СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ЛИСТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01B7/06 G01D7/00 G01N27/24 

Группа изобретений относится к способам для обнаружения неоднородностей листового материала, а также к устройствам, реализующим этот способ, и может применяться при производстве листовых материалов, и, в особенности, в устройствах обработки документов, таких, как банкноты.

Обнаружение неоднородностей листового материала осуществляется, как правило, при его прохождении через листопроводный тракт. Неоднородности листа могут выражаться различием его толщины. Это различие толщины может быть изначально присущим листу, как в случае водяных знаков на бумаге, либо оно может отражать повреждения и дефекты изготовления листа. Помимо различия толщины листа неоднородности могут возникать из-за нахождения инородного материала в толще листа или на его поверхности.

При обработке документов устройство для обнаружения неоднородностей листового материала позволяет проконтролировать характеристики самого документа, влияющие на его идентификацию, выводы о подлинности и пригодности к применению.

Современные банкноты представляют собой сложные структуры с переменной толщиной, часто состоящие из множества слоев. Банкнотная бумага имеет водяные знаки, выполняемые как локальные утолщения или утоньшения бумажного листа. В толщу бумажного листа встраиваются полимерные защитные ленты, что приводит не только к увеличению толщины банкноты в месте расположения ленты, но и к изменению других физических характеристик. Наиболее заметным отличием физических характеристик является изменение диэлектрической проницаемости. На банкноты наносятся специальные красочные слои, которые могут иметь достаточно большую толщину и заметные отличия физических характеристик по сравнению с исходным бумажным листом. На поверхность банкнот также наносятся пленочные аппликации, например голограммы или поляризационные пленки, что также увеличивает местную толщину и диэлектрическую проницаемость банкноты. Таким образом, контроль распределения неоднородностей по поверхности банкноты дает важную информацию для ее идентификации и подтверждения подлинности. С другой стороны, распределение неоднородностей по поверхности банкноты дает возможность судить о ее пригодности к дальнейшему применению. Контроль неоднородностей позволяет определить степень износа банкноты, выражающегося в истончении по линии сгиба. Кроме того, в обращении встречаются банкноты, которые были разорваны и затем склеены при помощи клейкой ленты. Такие банкноты должны изыматься из обращения. Слой клейкой ленты определяется устройством как недопустимая неоднородность листа, в результате чего банкнота направляется на утилизацию.

Уровень техники

Применяемые способы и устройства для обнаружения неоднородностей листа делятся на бесконтактные и контактные. Контактные устройства производят прямое измерение толщины банкноты за счет зажатия ее между двумя поверхностями, например поверхностями двух роликов, расположенных в листопроводном тракте. Бесконтактные устройства основываются на измерении определенного физического показателя листового материала, позволяющего выявить неоднородности листа, например оптической плотности или коэффициента ослабления ультразвукового импульса. Используются измерители денситометрического, емкостного или ультразвукового типа.

Заявленная группа изобретений относится к емкостному типу. В устройствах емкостного типа для контроля неоднородности листа, в зоне его расположения, используется один либо несколько измерительных электрических конденсаторов. Каждый конденсатор располагают таким образом, чтобы часть листа находилась в диэлектрическом зазоре конденсатора. Неоднородности листа приводят к различию электрической емкости измерительного конденсатора. Изменение емкости регистрируется как мера неоднородности листа.

Известны различные принципы взаимного расположения листа и электродов конденсатора. В заявке EP 0097570 (опубл. 01.04.1984, МПК G01B 7/06) один электрод конденсатора расположен по одну сторону листа, а второй электрод - по другую сторону листа. Таким образом, силовые линии поля в конденсаторе, в основном, пересекают лист в перпендикулярном направлении. К достоинствам подобного расположения относится малая зависимость емкости от места расположения листа в зазоре между электродами, причем, сам по себе, зазор может быть сделан достаточно широким - в пределах нескольких крат от значения толщины листа. Поэтому такое устройство можно применять, когда лист перемещается в зазоре с высокой скоростью, и постоянный его контакт с электродами нежелателен по механическим соображениям. Недостатком является высокая чувствительность к нестабильности величины зазора между электродами. Это требует специальных механических мер по стабилизации зазора и подавления вибрации электродов.

В заявке SE 355428 (опубл. 16.04.1973 г., МПК G07D 7/00) используется измерительный конденсатор с электродами, расположенными по разные стороны от контролируемого документа. Один из электродов имеет специальную форму, соответствующую форме водяного знака на определенном типе защищенного документа. Изменение емкости конденсатора проявляется наиболее сильно при точном совмещении водяного знака на этом документе с электродом. Изменение емкости конденсатора пропорционально пространственной корреляции между формой электродов, с одной стороны, и формой неоднородности листа, с другой. На этом явлении основано подтверждение подлинности документа. Недостатком этого устройства является его пригодность для обнаружения неоднородностей одной определенной геометрической формы, а также высокая чувствительность к нестабильности величины зазора между электродами.

В патенте US 5,122,754 (опубл. 16.06.1992 г., МПК G01R 27/26) описывается использование пары измерительных конденсаторов. В каждом конденсаторе один из электродов расположен по одну сторону листа, а второй - по другую его сторону. Оба конденсатора расположены рядом друг с другом и также имеют специальную форму электродов, соответствующую форме водяного знака на определенном типе листов защищенной бумаги. Один из конденсаторов по форме электрода соответствует участку листа с утолщением бумаги, а второй конденсатор соответствует участку листа с утоньшением бумаги. При попадании водяного знака точно на место расположения пары конденсаторов емкость одного из конденсаторов существенно падает, а другого - возрастает. Разность в изменении их емкости пропорциональна пространственной корреляции между формой электродов, с одной стороны, и формой неоднородности листа, с другой. Она рассматривается как критерий для подтверждения подлинности водяного знака на листе. Как и предыдущее, данное устройство не является универсальным, так как оно предназначено для определения наличия водяных знаков конкретного вида.

Другое решение описано в патенте US 5,899,313 (опубл. 04.05.1999 г., МПК G07D 7/00). Согласно этому патенту электроды конденсатора располагают вблизи друг друга, с одной и той же стороны листа. Силовые линии поля в конденсаторе проходят через материал листа по дуге. Главным недостатком этого решения является крайне высокая зависимость емкости от зазора между электродами и листом. Поэтому, как описано в известном патенте, оптимальным является прижатие листа непосредственно к поверхности электродов. Это ограничивает его применение теми устройствами, в которых лист неподвижен или движется очень медленно. К достоинствам описанного расположения электродов можно отнести компактность устройства, поскольку все электроды, даже для множества конденсаторов, могут быть размещены на общей пластине диэлектрика. На обратной стороне той же пластины, методом печатного монтажа, могут быть выполнены электронные схемы, обеспечивающие измерение электрической емкости.

Существует также решение, объединяющее положительные стороны обоих ранее описанных известных решений. В патенте US 6,229,317 (опубл. 08.05.2001 г., МПК G01R 27/28) используются три электрода, два из которых расположены рядом друг с другом по одну сторону листа, а третий находится по другую его сторону непосредственно напротив области расположения первого и второго электродов. При этом только первый и второй электрод включены в измерительную схему, в то время как третий электрод полностью изолирован. Функцией третьего, пассивного электрода является направление силовых линий по перпендикуляру к листу. Измерительный конденсатор, фактически, состоит из двух последовательно включенных конденсаторов, причем лист находится в диэлектрическом зазоре каждого из них. В этом решении компактность достигается за счет возможности расположения практически всех элементов устройства, кроме пассивного электрода, по одну сторону листа. Но этому решению свойственна также и высокая чувствительность к нестабильности зазора между первым и вторым электродами, с одной стороны, и пассивным электродом, с другой.

Для всех устройств, в которых электроды размещаются по разные стороны листа, свойственна общая зависимость емкости C от толщины листа h и ширины зазора L: .

Подобная формула может быть легко получена из эквивалентной схемы последовательного включения двух плоских конденсаторов и известна, например, из заявки SE 55428. Здесь ε₀ обозначает диэлектрическую проницаемость вакуума (и практически равна проницаемости воздуха, ε обозначает относительную диэлектрическую проницаемость материала листа, a S - площадь электрода. Изменение емкости конденсатора отражает как изменение толщины листа, так и изменение его диэлектрической проницаемости за счет внедрения инородного материала или наложения его на поверхность листа. Так как по изменению емкости нельзя определить, каким из названных факторов вызвано это изменение, то удобно говорить об изменении эквивалентной толщины листа h_e, предполагая неизменным диэлектрическую проницаемость ε_p. В такой трактовке формула (1) преобразуется к виду: .

Изменение эквивалентной толщины листа отражает как реальное изменение толщины, так и появление инородного материала на поверхности либо в толще листа.

Если зазор между электродами конденсатора, в котором проходит лист, превышает толщину листа в несколько раз, то неоднородности листа приводят к очень малому изменению емкости конденсатора. Например, если толщина бумажного листа равна 0,1 мм, а зазор равен 0,5 мм, то уменьшение толщины листа в 2 раза изменит емкость всего лишь приблизительно на 5%. Столь небольшая величина изменения предъявляет высокие требования к схеме измерения емкости. Напротив, относительное изменение ширины зазора практически совпадает по абсолютной величине с вызванным им относительным изменением емкости и противоположно ему по знаку. Так, в приведенном примере, изменение зазора на 0,1 мм вызывает изменение емкости на 20%. Отсюда видно, что стабильность зазора должна выдерживаться на уровне 10-20 микрон, что представляет собой серьезную конструкторскую задачу, особенно, если тракт должен периодически открываться для обслуживания.

Быстродействие емкостного датчика ограничивается длительностью процесса измерения емкости. Сам по себе измерительный конденсатор практически моментально меняет свою емкость и не вносит дополнительного вклада в длительность процесса измерения.

Для измерения электрической емкости измерительного конденсатора используются разные методы. Они различаются физическим принципом и длительностью процесса измерения, которая, в свою очередь, определяет общее время, затрачиваемое на обмер неоднородностей всего листа. Исторически, первыми были решения, в которых измерительный конденсатор включался в колебательный контур автогенераторной схемы, как, например, описанное в US 3,764,899 (опубл. 09.10.1973 г., МПК G01R 7/26). Изменение емкости конденсатора приводит к изменению частоты автогенерации, которая регистрируется частотомером. Относительное изменение частоты, для малых величин, составляет половину относительного изменения емкости. Недостатком подобных схем является низкое быстродействие, поскольку надежное измерение малых изменений частоты требует большого времени. В более поздних решениях, к которым, в частности, относится патент US 5,122,754, измерительный конденсатор включается в схему одновибратора и задает время его срабатывания. Измеряемым параметром в этом случае является длительность импульса, что позволяет быстрее получить результат.

Известно устройство для проверки наличия полимерной металлизированной защитной полосы в листе банкнотной бумаги, описанное в патенте US 5,394,969. В этом устройстве применяются два передающих электрода в виде плоских пластин, размещенных с одной и той же стороны банкноты, приемный электрод в виде проволоки, размещенный с той же стороны банкноты между плоскими пластинами, и защитный электрод в форме полуцилиндра, окружающего приемный электрод. Способ проверки листов, реализуемый данным устройством, позволяет обнаружить металлизированную защитную ленту и предусматривает следующую последовательность действий. Лист перемещают вдоль передающих электродов, при этом на передающие электроды подаются противофазные электрические сигналы, а с приемного электрода снимается результирующий сигнал. В отсутствие защитной полосы вблизи приемного электрода сигнал на приемном электроде отсутствует, поскольку емкостные токи, протекающие в приемный электрод от первого и второго передающего электрода, взаимно вычитаются. Когда же защитная полоса располагается непосредственно вблизи приемного электрода, но смещена в сторону одного из передающих электродов, то на приемном электроде возникает сигнал разбаланса. Этот сигнал далее усиливается и детектируется синхронным детектором. Отклонение напряжения на выходе детектора от нейтрального уровня указывает на наличие защитной полосы вблизи приемного электрода. Защитный электрод имеет нейтральный потенциал и ограничивает проникновение электрического поля на приемный электрод через банкнотную бумагу в отсутствии защитной полосы. Металлизация, имеющаяся на защитной полосе, выполняет роль моста над защитным электродом и способствует проникновению электрического поля к приемному электроду. Таким образом, этот способ позволяет определить наличие только металлизированной защитной ленты. При этом неоднородности листа, имеющие другое происхождение и размещенные по всей поверхности листа, не могут быть обнаружены. Данный способ проверки выбран в качестве ближайшего аналога для заявленного способа обнаружения неоднородности листов.

Прогресс в области высокочастотной электроники позволил, в последнее время, перейти к прямому измерению тока, протекающего через измерительный конденсатор и пропорционального его емкости. Высокочастотное напряжение от генератора, частотой в десятки или сотни мегагерц, прикладывается к первому электроду измерительного конденсатора, называемому передающим электродом. Объектом измерения является ток возврата, протекающий через второй электрод конденсатора назад в генератор. Этот электрод называется приемным электродом. Для измерения тока применяется схема, состоящая из усилителя и детектора, выход детектора подключен к аналого-цифровому преобразователю. Данный метод дает наибольшее быстродействие и относительно малую чувствительность к электрическим помехам. Он использован в устройстве, описанном в патенте US 6,229,317, а также в патенте US 8,028,990 (опубл. 04.10.2011, МПК В65Н 7/02), выбранном в качестве прототипа для заявленного устройства.

Положительной стороной прототипа устройства является использование множества измерительных конденсаторов, расположенных вдоль прямой линии перпендикулярно направлению хода листа. За счет этого одновременно контролируется неоднородность листа вдоль целой полосы, пересекающей лист. Это позволяет полностью обследовать весь лист при высокой скорости его перемещения в тракте. Так как прототип использует измерительные конденсаторы, электроды которых находятся по разные стороны листа, то ему свойственна высокая чувствительность к нестабильности зазора между электродами. В прототипе устройства применяются общий генератор и общий передающий электрод для всех измерительных конденсаторов в полосе. Для каждого конденсатора используются отдельный приемный электрод и отдельные схемы измерения тока. Из-за ранее упомянутой малой относительной величины изменения емкости схемы измерения тока оказываются достаточно сложными. Их повторение по числу используемых измерительных конденсаторов приводит к существенному увеличению сложности всего устройства.

Задачей при разработке заявленной группы изобретений являлась разработка эффективного способа обнаружения неоднородности листов и создание простого и быстродействующего устройства для этого, способного надежно работать при большой нестабильности зазора между его частями.

Техническим результатом группы изобретений является повышение достоверности обнаружения неоднородности листов и снижение сложности конструкции.

Раскрытие изобретения

Заявленный технический результат достигается тем, что в соответствии со способом обнаружения неоднородности листа лист перемещают в тракте через устройство, содержащее передающие электроды на одной стороне тракта, и приемный электрод, размещенный на противоположной стороне тракта напротив области расположения передающих электродов, разделяют передающие электроды на группы, причем один и тот же передающий электрод может принадлежать более чем к одной группе, каждую группу разделяют на две подгруппы, каждая из которых содержит, по меньшей мере, один электрод, проводят анализ наличия неоднородностей листа в области расположения передающих электродов каждой группы, для чего на первую подгруппу электродов в группе подают возбуждающий сигнал, а на вторую подгруппу электродов в группе подают сигнал, противофазный возбуждающему сигналу первой подгруппы, и определяют корреляцию между возбуждающим сигналом и сигналом с приемного электрода, анализируют корреляцию и по ней судят о наличии неоднородности листа в указанной области, и на основе суждений, полученных для каждой группы, судят о наличии неоднородности листа в области расположения электродов.

В отличие от прототипа в заявленном способе лист пропускают между нескольких групп электродов, в каждую из которых одновременно подается возбуждающий сигнал и противофазный ему, при этом каждый электрод может принадлежать более чем к одной группе.

В заявленном способе при анализе наличия неоднородностей листа в области расположения передающих электродов каждой группы может быть проведено дополнительное измерение, при котором меняют местами сигналы, прикладываемые к двум подгруппам электродов группы, и вычитают получаемую при этом корреляцию между возбуждающим сигналом и сигналом с приемного электрода из первоначально полученной корреляции.

В заявленном способе может одновременно возбуждаться, по меньшей мере, две группы электродов, а возбуждающий сигнал для каждой из таких групп выбирают таким образом, чтобы он не имел корреляции с возбуждающими сигналами, применяемыми для других одновременно возбуждаемых групп.

В заявленном способе по мере продвижения листа в тракте возможно дополнительно, по меньшей мере, один раз, повторить обнаружение неоднородностей листа.

В заявленном способе подгруппы передающих электродов, входящие в одну группу, могут располагаться в непосредственной близости друг от друга, причем электроды в каждой из этих подгрупп также располагают в непосредственной близости друг от друга, и для обнаружения неоднородности в ходе анализа устанавливают порог абсолютной величины корреляции, которая вычисляется для каждой группы, а при превышении порога принимают решение о наличии неоднородности листа в области расположения передающих электродов группы.

В заявленном способе на основе полученных значений корреляции может быть восстановлено приближенное распределение эквивалентной толщины листа по его поверхности, а затем проанализировано названное распределение для обнаружения неоднородности, при этом группы электродов могут быть пространственно скомпонованы таким образом, чтобы результат измерения корреляции по каждой группе соответствовал определенной компоненте разложения распределения эквивалентной толщины по поверхности листа по определенному функциональному базису.

В качестве функционального базиса может быть выбрана система вейвлетов Хаара или система функций Уолша-Адамара. Для варианта способа, в котором группы электродов могут быть пространственно скомпонованы таким образом, чтобы результат измерения корреляции по каждой группе соответствовал определенной компоненте разложения распределения эквивалентной толщины по поверхности листа по определенному функциональному базису, подгруппы передающих электродов, входящие в одну группу, могут быть расположены в непосредственной близости друг от друга, причем электроды в каждой из этих подгрупп также располагают в непосредственной близости друг от друга, а значения величины корреляции, вычисляемые для каждой группы, рассматривают как величины, пропорциональные производной эквивалентной толщины листа по направлению между центрами тяжести первой и второй подгрупп передающих электродов.

Заявленный технический результат достигается тем, что устройство для обнаружения неоднородности листа содержит: передающие электроды, размещенные с одной стороны листа, разделенные на группы, каждая из которых состоит из двух подгрупп, каждая из подгрупп содержит, по меньшей мере, один электрод, при этом, по меньшей мере, один передающий электрод может принадлежать более чем к одной группе; приемный электрод, размещенный с противоположной стороны листа и охватывающий область расположения передающих электродов; блок управления передающими электродами и синхронизированный с ним блок обработки сигнала с приемного электрода, при этом блок управления передающими электродами выполнен с возможностью возбуждения электродов каждой группы с подачей возбуждающего сигнала на первую подгруппу электродов и одновременной подачей сигнала, противофазного возбуждающему, на вторую подгруппу электродов, а блок обработки сигнала с приемного электрода содержит устройство для определения величины корреляции возбуждающего сигнала.

В отличие от прототипа в заявленном устройстве используются группы передающих электродов и один приемный электрод, при этом группы передающих электродов дополнительно делятся на подгруппы, причем каждый электрод может принадлежать более чем одной группе.

В заявленном устройстве передающие электроды могут быть выполнены в виде неперекрывающихся участков поверхности, приемный электрод может быть выполнен в виде участка поверхности и равноудален от передающих электродов, при этом блок управления передающими электродами может быть выполнен с возможностью обеспечения соотношения амплитуд возбуждающего и противофазного ему сигнала, подаваемых на подгруппы электродов, пропорционального отношению суммарных площадей электродов второй и первой подгрупп.

В заявленном устройстве блок обработки сигнала с приемного электрода может содержать усилитель сигнала с приемного электрода, при этом для такого устройства блок обработки сигнала может быть снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным устройством для определения корреляции возбуждающего сигнала и сигнала с приемного электрода так, что сигнал возбуждения каждой из одновременно возбуждаемых групп подается на вход отдельного устройства для определения корреляции

В заявленном устройстве, в том числе для варианта с передающими электродами в виде неперекрывающихся участков поверхности, устройство для определения величины корреляции может являться синхронным детектором.

Применение двух подгрупп электродов, которые возбуждаются противофазными напряжениями, позволяет существенно снизить вредное влияние зазора на обнаружение неоднородностей листа. Фактически электроды первой подгруппы и второй подгруппы передающих электродов образуют, вместе с приемным электродом, два независимых измерительных конденсатора. Ток, протекающий через общий приемный электрод, содержит сумму тока от первой подгруппы и тока от второй подгруппы. Величина каждого из этих токов практически обратно пропорциональна величине зазора. За счет подачи противофазных напряжений на эти подгруппы, в отсутствии неоднородности листа, происходит взаимное ослабление указанных токов, что ослабляет вредное влияние нестабильности зазора. В то же время появление неоднородности листа в области, покрываемой электродами группы, приводит к увеличению тока от той подгруппы электродов, которая покрывает участок с увеличенной эквивалентной толщиной, и к уменьшению тока от подгруппы, которая покрывает участок с уменьшенной эквивалентной толщиной. Следовательно, при сложении противофазных токов происходит увеличение регистрируемого изменения тока приемного электрода, в сравнении с изменениями токов от каждой из подгрупп в отдельности. Таким образом, первая компонента тока приемного электрода, которая протекает даже в отсутствии неоднородностей листа и зависит от нестабильности зазора, уменьшается, а вторая компонента, характеризующая неоднородность листа, увеличивается. Это позволяет использовать более простую механическую конструкцию устройства, допускающую увеличенную нестабильность зазора, без потери точности обнаружения неоднородностей листа.

В предпочтительном варианте реализации электроды первой и второй подгруппы выполняют в виде неперекрывающихся участков поверхности, а приемный электрод выполняют в виде участка поверхности, равноудаленного от передающих электродов. При этом отношение амплитуд возбуждающего сигнала и противофазного ему сигнала, подаваемых на подгруппы электродов группы, выбирают пропорциональным отношению суммарных площадей электродов второй подгруппы и первой подгруппы. Такая конфигурация электродов обеспечивает равенство токов, протекающих в приемный электрод от первой подгруппы электродов и от второй подгруппы электродов, при условии отсутствия неоднородности листа. Так как эти токи находятся в противофазе, то описанная выше вредоносная первая компонента тока приемного электрода сводится к нулю. Вторая, полезная компонента, характеризующая наличие неоднородности, все же сохраняет зависимость от величины зазора L. Однако негативное влияние этой зависимости в существенной степени проявляется только при больших относительных изменениях зазора и искажает только измеряемую величину перепада эффективной толщины листа. Сам факт наличия определяемого перепада и его знак не искажаются.

Поясним приведенные рассуждения анализом тока через электроды. Будем полагать, что h много меньше L. Емкость между каждым из передающих электродов и приемным электродом, в отсутствие неоднородностей листа, равна . Если же в одном из измерительных конденсаторов появляется дополнительная неоднородность эффективной толщины Δh_e, то его емкость становится равной При приложении напряжения U частотой f к каждому из конденсаторов ток будет пропорционален емкости: I=2πfCU. С учетом противофазной подачи напряжения на электроды подгрупп результирующий ток приемного электрода равен

Таким образом, ток приемного электрода пропорционален Δh_e и, в отсутствии неоднородности, равен нулю. Коэффициент пропорциональности определяется напряжением, частотой, зазором между приемным и передающим электродами и диэлектрической проницаемостью материала листа.

Важно, что взаимное вычитание токов происходит непосредственно в приемном электроде, то есть для нахождения разности емкостей измерительных конденсаторов, не требуются дополнительные электронные схемы. Это отличает заявленное изобретение от схем измерения разности емкости, известных из уровня техники, где емкости сначала измеряются электронными схемами по отдельности и лишь затем вычитаются одна из другой. Такая схема реализована, например, в US 5,122,754. Заявленное изобретение позволяет избежать искажений, вносимых электронными схемами при работе с большим уровнем тока, проходящего через отдельный измерительный конденсатор, на фоне которого требуется выявить малые изменения, обусловленные неоднородностями.

Включение одного и того же электрода более чем в одну группу позволяет повысить достоверность обнаружения неоднородностей. Это происходит потому, что эффективная толщина листа в области расположения такого электрода учитывается в данных более чем одного измерения, за счет чего уменьшается влияние погрешности каждого отдельного измерения на общий результат.

Малая величина тока приемного электрода и его высокая частота не позволяют существенно упростить схему обработки сигнала от приемного электрода. Упрощение устройства достигается за счет использования только одной такой схемы в блоке обработки сигнала. В сравнении с прототипом, в котором количество схем обработки сигнала равно количеству измерительных конденсаторов, это существенно уменьшает общее число электронных элементов.

В заявленном устройстве используется множество передающих электродов, при этом обеспечение подачи сигнала на них может быть реализовано простым оборудованием. Фактически от блока управления передающими электродами требуется обеспечить коммутацию сигнала от генератора возбуждающего сигнала, чтобы передать его на тот или иной электрод. Эту функцию может выполнять либо многоканальный аналоговый коммутатор, либо программируемая логическая матрица (классов CPLD или FPGA). Оба названных вида электронных узлов массово производятся и широко доступны в виде одной микросхемы. Сложность подобного блока управления передающими электродами несопоставимо меньше сложности блока обработки сигнала, состоящего из множества отдельных схем обработки сигнала с приемных электродов, применяемого в прототипе. Таким образом, переход от схемы «один передающий и множество приемных электродов» к схеме «множество передающих электродов и один приемный» существенно упрощает устройство.

В предпочтительном варианте реализации блока обработки сигнала с приемного электрода используется усилитель. Величина тока приемного электрода весьма мала, и она падает при уменьшении напряжения на передающих электродах и при увеличении зазора между передающими и приемным электродом. Малая величина тока приемного электрода, при непосредственной подаче на коррелятор, может оказаться недостаточной для его устойчивой работы. Применение усилителя позволяет уменьшить амплитуду сигнала, подаваемого на передающие электроды, увеличить размер зазора для облегчения транспортировки листа через устройство и уменьшить погрешности при нахождении корреляции.

Применение коррелятора в качестве детектора переменного напряжения обеспечивает высокую помехоустойчивость и снижает требования к экранированию приемного электрода от помех, в сравнении с другими видами детекторов (например, пиковым амплитудным детектором).

Коррелятор может быть выполнен различными способами, при которых реализуются перемножение входных сигналов и интеграция получаемого результата. Одним из самых простых и достаточно точных устройств подобного типа является синхронный детектор, выполненный на основе стандартной микросхемы балансного смесителя с дополнительным RC-фильтром на выходе.

Определенную проблему может создать проникновение возбуждающего сигнала на вход коррелятора через паразитные связи в устройстве. В результате сигнал на выходе коррелятора получает смещение, которое может быть ошибочно воспринято как признак неоднородности листа. К тому же результату приводит внутреннее смещение нуля, практически неизбежное при использовании аналоговых корреляторов, таких как балансный смеситель. Чтобы исключить влияние смещения выходного сигнала коррелятора, вне зависимости от его происхождения, проводят дополнительное измерение, при котором меняют местами сигналы, прикладываемые к двум подгруппам электродов группы, и вычитают получаемую при этом корреляцию между возбуждающим сигналом и сигналом с приемного электрода, из первоначально полученной корреляции. Таким образом, за счет вычитания смещение выходного сигнала полностью нейтрализуется, а полезный результат определения корреляции увеличивается в два раза. В результате повышается достоверность обнаружения неоднородности листа.

Возбуждение групп электродов может производиться как последовательно, группа за группой, так и по нескольку групп одновременно. Одновременное возбуждение нескольких групп позволяет быстрее получить результат со всех групп в устройстве, что увеличивает его быстродействие. Поскольку приемный электрод является общим для всех групп, то, для того, чтобы отличить друг от друга токи от различных групп, применяется по одному коррелятору на каждую из одновременно возбуждаемых групп. Например, если одновременно возбуждают по две группы, то требуются два коррелятора. Возбуждающий сигнал для каждой из таких групп выбирают таким образом, чтобы он не имел корреляции с возбуждающими сигналами, применяемыми для других одновременно возбуждаемых групп. На каждый из корреляторов, в качестве опорного сигнала, подают сигнал возбуждения отдельной группы. На выходе коррелятора формируется сигнал, пропорциональный только той составляющей тока приемного электрода, которая пришла от этой же группы. Ток от других одновременно возбуждаемых групп не имеет корреляции с опорным сигналом и не вносит вклада в выходной сигнал коррелятора. Таким образом, обеспечивается раздельное измерение тока от каждой из одновременно возбуждаемых групп.

В качестве возбуждающих сигналов для одновременного возбуждения разных групп могут применяться разные системы ортогональных функций, известные из теории радиосвязи. В случае двух одновременно возбуждаемых групп наиболее предпочтительным является использование квадратурных сигналов одной и той же частоты. Для большего количества групп можно, дополнительно, использовать несколько различных частот. Оба этих подхода оптимально сочетаются с применением синхронных детекторов в качестве корреляторов. Если же в устройстве используется нахождение корреляции при помощи цифровой обработки сигнала, то оптимальным может оказаться одновременное возбуждение всех групп при помощи набора некоррелированных между собой псевдошумовых сигналов.

Заявленное устройство позволяет измерить различие в эффективной толщине листа для каждой группы электродов, при этом различие измеряется между областью расположения электродов первой подгруппы и электродов второй подгруппы. Если электроды устройства, в каждый момент времени, покрывают только часть поверхности листа, то имеется возможность провести измерения для существенно большей области листа. Для этого нужно повторять измерения по мере продвижения листа и перемещения очередных его участков под электроды устройства. Таким образом, можно обеспечить увеличение обмеряемой области листа без увеличения числа электродов. Типовым является расположение передающих электродов в виде полосы, пересекающей тракт перпендикулярно направлению перемещения листа. В этом случае регистрация неоднородностей листа начинается в момент его захода в указанную полосу и полностью завершается в момент выхода из данной полосы.

Рассмотрим случай, когда подгруппы передающих электродов, входящие в одну группу, расположены в непосредственной близости друг от друга, и электроды в каждой из этих подгрупп также расположены в непосредственной близости друг от друга. Такую группу электродов мы будем далее называть локальной. Тогда измеряемое различие в эффективной толщине листа отражает местный перепад толщины, расположенный в области листа, покрываемой электродами группы. Если задать порог абсолютной величины корреляции, которая вычисляется для каждой группы, то, по превышению этого порога можно обнаружить местный перепад толщины, расположенный в области, покрываемой электродами той или иной группы. Этот способ особенно эффективен для поиска неоднородностей, имеющих резкую границу, например, полоски клейкой ленты, наклеенной на лист. Его преимуществом является малый объем вычислений.

Для исследования неоднородностей, не имеющих резкой границы, более предпочтительным является восстановление приблизительного распределения эффективной толщины листа по его поверхности. Для этого необходимо произвести измерение разности толщины между различными областями листа и использовать подходящий математический алгоритм для восстановления распределения. При этом области по краям тракта, не перекрытые листом, могут использоваться в качестве известных граничных условий.

В одной из возможных реализаций используются измерения при помощи набора локальных групп электродов, позволяющих провести измерения разности эффективной толщины по всей площади листа. Результат измерения при помощи группы электродов дает местное значение производной толщины листа по направлению, задаваемому между центрами тяжести подгрупп электродов. На основе этих значений, а также известных граничных условий, можно восстановить распределение толщины. Методы численного интегрирования, применимые для этой цели, хорошо известны специалистам.

В других возможных реализациях группы электродов пространственно компонуют таким образом, чтобы выходной сигнал блока обработки сигнала по каждой группе соответствовал определенной компоненте разложения распределения эквивалентной толщины по поверхности листа по определенному функциональному базису. При этом используется возможность определять пространственную корреляцию между областями, где расположены электроды подгрупп, и распределением эффективной толщины по поверхности листа, известная из уровня техники и ранее упомянутая. Здесь следует отметить, что пространственную корреляцию, о которой здесь идет речь, не следует путать с временной корреляцией сигналов, которую определяет коррелятор в блоке обработки сигнала.

Наиболее удобны для реализации системы функций, принимающих два либо три дискретных значения. В одном из таких вариантов каждую группу составляют из электродов таким образом, что занимаемая ими область соответствует определенному вейвлету Хаара. Участки вейвлета с положительным значением соответствуют первой подгруппе электродов, а участки с отрицательным значением - второй подгруппе электродов. На участках с нулевым значением электроды группы не размещают. В другом варианте электроды той или иной группы располагают в соответствии со значениями периодической прямоугольной функции (меандра) той или иной частоты. Еще одним возможным базисом является система функций Уолша-Адамара. Величины различия толщины, получаемые в каждой группе, соответствуют коэффициенту разложения по той базисной функции, в соответствии со значениями которой расположены электроды в подгруппах. Важно, чтобы применяемая система функций была полной, иначе неизбежны потери информации о распределении эффективной толщины листа.

Коэффициенты разложения по заданному функциональному базису могут быть использованы для обратного преобразования с целью получения приближенного распределения эффективной толщины по поверхности листа. Далее это распределение может анализироваться известными методами обработки изображений. Примером обработки могут быть поиск контрастного объекта, построение и анализ гистограммы для общей оценки наличия неоднородностей, а также поиск водяного знака методом пространственной корреляции с образцом. Однако коэффициенты разложения могут быть использованы для непосредственного анализа неоднородностей без преобразования к распределению эффективной толщины. Такие способы также известны из технологии обработки изображений. Например, поиск корреляции водяного знака на листе и на известном образце, с использованием коэффициентов разложения, при определенных условиях, требует меньших вычислений, чем с использованием распределения толщины.

Отметим, что применение только локальных групп электродов имеет дополнительное преимущество в условиях малой жесткости конструкции устройства и сильных вибраций. В указанных условиях зазор между приемным и передающими электродами не только нестабилен, он еще и по-разному изменяется во времени для различных передающих электродов. Это вносит особенно сильные погрешности в работу устройства, так как ухудшает компенсацию первой, вредоносной компоненты тока приемного электрода. Однако при локальном расположении электродов в группе, указанная нестабильность зазора для электродов, в пределах группы, минимизируется за счет близкого расположения электродов.

Из перечисленных способов размещения электродов, локальные группы получаются в случае сравнения местного перепада с порогом, определения производной по направлению, а также в случае вейвлетов Хаара. Они являются предпочтительными для использования в условиях малой жесткости конструкции и сильных вибраций.

Следует отметить, что под противофазными сигналами в инженерной практике подразумевают как сигналы, имеющие относительный сдвиг на половину периода колебаний, так и периодические сигналы, имеющие противоположную полярность. Для сигналов, у которых положительная полуволна симметрична отрицательной полуволне, обе указанные трактовки термина «противофазные» одинаково правомочны. Для целей описания заявленного изобретения может применяться любая из указанных трактовок, поскольку различие между ними не отражается на сути изобретения.

На Фиг.1 устройство показано сечением в плоскости, параллельной направлению движения листа.

На Фиг.2 устройство показано сечением в плоскости, перпендикулярной направлению движения листа.

На Фиг.3 показана упрощенная принципиальная электрическая схема устройства.

Фиг.4 иллюстрирует группировку передающих электродов устройства в соответствии со значениями вейвлетов Хаара.

На Фиг.5 показан вариант упрощенной принципиальной электрической схемы устройства, в которой обеспечивается компенсация смещения нуля балансного смесителя.

Фиг.6 иллюстрирует вариант устройства, в котором для увеличения быстродействия используется одновременное возбуждение двух групп.

Практическая реализация

Практическая реализация устройства предназначена для использования в счетчике банкнот. Оно состоит из двух печатных плат 1 и 2, установленных по разные стороны от пути перемещения банкнот 3 на направляющих 4, 5 тракта. Печатная плата 1 содержит блок 6 управления передающими электродами, и сами передающие 7 электроды, размещенные по прямой линии перпендикулярно направлению перемещения банкнот. Передающие 7 электроды представляют собой одинаковые прямоугольники металлизации печатной платы, разделенные узкими промежутками. Для уменьшения скорости износа электродов поверх них ламинирован тонкий слой 8 защитного износостойкого полимера.

Печатная плата 2 содержит блок 9 обработки сигнала с приемного электрода и сам приемный 10 электрод. Приемный 10 электрод, аналогично передающим 7 электродам, выполнен металлизацией печатной платы и также ламинирован слоем 8 защитного износостойкого полимера. Платы 1 и 2 соединены кабелем 11, по которому передаются напряжение питания блока 9 обработки сигнала, а также опорный и выходной сигналы коррелятора. Плата 1 соединена кабелем 12 с контроллером счетчика банкнот (на Фиг.1 и Фиг.2 не показан). По кабелю 12 от контроллера подается напряжение питания устройства и, в виде двоичного параллельного кода, номер активируемой группы. По тому же кабелю от устройства к контроллеру подается выходной аналоговый сигнал коррелятора. Контроллер содержит аналого-цифровой преобразователь и процессор, которые позволяют проводить математическую обработку этого сигнала для обнаружения неоднородностей листа.

Приемный 10 электрод и передающие 7 электроды отделены от внешних полей при помощи экранирующих 13 электродов, размещенных в плоскости расположения электродов и во внутреннем слое печатных плат 1 и 2. Экранирующие 13 электроды не позволяют электрическому полю в конденсаторе выходить за пределы зазора 14 между печатными платами 1, 2 и защищают устройство от проникновения внешних полей к приемному 10 электроду. Шестнадцать передающих 7 электродов имеют обозначения Е0-Е15 (Фиг.3). Блок 6 управления передающими электродами содержит кварцевый генератор 15 частотой 50 МГц, счетный триггер 16 с прямым Q и инверсным /Q входами и мультиплексор 17. С выходов триггера 16 поступают противофазные прямоугольные меандры с частотой 25 МГц, равной половине частоты кварцевого генератора 15. По линиям GN0-GN3 на мультиплексор от контроллера счетчика банкнот передается номер группы электродов, которая должна возбуждаться в данный момент. Мультиплексор 17 является комбинационной логической схемой, которая, в каждый момент времени разводит сигналы Q и /Q на выходы Е0-Е15, соединенные с одноименными передающими электродами. Логика разводки сигналов, реализуемая мультиплексором, определяется принципом объединения электродов в группы и будет рассмотрена далее. Мультиплексор 17 реализован в виде программируемой логической матрицы, изготовленной по технологии CMOS. Сигналы, поступающие на передающие 7 электроды, имеют форму прямоугольных меандров, и размах 3,3 B. Если на электрод не подается сигнал, на него подается уровень логического 0. Платы 1 и 2 установлены с постоянным зазором, достаточным для свободного прохождения банкноты, в том числе изношенной, помятой либо слипшейся с другой банкнотой. Передающие 7 электроды Е00-Е15 образуют, совместно с приемным 10 электродом, ряд измерительных конденсаторов. Емкость паразитного конденсатора, образованного приемным 10 и экранирующими 13 электродами, многократно превышает емкости каждого из измерительных конденсаторов. Блок 9 обработки сигнала с приемного 10 электрода содержит усилитель 18 с резонансной входной цепью 19, настроенной близко к половинной частоте кварцевого генератора 15. С выхода усилителя 18 сигнал подается на балансный смеситель 20. На опорный вход балансного модулятора подается возбуждающий сигнал с выхода Q счетного триггера 16. Балансный смеситель 20 выполняет функцию аналогового перемножения сигналов, поданных на его входы. На выходе балансного смесителя 20 подключен RC-фильтр 21, которым задается постоянная времени интегрирования коррелятора. С выхода RC-фильтра выходной сигнал устройства для обнаружения неоднородностей листа направляется в контроллер 22 счетчика банкнот для проведения аналого-цифрового преобразования и последующей вычислительной обработки. Входная резонансная цепь 19 обеспечивает преобразование тока приемного 10 электрода во входное напряжение усилителя 18. Так как это напряжение оказывается многократно меньше напряжения возбуждения на передающих электродах, то при расчете тока приемного электрода через зазор можно считать, что его потенциал равен 0. Резонансный характер входной 19 цепи обеспечивает выделение основной гармоники частоты возбуждения. Наоборот, высшие гармоники частоты возбуждения, а также внешние радиочастотные помехи, подавляются этой цепью. Индуктивность в резонансной цепи 19 позволяет избежать потери сигнала из-за влияния паразитных конденсаторов между приемным 10 электродом, с одной стороны, экранирующими 13 электродами и неактивированными передающими 7 электродами, с другой стороны. Сигнал на пути от триггера 16 через мультиплексор 17, электроды 7 и 10, резонансную входную цепь 19 и усилитель 18 приобретает сдвиг по фазе. Для того чтобы обеспечить наиболее эффективное детектирование балансным смесителем 20, этот сдвиг должен быть равен 0 или кратен 180 градусам. Такую величину можно подобрать за счет параметров элементов усилителя 18 и резонансной цепи 19. Если же, наоборот, этот сдвиг приблизится к 90 градусам, то полезный сигнал на выходе смесителя упадет до 0. То же самое будет происходить и при сдвигах, смещенных на 180 градусов от этой точки: 270, 550 градусов и т.д. Постоянная времени RC-фильтра 21 должна быть многократно больше периода возбуждающего сигнала, но существенно меньше времени проведения измерения перепада эффективной толщины. Это время задается контроллером в виде интервала Т, в течение которого на входы GN0-GN3 подается номер определенной группы электродов. RC-фильтр подавляет пульсации на выходе балансного смесителя и выделяет среднее значение произведения входных сигналов. К концу интервала проведения измерения на выходе устройства стабилизируется уровень, пропорциональный коэффициенту корреляции между сигналом с приемного электрода и опорным сигналом.

Группы составляют из соседних электродов по следующему принципу. Группа Gi состоит из двух передающих электродов: электрода E_i, составляющего первую подгруппу, и электрода E_i+1, составляющего вторую подгруппу. Полное число групп на единицу меньше числа передающих электродов и равно 15. Описанный принцип реализован в виде логической функции мультиплексора 17, обеспечивающей разводку сигналов Q и /Q по передающим электродам Е0-Е15. Электрод Е0 находится в крайней области тракта, куда лист при своем движении никогда не попадает. Этот электрод используется в качестве опорной точки, относительно которой будет вычисляться эффективная толщина листа. Считается, что в области расположения электрода Е0 эффективная толщина листа равна 0. Контроллер 22 управляет процессом регистрации неоднородностей листа. Этот процесс начинается, как только лист, по мере своего движения, входит в область расположения электродов. Контроллер 22 определяет этот момент на основе информации с оптических датчиков, расположенных в тракте и позволяющих отслеживать продвижение листа (не показаны). Регистрация неоднородностей на всей поверхности листа идет последовательно, полоса за полосой, по мере продвижения листа в тракте. Регистрация начинается с полосы, обозначаемой номером 0. Контроллер 22 последовательно получает результат измерения различия эффективной толщины листа для каждой группы электродов. Для этого он выставляет номер начальной группы (G0) на входы GN0-GN3 мультиплексора и начинает отсчет интервала времени измерения T. По окончании интервала контроллер 22 производит аналого-цифровое преобразование напряжения на выходе RC-фильтра 21 и запоминает его значение D_{0 0} во внутренней памяти. Здесь первый индекс обозначает номер группы, а второй - номер полосы в последовательности измерений. Далее контроллер 22 переходит к измерению при помощи следующей (G1) группы электродов, которое производится совершенно аналогичным образом. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будут запомнены результаты измерения D_{0 0}-D_{14 0} по всем пятнадцати группам электродов (G0-G14). По его окончании в памяти процессора находятся данные о разностях эффективной толщины листа по пятнадцати парам областей, относящиеся к полосе на листе, покрываемой электродами устройства. Области в каждой из этих пар являются зонами, покрываемыми первой и второй подгруппами электродов соответствующей группы. Ширина полосы равна размеру передающего электрода L в направлении перемещения листа по тракту. Как только лист в тракте продвигается на величину, примерно равную длине передающего электрода L, процесс измерения повторяется, в результате чего в памяти контроллера 22 сохраняются данные о разностях эффективной толщины D_{0 1}-D_{14 1}, относящиеся к следующей (по ходу листа) полосе. Эти действия повторяют до тех пор, пока лист не выйдет из зоны расположения электродов устройства. К этому моменту в памяти контроллера хранятся данные D_{0 0}-D_{14 N} o разностях эффективной толщины листа, относящиеся к всей его поверхности. Здесь буквой N обозначен максимальный номер полосы, зарегистрированной на листе.

Обнаружение неоднородностей листа производится на основе распределения эффективной толщины листа, которое строится на основе данных о разностях эффективной толщины, сохраненных контроллером 22. Распределение эффективной толщины, с точки зрения теории обработки изображений, является двумерным образом с размером пикселей, равным размеру передающего электрода. Значение пикселя Pij в распределении эффективной толщины листа пропорционально средней эффективной толщине листа в пределах этого пикселя.

Отметим, что величины Dij пропорциональны производной эффективной толщины листа по направлению, перпендикулярному направлению перемещения листа. Значение пикселей Pij восстанавливают по полосам методом численного интегрирования. Индекс i обозначает номер пикселя в пределах полосы, отсчитываемый аналогично передающим электродами Е0-Е15. Восстановление начинают с нулевого пикселя, соответствующего электроду E0, в области расположения которого в тракте лист никогда не появляется. Полагают P_{0 0} =0. Затем вычисляют следующий пиксель: Р_{1 0}=Р_{0 0}+D_{0 0}. Процесс повторяют последовательно для всех пикселей в полосе, так что последний пиксель в ней вычисляется как Р_{15 0}=P_{14 0}+D_{14 0}. Восстановление следующей полосы начинают аналогичным образом, с нулевого пикселя Р_{0 1}=0, и заканчивают последним Р_{15 1}=Р_{14 1}+D_{14 1}. После повторения для всех N+1 полос распределение эффективной толщины листа полностью восстановлено. Естественно, что оно является приближенным, так как ограничено дискретностью разбиения поверхности листа на пиксели.

Дальнейшая обработка полученного распределения определяется тем, какие именно неоднородности должно обнаруживать устройство. Одной из актуальных задач анализа пригодности банкнот к дальнейшему обороту является обнаружение склеенных банкнот. Для обнаружения кусочков клейкой ленты на листе достаточно задать определенный порог абсолютной разности между соседними пикселями, и искать участки распределения, где этот порог превышен. Если этот порог превышен в каком-либо месте листа, кроме его краев, то в этом месте находится кусочек клейкой ленты либо иной чужеродный объект с резкими границами.

Для более сложного анализа, включающего в себя определение правильности структуры водяного знака, необходимо применять корреляционный анализ. А именно следует вычислять коэффициент корреляции между полученным распределением эффективной толщины и известным распределением эффективной толщины эталонного листа. При совпадении рисунка водяного знака коэффициент корреляции будет иметь положительное значение, близкое к единице. Если же водяные знаки различаются, то коэффициент корреляции будет иметь отрицательное либо малое положительное значение. Такая задача обработки изображения является типовой при анализе подлинности банкнот. Аналогичным образом можно анализировать наличие полимерных защитных элементов, таких как ленточки или аппликации.

Возможно использование иного принципа разбиения электродов на группы для непосредственного получения коэффициентов вейвлетного преобразования в результате регистрации. Вейвлетному преобразованию подвергается распределение эквивалентной толщины листа вдоль полосы. Выбранный полный базис из 15 вейвлетов Хаара показан на Фиг.4. Каждая из 15 групп электродов соответствует определенному вейвлету. Вейвлет Хаара, по определению, принимает значения 1, -1 и 0. Для каждого вейвлета мы включаем в первую подгруппу те электроды, в области расположения которых он принимает значение 1, а во вторую - те электроды, на которых значение вейвлета равно -1. В зависимости от частотного параметра вейвлета каждая подгруппа может включать от 1 до 8 электродов. Комбинационная логика подключения сигналов Q и /Q, соответствующая описанному разбиению электродов на группы, реализована в мультиплексоре 17.

Процесс регистрации набора значений D_{0 K}-D_{14 K} для каждой полосы не отличается от ранее описанного. Индексом К обозначен номер полосы. Значения в полученном наборе пропорциональны коэффициентам вейвлетного преобразования эквивалентной толщины листа вдоль полосы и с дискретизацией по размеру передающего электрода. Действительно, это значение D_{i K} пропорционально разности между толщиной листа на площади, покрываемой электродами первой подгруппы, и на площади, покрываемой электродами второй подгруппы. Но так как первая подгруппа относится к зоне со значением вейвлета 1, а вторая со значением -1, то D_{i K} пропорционально результату численного интегрирования (суммирования) произведения распределения эквивалентной толщины листа в полосе K на вейвлет, соответствующий индексу i.

Как известно специалистам, дискретное вейвлетное преобразование реализует последовательное уточнение за счет последовательного двухкратного повышения частоты вейвлета. Группы, изображенные на Фиг.4, реализуют последовательное уточнение разности эффективной толщины в полосе, контролируемой устройством. Группа G0 обеспечивает наиболее грубое измерение разности эффективной толщины между двумя половинами полосы: первая половина покрывается электродами Е0-Е7, а вторая - электродами Е8-Е15. Разность эффективной толщины в пределах этих половин уточняется группами G1, G8, имеющими в два раза более высокую пространственную частоту вейвлета, что обеспечивает пространственную разрешающую способность в четверть полосы. А именно определяется разность эффективной толщины по участкам Е0-E3 и Е4-Е7, а также Е8-Е11 и Е12-Е15, соответственно. В пределах этих участков в ¼ полосы, дальнейшее уточнение обеспечивают группы G2, G5, G9, G12. В результате реализуется разрешающая способность в 1/8 полосы. И, наконец, группы G3, G4, G6, G7, G10, G11, G13, G14 производят последний шаг уточнения, обеспечивая разрешающую способность в 1/16 полосы.

После завершения регистрации для всего листа матрица результатов может быть использована для восстановления дискретизированного распределения эффективной толщины листа по известным алгоритмам обратного вейвлетного преобразования. Отметим, что, без применения дополнительной информации, набор из 15 вейвлетных коэффициентов недостаточен для восстановления дискретизированного распределения по 16 площадкам, соответствующим областям покрытия электродов. В качестве такой дополнительной информации могут быть использованы известные граничные условия, как, например, нулевая толщина листа в области электрода Е0 (куда лист не может попасть из-за конструкции тракта). Либо, в качестве дополнительной информации может использоваться среднее значение эффективной толщины листа по всей площади полосы, которую можно измерить, подав один и тот же сигнал Q на все электроды Е0-E15. В этом, последнем, случае конфигурация электродов и принцип измерения будет соответствовать простому емкостному датчику толщины листа, подобно описанному в EP 0097570. Однако многие из алгоритмов обработки и распознавания изображения работают непосредственно с коэффициентами вейвлетного преобразования. В качестве примера можно назвать алгоритмы фильтрации или обнаружения границ. Для этих алгоритмов матрица результатов регистрации , содержащая эти коэффициенты, может быть использована непосредственно, в качестве входных данных. Таким образом, исключается дополнительный этап вычислений для прямого вейвлетного преобразования, что повышает быстродействие способа обнаружения неоднородностей листа.

В зависимости от особенностей решаемой задачи обнаружения неоднородностей аналогичным образом может быть реализовано получение коэффициентов разложения по иному функциональному базису. Например, при использовании базиса функций Уолша-Адамара в первую подгруппу включают те электроды, в области расположения которых функция Уолша-Адамара принимает значение 1, а во вторую - те электроды, на которых ее значение равно 0.

Первоначально рассмотренный способ регистрации при помощи локальных групп, состоящих только из двух электродов, также можно рассматривать и с позиции вейвлетного преобразования. А именно в этом случае каждая группа соответствует вейвлету Хаара одной и той же частоты, и эти вейвлеты различаются только расположением. Для компенсации сдвига нуля балансного смесителя, а также проникновения его опорного сигнала на вход усилителя 18, в устройство вводятся логические элементы 23 и 24 типа «исключающее ИЛИ», включенные между выходами триггера 16 и входами мультиплексора 17, как показано на Фиг.5. Сигнал GN4, подаваемый на входы этих логических элементов с выхода контроллера 22, позволяет, при необходимости, инвертировать оба сигнала Q и /Q. Если на GN4 подан низкий логический уровень, инверсии не происходит, и устройство работает идентично тому, которое показано на Фиг.3. При подаче на GN4 высокого логического уровня сигналы возбуждения, подаваемые на электроды первой и второй подгруппы в соответствии с номером группы на линиях GN0-GN3, меняются местами. Соответственно, при такой инверсии, изменяется полярность выходного сигнала на выходе коррелятора (выходе RC-фильтра 21).

Чтобы реализовать указанную компенсацию, для каждого номера группы на линиях GN0-GN3, под управлением контроллера измерение производится два раза подряд - один раз с низким уровнем на GN4, а второй раз - с высоким. Из первого полученного результата измерений вычитается второй, и эта разность считается результатом измерения разности эффективной толщины между участками листа, определяемыми расположением электродов той группы, номер которой выдавался на GN0-GN3. При этой операции постоянный уровень сдвига нуля полностью вычитается, а полезный сигнал, соответствующий разности эффективной толщины, увеличивается в 2 раза.

Отметим, что, в этом случае, на вход АЦП контроллера можно подавать сигнал через емкостную развязку, исключающую постоянную составляющую. Действительно, сигнал на выходе RC-фильтра 21 представляет собой переменное напряжение, на который наложен постоянный уровень. Положительной полуволне соответствует низкий уровень GN4, а отрицательной - высокий уровень на этой линии. При регистрации ценность имеет только размах переменного напряжения, в то время, как постоянный уровень все равно сводится к нулю при вычитании. Однако постоянный уровень на входе АЦП может ограничивать возможность полезного использования его рабочего диапазона, поэтому постоянный уровень желательно исключить также и при помощи емкостной развязки. Если же полезный уровень на выходе RC-фильтра 21 имеет малую амплитуду, то для передачи его на АЦП, возможно применение дополнительного усилителя переменного напряжения.

Если же к устройству предъявляются повышенные требования по быстродействию, то имеется возможность ускорить его работу практически в 2 раза. Это достигается за счет одновременной подачи возбуждающих сигналов на электроды двух групп, причем возбуждающие сигналы этих групп имеют взаимный фазовый сдвиг 90 градусов. Для этого, как показано на Фиг.6, триггер 16 заменен на сдвиговый 4-разрядный регистр 25, замкнутый в кольцо. Начальная загрузка регистра 25 происходит по сигналу RESET, подаваемому при включении устройства. При загрузке через входы PD0-PD3 в регистре 25 устанавливается двоичное число 0011. Выходы регистра подаются на мультиплексор 17, причем мультиплексор имеет входные сигналы Q0 и /Q0 для возбуждения первой из двух групп, и сигналы Q1 и /Q1 для возбуждения второй из двух групп. Генератор 15 вырабатывает частоту 100 МГц, подаваемую на тактовый вход сдвига содержимого регистра 25. В результате этого на входах Q0 и /Q0 мультиплексора 17 формируются противофазные сигналы частотой 25 МГц. На входах Q1 и /Q1 также формируются противофазные сигналы с той же частотой, однако сигнал Q1 сдвинут относительно Q0 на 90 градусов.

Мультиплексор 17 имеет три входа GN0-GN2 для выбора возбуждаемых групп, что соответствует 8 различным состояниям. Его комбинационная логика обеспечивает одновременную подачу возбуждения на группы, не имеющие общих электродов. Используются группы, соответствующие вейвлетному разложению, показанные на Фиг.4. В нулевом состоянии возбуждается только группа G0, так как она задействует все передающие электроды. В состоянии 1 возбуждаются группы G1 и G8, в состоянии 2 - G2 и G5, 3 - G3 и G4, 4 - G6 и G7, 5 - G9 и G12, 6 - G10 и G11, 7 - G13 и G14. Группы могут быть связаны с состоянием мультиплексора и по-другому. Важно, что одновременно возбуждаются две группы, не имеющие общих электродов, и при смене состояний от 0 до 7 будут, в итоге, возбуждены все имеющиеся группы.

В блок 6 обработки сигнала с приемного электрода вводятся дополнительный балансный смеситель 26 и дополнительный RC-фильтр 27. На опорный вход смесителя 26 подается сигнал Q1. Так как сигналы на приемном электроде, получаемые от двух одновременно возбуждаемых групп, имеют фазовый сдвиг 90 градусов (являются квадратурными), то они независимо детектируются смесителями 20 и 26. После сглаживания RC-фильтрами 21 и 27 результаты детектирования подаются на два отдельных канала АЦП контроллера. Таким образом, устройство производит регистрацию при помощи 15 групп электродов всего за 8 отдельных интервалов измерения, в сравнении с 15 интервалами у устройства, изображенного на Фиг.3. Такой результат достигается за счет небольшого усложнения блока 6 управления передающими электродами и блока 9 обработки сигнала с приемного электрода. Отметим, что требования к электродам 7 и 10, входной цепи 19 и усилителю 18 не изменяются. Дальнейшая обработка полученных результатов не отличается от описанной ранее.

Несовершенства механического исполнения устройства, выражающиеся в непостоянном зазоре между электродами или отклонении их площади от расчетной, могут привести к неполной компенсации тока приемного электрода, протекающего в случае отсутствия неоднородностей листа. Для исключения этого тока из результатов регистрации необходимо, при включении устройства, провести регистрацию в отсутствии листа в тракте. Полученные значения для каждой группы запоминаются в памяти контроллера 22 и, в дальнейшем, всегда вычитаются из результатов регистрации. Таким образом, влияние упомянутых несовершенств компенсируется. Регистрация в отсутствии листа в тракте может проводиться периодически для учета механических отклонений, изменяющихся в ходе работы устройства.

Описанные здесь устройство и способ представляют собой одну из многих реализаций, возможных в соответствии с формулой изобретения.

Группа изобретений относится к обнаружению неоднородностей листового материала. Технический результат: повышение достоверности обнаружения неоднородности и снижение сложности конструкции. Сущность: лист перемещают в тракте через устройство с передающими электродами на одной стороне тракта и приемным электродом на противоположной стороне напротив передающих электродов. Разделяют передающие электроды на группы, причем один и тот же передающий электрод может принадлежать более чем к одной группе. Каждую группу разделяют на две подгруппы. На первую подгруппу электродов подают возбуждающий сигнал, а на вторую подают сигнал, противофазный возбуждающему сигналу первой подгруппы. Определяют корреляцию между возбуждающим сигналом и сигналом с приемного электрода. Анализируют корреляцию и по ней судят о наличии неоднородности листа в указанной области. 2 н.и 22 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ обнаружения неоднородности листа, в соответствии с которым лист перемещают в тракте через устройство, содержащее передающие электроды на одной стороне тракта, и приемный электрод, размещенный на противоположной стороне тракта напротив области расположения передающих электродов, разделяют передающие электроды на группы, причем один и тот же передающий электрод может принадлежать более чем к одной группе, каждую группу разделяют на две подгруппы, каждая из которых содержит, по меньшей мере, один электрод, проводят анализ наличия неоднородностей листа в области расположения передающих электродов каждой группы, для чего на первую подгруппу электродов в группе подают возбуждающий сигнал, а на вторую подгруппу электродов в группе подают сигнал, противофазный возбуждающему сигналу первой подгруппы, и определяют корреляцию между возбуждающим сигналом и сигналом с приемного электрода, анализируют корреляцию и по ней судят о наличии неоднородности листа в указанной области, и на основе суждений, полученных для каждой группы, судят о наличии неоднородности листа в области расположения электродов.

2. Способ по п.1, в котором при анализе наличия неоднородностей листа в области расположения передающих электродов каждой группы проводят дополнительное измерение, при котором меняют местами сигналы, прикладываемые к двум подгруппам электродов группы, и вычитают получаемую при этом корреляцию между возбуждающим сигналом и сигналом с приемного электрода из первоначально полученной корреляции.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором одновременно возбуждают, по меньшей мере, две группы электродов, а возбуждающий сигнал для каждой из таких групп выбирают таким образом, чтобы он не имел корреляции с возбуждающими сигналами, применяемыми для других одновременно возбуждаемых групп.

4. Способ по любому из пп.1 и 2, в котором, по мере продвижения листа в тракте, дополнительно, по меньшей мере, один раз повторяют обнаружение неоднородностей листа.

5. Способ по п.3, в котором, по мере продвижения листа в тракте, дополнительно, по меньшей мере, один раз повторяют обнаружение неоднородностей листа.

6. Способ по любому из пп.1, 2, 5, в котором подгруппы передающих электродов, входящие в одну группу, располагают в непосредственной близости друг от друга, причем электроды в каждой из этих подгрупп также располагают в непосредственной близости друг от друга, и для обнаружения неоднородности в ходе анализа устанавливают порог абсолютной величины корреляции, которая вычисляется для каждой группы, а при превышении порога принимают решение о наличии неоднородности листа в области расположения передающих электродов группы.

7. Способ по п.3, в котором подгруппы передающих электродов, входящие в одну группу, располагают в непосредственной близости друг от друга, причем электроды в каждой из этих подгрупп также располагают в непосредственной близости друг от друга, и для обнаружения неоднородности в ходе анализа устанавливают порог абсолютной величины корреляции, которая вычисляется для каждой группы, а при превышении порога принимают решение о наличии неоднородности листа в области расположения передающих электродов группы.

8. Способ по п.4, в котором подгруппы передающих электродов, входящие в одну группу, располагают в непосредственной близости друг от друга, причем электроды в каждой из этих подгрупп также располагают в непосредственной близости друг от друга, и для обнаружения неоднородности в ходе анализа устанавливают порог абсолютной величины корреляции, которая вычисляется для каждой группы, а при превышении порога принимают решение о наличии неоднородности листа в области расположения передающих электродов группы.

9. Способ по любому из пп.1, 2, 5, в котором на основе полученных значений корреляции восстанавливают приближенное распределение эквивалентной толщины листа по его поверхности, а затем анализируют названное распределение для обнаружения неоднородности.

10. Способ по п.3, в котором на основе полученных значений корреляции восстанавливают приближенное распределение эквивалентной толщины листа по его поверхности, а затем анализируют названное распределение для обнаружения неоднородности.

11. Способ по п.4, в котором на основе полученных значений корреляции восстанавливают приближенное распределение эквивалентной толщины листа по его поверхности, а затем анализируют названное распределение для обнаружения неоднородности.

12. Способ по п.9, в котором группы электродов пространственно компонуют таким образом, чтобы результат измерения корреляции по каждой группе соответствовал определенной компоненте разложения распределения эквивалентной толщины по поверхности листа по определенному функциональному базису.

13. Способ по любому из пп.10 и 11, в котором группы электродов пространственно компонуют таким образом, чтобы результат измерения корреляции по каждой группе соответствовал определенной компоненте разложения распределения эквивалентной толщины по поверхности листа по определенному функциональному базису.

14. Способ по п.12, в котором в качестве функционального базиса выбрана система вейвлетов Хаара.

15. Способ по п.13, в котором в качестве функционального базиса выбрана система вейвлетов Хаара.

16. Способ по п.12, в котором в качестве функционального базиса выбрана система функций Уолша-Адамара.

17. Способ по п.13, в котором в качестве функционального базиса выбрана система функций Уолша-Адамара.

18. Способ по п.9, в котором подгруппы передающих электродов, входящие в одну группу, располагают в непосредственной близости друг от друга, причем электроды в каждой из этих подгрупп также располагают в непосредственной близости друг от друга, а значения величины корреляции, вычисляемые для каждой группы, рассматривают как величины, пропорциональные производной эквивалентной толщины листа по направлению между центрами тяжести первой и второй подгрупп передающих электродов.

19. Способ по любому из пп.10 и 11, в котором подгруппы передающих электродов, входящие в одну группу, располагают в непосредственной близости друг от друга, причем электроды в каждой из этих подгрупп также располагают в непосредственной близости друг от друга, а значения величины корреляции, вычисляемые для каждой группы, рассматривают как величины, пропорциональные производной эквивалентной толщины листа по направлению между центрами тяжести первой и второй подгрупп передающих электродов.

20. Устройство для обнаружения неоднородности листа, содержащее передающие электроды, размещенные с одной стороны листа, разделенные на группы, каждая из которых состоит из двух подгрупп, каждая из подгрупп содержит, по меньшей мере, один электрод, при этом, по меньшей мере, один передающий электрод может принадлежать более, чем к одной группе, приемный электрод, размещенный с противоположной стороны листа и охватывающий область расположения передающих электродов, блок управления передающими электродами, и синхронизированный с ним блок обработки сигнала с приемного электрода, при этом блок управления передающими электродами выполнен с возможностью возбуждения электродов каждой группы с подачей возбуждающего сигнала на первую подгруппу электродов и одновременной подачей сигнала, противофазного возбуждающему, на вторую подгруппу электродов, а блок обработки сигнала с приемного электрода содержит устройство для определения величины корреляции возбуждающего сигнала и сигнала с приемного электрода.

21. Устройство по п.20, в котором передающие электроды выполнены в виде неперекрывающихся участков поверхности, приемный электрод выполнен в виде участка поверхности и равноудален от передающих электродов, при этом блок управления передающими электродами выполнен с возможностью обеспечения соотношения амплитуд возбуждающего сигнала и противофазного ему сигнала, подаваемых на подгруппы электродов группы, пропорционального отношению суммарных площадей электродов второй подгруппы и первой подгруппы.

22. Устройство по п.20, в котором блок обработки сигнала с приемного электрода содержит усилитель сигнала с приемного электрода.

23. Устройство по любому из пп.20 и 21, в котором устройство для определения величины корреляции представляет собой синхронный детектор.

24. Устройство по п.22, в котором блок обработки сигнала снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным устройством для определения корреляции возбуждающего сигнала и сигнала с приемного электрода, так что сигнал возбуждения каждой из одновременно возбуждаемых групп подается на вход отдельного устройства для определения корреляции.