“現(xiàn)金為王”這句話會(huì)引起我們?cè)S多人的共鳴，每天都要經(jīng)手和處理數(shù)百萬(wàn)張紙幣的專業(yè)現(xiàn)金中心想必對(duì)此更有感觸。當(dāng)今的現(xiàn)金流通量超過了以往任何歷史時(shí)期。紙幣數(shù)量的激增，加上紙幣日益多樣化的防偽標(biāo)志以及復(fù)雜的票面設(shè)計(jì)，大大提高了對(duì)現(xiàn)金自動(dòng)處理系統(tǒng)的要求。全世界各地的印刷廠都必須保證每張新鈔的最高質(zhì)量。除此之外，中央銀行和商業(yè)銀行以及現(xiàn)金押運(yùn)公司需要根據(jù)鈔票面額、貨幣類型、紙幣方向、真?zhèn)魏驼麧嵍?，?duì)紙幣進(jìn)行極其精準(zhǔn)又快速地分揀。德國(guó)捷德貨幣技術(shù)公司（Giesecke+Devrient Currency Technology，簡(jiǎn)稱捷德貨幣）的物理學(xué)家 Jan Domke 和 Klaus Thierauf 受專業(yè)現(xiàn)金中心的委托，為高性能的模塊化紙幣處理系統(tǒng)（banknote processing systems，簡(jiǎn)稱 BPS）開發(fā)專用傳感器（圖 1）。

圖 1. BPS X9 是世界上最快的紙幣處理系統(tǒng)，每秒可處理 44 張紙幣，每小時(shí)的有效吞吐量超過 15 萬(wàn)張。中央模塊的尺寸為 1.9 米高， 5.7 米寬。

為了降低運(yùn)作成本，確保處理后的紙幣被安全送出，捷德貨幣的處理系統(tǒng)采用了大批傳感器陣列，以保證結(jié)果的可重復(fù)性和持久的耐用性。紙幣被送入機(jī)器后，圓皮帶傳輸系統(tǒng)（圖 2 左）將對(duì)每張紙幣的兩面進(jìn)行全面測(cè)量。分揀操作依賴于嵌入傳輸帶中的大量傳感器，其中假幣被精準(zhǔn)剔除，破損紙幣由于質(zhì)量欠佳而被撿出甚至是撕碎。通過檢查的紙幣隨后被包裝成捆，進(jìn)入現(xiàn)金流通或銀行金庫(kù)。捷德貨幣制造的典型機(jī)器能夠在單次檢測(cè)中從四個(gè)方向檢測(cè)出多種不同的貨幣類型，這個(gè)高效率的系統(tǒng)每小時(shí)可處理超過 15 萬(wàn)張紙幣。Domke解釋說(shuō)：“我們的部門負(fù)責(zé)開發(fā)傳感器系統(tǒng)及其評(píng)估機(jī)制，它們是機(jī)器的眼睛和大腦，承擔(dān)著辨別紙幣真?zhèn)巍^(qū)分完整或破損紙幣的重要任務(wù)?！?/p>

圖 2. 左：傳感器模塊的一部分，其中圓皮帶傳輸系統(tǒng)負(fù)責(zé)將紙幣運(yùn)送過處理系統(tǒng)。右：分揀到大型交付模塊的紙幣是自動(dòng)提款機(jī)中的散裝紙幣的來(lái)源之一。

探測(cè)與分揀

紙幣在通過處理系統(tǒng)時(shí)將經(jīng)歷三個(gè)主傳感器檢測(cè)系統(tǒng)：磁性、光學(xué)和超聲波傳感器。系統(tǒng)利用不同的傳感特性，無(wú)縫、高效地對(duì)紙幣進(jìn)行檢查與分揀。磁性傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)特殊的磁性防偽印記；光學(xué)傳感器在紫外光、近紅外光和可見光范圍內(nèi)根據(jù)鈔票面額和貨幣類型實(shí)現(xiàn)分類；超聲波傳感器則檢驗(yàn)紙幣的殘損狀態(tài)（撕裂、孔洞、膠帶等）。為了提高傳感器的性能，加快不斷發(fā)展的開發(fā)工作，Domke 和 Thierauf 使用多物理場(chǎng)仿真來(lái)深入洞察這些復(fù)雜現(xiàn)象背后的物理原理。作為開發(fā)過程的重要一環(huán)，仿真能夠協(xié)助團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證核心概念，開發(fā)團(tuán)隊(duì)還能夠基于仿真結(jié)果與算法團(tuán)隊(duì)進(jìn)行后續(xù)討論?！?a href="http://m.sdkjxy.cn/tags/comsol/" target="_blank">COMSOL? 軟件讓整個(gè)團(tuán)隊(duì)能夠步調(diào)一致地觀察與理解相關(guān)的物理效應(yīng)，是傳感器開發(fā)過程中不可或缺的重要工具?！?Domke 評(píng)價(jià)道。

檢測(cè)防偽標(biāo)記

紙幣的關(guān)鍵防偽標(biāo)記是印在票面上的磁性墨水，它相當(dāng)于磁性探針，當(dāng)紙幣穿過傳輸系統(tǒng)時(shí)，這些探針將與傳感器中永磁體的磁場(chǎng)相互作用。團(tuán)隊(duì)可以實(shí)時(shí)分析場(chǎng)線所受的影響，以此作為指示信號(hào)，并根據(jù)特定算法生成所需的信息。為了確保算法的準(zhǔn)確性，團(tuán)隊(duì)需要預(yù)先對(duì)磁場(chǎng)的變化進(jìn)行模擬。Thierauf 為此求助于數(shù)值仿真，其團(tuán)隊(duì)在軟件中創(chuàng)建了磁性傳感器組件，預(yù)定義其磁化強(qiáng)度，然后利用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬軟磁探針穿過傳感器的情況。他們可以參照模型中獲取的磁場(chǎng)讀數(shù)調(diào)整參數(shù)，從而得到滿足檢測(cè)需要的磁場(chǎng)形狀。

當(dāng)探針經(jīng)過傳感器時(shí)，與磁場(chǎng)發(fā)生相互作用。磁性傳感器探測(cè)到磁場(chǎng)變化后，將產(chǎn)生的信號(hào)以電響應(yīng)的形式從系統(tǒng)中發(fā)射出來(lái)。信號(hào)強(qiáng)度取決于探針與磁鐵的距離，而仿真對(duì)于理解這種依賴性至關(guān)重要。Thierauf 解釋說(shuō)：“磁場(chǎng)形成后，你就能計(jì)算出信號(hào)強(qiáng)度與距離之間的關(guān)系?；谶@項(xiàng)數(shù)據(jù)，我們就可以根據(jù)客戶的要求對(duì)傳感器進(jìn)行優(yōu)化，然后在更專業(yè)的模型中改進(jìn)設(shè)計(jì)?！?/p>

對(duì)紙幣的整潔度要求

在分揀紙幣時(shí)，除了防偽標(biāo)記外，還需要考慮紙幣的整潔程度。進(jìn)入處理系統(tǒng)的紙幣可能已經(jīng)破損、帶有缺角或折角、污漬、涂鴉或膠帶，或者與其他紙幣粘在一起。為了準(zhǔn)確檢測(cè)出粘在一起或黏有膠帶的紙幣，Domke 的團(tuán)隊(duì)使用了超聲波陣列傳感器。當(dāng)紙幣到達(dá)傳感器的位置時(shí)，傳感器發(fā)射的脈沖超聲信號(hào)穿過紙幣到達(dá)另一側(cè)的接收器。這里存在的主要問題在于實(shí)際上只有 1％ 或更少的信號(hào)透過紙幣到達(dá)了接收器；99％ 的聲能都被反射回來(lái)。為此，系統(tǒng)采用了 24 對(duì)發(fā)射器以提高接收器的分辨率（圖 3）。然而大量發(fā)射器造成的信號(hào)串?dāng)_問題，讓管理信號(hào)時(shí)序、阻尼元件和幾何構(gòu)造成為了一個(gè)復(fù)雜而棘手的難題。

（a）

（b）

圖 3. 通過磁性傳感器的磁探針仿真。（a）：永磁體（灰色）和鐵芯（黑色）引導(dǎo)傳感器的磁場(chǎng)。動(dòng)網(wǎng)格用于模擬穿過虛擬傳送通道的探針。（b）：經(jīng)過傳感器并導(dǎo)致磁場(chǎng)變形的探針的時(shí)序。

Domke及其團(tuán)隊(duì)利用多物理場(chǎng)仿真來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。當(dāng)紙幣經(jīng)過傳感器時(shí)會(huì)反射超聲信號(hào)，由于聲波的衍射現(xiàn)象，部分聲波將繞過紙幣被接收器提取（圖 4）。由于這種衍射信號(hào)會(huì)干擾穿過紙幣的微弱信號(hào)，因此接收器的檢測(cè)操作需要在衍射信號(hào)到達(dá)之前完成。借助多物理場(chǎng)仿真，Domke 還模擬了聲學(xué)通道以引導(dǎo)脈沖信號(hào)。通過模擬近場(chǎng)及遠(yuǎn)場(chǎng)特性、最大信號(hào)幅度和聲場(chǎng)衰減，Domke能夠減少發(fā)射信號(hào)的失真。Domke 解釋說(shuō)：“仿真是分析此類情況的關(guān)鍵工具，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)量根本無(wú)法在如此微小的尺度下進(jìn)行。如果我們能夠從設(shè)計(jì)之初就通過仿真調(diào)整幾何結(jié)構(gòu)與時(shí)序，就能獲得清晰且不受干擾的傳輸信息?！?/p>

圖 4. 由 24 個(gè)發(fā)射器組成的陣列可以發(fā)射通過紙幣的超聲信號(hào)。插圖為 20 歐元的紙幣。

未來(lái)的改進(jìn)

Domke 和 Thierauf 還將多物理場(chǎng)仿真引入到傳感器開發(fā)流程的其他方面，并致力于擴(kuò)展仿真的應(yīng)用范圍。他們采用多物理場(chǎng)方法來(lái)模擬超聲換能器，并對(duì)印刷電路板的熱管理系統(tǒng)進(jìn)行傳熱分析。他們還將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，高度吻合的結(jié)果是模型準(zhǔn)確性的最有力證明。在未來(lái)，他們希望持續(xù)的仿真分析讓團(tuán)隊(duì)的研發(fā)工作更加靈活，幫助他們更好地貼合客戶需求，優(yōu)化偽鈔的分揀效果，盡可能讓鈔票整潔地呈現(xiàn)在人們面前。

圖 5.換能器發(fā)射的聲子波傳播經(jīng)過紙幣邊緣，最終到達(dá)接收器。上：模擬裝置的草圖。下：子波向紙幣傳播過程的兩種表征方式。在此圖中，一半子波撞擊到紙幣上，但只有一小部分子波穿過紙幣，而大部分子波在紙幣邊緣被衍射出去。圖注：transducer–換能器； banknote – 紙幣； receiver – 接收器