“現金為王”這句話會引起我們許多人的共鳴，每天都要經手和處理數百萬張紙幣的專業現金中心想必對此更有感觸。當今的現金流通量超過了以往任何歷史時期。紙幣數量的激增，加上紙幣日益多樣化的防偽標志以及復雜的票面設計，大大提高了對現金自動處理系統的要求。全世界各地的印刷廠都必須保證每張新鈔的最高質量。除此之外，中央銀行和商業銀行以及現金押運公司需要根據鈔票面額、貨幣類型、紙幣方向、真偽和整潔度，對紙幣進行極其精準又快速地分揀。德國捷德貨幣技術公司（Giesecke+Devrient Currency Technology，簡稱捷德貨幣）的物理學家 Jan Domke 和 Klaus Thierauf 受專業現金中心的委托，為高性能的模塊化紙幣處理系統（banknote processing systems，簡稱 BPS）開發專用傳感器（圖 1）。

圖 1. BPS X9 是世界上最快的紙幣處理系統，每秒可處理 44 張紙幣，每小時的有效吞吐量超過 15 萬張。中央模塊的尺寸為 1.9 米高， 5.7 米寬。

為了降低運作成本，確保處理后的紙幣被安全送出，捷德貨幣的處理系統采用了大批傳感器陣列，以保證結果的可重復性和持久的耐用性。紙幣被送入機器后，圓皮帶傳輸系統（圖 2 左）將對每張紙幣的兩面進行全面測量。分揀操作依賴于嵌入傳輸帶中的大量傳感器，其中假幣被精準剔除，破損紙幣由于質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，進入現金流通或銀行金庫。捷德貨幣制造的典型機器能夠在單次檢測中從四個方向檢測出多種不同的貨幣類型，這個高效率的系統每小時可處理超過 15 萬張紙幣。Domke解釋說：“我們的部門負責開發傳感器系統及其評估機制，它們是機器的眼睛和大腦，承擔著辨別紙幣真偽、區分完整或破損紙幣的重要任務。”

圖 2. 左：傳感器模塊的一部分，其中圓皮帶傳輸系統負責將紙幣運送過處理系統。右：分揀到大型交付模塊的紙幣是自動提款機中的散裝紙幣的來源之一。

探測與分揀

紙幣在通過處理系統時將經歷三個主傳感器檢測系統：磁性、光學和超聲波傳感器。系統利用不同的傳感特性，無縫、高效地對紙幣進行檢查與分揀。磁性傳感器負責檢測特殊的磁性防偽印記；光學傳感器在紫外光、近紅外光和可見光范圍內根據鈔票面額和貨幣類型實現分類；超聲波傳感器則檢驗紙幣的殘損狀態（撕裂、孔洞、膠帶等）。為了提高傳感器的性能，加快不斷發展的開發工作，Domke 和 Thierauf 使用多物理場仿真來深入洞察這些復雜現象背后的物理原理。作為開發過程的重要一環，仿真能夠協助團隊驗證核心概念，開發團隊還能夠基于仿真結果與算法團隊進行后續討論。“COMSOL? 軟件讓整個團隊能夠步調一致地觀察與理解相關的物理效應，是傳感器開發過程中不可或缺的重要工具。” Domke 評價道。

檢測防偽標記

紙幣的關鍵防偽標記是印在票面上的磁性墨水，它相當于磁性探針，當紙幣穿過傳輸系統時，這些探針將與傳感器中永磁體的磁場相互作用。團隊可以實時分析場線所受的影響，以此作為指示信號，并根據特定算法生成所需的信息。為了確保算法的準確性，團隊需要預先對磁場的變化進行模擬。Thierauf 為此求助于數值仿真，其團隊在軟件中創建了磁性傳感器組件，預定義其磁化強度，然后利用動網格技術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讀數調整參數，從而得到滿足檢測需要的磁場形狀。

當探針經過傳感器時，與磁場發生相互作用。磁性傳感器探測到磁場變化后，將產生的信號以電響應的形式從系統中發射出來。信號強度取決于探針與磁鐵的距離，而仿真對于理解這種依賴性至關重要。Thierauf 解釋說：“磁場形成后，你就能計算出信號強度與距離之間的關系。基于這項數據，我們就可以根據客戶的要求對傳感器進行優化，然后在更專業的模型中改進設計。”

對紙幣的整潔度要求

在分揀紙幣時，除了防偽標記外，還需要考慮紙幣的整潔程度。進入處理系統的紙幣可能已經破損、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。為了準確檢測出粘在一起或黏有膠帶的紙幣，Domke 的團隊使用了超聲波陣列傳感器。當紙幣到達傳感器的位置時，傳感器發射的脈沖超聲信號穿過紙幣到達另一側的接收器。這里存在的主要問題在于實際上只有 1％ 或更少的信號透過紙幣到達了接收器；99％ 的聲能都被反射回來。為此，系統采用了 24 對發射器以提高接收器的分辨率（圖 3）。然而大量發射器造成的信號串擾問題，讓管理信號時序、阻尼元件和幾何構造成為了一個復雜而棘手的難題。

（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）引導傳感器的磁場。動網格用于模擬穿過虛擬傳送通道的探針。（b）：經過傳感器并導致磁場變形的探針的時序。

Domke及其團隊利用多物理場仿真來應對這些挑戰。當紙幣經過傳感器時會反射超聲信號，由于聲波的衍射現象，部分聲波將繞過紙幣被接收器提取（圖 4）。由于這種衍射信號會干擾穿過紙幣的微弱信號，因此接收器的檢測操作需要在衍射信號到達之前完成。借助多物理場仿真，Domke 還模擬了聲學通道以引導脈沖信號。通過模擬近場及遠場特性、最大信號幅度和聲場衰減，Domke能夠減少發射信號的失真。Domke 解釋說：“仿真是分析此類情況的關鍵工具，因為實驗測量根本無法在如此微小的尺度下進行。如果我們能夠從設計之初就通過仿真調整幾何結構與時序，就能獲得清晰且不受干擾的傳輸信息。”

圖 4. 由 24 個發射器組成的陣列可以發射通過紙幣的超聲信號。插圖為 20 歐元的紙幣。

未來的改進

Domke 和 Thierauf 還將多物理場仿真引入到傳感器開發流程的其他方面，并致力于擴展仿真的應用范圍。他們采用多物理場方法來模擬超聲換能器，并對印刷電路板的熱管理系統進行傳熱分析。他們還將仿真結果與實驗數據進行比較，高度吻合的結果是模型準確性的最有力證明。在未來，他們希望持續的仿真分析讓團隊的研發工作更加靈活，幫助他們更好地貼合客戶需求，優化偽鈔的分揀效果，盡可能讓鈔票整潔地呈現在人們面前。

圖 5.換能器發射的聲子波傳播經過紙幣邊緣，最終到達接收器。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