專利名稱：超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種非接觸式檢測技術(shù)，具體地說，涉及的是一種超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置及其方法。

背景技術(shù)：
眾所周知，貨幣現(xiàn)鈔流通過于頻繁的情況下，極易導致現(xiàn)鈔紙幣的破損，尤其是在經(jīng)濟欠發(fā)達的國家和地區(qū)，由于電子商務的不普及，更容易造成紙幣的破損和殘缺。當紙幣出現(xiàn)破損時，人們往往會采用透明膠帶紙粘貼紙幣的破損部位。為了銀行能夠及時回收此類破損紙幣，一般情況下，是通過人工識別與收集的，在被清點貨幣數(shù)量龐大的情況下，無疑是人工識別所難以承受的工作壓力。盡管當前在金融行業(yè)已經(jīng)開始逐漸推廣使用紙幣清分機來替代紙幣的人工清點工作，但是，由于現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，諸多紙幣清分機尚不具備能夠自動準確地鑒別粘貼有透明膠帶紙之類粘貼物的紙幣并將其分揀出來的高技術(shù)功能。本發(fā)明就是針對當前紙幣清分機的技術(shù)缺陷，提供一種超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置及其方法，因此能夠有效、準確地鑒別出紙幣是否存在粘貼物，還能夠有效、準確地識別出紙幣是否已經(jīng)破損或殘缺，與此同時，還會將可能出現(xiàn)的“變造幣”(假幣的一種)一起分揀出來。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮?00810012029.6的中國發(fā)明專利，專利名稱為一種能精確測量超薄工件厚度方法及儀器，該專利提供一種能精確測量超薄工件厚度方法，采用信號處理的方法來提取表征工件厚度的超聲波信息，既適合于測量超薄大曲率工件厚度也適合于測量普通工件厚度的超聲測厚技術(shù)，它的核心是對接收到的回波信號進行快速傅里葉變換從而獲得測量結(jié)果；一種能精確測量超薄工件厚度方法的儀器，由探頭和主機兩部分組成，主機部分包括DSP控制模塊、超聲波發(fā)射電路、超聲波信號接收電路，信號放大電路、閘門電路、通訊接口，液晶顯示器和鍵盤。該發(fā)明能夠適合于測量超薄大曲率工件厚度和普通工件厚度，可實時采集超聲回波信號，實時的進行快速傅里葉變換，實時計算和存儲管壁厚度，可以實現(xiàn)機械化自動測量。但是，該專利技術(shù)的主要不足之處在于第一，該專利技術(shù)的算法核心“是對接收到的回波信號進行快速傅里葉變換”，由于該算法必須依靠被測介質(zhì)的聲阻抗與介質(zhì)所處環(huán)境物質(zhì)聲阻抗的顯著差別才能獲得超聲信號功率譜的極值點，并進而通過相鄰兩個功率譜極值點所對應的頻率差才能計算獲得被測介質(zhì)的厚度，顯然這種方法無法適用于對紙幣厚度異常的鑒別；第二，儀器結(jié)構(gòu)過于復雜與龐大，無法適用于紙幣清分機。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索還發(fā)現(xiàn)，徐志輝等發(fā)表的論文“基于功率譜分析的表面涂層厚度超聲無損測量方法(載《中國表面工程》2004年第6期)，該文獻針對厚度小于1mm的薄膜或涂層材料，研究了一種超聲測厚信號處理方法；當超聲波在兩層或多層介質(zhì)中傳播時，不同界面的回波信號會相互疊加并發(fā)生干涉；當超聲波在厚度L、聲速v、聲阻抗Z2的介質(zhì)(介于聲阻抗分別為Z1和Z3的兩介質(zhì)之間)中傳播，由于界面回波的疊加與干涉，回波信號的功率譜在頻率為f0＝v/4L的奇數(shù)或偶數(shù)倍處出現(xiàn)周期性極值點，因此，當聲速v已知，待測試樣的厚度L可由關(guān)系式L＝v/2Δf來求得。其中，Δf是相鄰兩極值的頻率間隔。文章根據(jù)上述原理，采用水浸聚焦脈沖回波超聲檢測方法，對鎳基高溫合金基體上的ZrO2熱噴涂涂層進行了厚度測試，試驗結(jié)果與金相法測試結(jié)果相符。顯然該文獻所提供的方法只能適合于硬質(zhì)材料表面噴涂層厚度檢測，無法適用于紙幣厚度檢測，更無法從整體角度來鑒別紙幣的厚度異常、破損、殘缺與“變造”等狀態(tài)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置及其方法，使得清分紙幣過程能夠從整體角度著眼，有效、準確地鑒別出紙幣的厚度異常狀態(tài)，同時還兼具鑒別紙幣破損、殘缺與“變造”等性狀的功能。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 本發(fā)明目的之一是提供一種超聲波鑒別紙幣厚度異常的裝置。
所述超聲波鑒別紙幣厚度異常的裝置，包括超聲波發(fā)射器排管、超聲波發(fā)射槽、超聲波接收器排管、超聲波接收槽、超聲頻率信號發(fā)生模塊、超聲頻率信號接收模塊。超聲波發(fā)射器排管的輸入接口與超聲頻率信號發(fā)生模塊的輸出接口連接，接收來自超聲頻率信號發(fā)生模塊所生成的超聲頻率電信號；超聲波發(fā)射槽罩在超聲波發(fā)射器排管的超聲波發(fā)射面上，對列狀縱向超聲波進行整形，使得列狀縱向超聲波被轉(zhuǎn)換為形似一張連續(xù)的“平板”縱向超聲波向外輻射；超聲波接收槽罩在超聲波接收器排管的超聲波接收面上，對抵達超聲波接收器排管前的列狀縱向超聲波進行約束，使得列狀縱向超聲波從一個縫隙向接收管輻射；超聲波接收器排管的輸出接口與超聲頻率信號接收模塊的輸入接口連接，用以將超聲波接收器排管感應到的超聲頻率電信號傳輸至超聲頻率信號接收模塊。
所述超聲波發(fā)射器排管，由多個超聲波發(fā)射器“一字型”排列而成，利用超聲波的疊加與干涉效應而形成列狀縱向超聲波向外發(fā)射，故稱之為“超聲波發(fā)射器排管”；該超聲波發(fā)射器排管的輸入接口，是將“一字型”排列的每個超聲波發(fā)射器的兩端頭輸入管腳相互并接形成具有兩端點的輸入接口。所述超聲波接收器排管，由多個超聲波接收器“一字型”排列而成，用以接收來自超聲波發(fā)射器排管發(fā)射出來的列狀縱向超聲波，故稱之為“超聲波接收器排管”；構(gòu)成超聲波發(fā)射器排管的超聲波發(fā)射器的個數(shù)和超聲波接收器排管的超聲波接收器個數(shù)由被測試紙幣的最大寬度來確定，以超聲波信號能夠全部覆蓋紙幣的整個寬度為準，而且超聲波發(fā)射器排管所包含的超聲波發(fā)射器個數(shù)和超聲波接收器排管所包含的超聲波接收器個數(shù)對應相等；組成超聲波接收器排管中的每個超聲波接收器的電氣信號輸出通道各自獨立，即每個超聲波接收器均具有各自獨立的輸出接口，每個輸出接口又各自獨立地與超聲頻率信號接收模塊的對應輸入接口連接傳輸各自的超聲頻率電壓信號。
所述的超聲波發(fā)射器和超聲波接收器是一種結(jié)構(gòu)完全相同的超聲波傳感器，是依靠其中壓電晶片的逆、正壓電效應來實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收功能，所以又可以將超聲波發(fā)射器和超聲波接收器統(tǒng)稱為超聲波傳感器。所述壓電晶片的壓電效應，分正壓電效應和逆壓電效應兩種。正壓電效應是指當晶體受到某固定方向外力的作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，同時在其兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。逆壓電效應是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象，又稱電致伸縮效應，在壓電晶片的兩個表面被通以電壓信號的情況下，會產(chǎn)生機械形變效應，引起壓電晶片沿著其表面法線方向上的連續(xù)振動；壓電晶片的連續(xù)振動帶動了周圍空氣的振動，形成一種振動波向周邊傳播。
本發(fā)明所屬的超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置，具體使用和信息傳輸過程是 (1)利用紙幣行走結(jié)構(gòu)讓被檢測紙幣依次經(jīng)過超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置以便接受厚度檢測。
(2)向被檢測紙幣發(fā)射超聲波信號。
當紙幣行走結(jié)構(gòu)處于運行狀態(tài)時，超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置始終處于工作狀態(tài)，由超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置中的超聲波發(fā)射器排管向被檢測紙幣的表面發(fā)射超聲波信號，也就是說，由超聲頻率信號發(fā)生模塊生成超聲頻率電信號，超聲頻率電信號經(jīng)其輸出接口傳輸至超聲波發(fā)射器排管的輸入接口，超聲波發(fā)射器排管在電信號的作用下生成列狀縱向超聲波向外發(fā)射，超聲波發(fā)射槽的入射口緊挨著超聲波發(fā)射器排管發(fā)射端口安裝，列狀縱向超聲波從超聲波發(fā)射槽的入射口進入，經(jīng)超聲波發(fā)射槽的整形作用后，在超聲波發(fā)射槽的出射口又形成形似一張連續(xù)的“平板”縱向波向外輻射；因此使得紙幣在近距離經(jīng)過超聲波發(fā)射槽的出射口表面時被超聲波信號逐行輻射。
(3)超聲波接收器排管逐行接收經(jīng)紙幣透射后的超聲波信號。
超聲波接收槽的入射口與超聲波發(fā)射槽的發(fā)射口相向安裝，兩者的間距只需保持幾個毫米能夠保證紙幣順利通過即可；超聲波接收器排管的入射端口緊挨著超聲波接收槽的出射口安裝；由超聲波發(fā)射槽出射口向外輻射的“平板形”縱向超聲波從超聲波接收槽的入射口進入，經(jīng)過超聲波接收槽的約束，又從超聲波接收槽的出射口射入超聲波接收器排管的入射端口；因此超聲波接收器排管能夠逐行接收到經(jīng)過紙幣吸收而衰減過的超聲波信號。
(4)被超聲波接收器排管接收到的超聲波信號通過壓電效應被轉(zhuǎn)化為超聲頻率電信號；超聲頻率電信號再經(jīng)超聲波接收器排管的輸出接口傳輸至超聲頻率信號接收模塊輸入接口。
(5)超聲頻率電信號在超聲頻率信號接收模塊中接受處理和分析，最后鑒別出被測紙幣的厚度性狀等特征。
所述超聲波發(fā)射器和超聲波接收器，即一種性能“合二而一”的超聲波傳感器，亦稱微型超聲波傳感器，又被俗稱為超聲波探頭。所述微型超聲波傳感器，既可作為超聲波發(fā)射器使用，也可作為超聲波接收器使用；作為發(fā)射器使用時，稱之為微型超聲波發(fā)射器；作為接收器使用時，稱之為微型超聲波接收器。
所述的微型超聲波傳感器，包括壓電晶片、電極導線、超聲波反射圓錐面、叉式支架、殼體、電極引腳。壓電晶片斜置于超聲波反射圓錐面中間，壓電晶片的底邊兩角點固定在超聲波反射圓錐面上，壓電晶片的頂邊兩角點固定在叉式支架的兩點；叉式支架四個支點中的上兩個支點固定在超聲波反射圓錐面頂部“喇叭口”的圓周上，下兩個支點固定在超聲波反射圓錐面的錐面上；超聲波反射圓錐面的底部“錐尖”與殼體的底部固定連接，超聲波反射圓錐面頂部“喇叭口”的圓周與殼體的頂部固定連接；兩根電極引腳穿過殼體底部固定，處于殼體內(nèi)部的兩個端頭穿透超聲波反射圓錐面錐面裸露其金屬表面與電極導線焊接；兩根電極引腳外露殼體底部的兩個端點必須保留一定長度以便與外部超聲頻率電信號發(fā)生電路或接收信號放大電路連接，即起著輸入/輸出信號接口插頭的作用；電極導線共兩根，一頭分別與壓電晶片的兩面焊點焊接，另一頭分別與電極引腳穿透超聲波反射圓錐面的兩個端點焊接。
所述的微型超聲波傳感器作為超聲波發(fā)射器使用時，有兩種接收方式第一種方式，向外發(fā)射超聲波信號被遮擋物反射后回到超聲波傳感器，此時超聲波傳感器接收的是一種回射波，在這種工作方式下，微型超聲波傳感器兼具發(fā)射與接收超聲波信號的功能；第二種方式，采用兩個微型超聲波傳感器單體配對使用，即一個作為超聲波發(fā)射器向外發(fā)射超聲波，另一個作為超聲波接收器接收來自超聲波發(fā)射器所發(fā)出的超聲波，當然，此時在安裝工藝上是采取“一對一”相向安裝，即兩個單體微型超聲波傳感器分別處于被測物體的正、反兩個表面，由一個微型超聲波傳感器單體向被測物體的正面發(fā)射超聲波，而由另一個微型超聲波傳感器從被測物體的背面(反面)接收穿透該物體的超聲波信號，此時，每個微型超聲波傳感器單體僅具有單一的功能，即具有發(fā)射超聲波或者接收超聲波信號的單一功能。
所述超聲頻率信號發(fā)生模塊，包括超聲頻率信號發(fā)生器、發(fā)射功率放大器。超聲頻率信號發(fā)生器生成超聲頻率信號，如40kHz頻率信號；超聲頻率信號發(fā)生器的輸出接口與發(fā)射功率放大器的輸入接口連接，用于傳輸超聲頻率信號；發(fā)射功率放大器的輸出接口與超聲波發(fā)射器排管的輸入接口連接，將經(jīng)過功率放大后的超聲頻率信號輸送至超聲波發(fā)射器排管轉(zhuǎn)換成超聲波向外輻射。所述超聲波發(fā)射器排管的輸入接口，是將“一字型”排列的每個超聲波發(fā)射器的兩端頭輸入管腳相互并接形成兩端點輸入接口；換句話說，被“一字型”排列的多個超聲波發(fā)射器的電信號輸入是采用并聯(lián)輸入的方式，這是利用壓電晶片超聲波發(fā)生器的高阻抗輸入特性將每個超聲波發(fā)射器輸入端口并接后所形成的并聯(lián)阻抗能夠與發(fā)射功率放大器的輸出阻抗接近匹配，如單個超聲波發(fā)生器的阻抗為1200Ω時，15個超聲波發(fā)生器并聯(lián)后的輸入阻抗就是80Ω。
所述超聲頻率信號接收模塊，由多個前置子模塊、信號處理器、數(shù)字顯示器、控制器組成。所述多個前置子模塊，其數(shù)量與超聲波接收器排管所含有的超聲波接收器的個數(shù)相對應，即超聲波接收器排管排列多少個超聲波接收器就配置多少個前置子模塊，每個前置子模塊包括輸入接口、信號調(diào)理器、檢波器。其中，每個前置子模塊輸入接口的輸入端口與其所對應的超聲波接收器排管中的單個超聲波接收器的輸出接口連接用于傳輸單個超聲波接收器感應輸出的超聲頻率模擬電壓信號；每個前置子模塊輸入接口的輸出端口與信號調(diào)理器的輸入端口連接用于傳輸超聲頻率模擬電壓信號；信號調(diào)理器的輸出端口與檢波器的輸入端口連接用于傳輸經(jīng)過整形與檢波后的超聲頻率模擬電壓信號；檢波器的輸出端口與信號處理器的輸入端口連接用于傳輸對應于超聲頻率模擬電壓信號有效值的直流電壓信號；信號處理器的輸入通道數(shù)與前置子模塊的數(shù)量相對應，如配置15個前置子模塊時，信號處理器就對應地具備15路輸入通道；當前置子模塊采用單端信號輸出時，信號處理器的輸入端口就是對應地采用15路單端輸入，加上一個共地端點，信號處理器的輸入端口就是一種具備16個端點形式的接口；信號處理器的第一輸出端口與數(shù)字顯示器的輸入端口連接用于傳輸數(shù)字顯示信息；信號處理器的第二輸出端口與控制器的輸入接口連接用于傳輸控制指令。當超聲頻率信號接收模塊的每個前置子模塊輸入接口接收到來自對應單個超聲波接收器輸出的超聲頻率模擬電壓信號后，即將超聲頻率模擬電壓信號傳輸至信號調(diào)理器進行整形與檢波；經(jīng)過調(diào)理后的超聲頻率模擬電壓信號被檢波器檢波后獲得一個對應于超聲頻率模擬電壓信號電壓有效值的直流電壓信號；信號處理器對所有對應單個超聲波接收器感應輸出的超聲頻率模擬電壓信號電壓有效值的直流電壓信號進行信號比較與統(tǒng)計特征提取，最后將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成輸出信息經(jīng)第一輸出端口輸出至數(shù)字顯示器予以顯示，并通過第二輸出端口將控制指令輸出至控制器，由控制器去控制紙幣的出口流向。
所述的信號處理器，包括多端輸入接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、運算器和輸出接口。其中，多端輸入接口的輸入端口具備多個輸入通道，該輸入通道的個數(shù)與所述前置子模塊個數(shù)相同并且對應連接用于傳輸直流電壓信號，多端輸入接口的輸出端口與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端口連接用于傳輸電模擬信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端口與運算器的輸入端口連接用于傳輸數(shù)字電壓信號，運算器的輸出端口與輸出接口的輸入端口連接用于傳輸顯示信息數(shù)據(jù)和出鈔控制指令，輸出接口的第一輸出端口輸出顯示信息數(shù)據(jù)，輸出接口的第二輸出端口輸出鈔票出口選擇控制指令。
本發(fā)明的目的之二在于提供一種超聲波鑒別紙幣厚度異常的方法。
所述超聲波鑒別紙幣厚度異常的方法，具體步驟如下 步驟一，超聲波輻射強度測定。
這是開始測試任意紙幣之前必須完成的一項標定工作，也就是說，需要測定由超聲頻率信號發(fā)生模塊所生成的超聲頻率信號通過超聲波發(fā)射器排管向空間發(fā)射的超聲波強度。超聲波信號強度大小可以采用電壓或功率等電氣度量單位來表示。
通過超聲波接收器排管多次實現(xiàn)對超聲波信號的行掃描，再由超聲頻率信號接收模塊處理生成超聲波信息矩陣。這時超聲波信息矩陣中的元素就對應著每次行掃描時空間點位置上的超聲波信號強度大小。計算該超聲波信息矩陣中元素的數(shù)學均值，該數(shù)學均值就被稱為超聲波輻射強度。這是鑒別紙幣厚度異常的信息能量來源，也是后續(xù)信息處理的基本依據(jù)。
所述行掃描，超聲波接收器排管接收超聲波信號的過程稱為掃描，超聲波接收器排管一次接收超聲波信號，稱為一次行掃描。所述超聲波信息矩陣，經(jīng)過多次行掃描后，由超聲頻率信號接收模塊處理生成的行向量依照行掃描先后順序排列行向量數(shù)據(jù)構(gòu)成信號數(shù)據(jù)矩陣，稱為超聲波信息矩陣。所述行向量，一次行掃描后，由超聲頻率信號接收模塊處理生成的信號數(shù)據(jù)序列，稱為超聲波信息行向量，該行向量的元素序號及維數(shù)與超聲波接收器排管中超聲波接收器的數(shù)目相對應。
步驟二，標準紙幣檢測與特征提取。
所述標準紙幣特征提取，即超聲波信號下的紙幣特征提取。所述特征，根據(jù)超聲波信息矩陣中元素計算獲得的數(shù)學均值，稱為該超聲波信息矩陣的特征；如果超聲波信息矩陣是通過超聲波信號透射紙幣而獲取的，則又將該數(shù)學均值稱之為超聲波信號下的紙幣特征，簡稱紙幣特征；計算該特征的過程稱為超聲波信息特征提取，簡稱特征提取。具體方法如下 (1)任意選擇一張?zhí)囟嬷档臉藴收鎺?，當該標準紙幣在行走結(jié)構(gòu)的帶動下通過超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置的紙幣通道后，由微型超聲波接收器排管采集透射紙幣后的超聲波信號，再由超聲頻率信號接收模塊生成超聲波信息矩陣。
(2)將超聲頻率信號接收模塊生成的超聲波信息矩陣進行規(guī)范化，即將超聲波信息矩陣中的所有元素逐一與超聲波輻射強度相減；隨后再將各自計算結(jié)果替代原有元素，并將接近于零的數(shù)值全部以0來替換。這個變換過程就稱為矩陣的規(guī)范化。經(jīng)過如此變換過程所得到的矩陣稱為超聲波信息矩陣的規(guī)范化矩陣。
(3)去除規(guī)范化矩陣中兩側(cè)連續(xù)全為零的列向量，因此能夠確保規(guī)范化矩陣中保留下來的元素所代表的被測紙幣對應位置點上信息的真實性最強，因為既能全面且不遺漏地將反映紙幣在超聲波信號透射下的信息記錄下來，又盡可能地將沒有經(jīng)過紙幣透射而直接抵達的超聲波信號排除在外，也就是說，能盡可能地將從紙幣周邊直接輻射過來的超聲波信號所留下的假信息予以剔除。
所述列向量，由超聲波信息矩陣中的列元素構(gòu)成的序列，稱為超聲波信息列向量。所述“兩側(cè)連續(xù)全為零的列向量”，是指從矩陣的兩側(cè)向內(nèi)觀察，凡是連續(xù)、不間隔地出現(xiàn)全為零的列向量，就應該統(tǒng)統(tǒng)予以剔除，但是，如果其中間隔了一個不全為零的列向量后，再出現(xiàn)全為零的列向量，則不屬于被剔除的列向量。
(4)以去除兩側(cè)連續(xù)全為零列向量后的規(guī)范化矩陣作為“窗口”來重建一個與其元素位置相對應的標準真幣的超聲波信息矩陣。稱此時獲得的超聲波信息矩陣為超聲波信息重建矩陣。
(5)對超聲波信息重建矩陣進行特征提取。
步驟三，確定鑒別紙幣厚度異常的判定閾值。
鑒于紙幣在現(xiàn)實流通領(lǐng)域票面存在新舊程度上的差別顯然是司空見慣的事情，所述判定閾值，就是要針對現(xiàn)實流動紙幣掌握其票面新舊程度上的差別，來尋求一種判定閾值。換句話說，對于新舊程度存在不同差別的真紙幣，當它們各自接受超聲波輻射時，通過本發(fā)明裝置所接收到的超聲波透射信號強弱大小必然會存在相應的差別，勢必造成紙幣相互之間特征值的差別，所謂判定閾值就是需要確定的判定依據(jù)。當然，這是需要掌握足夠多的紙幣樣本通過實驗才能確定的，具體的方法有兩種最大差值法和二階統(tǒng)計學法。
方法一、最大差值法將已經(jīng)擁有的當前允許流通的最陳舊紙幣按照檢測標準紙幣一樣方法即步驟二對其進行檢測與特征提取，然后求取最陳舊紙幣與標準紙幣兩者的特征值差，就是本發(fā)明所要確定的鑒別紙幣厚度異常的判定閾值。
方法二、二階統(tǒng)計學法擁有盡量多的被測紙幣樣本，包括盡量多的新舊程度各自不同的被測紙幣樣本，讓其一一通過本發(fā)明裝置的測試，采用檢測標準紙幣一樣方法即步驟二對其進行檢測與特征提取；再對這些測試樣本，即新舊程度各不相同的被測紙幣樣本的特征值再計算其均值，根據(jù)多個測試樣本特征值求取二次均值的過程，稱之為二次統(tǒng)計學算法，所求取的二次均值被稱為二階特征值；由此求得的二次均值再跟參與計算的所有特征值中的、與其相差最大者相減，所得到的差值就可以作為本發(fā)明所要確定的鑒別紙幣厚度異常的判定閾值。
步驟四，任意紙幣的在線實時檢測與特征提取。
將與標準真幣同屬一類幣種的任意紙幣遵循步驟二的方法對其進行檢測與特征提取，依次獲得超聲波信息矩陣、超聲波信息矩陣的規(guī)范化矩陣等，最終獲取被測任意紙幣的超聲波信息重建矩陣及其對應特征值。
步驟五，被測紙幣厚度性狀特征的鑒別。
令鑒別紙幣厚度異常的判定閾值為δ、標準紙幣特征或測試樣本的二次特征值為μ*、任意紙幣特征為μr*，則對被測紙幣厚度性狀特征進行鑒別的具體方法如下 (1)當時，表明被測紙幣的厚度正常，即能夠判定該紙幣沒有粘貼膠帶紙，也沒有出現(xiàn)破損或殘缺； (2)當時，表明被測紙幣的厚度不正常，而且能夠判定該紙幣粘貼膠帶紙或“變造”； (3)當時，表明被測紙幣的厚度不正常，而且能夠初步判定該紙幣可能出現(xiàn)破損、殘缺或“變造”。緊接著，能夠利用被測紙幣時生成的超聲波信息重建矩陣所對應的規(guī)范化矩陣“窗口”中的元素分布規(guī)律加以判定是否出現(xiàn)破損、殘缺或“變造”，因為此時在規(guī)范化矩陣“窗口”中必定存在至少一個乃至更多個為0的元素；如果其中為0的元素相互不對稱，則表明當前被測紙幣必定存在破損或殘缺，應該予以揀出，即控制其由假廢鈔出口流出；否則，當前被測紙幣屬于走鈔過程出現(xiàn)歪斜而造成邊緣感應點的超聲波信號沒有被紙幣所遮擋，不應錯判為“不正?！薄?br> 所述“變造”，假幣的一種，是利用真幣的一部分與假幣的一部分粘貼而成，因其在制假的過程所采用的粘貼材料不同，會出現(xiàn)經(jīng)其透射的超聲波信號強弱變化不一，或衰減或增強，因此會出現(xiàn)或者的現(xiàn)象。
重復施行步驟四與步驟五的方法，能夠連續(xù)不斷地實現(xiàn)對已經(jīng)標定過的特定幣種紙幣厚度異常的在線實時準確鑒別；重復步驟二～步驟五的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對其它任何幣種與任何面額紙幣厚度異常的準確鑒別，如美元、歐元等中的任意一種；重復步驟一～步驟五的方法，能夠完成對任何一臺樣機的調(diào)試與標定工作。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果第一、能夠判定被測紙幣是否被粘貼膠帶紙；第二、能夠在不增加其他傳感信息的情況下，準確判定被測紙幣是否存在破損、殘缺、孔洞或折皺等狀況。



圖1為本發(fā)明超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明超聲波發(fā)射器排管結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本發(fā)明超聲波接收器排管結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本發(fā)明超聲波發(fā)射槽機械結(jié)構(gòu)圖； 圖5為本發(fā)明超聲波接收槽機械結(jié)構(gòu)圖； 圖6為本發(fā)明中的超聲波傳感器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖7為本發(fā)明超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置工作狀態(tài)示意圖，其中，(a)為超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置在紙幣清分機中的位置示意圖，(b)為超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置隨紙幣清分機機箱打開時的姿態(tài)示意圖； 圖8為本發(fā)明超聲頻率信號發(fā)生模塊結(jié)構(gòu)圖； 圖9為本發(fā)明超聲頻率信號接收模塊結(jié)構(gòu)圖； 圖10為本發(fā)明超聲波鑒別紙幣厚度異常方法流程圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1 本實施例提供一種所述超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置，如圖1所示，包括超聲波發(fā)射器排管1、超聲波發(fā)射槽2、超聲波接收器排管3、超聲波接收槽4、超聲頻率信號發(fā)生模塊5、超聲頻率信號接收模塊6。超聲波發(fā)射器排管1的輸入接口與超聲頻率信號發(fā)生模塊5的輸出接口連接，接收來自超聲頻率信號發(fā)生模塊5所生成的超聲頻率電信號；超聲波發(fā)射槽2罩在超聲波發(fā)射器排管1的超聲波發(fā)射面上，起著對列狀縱向超聲波的整形作用，使得列狀縱向超聲波形似一張連續(xù)的“平板”縱向超聲波向外輻射；超聲波接收槽4罩在超聲波接收器排管3的超聲波接收面上，起著對抵達超聲波接收器排管3前的列狀縱向超聲波的約束作用，使得列狀縱向超聲波從一個縫隙向接收管輻射；超聲波接收器排管3的輸出接口與超聲波頻率信號接收模塊6的輸入接口連接，用以將超聲波接收器排管3感應到的超聲頻率電信號傳輸至超聲頻率信號接收模塊6。
如圖2所示，系所述超聲波發(fā)射器排管1的俯視圖，由多個超聲波發(fā)射器101～115“一字型”排列而成，利用超聲波的疊加與干涉效應而形成列狀縱向超聲波向外發(fā)射，故稱之為“超聲波發(fā)射器排管”；其輸入接口，是將“一字型”排列的每個超聲波發(fā)射器101～115的兩端頭輸入管腳相互并接形成具有兩端點的輸入接口。超聲波發(fā)射器排管1的微型超聲波發(fā)射/接收器個數(shù)為15，是根據(jù)被測試紙幣的最大寬度來確定，以超聲波信號能夠全部覆蓋紙幣的整個寬度為準。
如圖3所示，系所述超聲波接收器排管3的仰視圖，由多個超聲波接收器301～315“一字型”排列而成，用以接收來自超聲波發(fā)射器排管3發(fā)射出來的列狀縱向超聲波，故稱之為“超聲波接收器排管”。超聲波接收器排管3的微型超聲波發(fā)射器個數(shù)為15，是根據(jù)被測試紙幣的最大寬度來確定，以能夠全部接收超聲波透射信號為準，而且超聲波接收器排管3的15個微型超聲波接收器數(shù)與超聲波發(fā)射器排管1的15個微型超聲波發(fā)射器一一對應。
所述超聲波發(fā)射槽2的俯視圖，如圖4所示；所述超聲波接收槽4的仰視圖，如圖5所示。
所述超聲波發(fā)射器101～115和超聲波接收器301～315，即一種“合二而一”的超聲波傳感器，亦稱微型超聲波傳感器。此類微型超聲波傳感器，既可作為超聲波發(fā)射器101～115使用，也可作為超聲波接收器301～315使用；作為發(fā)射器使用時，稱之為微型超聲波發(fā)射器101～115；作為接收器使用時，稱之為微型超聲波接收器301～315。本實施例采用兩個微型超聲波傳感器單體配對使用，即一個作為超聲波發(fā)射器101～115向外發(fā)射超聲波，另一個作為超聲波接收器301～315接收來自超聲波發(fā)射器101～115所發(fā)出的超聲波，即兩個單體微型超聲波傳感器分別處于被測紙幣的正、反兩個表面，由超聲波發(fā)射器101～115向被測紙幣的正面發(fā)射超聲波，而由超聲波接收器301～315從被測紙幣的背面(反面)接收穿透紙幣的超聲波信號。
所述超聲波發(fā)射器101～115或超聲波接收器301～315，被統(tǒng)稱為超聲波傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示，包括壓電晶片1001、電極導線1002、超聲波反射圓錐面1003、叉式支架1004、殼體1005、電極引腳1006。壓電晶片1001斜置于超聲波反射圓錐面1003中間，壓電晶片1001的底邊兩角點固定在超聲波反射圓錐面1003上，壓電晶片1001的頂邊兩角點固定在叉式支架1004的兩點；叉式支架1004四個支點中的上兩個支點固定在超聲波反射圓錐面1003頂部“喇叭口”的圓周上，下兩個支點固定在超聲波反射圓錐面1003的錐面上；超聲波反射圓錐面1003的底部“錐尖”與殼體1005的底部固定連接，超聲波反射圓錐面1003頂部“喇叭口”的圓周與殼體1005的頂部固定連接；兩根電極引腳1006穿過殼體1005底部固定，處于殼體1005內(nèi)部的兩個端頭穿透超聲波反射圓錐面1003錐面裸露其金屬表面與電極導線1002焊接；兩根電極引腳1006外露殼體1005底部的兩個端點必須保留一定長度以便與超聲頻率電信號連接或接插，即起著輸入/輸出信號接口插頭的作用；電極導線1002共兩根，一頭分別與壓電晶片1001的兩面焊點焊接，另一頭分別與電極引腳1006穿透超聲波反射圓錐面1003的兩個端點焊接。
當微型超聲波傳感器作為超聲波發(fā)射器使用時，電極引腳1006與來自外部的交變電氣信號連接并接收交變電氣信號輸入，交變電氣信號通過電極引腳1006和電極導線1002就將交變電氣信號的電壓加在壓電晶片1001的正、背面兩個焊點上；壓電晶片1001在交變電壓的壓電效應作用下，沿其平面的法線方向產(chǎn)生上下機械振動，進而帶動周圍的空氣形成振動波向外傳播；當外部輸入的交變電氣信號的頻率與壓電晶片1001的固有振動頻率一致時，壓電晶片1001便產(chǎn)生共振而形成一種振幅最大，亦即輸出功率最大的振動波向外傳播；如微型超聲波傳感器的固有振動頻率為40kHz，外部輸入的交變電氣信號的頻率也為40kHz時，壓電晶片便產(chǎn)生共振，因此形成一種振幅最大的振動波向外傳播；壓電晶片的振動波經(jīng)過超聲波反射圓錐面1003的聚能效應便形成一束具有足夠功率的超聲波束向外輻射。當微型超聲波傳感器作為超聲波接收器使用時，被接收的超聲波從空間射入到超聲波反射圓錐面1003，經(jīng)過反射聚能效應的作用抵達壓電晶片1001的正面，被反射到壓電晶片1001背面的超聲波能量因壓電晶片1001斜置角度的關(guān)系在壓電晶片1001背面的超聲波反射圓錐面1003上多次反射，被極大限度地衰耗掉，因此不會對抵達正面的超聲波產(chǎn)生能量抵消作用；當接收到的超聲波頻率與壓電晶片1001的固有振動頻率一致時，壓電晶片1001同樣會發(fā)生共振現(xiàn)象，即由壓電效應所生成的感應電壓達到最大值；生成的感應電壓信號通過電極導線1002和電極引腳1006與外部的交流放大電路的輸入接口相連接輸出電壓信號；超聲波接收器輸出電壓信號的大小就對應著被接收到的超聲波信號的強弱信息。
所述的微型超聲波傳感器，即超聲波發(fā)射器101～115和超聲波接收器301～315，固有振動頻率為40kHz。
本發(fā)明超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置工作狀態(tài)如圖7所示，其中，(a)為超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置在某紙幣清分機中的位置示意圖，(b)為超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置隨紙幣清分機機箱打開時的姿態(tài)示意圖。
所述超聲頻率信號發(fā)生模塊5，如圖8所示，包括超聲頻率信號發(fā)生器51、發(fā)射功率放大器52。超聲頻率信號發(fā)生器51生成40kHz超聲頻率信號；超聲頻率信號發(fā)生器51的輸出接口與發(fā)射功率放大器52的輸入接口連接用于傳輸超聲頻率信號；發(fā)射功率放大器52的輸出接口與超聲波發(fā)射器排管1的輸入接口連接，將經(jīng)過功率放大后的超聲頻率信號輸送至超聲波發(fā)射器排管1轉(zhuǎn)換成超聲波向外輻射。所述超聲波發(fā)射器排管1的輸入接口，是將“一字型”排列的每個超聲波發(fā)射器101～115的兩端頭輸入管腳相互并接形成具有兩端點的輸入接口；每個超聲波發(fā)生器的阻抗為1200Ω時，15個超聲波發(fā)生器并聯(lián)后的輸入阻抗為80Ω。
所述超聲頻率信號接收模塊6，如圖9所示，由多個前置子模塊601～615、信號處理器8、數(shù)字顯示器9、控制器10組成。所述多個前置子模塊601～615，其數(shù)量與超聲波接收器排管3所含有的超聲波接收器301～315的個數(shù)相對應，即超聲波接收器排管3排列多少個超聲波接收器就配置多少個前置子模塊，如超聲波接收器排管3排列15個超聲波接收器就對應配置15個前置子模塊。每個前置子模塊601～615包括輸入接口71、信號調(diào)理器72、檢波器73。其中，每個前置子模塊601～615輸入接口71的輸入端口與其所對應的超聲波接收器排管3中的單個超聲波接收器301～315的輸出接口連接用于傳輸單個超聲波接收器301～315感應輸出的超聲頻率模擬電壓信號；每個前置子模塊601～615輸入接口71的輸出端口與信號調(diào)理器72的輸入端口連接用于傳輸超聲頻率模擬電壓信號；信號調(diào)理器72的輸出端口與檢波器73的輸入端口連接用于傳輸經(jīng)過整形與檢波后的超聲頻率模擬電壓信號；檢波器73的輸出端口與信號處理器8的輸入端口連接用于傳輸對應于超聲頻率模擬電壓信號有效值的直流電壓信號；信號處理器8的輸入通道數(shù)與前置子模塊601～615的數(shù)量相對應，如配置15個前置子模塊601～615時，信號處理器8就對應地具備15路輸入通道；當前置子模塊601～615采用單端信號輸出時，信號處理器8的輸入端口就是對應地采用15路單端輸入，加上一個共地端點，信號處理器8的輸入端口就是一種16個端點的接口形式；信號處理器8的第一輸出端口與數(shù)字顯示器9的輸入端口連接傳輸數(shù)字顯示信息；信號處理器8的第二輸出端口與控制器10的輸入接口連接傳輸控制指令。當超聲頻率信號接收模塊的每個前置子模塊601～615輸入接口接收到來自對應單個超聲波接收器301～315輸出的超聲頻率模擬電壓信號后，即將超聲頻率模擬電壓信號傳輸至信號調(diào)理器72進行整形與檢波；經(jīng)過調(diào)理后的超聲頻率模擬電壓信號被檢波器73檢波后獲得一個對應于超聲頻率模擬電壓信號電壓有效值的直流電壓信號；信號處理器8對所有對應單個超聲波接收器301～315感應輸出的超聲頻率模擬電壓信號電壓有效值的直流電壓信號進行信號比較與統(tǒng)計學處理，最后將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成輸出信息經(jīng)第一輸出端口輸出至數(shù)字顯示器9予以顯示，并通過第二輸出端口將控制指令輸出至控制器10，由控制器10去控制紙幣的出口流向。
所述的信號處理器8，包括多端輸入接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、運算器和輸出接口。其中，多端輸入接口的輸入端口具備15個輸入通道與15個前置子模塊對應連接用于傳輸直流電壓信號，多端輸入接口的輸出端口與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端口連接用于傳輸電模擬信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端口與運算器的輸入端口連接用于傳輸數(shù)字電壓信號，運算器的輸出端口與輸出接口的輸入端口連接用于傳輸顯示信息數(shù)據(jù)和出鈔控制指令，輸出接口的第一輸出端口向數(shù)字顯示器9輸出顯示信息數(shù)據(jù)，輸出接口的第二輸出端口向控制器10輸出鈔票出口選擇控制指令。
本實施例中，所述超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置使用和信息傳輸過程是 (1)如圖6所示，利用紙幣行走結(jié)構(gòu)讓被檢測紙幣依次經(jīng)過超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置的紙幣通道以便接受厚度檢測。
(2)向被檢測紙幣發(fā)射超聲波信號。
當紙幣行走結(jié)構(gòu)處于運行狀態(tài)時，超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置式中處于工作狀態(tài)，由超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置中的超聲波發(fā)射器排管1向被檢測紙幣的表面發(fā)射超聲波信號，即由超聲頻率信號發(fā)生模塊5生成超聲頻率電信號，超聲頻率電信號經(jīng)其輸出接口傳輸至超聲波發(fā)射器排管1的輸入接口，超聲波發(fā)射器排管1在電信號的作用下生成列狀縱向超聲波向外發(fā)射，超聲波發(fā)射槽2的入射口緊挨著超聲波發(fā)射器排管1發(fā)射端口安裝，列狀縱向超聲波從超聲波發(fā)射槽2的入射口進入，經(jīng)超聲波發(fā)射槽2的整形作用后，在超聲波發(fā)射槽2的出射口又形成形似一張連續(xù)的“平板”縱向超聲波向外輻射；因此使得紙幣在近距離經(jīng)過超聲波發(fā)射槽2的出射口表面時被超聲波信號逐行輻射。
(3)超聲波接收器排管3逐行接收經(jīng)紙幣透射后的超聲波信號。
超聲波接收槽4的入射口與超聲波發(fā)射槽2的發(fā)射口相向安裝，兩者的間距只需保持幾個毫米能夠保證紙幣順利通過即可，如間距取5mm；超聲波接收器排管3的入射端口緊挨著超聲波接收槽4的出射口安裝；由超聲波發(fā)射槽2出射口向外輻射的“平板形”縱向波從超聲波接收槽4的入射口進入，經(jīng)過超聲波接收槽4的約束，又從超聲波接收槽4的出射口射入超聲波接收器排管3的入射端口；因此超聲波接收器排管3能夠逐行接收到經(jīng)過紙幣吸收而衰減過的超聲波信號。
(4)被超聲波接收器排管3接收到的超聲波信號通過壓電效應被轉(zhuǎn)化為超聲頻率電信號；超聲頻率電信號再經(jīng)超聲波接收器排管3的輸出接口傳輸至超聲頻率信號接收模塊6輸入接口。
(5)超聲頻率電信號在超聲頻率信號接收模塊6中接受處理和分析，最后鑒別出被測紙幣的厚度性狀等特征。
實施例2 本實施例基于上述的超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置，提供一種超聲波鑒別紙幣厚度異常方法，具體步驟如下 步驟一，超聲波輻射強度測定。
實施超聲波輻射強度測定的具體方法如下 (1)超聲波發(fā)射器排管發(fā)射出的超聲波信號依次經(jīng)超聲波發(fā)射槽和超聲波接收槽抵達超聲波接收器排管，由超聲波接收器排管實現(xiàn)對超聲波信號的行掃描；超聲波接收器排管輸出的超聲頻率電信號由超聲頻率信號接收模塊處理并生成信號數(shù)據(jù)序列，即超聲波信息行向量。如本發(fā)明裝置中含有15個微型超聲波接收器，超聲頻率信號接收模塊每完成一次行掃描就生成一個超聲波信息行向量[p1(1) p2(1) … pN(1)]，行向量中元素的上標為行掃描的序號。
(2)超聲波接收器排管逐次對超聲波信號進行行掃描，依次建立行向量[p1(2) p2(2) … pN(2)]、[p1(3) p2(3) … pN(3)]、……等，經(jīng)過多次行掃描后，將這些行向量依照先后順序構(gòu)成信號數(shù)據(jù)矩陣，稱為超聲波信息矩陣。其中行掃描次數(shù)，即超聲波信息矩陣的總行數(shù)M是根據(jù)紙幣傳送速率V、微型超聲波接收器排管與超聲頻率信號接收模塊完成一次行掃描所需要的時間t，以及待測試紙幣幣種的最大高度值H來確定，即 (公式一) 如每分鐘需要檢測900張紙幣，此時紙幣傳送速率V＝1m/s；當微型超聲波接收器排管與超聲頻率信號接收模塊完成一次行掃描所需要的時間t＝1.5ms、待測試紙幣幣種的最大高度值H＝0.09m時，超聲波信息矩陣的總行數(shù)M＝60。
令由此構(gòu)成的超聲波信息矩陣為P0，則

(公式二) 其中，矩陣元素pi(j)的下標i＝1，2，...，N表示每個微型超聲波接收器的序列編號，N為微型超聲波接收器的總數(shù)，如微型超聲波接收器總共有15個時，N＝15；pi(j)的上標j＝1，2，...，M表示超聲波信號行掃描序號，M為超聲波信號行掃描總行數(shù)。
(3)計算該超聲波信息矩陣中元素的數(shù)學均值μ0，該數(shù)學均值μ0就被稱為超聲波輻射強度。μ0的計算公式為 (公式三) 步驟二，標準紙幣檢測與特征提取。
具體方法如下 (1)任意選擇一張?zhí)囟嬷档臉藴收鎺?，當該標準紙幣在行走結(jié)構(gòu)的帶動下通過超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置的紙幣通道后，由微型超聲波接收器排管采集透射紙幣后的超聲波信號，再由超聲頻率信號接收模塊生成超聲波信息矩陣P，且

(公式四) 這里，N同樣為超聲波接收器排管的微型超聲波傳感器個數(shù)，M為該特定面值標準真幣被超聲波透射到的行數(shù)。其中，特定面值標準真幣超聲波信息矩陣P第一行的確定方法是第一次出現(xiàn)時，就將此時的j賦值以1，表明行走中的紙幣的前邊已經(jīng)開始遮擋超聲波輻射信號，其中的i為{1，2，...，N}中的任意值，ε是判定閾值，而且ε取統(tǒng)計特征值μ0與矩陣P0所有元素差值中的最大值，即i＝1，2，...，N，j＝1，2，...，M；特定面值標準真幣超聲波信息矩陣P最后一行的確定方法是當連續(xù)出現(xiàn)后，出現(xiàn)時，表明當前紙幣被超聲波信號透射的最后一行已經(jīng)抵達，當前一張透射紙幣的超聲波信號采集結(jié)束。
(2)將超聲頻率信號接收模塊生成的超聲波信息矩陣進行規(guī)范化，即將超聲波信息矩陣中的所有元素逐一與超聲波輻射強度相減；隨后再將各自計算結(jié)果替代原有元素，并將接近于零的數(shù)值全部以0來替代。具體是將矩陣P中的所有元素

與超聲波輻射強度μ0相減后得到當時，就取當時，就取因此就獲得一個對應于特定面值標準真幣超聲波透射功率矩陣P的規(guī)范化矩陣

即

(公式五) (3)去除規(guī)范化矩陣中兩側(cè)連續(xù)全為零的列向量，如第一個列向量 或最后一個列向量 就予以去除；如果緊接著還有第二個列向量 等，則繼續(xù)予以去除，最后獲得一個不含有兩側(cè)連續(xù)全為零列向量的規(guī)范化矩陣

因此能夠確保規(guī)范化矩陣中保留下來的元素所代表的被測紙幣對應位置點上信息的真實性最強，因為既能全面且不遺漏地將反映紙幣在超聲波信號透射下的信息記錄下來，又盡可能地將沒有經(jīng)過紙幣透射而直接抵達的超聲波信號排除在外。
(4)以去除兩側(cè)連續(xù)全為零列向量后的規(guī)范化矩陣作為“窗口”來重建一個與其元素位置相對應的標準真幣的超聲波信息矩陣，即超聲波信息重建矩陣。具體是以去除兩側(cè)連續(xù)全為零列向量的規(guī)范化矩陣

為窗口來構(gòu)建一個與其元素位置相對應的特定面值標準真幣超聲波信息矩陣P的變換矩陣P*。如去除兩側(cè)連續(xù)全為零列向量的規(guī)范化矩陣

為

(公式六) 與其元素位置對應的超聲波信息矩陣P的轉(zhuǎn)換矩陣為

(公式七) 這時的轉(zhuǎn)換矩陣P*才能夠最大限度地反映了超聲波信號透射紙幣的信息狀況，換句話說，轉(zhuǎn)換矩陣P*已經(jīng)最大限度地排除了超聲波信號中的假信息。
(5)對超聲波信息重建矩陣P*進行特征提取，即求取P*所含矩陣元素的數(shù)學均值μ*。以公式七為例，μ*可以表達為 (公式八) 稱μ*為P*的特征值，這是后續(xù)檢測與鑒別的標尺。
步驟三，確定鑒別紙幣厚度異常的判定閾值，采用以下兩種方法中的任意一種。
方法一(最大差值法)將已經(jīng)擁有的當前允許流通的最陳舊紙幣按照檢測標準紙幣一樣方法即步驟二對其進行檢測與特征提取，然后求取最陳舊紙幣與標準紙幣兩者的特征值差，即為鑒別紙幣厚度異常的判定閾值δ。
方法二(二階統(tǒng)計學法)利用10張新舊程度各自不同的被測紙幣樣本，讓其一一通過本發(fā)明裝置的測試，采用檢測標準紙幣一樣方法即步驟二對其進行檢測與特征提?。辉賹@10張新舊程度各不相同的被測紙幣測試后所獲取的特征值進行二次均值計算，即求取二階特征值；由此求得的二次均值再跟參與計算的所有特征值中的、與其相差最大者相減，即為鑒別紙幣厚度異常的判定閾值δ。
步驟四，任意紙幣的在線實時檢測與特征提取。
將與標準真幣同屬一類幣種的任意紙幣遵循步驟二的方法對其進行檢測與特征提取，依次獲得超聲波信息矩陣、超聲波信息矩陣的規(guī)范化矩陣等，最終獲取被測任意紙幣的超聲波信息重建矩陣Pr*及其對應特征值μr*。
步驟五，被測紙幣厚度性狀特征的鑒別。
對被測紙幣厚度性狀特征進行鑒別的具體方法如下 (1)當時，表明被測紙幣的厚度正常，即能夠判定該紙幣沒有粘貼膠帶紙，也沒有出現(xiàn)破損或殘缺； (2)當時，表明被測紙幣的厚度不正常，而且能夠判定該紙幣粘貼膠帶紙或“變造”； (3)當時，表明被測紙幣的厚度不正常，而且能夠初步判定該紙幣可能出現(xiàn)破損、殘缺或“變造”。緊接著，利用被測紙幣時生成的超聲波信息重建矩陣所對應的規(guī)范化矩陣

“窗口”中的元素分布規(guī)律加以判定是否出現(xiàn)破損、殘缺或“變造”，因為此時在規(guī)范化矩陣

“窗口”中必定存在至少一個乃至更多個為0的元素；如果其中為0的元素相互不對稱，則表明當前被測紙幣必定存在破損或殘缺，應該予以揀出，即控制其由假廢鈔出口流出；否則，當前被測紙幣屬于走鈔過程出現(xiàn)歪斜而造成邊緣感應點的超聲波信號沒有被紙幣所遮擋，不應錯判為“不正?！薄Ｈ缭诰仃?

中發(fā)現(xiàn)元素

為0，同時又發(fā)現(xiàn)

也為0，說明當前被測紙幣因走鈔歪斜而造成的，即所以，不應錯判為“不正?！保坏?，如果此時不存在與數(shù)值為0元素

相對稱的元素，則說明數(shù)值為0元素

所對應的紙幣邊緣位置已經(jīng)破損或殘缺；同理，如果在矩陣

的非邊緣行或非邊緣列的元素中出現(xiàn)0，同時與其對稱的元素又不為0，則說明該點元素所對應的紙幣位置已經(jīng)有孔洞。依次類推，在下，能夠繼續(xù)判定紙幣的破損和存在空洞的種種情況。
所述中的μ*，當采用步驟三中的最大差值法來確定鑒別紙幣厚度異常的判定閾值δ時，μ*為標準紙幣超聲波信息重建矩陣P*的特征；當采用步驟三中的二階統(tǒng)計學法來確定鑒別紙幣厚度異常的判定閾值δ時，μ*為多張新舊程度各自不同的被測紙幣樣本特征值的二次均值，即二次特征值；換句話說，采用步驟三中的二階統(tǒng)計學法來確定鑒別紙幣厚度異常的判定閾值δ時，判斷條件中的μ*必須用多張新舊程度各自不同的被測紙幣樣本特征的二次特征值作為公式中μ*的值來參與計算。所述二次特征值的計算方法如下 以10張新舊程度各自不同的被測紙幣樣本為例，令，被測紙幣樣本的特征值為μ1、μ2、……、μ10，則二階特征值μ′為 (公式九) 因此，參與鑒別計算時，以二階特征值替換μ*，即μ*＝μ′。
重復施行步驟四與步驟五的方法，能夠連續(xù)不斷地實現(xiàn)對已經(jīng)標定過的特定幣種紙幣厚度異常的在線實時準確鑒別；重復步驟二～步驟五的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對其它任何幣種與任何面額紙幣厚度異常的準確鑒別，如美元、歐元等中的任意一種；重復步驟一～步驟五的方法，能夠完成對任何一臺樣機的調(diào)試與標定工作。
所述的超聲波鑒別紙幣厚度異常方法的程序流程如圖10所示從步驟四～步驟五是在線實時鑒別紙幣厚度異常的循環(huán)程序；步驟二～步驟五是重新標定一種特定幣種以便實現(xiàn)在線實時鑒別新的特定紙幣厚度異常的循環(huán)程序；從步驟一～步驟五是對每臺樣機進行調(diào)試與標定必須應該運行的循環(huán)程序。
通過實例檢測證實所有粘貼有膠帶紙(如透明膠紙)的紙幣被檢出的正確率達到100％；破損、殘缺、孔洞和折皺的鑒別準確率達到99％。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果第一、能夠判定被測紙幣是否被粘貼膠帶紙；第二、能夠在不增加其他傳感信息的情況下，準確判定被測紙幣是否存在破損、殘缺、孔洞或折皺等狀況。
權(quán)利要求
1.一種超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置，其特征在于包括超聲波發(fā)射器排管、超聲波發(fā)射槽、超聲波接收器排管、超聲波接收槽、超聲頻率信號發(fā)生模塊以及超聲頻率信號接收模塊；其中超聲波發(fā)射器排管的輸入接口與超聲頻率信號發(fā)生模塊的輸出接口連接，接收來自超聲頻率信號發(fā)生模塊所生成的超聲頻率電信號；超聲波發(fā)射槽罩在超聲波發(fā)射器排管的超聲波發(fā)射面上，對列狀縱向超聲波進行整形，使得列狀縱向超聲波被轉(zhuǎn)換為形似一張連續(xù)的“平板”縱向超聲波向外輻射；超聲波接收槽罩在超聲波接收器排管的超聲波接收面上，對抵達超聲波接收器排管前的列狀縱向超聲波進行約束，使得列狀縱向超聲波從一個縫隙向接收管輻射；超聲波接收器排管的輸出接口與超聲波頻率信號接收模塊的輸入接口連接，用以將超聲波接收器排管感應到的超聲頻率電信號傳輸至超聲頻率信號接收模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置，其特征在于所述超聲波發(fā)射器排管由多個超聲波發(fā)射器“一字型”排列而成，利用超聲波的疊加與干涉效應而形成列狀縱向超聲波向外發(fā)射；該超聲波發(fā)射器排管的輸入接口是將“一字型”排列的每個超聲波發(fā)射器的兩端頭輸入管腳相互并接形成具有兩端點的輸入接口；所述超聲波接收器排管由多個超聲波接收器“一字型”排列而成，用以接收來自超聲波發(fā)射器排管發(fā)射出來的列狀縱向超聲波；構(gòu)成超聲波發(fā)射器排管的超聲波發(fā)射器的個數(shù)和構(gòu)成超聲波接收器排管的超聲波接收器個數(shù)以超聲波信號能夠全部覆蓋紙幣的整個寬度為準，而且超聲波發(fā)射器排管所包含的超聲波發(fā)射器個數(shù)和超聲波接收器排管所包含的超聲波接收器個數(shù)對應相等；組成超聲波接收器排管中的每個超聲波接收器的電氣信號輸出通道各自獨立，即每個超聲波接收器均具有各自獨立的輸出接口，每個輸出接口又各自獨立地與超聲頻率信號接收模塊的對應輸入接口連接用于傳輸各自的超聲頻率電壓信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置，其特征在于所述的超聲波發(fā)射器和超聲波接收器是一種結(jié)構(gòu)完全相同的超聲波傳感器，該超聲波傳感器包括壓電晶片、電極導線、超聲波反射圓錐面、叉式支架、殼體以及電極引腳；其中壓電晶片斜置于超聲波反射圓錐面中間，壓電晶片的底邊兩角點固定在超聲波反射圓錐面上，壓電晶片的頂邊兩角點固定在叉式支架的兩點；叉式支架四個支點中的上兩個支點固定在超聲波反射圓錐面頂部“喇叭口”的圓周上，下兩個支點固定在超聲波反射圓錐面的錐面上；超聲波反射圓錐面的底部“錐尖”與殼體的底部固定連接，超聲波反射圓錐面頂部“喇叭口”的圓周與殼體的頂部固定連接；兩根電極引腳穿過殼體底部固定，處于殼體內(nèi)部的兩個端頭穿透超聲波反射圓錐面錐面裸露其金屬表面與電極導線焊接；電極導線共兩根，一頭分別與壓電晶片的兩面焊點焊接，另一頭分別與電極引腳穿透超聲波反射圓錐面的兩個端點焊接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置，其特征在于所述超聲頻率信號發(fā)生模塊，包括超聲頻率信號發(fā)生器、發(fā)射功率放大器，其中超聲頻率信號發(fā)生器生成超聲頻率信號，超聲頻率信號發(fā)生器的輸出接口與發(fā)射功率放大器的輸入接口連接來傳輸超聲頻率信號；發(fā)射功率放大器的輸出接口與超聲波發(fā)射器排管的輸入接口連接，將經(jīng)過功率放大后的超聲頻率信號輸送至超聲波發(fā)射器排管轉(zhuǎn)換成超聲波向外輻射；所述超聲波發(fā)射器排管的輸入接口是將“一字型”排列的每個超聲波發(fā)射器的兩端頭輸入管腳相互并接形成兩端點輸入接口；
所述超聲頻率信號接收模塊由多個前置子模塊、信號處理器、數(shù)字顯示器、控制器組成；所述前置子模塊的數(shù)量與超聲波接收器排管所含有的超聲波接收器的個數(shù)相等；其中每個前置子模塊包括輸入接口、信號調(diào)理器、檢波器，每個前置子模塊輸入接口的輸入端口與其所對應的超聲波接收器排管中的單個超聲波接收器的輸出接口連接用于傳輸單個超聲波接收器感應輸出的超聲頻率模擬電壓信號；每個前置子模塊輸入接口的輸出端口與信號調(diào)理器的輸入端口連接用于傳輸超聲頻率模擬電壓信號；信號調(diào)理器的輸出端口與檢波器的輸入端口連接用于傳輸經(jīng)過整形與檢波后的超聲頻率模擬電壓信號；檢波器的輸出端口與信號處理器的輸入端口連接用于傳輸對應于超聲頻率模擬電壓信號有效值的直流電壓信號；信號處理器的輸入通道數(shù)與前置子模塊的數(shù)量相對應，信號處理器的第一輸出端口與數(shù)字顯示器的輸入端口連接傳輸數(shù)字顯示信息，信號處理器的第二輸出端口與控制器的輸入接口連接傳輸控制指令；所述超聲頻率信號接收模塊的每個前置子模塊輸入接口接收到來自對應單個超聲波接收器輸出的超聲頻率模擬電壓信號后，即將超聲頻率模擬電壓信號傳輸至信號調(diào)理器進行整形與檢波，經(jīng)過調(diào)理后的超聲頻率模擬電壓信號被檢波器檢波后獲得一個對應于超聲頻率模擬電壓信號電壓有效值的直流電壓信號；信號處理器對所有對應單個超聲波接收器感應輸出的超聲頻率模擬電壓信號電壓有效值的直流電壓信號進行信號比較與統(tǒng)計特征提取，最后將處理結(jié)果轉(zhuǎn)換成輸出信息經(jīng)第一輸出端口輸出至數(shù)字顯示器予以顯示，并通過第二輸出端口將控制指令輸出至控制器，由控制器去控制紙幣的出口流向。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置，其特征在于所述的信號處理器，包括多端輸入接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、運算器和輸出接口；其中多端輸入接口的輸入端口具備多個輸入通道，該輸入通道的個數(shù)與所述前置子模塊個數(shù)相同并且對應連接用于傳輸直流電壓信號，多端輸入接口的輸出端口與模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端口連接用于傳輸電模擬信號，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端口與運算器的輸入端口連接用于傳輸數(shù)字電壓信號，運算器的輸出端口與輸出接口的輸入端口連接用于傳輸顯示信息數(shù)據(jù)和出鈔控制指令，輸出接口的第一輸出端口用于輸出顯示信息數(shù)據(jù)，輸出接口的第二輸出端口用于輸出鈔票出口選擇控制指令。
6.一種超聲波鑒別紙幣厚度異常方法，其特征在于具體步驟如下
步驟一，超聲波輻射強度測定通過超聲波接收器排管多次實現(xiàn)對超聲波信號的行掃描，再由超聲頻率信號接收模塊處理后生成超聲波信息矩陣，這時超聲波信息矩陣中的元素就對應著每次行掃描時空間點位置上的超聲波信號強度大?。挥嬎阍摮暡ㄐ畔⒕仃囍性氐臄?shù)學均值，該數(shù)學均值就被稱為超聲波輻射強度；
步驟二，標準紙幣檢測與特征提取，即超聲波信號下的紙幣特征提??；
步驟三，利用紙幣樣本，采用最大差值法或二階統(tǒng)計學法確定鑒別紙幣厚度異常的判定閾值；
步驟四，任意紙幣的在線實時檢測與特征提取采用與標準真幣同屬一類幣種的紙幣，遵循步驟二的方法對任意紙幣進行檢測與特征提取，依次獲得超聲波信息矩陣、超聲波信息矩陣的規(guī)范化矩陣，最終獲取被測任意紙幣的超聲波信息重建矩陣及其對應特征值；
步驟五，被測紙幣厚度性狀特征的鑒別；
重復施行步驟四與步驟五的方法，連續(xù)不斷地實現(xiàn)對已經(jīng)標定過的特定幣種紙幣厚度異常的在線實時準確鑒別；重復步驟二～步驟五的方法，實現(xiàn)對其它任何幣種與任何面額紙幣厚度異常的準確鑒別；重復步驟一～步驟五的方法，完成對任何一臺樣機的調(diào)試與標定工作。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波鑒別紙幣厚度異常方法，其特征在于步驟一中，所述超聲波輻射強度測定，具體步驟如下
(1)超聲波發(fā)射器排管發(fā)射出的超聲波信號依次經(jīng)超聲波發(fā)射槽和超聲波接收槽抵達超聲波接收器排管，由超聲波接收器排管實現(xiàn)對超聲波信號的行掃描；超聲波接收器排管輸出的超聲頻率電信號由超聲頻率信號接收模塊處理并生成信號數(shù)據(jù)序列，即超聲波信息行向量；
(2)超聲波接收器排管逐次對超聲波信號進行行掃描，經(jīng)過多次行掃描后，將這些行向量依照先后順序構(gòu)成信號數(shù)據(jù)矩陣，稱為超聲波信息矩陣；其中行掃描次數(shù)，即超聲波信息矩陣的總行數(shù)M是根據(jù)紙幣傳送速率V、微型超聲波接收器排管與超聲頻率信號接收模塊完成一次行掃描所需要的時間t，以及待測試紙幣幣種的最大高度值H來確定，即
(3)計算該超聲波信息矩陣中元素的數(shù)學均值μ0，該數(shù)學均值μ0就被稱為超聲波輻射強度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波鑒別紙幣厚度異常方法，其特征在于步驟二中，所述標準紙幣檢測與特征提取，具體步驟如下
(1)任意選擇一張?zhí)囟嬷档臉藴收鎺?，當該標準紙幣在行走結(jié)構(gòu)的帶動下通過超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置的紙幣通道后，由微型超聲波接收器排管采集透射紙幣后的超聲波信號，再由超聲頻率信號接收模塊生成超聲波信息矩陣P，且
這里，N為超聲波接收器排管的微型超聲波傳感器個數(shù)，M為該特定面值標準真幣被超聲波透射到的行數(shù)；其中，特定面值標準真幣超聲波輻射功率矩陣P第一行的確定方法是第一次出現(xiàn)時，就將此時的j賦值以1，表明行走中的紙幣的前邊已經(jīng)開始遮擋超聲波輻射信號，其中的i為{1，2，...，N}中的任意值，ε是判定閾值，而且ε取統(tǒng)計特征值μ0與矩陣P0所有元素差值中的最大值，即i＝1，2，...，N，j＝1，2，...，M；特定面值標準真幣超聲波輻射功率矩陣P最后一行的確定方法是當連續(xù)出現(xiàn)后，出現(xiàn)時，表明當前紙幣被超聲波信號透射的最后一行已經(jīng)抵達，當前一張透射紙幣的超聲波信號采集結(jié)束；
(2)將超聲頻率信號接收模塊生成的超聲波信息矩陣進行規(guī)范化，即將超聲波信息矩陣中的所有元素逐一與超聲波輻射強度相減；隨后再將各自計算結(jié)果替代原有元素，并將接近于零的數(shù)值全部以0來替代；即將矩陣P中的所有元素
與統(tǒng)計特征值μ0相減后得到當時，取當時，取因此獲得一個對應于特定面值標準真幣超聲波信息矩陣P的規(guī)范化矩陣
即
(3)去除規(guī)范化矩陣中兩側(cè)連續(xù)全為零的列向量，最后獲得一個不含有兩側(cè)連續(xù)全為零列向量的規(guī)范化矩陣
能確保規(guī)范化矩陣中保留下來的元素所代表的被測紙幣對應位置點上信息的真實性最強；
(4)以去除兩側(cè)連續(xù)全為零列向量的規(guī)范化矩陣作為“窗口”來重建一個與其元素位置相對應的標準真幣的超聲波信息矩陣，即超聲波信息重建矩陣P*；即以去除兩側(cè)連續(xù)全為零列向量的規(guī)范化矩陣
為窗口來構(gòu)建一個與其元素位置相對應的特定面值標準真幣超聲波信息矩陣P的變換矩陣P*；
(5)對超聲波信息矩陣重建P*進行特征提取，即求取P*所含矩陣元素的數(shù)學均值μ*，稱μ*為P*的特征值。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波鑒別紙幣厚度異常方法，其特征在于步驟三中，所述最大差值法，是指將已經(jīng)擁有的當前允許流通的最陳舊紙幣按照檢測標準紙幣一樣方法即步驟二對其進行檢測與特征提取，然后求取最陳舊紙幣與標準紙幣兩者的特征值差，即為鑒別紙幣厚度異常的判定閾值δ；
所述二階統(tǒng)計學法，是指利用多張新舊程度各自不同的被測紙幣樣本，讓其一一通過測試，采用檢測標準紙幣一樣方法即步驟二對其進行檢測與特征提??；再對這多張新舊程度各不相同的被測紙幣測試后所獲取的特征值進行二次均值計算，即求取二階特征值；由此求得的二次均值再跟參與計算的所有特征值中的、與其相差最大者相減，即為鑒別紙幣厚度異常的判定閾值δ。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超聲波鑒別紙幣厚度異常方法，其特征在于步驟五中，所述被測紙幣厚度性狀特征的鑒別，具體方法如下
(1)當時，表明被測紙幣的厚度正常，即能夠判定該紙幣沒有粘貼膠帶紙，也沒有出現(xiàn)破損或殘缺；
(2)當時，表明被測紙幣的厚度不正常，而且能夠判定該紙幣粘貼膠帶紙或“變造”；
(3)當時，表明被測紙幣的厚度不正常，而且能夠初步判定該紙幣可能出現(xiàn)破損、殘缺或“變造”；緊接著，利用被測紙幣時生成的重建超聲波信息矩陣所對應的規(guī)范化矩陣
“窗口”中的元素分布規(guī)律加以判定是否出現(xiàn)破損、殘缺或“變造”，因為此時在規(guī)范化矩陣
“窗口”中必定存在至少一個乃至更多個為0的元素；如果其中為0的元素相互不對稱，則表明當前被測紙幣必定存在破損或殘缺，應該予以揀出，即控制其由假廢鈔出口流出；否則，當前被測紙幣屬于走鈔過程出現(xiàn)歪斜而造成邊緣感應點的超聲波信號沒有被紙幣所遮擋，不應錯判為“不正?！保?br> 其中δ為鑒別紙幣厚度異常的判定閾值，μ*為標準紙幣特征或測試樣本的二次特征值、μr*為任意紙幣特征；所述中的μ*，當采用步驟三中的最大差值法來確定鑒別紙幣厚度異常的判定閾值δ時，μ*為標準紙幣重建超聲波信息矩陣P*的特征；當采用步驟三中的二階統(tǒng)計學法來確定鑒別紙幣厚度異常的判定閾值δ時，μ*為多張新舊程度各自不同的被測紙幣樣本特征值的二次均值，即二次特征值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種超聲波鑒別紙幣厚度異常裝置及其方法，所述裝置包括超聲波發(fā)射器排管、超聲波發(fā)射槽、超聲波接收器排管、超聲波接收槽、超聲頻率信號發(fā)生模塊、超聲頻率信號接收模塊。所述方法步驟包括步驟一，超聲波輻射強度測定；步驟二，標準紙幣檢測與特征提??；步驟三，確定鑒別紙幣厚度異常的判定閾值；步驟四，任意紙幣的在線實時檢測與特征提?。徊襟E五，被測紙幣厚度性狀特征的鑒別。本發(fā)明能夠判定被測紙幣是否被粘貼膠帶紙，同時，能夠在不增加其他傳感信息的情況下，準確判定被測紙幣是否存在破損、殘缺、孔洞或折皺等狀況。
文檔編號G07D7/16GK101788280SQ20101010977
公開日2010年7月28日 申請日期2010年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月11日
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