CN104574633A - 用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测装置，包括：超声波发射单元和超声波接收单元；超声波接收单元包括第一电路板以及通过第一支架固定在第一电路板上的超声波接收传感器；超声波发射单元包括第二电路板以及通过第二支架固定在第二电路板上的超声波发射传感器；所述超声波发射单元和超声波接收单元相对应。其方法是超声波发射单元发射超声波透过纸币，超声波接收单元接收衰减的信号平均值进行分析处理，识别出胶条、重张的纸币。本发明检测速度快，准确度高，和纸币之间无接触，接收的信号强度只与穿过收发传感器之间的纸币有关，不受胶条是否反光等因素的影响。

Description

用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及纸币处理设备，具体地说是一种用于纸币处理机的纸币检测识别装置及其检测方法。

背景技术

在工农业生产及人们的商业活动中，纸币在流通领域中极易受损，人们一般是将受损的纸币用用透明胶带粘贴后继续使用；也有不法商贩利用拼接粘贴的方式制作假币。在纸币处理中时常有重张的发生，影响纸币处理过程中的计数精度。金融部门在对纸币清分处理时都要将带胶条的纸币或重张的纸币准确、有效的区分开来。超声波检测装置能够快速准确的检测并识别出单张纸币、胶条纸币或是重张纸币。

现有的纸币处理设备对重张及胶条纸币的检测方法主要有两种，一种是使用机械的检测方法，纸币在两个靠在一起的金属滚轴之间通过，其中一个轴是非刚性安装的，因纸币的厚度不同，非刚性安装的轴位移会因纸币的厚度不同而不同，利用此不同的位移即可检测出胶条或重张纸币。这种机械检测装置的缺点是体积大，笨重，噪音大，滚轴表面挂上油垢对测量精度的影响很严重。另一种方法是利用纸币对红外光透射的衰减特性来检测重张，这种方法的缺点是纸币的脏污程度会对检测结果影响较大，而且不能检测到胶条纸币。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用超声波穿过不同介质其衰减不同的原理检测胶条纸币或是重张纸币的一种检测装置及其检测方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测装置，包括：超声波发射单元和超声波接收单元；超声波接收单元包括第一电路板以及、通过第一支架固定在第一电路板上的超声波接收传感器；超声波发射单元包括第二电路板以及、通过第二支架固定在第二电路板上的超声波发射传感器；所述超声波发射单元和超声波接收单元对应设置。

所述第一电路板和第二电路板平行且所述超声波接收传感器和超声波发射传感器相对设置，所述超声波接收传感器和超声波发射传感器的轴线重合，且与纸币的法线形成的夹角为15～20度。

所述超声波接收传感器和超声波发射传感器相对的表面平行，且间距为15～20mm。

所述超声波发射传感器与第二电路板设置的超声波发射电路连接；所述超声波发射电路包括CPU以及、与其连接的超声波信号驱动器，超声波信号驱动器与超声波发射传感器连接。

所述超声波信号驱动器采用三极管；两个输入端分别与CPU连接；第一输入端依次通过电阻R1、电容C1、电阻R2与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极与电源连接，电阻R3一端连接电源，另一端与电容C1和电阻R2的结点连接，集电极通过电阻R4接地，集电极与发射极之间连有二极管；第二输入端依次通过电阻R5、电容C2、电阻R6与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的发射极与电源连接，电阻R7一端连接电源，另一端与电容C2和电阻R6的结点连接，集电极通过电阻R8接地，集电极与发射极之间连有二极管；三极管Q1集电极与Q2集电极之间连有超声波发射传感器。

所述第二电路板设有多个超声波信号驱动器，分别与多个超声波发射传感器连接，其输入端均与CPU连接；所述第一电路板（1）设有与第二电路板（5）的超声波发射传感器相同数量的超声波接收传感器。

用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测方法，包括以下步骤：

第二电路板上设置的CPU输出多路超声波信号，每一路的超声波信号驱动器将超声波信号转换成超声波扫描驱动信号、驱动对应的超声波发射传感器发出超声波；

第一电路板上的多个超声波接收传感器分别接收与其对应的通过纸币的超声波并转换成电信号，经过对应的超声波信号放大器进行放大，并经超声波信号整流滤波器进行整流滤波后、得到经过纸币衰减后的多组模拟信号；

第一电路板上的单片机接收该模拟信号，将每组模拟信号分别进行A/D转换成数字信号并进行处理后，如果至少有一路处理结果是胶条或重张时，该纸币即为胶条或重张；如果多路处理结果均为单张纸币，该纸币为单张纸币。

所述超声波信号为两个互补的脉冲信号，脉冲频率为300kHz；分别驱动超声波信号驱动器的两个三极管Q1和Q2。

所述超声波扫描驱动信号为多组脉冲信号，每组脉冲信号包括六个脉冲；并以扫描的方式输出，扫描频率为1.25KHz。

所述进行A/D转换成数字信号并进行处理包括以下步骤：

将该组模拟信号进行A/D转换后，在扫描纸币的宽度范围内采集得到一组数字信号；

如果检测单张、重张纸币，则采用平均值法，即首先去掉该组数字信号两端的数据，对余下的数据计算平均值；平均值大于设定的阈值时，该纸币为重张，否则为单张；

如果检测单张、胶条、重张纸币，根据前一步骤采用平均值法识别出单张、重张纸币，并采用滑动滤波法识别胶条纸币，即在扫描的纸币范围内采集的一组数字信号里，查找连续低于阈值的点数，当连续的点数大于阈值时，即认为此张纸币是胶条纸币，否则不是胶条纸币。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明检测速度快，准确度高。由于本发明是利用超声波穿过不同介质时信号强度衰减不同的原理工作的，和纸币之间无接触，接收的信号强度只与穿过收发传感器之间的纸币有关，不受胶条是否反光等因素的影响。

2.由于本发明无机械装置，工作时节能，无噪音，不受纸币表面脏污程度的影响，不会卡钞或撕钞，提高了纸币处理系统的稳定性和可靠性；便于普及推广应用。

3.本发明在结构上很简单，超声波发射单元的整体电路元器件（图4a～图4c的部分）安装在一块177mm*17mm的PCB板上，与母机只有电源的两根接线。超声波接收单元的整体电路元器件（图6a～图6b的部分）同样安装在另一块177mm*17mm的PCB板上，与母机的接线除了电源线还有左右两路超声波信号输出线，共四根线；因此接线方便，易于安装，并可设置于各类型的纸币处理机中。

4.本发明在最终为数据处理方面提供了灵活性，由于送给CPU的不是一个开关量，而是一组（约77个）代表超声波衰减特性的数据，在处理这些数据时可以采用平均值法，滑动滤波极值法等方法来处理这些数据，以达到最终得到正确的结果。本发方法的数据处理过程简单，计算速度快，准确率高。

附图说明

图1a为本发明的超声波发射接收部分结构示意图；

图1b为本发明的超声波传感器结构图；

图2为屏蔽罩及安装方式示意图；

图3为超声波发射电路框图；

图4a为超声波信号驱动器电路图；

图4b为超声波发射单元单片机电路图；

图4c为超声波发射单元电源转换电路图；

图5为超声波接收电路框图；

图6a为超声波接收单元的模拟信号处理电路图；

图6b为超声波接收单元电源转换电路图；

图7为超声波驱动信号波形图；

图8为超声波扫描驱动信号波形图；

图9为单张纸币、胶条纸币、重张纸币测试输出电压差示意图；

图10为超声波阵列检测装置安装于纸币清分机的结构示意图；

图11为图10的局部放大图；

图12为超声波阵列检测装置结构示意图一；

图13为超声波阵列检测装置结构示意图二；

其中，1第一电路板，2支架，3超声波接收传感器，4超声波发射传感器，5第二电路板，6屏蔽罩，7接地线端子，8正接线端子，9中心线，10清分机中的本装置，11超声波信号发生器，12超声波信号调理器，13超声波信号驱动器，14超声波信号放大器，15超声波信号整流滤波器，16A/D转换器，17信号处理器，18超声波传感器引线孔，19定位销，21信号A，22信号B，31上靠轮，32下靠轮，33纸币。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明为安装于纸币清分机或点钞机等纸币处理机中的一种纸币检测装置，本实施例以安装于纸币清分机中为实施例。

本发明的检测装置安装于纸币处理机中，具有发射和接收两部分组成，发射和接收传感器同轴安装，同轴度偏差≤±1mm；两个传感器的端面相距15～20mm；两个传感器的轴线与纸币平面法线的夹角约15～20度；超声波传感器的谐振频率300KHz；发射和接收传感器的端子与信号处理电路相连。

所述信号处理电路包括发射和接收两个部分的电路，分别设置于发射部分的电路板和接收部分的电路板上。发射部分负责300KHz超声波信号的产生、处理、放大及输出驱动；接收部分是将经过纸币衰减的300KHz超声波信号放大，整流滤波后送A/D转换电路，将模拟量转换成数字量供ARM单片机对信号分析处理，最终得出单张纸币，胶条纸币或是重张纸币。

本装置安装于纸币清分机时，两个电路板固定于纸币清分机的检测箱上，发射部分固定于下测量箱，接收部分固定于上测量箱。超声波检测装置两侧安装有靠轮组，工作时，靠轮组一方面驱动纸币运行，另一方面由靠轮组固定纸币的运动轨迹，使纸币的运动轨迹位于超声波检测装置的中心线上，见图10，图10中的圆圈部分10即为本发明的装置。图11为图10的局部放大图，31是上靠轮，32是下靠轮，3是超声波接收传感器，4是超声波发射传感器，33是被检测的纸币，纸币在靠轮驱动下运动。

如图1a所示，图1a为超声波发射接收部分结构示意图，整个装置由超声波发射单元和超声波接收单元组成，工作时纸币以水平的方式通过超声波发射单元和超声波接收单元的中心线9（即两个平行的电路板的中心线）。超声波检测装置由PCB电路板1（第一电路板）、5（第二电路板），支架2，谐振频率为300KHz的超声波接收传感器3，超声波发射传感器4组成；其中两个支架均为三角型，结构形状相同，见图1b。在图1b中，18是超声波传感器引线孔，19是定位销，倾角15～20度必须保证。支架的作用是使超声波传感器与PCB板之间形成一个夹角，这个夹角使得超声波发射单元和超声波接收单元的两个超声波传感器的轴线与纸币的法线形成一个夹角A，这个夹角A要保证在15～20度之间，设计这个夹角的目的是防止超声波信号在纸币和超声波传感器之间反复的反射，而影响到接收的信号；为了使穿过纸币的超声波是一个波束，要保证两个超声波传感器之间的有一定的距离B，距离B在15～20mm之间。为保证超声波传感器接收信号具有一定的灵敏度，在超声波发射传感器和超声波接收传感器的同轴度上应保证最大偏差≤±1mm。

如图2所示，为保证超声波传感器不受周围环境及电磁场的影响，需加一个屏蔽罩，此屏蔽罩是0.2～0.3mm的紫铜萡，包裹于传感器外侧面，屏蔽罩6结合处不闭合；屏蔽罩和超声波传感器的接地线端子7，一同接PCB板上的信号地线；超声波传感器的正接线端子8是信号输出端，接超声波信号放大器14的输入端。为避免超声波发射单元对周围电路产生影响，发射部分的超声波换能器同样需要安装一个屏蔽罩，该屏蔽罩与电路板上的信号参考接地点即GND端连接。

如图3所示，图3是超声波发射单元的电路框图，该电路设置于第二电路板5上，主要由超声波信号发生器11，超声波信号调理器12，超声波信号驱动器13，超声波发射传感器（超声波换能器）4组成。

图4是对应图3的原理图，如图4a、4b、4c所示，超声波信号发生器11及超声波信号调理器12由单片机STC12C5412完成，输出300KHz的超声波信号的波形见图7，是一组互补的控制信号，这种驱动方式的优点是消除了超声波换能器两端的直流分量，防止造成超声波换能器谐振器件表面的金属镀层的脱落，延长超声波换能器的使用寿命，信号A21由单片机的5号脚输出，接至驱动电路Q1的基极，信号B22由单片机的6号脚输出，接至驱动电路Q2的基极，由驱动电路Q1，Q2完成驱动超声波发射器UT5的工作，由UT5把300KHz的电信号转换成声波信号发射出去；超声波驱动信号是扫描的方式输出，见图8，每组6个脉冲，扫描频率1.25KHz，由于超声波器件工作的特殊性，当对其施加连续的驱动信号时，会造成超声波换能器的谐振器件很快的进入疲劳状态，使其发送及接收的灵敏度下降，扫描方式驱动的优点是克服了这个缺点，保证超声波发送及接收传感器的灵敏度最高。超声波信号驱动器13由三极管Q1和三极管Q2完成，图4c中的DC/DC变换器LT3580将+5V电源转换成+9V的电源给超声波换能器供电，超声波换能器将300KHz的电信号转换成相同频率的声信号并发射出去。LT3580将5V直流电源升压至9V，供驱动电路以及Q1、Q2使用。

图5为超声波接收单元的电路框图，该电路设置于第一电路板1上，主要由超声波接收传感器(超声波换能器)3，超声波信号放大器14，超声波信号整流滤波器15，A/D转换器16，信号处理器17组成，其中A/D转换器16和信号处理器17由单片机实现。

图6是超声波接收单元的模拟信号处理电路原理图，如图6a、6b。图6a是超声波接收放大电路，图6b中的DC/DC变换器LT3580将VCC的+5V电源转换成-5V的电压，给放大器供电-5V的电源。超声波换能器URA1将经过纸币衰减后的300KHz声波信号转换成相应的电信号，经电容CA1耦合到3级综合放大器U1、UA2A、UA2B的U1的输入端第4引脚，这个电信号很微弱，经过38800倍左右的综合放大后，由综合放大器UA2B的7号引脚输出，经过耦合电容CA10接至由DA1，DA2，RA13，RA14，CA11组成的半波整流滤波电路处理后即得到经过单张纸币、胶条纸币或重张纸币衰减后的信号的平均值。单张纸币对超声波的衰减较小，得到的信号电压相对较高；胶条纸币相对于单张纸币增加了胶条部分的厚度，对超声波的衰减要大一些，得到的信号电压较单张纸币的信号小一些；重张纸币是两张纸币的重叠，对超声波信号的衰减比胶条纸币又要大一些，得到的信号电压较胶条纸币的信号小一些，整个测试信号呈一个阶梯状态，见图9。将这个信号送至超声波接收单元中单片机的AIN输入端，经片内的A/D转换器转换成数字信号并经CPU分析处理后，识别出单张、胶条或是重张的纸币。

超声波接收单元的CPU接收经纸币衰减后的信号后，分析处理包括以下步骤：

（1）对收到的信号进行A/D转换，在扫描的纸币宽度范围内采集得到一组相对于模拟量信号的数字信号。以面额为100元的人民币为例，100元面额的人民币宽度是77mm，每1mm采集一个数据，则至少可采集75个有效的数字信号量，靠近边沿的数据不一定准确，所以放弃。

（2）根据选择的算法对数字信号量进行处理；

（2-1）如果仅检测单张、重张纸币，则可采用平均值法。由于纸币的前边沿进入检测区和后边沿离开检测区时，是过度区域，检测到的值误差较大，为了保证检测的准确性，首先要去掉前后边沿附近的一些数据（根据实际使用情况确定其数量，本实施例中，前边沿去掉20个数据点，后边沿去掉10个数据点），对余下的数据计算平均值；如果平均值大于设定的阈值时，该纸币为重张，否则为单张；

（2-2）如果需要检测单张、胶条、重张纸币，对于重张纸币的检测，可采用（2-1）的方法，即平均值法。对于胶条币的检测，平均值法是不适用的。这里可以采用滑动滤波的方法，即在有效的数据范围（纸币范围内）内，查找连续的低于阈值的点数，当这个连续的点数大于某一设定值时，即认为此张纸币是胶条币。如对于ECB（欧洲中央银行）标准，要求能够检出的最小的胶条是10mm*40mm，考虑到胶条前后边沿的误差，当这个连续的点数大于6个点时，即可判定为胶条币。

（3）系统检测中阈值的确定。这个阈值需要根据不同的币种的实际情况确定（胶条币和重张币的阈值的确定方法是相同的），如对于人民币，需要用新的人民币作为标准币，多次反复采集其对超声波的衰减值，将这个值作为标准币的标差值存储以备后用，当需要检测胶条币或重张币时，以这个标差值再加上一定的偏移量（根据实际情况确定，本实施例中实际的偏移量为+10）作为阈值，根据这个阈值，再以上述（1）或（2）方法，即可检测出胶条币或重张币。

上述步骤为一对发射或接收超声波单元的数据处理步骤，多对发射或接收超声波单元时，至少一对发射或接收超声波单元的检测结果是胶条或重张时，该纸币即为胶条或重张纸币；如果多对发射或接收超声波单元的检测结果均为正常纸币，该纸币为正常纸币。

实施例1

在本实施例的应用中，重点是重张纸币的检测，这样的应用使用两对超声波传感器即可满足要求，具体结构见图12。两个发射或接收超声波传感器间隔小于纸币的长度，纸币的长边通过两对超声波传感器组成的阵列作横向运动。

超声波发射单元的两个超声波换能器的信号接线端接至各相应的两路超声波发射驱动电路；超声波接收单元的两个超声波换能器的信号端子接至两路超声波信号放大器的信号输入端，放大后的信号经过各自对应的整流滤波电路平滑后，连接至超声波接收单元的CPU（这里选择的是内带A/D的CPU）。

超声波发射单元是在单片机（本实施例中采用STC12C5412）的协调下工作的，单片机完成超声波信号的产生，扫描信号的合成等工作，扫描信号由第5，6引脚输出，接至每路驱动电路中驱动三极管的基极，经驱动电路、超声波换能器，完成超声波发射工作。超声波接收单元中的两路超声波传感器将两路信号送至两路综合放大器的输入端，经放大、整流滤波平滑后，送至超声波接收单元即主单片机（在本实施例中采用STM32F207VGT6）的A/D收入端AIN1～AIN2，对模拟信号进行A/D转换，数据分析处理，最终得出需要的结果，即判断出正常单张纸币或是重张纸币。

实施例2

在本实施例的应用中，不仅要检测重张纸币，而且需要检测胶条纸币，因此需要扫描整个纸币。为达到这个目的，超声波发射组由15个超声波发射单元组成发射阵列；同样，超声波接收组由15个接收单元组成接收阵列，见图13，两排对应的超声波发射单元和超声波接收单元平行。这样，可以覆盖目前商业流通领域的所有纸币。超声波发射单元的各个超声波换能器的信号接线端接至各相应的15路超声波发射驱动电路；超声波接收单元的各个超声波换能器的信号端子接至15路超声波信号放大器的信号输入端，放大后的信号经过各自对应的15路整流滤波电路平滑后，连接至超声波接收单元的CPU（这里选择的是内带A/D的CPU）。

超声波发射单元是在单片机（本实施例中采用STC12C5412）的协调下工作的，单片机完成超声波信号的产生，扫描信号的合成等工作，扫描信号由第5，6引脚输出，接至每路驱动电路中驱动三极管的基极，经驱动电路、超声波换能器，完成超声波发射工作。超声波接收单元中的15路超声波传感器将15路信号送至15路综合放大器的输入端，经放大、整流滤波平滑后，送至超声波接收单元即主单片机（在本实施例中采用STM32F407VFT6）的A/D收入端AIN1～AIN15，对模拟信号进行A/D转换，数据分析处理，最终得出需要的结果，即判断出正常单张纸币、胶条纸币或是重张纸币。

Claims (10)

1.用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测装置，其特征在于包括：超声波发射单元和超声波接收单元；超声波接收单元包括第一电路板（1）以及、通过第一支架（2）固定在第一电路板（1）上的超声波接收传感器（3）；超声波发射单元包括第二电路板（5）以及、通过第二支架（2）固定在第二电路板（5）上的超声波发射传感器（4）；所述超声波发射单元和超声波接收单元对应设置。

2.根据权利要求1所述的用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测装置，其特征在于：所述第一电路板（1）和第二电路板（5）平行且所述超声波接收传感器（3）和超声波发射传感器（4）相对设置，所述超声波接收传感器（3）和超声波发射传感器（4）的轴线重合，且与纸币的法线形成的夹角为15～20度。

3.根据权利要求1所述的用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测装置，其特征在于：所述超声波接收传感器（3）和超声波发射传感器（4）相对的表面平行，且间距为15～20mm。

4.根据权利要求1所述的用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测装置，其特征在于：所述超声波发射传感器（4）与第二电路板（5）设置的超声波发射电路连接；所述超声波发射电路包括CPU以及、与其连接的超声波信号驱动器（13），超声波信号驱动器（13）与超声波发射传感器（4）连接。

5.根据权利要求1所述的用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测装置，其特征在于：所述超声波信号驱动器（13）采用三极管；两个输入端分别与CPU连接；第一输入端依次通过电阻R1、电容C1、电阻R2与三极管Q1的基极连接，三极管Q1的发射极与电源连接，电阻R3一端连接电源，另一端与电容C1和电阻R2的结点连接，集电极通过电阻R4接地，集电极与发射极之间连有二极管；第二输入端依次通过电阻R5、电容C2、电阻R6与三极管Q2的基极连接，三极管Q2的发射极与电源连接，电阻R7一端连接电源，另一端与电容C2和电阻R6的结点连接，集电极通过电阻R8接地，集电极与发射极之间连有二极管；三极管Q1集电极与Q2集电极之间连有超声波发射传感器（4）。

6.根据权利要求1所述的用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测装置，其特征在于：所述第二电路板（5）设有多个超声波信号驱动器（13），分别与多个超声波发射传感器（4）连接，其输入端均与CPU连接；所述第一电路板（1）设有与第二电路板（5）的超声波发射传感器（4）相同数量的超声波接收传感器（3）。

7.用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测方法，其特征在于包括以下步骤：

第二电路板（5）上设置的CPU输出多路超声波信号，每一路的超声波信号驱动器（13）将超声波信号转换成超声波扫描驱动信号、驱动对应的超声波发射传感器（4）发出超声波；

第一电路板（1）上的多个超声波接收传感器（3）分别接收与其对应的通过纸币的超声波并转换成电信号，经过对应的超声波信号放大器（14）进行放大，并经超声波信号整流滤波器（15）进行整流滤波后、得到经过纸币衰减后的多组模拟信号；

第一电路板（1）上的单片机接收该模拟信号，将每组模拟信号分别进行A/D转换成数字信号并进行处理后，如果至少有一路处理结果是胶条或重张时，该纸币即为胶条或重张；如果多路处理结果均为单张纸币，该纸币为单张纸币。

8.根据权利要求7所述的用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测方法，其特征在于：所述超声波信号为两个互补的脉冲信号（21、22），脉冲频率为300kHz；分别驱动超声波信号驱动器（13）的两个三极管Q1和Q2。

9.根据权利要求7所述的用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测方法，其特征在于：所述超声波扫描驱动信号为多组脉冲信号，每组脉冲信号包括六个脉冲；并以扫描的方式输出，扫描频率为1.25KHz。

10.根据权利要求7所述的用于纸币处理中胶条、重张的超声波检测方法，其特征在于：所述进行A/D转换成数字信号并进行处理包括以下步骤：

将该组模拟信号进行A/D转换后，在扫描纸币的宽度范围内采集得到一组数字信号；

如果检测单张、重张纸币，则采用平均值法，即首先去掉该组数字信号两端的数据，对余下的数据计算平均值；平均值大于设定的阈值时，该纸币为重张，否则为单张；

如果检测单张、胶条、重张纸币，根据前一步骤采用平均值法识别出单张、重张纸币，并采用滑动滤波法识别胶条纸币，即在扫描的纸币范围内采集的一组数字信号里，查找连续低于阈值的点数，当连续的点数大于阈值时，即认为此张纸币是胶条纸币，否则不是胶条纸币。