CN105069891A - 一种硬币检测探头及其检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬币检测探头，包括多个磁性传感单元和电流导线，电流导线用于向待测硬币提供激励磁场脉冲，从而使待测硬币产生涡流场；多个磁性传感单元规则排列，磁场敏感方向相同，用以检测涡流场；所述磁性传感单元为单电阻结构或半桥结构或全桥结构；所述单电阻结构包括一个磁电阻；所述半桥结构包括两个串联的磁电阻；所述全桥结构包括四个磁电阻，其中的两个串联的磁电阻与另两个串联的磁电阻并联；所述磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成；所述磁性传感元件为巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件构成；本发明还公开了一种硬币检测系统，本发明的硬币检测探头精度高，体积小，动态范围宽，抗干扰能力强且功耗低。

Description

一种硬币检测探头及其检测系统

技术领域

本发明涉及磁性传感器技术领域，特别是一种硬币检测探头及其检测系统。

背景技术

随着硬币使用越来越广泛，交通、金融等机构中对于硬币的币值、真伪判断以及硬币的清点应用的依赖度越来越高。现有的对于硬币清点和真伪鉴定的方式主要有三种：(1)根据硬币的重量来判断面值和真伪；(2)通过光学方法检测硬币的花色来判断其面值和真伪；(3)通过对硬币施加高频交变磁场然后测量其感生涡流场来判断硬币的材料来检测硬币的真伪。对于采用测重的方法来检测硬币，由于假币和硬币的重量相同，且日常生活中硬币由于磨损和沾污的原因，其重量各不相同，即使提高对重量的测量精度，依然无法准确地判断真伪；对于采用判断硬币花色的方法来检测硬币，由于现在的假币制作在花色上与真币已经几乎没有区别，现有的检测精度根本无法区分真币和假币；对于测量硬币的涡流场来判断真伪，现有的方法是采用是电感线圈作为电涡流传感器，通过分析线圈的阻抗得到检测硬币的信息，但是其测量精度和灵敏度较低，其渗透深度也低，无法测量更深处的涡流场信号，且抗干扰能力差，而且由于目前市场上通常采用的是一个感应线圈，仅能测量硬币一个部位的信号，则其测量准确度也是非常低的，面对越来越高明的硬币伪造技术，我们不难看出，现有的硬币检测设备不能满足现代交通和金融等机构中对硬币检测的高精度要求。

针对上述问题，中国公开号为CN103617669A的专利披露了一种采用巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件的硬币检测传感器，其通过激励线圈向硬币施加激励磁场，此时硬币会产生一定的涡流场，磁场传感单元通过测量磁场的分布配合硬币的标准曲线来判定硬币的真伪。采用该方式测量硬币理论上可以实现全频段的分析，具有超高精度和小体积的优势，但是采用上述专利披露的技术制作的硬币检测传感器在实际生产和使用中却存在一定的问题：(1)由于激励线圈具有电感，会产生损耗，为了能够施加高频信号，激励线圈往往设计的体积很大，因此其功耗很高，易发热；(2)解高频信号的电路往往很复杂，该电路所占的体积很大且解值精度偏低；(3)涡流线圈频率附近的噪声信号很严重，难以滤除。

由上述可以看出，现有的硬币检测方式不能同时满足高精度和体积小的要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种硬币检测探头及其检测系统，本发明的硬币检测探头精度高，体积小，动态范围宽，抗干扰能力强且功耗低。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种硬币检测探头，包括多个磁性传感单元和电流导线，

所述电流导线用于向待测硬币提供激励磁场脉冲，从而使待测硬币产生涡流场；

所述多个磁性传感单元规则排列，磁场敏感方向相同，用以检测涡流场。

作为本发明所述的一种硬币检测探头进一步优化方案，所述磁性传感单元导入交流电。

作为本发明所述的一种硬币检测探头进一步优化方案，所述磁性传感单元为单电阻结构或半桥结构或全桥结构；所述单电阻结构包括一个磁电阻；所述半桥结构包括两个串联的磁电阻；所述全桥结构包括四个磁电阻，其中的两个串联的磁电阻与另两个串联的磁电阻并联；所述磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成。

作为本发明所述的一种硬币检测探头进一步优化方案，所述磁性传感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件；所述半桥结构为推挽半桥或参考半桥或梯度半桥，所述全桥结构为推挽全桥或参考全桥或梯度全桥。

作为本发明所述的一种硬币检测探头进一步优化方案，还包括运算放大器，所述运算放大器与磁性传感单元连接。

作为本发明所述的一种硬币检测探头进一步优化方案，所述电流导线向待测硬币提供不同频率的激励磁场脉冲。

作为本发明所述的一种硬币检测探头进一步优化方案，所述电流导线向待测硬币提供激励磁场脉冲为方波。

作为本发明所述的一种硬币检测探头进一步优化方案，所述多个磁性传感单元排成一列或多列，每个磁性传感单元的磁场敏感方向相同。

作为本发明所述的一种硬币检测探头进一步优化方案，还包括滤波器，所述滤波器与磁性传感单元连接。

一种硬币检测系统，包括如上所述的硬币检测探头、检测模块；其中，

所述硬币检测探头中的电流导线用于向待测硬币提供激励磁场脉冲，从而使待测硬币产生频率为ω₁的涡流场；

所述硬币检测探头中的磁性传感单元导入频率为ω₀的交流电，磁性传感单元用于检测涡流场并输出峰值频率为ω₁、ω₁-ω₀和ω₁+ω₀的信号至检测模块；

检测模块用于将ω₁和/或ω₁-ω₀和/或ω₁+ω₀作为判定硬币真伪的特征信号频率进行检测处理。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明的硬币检测探头精度高，体积小，动态范围宽，抗干扰能力强且功耗低。

附图说明

图1是本发明提出的硬币检测探头的结构示意图。

图2是梯度全桥式磁性传感单元的电连接示意图。

图3是梯度全桥式磁性传感单元的物理位置示意图。

图4是单路磁性传感单元的频谱分析曲线。

图中的附图标记解释为：1-磁场敏感方向，11a-第一磁性传感单元，11b-第二磁性传感单元，11c-第三磁性传感单元，11n-第n磁性传感单元，12-电流导线，13-PCB，20-待测硬币，21-第一磁电阻，22-第二磁电阻，23-第三磁电阻，24-第四磁电阻，25-第五磁电阻，26-第六磁电阻，27-第七磁电阻，28-第八磁电阻，11-磁性传感单元，32-涡流场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1所示，本发明提出的硬币检测探头包括多个磁性传感单元(11a、11b、11c……11n)、电流导线12、n为大于1的整数，PCB13以及输出引针(图中未标示)。所述多个磁性传感单元的磁场敏感方向1相同，排成一列，以该列为y轴，待测硬币20的侧面平行于y轴。多个磁性传感单元的磁场敏感方向1平行于z轴，而待测硬币20的行进方向为x轴，其中，x、y、z轴两两平行。多个磁性传感单元和电流导线12设置在PCB13上，且多个磁性传感单元沿z轴方向位于电流导线12的一侧。工作时，电流导线12对待测硬币20施加激励磁场，待测硬币20的因此而产生电涡流，同时电涡流附近形成涡流场32，多个磁性传感单元则用以测量所在位置的涡流场32，并将多组信号通过输出引针输出至后端，因此在待测硬币通过后可以扫描到其一侧的整个表面的涡流场32的信号，其中待测硬币的运动方向为x轴。其中，输出引针分别和多个磁性传感单元以及电流导线12电连接，用来导入工作电流和输出信号。多个磁场传感单元和电流导线12可设置在PCB13上，也可集成在一个芯片(Die)上，也可以将多个磁性传感单元集成在一个芯片上，将电流导线12集成在另一个芯片上。采用电流导线12取代激励线圈可以大大降低探头的体积，可以将探头设置为轻薄的PCB结构或直接集成为芯片，实现了该类传感器的小体积和轻薄化。电流导线12和多个磁性传感单元都具有相应的输入端和输出端，所述输出端和输入端可通过焊接或引线的方式与后端连接。

激励磁场的渗透深度和其频率相关且成反比，因此低频段的渗透深度高，但是其涡流场密度小，而通常采用的电感线圈传感单元的灵敏度和精度都很低，无法测得低频段的涡流场，其输出信号动态范围窄且无法测量材料表面下更深处的涡流信号，因此在本发明提出的硬币检测探头的磁性传感单元采用的是灵敏度和精度都很高的各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件为敏感元件，根据现有的技术，上述各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的电阻值R随外场H在其饱和场-H_s和H_s之间线性变化，当施加的外场沿其敏感方向的场强的绝对值大于其饱和场的绝对值时，其阻值不变，即该磁性传感元件饱和。由于采用多个磁性传感单元排成列的方式对硬币进行扫描，可以得到硬币一个面的涡流场信号，即整个待测面的磁图像，比单个磁性传感单元测量单一部位的磁信号具有更高的精度。

巨磁电阻元件或隧道磁电阻元件为纳米级厚度的多层膜结构；所述多层膜结构包括纳米级薄膜自由层、非磁性层以及钉扎层，纳米级薄膜自由层、钉扎层分别位于非磁性层的上下两侧。自由层由磁性层(磁性层为由Fe、Co、Ni或上述三种铁磁材料的合金如CoFe、FeNi等，或Fe、Co、Ni与其他非磁性材料的合金如CoFeB等构成的单层薄膜或复合层薄膜)构成，也可以是SAF层(即磁性层-间隔层-磁性层三层结构或磁性层-间隔层的多层复合结构)结构(其中间隔层为非磁性金属材料构成，通常为Ru、Ta、Pt、Pb等)，其磁矩随外场变化；非磁性层由非磁性材料构成，如果是巨磁电阻元件，则非磁性层为金属材料，如Cu、Al等，如果是磁性隧道结元件，则为非金属材料，如AlO、MgO、HfO、ZrO或TaO等；钉扎层的磁矩不变，通常是磁性层-反铁磁层复合式结构或SAF层-反铁磁层结构。当自由层磁矩和钉扎层磁矩平行时，元件的阻值R最小；当自由层磁矩和钉扎层磁矩反平行时，元件的阻值R最大。巨磁电阻元件或磁性隧道结元件的具体工作方式可参考中国公开号为CN103926543A的专利：基于磁电阻技术的磁头。

磁性传感单元11通常可以是单电阻、半桥或全桥结构。所述单电阻、半桥或全桥的桥臂由一个或多个相同的磁性传感元件(巨磁电阻元件或磁性隧道结元件)串联和/或并联组成，每个桥臂我们可以等价于一个磁电阻，每个桥臂中的磁性传感元件的磁场敏感方向都相同。前述的单电阻结构含有一个磁电阻，半桥结构由两个物理性质相同的磁电阻串联组成，全桥结构由四个物理性质相同的磁电阻连接构成。上述单电阻、半桥和全桥结构的工作机理可参考中国公开号CN103617669A的专利：一种硬币检测装置。

本发明中，优先选择的结构是梯度全桥结构，以下将对该结构做详细阐述。图2、图3是本实施例采用的梯度全桥磁电阻的电连接和物理位置示意图，以第一磁性传感单元11a为例，图3是第一至第四磁电阻21、22、23、24的摆放位置，图2是其电连接方式。我们可以看到沿着磁性传感单元11的磁场敏感方向1，第一磁电阻21和第四磁电阻24的位置相同，第二磁电阻22和第三磁电阻23的位置相同，在两个输入焊点之间通入稳恒电压或电流。在没有外场的作用下，第一至第四磁电阻21、22、23、24的阻值相同，无输出。当涡流场32施加于四个磁电阻上时，由于该磁场是梯度场，沿着梯度场方向的场强大小不同，则沿着梯度方向位置相同的第一磁电阻21和第四磁电阻24的电阻值变化相同，第二磁电阻22和第三磁电阻23的电阻值变化相同，第一磁电阻21和第二磁电阻22(23和24)的阻值变化不同，则梯度全桥的输出端V₁+和V₁-之间具有输出电压V_out。

上述是采用直流驱动的梯度全桥的工作方式，在实际测量中，由于涡流场频率附近有大量噪声，影响测量精度，为此，我们将驱动源设置为频率为ω₀的交流电，引入调制信号用以改变输出信号频率，则有：

测量信号：f₁＝A₁·cos(ω₁t)

调制信号：f₂＝A₂·cos(ω₀t)

则输出信号为： $\begin{array}{c}{V}_{out}=f_1\·f_2=A_1{A}_2\·\cos \left({\mathrm{\ω}}_{1}t\right)\cos \left({\mathrm{\ω}}_{0}t\right)\\ =\frac{A_1{A}_2}{2}\·\[\cos ({\mathrm{\ω}}_1+{\mathrm{\ω}}_0)t+\cos ({\mathrm{\ω}}_1-{\mathrm{\ω}}_0)t\]\end{array}$

其中，A₁、A₂是常数，ω₁是涡流场的频率，ω₀为驱动源频率，t为时间。由上式可以看出，输出信号可以分解为与涡流场频率ω₁差别较大的(ω₁+ω₀)和(ω₁-ω₀)这两个部分，采用这种解法我们成为外差法，其频谱图如图4所示，其特征峰值为直流部分、(ω₁-ω₀)频率部分、ω₁频率部分、饱和引起的峰以及(ω₁+ω₀)频率部分，从图中我们可以清楚地看到在涡流场频率ω₁附近有大量的噪声。采用外差法求解我们可以以(ω₁-ω₀)频率部分为特征谱线，滤除与有效信号频率ω₁相近的噪声，由于把有效信号分成了与原频率差别较大的两部分——(ω₁-ω₀)频率部分和(ω₁+ω₀)频率部分，我们可以同时采用这两个部分作为特征谱线，也可以采用任意上述两者之间任意一个频段，或者采用ω₁频率部分，或者(ω₁-ω₀)频率部分、(ω₁+ω₀)频率部分以及频率部分这三者任取两个为一组作为特征频段，在实际对输出的求解中，为了降低功耗，减少冗余的外围电路，可以仅对测量频率和驱动频率的差值(ω₁-ω₀)频率部分作为特征谱线进行判定，将其他频率部分用滤波器滤除。如果需要更高精度的判定，也可以采用(ω₁-ω₀)频率部分、ω₁频率部分、以及(ω₁+ω₀)频率部分这三个部分作为特征谱线。

电流导线12的激励磁场脉冲可以为方波，由于方波可以傅里叶展开，可以认为是全频段的。上述的涡流场频率ω₁并不一定是一个频段的，例如激励磁场脉冲为方波时，则涡流场频率ω₁就是全频段的。

多个磁性传感单元的电连接方式如图2所示，多个磁性传感单元(11a、11b……11n)并联，统一由后端提供驱动电流，多组输出信号传递至后端进行处理和分析。多组输出信号可以直接输出，也可通过滤波器和/或运算放大器处理后输出。

应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性的而非限制性的。本领域的普通技术人员在阅读本发明说明书的基础上可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种硬币检测探头，包括多个磁性传感单元和电流导线，其特征在于，

所述电流导线用于向待测硬币提供激励磁场脉冲，从而使待测硬币产生涡流场；

所述多个磁性传感单元规则排列，磁场敏感方向相同，用以检测涡流场。

2.如权利要求1所述的一种硬币检测探头，其特征在于，所述磁性传感单元导入交流电。

3.如权利要求1所述的一种硬币检测探头，其特征在于：所述磁性传感单元为单电阻结构或半桥结构或全桥结构；所述单电阻结构包括一个磁电阻；所述半桥结构包括两个串联的磁电阻；所述全桥结构包括四个磁电阻，其中的两个串联的磁电阻与另两个串联的磁电阻并联；所述磁电阻由一个或多个磁性传感元件串联和/或并联构成。

4.如权利要求3所述的一种硬币检测探头，其特征在于：所述磁性传感元件为各向异性磁电阻元件、巨磁电阻元件和/或磁性隧道结元件；所述半桥结构为推挽半桥或参考半桥或梯度半桥，所述全桥结构为推挽全桥或参考全桥或梯度全桥。

5.如权利要求1所述的一种硬币检测探头，其特征在于：还包括运算放大器，所述运算放大器与磁性传感单元连接。

6.如权利要求1所述的一种硬币检测探头，其特征在于：所述电流导线向待测硬币提供不同频率的激励磁场脉冲。

7.如权利要求1所述的一种硬币检测探头，其特征在于：所述电流导线向待测硬币提供激励磁场脉冲为方波。

8.如权利要求1所述的一种硬币检测探头，其特征在于：所述多个磁性传感单元排成一列或多列，每个磁性传感单元的磁场敏感方向相同。

9.如权利要求1-8中任意一项所述的一种硬币检测探头，其特征在于：还包括滤波器，所述滤波器与磁性传感单元连接。

10.一种硬币检测系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的硬币检测探头、检测模块；其中，

所述硬币检测探头中的电流导线用于向待测硬币提供激励磁场脉冲，从而使待测硬币产生频率为ω ₁的涡流场；

所述硬币检测探头中的磁性传感单元导入频率为ω ₀的交流电，磁性传感单元用于检测涡流场并输出峰值频率为ω ₁、ω ₁-ω ₀和ω ₁+ω ₀的信号至检测模块；

检测模块用于将ω ₁和/或ω ₁-ω ₀和/或ω ₁+ω ₀作为判定硬币真伪的特征信号频率进行检测处理。