CN1198231A - 测量薄片材料磁性的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种测量薄片材料磁性的方法,能在薄片材料的低和高磁粒子密度处都提供可靠的信号。首先测量头将薄片材料的磁性转换为电信号。测量头产生的电信号在某个信号范围中放大,使得薄片材料的具有低磁粒子密度的区域产生的较低振幅的电信号比薄片材料的具有高磁粒子密度的区域产生较高振幅的电信号放大更大的程度。为此目的,信号范围划分成至少三个各自恒定放大的范围。选择两个外侧范围的放大倍数相等,而中间范围的放大倍数大于外侧范围的放大倍数。在放大前,电信号最好偏移一个恒定值,使得信号范围的零点位于中间范围的中央。

Description

测量薄片材料磁性 的方法和装置

本发明涉及测量钞票等薄片材料(sheet material)的磁性的方法和装置。

从德国专利DE 40 22 739号可以了解这种装置。该装置包含至少一测量头，该测量头带有至少两个极靴(pole shoe)，如此安置，以便形成测量间隙。在测量间隙处薄片材料的磁性产生的磁信号，通过至少一个极靴上的检测器转换成电信号。

为了容许对低剩磁的磁性粒子进行充分可靠的检测，一个极靴是用永磁材料做的，而另一个极靴是用软磁材料做的。由永磁极靴材料产生的磁场选得这样大，使得另一个极靴的软磁材料具有适当的磁工作点(magneticoperating point)。这种测量甚至容许在测量间隙处的低磁信号在检测器上产生充分的电信号。

尤其是通常钞票在印刷图像区域具有低磁粒子密度，而在安全线(security thread)区域具有高磁粒子密度，因此在测量钞票期间，检测器上产生带有低或高振幅的电信号。

本发明的问题在于提出一种用于测量薄片材料磁性的方法，该方法在低和高磁粒子密度处都供应可靠的信号。

根据本发明，通过主要权利要求的特征部分中陈述的特性来解决该问题。

本发明的基本思想是放大在某信号范围测量头检测器产生的电信号，使得具有低磁粒子密度的区域产生的较低振幅电信号比具有高磁粒子密度的区域产生的较高振幅电信号放大更大的程度。为此目的，信号范围至少划分成两个各自恒定地放大的信号范围。在较低振幅信号的范围比相邻信号范围的放大要大。

信号范围最好分成三个放大倍数恒定的范围。选择两个外侧的范围放大倍数相等，而中间范围放大倍数比外侧范围的放大倍数大。放大前电信号最好偏移一个恒定值，使得信号范围的零点位于中间范围的中点。

本方法的一个优点在于，由具有低粒子密度的区域产生的低振幅电信号位于信号范围的中间范围并放大较大的程度，而由具有高粒子密度的区域产生的高振幅电信号属于信号范围的两个外侧的范围，并比低振幅电信号放大较小的程度。因此，在放大器输出端，电信号振幅更均匀地分布在放大器输出范围内，而且以后可由后续的如模数转换器最佳地处理。适当地偏移检测器电信号容许放大正和负的振幅。

在实现薄片材料磁性测量方法的装置中，可以利用如从德国专利DE 4022 739号中已知的测量头将薄片材料的磁性转换成电信号。

实现该方法的装置的一个优选实施例具有至少一个测量头，该测量头带有至少两个极靴，这两个极靴是磁去耦的，各自具有一个检测器，而且优选为软磁材料的。此外，提供产生不随时间变化的垂直于检测器平面的磁场的设备，每个检测器的磁场强度都不相同。优选不随时间变化的磁场强度使得一个极靴的软磁材料具有一个适当的磁工作点。

优选实施例的一个优点是，结构不对称的测量头使由检测器产生和放大的信号的对称性不同，取决于测量具有低剩磁的软磁粒子或具有高剩磁的硬磁粒子。这容许区分测量涉及低或高剩磁粒子。

在另一种实施例中，在测量头的测量间隙中提供产生确定的、随时间变化的磁信号的设备。最好提供一种电导体，经过该导体传导确定的、随时间变化的电信号。

利用在放大器输出端测量的电信号，可例如改变放大器的放大倍数，使得在放大器输出端测量的电信号改变到某个值。或者，通过适当地归一化电信号，可使在放大器输出端测量的电信号改变到某个值。这种方法容许消除如从温度影响或测量头磨损产生的不希望的放大倍数变化。

将多个测量头排成阵列容许同时测量薄片材料的多个轨道(track)。

由从属权利要求和参考附图的后续说明可导出本发明其它的优点和改进，其中

图1表示本发明优选实施例的示意图，

图2表示本发明装置的示意图，

图3表示放大器级的响应曲线，

图4表示放大的电信号的示意图，

图5表示硬磁或软磁粒子测量的示意图，

图6表示硬磁区域信号对称性的示意图，

图7表示软磁区域信号对称性的示意图，

图8表示校准设备电信号的示意图。

图1表示本发明优选实施例的示意图。薄片材料10和排成阵列的多个测量头20示于图1a的透视图、图1b的侧视图和图1c的平面图中。

每个测量头20具有两个极靴21和22，它们是磁去耦的并各自具有检测器23、24。适用的检测器23和24是例如线圈、霍尔探头(Hall probes)或磁敏电阻器。提供永久磁铁25用于产生不随时间变化的磁场。要在永久磁铁25和极靴21之间获得良好的相互作用，二者直接互联，使得永久磁铁25产生的磁场能很容易穿透极靴21的材料。

极靴21和22最好具有软磁材料。选择永久磁铁25的磁场强度，使得极靴21的软磁材料具有适当的磁工作点。

极靴21和22的磁去耦使永久磁铁25在极靴22中的磁场强度比在极靴21中的磁场强度低得多，使得极靴22没有适当的磁工作点。为了加强这种效果，可另外提供围绕极靴22的屏蔽(这里未示出)，使得永久磁铁25在极靴22中的磁场强度尽可能地低。

布置极靴21和22，以便形成测量间隙M，并在垂直于特定检测器23、24的检测器平面的测量间隙传递磁信号。然后检测器23、24将这些磁信号转换为电信号。在测量间隙M中可提供任选的电导体26，用于产生随时间变化的磁信号。

检测器23和24最好用导线连在一起，以便使每个测量头20只产生一个电信号。通过对检测器23和24反向接线，可以同时使作用在极靴21和22上的外界磁感应减至最小，因为当反向接线时，检测器23和24的电信号基本上互相抵消。

如果需要的话，检测器23和24的电信号也可分别从测量头20导出。为了进一步处理，信号可以用单独的放大器任选地放大并进一步分别处理。

如图1a和1c所示，多个磁头可排成阵列，单个测量磁头的测量间隙彼此平行地对准。这种布置容许同时测量薄片材料10的多个轨道。为产生不随时间变化的磁场，可使用相应尺寸的永久磁铁25。

图2表示本发明装置的示意图。和测量头20(该测量头可按现有技术或最好按上述方法实施)一起，该装置还具有放大器30用于放大测量头20的电信号。放大器30具有前置放大器40、偏移发生器50、动态放大器级60和校准设备70。

为了测量薄片材料的磁性，首先在测量头20的测量间隙处检测薄片材料的磁性，并由测量头20的检测器23、24转换成某信号范围的电信号。然后这些电信号通过A点进入放大器30。在那里，电信号通常先由前置放大器均匀地放大。前置放大器40在B点产生的电信号最好通过偏移发生器50偏移一个恒定值，于是可以适应后续动态放大器级60的响应曲线。

动态放大器级60的响应曲线示于图3。x轴表示电信号S_c在C点的强度。y轴表示电信号S_D在动态放大器级60后面D点的强度。

信号范围最好具有三个带有恒定放大倍数V₁或V₂的范围B₁、B₂和B₃。在两个外侧的范围B₂和B₃放大倍数相等，这里是V₁。在中间范围B₁的放大倍数V₂大于外侧的范围B₂和B₃的放大倍数V₁。

如果需要的话，信号范围还可划分成多于三个范围。在对称的范围中放大倍数选为相等的，即在两个最外侧的范围放大倍数相等，在次外侧的两个范围的放大倍数也彼此相等，等等，而例如最外侧范围的放大倍数可以不同于次外侧范围的放大倍数。如果有奇数个范围，中间范围的放大倍数可以自由地选择。

动态放大器级60的特定响应曲线信号保证在信号范围的中间范围B₁的低振幅电信号放大较大的程度，而在两个外侧的信号范围B₂和B₃的高振幅电信号放大较小的程度，如果需要的话，甚至可以衰减。

图4示意地表示薄片材料测量的放大的电信号。图4a表示用钞票作为薄片材料的例子，该钞票在表示为灰色的印刷图像的区域具有低磁粒子密度，而在由虚线表示的安全线区域具有高磁粒子密度。图4b表示钞票在放大器30的B点在钞票长度L上产生的电信号。电信号通常表示正和负两种振幅。在印刷图像区域振幅很低，而在安全线区域振幅很高。事实上，高低振幅间的比值比这里为清楚起见表示的比值要不利得多。

在B点的电信号S_B首先由偏移发生器偏移两个单位达到正值，以便使信号范围的零点位于动态放大器级60中间范围B₁的中央。然后在C点生成的信号S_C由具有图3所示响应曲线的动态放大器级60放大。现在在D点产生的电信号S_D示于图4c。因此在放大器30的D点处的电信号S_D的振幅比在B点的电信号S_B在放大器的输出范围的分布更均匀，而且信号图案更加清晰可辨。

现在，在D点的电信号S_D可由例如模-数转换器80最佳地处理。在例如8位模-数转换器80的情况下，数字输出值基本上分布在其值为0～255的整个范围。在C点的电信号S_c的直接转换基本上只产生一个平均值和极值0和255。在这个转换中，电信号S_c的图案信息将丢失。

然后，模-数转换器80产生的数字输出值可输送到例如测量数据处理设备90，然后该设备例如将接收的数字值和存储的数字值作比较，用于测试薄片材料。

另外，根据该装置的优选实施例，使测量头20参考放大器D点的电信号S_D的对称性来确定测量的是软磁还是硬磁粒子。图5是图1b的放大的一段，并示意地表示软磁或硬磁粒子的测量。

在图5a中，薄片材料含有硬磁粒子11。硬磁粒子11都是磁化的，带有在极靴21和22的方向用白色表示的南极。例如测量前硬磁粒子可由一个这里未图示的强永久磁铁或由永久磁铁25磁化。

磁场H的轨迹进一步示意地表示。磁场H的强度和表示的线的密度成正比。因此磁场H的强度在永久磁铁25处最高。如上所述，在极靴21的区域中，磁场H的强度恰好足以使极靴21具有适当的磁工作点。在极靴22的区域，磁场的强度低得多。可是，在极靴21和22的区域中，硬磁粒子的磁化基本上不受局部磁场H的强度的影响。

图5b表示软磁粒子的测量。可是，软磁粒子12的磁化依赖于局部磁场H的强度。在极靴21的区域内，由于存在较强的磁场H，软磁粒子发生强磁化，而在极靴22的区域内，因为那里的磁场H的强度低得多，软磁粒子12的磁化几乎完全消失。

图6示意地表示在检测器23和24处电信号的信号对称性，如当薄片材料10通过那里时，由带有硬磁粒子的狭长区域所产生的对称性。图6a画出磁场H随时间变化的强度。在t₁时刻，硬磁区域位于极靴21的上面，而且由于它在和磁场H的相反方向磁化，磁场H衰减。在t₂时刻，这种过程发生在极靴22的检测器24中。

由于在全部时间内硬磁区域的磁化是恒定的，在极靴21和22的相等的磁导率μ处，应在检测器23、24中产生同样大的电信号，如图6b所示。电信号S的振幅和磁场的瞬时变化成正比(S～μdH/dt)。对于图6b中所示的检测器23和24的电信号，由于上述理由，检测器23的电信号附加地反相了。

可是，因为磁导率μ依赖于局部磁场H的强度(μ＝μ(H))，由于磁场H的不同局部强度，在极靴21和22中磁导率μ是不同的。只有极靴21的材料具有最佳磁导率μ(H)，而且因此具有最佳工作点，使得检测器23产生高振幅的电信号。在检测器24处产生的电信号具有较低的振幅，如图6c所示。

图7表示具有软磁粒子的狭长区域类似于图6的信号图案。因为在极靴22的区域内，软磁区域的磁化几乎已完全消失，在时刻t₂磁场H产生非常小的变化，如图7a所示，而且根据图7b，在极靴21和22的相等的磁导率μ处，也因此产生低得多的检测器24的电信号。

由于两个极靴21和22的磁导率μ的上述差别，由检测器23产生的、如图7c所示的电信号几乎完全消失。

比较在图6c和7c中表示的信号图案，可见硬磁区域比软磁区域产生对称得多的信号图案。这种对称性的变化提供一种和信号强度无关的区分硬磁和软磁区域的可能性。

为了保证薄片材料的测量结果可再现，应当最好避免如由温度影响或测量头磨损引起的放大倍数变化。为此目的在放大器30中提供校准设备70。

为了校准，校准设备70产生注入放大器A、B或C点并被放大的确定电信号。在D点的电信号S_D用校准设备70测量并和存储在校准设备70中的期望值做比较。这种比较用来改变动态放大器级60的放大倍数，使得用校准设备70测量的D点的电信号S_D和存储在校准设备70中并对应于校准设备70产生的确定电信号的期望值匹配。

校准设备70的确定电信号的示例性信号图案示于图8。校准设备70最好产生一种随时间变化的、覆盖整个信号范围的电信号。这种信号随时间变化的实例示于图8a。如该电信号注入例如B点，校准设备70应测量D点的电信号图案S_D，如图8b所示。通过放大器级60放大倍数的上述变化，可以补偿偏离期望值的对应值。

在需要时，当然还可以使校准设备改变偏移发生器50中的偏移或前置放大器40的放大倍数。校准设备70产生的确定电信号的形状在图8a中表示为锯齿形，但基本上可任意选择。

另一种校准的可能性是使校准设备70产生如上所述的确定电信号，并将信号注入例如放大器30的A、B或C点。由放大器30放大并由模-数转换器80转换的数字信号然后在测量数据处理设备90中归一化为预期的数字期望值。必要的归一化常数可计算为例如预期数字期望值和转换的数字信号的商，并且存储在测量数据处理设备90的对应的表(tables)中。

通过在放大器30的A、B或C点注入校准设备70产生的电信号，只需消除放大倍数中不希望的变化。为了另外消除例如由测量头20的磨损引起的不希望的变化，校准设备70产生一种确定的、随时间变化的电信号，该信号通过测量头20的测量间隙M中的电导体26传导。该电信号使确定的磁信号产生在测量头20的测量间隙中。然后，如上所述，或者通过在放大器30中的对应变化，或者通过测量数据处理设备90的归一化，该电信号可以改变到给定的期望值。

Claims (21)

1.一种测量薄片材料如钞票磁性的方法，其中至少进行下列步骤：

转换薄片材料磁性为某信号范围的电信号，

通过具有至少两个放大倍数恒定的信号范围的响应曲线放大电信号，在低振幅信号范围中的放大倍数比相邻信号范围的大。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，响应曲线具有至少三个放大倍数恒定的信号范围，在至少一个信号范围中放大倍数比相邻信号范围的要大，而且在放大以前将电信号偏移一个恒定值。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在转换薄片材料的磁性以前，至少进行下列步骤用于校准响应曲线：

产生一电信号(A，B，C)，

放大所述电信号，以及

改变放大倍数，使得在放大器输出端的电信号(D)被改变到信号范围的某个值。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，电信号(A，B，C)是随时间变化的并覆盖整个信号范围。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在转换薄片材料的磁性以前，至少进行下列步骤用于校准响应曲线：

产生某种磁信号(E)，

转换所述磁信号为电信号，

放大所述电信号，以及

改变放大倍数，使得在放大器输出端的电信号(D)改变到信号范围的某个值。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，磁信号是随时间变化的，而通过转换产生的随时间变化的电信号覆盖整个信号范围。

7.如权利要求3至6中的任一项所述的方法，其特征在于，用表(tables)来进行放大倍数的变化。

8.一种用于执行权利要求1方法的装置，具有至少一个磁传感器，

所述磁传感器具有至少一个测量头，带有

至少一个检测器(23，24)，所述检测器将垂直于检测器平面的磁信号转换为电信号，以及

至少两个极靴(21，22)，其安置形成一种测量间隙，并在垂直于检测器(23，24)的检测器平面的测量间隙处传递磁信号，

所述磁传感器具有至少一个放大器(30)，用于放大检测器(23，24)的电信号，

其特征在于，

测量头的极靴(21，22)是磁去耦的，

每个极靴(21，22)具有一个检测器(23，24)，而且

所述测量头具有装置(25，26)，用于产生垂直于检测器(23)的检测器平面的随时间变化的磁场，在极靴的每个检测器(23，24)处的磁场强度不同。

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述极靴具有软磁材料。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，选择磁场强度，使得一个极靴具有一个适当的磁工作点。

11.如权利要求8至10中的任一项所述的装置，其特征在于，至少一个极靴具有一屏蔽，使得在所述极靴中的磁场强度尽可能地低。

12.如权利要求8所述的装置，其特征在于，检测器(23，24)用导线连接在一起，使得各个检测器(23，24)的电信号反相。

13.如权利要求8所述的装置，其特征在于，检测器(23，24)各自具有至少一个线圈。

14.如权利要求8所述的装置，其特征在于，检测器(23，24)各具有至少一个霍尔探头(Hall probe)。

15.如权利要求8所述的装置，其特征在于，检测器(23，24)各自具有至少一个磁敏电阻器。

16.如权利要求8所述的装置，其特征在于，产生不随时间变化的磁场的装置(25)具有至少一个永久磁铁。

17.如权利要求8所述的装置，其特征在于，产生不随时间变化磁场的装置(26)具有至少一个线圈。

18.一种用于执行权利要求6方法的装置，具有至少一个磁传感器(10)，所述传感器具有

至少一个检测器(23，24)，用于将垂直于检测器平面的磁信号转换为电信号，

至少一个放大器(30)，用于放大检测器(23，24)的电信号，

至少两个极靴(21，22)，其安置形成一个测量间隙，并在垂直于检测器平面的测量间隙处传递磁信号给检测器(23，24)，

其特征在于，

在磁传感器(10)的测量间隙中提供装置，用于产生随时间变化的磁信号。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，产生随时间变化的磁信号的装置具有一电导体(71)。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，

放大器(30)具有一校准设备(70)，用于产生一电信号(E)，所述电信号通过电导体(71)传导，而且

通过改变放大器(30)的放大倍数，校准设备(70)将在放大器输出端测量的电信号(D)改变到某个值。

21.如权利要求8至20中的任一项所述的装置，其特征在于，多个磁头排成阵列，各个测量头的测量间隙彼此平行对准。

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