CN204129826U - 一种硬币检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硬币检测系统，包括激励线圈、径向磁梯度计、轴向磁梯度计、定位装置、信号激励源、驱动电路、模拟前端电路以及处理器。在信号激励源和驱动电路对激励线圈进行激励后，激励线圈产生了平行于待测硬币轴向的激励磁场，在激励磁场的作用下，待测硬币通过内部产生的涡流进而产生感生磁场，径向磁梯度计和轴向磁梯度计检测该磁场在待测硬币径向和轴向的磁场分量，并将检测到的信号输送给模拟前端电路进行放大，处理器对模拟前端电路输送的放大信号进行处理并输出，根据输出信号的谐振幅度以及相位等信息，便能获知硬币的材料、花色、面值等信息并能分辨真伪。本实用新型提供的硬币检测系统具有精度高、灵敏度高、动态线性范围宽等优点。

Description

一种硬币检测系统

技术领域

本发明涉及一种硬币检测系统，尤其涉及一种使用磁阻传感器形成磁梯度计的硬币检测系统。 

背景技术

硬币是现代社会不可缺少的一部分，是人与人进行物质交换的必要工具，在日常生活中具有庞大的流通量。随着硬币使用越来越广泛，交通、金融等机构中对于硬币的面值、真伪判断以及硬币的清点应用的依赖程度越来越高。目前，对于硬币清点及真伪鉴定主要有以下几种方式：（1）通过对硬币施加交变磁场，然后测量其感生涡流场来判断硬币的材料，进而辨其真伪，这种方法主要是通过采用感应线圈或者是感应线圈和霍尔传感器组合来测量硬币的轴向磁场，这只能测得一种辨别特征信号，对于那些具有相似谐振频率、振幅或相位的不同硬币，这种方法明显不能准确判断真伪。（2）使用多个磁阻传感器构成传感单元阵列来检测硬币周围的磁场分布，从而来判断硬币面值及其真伪，如专利申请CN103617669A公开的一种硬币检测装置，这种装置也只能检测一个方向的信号，对于那些具有相似直径，并在同一方向上具有相似响应的硬币，这种方法的判断结果精确度也不够高，并且其测量结果包含有所施加的脉冲场所产生新的信号，需要后续处理来将该信号去除，操作过程相对比较复杂，并且会降低其分辨率。（3）采用对发射线圈进行可变频率输入，在不同频率点测量接收器的输出来检验硬币的真伪，如美国专利申请US4086527所公开的检验方法，该方法虽然能获知输出信号的振幅、相位、谐振频率等信息，但其仍然采用的是单轴传感器，很难辨别一些具有相似特征的硬币。此外，还有采用脉冲场激励再移除脉冲场以及相移等方法来检验真伪，这些方法都只能提供一种辨别特征的信号，不能准确分辨出那些具有该种相似特征的硬币。随着硬币伪造技术变得越来越高超，现有的硬币检测装置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。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术所存在的缺陷，提供一种结构简单、准确度高、灵敏度高、动态线性范围宽的硬币检测系统。 

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种硬币检测系统，该硬币检测系统包括激励线圈，径向磁梯度计和轴向磁梯度计； 

所述激励线圈用于向待测硬币提供轴向的激励磁场，所述激励磁场在所述待测硬币内部感生涡流，所述涡流产生感生磁场；

所述径向磁梯度计包括至少两个径向磁阻传感器且所述轴向磁梯度计包括至少两个轴向磁阻传感器，所述径向磁阻传感器和所述轴向磁阻传感器各自分别相对所述激励线圈的中心面或中心点对称分布；所述径向磁梯度计用于检测所述感生磁场在所述激励线圈对应两侧且沿所述待测硬币径向上的磁场分量之差，所述轴向磁梯度计用于检测所述感生磁场在所述激励线圈对应两侧且沿所述待测硬币轴向上的磁场分量之差，所述对应两侧是指沿着所述激励线圈轴向上相对的两侧；

所述激励线圈被定位，其定位方式使得所述待测硬币的表面与所述激励线圈的中心面平行，并且所述待测硬币的表面与所述中心面之间的距离至少为所述激励线圈高度的一半。

优选的，所述硬币检测系统进一步包括：用于激励所述激励线圈的信号激励源和驱动电路，用于放大所述径向磁梯度计和所述轴向磁梯度计所产生的信号的模拟前端电路，以及用于计算所述模拟前端电路输出的放大信号的实部分量和虚部分量的处理器。 

优选的，所述信号激励源所产生的信号含有交流信号，所述交流信号包含有至少一个频率分量；所述处理器计算与每一频率分量相对应的放大信号的实部分量和虚部分量。 

优选的，所述信号激励源还用于在所述交流信号存续期间施加直流信号，所述激励线圈所产生的激励磁场为直流磁场和交流磁场的叠加场。 

优选的，当所述待测硬币的材料为铁磁材料或所述待测硬币的表面涂覆有铁磁材料时，施加所述直流磁场后，输出信号的幅值会降低；当所述待测硬币的材料为导体时，所述直流磁场不影响输出信号的幅值。 

优选的，所述硬币检测系统能检测出每种类型的硬币所对应的实部分量和虚部分量的幅值。 

优选的，所述激励线圈为单个线圈或多个线圈相叠加组成的阵列，所述激励线圈所围成的圆周直径大于或等于所述待测硬币的直径。 

优选的，所述径向磁梯度计位于所述激励线圈的内部边缘且位于所述待测硬币边缘的下方，所述径向磁阻传感器相对所述激励线圈的中心对称；所述轴向磁梯度计位于所述激励线圈的内部且位于或接近所述待测硬币的中心的下方，所述轴向磁阻传感器沿所述激励线圈的轴向相对所述激励线圈的中心对称分布。 

优选的，所述硬币检测系统还包括第一PCB和第二PCB，所述径向磁阻传感器分别位于所述第一PCB和第二PCB上，所述轴向磁阻传感器分别位于所述第一PCB和第二PCB上，所述激励线圈被固定于所述第一PCB和第二PCB之间；所述待测硬币位于第一PCB和第二PCB的上方。 

优选的，所述径向磁阻传感器为X轴线性传感器，所述轴向磁阻传感器为Z轴线性传感器，所述X轴线性传感器的敏感方向与所述待测硬币的径向平行，所述Z轴线性传感器的敏感方向与所述待测硬币的轴向平行。 

优选的，所述X轴线性传感器、所述Z轴线性传感器为单电阻、半桥或全桥结构，所述单电阻、半桥的桥臂或全桥的桥臂由一个或多个相互电连接的磁电阻元件组成。 

优选的，所述磁电阻元件为Hall, SMRE（半导体磁电阻元件）, AMR,GMR或TMR元件。 

优选的，所述硬币检测系统还包括一定位装置，所述定位装置用于定位所述待测硬币所放置的位置，使得所述待测硬币接近于所述径向磁梯度计和所述轴向磁梯度计的一侧。 

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果： 

（1）      使用径向和轴向磁梯度计来感测待测硬币所感生的涡流磁场的径向和轴向磁场分量，实现双轴测量，并且不受激励磁场的影响，这能大大提高测量的准确度；

（2）      在没有放置待测硬币时，两个磁梯度计不会显示任何激励信号，这能使得激励信号不会产生饱和效应，并能尽可能的提高增益，从而提高分辨率；

（3）      径向和轴向磁梯度计是由线性磁阻传感器构成，例如TMR传感器，这能提高硬币检测系统的灵敏度以及增大动态线性范围；此外，相对于线圈，磁阻传感器体积更小、成本更低，这使得硬币检测系统的结构更加紧凑，还能节省成本；

（4）      本发明中的两个磁梯度计能温度补偿系统响应，消除热漂移误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 

图1为本发明中硬币检测系统的结构示意图。 

图2为本发明中硬币检测系统部分细节剖面图。 

图3为本发明中硬币检测系统部分细节俯视图。 

图4A-4B为测量频率为1KHz时，硬币周围磁场的实部和虚部分量与测量位置的关系曲线。 

图5A-5B为测量频率为10KHz时，硬币周围磁场的实部和虚部分量与测量位置的关系曲线。 

图6A-6D为不同材质的硬币所感生的涡流场的实部分量和虚部分量与频率之间关系的计算结果。 

图7A-7B为1元和0.1元硬币的测试结果曲线。 

图8为10种类型硬币在频率为160Hz和9800Hz时的测量结果。 

图9A-9B分别为轴向磁梯度计和径向磁梯度计对两种类型硬币进行测量得到的输出曲线。 

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。 

实施例

图1为本发明中的硬币检测系统的结构示意图，该硬币检测系统包括信号激励源1、驱动电路2、激励线圈3、待测硬币4、径向磁梯度计5、轴向磁梯度计6、模拟前端电路7以及处理器8。工作时，在信号激励源1和驱动电路2对激励线圈3进行激励后，激励线圈3产生了平行于待测硬币4轴向的激励磁场10，在该激励磁场10的作用下，在待测硬币4内部产生涡流进而感生磁场11，径向磁梯度计5和轴向磁梯度计6分别检测该磁场在待测硬币4的径向和轴向方向上激励线圈3对应两侧的磁场分量之差，这里的对应两侧是指沿着激励线圈轴向（如图2中纵向的虚线所示）上相对的两侧，在本实施例中是指上下两侧，然后将检测到的信号输送给模拟前端电路7进行放大，处理器8对模拟前端电路7输送的放大信号进行处理并通过输出端9输出，处理器8可包含有MCU或DSP，所输出的信号为电压信号，可转换为磁场信号，该磁场信号包含有实部和虚部，输出信号与硬币的材质、大小、花色以及硬币相对于径向磁梯度计5和轴向磁梯度计6的位置有关，为了避免因位置不同而造成的影响，故用定位柱将待测硬币定位。不同的硬币具有其标准数值，通过将检测结果与标准数值对比分析，便能判断出面值及其真伪。在本实施例中，信号激励源1为正弦信号，但其也可为其他包含有一个或多个频率分量的交流信号，在交流信号激励成功后进行检测，将测量结果与标准数值对比分析，还可以在交流信号激励成功并检测输出信号后，再对待测硬币4施加个直流磁场，该直流磁场可由外加的永磁体产生，还可通过信号激励源1对激励线圈3施加直流信号产生，在本实施例中为后者，然后又再次检测输出信号，这种情况下对材质为导体的硬币，其测量结果没有影响，但对材质为铁磁材料或表面涂覆有铁磁层（例如镍）的硬币，其测量结果将会有所改变，输出信号的幅值会呈现降低的趋势，这样能进一步提高分辨硬币真伪的准确度。 

图2和图3分别为本硬币检测系统中激励线圈、待测硬币、径向、轴向磁梯度计等的细节剖视图和俯视图。径向磁梯度计和轴向磁梯度计被激励线圈所包围，它们分别包含有两个X轴线性磁阻传感器15,15’和两个Z轴线性磁阻传感器16,16’，其中X轴线性磁阻传感器15,15’不仅位于激励线圈3的内部边缘并相对于激励线圈3的中心对称，也对称分布在待测硬币4边缘的下方，Z轴线性磁阻传感器16,16’不仅相对于激励线圈的中心相对称，也分布在待测硬币4中心的下方，也可以位于接近待测硬币4中心的下方，X轴线性磁阻传感器15,15’ 和Z轴线性磁阻传感器16,16’对称分布的目的在于：（1） 无待测硬币，但具有激励磁场时，径向磁梯度计和轴向磁梯度计的输出信号均为0；（2）在有待测硬币时，径向磁梯度计和轴向磁梯度计能测量对应的磁场梯度。本发明中，X轴线性磁阻传感器15,15’还可以分布在激励线圈3的同一左侧或右侧，且上下对称。当然径向磁梯度计和轴向磁梯度计也可位于激励线圈的外部，本发明对此不做限制。 

X轴线性磁阻传感器15和Z轴线性磁阻传感器16设置在靠近待测硬币的PCB 13上，X轴线性磁阻传感器15’和Z轴线性磁阻传感器16’设置在远离待测硬币4的PCB14上，PCB13和PCB14相同。X轴线性磁阻传感器15,15’的敏感方向与待测硬币4的径向平行，即从待测硬币4的中心指向其边缘，Z轴线性磁阻传感器16,16’的敏感方向与待测硬币4的轴向平行，即从待测硬币4的中心指向外，在图2中由于PCB13和PCB14的放置方向相反，所以X轴线性磁阻传感器15,15’和Z轴线性磁阻传感器16,16’的敏感方向分别各自相互反平行。在本实例中，X轴线性传感器15,15’和Z轴线性磁阻传感器16,16’为梯度全桥结构，其桥臂由一个或多个相互电连接的TMR元件组成。此外，X轴线性传感器15,15’和Z轴线性磁阻传感器16,16’为单电阻或梯度半桥结构，其桥臂也可以由一个或多个相互电连接的Hall,AMR或GMR等磁电阻元件组成。激励线圈3位于两个PCB13,14之间，将X轴线性传感器15,15’和Z轴线性磁阻传感器16,16’围住，激励线圈3为单个线圈，但如有需要增强信号，并使得其所产生的在待测硬币4周围的磁场更加均匀，这时也可以使用多个线圈相叠加组成的阵列，激励线圈3所围成的圆周直径大于或等于待测硬币4的直径，激励线圈3被上下两个PCB13,14定位，使得待测硬币4位于其一侧，在本实施例中，待测硬币4位于其上方，详细来说，就是待测硬币4的表面与激励线圈3的中心面（图2中的横向虚线所示）平行，并且待测硬币4的表面与激励线圈3中心面之间的距离至少为激励线圈高度H的一半。激励线圈3中的电流方向如图2中的17,18所示，即从17进入，从18出来，电流方向与激励线圈的中心面平行，在X轴线性磁阻传感器15和15’处所产生的磁场方向相同，在Z轴线性磁阻传感器16和16’处所产生的磁场方向也相同，但它们的敏感方向分别相反，所以通过运算可以使其相互抵消，对测量结果不造成影响。而相比X轴线性磁阻传感器15’和Z轴线性磁阻传感器16’， X轴线性磁阻传感器15和Z轴线性磁阻传感器16离待测硬币4更近，从而对待测硬币4所感生的涡流场形成梯度磁场测量。图2和图3的定位柱12是用于对待测硬币4进行定位，从而避免因待测硬币4所放置的位置不同而造成的影响，定位柱12的放置位置并不限于图中所示，例如，也可以放置在图中所示位置的对侧。 

图4A-4B分别为测量频率为1KHz时，材质为不锈钢、表面镀有镍的硬币所感生的涡流场的实部分量和虚部分量与测量位置的关系曲线。图中的位置0代表着硬币的中心点。其中，曲线19,22为轴向磁梯度计的模拟结果，曲线20,21为径向磁梯度计的模拟结果。从图4A中可以看出，在硬币中心附近的轴向磁场分量最大并且分布均匀，而径向磁场分量在硬币边缘最大，对比图4A和图4B可以发现，硬币所感生的涡流场的实部分量受测量位置的影响更大。 

图5A-5B分别为测量频率为10KHz时，材质为不锈钢、表面镀有镍的硬币周围磁场的实部分量和虚部分量与测量位置的关系曲线。其中，曲线23,26为轴向磁梯度计的模拟结果，曲线24,25为径向磁梯度计的模拟结果。从图5中也可以得出与图4中相同的结论。 

图6A-6D为不同材质的硬币所感生的涡流场的实部分量和虚部分量与频率之间关系的计算结果。其中，图6A中硬币材质为纯镍，图6B中硬币材质为不锈钢表面镀有厚度为100um的镍，图6C中硬币材质为不锈钢表面镀有厚度为10um的镍，图6D中硬币材质为纯不锈钢，曲线27,31,35,39为径向磁梯度计所测得的实部分量，曲线28,32,36,40为径向磁梯度计所测得的虚部分量，曲线29,33,37,41为轴向磁梯度计所测得的实部分量，曲线30,34,38,42为轴向磁梯度计所测得的虚部分量。从这几幅图中可以看出，不同材质的硬币，其测量结果也不同，实部分量对可磁导的材料更加敏感，而虚部分量敏感于涡流，根据各频率所对应的实、虚部分量便可获知硬币的面值、材质等信息。 

图7A-7B分别为1元和0.1元硬币的测试结果曲线。其中，曲线44,45和曲线48,49分别为轴向磁梯度计所测得的实部分量与虚部分量；曲线43,46和曲线47,50分别为径向磁梯度计所测得的实部分量与虚部分量。对比这两图可以看出，不同面值的硬币，其输出结果也不同。将测量结果与标准数值对比，便可判断出面值及其真假。有些硬币在某个频率处、某个方向上的测量结果相同或者很相近，导致不好判断面值及其真假，这时需要结合多个频率所对应的输出结果来进行判断。如表1及与表1相对应的图8所示： 

表1

从上表和图8中可以看出，面值为1JPY和10JPY在频率为9800Hz时，轴向磁梯度计的测量结果相同，需要结合径向磁梯度计的测量结果，才能分辨出面值。此外，面值为0.1CNY和0.5CNY的硬币在频率为9800Hz时，其在径向和轴向的磁场分量幅值很相近，不容易分辨，这时结合频率为160Hz时的测量结果，便能准确分辨出硬币的面值，面值为100JPY和US5CENT的硬币恰恰与前者相反。在频率为160Hz时的径向、轴向的磁场分量幅值很相近，需要结合频率为9800Hz时的测量结果才能准确分辨。

有些硬币在某个方向上的磁场分量幅度很相近，使用单轴磁梯度计测量，很难辨别，以面值为100JPY和5 US cent这两种硬币为例，如图9A-9B所示。图9A为使用轴向磁梯度计测量Z轴方向上磁场分量幅值与频率之间的关系曲线，图9B为使用径向磁梯度计测量X轴方向上磁场分量幅值与频率之间的关系曲线，从这两图可以看出，在频率为0~10KHz的范围内，这两种硬币在轴向（即Z轴方向）上的测量结果很相近，在径向（即X轴方向）上的测量结果在2.5~10KHz的频率范围内则有所差异，如果只测量轴向的磁场分量，则很难判断出面值，只有结合X轴方向上的测量结果，才能准确判断出硬币的面值。而有些硬币可能在轴向上测量结果有差异，而在径向上测量结果则很相近，由此可见，只有同时测量径向和轴向上的磁场分量，才能更准确的分辨出硬币的面值，再与标准结果进行对比，进而可以判断其真伪。本发明中的硬币检测系统同时对径向和轴向磁场分量进行测量，所以利用其测量结果来判断硬币的面值和真伪的准确度更高。 

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (13)

1.一种硬币检测系统，其特征在于，该硬币检测系统包括激励线圈，径向磁梯度计和轴向磁梯度计； 

所述激励线圈用于向待测硬币提供轴向的激励磁场，所述激励磁场在所述待测硬币内部感生涡流，所述涡流产生感生磁场； 

所述径向磁梯度计包括至少两个径向磁阻传感器且所述轴向磁梯度计包括至少两个轴向磁阻传感器，所述径向磁阻传感器和所述轴向磁阻传感器各自分别相对所述激励线圈的中心面或中心点对称分布；所述径向磁梯度计用于检测所述感生磁场在所述激励线圈对应两侧且沿所述待测硬币径向上的磁场分量之差，所述轴向磁梯度计用于检测所述感生磁场在所述激励线圈对应两侧且沿所述待测硬币轴向上的磁场分量之差，所述对应两侧是指沿着所述激励线圈轴向上相对的两侧； 

所述激励线圈被定位，其定位方式使得所述待测硬币的表面与所述激励线圈的中心面平行，并且所述待测硬币的表面与所述中心面之间的距离至少为所述激励线圈高度的一半。 

2.根据权利要求1所述的硬币检测系统，其特征在于，所述硬币检测系统进一步包括：用于激励所述激励线圈的信号激励源和驱动电路，用于放大所述径向磁梯度计和所述轴向磁梯度计所产生的信号的模拟前端电路，以及用于计算所述模拟前端电路输出的放大信号的实部分量和虚部分量的处理器。 

3.根据权利要求2所述的硬币检测系统，其特征在于，所述信号激励源所产生的信号含有交流信号，所述交流信号包含有至少一个频率分量；所述处理器计算与每一频率分量相对应的放大信号的实部分量和虚部分量。 

4.根据权利要求3所述的硬币检测系统，其特征在于，所述信号激励源还用于在所述交流信号存续期间施加直流信号，所述激励线圈所产生的激励磁场为直流磁场和交流磁场的叠加场。 

5.根据权利要求4所述的硬币检测系统，其特征在于，当所述待测硬币的材料为铁磁材料或所述待测硬币的表面涂覆有铁磁材料时，施加所述直流磁场后，输出信号的幅值会降低；当所述待测硬币的材料为导体时，所述直流磁场不影响输出信号的幅值。 

6.根据权利要求3所述的硬币检测系统，其特征在于，所述硬币检测系统能检测出每种类型的硬币所对应的实部分量和虚部分量的幅值。 

7.根据权利要求1所述的硬币检测系统，其特征在于，所述激励线圈为单个线圈或多个线圈相叠加组成的阵列，所述激励线圈所围成的圆周直径大于或等于所述待测硬币的直径。 

8.根据权利要求1所述的硬币检测系统，其特征在于，所述径向磁梯度计位于所述激励线 圈的内部边缘且位于所述待测硬币边缘的下方，所述径向磁阻传感器相对所述激励线圈的中心对称；所述轴向磁梯度计位于所述激励线圈的内部且位于或接近所述待测硬币的中心的下方，所述轴向磁阻传感器沿所述激励线圈的轴向相对所述激励线圈的中心对称分布。 

9.根据权利要求1所述的硬币检测系统，其特征在于，所述硬币检测系统还包括第一PCB和第二PCB，所述径向磁阻传感器分别位于所述第一PCB和第二PCB上，所述轴向磁阻传感器分别位于所述第一PCB和第二PCB上，所述激励线圈被固定于所述第一PCB和第二PCB之间；所述待测硬币位于第一PCB和第二PCB的上方。 

10.根据权利要求1、2、7或8任一项所述的硬币检测系统，其特征在于，所述径向磁阻传感器为X轴线性传感器，所述轴向磁阻传感器为Z轴线性传感器，所述X轴线性传感器的敏感方向与所述待测硬币的径向平行，所述Z轴线性传感器的敏感方向与所述待测硬币的轴向平行。 

11.根据权利要求10所述的硬币检测系统，其特征在于，所述X轴线性传感器、所述Z轴线性传感器为单电阻、半桥或全桥结构，所述单电阻、半桥的桥臂或全桥的桥臂由一个或多个相互电连接的磁电阻元件组成。 

12.根据权利要求11所述的硬币检测系统，其特征在于，所述磁电阻元件为Hall,AMR,GMR,TMR或半导体磁电阻元件。 

13.根据权利要求1、2、7或8所述的硬币检测系统，其特征在于，所述硬币检测系统还包括一定位装置，所述定位装置用于定位所述待测硬币所放置的位置，使得所述待测硬币接近于所述径向磁梯度计和所述轴向磁梯度计的一侧。