微小位移傳感器的自適應(yīng)修正方法

李天睿

摘? 要：微小位移傳感器在金融設(shè)備中主要作為有價(jià)介質(zhì)（鈔票，支票等）的厚度檢測傳感器，用于判別是否重張，是避免賬目問題的重要手段。該傳感器對精確度要求較高，而在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，由于傳感器衰減、環(huán)境變化、積塵等影響，需要經(jīng)常校準(zhǔn)，因此文章導(dǎo)入一種自適應(yīng)修正方法，能有效地減少校準(zhǔn)次數(shù)，提高穩(wěn)定性并確保精度。

關(guān)鍵詞：微小位移;自適應(yīng);金融設(shè)備

中圖分類號：TP212? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）02-0061-02

Abstract：The micro displacement sensor is mainly used as the thickness detection sensor of the valuable medium （banknotes，cheques，etc.） in the financial equipment. It is an important means to avoid the account problems. The sensor requires high accuracy，but in the practical application environment，due to the sensor attenuation，environmental change，dust and other effects，it needs to be calibrated frequently. Therefore，this paper introduces an adaptive correction method，which can effectively reduce the number of calibrations，improve the stability and ensure the accuracy.

Keywords：micro displacement;adaptive;financial equipment

0? 引? 言

微小位移傳感器主要用于檢測微小位移的變化，一般用于檢測幾十μm的信號變化。在金融設(shè)備中，主要用作有價(jià)介質(zhì)（鈔票、支票等）的厚度檢測，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過鈔票經(jīng)過時(shí)傳感器檢測到的位移的變化，來換算出鈔票的厚度。鈔票厚度一般在100 μm～150 μm之間，屬于精密測量范圍，因此對傳感器的檢測精度和準(zhǔn)確性要求較高。通常情況下，需要定期校準(zhǔn)?；诮鹑谠O(shè)備的特殊性，每次校準(zhǔn)都要在繁瑣的手續(xù)和較高的安全保證下進(jìn)行，耗費(fèi)較多的人力和財(cái)力。如何能在保證測量精度和準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，延長維護(hù)間隔時(shí)間，就成為了重點(diǎn)問題。

1? 微小位移傳感器

微小位移傳感器通常有電渦流傳感器、霍爾傳感器、PSD（Position Sensitive Detectors）光電位置傳感器等。從易用性和成本上考慮，PSD具有明顯優(yōu)勢。PSD是一種半導(dǎo)體位置敏感器件，它是基于橫向光電效應(yīng)的連續(xù)模擬式光斑位置檢測器件，其原理是利用光照在不同PSD光敏面的不同位置時(shí)光電二極管表面阻抗的變化來檢測光斑的位置[1]。和CCD等非連續(xù)（分割式）探測器相比，PSD的位置分辨率較高。PSD器件是上世紀(jì)70年代研制成功的一種新型位置傳感器，由于該器件具有體積小、靈敏度高、線性范圍大、噪聲低、響應(yīng)速度快、后續(xù)處理電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于光電位置測量、光學(xué)遙控、位移和振動的檢測和監(jiān)控、方向探測、光學(xué)邊界判別、醫(yī)用器械、三維位置測量系統(tǒng)以及機(jī)器人視覺等方面[2]。

圖1是PSD位移檢測原理圖。LED為發(fā)射端，LED發(fā)光時(shí)，光線從A點(diǎn)發(fā)射，經(jīng)過物體（Object）表面漫反射后有一束光透過O點(diǎn)到達(dá)PSD光敏面上，轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行測量，當(dāng)物體位置變化時(shí)，反射后到達(dá)光敏面的位置也發(fā)生變化。在鈔票厚度檢測中，通過機(jī)構(gòu)傳導(dǎo)，將鈔票厚度轉(zhuǎn)換到圖中Object的位移變化，由于位移變化（BB?），最終引起PSD光敏面光斑位置的變化（bb?），轉(zhuǎn)換為電信號的變化。由于相似三角形原理，光斑位置的變化bb?與位移變化BB?成正比。因此可以根據(jù)測量到的電信號變化來計(jì)算出位移的變化，從而算出鈔票厚度。

2? 現(xiàn)有微小位移檢測方法

由于PSD檢測的光電轉(zhuǎn)換并非完全線性，以及為了避免傳感器個(gè)體差異，因此為了提高測量精度，通常需要進(jìn)行校準(zhǔn)。如圖2所示，在d0位置，傳感器輸出電壓為v0，當(dāng)鈔票經(jīng)過時(shí)，傳感器檢測到位置為d1，此時(shí)傳感器輸出電壓為v1。實(shí)際上由于位移較小，每一段曲線都可以得到一個(gè)近似的線性曲線關(guān)系，v=x-kd。因此根據(jù)v0=x-kd0，v1=x-kd1，可以得到v1-v0=-k（d1-d0）即Δv=-kΔd，則k=-Δv/Δd。在做校準(zhǔn)時(shí)，通過測量A，B兩點(diǎn)的電壓和位移，可以很容易算出k的值。A，B點(diǎn)的選取，通常選取A為鈔票未經(jīng)過時(shí)的點(diǎn)，稱為零值。而B點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)厚度校準(zhǔn)鈔經(jīng)過時(shí)的點(diǎn)。標(biāo)準(zhǔn)厚度校準(zhǔn)鈔的厚度即為Δd。為了保證校準(zhǔn)精度，通常要求標(biāo)準(zhǔn)厚度校準(zhǔn)鈔的厚度值穩(wěn)定，誤差控制在±5%以內(nèi)，為了進(jìn)一步減小誤差，一般采用每次校準(zhǔn)使用20張標(biāo)準(zhǔn)厚度校準(zhǔn)鈔，進(jìn)行3次校準(zhǔn)取平均值的方式確定初始k值。

實(shí)際測量中，通常會采集鈔票未經(jīng)過的點(diǎn)A?，和鈔票經(jīng)過時(shí)的點(diǎn)B?，通過k值轉(zhuǎn)換計(jì)算得到鈔票厚度h。由于機(jī)構(gòu)磨損、傳感器衰減、積塵等原因，鈔票未經(jīng)過的點(diǎn)采集到的電壓即零值點(diǎn)會逐漸偏移。當(dāng)零值點(diǎn)偏移較大時(shí)，原來校準(zhǔn)的擬合曲線和實(shí)際曲線會出現(xiàn)較大的偏移，原來的k值也會發(fā)生變化，再采用原來的k值進(jìn)行厚度計(jì)算時(shí)，會出現(xiàn)較大的誤差，此時(shí)需要重新進(jìn)行校準(zhǔn)，否則容易出現(xiàn)厚度誤判，如果實(shí)際k值變小，則實(shí)際檢測到的Δv變小，如果仍采用原來的k值，則計(jì)算出來的鈔票厚度會變小，當(dāng)出現(xiàn)重鈔（兩張鈔票疊在一起）時(shí)，會被判斷為一張合格鈔票，而被送出給客戶，就會造成銀行的損失。反之，如果實(shí)際k值變大，最后計(jì)算出來的鈔票厚度變大，容易誤判為重鈔，而被當(dāng)成廢鈔處理，使拒鈔率增高，降低鈔票有效使用效率。