CN108734847A - 一种基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法及装置，该装置主要包括座体、电路板、主动轮轴、被动测厚轮轴、测厚支架、金属片、涡流线圈、测厚安装板、扩展轴承、以及三轴加速度传感器。工作时，钞票从主动轮轴与被动测厚轮轴之间的间隙中穿过，被动测厚轮轴在钞票穿过瞬间被顶起，该振动传递到位于端部的扩展轴承上，从而传递到测厚安装板的上部上，由于三轴加速度传感器安装在上部，因此，被动测厚轮轴的细微振动都能够直接传递到三轴加速度传感器上，通过接收三轴加速度传感器上的信号并根据本发明所提供的测厚方法进行处理，便可获得每张钞票的厚度值和对应的振动规律。

Description

一种基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法及装置

技术领域

本发明涉及纸币清分机领域，尤其涉及一种基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法及装置。

背景技术

随着科技进步的不断发展，纸币清分机作为银行和金融企业必不可少的纸币分拣设备，使用范围越来越广泛。近年来国内变造***频频出现，银行对纸币清分要求不断提高，对纸币表面胶带检测已经成为清分机必备功能。纸币测厚装置作为清分机关键结构部件，由于国内其技术尚未成熟，严重制约了清分机的发展。

在已有的测厚技术中已有红外测厚、超声波测厚以及霍尔测厚。红外测厚容易受纸币表面污渍的影响，对无反光纸币粘附物检测效果不理想，造成对纸币厚度的误判。超声波测厚对结构要求非常高，必须保证钞票平稳通过，对于高速运行的纸币，批量生产很难保证纸币的平稳。霍尔测厚的原理是感应磁场变化量判断纸币的厚度，由于轴承以及弹性轮都是金属结构，容易带磁对霍尔传感器产生干扰。

现有技术中已有纸币测厚装置，如专利申请号：201620182548.7，申请日：2016年3月10日，专利名称：纸币测厚装置，该申请案公开了一种利用涡流线圈作为检测原件的纸币测厚装置，该装置通过检测被动测厚轮活动端产生的位移而引发的金属片与涡流线圈的间隙发生变化，使涡流线圈端的阻抗和感抗产生变化来判断纸币的厚度，从而提高了测量精度和抗干扰的能力。该申请在一定程度上提高了纸币测厚装置的测量精度和抗干扰能力，但该申请依旧无法抑制测厚装置工作的快速振动，尤其是纸币撞击测厚装置上下滚轮的瞬间，会造成大幅度上升，不再贴合纸币表面，电涡流传感器无法测量过钞初期的纸币厚度，使得测厚装置在检测纸币前端是否粘贴胶纸或者存在折角等厚度异常问题时存在误差。

因此，现有技术需要进一步改进和完善。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种操作简单、识别精度高的基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述测厚方法的装置。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法，盖测厚方法主要包括如下步骤：

步骤S1：将三轴加速度传感器安装在扩展轴的左上角，并设定测量的X轴为垂直出钞轴竖直向下方向，Y轴为垂直出钞轴水平向左方向，Z轴为平行于出钞轴向内方向。

步骤S2：***上电，三三轴加速度传感器分别对三个轴向的加速度进行测量，并与数据采集卡连接，经过计算后获得测厚装置安装时的倾斜角度，同时对出钞轴的加速度进行修正。

步骤S3：测量时，三轴加速度传感器内的压电元件在受到外部作用力F时产生压电常数：

公式1：

由上式可得公式2：Q＝d*F，其中Q为电荷量，d为压电常数，F为受到的力；将上式与牛顿第二定律公式3：F＝m*a结合得到公式4：Q＝d*m*a，其中d和m在加速度传感器的压电陶瓷材料和质量块确定之后是固定值，得到Q和a呈线性关系，可通过测量电荷Q来获得三轴加速度传感器的加速度值。

步骤S4：三轴加速度传感器将测量值以模拟电压的形式经滤波后输送给数据采集卡，数据采集卡将模拟量进行AD转换，并输出给计算机处理。

步骤S5：启动计算机，并对计算机进行参数初始化，设定D/A输出数据为0，确保初始状态压电驱动器无激励电压信号。

步骤S6：由公式4得出公式5：为避免高频信号对传感器的干扰，对结果进行低通滤波，得到加速度公式6：ai为i时刻加速度值采样值。

步骤S7：对公式6进行积分获得公式7：Δt为两次采样间的时间差。

步骤S8：对公式7进行积分，可得位移公式8：其中vi是i时刻速度的采样值。

步骤S9：重复进行过钞试验若干遍，并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制参数，再计算获得出钞轴的位移，通过无线通信模块向外发送，以此检测纸币是否粘贴胶纸及其位置。

作为本发明的优选方案，为了提高测量的精度，本发明在没有纸币通过出钞轴时，测厚装置转动时产生的振动使加速度传感器输出电压在1.2V上下小幅波动；当有纸币通过出钞轴时，纸币挤压出钞轴，使出钞轴带动加速度传感器上下振动，从而将物理信号转换为电信号，相邻之间波峰基本相同。

作为本发明的优选方案，为了使测厚***工作更稳定、可靠，本发明所述步骤S5中的参数初始化包括控制算法参数的初始值设定，数据采集卡相应的初始值、控制地址和驱动方式的设定。

作为本发明的优选方案，为了进一步提高测厚***的灵敏度及测量精度，本发明所述三轴加速度传感器采用型号为ADXL327三轴加速度传感器，其测量范围大，灵敏度高，带宽较宽，受温度影响较小，成本低，能很好地满足测厚要求。

作为本发明的优选方案，所述数据采集卡采用安捷伦数据采集卡。相比于其他数据采集卡，安捷伦数据采集卡型号多，性能稳定，它使用通用而非专有标准的高速USB2.0接口，易连接，即插即用，并且捆绑提供了Keysight Modular Instruments MeasurementManger软件，可以快速设置和进行数据处理。此外，还可兼容多种应用软件开发环境，受干扰的状况很少。

作为本发明的优选方案，由于测厚装置在安装过程中或长期运行后，其安装位置会发生倾斜，导致测量精度不准确，因此本发明在三轴加速度传感器的安装出现偏差或者由于老化出现变形所导致安装位置发生倾斜时，三轴加速度传感器的X轴与重力加速度方向不再平行，此时X轴所测的加速度仅仅是主动测厚轮上下运动加速度的一个分量，设X轴与重力加速度之间的夹角为θ，X轴的输出为A_XOUT，Y轴输出为A_YOUT，Z轴输出为A_OUTZ，则夹角θ的计算公式为公式9：

根据夹角θ可以推出主动测厚轮上下运动的实际加速度A为公式10：

对公式10进行积分获得公式11：Δt为两次采样间的时间差；再对公式11进行积分，可得位移公式12：其中v_i是i时刻速度的采样值。上述设计或调整可以很好地应对这种情况，从而确保达到较高的测量精度的要求。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种基于三轴加速度传感器的纸币测厚装置，该测厚装置主要包括座体、电路板、主动轮轴、被动测厚轮轴、测厚支架、金属片、涡流线圈、测厚安装板、扩展轴承、以及用于测量被动测厚轮轴振动规律的三轴加速度传感器。所述主动轮轴位于被动测厚轮轴下方，与被动测厚轮轴平行设置，且与被动测厚轮轴摩擦连接。所述座体固定设置，位于被动测厚轮轴的一侧；所述被动测厚轮轴设置在测厚支架上，所述测厚支架安装在座体上，与座体转动连接。所述金属片的一端固定在座体上，另一端抵接在测厚支架上，由测厚支架驱动其上下振动。所述涡流线圈规定在金属片的上方，与电路板电连接，由电路板检测其与金属片之间的间距。

具体的，所述测厚安装板上设有用于连接被动测厚轮轴的连接孔、以及便于测量振动的开槽。所述扩展轴承安装在连接孔内，所述被动测厚轮轴的端部***连接孔内，通过扩展轴承与测厚安装板连接，将测量时的振动传递给测厚安装板。所述开槽从测厚安装板的一侧边缘向另一侧延伸将测厚安装板划分为用于测量的上部和用于安装的下部，上部与下部之间并不完全被划分开。所述开槽并不贯穿测厚安装板。所述三轴加速度传感器设置在测厚安装板的上部，并与电路板电连接。工作时，钞票从主动轮轴与被动测厚轮轴之间的间隙中穿过，被动测厚轮轴在钞票穿过瞬间被顶起，该振动传递到位于端部的扩展轴承上，从而传递到测厚安装板的上部上，由于三轴加速度传感器安装在上部，因此，被动测厚轮轴的细微振动都能够直接传递到三轴加速度传感器上，通过接收三轴加速度传感器上的信号并处理，便可获得每张钞票的厚度值和对应的振动规律。

进一步的，为了获得更准确的振动规律，从而提高测量精度，本发明所述测厚安装板下部还设有用于提高测量精度的第二三轴加速度传感器，所述第二三轴加速度传感器设置在下部的角落上，与电路板电连接。

作为本发明的优选方案，为了将更细碎的振动都能放大并反应到位于端部的三轴加速度传感器，本发明所述三轴加速度传感器设置在测厚安装板的上部角落上。

本发明的工作过程和原理是：工作时，钞票从主动轮轴与被动测厚轮轴之间的间隙中穿过，被动测厚轮轴在钞票穿过瞬间被顶起，该振动传递到位于端部的扩展轴承上，从而传递到测厚安装板的上部上，由于三轴加速度传感器安装在上部，因此，被动测厚轮轴的细微振动都能够直接传递到三轴加速度传感器上，通过接收三轴加速度传感器上的信号并根据本发明所提供的测厚方法进行处理，便可获得每张钞票的厚度值和对应的振动规律。利用加速度传感器检测纸币过钞时出钞轴的振动，根据其振动规律判断纸币的厚度是否存在异常，可以检测纸币上是否粘贴胶纸或者存在折角等厚度异常情况问题，甚至可以确定胶纸位置和大小，且操作简单，成本低廉，扩大了三轴加速度传感器的应用范围。

与现有技术相比，本发明还具有以下优点：

(1)本发明所提供的三轴加速度传感器具有频带宽、质量小、安装方便、接线少、结构紧凑的优点，采用三轴加速度传感器的合理布置方案结合滤波算法，实现了对测厚装置出钞轴振动位移的测量，大大提高了测厚装置的精度。

(2)本发明所提供的基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法将电涡流检测原件与加速度传感器相结合，利用涡流线圈作为检测原件，通过检测被动测厚轮活动端产生的位移量而引发的金属片与涡流线圈的间隙发生变化，使涡流线圈的阻抗和感抗发生变化来判断纸币的厚度，从而提高了测厚装置的测厚精度和抗干扰能力，同时加速度传感器保证了过钞初期的纸币厚度测量的稳定性和准确性。

(3)本发明所提供的基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法采用的是原件均对环境的磁场不响应，外界磁干扰不会影响到厚度的正常测量。

(4)本发明所提供的基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法采用扩展轴承的三轴加速度传感器安装方法，消除了加速度传感器的上下轴与重力加速度不完全平行导致的位移测量误差，可以大大提高位移的计算精度，保证测厚装置的准确性

附图说明

图1是本发明所提供的基于三轴加速度传感器的纸币测厚装置的结构示意图。

图2是本发明所提供的三轴加速度传感器的安装示意图。

图3是本发明所提供的三轴加速度传感器三轴标准位置示意图。

图4是本发明所提供的三轴加速度传感器发生倾斜时的示意图。

图5是本发明所提供的处理加速度传感器数据流程图。

上述附图中的标号说明：

1-座体，2-主动轮轴，3-被动测厚轮轴，4-测厚支架，5-金属片，6-测厚安装板，7-扩展轴承，8-三轴加速度传感器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明公开了一种基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法，盖测厚方法主要包括如下步骤：

步骤S1：将三轴加速度传感器8安装在扩展轴的左上角，并设定测量的X轴为垂直出钞轴竖直向下方向，Y轴为垂直出钞轴水平向左方向，Z轴为平行于出钞轴向内方向。

步骤S2：***上电，三三轴加速度传感器8分别对三个轴向的加速度进行测量，并与数据采集卡连接，经过计算后获得测厚装置安装时的倾斜角度，同时对出钞轴的加速度进行修正。

步骤S3：测量时，三轴加速度传感器8内的压电元件在受到外部作用力F时产生压电常数：

公式1：

由上式可得公式2：Q＝d*F，其中Q为电荷量，d为压电常数，F为受到的力；将上式与牛顿第二定律公式3：F＝m*a结合得到公式4：Q＝d*m*a，其中d和m在加速度传感器的压电陶瓷材料和质量块确定之后是固定值，得到Q和a呈线性关系，可通过测量电荷Q来获得三轴加速度传感器8的加速度值。

步骤S4：三轴加速度传感器8将测量值以模拟电压的形式经滤波后输送给数据采集卡，数据采集卡将模拟量进行AD转换，并输出给计算机处理。

步骤S5：启动计算机，并对计算机进行参数初始化，设定D/A输出数据为0，确保初始状态压电驱动器无激励电压信号。

步骤S6：由公式4得出公式5：为避免高频信号对传感器的干扰，对结果进行低通滤波，得到加速度公式6：ai为i时刻加速度值采样值。

步骤S7：对公式6进行积分获得公式7：Δt为两次采样间的时间差。

步骤S8：对公式7进行积分，可得位移公式8：其中vi是i时刻速度的采样值。

步骤S9：重复进行过钞试验若干遍，并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制参数，再计算获得出钞轴的位移，通过无线通信模块向外发送，以此检测纸币是否粘贴胶纸及其位置。

作为本发明的优选方案，为了提高测量的精度，本发明在没有纸币通过出钞轴时，测厚装置转动时产生的振动使加速度传感器输出电压在1.2V上下小幅波动；当有纸币通过出钞轴时，纸币挤压出钞轴，使出钞轴带动加速度传感器上下振动，从而将物理信号转换为电信号，相邻之间波峰基本相同。

作为本发明的优选方案，为了使测厚***工作更稳定、可靠，本发明所述步骤S5中的参数初始化包括控制算法参数的初始值设定，数据采集卡相应的初始值、控制地址和驱动方式的设定。

作为本发明的优选方案，为了进一步提高测厚***的灵敏度及测量精度，本发明所述三轴加速度传感器8采用型号为ADXL327三轴加速度传感器，其测量范围大，灵敏度高，带宽较宽，受温度影响较小，成本低，能很好地满足测厚要求。

作为本发明的优选方案，所述数据采集卡采用安捷伦数据采集卡。相比于其他数据采集卡，安捷伦数据采集卡型号多，性能稳定，它使用通用而非专有标准的高速USB2.0接口，易连接，即插即用，并且捆绑提供了Keysight Modular Instruments MeasurementManger软件，可以快速设置和进行数据处理。此外，还可兼容多种应用软件开发环境，受干扰的状况很少。

作为本发明的优选方案，由于测厚装置在安装过程中或长期运行后，其安装位置会发生倾斜，导致测量精度不准确，因此本发明在三轴加速度传感器8的安装出现偏差或者由于老化出现变形所导致安装位置发生倾斜时，三轴加速度传感器8的X轴与重力加速度方向不再平行，此时X轴所测的加速度仅仅是主动测厚轮上下运动加速度的一个分量，设X轴与重力加速度之间的夹角为θ，X轴的输出为A_XOUT，Y轴输出为A_YOUT，Z轴输出为A_OUTZ，则夹角θ的计算公式为公式9：

根据夹角θ可以推出主动测厚轮上下运动的实际加速度A为公式10：

对公式10进行积分获得公式11：Δt为两次采样间的时间差；再对公式11进行积分，可得位移公式12：其中v_i是i时刻速度的采样值。上述设计或调整可以很好地应对这种情况，从而确保达到较高的测量精度的要求。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：

一种基于三轴加速度传感器的纸币测厚装置，该测厚装置主要包括座体1、电路板、主动轮轴2、被动测厚轮轴3、测厚支架4、金属片5、涡流线圈、测厚安装板6、扩展轴承7、以及用于测量被动测厚轮轴3振动规律的三轴加速度传感器8。所述主动轮轴2位于被动测厚轮轴3下方，与被动测厚轮轴3平行设置，且与被动测厚轮轴3摩擦连接。所述座体1固定设置，位于被动测厚轮轴3的一侧；所述被动测厚轮轴3设置在测厚支架4上，所述测厚支架4安装在座体1上，与座体1转动连接。所述金属片5的一端固定在座体1上，另一端抵接在测厚支架4上，由测厚支架4驱动其上下振动。所述涡流线圈规定在金属片5的上方，与电路板电连接，由电路板检测其与金属片5之间的间距。

具体的，所述测厚安装板6上设有用于连接被动测厚轮轴3的连接孔、以及便于测量振动的开槽。所述扩展轴承7安装在连接孔内，所述被动测厚轮轴3的端部***连接孔内，通过扩展轴承7与测厚安装板6连接，将测量时的振动传递给测厚安装板6。所述开槽从测厚安装板6的一侧边缘向另一侧延伸将测厚安装板6划分为用于测量的上部和用于安装的下部，上部与下部之间并不完全被划分开。所述开槽并不贯穿测厚安装板6。所述三轴加速度传感器8设置在测厚安装板6的上部，并与电路板电连接。工作时，钞票从主动轮轴2与被动测厚轮轴3之间的间隙中穿过，被动测厚轮轴3在钞票穿过瞬间被顶起，该振动传递到位于端部的扩展轴承7上，从而传递到测厚安装板6的上部上，由于三轴加速度传感器8安装在上部，因此，被动测厚轮轴3的细微振动都能够直接传递到三轴加速度传感器8上，通过接收三轴加速度传感器8上的信号并处理，便可获得每张钞票的厚度值和对应的振动规律。

进一步的，为了获得更准确的振动规律，从而提高测量精度，本发明所述测厚安装板6下部还设有用于提高测量精度的第二三轴加速度传感器8，所述第二三轴加速度传感器8设置在下部的角落上，与电路板电连接。

作为本发明的优选方案，为了将更细碎的振动都能放大并反应到位于端部的三轴加速度传感器8，本发明所述三轴加速度传感器8设置在测厚安装板6的上部角落上。

本发明的工作过程和原理是：工作时，钞票从主动轮轴2与被动测厚轮轴3之间的间隙中穿过，被动测厚轮轴3在钞票穿过瞬间被顶起，该振动传递到位于端部的扩展轴承7上，从而传递到测厚安装板6的上部上，由于三轴加速度传感器8安装在上部，因此，被动测厚轮轴3的细微振动都能够直接传递到三轴加速度传感器8上，通过接收三轴加速度传感器8上的信号并根据本发明所提供的测厚方法进行处理，便可获得每张钞票的厚度值和对应的振动规律。利用加速度传感器检测纸币过钞时出钞轴的振动，根据其振动规律判断纸币的厚度是否存在异常，可以检测纸币上是否粘贴胶纸或者存在折角等厚度异常情况问题，甚至可以确定胶纸位置和大小，且操作简单，成本低廉，扩大了三轴加速度传感器8的应用范围。

实施例2：

一种纸币测厚装置，包括座体1、电路板、以及至少两个测厚机构，所述测厚机构包括主动轮、被动测厚轮、测厚轮支架以及金属片5，电路板设于机座的上部，所述测厚轮支架的转动端枢接于测厚轮支架的活动端，所述电路板对应每个测厚机构的金属片5设有涡流线圈，所述金属片5设于机座上并位于涡流线圈与测厚轮支架之间，所述金属片5的第一端设于机座上，金属片5的第二端抵接于测厚轮支架的活动端上并位于涡流线圈下方，所述主动轮设于被动测厚轮的一侧并与被动测厚轮摩擦传动，所述主动轮与被动测厚轮之间的间隙为过钞间隙。

本装置由电池、电源模块、三轴加速度传感器8、数据采集卡、无线通信模块、计算机组成。电池和电源模块产生整个装置所需要的电源，三轴加速度传感器8测量三个轴向的加速度，数据采集卡对加速度数据进行采集、修正并通过无线通讯模块将数据输送给计算机，通过滤波算法对数据进行修正，并计算位移，以检测纸币的真伪。

本装置的安装位置，如图2所示。测厚机械结构由加速度传感器和扩展轴组成，扩展轴承7通过螺丝固定在点钞机上。当纸币进入出钞轴时，出钞轴挤压扩展轴承7，使其带动加速度传感器运动。通过分析加速度传感器输出电压的变化规律可检测出纸币的厚度是否存在异常。

本发明所提供的纸币测厚方法具体操作过程如下：

1)本发明采用电池对本装置进行供电，电池与电源板块相连，电源模块产生稳定电压，并向加速度传感器、数据采集卡和无线通讯模块供电。

2)随后对加速度进行采集，进行过钞试验，该装置通过三轴加速度传感器8测量三个轴向的加速度，并将加速度以模拟量的形式输给数据采集卡。

3)本装置采用的加速度传感器，型号为ADXL327。该传感器是美国AD公司生产的单芯片三轴传感器，测量范围是±2.5g，可以承受1000g的振动冲击。该芯片可以同时测量三个方向的加速度，适合于静态和动态的加速度测量。芯片的Xout、Yout和Zout三个引脚分别是X轴、Y轴和Z轴的加速度输出，其中X轴用于测量上下方向的加速度，Y轴用于测量左右方向的加速度，Z轴用于测量前后方向的加速度。该电路中，ADXL327电源电压Vs为3.3V，灵敏度为462mV/g，当测量值为0g时，输出电压值为Vs/2，即1.65V，当加速度发生变化，对应轴的输出电压发生变化，因此通过测量某一轴输出电压大小，便可计算出该轴的加速度。

4)三轴加速度传感器8的输出以电压模拟量的形式输送到数据采集卡，数据采集卡对输入的模拟量进行AD转换，用数字量表示加速度的大小。

5)测厚机构工作时，三轴加速度传感器8内的压电元件在受到外部作用力F后会产生压电常数：

所以，电荷Q＝d*F(2)；

其中Q为电荷量，d为压电常数，F为受到的力。本发明装置中加速度传感器所受到的力主要是质量块随出钞轴振动产生的惯性力。根据牛顿第二定律F＝m*a(3)；

惯性力等于质量块乘以加速度，将公式(2)(3)进行组合可得到Q＝d*m*a(4)；其中d和m在加速度传感器的压电陶瓷材料和质量块确定之后就是固定值。因此，在传感器的可测范围之内，Q和a呈线性关系，可通过电荷Q来表征加速度值。

6)利用计算机得到振动信息，三轴加速度传感器8输出的是电压信号，有公式(4)可知为避免高频信号对传感器的干扰，对其结果进行低通滤波，得到加速度ai为i时刻加速度采样值。

7)将速度以数字量形式表示后，再计算出加速度传感器的X轴与重力加速度的夹角，利用该夹角对X轴输出的加速度进行修正。当该装置安装正确并且没有任何形变时，加速度传感器的X轴、Y轴和Z轴的方向如图3所示。X轴与重力加速度方向相反，用于测量主动测厚轮上下方向的加速度；Y轴用于测量左右方向的加速度；Z轴用于测量前后方向的加速度。此时X轴的输出就是主动测厚轮上下运动的加速度。

8)当装置的安装出现偏差或者由于老化出现变形，装置可能会出现倾斜，加速度传感器的X轴与重力加速度方向不再平行，此时X轴所测的加速度仅仅是主动测厚轮上下运动加速度的一个分量。如图4所示。设X轴与重力加速度之间的夹角为θ，X轴的输出为AXOUT，Y轴输出为AYOUT，Z轴输出为AOUTZ，则夹角θ为：

根据角θ可以推出主动测厚轮上下运动的实际加速度A为：

9)通过对X轴加速度的修正，可以计算出主动测厚轮上下运动的实际加速度，上下死点是加速度的两个极值，通过对极值的判断可以找出主动测厚轮的运动周期。通过对一个周期内，加速度的二次积分可以计算出主动测厚轮在一个周期内的位移。

10)对公式(8)进行积分，即Δt为两次采样间的时间差。

11)对公式(9)进行积分，可得位移公式 其中vi是i时刻速度的采样值。

12)使用MATLAB对加速度传感器输出信号进行处理流程图如图5所示。当没有纸币通过出钞轴时，测厚装置转动时产生的振动使加速度传感器输出电压在1.2V上下小幅波动；当有纸币通过出钞轴时，纸币积压出钞轴，使出钞轴带动加速度传感器上下振动，从而将物理信号转换为电信号，相邻之间波峰基本相同。

13)重复进行过钞试验若干遍，并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制参数。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：将三轴加速度传感器安装在扩展轴的左上角，并设定测量的X轴为垂直出钞轴竖直向下方向，Y轴为垂直出钞轴水平向左方向，Z轴为平行于出钞轴向内方向；

步骤S2：***上电，三三轴加速度传感器分别对三个轴向的加速度进行测量，并与数据采集卡连接，经过计算后获得测厚装置安装时的倾斜角度，同时对出钞轴的加速度进行修正；

步骤S3：测量时，三轴加速度传感器内的压电元件在受到外部作用力F时产生压电常数：

公式1：

由上式可得公式2：Q＝d*F，其中Q为电荷量，d为压电常数，F为受到的力；将上式与牛顿第二定律公式3：F＝m*a结合得到公式4：Q＝d*m*a，其中d和m在加速度传感器的压电陶瓷材料和质量块确定之后是固定值，得到Q和a呈线性关系，可通过测量电荷Q来获得三轴加速度传感器的加速度值；

步骤S4：三轴加速度传感器将测量值以模拟电压的形式经滤波后输送给数据采集卡，数据采集卡将模拟量进行AD转换，并输出给计算机处理；

步骤S5：启动计算机，并对计算机进行参数初始化，设定D/A输出数据为0，确保初始状态压电驱动器无激励电压信号；

步骤S6：由公式4得出公式5：为避免高频信号对传感器的干扰，对结果进行低通滤波，得到加速度公式6：ai为i时刻加速度值采样值；

步骤S7：对公式6进行积分获得公式7：Δt为两次采样间的时间差；

步骤S8：对公式7进行积分，可得位移公式8：其中vi是i时刻速度的采样值；

步骤S9：重复进行过钞试验若干遍，并根据振动效果的观测和存储数据分析，反复调整控制参数，再计算获得出钞轴的位移，通过无线通信模块向外发送，以此检测纸币是否粘贴胶纸及其位置。

2.根据权利要求1所述的基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法，其特征在于，当没有纸币通过出钞轴时，测厚装置转动时产生的振动使加速度传感器输出电压在1.2V上下小幅波动；当有纸币通过出钞轴时，纸币挤压出钞轴，使出钞轴带动加速度传感器上下振动，从而将物理信号转换为电信号，相邻之间波峰基本相同。

3.根据权利要求1所述的基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法，其特征在于，所述步骤S5中的参数初始化包括控制算法参数的初始值设定，数据采集卡相应的初始值、控制地址和驱动方式的设定。

4.根据权利要求1所述的基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法，其特征在于，所述三轴加速度传感器采用型号为ADXL327三轴加速度传感器。

5.根据权利要求1所述的基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法，其特征在于，所述数据采集卡采用安捷伦数据采集卡。

6.根据权利要求1所述的基于三轴加速度传感器的纸币测厚方法，其特征在于，当三轴加速度传感器的安装出现偏差或者由于老化出现变形所导致安装位置发生倾斜时，三轴加速度传感器的X轴与重力加速度方向不再平行，此时X轴所测的加速度仅仅是主动测厚轮上下运动加速度的一个分量，设X轴与重力加速度之间的夹角为θ，X轴的输出为A_XOUT，Y轴输出为A_YOUT，Z轴输出为A_OUTZ，则夹角θ的计算公式为公式9：

根据夹角θ可以推出主动测厚轮上下运动的实际加速度A为公式10：

对公式10进行积分获得公式11：Δt为两次采样间的时间差；再对公式11进行积分，可得位移公式12：其中v_i是i时刻速度的采样值。

7.一种基于三轴加速度传感器的纸币测厚装置，其特征在于，包括座体、电路板、主动轮轴、被动测厚轮轴、测厚支架、金属片、涡流线圈、测厚安装板、扩展轴承、以及三轴加速度传感器；所述主动轮轴位于被动测厚轮轴下方，与被动测厚轮轴平行设置，且与被动测厚轮轴摩擦连接；所述座体固定设置，位于被动测厚轮轴的一侧；所述被动测厚轮轴设置在测厚支架上，所述测厚支架安装在座体上，与座体转动连接；所述金属片的一端固定在座体上，另一端抵接在测厚支架上，由测厚支架驱动其上下振动；所述涡流线圈规定在金属片的上方，与电路板电连接，由电路板检测其与金属片之间的间距；

所述测厚安装板上设有用于连接被动测厚轮轴的连接孔、以及便于测量振动的开槽；所述扩展轴承安装在连接孔内，所述被动测厚轮轴的端部***连接孔内，通过扩展轴承与测厚安装板连接，将测量时的振动传递给测厚安装板；所述开槽从测厚安装板的一侧边缘向另一侧延伸将测厚安装板划分为用于测量的上部和用于安装的下部；所述开槽并不贯穿测厚安装板；所述三轴加速度传感器设置在测厚安装板的上部，并与电路板电连接。

8.根据权利要求7所述的基于三轴加速度传感器的纸币测厚装置，其特征在于，所述测厚安装板下部还设有用于提高测量精度的第二三轴加速度传感器，所述第二三轴加速度传感器设置在下部的角落上，与电路板电连接。

9.根据权利要求7所述的基于三轴加速度传感器的纸币测厚装置，其特征在于，所述三轴加速度传感器设置在测厚安装板的上部角落上。