隧道磁阻传感器在清分机厚度测量中的应用

李 辉

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

隧道磁阻传感器在清分机厚度测量中的应用

李 辉

（中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032）

高质量清分机，要对钞票的厚度进行检测，从而可以有效检测出厚度异常的钞票。介绍一种通过隧道磁阻（TMR）器件SML-F0103检测器件周围磁场变化的方法，来对被测钞票厚度进行测量。该器件具有高灵敏性和高线性度，可以实现对厚度的微小变化进行检测，因此非常适合用在清分机钞票测厚中，对于粘贴胶带或厚度异常的钞票都可以有效检测。

隧道磁阻传感器；清分机；高精度；磁场变化；测厚；数据校准算法

1 高精度厚度测量背景介绍

高精度钞票处理清分机都需要对钞票进行厚度检测，以便清分出胶带粘结的拼接币和厚度异常的伪造假币。早期厚度检测采用红外透射方法检测，由于油墨对红外光有不同程度吸收，造成同样厚度的检测值不同，而采用钞票厚度建模方法要求采样时位置精度很高，机械上实现困难。另外一种是超声波测厚法，利用超声波穿通钞票，另一端超声波接收，钞票厚度不同接收端接收到的能量就不同，从而检测出实际厚度，这种方法易被外部噪音干扰，相邻通道串扰比较严重，由于器件体积比较大，整张钞票检测的覆盖范围有限，测量精度不是很高。在此介绍一种利用简单机械结构加上高灵敏磁场检测传感器，实现高精度钞票厚度测量的装置。

2 机械设计原理

检测厚度装置的基本原理：通过两个测厚辊轴之间间隙的变化［1］，带动浮动轴上下移动，再通过杠杆作用放大移动距离范围，杠杆另一端上的磁钢移动造成磁场变化，而隧道磁阻传感器把磁场的变化转变成电信号［2］，再通过AD采集［3］转变成数字量进入ARM［4］或DSP进行数据处理。

机械结构由两个测厚辊轮、支架、弹簧、杠杆、传感器组成，上测厚辊可以绕定点上下运动［5］。机械机构如图1所示。

正常情况下，上辊轮在弹簧作用下压在下辊轮上，下轮为主动轮，在有钞票经过两轮之间时，上轮沿定点向上运动，运动距离与厚度相关。再通过桥臂带动磁钢沿定点转动，造成磁钢和传感器之间距离变化从而改变磁场强度变化，产生相应电信号就可以检测出厚度。

图1 机械结构示意图

3 磁传感器器件介绍

该文采用的SML-F0103磁传感器芯片［6］是一款高灵敏度的TMR线性传感器芯片，采用独特的推挽式惠斯通电桥设计，具有良好的温度特性以及抗共模信号干扰能力。该芯片包括四个非屏蔽的高灵敏度TMR传感器元件，当平行于传感器芯片灵敏度方向的磁场变化时，惠斯通电桥提供差分输出信号，SML-F0103芯片的每个桥臂是一个约8k欧姆的TMR电阻，可以更好的匹配后端电路。SMLF0103是一款磁性传感器芯片，通过匹配的磁路设计，可以实现电流、磁场、角度、位置等物理量检测。有如下特点：

.TMR（磁隧道结）技术

.兼容宽范围的电源电压

.低功耗

.极低磁滞

.高灵敏度

.模拟信号输出

.优越的温度稳定性

TMR特性曲线：图2是SML-F0103磁传感器芯片的输出随外加磁场强度变化的典型曲线。

图2 传感器磁场强度和电压输出关系

4 单路测厚信号放大电路设计

图3为一个TMR磁场传感器和运算放大器组成的信号放大电路，在静态时由于传感器在磁场中感应一定信号所以运放输出有一个静态偏差，可以调节磁钢和传感器距离使偏差在很小范围内，当有钞票通过两个辊轮之间时，磁钢移动造成磁场变化从而TMR桥产生信号输出并经过运放放大。可以调节磁钢强度使最厚钞票通过时不使输出信号失真［7］。

5 数据采集和控制电路

在清分机测厚设计中一般要对钞票全幅进行厚度检测［8］，但由于结构限制一般可以做到横向10毫米间隔一路测厚。图4为厚度数据采集和控制简略框图，多路测厚输出经过放大后通过模拟开关依次进行通道切换轮流被采集进中央处理单元，然后经过换算计算出每个通道厚度值。

图3 单路测厚信号放大电路

6 厚度校准算法介绍

用下列方程来代表厚度和AD输出值之间的关系：

其中y代表HD_out经过AD转换之后的数据量，x代表2个辊轮之间纸张的厚度，k为比例系数，a为常数。我们利用下列实验求出K和a。

在2个辊轮之间放入一张已知厚度（X1）的测试纸，读出HD_out经过AD转换后的值（Y1），则：

在2个辊轮之间放入一张已知厚度（X2）的测试纸，读出HD_out经过AD转换后的值（Y2），则：

二元一次方程组求出k＝（Y2-Y1）／（X2-X1），a＝Y1-kX1。计算出k和a之后利用公式（1）和每次HD_out的AD采集值求出纸张厚度。

图4 厚度数据采集和控制电路框图

7 结束语

在清分机中，测厚只是其中一个检测项目，这里只对其中的钞票厚度检测原理进行阐述。实验证明这种测厚方法在检测钞票厚度中有较高的精确度，分辨率可达到0.01毫米。和红外识别钞票图样、磁感应传感器检测钞票本身的磁信息等项目配合使用，对可能出现的粘贴异物和厚度异常，折角缺损等其它异常的钞票都能很好鉴别。

［1］ 张春倩，耿红艳.基于霍尔和光电传感器特性新型转速测量装置的设计和开发［J］.数字技术与应用，2009（10）：64-65. Zhang Chunqian，Geng Hongyan.Design and application of a new rotating speed measuring device based on Hall photoelectric sensor［J］.Digital technology and application，2009（10）：64-65.

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［3］ 杨光祥.STM32单片机原理与工程实践［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2013. Yang Guangxiang.STM32 MCU principle and engineering practice［M］.Wuhan university of science and technology press，2013.

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［7］ 周润景，郝晓霞.传感器与检测技术［M］.北京：电子工业出版社，2009. Zhou Runjing，Hao Xiaoxia.Sensor and detection technology［M］.Beijing：Electronic industry press，2009.

［8］ 刘立国，迟宝库.纸币清分机测厚技术的设计与研究［J］.学术交流，2011（2）：72-73. Liu Liguo，Chi Baoku.Design and research of thickness measurement technology For currency sorter［J］. Academic exchange，2011（2）：72-73.

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App lication of Tunneling Magnetoresistance Effect Sensor in Thickness Check of Counter Machines

Li Hui
（The47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China）

Thickness check is necessary in high quality countermachines to check the bank notewith unusual thickness.A method of checking magnetic field around tunneling magnetoresistance sensor is introduced in this paper to check the thickness of the bank note to be detected.The chip，with high sensitiveness and high linearity，is fit for thickness checking of counter machines and effectively check the counterfeit banknotewith unusual thickness because it can check very small change for the thickness.

Tunneling magnetoresistance Sensor；Counter Machines；High precision；Magnetic field Change；Thickness check；Data calibration algorithm

10.3969／j.issn.1002-2279.2016.06.017

TM936.6

A

1002-2279（2016）06-0069-03

李辉（1963-），男，辽宁沈阳人，工程师，主研方向：计算机应用。

2016-06-15