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内容简介：

螺旋式滚筒硬币分离计数包装机制作单位： 大连大学智能引擎工作室指导老师： 蓝健、时祖光负责人： 郭超参与人: 金丽雅、韦佳宝、房文博、张刚作品内容简介硬币分离计数包装机是将硬币进行分离、计数以及包装于一体的装置，此装置由分离部分、计数部分以及包装收集部分三部分组成。分离部分：用电来驱动装置内部带孔圆筒（空心）绕中心轴旋转，圆筒前半部分孔的直径为19.5mm，后半部分大小20mm，圆筒内部窄螺旋结构带动硬币前进。当硬币从进口沿轨道进入圆筒后，一角硬币便会在滚动过程中在落在下面一角区域中；同理，五角硬币落在五角区域中，一元硬币则会被带出落在一元区域中，从而达到高效分离的目的。计数部分：用光电传感器、重力传感器、囤积管组成，囤积管由半管和两个四分之一的管拼合而成，其中一元硬币的囤积管直径为26mm，五角硬币的囤积管为20mm，一角硬币囤积管为19.5mm，囤积管顶部硬币入口内装有光电传感器以及顶部封口装置，底部装有重力传感器。包装收集部分：当用户存入的硬币没有打包要求时，硬币计数器通过传送装置连接到硬币口袋；当用户需要取币时，硬币计数器将直接与用于按照高度取出相应数目硬币的硬币包装传动装置相连接，从而达到包装收集的目的。本发明的硬币分离计数包装机设计巧妙、各个结构之间配合恰到好处，对硬币进行了十分有效地处理，大量节省人工成本，方便大众。联系人：郭超联系电话：18340809563邮箱地址：473051448一、研制背景及意义随着社会快速的发展，科技的进步以及“一元硬币化”政策的实施，硬币将会越来越多，多种硬币的分离越来越成为人们关注的焦点。如果出现一种装置可以减少硬币分离包装计数中带来的经济损失，降低人工处理成本，多增加高科技元素，那么将会很好的带动科技进步以及经济发展。故此，我们团队开始研究硬币分离计数包装装置。二、设计方案1、结构组成：硬币分离计数包装机是将硬币进行分离、计数以及包装于一体的装置，此装置由分离部分、计数部分以及包装收集部分三部分组成。图一 螺旋式滚筒硬币分离计数包装机实物模型2、机械调节:（1）分离系统分离系统（如图二）由进币口、旋转电机、分离滚筒、螺旋片组成小组将进币口设计成斜坡下滑式的通道，可将硬币全部送入滚筒内部，进行后续的筛选工作。旋转电机型号为108A003，由齿轮带动链条进行传动，带动圆筒旋转，使得圆桶内的硬币可以在旋转的作用下旋转，螺旋片带动硬币前进。分离滚筒，采取中空设计，设计半径为66.5mm，设计长度为270mm，圆筒前半部分阵列排布直径为19.5mm的圆，负责分离1角硬币，后半部分阵列排布直径为20mm的圆，负责分离5角硬币，圆筒内装有螺距为20mm的窄螺旋，可以让硬币向前进给，随机通过圆筒侧壁的阵列圆，另外，为了防止硬币从进入端掉出，。若硬币直径小于圆筒所开直径，硬币便可以通过筒壁的圆掉落，落到在起下方的收集装置，进行收集、计数等工作。螺旋自始至终贯穿圆筒，在圆筒旋转的时候起到辅助向前推进硬币的作用，最终1角硬币从前半部分圆孔筛出、5角硬币从后半部分被筛出，1元硬币从滚筒末端掉出。以上三种硬币均掉入到不同的收集装置里。并且进行计数。图二（2）计数原理硬币经过分离装置后，由滑道进入收集装置，并且进行相应的计数。计数装置由光电传感器、重力传感器、囤积管组成，囤积管由半管和两个四分之一的管拼合而成，其中一元硬币的囤积管直径为26mm，五角硬币的囤积管为20mm，一角硬币囤积管为19.5mm，囤积管顶部硬币入口内装有光电传感器以及顶部封口装置，硬币通过光电感应器后下落触发点控开关被计数一次，并在显示屏对应的面值后数字加一，最后通过计算程序算出总金额。底部装有重力传感器，在硬币装满囤积管后重力传感器发出信号。（3）包装原理当硬币分离，计数完成之后，接下来的机构及时为了来将硬币进行系统的包装了，首先向记数出来的硬币收入一个漏斗状的硬币收集装置中，当硬币顺着该装置向下滑动时，通道会越来越小直到刚好只够一个硬币透过时即可用一个管状的收集器（如图）将硬币全部收进其中时，在管状收集装置端口就会伸出一个小挡片，使硬币无法向下掉.盛放收集器的的转盘就会转动，同时转过来的又是一个新的空的收集器，收集器口的小挡片就会弹开，如此就能继续包装接下来的硬币了，此时从管状收集器出来的硬币就变成累积状的了。 3.成本核算： 物品价格（元）亚克力板50电机50双色板10重力传感器40光电传感器40囤积管20传送带10齿轮50尼龙10塑料封皮5总计285三、工作原理及性能分析工作原理四、创新点及其应用前景1、创新点：1.此装置不仅达到了传统的分离目的，而且创新性的加入了计数装置以及包装收集装置；2.分离部分采用一筒多种孔结构，提高分离效率与分离精度；3.计数部分引用各种传感器，运用各种先进理论和技术，计数更精确；4.此装置可以达到多种目的，同时满足多种要求，既可以批量数硬币，又可以对硬币进行包装收集。 2、应用前景：随着“一元硬币化”工程的实施，市场中硬币的投放量将会大幅度增加。由于硬币手工清分成本大，利润小，一般不复点且误差大，因此关于硬币的分类、清点以及包装自动化的机器将成为市场的迫切需求。此机构相较于传统机构，具有连续性、大流量分离的特点；可以对硬币进行计数和包装，节省了大量的人力、物力、财力；此机构内部螺旋挡片可以有效地提高分离效率；迎合市场需求设计，结构简单加工制作方便，有利于市场的普及。6一、选题依据 1、研究领域 机械设计 2、论文（设计）工作的理论意义和应用价值 随着社会快速的发展，科技的进步以及“一元硬币化”政策的实施，硬币将会越 来越多，多种硬币的分离越来越成为人们关注的焦点。如果出现一种装置可以减少硬 币分离包装计数中带来的经济损失，降低人工处理成本，多增加高科技元素，那么将 会很好的带动科技进步以及经济发展。故此，我们团队开始研究硬币分离计数包装装 置。 3、目前研究的概况和发展趋势 目前，在国内流通的货币大都是纸币，尤其小面额纸币流通频繁，破损率极高， 这样也大大影响了人们日常生活中对人民币的使用感受，相比较而言，小额硬币由于 其破损率极低，较小额纸币而言更具优势，此时便体现出了小额硬币的优越性。 同 时在日常诸多行业中，尤其是在公交、地铁、银行、超市等地点硬币的使用及储存量 越来越大，硬币在人们的日常生活中将会越来越重要，若用硬币来代替将小面额钱币 发行，既能大量减少国家更换破损纸币的费用，也能提升人们的使用感受。 然而随 着小面额纸币的硬币化，也会给接触硬币较多的普通人群以及银行、金融行业带来不 少烦恼。对于上述问题， 国内外专家也对硬币分离装置进行了一定研究，并取得了 一定成果，且已推向市场，但目前市场上所用的硬币分离装置体积大、质量重、价格 昂贵，分离效果并不算很好。 研发一种小型的硬币分离装置，对于解决目前硬币分离困难的问题有极大的意 义。 所以，针对上述问题，为解决当前硬币分类中存在的问题，本文提出一种硬币 旋转分类机，以便于实现大量硬币的有效分类，从而代替人工整理，有效提高钱币分 离的效率。 二、论文（设计）研究的内容 1.重点解决的问题 (1)完成螺旋式滚筒硬币分离计数包装机总体方案设计 (2)完成螺旋式滚筒硬币分离计数包装机结构设计 (3)绘制相关的 CAD 设计图纸2.拟开展研究的几个主要方面（论文写作大纲或设计思路） 通过查阅资料，首先介绍说明硬币分离机的产生及背景，以及国内外硬币分离机 的现状和以后的发展趋势。 确定总体方案选择， 将设计分为方案设计，机构设计及 技术设计三部分，通过每一阶段深入分析，层层把关，努力设计出最优方案。在设计 过程中特别注重设计的方法，作品的设计做到有系统性规范性和创新性。 论文写作大纲：1绪论1.1 硬币分离机设计的目的和意义1.2 本课题应解决的主要问题及技术要求1.3 国内外硬币分离机的发展概况2总体方案选择3硬币分离机机构的设计3.1 分离装置的设计3.2 原动机构设计3.3 传动机构设计3.4 计数装置设计3.5 包装机构设计4. 部件及传感器选择4.1 机构各部件选择4.2 分离传感器选择4.3 计数传感器选择5.总结3.本论文（设计）预期取得的成果 (1)螺旋式滚筒硬币分离计数包装机总体方案设计 (2)螺旋式滚筒硬币分离计数包装机结构设计 (3)相关的 CAD 设计图纸 三、论文（设计）工作安排 1.拟采用的主要研究方法（技术路线或设计参数）； 对硬币分离机结构进行研究，结合实际设计合理的机构并进行计算，最终完成 硬币分离机设计的研究工作。2.论文（设计）进度计划 第 1 周：查阅相关文献资料，了解设计内容；第 2 周：初步方案设计；第 3 4 周：总体方案设计，撰写开题报告并完善开题报告；第 5 6 周：螺旋式滚筒硬币分离计数包装机整体结构设计计算；第 7 9 周： 螺旋式滚筒硬币分离计数包装机各部分零部件设计计算； 第 1011 周：绘制相关 CAD 图纸；第 12 周：撰写设计说明书；第 13 周：完善毕业设计说明书；第 14 周：完善毕业设计各项内容，准备答辩 四、需要阅读的参考文献 1 廖汉元,孔建益.机械原理M.北京:机械工业出版社,2012.2 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计(第九版)M.北京.高等教育出版社,2013.3 成大先.机械设计手册M.北京.化学出版社,2002.4 秦大同,谢里阳.机构设计M.北京.化学工业出版社,2013.5 高艳芳,豆贺,佟晗,薛贝贝,李小海.设计一种小型硬币分离J.中国科技信息,2017,(7):9-11.6 周钰明,谢光磊,洪建伟. 新型旋转式硬币分类机J.科技视界,2017,(9):33-36. 7 赵旭基.于 TRIZ 理论的创新设计J.新技术新工艺,2017,(7):52-54.8 许留云,姚赛,王晗,石超,王美露,李林辉.一种新型硬币分离计数装置的设计J. 延安大学学 报（自然科学版）,2017,(1):15-19.9 宋艳丽.简单硬币分离装置的设计J.现代制造技术与装备,2016,(7):15-20.10 蒋 小 盼 , 马 爱 兵 , 马丽 . 筛 动 式 硬 币 分 类 装 置 及 其 仿 真 运 动 的 设 计 J. 工 业 设 计,2016,(8):60-90.11 冯 大 鹏 , 何 新 超 , 于 江 豪 . 高 效 硬 币 自 动 分 类 装 置 的 设 计 J. 湖 北 理 工 学 院 学 报,2016,(5):18-36.12Lin B, Okwudire C E, Wou J S, et al. Low Order Static Load Distribution Model for Ball Screw Mechanisms including Effects of Lateral Deformation and Geometric ErrorsJ. Journal of Mechanical Design, 2017.13Song Q, Jiang Z, Han J. Noise Covariance Identification Based Adaptive UKF with Application to Mobile Robot SystemsJ. 2007:4164-4169.14Nibir S J, Parkhideh B. Magnetoresistor with Planar Magnetic Concentrator as Wideband Contactless Current Sensor for Power Electronics ApplicationsJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017,(99):1-1. 附：文献综述文献综述随着经济高速发展和自动化技术的实现，硬币流通量逐渐增大，各种面值的硬币 会出现混合的情况，而现阶段硬币的分类和清点还主要依靠人手工完成，耗费大量人 力，国内外可以实现此功能的装置又大多结构复杂、难于大批生产且尚未成熟。无人 售票、自动售货机的推广，硬币流通量大大增加，特别是公交公司、金融机构等每天 要对大量硬币进行分类。目前国内仍普遍采用人工处理的方式，工作量大，硬币以其成本低、耐磨、易 回收等无可替代的优势将占领小面额货币市场是大势所趋。大部分硬币接收机没法识 别硬币的面值， 这就造成了后期计数、分类、 包装等困难;硬币手工清分成本高， 利 润低，一般不复点且误差大，极大地浪费了人力资源，费时费力。设计一个效率高、 运行稳定、性能可靠的硬币分离机迫在眉睫。硬币在一个国家的金融体系中是不可缺少的重要组成部分，随着硬币的使用频率逐渐增加，硬币分离以及统计成为一个亟待 解决的社会难题。硬币与国民生活形影不离，国内外很早已开始对硬币的识别研究。在这个领域里, 国外较早的开展了研究 ,并且做了大量的工作。开发的产品大致也分为三个档次,低 档、中档和高档。低档清分速度在 1000 枚/ min 以下,中档为 10001500 枚/ min 左右,高档则在 1500 枚/ min 以上。所使用的清分方法上主要有两大类,一类是根据 物理技术进行清分 ,另一类是根据性能指标进行清分。高速清分基本上都是采用性能 指标来进行清分。 国际上很多银行器具公司也做了大量工作，如瑞典 Scan CoinAB 公 司，它是一家专业生产各种银行器具的公司，也是国际上公认的银行器具做的最好的 公司，成系列地研制了针对不同货币体制下的清分系统。但是，中国的货币比较复杂， 他们的系统应用在中国尚有一系列问题。在国内使用，误判率0.5%，但该公司的产品价格昂贵，且存在技术垄断，从发展趋势上来讲，一味依靠国外企业，不利于我国 国民经济的发展。所以，从现实以及长远来说，都有必要掌握硬币识别的核心技术，拥有自主知识 产权，打破垄断，提高在该领域的国际竞争力。现有的硬币分离机主要有筛动式硬币 分类装置:该硬币分离装置由动力及传动装置、分离装置、收集装置及计数装置等部 分组成；旋转式硬币分离机：旋转分离装置、分类收集装置、送币装置和机座组成； 根据直径及厚度进行分离的：因为不同面值的硬币厚度和直径不同，通过一些机械装 置进行分离。在 2004 年 7 月 7 日公开的中国专利公告 CN2624299Y 中公开了一种“硬币分离 机的硬币提供装置”，它是为了解决硬币容易被卡住、无法继续分离的技术问题，包括安装在硬币分离机上的可正、反向旋转的马达以及马达输出轴，输出轴上套有一棘 轮，与棘轮相配合的棘爪装在弹簧安放孔内，其后部设有弹簧，在棘轮上方设有一硬 币盘，硬币盘上开有多个硬币盘孔，硬币盘的上方扣合有一中间内凹的硬币内盘，在 硬币内盘的侧壁上开有漏币调整口，硬币盘和硬币内盘均套装在输出轴上，它实际上 是一种硬币分离机。但是，现有的硬币分离机有几个缺点:（1）分离大量的硬币时，当硬币收纳管都装满时也不能自动停止，落币抽屉中 落下的硬币还要重新分离（2）硬币分离都完成后，即使搬运容器中没有硬币，使用者如果不关电源，硬 币分离还要继续操作;（3）在硬币分离过程中，使用者不能取出硬币收纳管包装，必须等硬币分离完了，硬币分离机操作停止;（4）硬币分离完了，没有确认硬币分离管内收纳的硬币个数的方法，只能把硬 币收纳管收纳的硬币倒出来数数。总的来说，现有的这种硬币分离机的缺点是控制能 力差、使用不方便、噪声大、寿命短。采用根据硬币直径的大小对币值进行清分的方法，虽然不具备辩伪功能，但可以 对中国现行硬币快速准确按币值进行清分。主要特色是设计简便、清分准确、使用可 靠、维护简便、价格低廉等。而且系统具备扩展的潜能,可以满足将来硬币分离机发 展的需求,因此此产品具备较高的推广应用价值 ,其发展前景相当广阔。新型硬币分离计数装置与其它处理钱币的机械装置相比， 设计理念简单、 合理， 能实现高效处理、功能双带，且可用于生产并投入使用，成本较低，前景可观。可广 泛应用于各种商场、地铁公司、公交公司等硬币流通量大的场所， 大大节省人力、 物 力和财力。针对国家发行的第五套硬币，根据不同面值硬币具有不同直径和厚度的特 点，设计了一种简易、小型的硬币分离机，通过电机带动分离盘，使混合的硬币通过分离槽分离出来，并分别进行计数收集。 摘 要本次毕业设计，主要目的是完成螺旋式滚筒硬币分离计数包装机的结构设计，技术设计和性能优化，目的是把不同面值的硬币通过一系列机构分离计数，最终进入包装机构进行包装。本次设计系统地分析了整体方案及各结构，在对设计任务和目的总体把握的情况下，进行整机结构、原动机构、传动机构、分离系统、计数装置和包装机构的设计。由于装置分离的精确性和计数的准确性是一个至关重要的性能要求，因此需要对滚筒转速、传动形式、收集形式进行分析选取，分析工作的实际情况进行编程，根据安装条件选取合适的传感器，通过实验结果做出选择，同时选取最佳的包装方式，保证最终效果。还需要站在全局角度进行装置的可靠性，加工工艺性和经济性分析，使得装置得到优化。并且在实际工程模式下，充分考虑加工工艺性和经济性之间的关系，制定合理的加工工艺，保证加工精度，同时运用合理的工程管理方法指导生产实践。关键词：硬币分离；计数机构；包装装置IABSTRACTThe main purpose of this graduation design is to complete the structural design of the spiral drum coin separation and counting packaging machine, technical design and optimization, separate the coins with different face values and count the final packaging. This design systematically analyzes the overall plan and the various structures. In the case of the overall grasp of the design task and purpose, the design of the whole machine structure, the original mechanism, the transmission mechanism, the separation system and the counting device are carried out. As the accuracy of the separation of the device and the accuracy of the count is a critical performance requirement, it is necessary to select the rotating speed of the cylinder, choose the experimental results and select the best way of packing. From the global perspective, the reliability, manufacturability and economy of the device are analyzed, and the device is optimized. In the actual project model, the relationship between processing technology and economy is fully considered, the reasonable processing technology is formulated, and the production practice is guided by reasonable engineering management methods. Key Words:Coin separation;Counting mechanism;Packing deviceII目 录摘 要I1绪论11.1螺旋式滚筒硬币分离计数包装机的目的和意义11.2本课题应解决的主要问题及技术要求11.3国内外硬币分离机的发展概况22总体方案设计42.1螺旋式滚筒硬币分离计数包装机总设计要求42.2螺旋式滚筒硬币分离计数包装机的设计方法及方案选择53螺旋式滚筒硬币分离计数包装机机构设计63.1整机机座的设计63.2电动机的选择63.3传动机构的设计63.4分离机构的设计83.5计数机构的设计103.6包装机构的设计114零部件设计及强度校核124.1程序检验124.2零件设计174.3强度校核185.结论20致 谢22附录1：外文翻译23附录2：外文原文29附录3：计数程序39螺旋式滚筒硬币分离计数包装机设计1绪论1.1螺旋式滚筒硬币分离计数包装机的目的和意义本毕业设计课题来源于辽宁省机械设计创新大赛，命题与高校工程训练教学内容相衔接，体现综合性工程能力。随着经济高速发展和自动化技术的实现，硬币流通量逐渐增大，各种面值的硬币会出现混合的情况，而现阶段硬币的分类和清点还主要依靠人手工完成，耗费大量人力，国内外可以实现此功能的装置又大多结构复杂、难于大批生产且尚未成熟。无人售票、自动售货机的推广，硬币流通量大大增加，特别是公交公司、金融机构等每天要对大量硬币进行分类。命题内容体现“创新设计能力、制造工艺能力、实际操作能力和工程管理能力”四个方面的要求。现代工业的发展不仅要求产品高质量、高性能，而且为实现可持续发展，产品的生产工艺必须高效率、低成本、节约能源。所以，从现实以及长远来说，都有必要掌握硬币识别的核心技术，拥有自主知识产权，打破垄断，提高在该领域的国际竞争力。现有的硬币分离机主要有筛动式硬币分类装置:该硬币分离装置由动力及传动装置、分离装置、收集装置及计数装置等部分组成；旋转式硬币分离机：旋转分离装置、分类收集装置、送币装置和机座组成；根据直径及厚度进行分离的：因为不同面值的硬币厚度和直径不同，通过一些机械装置进行分离。因此我设计制作螺旋式滚筒硬币分离计数包装机，希望可以找到新的方法来更好的解决这个问题。1.2本课题应解决的主要问题及技术要求主要问题：（1）完成螺旋式滚筒硬币分离计数包装机总体方案设计（2）完成螺旋式滚筒硬币分离计数包装机结构设计（3）绘制相关的CAD设计图纸 技术要求：主体的分离装置是一个具有两种不同直径的圆柱筒，圆柱筒由钢轴和圆盘支架支撑，钢轴通过轴承固定于分离机的机座上，在钢轴靠近轴端位置安装一个链轮，交流伺服电机末端安装一个链轮，两者通过链条连接传动。滚筒的下方通过两块挡板相隔，下面通过三个收集装置将不同面值的硬币收集起来。硬币下落时先到达一块斜置的挡板上，然后滑落到一个通道里，硬币滚出通道的末端时，通过安装好的计数装置进行计数，最后通过包装机构对收集好的硬币进行包装。1.3国内外硬币分离机的发展概况硬币与国民生活形影不离，国内外很早已开始对硬币的识别研究。在这个领域里,国外较早的开展了研究，并且做了大量的工作。开发的产品大致也分为三个档次，低档、中档和高档。低档清分速度在1000 枚/ min以下，中档为10001500枚/ min左右，高档则在 1500 枚/ min 以上。所使用的清分方法上主要有两大类，一类是根据物理技术进行清分，另一类是根据性能指标进行清分。高速清分基本上都是采用性能指标来进行清分。国际上很多银行器具公司也做了大量工作，如瑞典Scan CoinAB 公司，它是一家专业生产各种银行器具的公司，也是国际上公认的银行器具做的最好的公司，成系列地研制了针对不同货币体制下的清分系统。但是，中国的货币比较复杂，他们的系统应用在中国尚有一系列问题。在国内使用，误判率0.5%，但该公司的产品价格昂贵，且存在技术垄断，从发展趋势上来讲，一味依靠国外企业，不利于我国国民经济的发展。所以，从现实以及长远来说，都有必要掌握硬币识别的核心技术，拥有自主知识产权，打破垄断，提高在该领域的国际竞争力。现有的硬币分离机主要有筛动式硬币分类装置：该硬币分离装置由动力及传动装置、分离装置、收集装置及计数装置等部分组成；旋转式硬币分离机：旋转分离装置、分类收集装置、送币装置和机座组成；根据直径及厚度进行分离的：因为不同面值的硬币厚度和直径不同，通过一些机械装置进行分离。 在2004年7月7日公开的中国专利公告CN2624299Y中公开了一种“硬币分离机的硬币提供装置”，它是为了解决硬币容易被卡住、无法继续分离的技术问题，包括安装在硬币分离机上的可正、反向旋转的马达以及马达输出轴，输出轴上套有一棘轮，与棘轮相配合的棘爪装在弹簧安放孔内，其后部设有弹簧，在棘轮上方设有一硬币盘，硬币盘上开有多个硬币盘孔，硬币盘的上方扣合有一中间内凹的硬币内盘，在硬币内盘的侧壁上开有漏币调整口，硬币盘和硬币内盘均套装在输出轴上，它实际上是一种硬币分离机。 但是，现有的硬币分离机有几个缺点: （1）分离大量的硬币时，当硬币收纳管都装满时也不能自动停止，落币抽屉中落下的硬币还要重新分离； （2）硬币分离都完成后，即使搬运容器中没有硬币，使用者如果不关电源，硬币分离还要继续操作； （3）在硬币分离过程中，使用者不能取出硬币收纳管包装，必须等硬币分离完了，硬币分离机操作停止； （4）硬币分离完了，没有确认硬币分离管内收纳的硬币个数的方法，只能把硬币收纳管收纳的硬币倒出来数数。总的来说，现有的这种硬币分离机的缺点是控制能力差、使用不方便、噪声大、寿命短。采用根据硬币直径的大小对币值进行清分的方法，虽然不具备辩伪功能，但可以对中国现行硬币快速准确按币值进行清分。主要特色是设计简便、清分准确、使用可靠、维护简便、价格低廉等。而且系统具备扩展的潜能，可以满足将来硬币分离机发展的需求，因此此产品具备较高的推广应用价值，其发展前景相当广阔。新型硬币分离计数装置与其它处理钱币的机械装置相比，设计理念简单、合理，能实现高效处理、功能双带，且可用于生产并投入使用，成本较低，前景可观。可广泛应用于各种商场、地铁公司、公交公司等硬币流通量大的场所，大大节省人力、物力和财力。针对国家发行的第五套硬币，根据不同面值硬币具有不同直径和厚度的特点，设计了一种简易、小型的硬币分离机，通过电机带动分离盘，使混合的硬币通过分离槽分离出来，并分别进行计数收集。2总体方案设计2.1螺旋式滚筒硬币分离计数包装机总设计要求此设计需要解决的问题以及实现的功能：（1）硬币分离机的电机：选择电机时需要综合考虑负载类型、额定电压、额定功率、转速、扭矩等参数，根据实际工作情况，对各部分机构分别进行分析计算，最后做出选择。（2）传动方案选择：在选择传动方案时，要考虑整机的功能要求和工作条件，经过分析计算，确定传动的级数以及各组成部分的连接方式，先做出草图示意图。传动的方案有很多种可能，其中可以通过改变传动类型和布置顺序来实现。最后还要考虑整个传动装置对整机的影响，要有一定的保护作用。（3）分离机构选择：分离机构可以通过硬币的多种参数进行分离，其中较常用的几个参数为硬币的化学成分、质量、直径等，选择时需要综合考虑各机构相互配合的问题，以及最后的分离效果，还有装置的制造工艺是否能够达到，以及材料的选择，最后确定方案。（4）计数机构选择：计数机构最重要的是精确性和稳定性，可以通过传感器实现，此时就需要选择传感器的类型，选择时要综合考虑其他机构的方案，不能影响其他机构正常运行以及保证后续功能能够顺利实现。（5）包装机构的选择：包装机构是本装置的最后一项功能，根据硬币的自身特性和最后预期的效果进行选择，也应考虑之后的储存及运输问题。与此同时，要将加工工艺方案和需要的材料进行分析确定，通过一系列实验确定最终的方案路线。本设计要实现的功能是：因为滚筒上排列不同直径的圆孔及固定在滚筒上螺旋带将不同直径的硬币分离开，硬币在进入滚筒后，因为滚筒的旋转，固定在内部的螺旋带推动内部的硬币向另一端移动，在此期间不同的硬币将在对应圆孔区内掉落，之后在收集的同时完成计数，并且在显示屏上显示各种硬币的总值及所有硬币的总值，最终在包装机构内完成包装。设计时需考虑以下要求：（1） 装置应能精确的将不同面值的硬币分离开，不能出现漏分的情况。（2）电机选取要求：电机的转速应既能保证效率，又不能太快而导致漏分的现象，以及响应速度、过载能力和运行性能等的要求。（3）计数装置要满足准确的要求，需要满足计数的准确和计算的准确。2.2螺旋式滚筒硬币分离计数包装机的设计方法及方案选择完成本题目要求设计的螺旋式滚筒硬币分离计数包装机应先明确目的，确定实施路线，必须事先认真分析讨论题目给出的要求，从细节出发，注重每个环节的把控，才能做到条理清楚，事半功倍。其次，为了更好的完成本课题，要做好材料选择及加工方法的确定。方案选择如下：电机采用有刷直流电机，传动装置采用齿轮定比传动，转动轴通过键连接形式与齿轮进行配合，转轴与滚筒通过螺纹连接形式实现，需要用螺母进行固定。硬币在筒内的移动通过螺旋带实现，螺旋带跟随滚筒一起转动同时推动硬币向前运动，硬币在到达相对应直径的圆孔时掉落，硬币在下落到收集装置时，由于装置有两块斜板组成，所以最终硬币会到达槽内，最终滚落下来通过计数装置的传感器，完成计数，计数装置由光电传感器接受光信号，将转化成的电信号传到单片机内，完成统计计算工作。之后在包装机构中完成包装工作，包装机构的收集桶固定在一个一侧有齿条的矩形板上，接着通过控制舵机的转角将桶移动，换到下一个收集，最终完成所有功能。3螺旋式滚筒硬币分离计数包装机机构设计3.1整机机座的设计因为电机在转动时会产生振动，故机体需具有一定的稳定性和抗振性，兼顾作品的美观性，机体采用5mm的亚克力板，考虑到加工精度，采用cad成图，雕刻机加工保证精度。3.2电动机的选择为满足不同的分离速度要求，选取可以调速的微型有刷直流电机，型号为XD-37GB520。3.3传动机构的设计本硬币分离机需要将电机的动力传递到分离装置上，带动滚筒旋转，同时内部的螺旋条推进硬币向前移动。硬币分离机应具备如下优势：运行平稳、机构不繁琐、机械效率高等等，做到这些就能很好的完成功能。下列方案可供选择：3.3.1皮带传动（1）工作时传动很平稳且无噪声，具有缓冲、吸振的能力（2）在过载时，皮带会在带轮上发生打滑，可有效防止构件中薄弱的零部件损坏，起到安全保护的作用（3）较其他传动方式造价低廉、不需要润滑以及缓冲、吸震、易维护等特点缺点：（1）滑动损失：皮带在工作时，由于带轮两边的拉力差以及相应的变形经差形成弹性滑动，导致带轮与从动轮的速度损失。弹性滑动与载荷、速度、带轮直径和皮带的结构有关，弹性滑动率通常在1%-2%之间。有的皮带传动还有几何滑动；（2）过载时将引起打滑，使皮带的运动处于不稳定状态，效率急剧下降，造成磨损加剧，严重影响皮带的寿命；（3）滞后损失：皮带在运行中会产生反复伸缩，特别是在带轮的绕曲会使皮带体内部产生摩擦引起功率损失；（4）空气阻力：皮带高速传动时，运动中的风阻也将引起转矩损耗，损耗值随着速度的升高而增大；（5）轴承的摩擦损失：轴承在装置工作时受到皮带的拉力，会引起转矩损。滑动轴承和滚动轴承均会造成损失3.3.2链条传动（1）不需考虑弹性滑动和打滑，能够保持准确传动比；（2）工作时需要张紧力较小，作用在轴上的压力小，有效减少轴承的摩擦损失；（3）整个传动装置更紧凑；（4）能够适应高温，有油污等的恶劣环境；（5）制造和安装精度都较低，中心距较大时传动结构比较简单。缺点：瞬时转速以及瞬时传动比不是常数，传动时的平稳性较差，会有一定的冲击和噪声。3.3.3齿轮传动（1）效率较其他方式高;（2）整个装置结构紧凑;（3）工作时可靠（4）传动比稳定。综上所述，本装置采用齿轮传动，计算具体参数：电机转轴与滚筒主轴距离：L=100mm模数 m=2 齿数 Z1=30，Z2=70传动比i=Z2Z1=7030=2.3 (3.1)分度圆直径d1=mz1=60mm，d2=mz2=140mm (3.2)标准中心距a=m(z1+z2)2=100mm (3.3)齿顶圆直径da2=(Z2+2ha*)m=64mm da2=(Z2+2ha*)m=144mm (3.4)齿根圆直径df1=(Z1-2ha*-2c*)m=55mmdf2=(Z2-2ha*-2c*)m=135mm (3.5)图3.1 小齿轮图3.2 大齿轮3.4分离机构的设计分离滚筒，采取中空设计，设计半径为66.5mm，设计长度为270mm，圆筒前半部分阵列排布直径为19.5mm的圆，负责分离1角硬币，后半部分阵列排布直径是21mm的圆，用来分离5角硬币，圆筒内部装有螺距为20mm的窄螺旋，可以让硬币向前进给，随机通过圆筒侧壁的阵列圆。若硬币直径小于圆筒所开直径，硬币便可以通过筒壁的圆掉落，落到在起下方的收集装置，进行收集、计数等工作。螺旋自始至终贯穿圆筒，在圆筒旋转的时候起到辅助向前推进硬币的作用，最终1角硬币从前半部分圆孔筛出、5角硬币从后半部分被筛出，1元硬币从滚筒末端掉出。以上三种硬币均掉入到不同的收集装置里。图3.3 滚筒图图3.4 螺旋带图3.5 滚筒轴图3.6 整体图3.5计数机构的设计 计数功能是由安装在硬币滑道出口处的光电传感器完成的，硬币通过出口时会遮挡光信号，从而产生一个电信号，最终完成计数和总值的计算。考虑到硬币在连续下落时只有两侧均会出现间歇光，所以传感器安装在出口的任意一侧。图3.7 收集装置3.6包装机构的设计包装机构由5个直径略大于硬币的桶固定在一个带齿条的长板上构成，齿条由舵机带动，当传感器检测到一定数量的硬币落入桶内后，舵机转动，换到下个桶收集，直至5个桶全部收满。舵机选择：驯龙者DG-2020-MG995 360可控角度齿条长度：L=113mm， Z1=18 m=2 1=20 ha1=ha*m=2mm (3.6) hf1=ha*+c*m=2.5mm (3.7)齿轮：Z2=18 m=2 2=20 da2=(Z2+2ha*)m=40mm (3.8) df2=(Z2-2ha*-2c*)m=31mm (3.9)当一个桶收集满后舵机转动90，齿条移动28.25mm,舵机转动360后完成包装工作。图3.8 收集桶图3.9 舵机齿轮4零部件设计及强度校核4.1程序检验（1）屏幕上固定显示的数字定位/ 函数功能：输入定位void PosLCD(uchar X,uchar Y)uchar ucPos;if(X = 1) X = 0x80; /第一行else if(X = 2) X = 0x90; /第二行else if(X = 3) X = 0x88; /第三行else if(X = 4) X = 0x98; /第四行ucPos = X + Y;/计算地址WrComLCD(ucPos); /显示地址（2）对LCD屏幕的初始化/ 函数功能：LCD初始化void LCD_Init(void) WrComLCD(0x30); / 8位数据端口、选择基本指令DelayMS(10);WrComLCD(0x01); / 显示清屏DelayMS(10); WrComLCD(0x0C); / 显示设定：整体显示、游标关、不反白DelayMS(10);（3）确定显示内容的位置/函数功能：显示内容于第几行第几列void disp(uchar nn,uchar hang,uchar lie)uchar ucVal;ucVal = 0;PosLCD(hang,lie);/ 选择第几行、第几列while(nnucVal != 0)WrDatLCD(nnucVal);ucVal+;（4）计算结果显示位置固定/函数功能：固定显示void disp_ding(void)disp(一元,1,1);disp(枚,1,7);disp(五角,2,1);disp(枚,2,7);disp(一毛,3,1);disp(枚,3,7);disp(总计：,4,1);disp(元,4,7);（5）统计钱数并显示/函数功能：显示钱数void disp_money(uchar yishu,uchar wushu,uchar moshu)uint zong;uchar yibai,yi10,yige,wubai,wu10,wuge,mobai,mo10,moge,zqian,zbai,z10,zge;zong=yishu*10+wushu*5+moshu;yibai=(yishu/100);yi10=(yishu%100)/10);yige=(yishu%10);wubai=(wushu/100);wu10=(wushu%100)/10);wuge=(wushu%10);mobai=(moshu/100);mo10=(moshu%100)/10);moge=(moshu%10);zqian=(zong/1000);zbai=(zong%1000)/100);z10 =(zong%1000)%100)/10);zge =(zong%10); PosLCD(1,4);WrDatLCD(0x30+yibai);WrDatLCD(0x30+yi10);WrDatLCD(0x30+yige); PosLCD(2,4);WrDatLCD(0x30+wubai);WrDatLCD(0x30+wu10);WrDatLCD(0x30+wuge); PosLCD(3,4);WrDatLCD(0x30+mobai);WrDatLCD(0x30+mo10);WrDatLCD(0x30+moge);PosLCD(4,4);WrDatLCD(0x30+zqian);WrDatLCD(0x30+zbai);WrDatLCD(0x30+z10);WrDatLCD(.);WrDatLCD(0x30+zge);/*主函数*/void main(void)uchar datat1=0,datat2=0,datat3=0;LCD_Init(); /LCD初始化disp_ding();P0=0x00;P2=0x00;while(1)if(yiint=1)datat1=P0;yiput=1; disp_money(datat1,datat2,datat3);yiput=0;if(wuint=1)datat2=P0;wuput=1; disp_money(datat1,datat2,datat3);wuput=0;if(moint=1)datat3=P0;moput=1; disp_money(datat1,datat2,datat3);moput=0; 完整程序见附录程序演示：图4.1 初始显示图4.2 实验结果4.2零件设计4.2.1设计的零件：（1）机体框架 亚克力板，厚度为5mm 长度400mm宽度200mm高度460mm 加工方式：cad作图，雕刻机加工（2）滚筒 铝，厚度2mm 直径67mm，长度270mm，圆孔直径前半部分19.5mm后半部分21mm（3）滚筒轴 钢轴 直径15mm，螺纹M151LH-6G 加工方式：车床车削（4）轴套 尼龙。外圆18mm长10mm 加工方式：车床车削4.2.2可购买的标准件 深沟球轴承2个 尺寸代号系列00大小16002 外径32mm内径15mm宽度8mm图4.3 装配图4.3强度校核表4.1 校核结果名称类型最小最大应力应力1.037e+004N/m24.543e+007N/m2位移合位移0mm3.423e-002mm应变对等应变8.666e-0081.318e-004图4.4 应力分布图图4.5 位移分布图图4.6 应变分布图轴的材料为40Cr，其属性为：屈服强度7.85e+008N/m2；张力强度9.8e+008N/m2；弹性模量2.1e+011N/m2所以，轴所受到的应变力远小于屈服强度，故安全。5.结论本次螺旋式滚筒硬币分离计数包装机的关键点在于：传动齿轮需要精准的设计，关键在于齿轮，齿轮在制造时需要保证精度，根据具体的科学的理论分析得到较优方案，最后通过实践来得到最终方案；分离装置需要合适的转速，以及适量的硬币，才能保证最后的分离效果，各部分机构正常配合才能正常工作；因为本装置各机构是自主设计，为了保证正常安装，要查表确定好各配合的公差，这样减少了因配合问题可能导致的能量损耗，可使装置更加节能；计数机构要通过单片机来实现功能，需要编制合适的程序以及正确安装传感器才能实现功能，需要通过多次实验来确定最终方案。最后的包装机构是最后一道功能，它要完美的衔接计数机构出来的硬币，并且要合理控制舵机转角，使收集筒正确的移动。参 考 文 献1 廖汉元,孔建益.机械原理M.北京:机械工业出版社,2012.2 濮良贵,陈国定,吴立言.机械设计(第九版)M.北京.高等教育出版社,2013.3 成大先.机械设计手册M.北京.化学出版社,2002.4 秦大同,谢里阳.机构设计M.北京.化学工业出版社,2013.5 高艳芳,豆贺,佟晗,薛贝贝,李小海.设计一种小型硬币分离J.中国科技信息,2017,(7):9-11.6 周钰明,谢光磊,洪建伟. 新型旋转式硬币分类机J.科技视界,2017,(9):33-36.7 赵旭基.于TRIZ理论的创新设计J.新技术新工艺,2017,(7):52-54.8 许留云,姚赛,王晗,石超,王美露,李林辉.一种新型硬币分离计数装置的设计J. 延安大学学报（自然科学版）,2017,(1):15-19.9 宋艳丽.简单硬币分离装置的设计J.现代制造技术与装备,2016,(7):15-20.10蒋小盼,马爱兵,马丽.筛动式硬币分类装置及其仿真运动的设计J.工业设计,2016,(8):60-90.11冯大鹏,何新超,于江豪.高效硬币自动分类装置的设计J.湖北理工学院学报,2016,(5):18-36.12Lin B, Okwudire C E, Wou J S, et al. Low Order Static Load Distribution Model for Ball Screw Mechanisms including Effects of Lateral Deformation and Geometric ErrorsJ. Journal of Mechanical Design, 2017.13Song Q, Jiang Z, Han J. Noise Covariance Identification Based Adaptive UKF with Application to Mobile Robot SystemsJ. 2007:4164-4169.14Nibir S J, Parkhideh B. Magnetoresistor with Planar Magnetic Concentrator as Wideband Contactless Current Sensor for Power Electronics ApplicationsJ. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017,(99):1-1.致 谢毕业设计即将结束，四年的大学生活也即将结束，在这个特殊的时间段里，心里面有许多感激的话想对我的母校，我的老师，以及我的同学们说，感谢他们陪我度过了我人生中最重要的时期，母校的哺育，各位老师们的教导，同学们的帮助让我跨过了一个又一个难关，在此我表示深深的感激！特别是在这近三个月中的毕业设计中，我得到了刘安生老师的大力支持以及一些同学的帮忙，让我本来就很肤浅的知识得到了一定的充实，才得以完成了这次毕业设计，很难想像没有他们的指导和帮助要完成这次设计将会是多么困难，因此在此表达我无限的感激。同时还要感谢的是机械工程学院的所有老师们，感谢他们为我们的设计提供了丰富的资料，图册以及学习场所，让我们在充足的资源的学习环境下顺利完成了设计。最后我要感谢大连大学机械工程学院的所有老师以及所有曾教育过我的老师们，正是有了你们在大学期间对我的教导以及教诲，我才能够在今后的学习之路走得更远。57附录1：外文翻译平面磁电阻与磁选矿厂有宽带电力电子应用非接触式电流传感器摘要高频电力电子变换器需要无损、准确和隔离的电流测量。通过印刷电路（PCB）轨迹的高频电流在迹线周围产生不均匀的磁场。而且非均匀的磁场可以通过磁场集中器（MCONs）使用导电材料进行归一化。在这项研究中，已经提出了一种新的技术，使用磁电阻（MR）传感器与平面磁集中器（MCON）利用导电材料的高频无接触电流检测。研究了不同的MCONs对各向异性磁共振（AMR）传感器高频无接触电流检测性能的影响。实验表明，配备了不同的MCONs的AMR传感器相对于快速上升阶跃电流的性能。利用不同的MCONs对传感器响应进行详细的频率分析，以确定对电流传感器的检测带宽的影响。1 介绍高频变换器中电流信息的提取是当前的主要挑战之一。高频功率电子学随着近年来高频功率电子学的发展和新一代宽禁带（WBG）功率器件的引入，无源元件以及电路体积变得非常小型化。为了快速、有效和高效地控制功率变换器，无损、准确的电流测量是一个基本的先决条件。传统的电流传感技术不再适用于高频转换器中的电流测量。因此，有必要研究替代的方法和技术来测量电流。这些方法应该产生具有快速、准确、拓扑无关和无损的当前SEN源。此外，使用允许高频功率转换器（1 MHz）的WBG半导体具有更高的电压器件（30 V）需要隔离的电流传感器。基于霍尔效应的传感器和基于磁电阻（MR）的传感器是隔离和非接触电流检测的最流行的解决方案之一。霍尔效应传感器广泛应用于不同的应用领域，多年来观察到了显著的性能改进1 -5。使用具有高载流子迁移率的材料（例如GaAs和InAs）制造霍尔元件，导致了1 MHz（6）的灵敏度和检测带宽的显著改善。然而，该技术要求主电流路径被中断并通过感测装置。基于霍尔元件的非接触电流传感器的引入是通过平面磁场集中器（MCONs）7、8的应用而实现的。霍尔元件响应磁场，这是正常的迹线取向。因此，与常规方法不同，霍尔元件被放置在磁集中器下面，该磁场集中器向传感器提供正常场。这些磁集中器利用铁磁材料将磁场集中在霍尔传感元件上。最先进的基于非接触霍尔效应的电流传感器的带宽限制在250 kHz（7），8，从而使它们不适用于高频（1 MHz）的无接触电流测量。MR传感器可以基于金属合金和半导体来开发，从而提高设计灵活性。MR传感器具有良好的灵敏度和测量精度，因为它们比基于霍尔效应的传感器具有更少的漂移。它们可以响应AC和DC场，并且具有非常高的检测带宽，这使得它们成为电力电子转换器中高频电流检测的有吸引力的选择。与基于霍尔效应的传感器不同，MR传感器对水平磁场进行响应，该水平磁场能够利用诸如铜（Cu）或铝（Al）的导电材料作为平面MCONs。几个研究小组正在研究技术，以提高霍尔效应以及基于MR和GMR的电力电子应用设备的灵敏度（9）-（17）的电流感应的灵敏度和准确度。在这项研究中，我们提出了一种新的技术，使用MR传感器的平面磁集中器（MCON）利用导电材料的增强带宽非接触电流检测。研究了不同的MCONs对各向异性磁共振（AMR）传感器高频无接触电流检测性能的影响。市售AMR传感器霍尼韦尔HMC1021S18被用作非接触电流监测装置。AMR传感器被用于检测由定制设计的步进电流发生器产生的非常快的瞬态电流的电流。设计了六种不同材料和厚度的磁集中器（MCONs），分析了在检测到20A的快速瞬态电流对传感器性能的影响。记录了具有不同MCONs的传感器响应，并对A进行了详细的分析。分析了MCONs的作用。用不同的MCONs对传感器响应进行频率分析，分析MCONs对AMR传感器的传感性能和检测带宽的影响。2 MR传感器的MCON在典型的电力电子应用中，MR传感器被放置在印刷电路板（PCB）上的当前汽车行驶轨迹的顶部或下方（底层），如图1所示。传感器与电流迹线没有物理接触，并且通过传感器芯片内的AMR传感元件检测通过迹线的电流产生的磁场。当低频电流通过PCB迹线时，由电流产生的磁场是均匀的并且均匀分布在电流迹线周围。图1（a）和（b）在低频和高频电流下可视化磁场分布。与AMR传感器的默认检测轴相交的磁通线产生响应。在传感器输出中，正比于跟踪中的电流MAG。然而，在高频下，由于趋肤效应，流过迹线的大部分电流集中在迹线的边缘附近。高频电流产生的磁通线在迹线周围不再均匀，大部分磁通线集中在电流迹线的边缘附近。感测元件附近的场分布非常弱，并且由传感器检测到相对较弱的场。其结果是，传感器在高频电流传感中给出了其灵敏度的假印象。然而，用MCONs对磁场进行归一化，在传感区域中产生均匀的场分布，并且增强了传感器的检测带宽。一种放大和归一化由高频电流产生的磁场的方法是在传感器周围折叠载流迹线（9）。这种方法也被用于平面Rogowski线圈，其中线圈被夹在迹线19-22之间。如果应用允许这样的布局修改，该方法可以很好地应用于点场检测器，例如磁阻（MR）传感器。然而，有可能实现MCONS，其能够在没有或最小PCB布局修改的情况下，在承载高频电流的PCB迹线上形成和放大场。MR元件对磁场场的水平分量作出响应，而霍尔效应元件则响应于磁场的垂直分量来进行精确传感。与MR传感器相关联的这种独特性质可以在设计磁场磁场归一化目的的MCONs时得到很大程度的利用。在一般情况下，当暴露在导电表面上时，利用电磁场反射特性，通过传感器使磁场正常化和增强。理想情况下，需要具有零场吸收的超导体表面以获得最大性能。然而，使用具有良好导电性的材料，例如具有特定尺寸和厚度的Cu或Al，可以在很大程度上实现磁场归一化。MCON的材料、尺寸和厚度在磁场归一化和MR传感器的性能方面起着很大的作用。为了清楚地了解Mcon对电流轨迹周围磁场分布的影响，采用有限元方法MAG-NEICS（FEMM）电磁解算器进行了详细的仿真研究。图2和3分别给出了10和20 A电流的模拟结果，示出了与常规电流迹线相比，MCON技术的磁场分布的变化。在1盎司PCB铜轨迹上进行模拟，其宽度为150密耳。电流通过PCB迹线在远离观察者的方向上。电流从直流变化到5 MHz，以了解磁场对磁场分布的影响。长度和宽度分别为0.19和0.15的MCONs放置在距PCB迹线3.07毫米的距离处，这是从PCB迹线到放置在PCB上的芯片顶部的距离。对于直流电流，由电流产生的磁场是均匀的并且均匀分布在迹线周围。直流磁场不受麦肯的影响，如图所示是不变的。由20 A电流产生的磁场的幅度高于由10 A电流产生的磁场，并且在这两种情况下，磁场都不受MCONs的影响。然而，当5 MHz电流通过迹线时，由于趋肤效应，迹线产生的大部分磁场集中在迹线的边缘附近。其结果是，作为有效感测区域的迹线的中段附近的场是不均匀的。图2（b）示出了在5兆赫的模拟结果，没有MCon（左）和Cu MCONs的厚度分别为1密耳（中间）和5密耳（右），分别为10 A电流。可以清楚地看出，高频电流的非均匀磁场分布被集中、归一化并使用MCONs均匀化。磁通密度（B）和磁场强度（H）在从电流迹线的2.1毫米处测得的磁场强度表明，使用MCONs增加了B和H值。如图2（c）所示，在Al MCONs电流为10毫安（左）和10密耳（右）厚度的情况下，可以观察到类似的结果。5 MIL铜Mon在场密度方面表现出最显著的改善，B值从0.702增加到0.992 Mt。磁通密度的变化是B（0.992 0.702）MT0.29 MT2.9 G。从制造商数据表（18）考虑的MR传感器的灵敏度是Sm1 mV/（V-TT）。ASSEM在后处理电路中的桥电压为5 V，增益为20（在后面的部分中解释），输出在5 mIL Cu MCON中的相关电压增益为VB SM 5 20290 mV。通过实现5 mIL铜Mon，传感器输出的5兆赫电流的10微震幅度理论上可以提高290毫伏，这相当于传感器响应的11.6%改善。如图3（b）和（c）所示，20 A电流的模拟结果在感测区域中磁场集中和归一化方面显示了类似的结果。因此，改变MCon的材料和厚度，可以实现不同水平的磁场归一化。3 MCON性能的实验验证A 实验装置为了评价Mcon对MR传感器（18）作为电流测量装置的性能的影响，开发了几种测试电路。图4示出了设计用于在配备不同的MCONs时评估AMR传感器的性能的硬件设置的电路图。使用定制设计的快速高架阶梯电流发生器产生电流脉冲，该电流脉冲用作AMR传感器的参考电流。阶跃电流产生器可以产生高达20 A的电流脉冲，其过渡时间约为5纳秒，这使得我们能够分析到50 MHz的感测带宽。载流PCB迹线和MR传感器被放置在厚度为1.57毫米的PCB的相对侧上。在PCB的底层上实现了带有1盎司Cu的载流轨迹，而MR传感器被放置在图4。评估不同MCONs的AMR传感器性能的硬件设置电路图。顶层使得电流轨迹与传感元件之间的距离为2.1毫米。AMR传感器的输出由差分增益20进一步放大，这是用高速分量（205 MHz，506 V/s s）实现的，因此它不限制感兴趣的频率范围。图5示出了为实验而开发的硬件原型。在这项研究中，AMR传感器用六种不同配置的MCONs进行评估。使用具有优异导电性的材料如Cu和Al来配置MCONs。MCONs的长度和宽度分别为0.19和0.15，匹配AMR传感器SOIC8芯片的顶部尺寸。采用不同的MCONs厚度对传感器输出进行观测。Cu MCONs使用三种不同厚度的1, 5和10密耳，而Al MCONs用5, 10和22密耳厚。MCON被一次放置在AMR传感器的顶部，并且观察到传感器相对于具有高达20 A的幅度的快速上升阶跃电流的响应。图6示出了配备1 MIL Cu Mcon的步进电流发生器和AMR传感器的实验装置。B.实验结果 在图7中示出了AMR传感器对10A量级的快速上升阶跃电流的响应。绿色波形对应于在步进电流发生器板中使用小功率电阻器的参考电流测量。黄色波形对应于AMR传感器与任何MCON的响应。当跟踪中没有电流时，传感器输出偏置在2.5 V。随着10的轨迹中的阶跃电流，达到3.08 V的稳态传感器响应。图7。AMR传感器对10的响应，没有MCon的阶跃电流。刻度：X轴：1s/div，y轴：5 v/div（绿色），200 mV/div（黄色）。3.1传感器在相同的操作条件下使用上述MCON的六种不同配置进行评估。在图8中示出了配备有不同材料和厚度的MCONs的AMR传感器的响应。显然，配备MCON的传感器无论使用的MCON的类型如何，都表现出更好的响应。在所有情况下，稳态都比没有MCon的情况快得多。这是因为，通过使用导电材料如Cu和Al，实现了MCON，使感测元件区域中的磁场归一化。在图8中给出的结果表明，当配备1, 5和10密耳Cu MCONs时，AMR传感器响应分别达到1.16、0.83和0.86s的3.08 V的稳态。同样，对于Al MCONs，分别在0.91、0.87和0.86 s时达到3.08 V的稳定状态，McON厚度分别为5, 10和22密耳。为了更好地理解在配备MCON时传感器的瞬态响应的改善，确定上升时间至稳态值的80%。对于没有MCon的情况，确定稳定状态的上升时间为80%s，而对于具有1, 5和10密耳厚度的铜MCON，上升时间为稳态的80%，分别为0.46、0.44和0.44s。同样，对于5、10和22密耳的Al MCONs，稳态值的上升时间分别为0.46、0.45和0.45s。从阶跃电流测试的实验结果示出，5 MIL铜显示出相对于10 A阶电流的AMR传感器响应的最显著的改善。从实验中捕获的数据输出到MATLAB进行进一步的比较和分析。图9示出了没有任何MCON实现的AMR传感器响应的时间DO主要结果，以及配备5 MIL Cu MCon时的时间DO主要结果。C 讨论从图中可以清楚地看出，当与5 MIL Cu MCon一起使用时，相对于20 A阶电流的传感器响应得到显著改善。为了验证MCON对AMR传感器响应的影响的一致性，重新设计阶跃电流产生器以产生20 A阶电流和传感器响应。在不使用任何MCON的情况下观察，然后与先前实验中使用的六个不同的MCONs进行观察。图10示出了没有使用MCon的传感器响应的示波器捕获，并且图11示出了具有20个阶跃电流的六个不同MCON的AMR传感器响应。绿色波形对应于参考阶跃电流，黄波形式对应于传感器响应。20阶跃电流的稳态传感器输出为3.5 V。当不使用MCon时，传感器输出达到3 V时的3.5 V稳态。当配备有1, 5和10密耳的Cu MCON时，响应变得更快，在2.4、0.8和0.8 s S处达到稳态。集体地。在Al MCONs的情况下，观察到类似的趋势，达到3.5 V的稳定状态。对于厚度为5, 10、22密耳的MCONs分别为0.9、0.87和0.86s。然而，一旦考虑到使用MCONs可能实现的最大场归一化，进一步增加厚度不会导致来自传感器的更好的响应。因此，不再需要传感器达到稳定状态所需的时间。对于10和20两个阶跃电流瞬变，从5到10密耳增加Cu McN的厚度导致与AMR传感器类似的响应。Al的厚度从10到22密耳也有类似的趋势。对阶梯电流的传感器响应没有任何改善。实验的另一个重要的观察是，5 MIL Cu和10 MIL Al Mcon所实现的磁场归一化几乎是相似的，尽管5 MIL Cu McN产生的响应比Al稍厚。这一结果使我们得出结论，作为一种导电材料，作为磁场的MCON，也不使磁场化，与Al相比，Cu在尺寸方面提供更轻和更薄的溶液。为了观察MCR性能对AMR传感器瞬态响应时间的一致性，分别用具有2, 5, 10、15和20 A大小的阶跃电流对传感器性能进行评估。在每种情况下，AMR传感器响应分析没有MCon和配备5 MIL-Cu MCon。图13给出了从2到20 A的电流的实验中的稳态传感器输出。从图中可以看出，传感器输出在20 A时的线性误差为16.67%。重要的是要注意，这种线性误差是传感器特性和N固有的。OT受MCONS实施的响。MCONs的影响主要是在SENSOR输出的瞬态性能和稳定状态不受影响。图14示出了传感器输出上升时间随不同电流幅值达到稳定状态的变化。可以观察到，使用MCONs显著地改善了响应时间。在没有MCon和传感器输出的MCON的情况下，随着电流大小的变化，稳定时间的上升时间是相当恒定的。这验证了通过改善MCONs来改善AMR传感器的瞬态性能所实现的性能与不同的电流一致。为了进一步分析实验数据，使用Matlab对来自图12所示的20步进电流测试的捕获数据进行频率分析。图15示出了图12所示的传感器的时域响应的频率分析。从图15所示的结果可以看出，与没有MCon的情况相比，MCON情况下的传感器响应的带宽得到了改善。详细分析表明，不使用任何MCON的AMR传感器的感测带宽（3分贝响应）为1.21 MHz。如图15所示，5 MIL-Cu Mcon转换为AMR传感器的最佳响应，并且感测带宽从1.21提高到1.61 MHz，这意味着整体感测带宽的33.06%改善。增加Cu McON的厚度没有提供进一步的改善，带宽被限制在1.55 MHz。在表II中给出了通过重新分析SPECT到20阶电流响应的频率分析的结果，示出了随着不同导电MCON的实现而改善带宽。4 结论在本论文，提出了一种利用导电材料的平面磁敏器件（MCON）的MR传感器增强非接触式电流检测技术。我们研究和分析了不同的MCONs对无接触电流监测AMR电流传感器性能的影响。进行了详细的模拟研究，以清楚地了解磁场分布的高频电流。对实验结果进行了实验验证，并进行了详细的分析。设计了一种快速上升阶梯电流发生器，用于产生快速电流阶跃。为了分析AMR传感器在检测快速瞬态阶跃电流中的性能，实现了采用不同厚度的Cu和