央部分。因为硬币的镀层不均匀，而是呈锅状，中间薄，边缘厚，线圈置于中央，可使涡流在硬币的相同部分中流动，避免边缘效应改变电导率读数。

本实施例与上述申请号200620069174.4技术方案的本质区别之一是，线圈内部和周围不使用附加磁性材料，要求尽量减少外围的影响，不是采用比较法，而是使用绝对值测量法得到检测结果。

总之，本实施例的检测仪直接应用电涡流技术，可以精确测量硬币、硬币坯饼及硬币生产过程中半成品的电导率。既可用于硬币电导率的检测、分析及硬币的鉴别；也可以用于硬币生产过程的在线检测。亦可用于为硬币识别器选取样币。与现有技术相比，本实施例具有如下的有益效果：

①以电磁感应理论为基础，因此进行电涡流检测时，检测线圈不必与被测硬币紧密接触，不需用耦合剂，检测过程不影响被测硬币。

②以单片机为核心，外围芯片少，测试速度快。

③大电流、宽频带交流恒流源为输出提供功率驱动，可根据需要，随时改变测量频率和测量电流(而现有硬币识别器使用振荡电路与线圈相联来发射，接收电磁波，频率相对固定，每改一次频率，都要改变设计，并要再调试)。

④检测线圈不使用磁性材料作附料，大大地提高了测量精度。

⑤检测线圈L与电容C串联构成LC电路，大大地降低了复阻抗的虚部，既保证了检测的顺利，也有利于提高测量精度。

⑥复阻抗公式由原先

$Z=R_1+\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left({\mathrm{WL}}_2\right)}^2}{R}_2+j({\mathrm{WL}}_2\left(\mathrm{\μ}\right)-\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left({\mathrm{WL}}_2\right)}^2}{\mathrm{WL}}_2)$

修正为

$Z=R_1+\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left({\mathrm{WL}}_2\right)}^2}{R}_2+j(\mathrm{W\μ}{L}_2-\frac{1}{\mathrm{WC}}-\frac{W^2{M}^2}{R_2^2+{\left({\mathrm{WL}}_2\right)}^2}{\mathrm{WL}}_2)$

具有切实的理论依据。

⑦可以借用退火铜为所有测量定值。

⑧检测结果具有量纲，可以是电阻率量纲μΩ·cm，或电导率量纲MS/m，或国际退火铜标准单位％ICAS，无需进一步人工换算。

Claims (5)

1.一种硬币电导率测量仪，含有信号源和检测线圈，其特征在于：所述信号源通过交流恒流源接含有检测线圈的检测回路，所述信号源与交流恒流源之间引出基准信号，通过移相电路输入到相敏电路的基准信号输入端，用以向相敏电路输送移相的基准信号；所述检测回路引出检测信号，通过放大电路输入到相敏电路的检测信号输入端，用以向相敏电路输送放大的检测复阻抗信号；所述相敏电路的输出端接CPU芯片的信号输入端，用以将根据移相基准信号和放大检测复阻抗信号得到的检测复阻抗和所述检测复阻抗实部输送到CPU芯片；所述CPU芯片的检测结果输出端接显示电路，用以将运算得出的检测电导率输出显示。

2.根据权利要求1所述的硬币电导率测量仪，所述检测回路由检测线圈与电容串联的LC电路构成。

3.根据权利要求1或2所述的硬币电导率测量仪，所述交流恒流源的输出电流范围为1mA-200mA，频率范围为200Hz-2MHz。

4.根据权利要求3所述的硬币电导率测量仪，所述交流恒流源的输出端还通过放大电路和整流滤波电路接CPU的电源端，用以为CPU供电。

5.根据权利要求4所述的硬币电导率测量仪，所述相敏电路主要由一只六史密特转换器和两级放大器构成，所述移相电路的输出经六史密特转换器后接第二场效应管的栅极，所述第二场效应管的漏极接第一级放大器的正相输入端，所述放大电路的输出端经并联的电阻分别接第一级放大器的反向和正相输入端，所述第一级放大器的反相输入端和输出端分别接第一场效应管的原极和漏极，所述第一级放大器的输出经电阻接第二级放大器的反向输入端，所述第二级放大器的输出作为相敏电路的输出。

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