CN101788280A - 超声波鉴别纸币厚度异常装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超声波鉴别纸币厚度异常装置及其方法，所述装置包括超声波发射器排管、超声波发射槽、超声波接收器排管、超声波接收槽、超声频率信号发生模块、超声频率信号接收模块。所述方法步骤包括：步骤一，超声波辐射强度测定；步骤二，标准纸币检测与特征提取；步骤三，确定鉴别纸币厚度异常的判定阈值；步骤四，任意纸币的在线实时检测与特征提取；步骤五，被测纸币厚度性状特征的鉴别。本发明能够判定被测纸币是否被粘贴胶带纸，同时，能够在不增加其他传感信息的情况下，准确判定被测纸币是否存在破损、残缺、孔洞或折皱等状况。

Description

超声波鉴别纸币厚度异常装置及其方法

技术领域

本发明涉及的是一种非接触式检测技术，具体地说，涉及的是一种超声波鉴别纸币厚度异常装置及其方法。

背景技术

众所周知，货币现钞流通过于频繁的情况下，极易导致现钞纸币的破损，尤其是在经济欠发达的国家和地区，由于电子商务的不普及，更容易造成纸币的破损和残缺。当纸币出现破损时，人们往往会采用透明胶带纸粘贴纸币的破损部位。为了银行能够及时回收此类破损纸币，一般情况下，是通过人工识别与收集的，在被清点货币数量庞大的情况下，无疑是人工识别所难以承受的工作压力。尽管当前在金融行业已经开始逐渐推广使用纸币清分机来替代纸币的人工清点工作，但是，由于现有技术的缺陷，诸多纸币清分机尚不具备能够自动准确地鉴别粘贴有透明胶带纸之类粘贴物的纸币并将其分拣出来的高技术功能。本发明就是针对当前纸币清分机的技术缺陷，提供一种超声波鉴别纸币厚度异常装置及其方法，因此能够有效、准确地鉴别出纸币是否存在粘贴物，还能够有效、准确地识别出纸币是否已经破损或残缺，与此同时，还会将可能出现的“变造币”(假币的一种)一起分拣出来。

经对现有技术文献的检索发现，申请号为200810012029.6的中国发明专利，专利名称为：一种能精确测量超薄工件厚度方法及仪器，该专利提供一种能精确测量超薄工件厚度方法，采用信号处理的方法来提取表征工件厚度的超声波信息，既适合于测量超薄大曲率工件厚度也适合于测量普通工件厚度的超声测厚技术，它的核心是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换从而获得测量结果；一种能精确测量超薄工件厚度方法的仪器，由探头和主机两部分组成，主机部分包括DSP控制模块、超声波发射电路、超声波信号接收电路，信号放大电路、闸门电路、通讯接口，液晶显示器和键盘。该发明能够适合于测量超薄大曲率工件厚度和普通工件厚度，可实时采集超声回波信号，实时的进行快速傅里叶变换，实时计算和存储管壁厚度，可以实现机械化自动测量。但是，该专利技术的主要不足之处在于：第一，该专利技术的算法核心“是对接收到的回波信号进行快速傅里叶变换”，由于该算法必须依靠被测介质的声阻抗与介质所处环境物质声阻抗的显著差别才能获得超声信号功率谱的极值点，并进而通过相邻两个功率谱极值点所对应的频率差才能计算获得被测介质的厚度，显然这种方法无法适用于对纸币厚度异常的鉴别；第二，仪器结构过于复杂与庞大，无法适用于纸币清分机。

经对现有技术文献的检索还发现，徐志辉等发表的论文“基于功率谱分析的表面涂层厚度超声无损测量方法(载《中国表面工程》2004年第6期)，该文献针对厚度小于1mm的薄膜或涂层材料，研究了一种超声测厚信号处理方法；当超声波在两层或多层介质中传播时，不同界面的回波信号会相互叠加并发生干涉；当超声波在厚度L、声速v、声阻抗Z₂的介质(介于声阻抗分别为Z₁和Z₃的两介质之间)中传播，由于界面回波的叠加与干涉，回波信号的功率谱在频率为f₀＝v/4L的奇数或偶数倍处出现周期性极值点，因此，当声速v已知，待测试样的厚度L可由关系式L＝v/2Δf来求得。其中，Δf是相邻两极值的频率间隔。文章根据上述原理，采用水浸聚焦脉冲回波超声检测方法，对镍基高温合金基体上的ZrO₂热喷涂涂层进行了厚度测试，试验结果与金相法测试结果相符。显然该文献所提供的方法只能适合于硬质材料表面喷涂层厚度检测，无法适用于纸币厚度检测，更无法从整体角度来鉴别纸币的厚度异常、破损、残缺与“变造”等状态。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种超声波鉴别纸币厚度异常装置及其方法，使得清分纸币过程能够从整体角度着眼，有效、准确地鉴别出纸币的厚度异常状态，同时还兼具鉴别纸币破损、残缺与“变造”等性状的功能。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明目的之一是提供一种超声波鉴别纸币厚度异常的装置。

所述超声波鉴别纸币厚度异常的装置，包括超声波发射器排管、超声波发射槽、超声波接收器排管、超声波接收槽、超声频率信号发生模块、超声频率信号接收模块。超声波发射器排管的输入接口与超声频率信号发生模块的输出接口连接，接收来自超声频率信号发生模块所生成的超声频率电信号；超声波发射槽罩在超声波发射器排管的超声波发射面上，对列状纵向超声波进行整形，使得列状纵向超声波被转换为形似一张连续的“平板”纵向超声波向外辐射；超声波接收槽罩在超声波接收器排管的超声波接收面上，对抵达超声波接收器排管前的列状纵向超声波进行约束，使得列状纵向超声波从一个缝隙向接收管辐射；超声波接收器排管的输出接口与超声频率信号接收模块的输入接口连接，用以将超声波接收器排管感应到的超声频率电信号传输至超声频率信号接收模块。

所述超声波发射器排管，由多个超声波发射器“一字型”排列而成，利用超声波的叠加与干涉效应而形成列状纵向超声波向外发射，故称之为“超声波发射器排管”；该超声波发射器排管的输入接口，是将“一字型”排列的每个超声波发射器的两端头输入管脚相互并接形成具有两端点的输入接口。所述超声波接收器排管，由多个超声波接收器“一字型”排列而成，用以接收来自超声波发射器排管发射出来的列状纵向超声波，故称之为“超声波接收器排管”；构成超声波发射器排管的超声波发射器的个数和超声波接收器排管的超声波接收器个数由被测试纸币的最大宽度来确定，以超声波信号能够全部覆盖纸币的整个宽度为准，而且超声波发射器排管所包含的超声波发射器个数和超声波接收器排管所包含的超声波接收器个数对应相等；组成超声波接收器排管中的每个超声波接收器的电气信号输出通道各自独立，即每个超声波接收器均具有各自独立的输出接口，每个输出接口又各自独立地与超声频率信号接收模块的对应输入接口连接传输各自的超声频率电压信号。

所述的超声波发射器和超声波接收器是一种结构完全相同的超声波传感器，是依靠其中压电晶片的逆、正压电效应来实现超声波的发射和接收功能，所以又可以将超声波发射器和超声波接收器统称为超声波传感器。所述压电晶片的压电效应，分正压电效应和逆压电效应两种。正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时，内部就产生电极化现象，同时在其两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状态；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。逆压电效应是指：对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象，又称电致伸缩效应，在压电晶片的两个表面被通以电压信号的情况下，会产生机械形变效应，引起压电晶片沿着其表面法线方向上的连续振动；压电晶片的连续振动带动了周围空气的振动，形成一种振动波向周边传播。

本发明所属的超声波鉴别纸币厚度异常装置，具体使用和信息传输过程是：

(1)利用纸币行走结构让被检测纸币依次经过超声波鉴别纸币厚度异常装置以便接受厚度检测。

(2)向被检测纸币发射超声波信号。

当纸币行走结构处于运行状态时，超声波鉴别纸币厚度异常装置始终处于工作状态，由超声波鉴别纸币厚度异常装置中的超声波发射器排管向被检测纸币的表面发射超声波信号，也就是说，由超声频率信号发生模块生成超声频率电信号，超声频率电信号经其输出接口传输至超声波发射器排管的输入接口，超声波发射器排管在电信号的作用下生成列状纵向超声波向外发射，超声波发射槽的入射口紧挨着超声波发射器排管发射端口安装，列状纵向超声波从超声波发射槽的入射口进入，经超声波发射槽的整形作用后，在超声波发射槽的出射口又形成形似一张连续的“平板”纵向波向外辐射；因此使得纸币在近距离经过超声波发射槽的出射口表面时被超声波信号逐行辐射。

(3)超声波接收器排管逐行接收经纸币透射后的超声波信号。

超声波接收槽的入射口与超声波发射槽的发射口相向安装，两者的间距只需保持几个毫米能够保证纸币顺利通过即可；超声波接收器排管的入射端口紧挨着超声波接收槽的出射口安装；由超声波发射槽出射口向外辐射的“平板形”纵向超声波从超声波接收槽的入射口进入，经过超声波接收槽的约束，又从超声波接收槽的出射口射入超声波接收器排管的入射端口；因此超声波接收器排管能够逐行接收到经过纸币吸收而衰减过的超声波信号。

(4)被超声波接收器排管接收到的超声波信号通过压电效应被转化为超声频率电信号；超声频率电信号再经超声波接收器排管的输出接口传输至超声频率信号接收模块输入接口。

(5)超声频率电信号在超声频率信号接收模块中接受处理和分析，最后鉴别出被测纸币的厚度性状等特征。

所述超声波发射器和超声波接收器，即一种性能“合二而一”的超声波传感器，亦称微型超声波传感器，又被俗称为超声波探头。所述微型超声波传感器，既可作为超声波发射器使用，也可作为超声波接收器使用；作为发射器使用时，称之为微型超声波发射器；作为接收器使用时，称之为微型超声波接收器。

所述的微型超声波传感器，包括：压电晶片、电极导线、超声波反射圆锥面、叉式支架、壳体、电极引脚。压电晶片斜置于超声波反射圆锥面中间，压电晶片的底边两角点固定在超声波反射圆锥面上，压电晶片的顶边两角点固定在叉式支架的两点；叉式支架四个支点中的上两个支点固定在超声波反射圆锥面顶部“喇叭口”的圆周上，下两个支点固定在超声波反射圆锥面的锥面上；超声波反射圆锥面的底部“锥尖”与壳体的底部固定连接，超声波反射圆锥面顶部“喇叭口”的圆周与壳体的顶部固定连接；两根电极引脚穿过壳体底部固定，处于壳体内部的两个端头穿透超声波反射圆锥面锥面裸露其金属表面与电极导线焊接；两根电极引脚外露壳体底部的两个端点必须保留一定长度以便与外部超声频率电信号发生电路或接收信号放大电路连接，即起着输入/输出信号接口插头的作用；电极导线共两根，一头分别与压电晶片的两面焊点焊接，另一头分别与电极引脚穿透超声波反射圆锥面的两个端点焊接。

所述的微型超声波传感器作为超声波发射器使用时，有两种接收方式：第一种方式，向外发射超声波信号被遮挡物反射后回到超声波传感器，此时超声波传感器接收的是一种回射波，在这种工作方式下，微型超声波传感器兼具发射与接收超声波信号的功能；第二种方式，采用两个微型超声波传感器单体配对使用，即一个作为超声波发射器向外发射超声波，另一个作为超声波接收器接收来自超声波发射器所发出的超声波，当然，此时在安装工艺上是采取“一对一”相向安装，即两个单体微型超声波传感器分别处于被测物体的正、反两个表面，由一个微型超声波传感器单体向被测物体的正面发射超声波，而由另一个微型超声波传感器从被测物体的背面(反面)接收穿透该物体的超声波信号，此时，每个微型超声波传感器单体仅具有单一的功能，即具有发射超声波或者接收超声波信号的单一功能。

所述超声频率信号发生模块，包括：超声频率信号发生器、发射功率放大器。超声频率信号发生器生成超声频率信号，如40kHz频率信号；超声频率信号发生器的输出接口与发射功率放大器的输入接口连接，用于传输超声频率信号；发射功率放大器的输出接口与超声波发射器排管的输入接口连接，将经过功率放大后的超声频率信号输送至超声波发射器排管转换成超声波向外辐射。所述超声波发射器排管的输入接口，是将“一字型”排列的每个超声波发射器的两端头输入管脚相互并接形成两端点输入接口；换句话说，被“一字型”排列的多个超声波发射器的电信号输入是采用并联输入的方式，这是利用压电晶片超声波发生器的高阻抗输入特性将每个超声波发射器输入端口并接后所形成的并联阻抗能够与发射功率放大器的输出阻抗接近匹配，如单个超声波发生器的阻抗为1200Ω时，15个超声波发生器并联后的输入阻抗就是80Ω。

所述超声频率信号接收模块，由多个前置子模块、信号处理器、数字显示器、控制器组成。所述多个前置子模块，其数量与超声波接收器排管所含有的超声波接收器的个数相对应，即超声波接收器排管排列多少个超声波接收器就配置多少个前置子模块，每个前置子模块包括：输入接口、信号调理器、检波器。其中，每个前置子模块输入接口的输入端口与其所对应的超声波接收器排管中的单个超声波接收器的输出接口连接用于传输单个超声波接收器感应输出的超声频率模拟电压信号；每个前置子模块输入接口的输出端口与信号调理器的输入端口连接用于传输超声频率模拟电压信号；信号调理器的输出端口与检波器的输入端口连接用于传输经过整形与检波后的超声频率模拟电压信号；检波器的输出端口与信号处理器的输入端口连接用于传输对应于超声频率模拟电压信号有效值的直流电压信号；信号处理器的输入通道数与前置子模块的数量相对应，如：配置15个前置子模块时，信号处理器就对应地具备15路输入通道；当前置子模块采用单端信号输出时，信号处理器的输入端口就是对应地采用15路单端输入，加上一个共地端点，信号处理器的输入端口就是一种具备16个端点形式的接口；信号处理器的第一输出端口与数字显示器的输入端口连接用于传输数字显示信息；信号处理器的第二输出端口与控制器的输入接口连接用于传输控制指令。当超声频率信号接收模块的每个前置子模块输入接口接收到来自对应单个超声波接收器输出的超声频率模拟电压信号后，即将超声频率模拟电压信号传输至信号调理器进行整形与检波；经过调理后的超声频率模拟电压信号被检波器检波后获得一个对应于超声频率模拟电压信号电压有效值的直流电压信号；信号处理器对所有对应单个超声波接收器感应输出的超声频率模拟电压信号电压有效值的直流电压信号进行信号比较与统计特征提取，最后将处理结果转换成输出信息经第一输出端口输出至数字显示器予以显示，并通过第二输出端口将控制指令输出至控制器，由控制器去控制纸币的出口流向。

所述的信号处理器，包括：多端输入接口、模数转换器、运算器和输出接口。其中，多端输入接口的输入端口具备多个输入通道，该输入通道的个数与所述前置子模块个数相同并且对应连接用于传输直流电压信号，多端输入接口的输出端口与模数转换器的输入端口连接用于传输电模拟信号，模数转换器的输出端口与运算器的输入端口连接用于传输数字电压信号，运算器的输出端口与输出接口的输入端口连接用于传输显示信息数据和出钞控制指令，输出接口的第一输出端口输出显示信息数据，输出接口的第二输出端口输出钞票出口选择控制指令。

本发明的目的之二在于提供一种超声波鉴别纸币厚度异常的方法。

所述超声波鉴别纸币厚度异常的方法，具体步骤如下：

步骤一，超声波辐射强度测定。

这是开始测试任意纸币之前必须完成的一项标定工作，也就是说，需要测定由超声频率信号发生模块所生成的超声频率信号通过超声波发射器排管向空间发射的超声波强度。超声波信号强度大小可以采用电压或功率等电气度量单位来表示。

通过超声波接收器排管多次实现对超声波信号的行扫描，再由超声频率信号接收模块处理生成超声波信息矩阵。这时超声波信息矩阵中的元素就对应着每次行扫描时空间点位置上的超声波信号强度大小。计算该超声波信息矩阵中元素的数学均值，该数学均值就被称为超声波辐射强度。这是鉴别纸币厚度异常的信息能量来源，也是后续信息处理的基本依据。

所述行扫描，超声波接收器排管接收超声波信号的过程称为扫描，超声波接收器排管一次接收超声波信号，称为一次行扫描。所述超声波信息矩阵，经过多次行扫描后，由超声频率信号接收模块处理生成的行向量依照行扫描先后顺序排列行向量数据构成信号数据矩阵，称为超声波信息矩阵。所述行向量，一次行扫描后，由超声频率信号接收模块处理生成的信号数据序列，称为超声波信息行向量，该行向量的元素序号及维数与超声波接收器排管中超声波接收器的数目相对应。

步骤二，标准纸币检测与特征提取。

所述标准纸币特征提取，即超声波信号下的纸币特征提取。所述特征，根据超声波信息矩阵中元素计算获得的数学均值，称为该超声波信息矩阵的特征；如果超声波信息矩阵是通过超声波信号透射纸币而获取的，则又将该数学均值称之为超声波信号下的纸币特征，简称纸币特征；计算该特征的过程称为超声波信息特征提取，简称特征提取。具体方法如下：

(1)任意选择一张特定面值的标准真币，当该标准纸币在行走结构的带动下通过超声波鉴别纸币厚度异常装置的纸币通道后，由微型超声波接收器排管采集透射纸币后的超声波信号，再由超声频率信号接收模块生成超声波信息矩阵。

(2)将超声频率信号接收模块生成的超声波信息矩阵进行规范化，即将超声波信息矩阵中的所有元素逐一与超声波辐射强度相减；随后再将各自计算结果替代原有元素，并将接近于零的数值全部以0来替换。这个变换过程就称为矩阵的规范化。经过如此变换过程所得到的矩阵称为超声波信息矩阵的规范化矩阵。

(3)去除规范化矩阵中两侧连续全为零的列向量，因此能够确保规范化矩阵中保留下来的元素所代表的被测纸币对应位置点上信息的真实性最强，因为既能全面且不遗漏地将反映纸币在超声波信号透射下的信息记录下来，又尽可能地将没有经过纸币透射而直接抵达的超声波信号排除在外，也就是说，能尽可能地将从纸币周边直接辐射过来的超声波信号所留下的假信息予以剔除。

所述列向量，由超声波信息矩阵中的列元素构成的序列，称为超声波信息列向量。所述“两侧连续全为零的列向量”，是指从矩阵的两侧向内观察，凡是连续、不间隔地出现全为零的列向量，就应该统统予以剔除，但是，如果其中间隔了一个不全为零的列向量后，再出现全为零的列向量，则不属于被剔除的列向量。

(4)以去除两侧连续全为零列向量后的规范化矩阵作为“窗口”来重建一个与其元素位置相对应的标准真币的超声波信息矩阵。称此时获得的超声波信息矩阵为超声波信息重建矩阵。

(5)对超声波信息重建矩阵进行特征提取。

步骤三，确定鉴别纸币厚度异常的判定阈值。

鉴于纸币在现实流通领域票面存在新旧程度上的差别显然是司空见惯的事情，所述判定阈值，就是要针对现实流动纸币掌握其票面新旧程度上的差别，来寻求一种判定阈值。换句话说，对于新旧程度存在不同差别的真纸币，当它们各自接受超声波辐射时，通过本发明装置所接收到的超声波透射信号强弱大小必然会存在相应的差别，势必造成纸币相互之间特征值的差别，所谓判定阈值就是需要确定的判定依据。当然，这是需要掌握足够多的纸币样本通过实验才能确定的，具体的方法有两种：最大差值法和二阶统计学法。

方法一、最大差值法：将已经拥有的当前允许流通的最陈旧纸币按照检测标准纸币一样方法即步骤二对其进行检测与特征提取，然后求取最陈旧纸币与标准纸币两者的特征值差，就是本发明所要确定的鉴别纸币厚度异常的判定阈值。

方法二、二阶统计学法：拥有尽量多的被测纸币样本，包括尽量多的新旧程度各自不同的被测纸币样本，让其一一通过本发明装置的测试，采用检测标准纸币一样方法即步骤二对其进行检测与特征提取；再对这些测试样本，即新旧程度各不相同的被测纸币样本的特征值再计算其均值，根据多个测试样本特征值求取二次均值的过程，称之为二次统计学算法，所求取的二次均值被称为二阶特征值；由此求得的二次均值再跟参与计算的所有特征值中的、与其相差最大者相减，所得到的差值就可以作为本发明所要确定的鉴别纸币厚度异常的判定阈值。

步骤四，任意纸币的在线实时检测与特征提取。

将与标准真币同属一类币种的任意纸币遵循步骤二的方法对其进行检测与特征提取，依次获得超声波信息矩阵、超声波信息矩阵的规范化矩阵等，最终获取被测任意纸币的超声波信息重建矩阵及其对应特征值。

步骤五，被测纸币厚度性状特征的鉴别。

令：鉴别纸币厚度异常的判定阈值为δ、标准纸币特征或测试样本的二次特征值为μ^*、任意纸币特征为μ_r ^*，则对被测纸币厚度性状特征进行鉴别的具体方法如下：

(1)当 $0\≤({\mathrm{\μ}}_r^{*}-{\mathrm{\μ}}^{*})\≤\mathrm{\δ}$ 时，表明被测纸币的厚度正常，即能够判定该纸币没有粘贴胶带纸，也没有出现破损或残缺；

(2)当 $({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})<0$ 时，表明被测纸币的厚度不正常，而且能够判定该纸币粘贴胶带纸或“变造”；

(3)当 $({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})>\mathrm{\&delta;}$ 时，表明被测纸币的厚度不正常，而且能够初步判定该纸币可能出现破损、残缺或“变造”。紧接着，能够利用被测纸币时生成的超声波信息重建矩阵所对应的规范化矩阵“窗口”中的元素分布规律加以判定是否出现破损、残缺或“变造”，因为此时在规范化矩阵“窗口”中必定存在至少一个乃至更多个为0的元素；如果其中为0的元素相互不对称，则表明当前被测纸币必定存在破损或残缺，应该予以拣出，即控制其由假废钞出口流出；否则，当前被测纸币属于走钞过程出现歪斜而造成边缘感应点的超声波信号没有被纸币所遮挡，不应错判为“不正常”。

所述“变造”，假币的一种，是利用真币的一部分与假币的一部分粘贴而成，因其在制假的过程所采用的粘贴材料不同，会出现经其透射的超声波信号强弱变化不一，或衰减或增强，因此会出现 $({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})<0$ 或者 $({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})>\mathrm{\&delta;}$ 的现象。

重复施行步骤四与步骤五的方法，能够连续不断地实现对已经标定过的特定币种纸币厚度异常的在线实时准确鉴别；重复步骤二～步骤五的方法，能够实现对其它任何币种与任何面额纸币厚度异常的准确鉴别，如：美元、欧元等中的任意一种；重复步骤一～步骤五的方法，能够完成对任何一台样机的调试与标定工作。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：第一、能够判定被测纸币是否被粘贴胶带纸；第二、能够在不增加其他传感信息的情况下，准确判定被测纸币是否存在破损、残缺、孔洞或折皱等状况。

附图说明

图1为本发明超声波鉴别纸币厚度异常装置结构示意图；

图2为本发明超声波发射器排管结构示意图；

图3为本发明超声波接收器排管结构示意图；

图4为本发明超声波发射槽机械结构图；

图5为本发明超声波接收槽机械结构图；

图6为本发明中的超声波传感器结构示意图；

图7为本发明超声波鉴别纸币厚度异常装置工作状态示意图，其中，(a)为超声波鉴别纸币厚度异常装置在纸币清分机中的位置示意图，(b)为超声波鉴别纸币厚度异常装置随纸币清分机机箱打开时的姿态示意图；

图8为本发明超声频率信号发生模块结构图；

图9为本发明超声频率信号接收模块结构图；

图10为本发明超声波鉴别纸币厚度异常方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例提供一种所述超声波鉴别纸币厚度异常装置，如图1所示，包括：超声波发射器排管1、超声波发射槽2、超声波接收器排管3、超声波接收槽4、超声频率信号发生模块5、超声频率信号接收模块6。超声波发射器排管1的输入接口与超声频率信号发生模块5的输出接口连接，接收来自超声频率信号发生模块5所生成的超声频率电信号；超声波发射槽2罩在超声波发射器排管1的超声波发射面上，起着对列状纵向超声波的整形作用，使得列状纵向超声波形似一张连续的“平板”纵向超声波向外辐射；超声波接收槽4罩在超声波接收器排管3的超声波接收面上，起着对抵达超声波接收器排管3前的列状纵向超声波的约束作用，使得列状纵向超声波从一个缝隙向接收管辐射；超声波接收器排管3的输出接口与超声波频率信号接收模块6的输入接口连接，用以将超声波接收器排管3感应到的超声频率电信号传输至超声频率信号接收模块6。

如图2所示，系所述超声波发射器排管1的俯视图，由多个超声波发射器101～115“一字型”排列而成，利用超声波的叠加与干涉效应而形成列状纵向超声波向外发射，故称之为“超声波发射器排管”；其输入接口，是将“一字型”排列的每个超声波发射器101～115的两端头输入管脚相互并接形成具有两端点的输入接口。超声波发射器排管1的微型超声波发射/接收器个数为15，是根据被测试纸币的最大宽度来确定，以超声波信号能够全部覆盖纸币的整个宽度为准。

如图3所示，系所述超声波接收器排管3的仰视图，由多个超声波接收器301～315“一字型”排列而成，用以接收来自超声波发射器排管3发射出来的列状纵向超声波，故称之为“超声波接收器排管”。超声波接收器排管3的微型超声波发射器个数为15，是根据被测试纸币的最大宽度来确定，以能够全部接收超声波透射信号为准，而且超声波接收器排管3的15个微型超声波接收器数与超声波发射器排管1的15个微型超声波发射器一一对应。

所述超声波发射槽2的俯视图，如图4所示；所述超声波接收槽4的仰视图，如图5所示。

所述超声波发射器101～115和超声波接收器301～315，即一种“合二而一”的超声波传感器，亦称微型超声波传感器。此类微型超声波传感器，既可作为超声波发射器101～115使用，也可作为超声波接收器301～315使用；作为发射器使用时，称之为微型超声波发射器101～115；作为接收器使用时，称之为微型超声波接收器301～315。本实施例采用两个微型超声波传感器单体配对使用，即一个作为超声波发射器101～115向外发射超声波，另一个作为超声波接收器301～315接收来自超声波发射器101～115所发出的超声波，即两个单体微型超声波传感器分别处于被测纸币的正、反两个表面，由超声波发射器101～115向被测纸币的正面发射超声波，而由超声波接收器301～315从被测纸币的背面(反面)接收穿透纸币的超声波信号。

所述超声波发射器101～115或超声波接收器301～315，被统称为超声波传感器，其内部结构如图6所示，包括：压电晶片1001、电极导线1002、超声波反射圆锥面1003、叉式支架1004、壳体1005、电极引脚1006。压电晶片1001斜置于超声波反射圆锥面1003中间，压电晶片1001的底边两角点固定在超声波反射圆锥面1003上，压电晶片1001的顶边两角点固定在叉式支架1004的两点；叉式支架1004四个支点中的上两个支点固定在超声波反射圆锥面1003顶部“喇叭口”的圆周上，下两个支点固定在超声波反射圆锥面1003的锥面上；超声波反射圆锥面1003的底部“锥尖”与壳体1005的底部固定连接，超声波反射圆锥面1003顶部“喇叭口”的圆周与壳体1005的顶部固定连接；两根电极引脚1006穿过壳体1005底部固定，处于壳体1005内部的两个端头穿透超声波反射圆锥面1003锥面裸露其金属表面与电极导线1002焊接；两根电极引脚1006外露壳体1005底部的两个端点必须保留一定长度以便与超声频率电信号连接或接插，即起着输入/输出信号接口插头的作用；电极导线1002共两根，一头分别与压电晶片1001的两面焊点焊接，另一头分别与电极引脚1006穿透超声波反射圆锥面1003的两个端点焊接。

当微型超声波传感器作为超声波发射器使用时，电极引脚1006与来自外部的交变电气信号连接并接收交变电气信号输入，交变电气信号通过电极引脚1006和电极导线1002就将交变电气信号的电压加在压电晶片1001的正、背面两个焊点上；压电晶片1001在交变电压的压电效应作用下，沿其平面的法线方向产生上下机械振动，进而带动周围的空气形成振动波向外传播；当外部输入的交变电气信号的频率与压电晶片1001的固有振动频率一致时，压电晶片1001便产生共振而形成一种振幅最大，亦即输出功率最大的振动波向外传播；如：微型超声波传感器的固有振动频率为40kHz，外部输入的交变电气信号的频率也为40kHz时，压电晶片便产生共振，因此形成一种振幅最大的振动波向外传播；压电晶片的振动波经过超声波反射圆锥面1003的聚能效应便形成一束具有足够功率的超声波束向外辐射。当微型超声波传感器作为超声波接收器使用时，被接收的超声波从空间射入到超声波反射圆锥面1003，经过反射聚能效应的作用抵达压电晶片1001的正面，被反射到压电晶片1001背面的超声波能量因压电晶片1001斜置角度的关系在压电晶片1001背面的超声波反射圆锥面1003上多次反射，被极大限度地衰耗掉，因此不会对抵达正面的超声波产生能量抵消作用；当接收到的超声波频率与压电晶片1001的固有振动频率一致时，压电晶片1001同样会发生共振现象，即由压电效应所生成的感应电压达到最大值；生成的感应电压信号通过电极导线1002和电极引脚1006与外部的交流放大电路的输入接口相连接输出电压信号；超声波接收器输出电压信号的大小就对应着被接收到的超声波信号的强弱信息。

所述的微型超声波传感器，即超声波发射器101～115和超声波接收器301～315，固有振动频率为40kHz。

本发明超声波鉴别纸币厚度异常装置工作状态如图7所示，其中，(a)为超声波鉴别纸币厚度异常装置在某纸币清分机中的位置示意图，(b)为超声波鉴别纸币厚度异常装置随纸币清分机机箱打开时的姿态示意图。

所述超声频率信号发生模块5，如图8所示，包括：超声频率信号发生器51、发射功率放大器52。超声频率信号发生器51生成40kHz超声频率信号；超声频率信号发生器51的输出接口与发射功率放大器52的输入接口连接用于传输超声频率信号；发射功率放大器52的输出接口与超声波发射器排管1的输入接口连接，将经过功率放大后的超声频率信号输送至超声波发射器排管1转换成超声波向外辐射。所述超声波发射器排管1的输入接口，是将“一字型”排列的每个超声波发射器101～115的两端头输入管脚相互并接形成具有两端点的输入接口；每个超声波发生器的阻抗为1200Ω时，15个超声波发生器并联后的输入阻抗为80Ω。

所述超声频率信号接收模块6，如图9所示，由多个前置子模块601～615、信号处理器8、数字显示器9、控制器10组成。所述多个前置子模块601～615，其数量与超声波接收器排管3所含有的超声波接收器301～315的个数相对应，即超声波接收器排管3排列多少个超声波接收器就配置多少个前置子模块，如：超声波接收器排管3排列15个超声波接收器就对应配置15个前置子模块。每个前置子模块601～615包括：输入接口71、信号调理器72、检波器73。其中，每个前置子模块601～615输入接口71的输入端口与其所对应的超声波接收器排管3中的单个超声波接收器301～315的输出接口连接用于传输单个超声波接收器301～315感应输出的超声频率模拟电压信号；每个前置子模块601～615输入接口71的输出端口与信号调理器72的输入端口连接用于传输超声频率模拟电压信号；信号调理器72的输出端口与检波器73的输入端口连接用于传输经过整形与检波后的超声频率模拟电压信号；检波器73的输出端口与信号处理器8的输入端口连接用于传输对应于超声频率模拟电压信号有效值的直流电压信号；信号处理器8的输入通道数与前置子模块601～615的数量相对应，如：配置15个前置子模块601～615时，信号处理器8就对应地具备15路输入通道；当前置子模块601～615采用单端信号输出时，信号处理器8的输入端口就是对应地采用15路单端输入，加上一个共地端点，信号处理器8的输入端口就是一种16个端点的接口形式；信号处理器8的第一输出端口与数字显示器9的输入端口连接传输数字显示信息；信号处理器8的第二输出端口与控制器10的输入接口连接传输控制指令。当超声频率信号接收模块的每个前置子模块601～615输入接口接收到来自对应单个超声波接收器301～315输出的超声频率模拟电压信号后，即将超声频率模拟电压信号传输至信号调理器72进行整形与检波；经过调理后的超声频率模拟电压信号被检波器73检波后获得一个对应于超声频率模拟电压信号电压有效值的直流电压信号；信号处理器8对所有对应单个超声波接收器301～315感应输出的超声频率模拟电压信号电压有效值的直流电压信号进行信号比较与统计学处理，最后将处理结果转换成输出信息经第一输出端口输出至数字显示器9予以显示，并通过第二输出端口将控制指令输出至控制器10，由控制器10去控制纸币的出口流向。

所述的信号处理器8，包括：多端输入接口、模数转换器、运算器和输出接口。其中，多端输入接口的输入端口具备15个输入通道与15个前置子模块对应连接用于传输直流电压信号，多端输入接口的输出端口与模数转换器的输入端口连接用于传输电模拟信号，模数转换器的输出端口与运算器的输入端口连接用于传输数字电压信号，运算器的输出端口与输出接口的输入端口连接用于传输显示信息数据和出钞控制指令，输出接口的第一输出端口向数字显示器9输出显示信息数据，输出接口的第二输出端口向控制器10输出钞票出口选择控制指令。

本实施例中，所述超声波鉴别纸币厚度异常装置使用和信息传输过程是：

(1)如图6所示，利用纸币行走结构让被检测纸币依次经过超声波鉴别纸币厚度异常装置的纸币通道以便接受厚度检测。

(2)向被检测纸币发射超声波信号。

当纸币行走结构处于运行状态时，超声波鉴别纸币厚度异常装置式中处于工作状态，由超声波鉴别纸币厚度异常装置中的超声波发射器排管1向被检测纸币的表面发射超声波信号，即由超声频率信号发生模块5生成超声频率电信号，超声频率电信号经其输出接口传输至超声波发射器排管1的输入接口，超声波发射器排管1在电信号的作用下生成列状纵向超声波向外发射，超声波发射槽2的入射口紧挨着超声波发射器排管1发射端口安装，列状纵向超声波从超声波发射槽2的入射口进入，经超声波发射槽2的整形作用后，在超声波发射槽2的出射口又形成形似一张连续的“平板”纵向超声波向外辐射；因此使得纸币在近距离经过超声波发射槽2的出射口表面时被超声波信号逐行辐射。

(3)超声波接收器排管3逐行接收经纸币透射后的超声波信号。

超声波接收槽4的入射口与超声波发射槽2的发射口相向安装，两者的间距只需保持几个毫米能够保证纸币顺利通过即可，如：间距取5mm；超声波接收器排管3的入射端口紧挨着超声波接收槽4的出射口安装；由超声波发射槽2出射口向外辐射的“平板形”纵向波从超声波接收槽4的入射口进入，经过超声波接收槽4的约束，又从超声波接收槽4的出射口射入超声波接收器排管3的入射端口；因此超声波接收器排管3能够逐行接收到经过纸币吸收而衰减过的超声波信号。

(4)被超声波接收器排管3接收到的超声波信号通过压电效应被转化为超声频率电信号；超声频率电信号再经超声波接收器排管3的输出接口传输至超声频率信号接收模块6输入接口。

(5)超声频率电信号在超声频率信号接收模块6中接受处理和分析，最后鉴别出被测纸币的厚度性状等特征。

实施例2

本实施例基于上述的超声波鉴别纸币厚度异常装置，提供一种超声波鉴别纸币厚度异常方法，具体步骤如下：

步骤一，超声波辐射强度测定。

实施超声波辐射强度测定的具体方法如下：

(1)超声波发射器排管发射出的超声波信号依次经超声波发射槽和超声波接收槽抵达超声波接收器排管，由超声波接收器排管实现对超声波信号的行扫描；超声波接收器排管输出的超声频率电信号由超声频率信号接收模块处理并生成信号数据序列，即超声波信息行向量。如：本发明装置中含有15个微型超声波接收器，超声频率信号接收模块每完成一次行扫描就生成一个超声波信息行向量[p₁ ⁽¹⁾ p₂ ⁽¹⁾ … p_N ⁽¹⁾]，行向量中元素的上标为行扫描的序号。

(2)超声波接收器排管逐次对超声波信号进行行扫描，依次建立行向量[p₁ ⁽²⁾ p₂ ⁽²⁾ … p_N ⁽²⁾]、[p₁ ⁽³⁾ p₂ ⁽³⁾ … p_N ⁽³⁾]、……等，经过多次行扫描后，将这些行向量依照先后顺序构成信号数据矩阵，称为超声波信息矩阵。其中行扫描次数，即超声波信息矩阵的总行数M是根据纸币传送速率V、微型超声波接收器排管与超声频率信号接收模块完成一次行扫描所需要的时间t，以及待测试纸币币种的最大高度值H来确定，即

$M=\frac{H}{\mathrm{Vt}}$ (公式一)

如：每分钟需要检测900张纸币，此时纸币传送速率V＝1m/s；当微型超声波接收器排管与超声频率信号接收模块完成一次行扫描所需要的时间t＝1.5ms、待测试纸币币种的最大高度值H＝0.09m时，超声波信息矩阵的总行数M＝60。

令：由此构成的超声波信息矩阵为P₀，则

(公式二)

其中，矩阵元素p_i ^(j)的下标i＝1，2，...，N表示每个微型超声波接收器的序列编号，N为微型超声波接收器的总数，如：微型超声波接收器总共有15个时，N＝15；p_i ^(j)的上标j＝1，2，...，M表示超声波信号行扫描序号，M为超声波信号行扫描总行数。

(3)计算该超声波信息矩阵中元素的数学均值μ₀，该数学均值μ₀就被称为超声波辐射强度。μ₀的计算公式为

${\mathrm{\&mu;}}_0=\frac{1}{M\&times;N}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i^{\left(j\right)}$ (公式三)

步骤二，标准纸币检测与特征提取。

具体方法如下：

(1)任意选择一张特定面值的标准真币，当该标准纸币在行走结构的带动下通过超声波鉴别纸币厚度异常装置的纸币通道后，由微型超声波接收器排管采集透射纸币后的超声波信号，再由超声频率信号接收模块生成超声波信息矩阵P，且

(公式四)

这里，N同样为超声波接收器排管的微型超声波传感器个数，M为该特定面值标准真币被超声波透射到的行数。其中，特定面值标准真币超声波信息矩阵P第一行的确定方法是：第一次出现 $|{\hat{p}}_i^{\left(j\right)}-{\mathrm{\&mu;}}_0|>\mathrm{\&epsiv;}$ 时，就将此时的j赋值以1，表明行走中的纸币的前边已经开始遮挡超声波辐射信号，其中的i为{1，2，...，N}中的任意值，ε是判定阈值，而且ε取统计特征值μ₀与矩阵P₀所有元素差值中的最大值，即 $\mathrm{\&epsiv;}=\max |{\mathrm{\&mu;}}_0-p_i^{\left(j\right)}|,$ i＝1，2，...，N，j＝1，2，...，M；特定面值标准真币超声波信息矩阵P最后一行的确定方法是：当连续出现 $|{\hat{p}}_i^{\left(j\right)}-{\mathrm{\&mu;}}_0|>\mathrm{\&epsiv;}$ 后，出现 $|{\hat{p}}_i^{\left(j\right)}-{\mathrm{\&mu;}}_0|\&le;\mathrm{\&epsiv;}$ 时，表明当前纸币被超声波信号透射的最后一行已经抵达，当前一张透射纸币的超声波信号采集结束。

(2)将超声频率信号接收模块生成的超声波信息矩阵进行规范化，即将超声波信息矩阵中的所有元素逐一与超声波辐射强度相减；随后再将各自计算结果替代原有元素，并将接近于零的数值全部以0来替代。具体是：将矩阵P中的所有元素与超声波辐射强度μ₀相减后得到 ${\tilde{p}}_i^{\left(j\right)}={\hat{p}}_i^{\left(j\right)}-{\mathrm{\&mu;}}_0;$ 当 $\left|{\tilde{p}}_i^{\left(j\right)}\right|\&le;\mathrm{\&epsiv;}$ 时，就取 ${\hat{p}}_i^{\left(j\right)}=0;$ 当 $\left|{\tilde{p}}_i^{\left(j\right)}\right|>\mathrm{\&epsiv;}$ 时，就取 ${\hat{p}}_i^{\left(j\right)}={\tilde{p}}_i^{\left(j\right)},$ 因此就获得一个对应于特定面值标准真币超声波透射功率矩阵P的规范化矩阵

即

(公式五)

(3)去除规范化矩阵中两侧连续全为零的列向量，如：第一个列向量

${\tilde{P}}_1={\left[\begin{array}{cccc}{\tilde{p}}_1^{\left(1\right)}& {\tilde{p}}_1^{\left(2\right)}& ...& {\tilde{p}}_1^{\left(M\right)}\end{array}\right]}^T={\left[\begin{array}{cccc}0& 0& ...& 0\end{array}\right]}^T$

或最后一个列向量

${\tilde{P}}_N={\left[\begin{array}{cccc}{\tilde{p}}_N^{\left(1\right)}& {\tilde{p}}_N^{\left(2\right)}& ...& {\tilde{p}}_N^{\left(M\right)}\end{array}\right]}^T={\left[\begin{array}{cccc}0& 0& ...& 0\end{array}\right]}^T$

就予以去除；如果紧接着还有第二个列向量

${\tilde{P}}_2={\left[\begin{array}{cccc}{\tilde{p}}_2^{\left(1\right)}& {\tilde{p}}_2^{\left(2\right)}& ...& {\tilde{p}}_2^{\left(M\right)}\end{array}\right]}^T={\left[\begin{array}{cccc}0& 0& ...& 0\end{array}\right]}^T$ 等，则继续予以去除，最后获得一个不含有两侧连续全为零列向量的规范化矩阵

因此能够确保规范化矩阵中保留下来的元素所代表的被测纸币对应位置点上信息的真实性最强，因为既能全面且不遗漏地将反映纸币在超声波信号透射下的信息记录下来，又尽可能地将没有经过纸币透射而直接抵达的超声波信号排除在外。

(4)以去除两侧连续全为零列向量后的规范化矩阵作为“窗口”来重建一个与其元素位置相对应的标准真币的超声波信息矩阵，即超声波信息重建矩阵。具体是：以去除两侧连续全为零列向量的规范化矩阵

为窗口来构建一个与其元素位置相对应的特定面值标准真币超声波信息矩阵P的变换矩阵P^*。如：去除两侧连续全为零列向量的规范化矩阵为

(公式六)

与其元素位置对应的超声波信息矩阵P的转换矩阵为

(公式七)

这时的转换矩阵P^*才能够最大限度地反映了超声波信号透射纸币的信息状况，换句话说，转换矩阵P^*已经最大限度地排除了超声波信号中的假信息。

(5)对超声波信息重建矩阵P^*进行特征提取，即求取P^*所含矩阵元素的数学均值μ^*。以公式七为例，μ^*可以表达为

${\mathrm{\&mu;}}^{*}=\frac{1}{M\&times;(N-2)}\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{i=2}{\overset{N-1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i^{\left(j\right)}$ (公式八)

称μ^*为P^*的特征值，这是后续检测与鉴别的标尺。

步骤三，确定鉴别纸币厚度异常的判定阈值，采用以下两种方法中的任意一种。

方法一(最大差值法)：将已经拥有的当前允许流通的最陈旧纸币按照检测标准纸币一样方法即步骤二对其进行检测与特征提取，然后求取最陈旧纸币与标准纸币两者的特征值差，即为鉴别纸币厚度异常的判定阈值δ。

方法二(二阶统计学法)：利用10张新旧程度各自不同的被测纸币样本，让其一一通过本发明装置的测试，采用检测标准纸币一样方法即步骤二对其进行检测与特征提取；再对这10张新旧程度各不相同的被测纸币测试后所获取的特征值进行二次均值计算，即求取二阶特征值；由此求得的二次均值再跟参与计算的所有特征值中的、与其相差最大者相减，即为鉴别纸币厚度异常的判定阈值δ。

步骤四，任意纸币的在线实时检测与特征提取。

将与标准真币同属一类币种的任意纸币遵循步骤二的方法对其进行检测与特征提取，依次获得超声波信息矩阵、超声波信息矩阵的规范化矩阵等，最终获取被测任意纸币的超声波信息重建矩阵P_r ^*及其对应特征值μ_r ^*。

步骤五，被测纸币厚度性状特征的鉴别。

对被测纸币厚度性状特征进行鉴别的具体方法如下：

(1)当 $0\&le;({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})\&le;\mathrm{\&delta;}$ 时，表明被测纸币的厚度正常，即能够判定该纸币没有粘贴胶带纸，也没有出现破损或残缺；

(2)当 $({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})<0$ 时，表明被测纸币的厚度不正常，而且能够判定该纸币粘贴胶带纸或“变造”；

(3)当 $({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})>\mathrm{\&delta;}$ 时，表明被测纸币的厚度不正常，而且能够初步判定该纸币可能出现破损、残缺或“变造”。紧接着，利用被测纸币时生成的超声波信息重建矩阵所对应的规范化矩阵

“窗口”中的元素分布规律加以判定是否出现破损、残缺或“变造”，因为此时在规范化矩阵

“窗口”中必定存在至少一个乃至更多个为0的元素；如果其中为0的元素相互不对称，则表明当前被测纸币必定存在破损或残缺，应该予以拣出，即控制其由假废钞出口流出；否则，当前被测纸币属于走钞过程出现歪斜而造成边缘感应点的超声波信号没有被纸币所遮挡，不应错判为“不正常”。如：在矩阵

中发现元素

为0，同时又发现

也为0，说明当前被测纸币因走钞歪斜而造成的，即 $({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})>\mathrm{\&delta;},$ 所以，不应错判为“不正常”；但，如果此时不存在与数值为0元素

相对称的元素，则说明数值为0元素

所对应的纸币边缘位置已经破损或残缺；同理，如果在矩阵

的非边缘行或非边缘列的元素中出现0，同时与其对称的元素又不为0，则说明该点元素所对应的纸币位置已经有孔洞。依次类推，在 $({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})>\mathrm{\&delta;}$ 下，能够继续判定纸币的破损和存在空洞的种种情况。

所述 $0\&le;({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})\&le;\mathrm{\&delta;}$ 中的μ^*，当采用步骤三中的最大差值法来确定鉴别纸币厚度异常的判定阈值δ时，μ^*为标准纸币超声波信息重建矩阵P^*的特征；当采用步骤三中的二阶统计学法来确定鉴别纸币厚度异常的判定阈值δ时，μ^*为多张新旧程度各自不同的被测纸币样本特征值的二次均值，即二次特征值；换句话说，采用步骤三中的二阶统计学法来确定鉴别纸币厚度异常的判定阈值δ时，判断条件 $0\&le;({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})\&le;\mathrm{\&delta;}$ 中的μ^*必须用多张新旧程度各自不同的被测纸币样本特征的二次特征值作为公式中μ^*的值来参与计算。所述二次特征值的计算方法如下：

以10张新旧程度各自不同的被测纸币样本为例，令，被测纸币样本的特征值为μ₁、μ₂、……、μ₁₀，则二阶特征值μ′为

${\mathrm{\&mu;}}^{\&prime;}=\frac{1}{10}\underset{i=1}{\overset{10}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&mu;}}_i$ (公式九)

因此，参与鉴别计算时，以二阶特征值替换μ^*，即μ^*＝μ′。

重复施行步骤四与步骤五的方法，能够连续不断地实现对已经标定过的特定币种纸币厚度异常的在线实时准确鉴别；重复步骤二～步骤五的方法，能够实现对其它任何币种与任何面额纸币厚度异常的准确鉴别，如：美元、欧元等中的任意一种；重复步骤一～步骤五的方法，能够完成对任何一台样机的调试与标定工作。

所述的超声波鉴别纸币厚度异常方法的程序流程如图10所示：从步骤四～步骤五是在线实时鉴别纸币厚度异常的循环程序；步骤二～步骤五是重新标定一种特定币种以便实现在线实时鉴别新的特定纸币厚度异常的循环程序；从步骤一～步骤五是对每台样机进行调试与标定必须应该运行的循环程序。

通过实例检测证实：所有粘贴有胶带纸(如透明胶纸)的纸币被检出的正确率达到100％；破损、残缺、孔洞和折皱的鉴别准确率达到99％。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：第一、能够判定被测纸币是否被粘贴胶带纸；第二、能够在不增加其他传感信息的情况下，准确判定被测纸币是否存在破损、残缺、孔洞或折皱等状况。

Claims (10)

1.一种超声波鉴别纸币厚度异常装置，其特征在于：包括超声波发射器排管、超声波发射槽、超声波接收器排管、超声波接收槽、超声频率信号发生模块以及超声频率信号接收模块；其中：超声波发射器排管的输入接口与超声频率信号发生模块的输出接口连接，接收来自超声频率信号发生模块所生成的超声频率电信号；超声波发射槽罩在超声波发射器排管的超声波发射面上，对列状纵向超声波进行整形，使得列状纵向超声波被转换为形似一张连续的“平板”纵向超声波向外辐射；超声波接收槽罩在超声波接收器排管的超声波接收面上，对抵达超声波接收器排管前的列状纵向超声波进行约束，使得列状纵向超声波从一个缝隙向接收管辐射；超声波接收器排管的输出接口与超声波频率信号接收模块的输入接口连接，用以将超声波接收器排管感应到的超声频率电信号传输至超声频率信号接收模块。

2.根据权利要求1所述的超声波鉴别纸币厚度异常装置，其特征在于：所述超声波发射器排管由多个超声波发射器“一字型”排列而成，利用超声波的叠加与干涉效应而形成列状纵向超声波向外发射；该超声波发射器排管的输入接口是将“一字型”排列的每个超声波发射器的两端头输入管脚相互并接形成具有两端点的输入接口；所述超声波接收器排管由多个超声波接收器“一字型”排列而成，用以接收来自超声波发射器排管发射出来的列状纵向超声波；构成超声波发射器排管的超声波发射器的个数和构成超声波接收器排管的超声波接收器个数以超声波信号能够全部覆盖纸币的整个宽度为准，而且超声波发射器排管所包含的超声波发射器个数和超声波接收器排管所包含的超声波接收器个数对应相等；组成超声波接收器排管中的每个超声波接收器的电气信号输出通道各自独立，即每个超声波接收器均具有各自独立的输出接口，每个输出接口又各自独立地与超声频率信号接收模块的对应输入接口连接用于传输各自的超声频率电压信号。

3.根据权利要求1或2所述的超声波鉴别纸币厚度异常装置，其特征在于：所述的超声波发射器和超声波接收器是一种结构完全相同的超声波传感器，该超声波传感器包括：压电晶片、电极导线、超声波反射圆锥面、叉式支架、壳体以及电极引脚；其中：压电晶片斜置于超声波反射圆锥面中间，压电晶片的底边两角点固定在超声波反射圆锥面上，压电晶片的顶边两角点固定在叉式支架的两点；叉式支架四个支点中的上两个支点固定在超声波反射圆锥面顶部“喇叭口”的圆周上，下两个支点固定在超声波反射圆锥面的锥面上；超声波反射圆锥面的底部“锥尖”与壳体的底部固定连接，超声波反射圆锥面顶部“喇叭口”的圆周与壳体的顶部固定连接；两根电极引脚穿过壳体底部固定，处于壳体内部的两个端头穿透超声波反射圆锥面锥面裸露其金属表面与电极导线焊接；电极导线共两根，一头分别与压电晶片的两面焊点焊接，另一头分别与电极引脚穿透超声波反射圆锥面的两个端点焊接。

4.根据权利要求1所述的超声波鉴别纸币厚度异常装置，其特征在于：所述超声频率信号发生模块，包括：超声频率信号发生器、发射功率放大器，其中：超声频率信号发生器生成超声频率信号，超声频率信号发生器的输出接口与发射功率放大器的输入接口连接来传输超声频率信号；发射功率放大器的输出接口与超声波发射器排管的输入接口连接，将经过功率放大后的超声频率信号输送至超声波发射器排管转换成超声波向外辐射；所述超声波发射器排管的输入接口是将“一字型”排列的每个超声波发射器的两端头输入管脚相互并接形成两端点输入接口；

所述超声频率信号接收模块由多个前置子模块、信号处理器、数字显示器、控制器组成；所述前置子模块的数量与超声波接收器排管所含有的超声波接收器的个数相等；其中每个前置子模块包括：输入接口、信号调理器、检波器，每个前置子模块输入接口的输入端口与其所对应的超声波接收器排管中的单个超声波接收器的输出接口连接用于传输单个超声波接收器感应输出的超声频率模拟电压信号；每个前置子模块输入接口的输出端口与信号调理器的输入端口连接用于传输超声频率模拟电压信号；信号调理器的输出端口与检波器的输入端口连接用于传输经过整形与检波后的超声频率模拟电压信号；检波器的输出端口与信号处理器的输入端口连接用于传输对应于超声频率模拟电压信号有效值的直流电压信号；信号处理器的输入通道数与前置子模块的数量相对应，信号处理器的第一输出端口与数字显示器的输入端口连接传输数字显示信息，信号处理器的第二输出端口与控制器的输入接口连接传输控制指令；所述超声频率信号接收模块的每个前置子模块输入接口接收到来自对应单个超声波接收器输出的超声频率模拟电压信号后，即将超声频率模拟电压信号传输至信号调理器进行整形与检波，经过调理后的超声频率模拟电压信号被检波器检波后获得一个对应于超声频率模拟电压信号电压有效值的直流电压信号；信号处理器对所有对应单个超声波接收器感应输出的超声频率模拟电压信号电压有效值的直流电压信号进行信号比较与统计特征提取，最后将处理结果转换成输出信息经第一输出端口输出至数字显示器予以显示，并通过第二输出端口将控制指令输出至控制器，由控制器去控制纸币的出口流向。

5.根据权利要求1所述的超声波鉴别纸币厚度异常装置，其特征在于：所述的信号处理器，包括：多端输入接口、模数转换器、运算器和输出接口；其中：多端输入接口的输入端口具备多个输入通道，该输入通道的个数与所述前置子模块个数相同并且对应连接用于传输直流电压信号，多端输入接口的输出端口与模数转换器的输入端口连接用于传输电模拟信号，模数转换器的输出端口与运算器的输入端口连接用于传输数字电压信号，运算器的输出端口与输出接口的输入端口连接用于传输显示信息数据和出钞控制指令，输出接口的第一输出端口用于输出显示信息数据，输出接口的第二输出端口用于输出钞票出口选择控制指令。

6.一种超声波鉴别纸币厚度异常方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤一，超声波辐射强度测定：通过超声波接收器排管多次实现对超声波信号的行扫描，再由超声频率信号接收模块处理后生成超声波信息矩阵，这时超声波信息矩阵中的元素就对应着每次行扫描时空间点位置上的超声波信号强度大小；计算该超声波信息矩阵中元素的数学均值，该数学均值就被称为超声波辐射强度；

步骤二，标准纸币检测与特征提取，即超声波信号下的纸币特征提取；

步骤三，利用纸币样本，采用最大差值法或二阶统计学法确定鉴别纸币厚度异常的判定阈值；

步骤四，任意纸币的在线实时检测与特征提取：采用与标准真币同属一类币种的纸币，遵循步骤二的方法对任意纸币进行检测与特征提取，依次获得超声波信息矩阵、超声波信息矩阵的规范化矩阵，最终获取被测任意纸币的超声波信息重建矩阵及其对应特征值；

步骤五，被测纸币厚度性状特征的鉴别；

重复施行步骤四与步骤五的方法，连续不断地实现对已经标定过的特定币种纸币厚度异常的在线实时准确鉴别；重复步骤二～步骤五的方法，实现对其它任何币种与任何面额纸币厚度异常的准确鉴别；重复步骤一～步骤五的方法，完成对任何一台样机的调试与标定工作。

7.根据权利要求6所述的超声波鉴别纸币厚度异常方法，其特征在于：步骤一中，所述超声波辐射强度测定，具体步骤如下：

(1)超声波发射器排管发射出的超声波信号依次经超声波发射槽和超声波接收槽抵达超声波接收器排管，由超声波接收器排管实现对超声波信号的行扫描；超声波接收器排管输出的超声频率电信号由超声频率信号接收模块处理并生成信号数据序列，即超声波信息行向量；

(2)超声波接收器排管逐次对超声波信号进行行扫描，经过多次行扫描后，将这些行向量依照先后顺序构成信号数据矩阵，称为超声波信息矩阵；其中行扫描次数，即超声波信息矩阵的总行数M是根据纸币传送速率V、微型超声波接收器排管与超声频率信号接收模块完成一次行扫描所需要的时间t，以及待测试纸币币种的最大高度值H来确定，即 $M=\frac{H}{\mathrm{Vt}};$

(3)计算该超声波信息矩阵中元素的数学均值μ₀，该数学均值μ₀就被称为超声波辐射强度。

8.根据权利要求6所述的超声波鉴别纸币厚度异常方法，其特征在于：步骤二中，所述标准纸币检测与特征提取，具体步骤如下：

(1)任意选择一张特定面值的标准真币，当该标准纸币在行走结构的带动下通过超声波鉴别纸币厚度异常装置的纸币通道后，由微型超声波接收器排管采集透射纸币后的超声波信号，再由超声频率信号接收模块生成超声波信息矩阵P，且

这里，N为超声波接收器排管的微型超声波传感器个数，M为该特定面值标准真币被超声波透射到的行数；其中，特定面值标准真币超声波辐射功率矩阵P第一行的确定方法是：第一次出现 $|{\hat{p}}_i^{\left(j\right)}-{\mathrm{\&mu;}}_0|>\mathrm{\&epsiv;}$ 时，就将此时的j赋值以1，表明行走中的纸币的前边已经开始遮挡超声波辐射信号，其中的i为{1，2，...，N}中的任意值，ε是判定阈值，而且ε取统计特征值μ₀与矩阵P₀所有元素差值中的最大值，即 $\mathrm{\&epsiv;}=\max |{\mathrm{\&mu;}}_0-p_i^{\left(j\right)}|,$ i＝1，2，...，N，j＝1，2，...，M；特定面值标准真币超声波辐射功率矩阵P最后一行的确定方法是：当连续出现 $|{\hat{p}}_i^{\left(j\right)}-{\mathrm{\&mu;}}_0|>\mathrm{\&epsiv;}$ 后，出现 $|{\hat{p}}_i^{\left(j\right)}-{\mathrm{\&mu;}}_0|\&le;\mathrm{\&epsiv;}$ 时，表明当前纸币被超声波信号透射的最后一行已经抵达，当前一张透射纸币的超声波信号采集结束；

(2)将超声频率信号接收模块生成的超声波信息矩阵进行规范化，即将超声波信息矩阵中的所有元素逐一与超声波辐射强度相减；随后再将各自计算结果替代原有元素，并将接近于零的数值全部以0来替代；即：将矩阵P中的所有元素

与统计特征值μ₀相减后得到 ${\tilde{p}}_i^{\left(j\right)}={\hat{p}}_i^{\left(j\right)}-{\mathrm{\&mu;}}_0;$ 当 $\left|{\tilde{p}}_i^{\left(j\right)}\right|\&le;\mathrm{\&epsiv;}$ 时，取 ${\hat{p}}_i^{\left(j\right)}=0;$ 当 $\left|{\tilde{p}}_i^{\left(j\right)}\right|>\mathrm{\&epsiv;}$ 时，取 ${\hat{p}}_i^{\left(j\right)}={\tilde{p}}_i^{\left(j\right)},$ 因此获得一个对应于特定面值标准真币超声波信息矩阵P的规范化矩阵

即

(3)去除规范化矩阵中两侧连续全为零的列向量，最后获得一个不含有两侧连续全为零列向量的规范化矩阵

能确保规范化矩阵中保留下来的元素所代表的被测纸币对应位置点上信息的真实性最强；

(4)以去除两侧连续全为零列向量的规范化矩阵作为“窗口”来重建一个与其元素位置相对应的标准真币的超声波信息矩阵，即超声波信息重建矩阵P^*；即：以去除两侧连续全为零列向量的规范化矩阵

为窗口来构建一个与其元素位置相对应的特定面值标准真币超声波信息矩阵P的变换矩阵P^*；

(5)对超声波信息矩阵重建P^*进行特征提取，即求取P^*所含矩阵元素的数学均值μ^*，称μ^*为P^*的特征值。

9.根据权利要求6所述的超声波鉴别纸币厚度异常方法，其特征在于：步骤三中，所述最大差值法，是指：将已经拥有的当前允许流通的最陈旧纸币按照检测标准纸币一样方法即步骤二对其进行检测与特征提取，然后求取最陈旧纸币与标准纸币两者的特征值差，即为鉴别纸币厚度异常的判定阈值δ；

所述二阶统计学法，是指：利用多张新旧程度各自不同的被测纸币样本，让其一一通过测试，采用检测标准纸币一样方法即步骤二对其进行检测与特征提取；再对这多张新旧程度各不相同的被测纸币测试后所获取的特征值进行二次均值计算，即求取二阶特征值；由此求得的二次均值再跟参与计算的所有特征值中的、与其相差最大者相减，即为鉴别纸币厚度异常的判定阈值δ。

10.根据权利要求6所述的超声波鉴别纸币厚度异常方法，其特征在于：步骤五中，所述被测纸币厚度性状特征的鉴别，具体方法如下：

(1)当 $0\&le;({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})\&le;\mathrm{\&delta;}$ 时，表明被测纸币的厚度正常，即能够判定该纸币没有粘贴胶带纸，也没有出现破损或残缺；

(2)当 $({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})<0$ 时，表明被测纸币的厚度不正常，而且能够判定该纸币粘贴胶带纸或“变造”；

(3)当 $({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})>\mathrm{\&delta;}$ 时，表明被测纸币的厚度不正常，而且能够初步判定该纸币可能出现破损、残缺或“变造”；紧接着，利用被测纸币时生成的重建超声波信息矩阵所对应的规范化矩阵“窗口”中的元素分布规律加以判定是否出现破损、残缺或“变造”，因为此时在规范化矩阵

“窗口”中必定存在至少一个乃至更多个为0的元素；如果其中为0的元素相互不对称，则表明当前被测纸币必定存在破损或残缺，应该予以拣出，即控制其由假废钞出口流出；否则，当前被测纸币属于走钞过程出现歪斜而造成边缘感应点的超声波信号没有被纸币所遮挡，不应错判为“不正常”；

其中：δ为鉴别纸币厚度异常的判定阈值，μ^*为标准纸币特征或测试样本的二次特征值、μ_r ^*为任意纸币特征；所述 $0\&le;({\mathrm{\&mu;}}_r^{*}-{\mathrm{\&mu;}}^{*})\&le;\mathrm{\&delta;}$ 中的μ^*，当采用步骤三中的最大差值法来确定鉴别纸币厚度异常的判定阈值δ时，μ^*为标准纸币重建超声波信息矩阵P^*的特征；当采用步骤三中的二阶统计学法来确定鉴别纸币厚度异常的判定阈值δ时，μ^*为多张新旧程度各自不同的被测纸币样本特征值的二次均值，即二次特征值。

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