СИСТЕМА УЛЬТРАЗВУКОВОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ ДОКУМЕНТОВ
SYSTEM FOR ULTRASONIC INSPECTION OF DOCUMENTS

Область техники
Изобретение относится к системе обследования документов, содержащей транспортное устройство для транспортирования документов по пути перемещения через станцию обследования; находящийся на станции обследования, по меньшей мере, один аппарат для ультразвукового обследования, снабженный передающим и приемным ультразвуковыми преобразователями, расположенными на противоположных сторонах пути перемещения, и систему обработки для мониторинга ультразвуковых сигналов, принимаемых приемным преобразователем.
Уровень техники
Аппараты подобного типа широко применяются для мониторинга защищенных документов, таких как банкноты, чтобы получить оценку их толщины (например, для выявления сдвоенных документов). Они могут быть полезны также для обнаружения наличия ленты, такой как клейкая лента (скотч), используемая для заклеивания разрывов в банкноте, для обнаружения водяного знака и его обследования (т.е. для установления факта наличия или отсутствия такого знака и для определения его формы), для обнаружения надрыва (как закрытого, так и открытого, когда надрыв соответственно не доходит и доходит до края банкноты) и для обнаружения загнутых углов и защитных нитей. Принцип действия подобных аппаратов состоит в получении информации о банкноте по результатам определения интенсивности ультразвука, прошедшего через банкноту или отраженного ею.
Чтобы обеспечить точное сканирование поверхности банкноты, обычно используют более одной пары передающих и приемных ультразвуковых преобразователей, причем пары преобразователей размещают бок о бок, обычно со смещением в направлении, перпендикулярном пути перемещения банкнот. Проблема, которая возникает в такой конфигурации, особенно при высоких скоростях транспортирования банкнот, доходящих, например, до 10 м/с (что соответствует 1800 банкнот/мин), состоит в том, что нежелательные отражения ультразвуковых волн не успевают рассеяться и в результате вносят шумовую составляющую в принимаемый сигнал.
В US 6407964 В описана попытка решения этой проблемы за счет расположения линии, соединяющей преобразователи одной пары, под острым углом к направлению транспортирования документа, так что отраженное ультразвуковое излучение отводится от приемного преобразователя. Однако с таким расположением связана следующая практическая трудность: перед или за данной парой преобразователей по направлению транспортирования часто находятся другие пары преобразователей, так что существует риск того, что отраженное излучение будет создавать помехи для этих пар преобразователей.
В US 4612807 А описана акустическая система детектирования с приемными и передающими преобразователями, расположенными на противоположных сторонах пути перемещения.
В ЕР 0740154 А описан детектор листового материала, содержащий ультразвуковые передатчик и приемник.
Раскрытие изобретения
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения система обследования документов описанного типа характеризуется тем, что содержит направляющее устройство для документов, содержащее пару направляющих, расположенных на каждой стороне пути перемещения документов, причем одна из направляющих связана с передающими преобразователями (передающим преобразователем), а другая - с приемными преобразователями (приемным преобразователем). Каждая из указанных направляющих содержит один или более рельсов, установленных параллельно пути перемещения, при этом каждый рельс имеет более низкий коэффициент трения, чем поглощающий материал. Каждый рельс частично располагается над данным материалом или под ним для предотвращения в процессе использования системы контакта между документами и поглощающим материалом, оставляя в то же время данный материал открытым со стороны пути перемещения документов, по меньшей мере, в зоне расположения преобразователей.
Согласно данному аспекту изобретения материал, поглощающий ультразвук, размещается вокруг преобразователей, так что отраженное ультразвуковое излучение поглощается этим материалом и не отражается. Однако авторы изобретения обнаружили, что типичный материал, поглощающий ультразвук, может существенно затруднить прохождение документов по пути перемещения, поскольку требуется разместить преобразователи и, следовательно, материал, поглощающий ультразвук, как можно ближе к пути перемещения. Если документ, проходящий по пути перемещения, не будет поддерживаться в идеально плоском состоянии, возникнет риск того, что часть документа будет вступать в контакт с материалом, поглощающим ультразвук, который, как правило, имеет относительно высокий коэффициент трения. Как следствие, может возникнуть опасность забивания пути перемещения документами или, по меньшей мере, замедления транспортирования документа. Именно поэтому изобретение предусматривает дополнительное использование направляющего устройства для документов, которое частично расположено над поглощающим материалом или под ним, чтобы предотвратить контакт между документами и поглощающим материалом. Разумеется, направляющее устройство для документов при этом не должно перекрывать прямую линию ("линию видимости") между преобразователями пары, хотя в некоторых случаях допустимо частичное перекрытие зоны прямой видимости преобразователей. Такое перекрытие может быть допустимым, например, в случае достаточной интенсивности ультразвука.
Согласно данному аспекту изобретения линия видимости для преобразователей предпочтительно ориентирована, по существу, ортогонально пути перемещения. Хотя такая ориентация необязательна, она представляется желательной с целью минимизации вероятности отражения излучения вдоль пути перемещения документов.
Как уже упоминалось, направляющее устройство содержит направляющую для документов, снабженную одним или более рельсов. Такое выполнение уменьшает риск контакта между документом и поглощающим материалом.
Поглощающий материал может быть изготовлен из пенополиуретана, имеющего в типичном случае низкую плотность.
Таким образом, в своем первом аспекте изобретение предусматривает использование материала, поглощающего ультразвук, не препятствуя при этом движению документов, т.е. позволяющего достичь высокой производительности.
Возможный недостаток такого подхода состоит в необходимости использования дополнительного материала, поглощающего ультразвук. В связи с этим согласно второму аспекту изобретения система обследования документов описанного типа характеризуется тем, что пара преобразователей задает линию видимости, которая i) лежит в плоскости, ортогональной пути перемещения, и ii) расположена под непрямым углом к пути перемещения. Данный угол выбирается таким, что ультразвук, отраженный документом, проходящим по пути перемещения, отражается на корпус, где он рассеивается без попадания на преобразователь.
Таким образом, согласно данному аспекту линия видимости для пары преобразователей расположена под непрямым углом к пути перемещения в плоскости, ортогональной этому пути перемещения, так что ультразвук отражается в обе стороны от пути перемещения. Кроме того, выбрана такая конфигурация, в которой отражение ультразвука происходит в направлении корпуса, где оно рассеивается. Данное условие требует точной установки пар преобразователей с учетом конструкции корпуса таким образом, чтобы ультразвуковое излучение, испытавшее первое отражение от документа, было направлено именно на корпус, где оно испытает дальнейшие отражения и будет рассеяно без попадания на приемный преобразователь. В типичном случае угол между линией видимости и путем перемещения составляет 30° или 45°.
В рамках обоих аспектов изобретения система может содержать несколько описанных аппаратов для ультразвукового обследования, образующих группу аппаратов, расположенных в виде линейки аппаратов вдоль линии, ориентированной поперечно, предпочтительно ортогонально относительно пути перемещения. Такое расположение позволяет обследовать документ по всей его ширине, ориентированной поперечно направлению транспортирования документа.
Чтобы увеличить скорость сбора информации о документе, система предпочтительно содержит более одной указанной линейки аппаратов, причем линейки аппаратов расположены смежно со смещением вдоль пути перемещения. С учетом физических размеров каждого преобразователя в составе такой линейки между смежными преобразователями будут существовать зоны, соответствующие необследованным участкам документа. Чтобы устранить этот недостаток, преобразователи одной линейки предпочтительно смещены вдоль линии установки преобразователей по отношению к преобразователям смежной линейки.
Краткое описание чертежей
Далее, со ссылками на прилагаемые чертежи, будет описано несколько примеров системы обследования документов согласно изобретению.
На фиг.1 на виде сбоку, частично в разрезе представлен первый вариант детекторного блока.
На фиг.2 детектор по фиг.1 представлен в разрезе плоскостью А-А (см. фиг.1).
На фиг.3 одна из групп датчиков, показанных на фиг.1, изображена с пространственным разделением компонентов.
Фиг.4 схематично иллюстрирует связи между преобразователями и электронными контурами.
На фиг.5 представлена схема контура генератора сигнала для передающих преобразователей.
Фиг.6 иллюстрирует временные характеристики работы контура по фиг.5.
На фиг.7А и 7В представлены блок-схемы контура обработки сигналов приемных преобразователей.
Фиг.8 и 9 графически иллюстрируют генерирование и прием ультразвуковых сигналов для случая единственного канала соответственно в отсутствие и при наличии документа, когда акустический материал не используется.
На фиг.10 схематично показана конфигурация единственного канала с указанием критических параметров.
Фиг.11-20 иллюстрируют амплитуду принимаемого сигнала после обработки серии дискретных отсчетов, полученных для различных участков по длине банкноты с клейкой лентой и дыркой и без такой ленты и дырки.
Фиг.21-24 иллюстрируют принимаемые сигналы при обследовании одной и той же банкноты и при интервалах между пачками импульсов, составляющих 918 мкс, 233 мкс, 123 мкс и 109 мкс соответственно.
Фиг.25 иллюстрирует выходной сигнал, соответствующий банкноте DRE 100 с клейкой лентой и с закрытым надрывом при установке преобразователей под углом 30°, расстояниях между ними и между каждым преобразователем и банкнотой, равными соответственно 20 мм и 10 мм и при интервале между пачками импульсов, равном 918 мкс.
Фиг.26 аналогична фиг.25, но соответствует углу установки, равному 0°.
Фиг.27 аналогична фиг.26, но соответствует интервалу, равному 223 мкс.
Фиг.28 аналогична фиг.26, но соответствует расстоянию от банкноты до передающего преобразователя, равному 4 мм.
На фиг.29 показана частотная характеристика полосового фильтра приемного контура по фиг.7.
На фиг.30 схематично изображен второй пример системы по изобретению.
На фиг.31 схематично показана система по изобретению, встроенная в аппарат для работы с документами.
Осуществление изобретения
Система обследования документов на основе детекторного блока 10, показанная на фиг.1-4, расположена вблизи отрезка пути 12 перемещения банкнот в сортировщике банкнот (который будет описан далее со ссылкой на фиг.31). На фиг.1 банкноты движутся справа налево.
Часть пути 12 перемещения, прилегающая к детекторному блоку 10, задается парами верхних и нижних конвейерных лент 14, 16 (верхние ленты 14, 16 каждой пары видны на фиг.2). Данные ленты 14, 16 проходят по средней части транспортируемой банкноты. Каждая верхняя лента 14, 16 приводится в движение с прохождением по роликам 18А, 18В, связанным с валами 36, 38, установленными на основании 20. Нижняя лента 16 приводится в движение с прохождением по аналогичным роликам, также связанным с валами, установленными на основании 20.
Для того, чтобы обеспечить перенос банкнот через детектор 10, используется комплект из четырех пар взаимно согласованных верхних жгутов 24A-24D и нижних жгутов (на фиг.1 показан только один нижний жгут 26А), взаимно смещенных в поперечном направлении в пределах детекторного блока 10. Жгуты приводятся в движение вокруг соответствующих роликов (на фиг.1 показаны только ролики 30А и 32А). Два нижних ролика в каждом комплекте роликов (в частности ролики 30А) установлены без возможности вращения на тех же валах 36, 38, на которых установлены ролики 18 и которые установлены на основании 20 с возможностью вращения. Жгуты охватывают также дополнительные пары роликов (например, жгуты 24А, 26А охватывают ролики 30А', 32А' соответственно). Жгуты приводятся в движение конвейерной лентой 14, передающей вращение валу 36 через ролик 18А, закрепленный на этом валу.
Две несущие пластины 40, 41 для установки датчиков прикреплены к пластине, несущей ролики, или к основанию 20. На этих несущих пластинах 40, 41 установлены три пары верхних и нижних блоков 42, 44; 46, 48; 50, 52 датчиков соответственно. Каждый блок 42-52 датчиков имеет сходную конструкцию, но отличается несколько иным расположением датчиков. Далее будет подробно описан блок 42 датчиков.
Как можно видеть из фиг.3, блок 42 датчиков имеет шесть гнезд 60 под датчики, расположенных смежно в один ряд в корпусной детали 61. Из фиг.1 можно видеть далее, что в корпусной детали 61 предусмотрены также гнезда для других блоков 46, 50 датчиков. В каждое такое гнездо устанавливается соответствующий ультразвуковой преобразователь 62, который удерживается в требуемом положении крышкой 64, фиксируемой винтами 66.
Каждый преобразователь 62 является высокочастотным ультразвуковым преобразователем, например преобразователем MA200D фирмы Murata Manufacturing Co. Ltd. Основные свойства преобразователей 62 приведены в Таблице.
В предпочтительном примере преобразователи излучают на длине волны около 1,5 мм, что соответствует частоте около 220 кГц. Однако могут быть использованы и более высокие частоты, потенциально вплоть до 10 МГц.
Таблица
Характеристика
Значение
Примечание
Номинальная частота
220±20 кГц
-
Чувствительность
1,0-2,5 В<sub>р-р </sub>(размах)
Задающий сигнал: пачка импульсов 10 В<sub>р-р</sub>
Частота задающего сигнала: 220 кГц
Количество импульсов: 5
Коэффициент усиления: 1000
Расстояние между датчиком и отражающей пластиной из алюминия: 150 мм
Окружение: свободное пространство
Вид измерений: В<sub>р-р</sub> (размах)
Направленность
20° максимум
При - 6 дБ
Емкость
2300 пФ ± 20%
На частоте 1 кГц
Макс. задающее напряжение
12 В<sub>р-р</sub>
Прямоугольная волна
Рабочая температура
от -20°С до 70°С
-
Температура хранения
от -30°С до 70°С
Миним. сопротивление изоляции
100 МОм
При постоянном напряжении 100 В
Преобразователи 62, входящие в блоки 42, 46, 50, в данном примере генерируют ультразвуковые сигналы, тогда как преобразователи в блоках 44, 48, 52 принимают ультразвук, излучаемый соответствующими передающими преобразователями. Однако в других примерах, чтобы уменьшить риск взаимных помех, преобразователи в блоках 46, 48 могут быть инвертированы, так что они излучают ультразвук в противоположном направлении по сравнению с преобразователями других блоков. Кроме того, в некоторых случаях в детекторном блоке 10 вместо нескольких групп преобразователей можно использовать только один канал, т.е. единственный передающий преобразователь и единственный соответствующий ему приемный преобразователь. Однако применение групп датчиков является предпочтительным для обеспечения полного покрытия документов и обнаружения в них малых надрывов и дырок, которые могли бы остаться необнаруженными при использовании единственного канала. К корпусной детали 61 примыкает слой пористого акустического материала 300, в котором выполнены отверстия 302, совпадающие с центральной частью каждого передающего преобразователя в каждом блоке 42, 46, 50.
Имеется также отдельный экран 310 для передающих преобразователей. Этот экран, изготовленный из алюминия, включает направляющую платформу 312 и параллельные рельсы 314, ориентированные параллельно направлению транспортирования. В платформе 312 имеются отверстия 316, согласованные по положению с отверстиями 302. Рельсы 314 расположены по обеим сторонам наиболее чувствительных зон 318 излучающих областей передающих преобразователей. При таком расположении ультразвук, излучаемый данными преобразователями, не ослабляется существенно рельсами 314 или платформой 312.
Еще один слой 320 пористого акустического материала наложен на верхнюю поверхность платформы 312 и снабжен отверстиями 322, согласованными по положению с отверстиями 302.
Порядок расположения приемных преобразователей в трех блоках 44, 48, 52 аналогичен показанному на фиг.3. Направляющая платформа 312', рельсы 314' и слой пористого акустического материала 300 аналогичны соответствующим элементам для передающих преобразователей. Однако в этом случае нет необходимости использовать дополнительный слой акустического материала, аналогичный слою 320.
Как можно видеть на фиг.1, между каждой парой преобразователей из блоков 42, 44; 46, 48 и др. имеется линия 350 видимости. Эта линия ортогональна пути перемещения как в плоскости, в которой лежит направление транспортирования (см. фиг.1), так и в плоскости, ортогональной этому направлению.
Это означает, что при использовании устройства ультразвук, отраженный банкнотой в пределах детекторного блока 10 системы по изобретению, будет отражаться ортогонально, т.е. обратно к передающему преобразователю, хотя вследствие движения банкноты это направление будет слегка смещено относительно первоначального ортогонального направления. Как следствие, часть отраженного излучения может быть поглощена акустическим материалом. Альтернативно, преобразователи могут быть расположены под другим углом к направлению транспортирования, равным, например, 30°. В таком случае большая часть отраженной энергии будет поглощаться акустическим материалом.
Рельсы 314 и платформа 312 предотвращают контакт банкнот с акустическим материалом.
Как можно видеть из фиг.2, преобразователи в каждой из трех групп преобразователей взаимно смещены в направлении, поперечном по отношению к направлению транспортирования, что позволяет обследовать все зоны банкноты.
На фиг.4 показаны контуры для формирования, передачи, приема и обработки ультразвуковых сигналов. Передающие преобразователи 62 подключены контактами 80 к передающей плате 70, на которой имеется также коннектор 78 для переноса обработанных цифровых данных для их дальнейшей обработки. Передающая плата 70 связана посредством соединительных элементов (коннекторов) 72, 74, 76 и 86, 88, 90 с приемной платой 84, к которой подключены также приемные преобразователи 82. Кабели между коннекторами 72-76, 86-90 служат для следующих функций:
- подачи мощности питания;
- подачи сигнала синхронизации для интегратора;
- подачи сигнала синхронизации для схемы выборки и хранения;
- переноса преобразованного в цифровую форму и профильтрованного сигнала от схемы выборки и хранения.
В примере, показанном на фиг.1-4, преобразователи расположены смежно, т.е. в непосредственной близости друг от друга, как это можно видеть из фиг.2. Уже упоминалось, что может быть использована единственная пара преобразователей (один канал) или единственная линейка каналов, например образованная преобразователями из блоков 42, 44. В случае применения единственной линейки каналов из преобразователей типа MA200D возникает проблема, состоящая в том, что покрываемая для обнаружения клейкой ленты, надрывов или порезов зона на банкноте имеет диаметр, примерно равный всего 6 мм. В результате между каждой парой преобразователей возникает слепая зона, ортогональный к направлению транспортирования размер которой составляет около 12 мм и в пределах которой нельзя обнаружить надрывы, порезы и т.д. Благодаря применению нескольких линеек каналов из взаимно смещенных в поперечном направлении преобразователей при взаимном смещении указанных линеек в направлении транспортирования (как это показано на фиг.2) обеспечивается возможность обследования всей поверхности обследуемого листа.
Для улучшения показателей работы детекторного блока энергия может подаваться только на те ряды передающих преобразователей, между которыми находится банкнота (что соответствует отслеживанию банкноты).
Генератор сигнала для передающих преобразователей
Контур 100 генератора сигнала для каждого передающего преобразователя (ПеП) 62 находится на печатной плате 70; его схема приведена на фиг.5. Данный контур содержит генератор 102 цифрового импульсного сигнала. Этот генератор генерирует последовательность прямоугольных волн с амплитудой 5 В и с требуемой частотой (220 кГц), которая последовательно подается на фильтр 104 и усилитель 106, формирующий сигнал в виде синусоиды с амплитудой 20 В. Временные характеристики сигнала, формируемого контурами 104, 106, иллюстрируются верхней кривой на фиг.6.
Контур обработки сигналов приемных преобразователей
Каждый приемный преобразователь (ПрП) 62 в блоках 44, 48, 52 подключен к отдельному контуру обработки на печатной плате 84. Такой контур схематично показан на фиг.7А. Сигналы от приемного преобразователя 62, поступающие в дифференциальной форме, подаются на усилитель 110 с большим коэффициентом G усиления. В рассматриваемом примере можно использовать усилитель INA103 фирмы Burr Brown, имеющий большую ширину полосы (100 кГц) при коэффициенте усиления 1000 и низкий уровень шумов. Дифференциальный сигнал с выхода этого усилителя подается на полосовой фильтр (ПФ) 112, имеющий следующие характеристики:
- бесселевский полосовой фильтр;
- четырехполюсный;
- центральная частота: 215 кГц;
- ширина полосы на уровне 3 дБ: 50 кГц;
- усиление 28 дБ;
- реализация: 2 каскада полосового фильтра второго порядка с многократной обратной связью;
- операционный усилитель: ОР162.
Частотные характеристики фильтра 112 приведены на фиг.29. Сигнал с выхода фильтра дополнительно усиливается усилителем 114 и подается в выпрямитель 116.
Выходной сигнал выпрямителя 116 подается в интегратор 118. Проинтегрированный сигнал семплируется схемой 120 выборки и хранения (ВиХ). Работа интегратора и контура выборки и хранения управляется соответствующими сигналами от программируемого логического контура (не изображен). Сформированный таким образом сигнал проходит через фильтр 122 нижних частот (ФНЧ). На фиг.6 приведен пример временных зависимостей сигналов на выходе интегратора 118 и схемы 120 выборки и хранения.
Каждый семплированный сигнал преобразуется в цифровую форму в соответствующем аналого-цифровом преобразователе 123 и вместе с цифровыми сигналами от других датчиков поступает в блок 124 предварительной обработки на базе программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA); выходной сигнал этого блока подается в центральный процессор (ЦП) 125.
На фиг.7В показан более простой контур, в котором компоненты 116-122 заменены быстродействующими аналого-цифровыми преобразователями и использованы FPGA и ЦП, обладающие большей функциональностью. Контур по фиг.7В содержит те же начальные каскады усилителей 110, 114 и полосового фильтра 112, но затем использует высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи низкого разрешения, обеспечивающие преобразование аналоговых сигналов в цифровые данные. Функции выпрямителя 116, интегратора 118, схемы 120 выборки и хранения, а также фильтра 122 низких частот контура по фиг.7А здесь выполняются матрицей FPGA в блоке 124В предварительной обработки или ЦП 125В. Такой вариант является эффективным, поскольку исключаются дорогостоящие аналоговые схемы, а "входные" аналоговые компоненты могут использоваться и в других датчиках иного назначения. Кроме того, замена аналоговой электроники с фиксированной схемой на конфигурируемую цифровую логику повышает гибкость. Данные преимущества могут перевесить недостаток, связанный с необходимостью применения более дорогих высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей. В усовершенствованном контуре по фиг.7В данные получают в области высоких частот, что позволяет реализовать активное эхоподавление. Кроме того, применение мощной обработки цифровых сигналов может ослабить проблемы, связанные с помехами, обусловленные дополнительным эхом, которые могут иметь место при использовании субоптимальных недорогих механических компонентов.
Функционирование приемных контуров, показанных на фиг.7А, 7В, при получении информации об одном отсчете сигнала с использованием единственного канала, иллюстрируется на фиг.8 и 9. В этом примере, чтобы продемонстрировать эффект отражений, акустический материал не применялся. Фиг.8 соответствует ситуации в отсутствие документа между передающим и приемным преобразователями 62. Фиг.9 в увеличенном масштабе иллюстрирует обработку сигнала при наличии документа.
В данном примере временной интервал между началами последовательных пачек ультразвуковых импульсов от передающих преобразователей составляет примерно 900 мкс. Как можно видеть из фиг.8, пачки импульсов излучаются в моменты 130, 132. После небольшой задержки (составляющей 60 мкс) относительно момента 130 подается сигнал 134, активирующий интегратор 118. В период, когда интегратор находится в активном состоянии, приемный преобразователь производит прием ультразвука, который поступил на него непосредственно от передающего преобразователя. Выпрямленный сигнал обозначен как 136. После этого подача сигнала 134 на интегратор прекращается, так что принимаемый далее приемным преобразователем ультразвук, обусловленный отражениями, не подвергается обработке. Выходной сигнал интегратора 118 обозначен как 138. Из фиг.8 можно видеть, что затухание излучения, обусловленного всеми отражениями, является длительным, причем следующая пачка импульсов подается только в момент 132, после затухания всех отражений.
На фиг.9 иллюстрируются сигналы, принятые и сгенерированные, когда между преобразователями находится документ. Два верхних графика соответствуют аналогичным графикам на фиг.8. Следует отметить, что выпрямленный сигнал 136 существенно ослаблен по сравнению с отсутствием документа, что обусловлено поглощением в документе. Выходной сигнал 138 интегратора иллюстрирует влияние интегрирования сигнала, принятого за время периода интегрирования.
Функционирование канала
Далее на примере конфигурации и функционирования единственного канала будут рассмотрены теоретические положения, лежащие в основе изобретения. Фиг.10 иллюстрирует конфигурацию такого канала и параметры, которые влияют на функциональность детекторного блока (такие как ширина полосы, чувствительность, отношение сигнал/шум). Путь 12 перемещения показан содержащим документ 200. На данной диаграмме угол между линией видимости и нормалью к пути перемещения (далее - угол датчика) является ненулевым, хотя согласно первому аспекту изобретения данный угол равен нулю.
Основными параметрами, влияющими на функциональность датчика, являются:
- удаление датчика;
- положение пути перемещения;
- испущенная, отраженная, поглощенная и пропущенная волны;
- транспортный зазор;
- угол датчика;
- количество импульсов в пачке.
Удаление датчика
Время распространения акустического импульса зависит от удаления датчика, т.е. от расстояния между преобразователями 62 (оно обратно пропорционально этому расстоянию). При малом расстоянии может быть обеспечено более высокое временное разрешение.
Временной интервал между первым принятым импульсом и следующим за ним отраженным импульсом прямо пропорционален удалению датчика. Увеличение этого интервала позволяет лучше отделить полезный сигнал от мешающего (эха).
Положение пути перемещения
Положение пути перемещения между двумя преобразователями 62 влияет на момент приема отраженного излучения, которое является помехой для первого импульса. Когда путь перемещения расположен посередине между преобразователями 62, отделение эха облегчается.
Испущенная волна
Длина испускаемой волны составляет около 1,5 мм. Размер активной (испускающей) поверхности каждого передающего преобразователя 62 примерно равен 8 мм. Поскольку этот размер в несколько раз превышает длину волны, испускаемые волны, по существу, являются плоскими. Плоские волны не испытывают геометрического ослабления. Это означает, что при увеличении расстояния принимаемая энергия остается постоянной.
Отраженная волна
Примерно 95% энергии испущенной волны отражается банкнотой и/или преобразователем. Отраженные волны распространяются между преобразователями и сканируемым документом 200 в обоих направлениях, медленно затухая. Этот процесс длится определенное время и не позволяет сгенерировать следующую пачку импульсов, поскольку к сигналу будут добавляться результаты конструктивной и/или деструктивной интерференции волн. Данный эффект ухудшает отношение сигнал/шум, обеспечиваемое датчиком. Его устранение обеспечивается использованием акустического материала, как это описано выше.
Поглощенная волна
Акустическое поглощение зависит от поверхностной или объемной плотности документа 200 (от его массы на единицу поверхности или объема). Чем выше плотность, тем меньше энергии будет пропущено документом. Данное свойство используется для обнаружения клейкой ленты.
Транспортный зазор
Чтобы повысить чувствительность, данный зазор (т.е. зазор в транспортном устройстве) должен быть сделан как можно меньшим.
Количество импульсов в пачке
Увеличение количества импульсов в испущенной волне увеличивает принимаемую энергию (т.е. повышает чувствительность). С другой стороны, увеличивается количество отражений, что, наоборот, снижает чувствительность.
Примеры
Проведенные измерения имели целью оценить эффективность пары преобразователей 62 при обнаружении повреждений в форме дырок, ножевых разрезов, надрывов, а также клейкой ленты на банкнотах. Надрывы и разрезы были "закрытыми", т.е. при рассматривании банкноты вдоль линии, перпендикулярной ее поверхности, не наблюдалось никаких просветов. Измерения проводились при скорости транспортирования банкнот, равной 1,85 м/с. Параметры канала были следующими:
- количество импульсов в пачке: 2;
- частота следования импульсов в пачке: 218,75 кГц;
р-р
- амплитуда импульсов: 20 В;
- усиление приемной схемы: 72 дБ;
- угол датчика: 30°;
- удаление датчика: 20 мм;
- транспортный зазор:≈2-3 мм;
- интервал между пачками импульсов: 918 мкс;
- задержка включения интегратора: 66 мкс;
- длительность интегрирования: 43,5 мкс.
Следует отметить, что угол датчика был выбран равным 30°, однако в случае описанного использования акустического материала результаты аналогичны и в случае угла датчика, равного 0°.
В первой серии примеров, иллюстрируемых фиг.11-16, изучалось влияние клейкой ленты, присутствующей на различных документах. На фиг.11 показана зависимость от времени Т сигнала, формируемого единственным приемным преобразователем, после его интегрирования и семплирования, т.е. значения сигнала в различных точках банкноты по ее длине (в направлении транспортирования). Поскольку в данном случае на банкноте не имелось ни остатков ленты, ни каких-либо физических дефектов, полученный сигнал 210 был, по существу, плоским. Сокращение "DRE" относится к типу обследуемой банкноты.
Фиг.12 соответствует приклеиванию к банкноте отрезка ленты марки "Mate" в направлении, перпендикулярном направлению транспортирования. Из фиг.12 можно видеть, что в зоне, соответствующей ленте, имеет место дополнительное ослабление ультразвукового сигнала 210.
На фиг.13, аналогичной фиг.12, иллюстрируется влияние ленты другого типа (ленты марки "Crystal"). В данном случае ослабление сигнала в зоне, соответствующей ленте, немного меньше, чем для примера по фиг.12.
На фиг.14 показан сигнал, полученный при обследовании банкноты CHF 20, на которой имелись лента и микроперфорация. Как и в предыдущих примерах, в зоне, соответствующей ленте, имело место ослабление сигнала 210, тогда как на участке 220, соответствующем микроперфорации, наблюдалось значительное увеличение амплитуды принятого сигнала, поскольку здесь не было ослабления.
На фиг.15 представлен сигнал, полученный от банкноты 5 евро, свободной от ленты, а на фиг.16 - сигнал от той же банкноты, но с лентой, наклеенной в области защитной нити. На фиг.16 можно видеть небольшое ослабление сигнала 210, вызванное лентой.
Были проведены также испытания канала в отношении обнаружения разрезов, надрывов и дырок. На фиг.17 показан сигнал, полученный при обследовании банкноты DRE 100, имеющей ножевой разрез длиной 1 см. Можно видеть, что на участке 230, соответствующем разрезу, имеет место значительное увеличение амплитуды принятого сигнала.
На фиг.18 показан сигнал, полученный при обнаружении закрытого надрыва длиной 1 см, которому соответствует участок 240.
На фиг.19 показан сигнал, полученный при обнаружении точечной дырки (прокола булавкой), совмещенной с центральной осью канала. Дырка была проделана в банкноте DRE 100; сигнал, ассоциированный с дыркой, обозначен как 250.
На фиг.20 иллюстрируется та же ситуация, что и на фиг.19, но дырка смещена с центральной оси канала.
Чтобы продемонстрировать влияние изменения частоты следования пачек импульсов на качество сигнала, серия испытаний при различных частотах следования была проведена на одной банкноте (DRE 100) с лентой и с закрытым надрывом. Результаты представлены на фиг.21-24. В каждом случае преобразователи были установлены таким образом, что угол датчика составлял 30°, а расстояние между преобразователями равнялось 2 см. Можно видеть, что для более высоких частот имеет место существенное повышение уровня шумов и соответствующее снижение чувствительности вследствие невозможности исключить отражения и интерференцию.
Было исследовано также влияние изменения других параметров, включая угол датчика и положение пути перемещения. Полученные результаты представлены на фиг.25-28. Можно видеть, что уменьшение угла датчика (см. фиг.26 и 27) и смещение банкноты из симметричного положения между преобразователями существенно усиливают шумы. Однако при использовании акустического материала, как это проиллюстрировано на фиг.1-3, данная проблема устраняется, так что становится возможным использовать нулевой угол датчика.
Анализ сигналов
При использовании системы семплированный сигнал от каждого канала будет храниться в памяти с получением массивов сигналов, соответствующих области документа, покрываемой детекторным блоком 10 системы по изобретению. Сигналы от каждого канала будут подвергаться соответствующей обработке с точным определением положения участка, ассоциированного с каждым сигналом, относительно других таких участков. Вторая и третья линейки (ряды) преобразователей активируются поочередно после того, как присутствие банкноты обнаруживается первой линейкой преобразователей, причем эти линейки отключаются после того, как первой линейкой преобразователей будет обнаружен проходящий мимо нее задний край банкноты. Преобразователи осуществляют семплирование непрерывного сигнала с частотой, задаваемой характеристиками транспортного устройства, которые включают скорость движения банкноты и разрешение, требуемое для обнаружения ленты заданного размера.
Хранящиеся в памяти сигналы образуют двумерный массив, который может анализироваться с применением известных методик распознавания паттерна или порогового анализа с целью выявления присутствия надрывов, отрезков ленты, дырок и т.д. Результаты подобного анализа могут быть возвращены в сортировщик или в другую машину, в составе которой используется рассматриваемый детекторный блок, так что машина может использовать эту информацию при принятии решения (например "принять"-"отвергнуть" в отношении соответствующей банкноты).
Матрица FPGA в блоке 124 (124 В) управляет синхронизацией контуров активизации ультразвуковых преобразователей и аналого-цифровыми преобразователями, а также поддерживает двухстороннюю коммуникацию с ЦП 125, 125В. В задачи данной матрицы входит также синхронизация выходных массивов данных от преобразователей со скоростью транспортирования банкноты (т.е. внесение задержки в данные от тех линеек преобразователей, которые "видят" банкноты раньше, чем линейки, расположенные дальше по направлению движения банкноты).
В рассмотренном примере для поглощения отражений ультразвука был использован акустический материал. На фиг.30 представлен второй вариант изобретения, в котором та же задача решается иным образом. На фиг.30 показаны два ультразвуковых канала, содержащие передающие преобразователи 400, 410 и соответствующие им приемные преобразователи 402, 412. Линии 404, 414 видимости, соединяющие пары преобразователей, пересекают траекторию движения документа, такого как банкнота 420. В данном примере направление транспортирования документа, показанное стрелкой 430, перпендикулярно плоскости чертежа.
Преобразователи расположены таким образом, что соответствующие им линии 404, 414 видимости расположены под углом к направлению движения документа, но в плоскости, ортогональной плоскости движения документа и направлению транспортирования. Это означает, что любое ультразвуковое излучение, отраженное документом (например, в направлении, показанном линиями 432, 434), будет распространяться поперечно по отношению к направлению транспортирования и попадать на части корпуса (не изображен), которые не отражают ультразвук обратно в сторону пути перемещения. В предпочтительных примерах линии 404, 414 видимости составляют угол 30° и 45° с нормалью к пути перемещения.
Описанная система обследования документов может быть встроена в широкий набор аппаратов для работы с различными видами документов. На фиг.31 представлен упрощенный пример сортировщика документов. Как можно видеть из фиг.31, документы подаются к детекторному блоку 10 станции обследования документов посредством конвейеров 14, 14'. Затем документы переносятся через эту станцию посредством жгутов, аналогичных жгутам 24A-24D (на фиг.31 не изображены), к конвейерам 16, 16', расположенным на выходе из станции. Эти конвейеры переносят документы к отклоняющему компоненту 450, находящемуся под контролем управляющего устройства 460. Это устройство принимает выходные сигналы от станции обследования документов и определяет аналогично тому, как это было описано выше, имеет ли документ дефект, например в виде наличия отрезка ленты, и дает команду отклоняющему компоненту 450 пропустить документ в первую зону для принятых документов или направить его во вторую зону для непринятых документов.