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智能传感器与传感系统智能传感器与传感系统 的发展及应用的发展及应用 中国矿业大学 信息与电气工程学院 工业自动化07-10 陈寇忠 1 智能传感器与传感器系统 的发展及应用 1 智能传感器的定义、功能与特点 2 生物识别技术 3 传感器的发展前景 4 结语 2 目前，传感器正从传统的分立式，朝着单片集成化、智 能化、网络化、系统化的方向发展。 据光电行业开发协会（OIDA）作出的最新预测， 在2003年20020年期间，智能传感器的国际市场销售量将 以每年20的高速度增长。 智能传感器可广泛用于工业、农业、商业、交通、环境 监测、医疗卫生、军事科研、航空航天、现代办公设备和 家用电器等领域。 3 1. 传感器技术（信息采集）“感官” 2. 通信技术（信息传输） “神经” 3. 计算机技术（信息处理）“大脑” 现代信息技术的三大支柱： 4 智能传感器的定义及功能 1、智能传感器的定义 目前，关于智能传感器的中、英文称谓尚未完全 统一。英国人将智能传感器称为“Intelligent Sensor” ；美国人则习惯于把智能传感器称作“Smart Sensor” ，直译就是“灵巧的、聪明的传感器”。 所谓智能传感器，就是带微处理器、兼有信息 检测和信息处理功能的传感器。 5 智能传感器的最大特点就是将传感器检测信息的 功能与微处理器的信息处理功能有机地融合在一起 。从一定意义上讲，它具有类似于人工智能的作用 。 需要指出，这里讲的“带微处理器”包含两种情况 ： （1）将传感器与微处理器集成在一个芯片上构成 所谓的“单片智能传感器” （2）传感器能够配微处理器。 显然，后者的定义范围更宽，但二者均属于智能 传感器的范畴。 6 世界上第一个智能传感器是美 国霍尼韦尔（Honeywell）公司在 1983年开发的ST3000系列智能压 力传感器。它具有的多参数传感( 差压、静压和温度)与智能化的信 号调理功能 。 7 2、智能传感器的四大功能 具有自校准和自诊断功能。 具有数据存储、逻辑判断和信息处理 功能 具有组态功能，使用灵活 具有双向通信功能，能直接与微处理 器（P）或单片机（ C ）通信。 8 3 智能传感器与传感系统的特点 智能传感器采用自调零、自补偿、自校准 等多项新技术，能达到高精度指标。 美国BB（BURRBROWN）公司：XTR 系列精密电流变送器，转换精度 0.05，非 线性误差0.003。 9 配套软件 10 11 在日常生活中，往往会出现这样一在日常生活中，往往会出现这样一 些情况：钥匙丢了，进不了门；密码忘了些情况：钥匙丢了，进不了门；密码忘了 ，无法在，无法在ATMATM机上取钱；电脑中的重要机上取钱；电脑中的重要 资料被他人非法复制了；手机被他人盗用资料被他人非法复制了；手机被他人盗用 ， 这些都给我们造成了很大的麻烦甚至损失这些都给我们造成了很大的麻烦甚至损失 ，以上这一切都与身份识别有关。，以上这一切都与身份识别有关。 生物识别生物识别 技术技术 12 生物识别的技术核心生物识别的技术核心 在于如何获取这些生物特征，并将其在于如何获取这些生物特征，并将其 转换为数字信息，存储于计算机中，利用转换为数字信息，存储于计算机中，利用 可靠的可靠的匹配算法匹配算法来完成验证与识别个人身来完成验证与识别个人身 份的过程。份的过程。 13 生物识别技术是人体生物特征进行身份鉴别 的技术。要求这些特征具有“人各有异”、“终 身不变”和“随身携带”这三大特点。 生物传感器 14 生物识别系统生物识别系统的组成如图14所示。 图14 生物识别系统的组成 15 指纹具有惟一性（随身携带、无法复制、人 人不同、指指相异）。 根据指纹学理论，将两个指纹分别匹配上12 个特征时的相同几率仅为1/1050。因此，至今找不 出两个指纹完全相同的人， 即使相貌酷似的孪生兄弟姐妹，或同一个人 的十指之间，指纹也存在明显差异。 指纹的这一特点，为身份鉴定提供了客观依 据。 16 每人的十指指纹都不相同，每个指纹一般都 每人的十指指纹都不相同，每个指纹一般都 有有70-15070-150个基本特征点，在两枚指纹中只要有个基本特征点，在两枚指纹中只要有 12-1312-13个特征点吻合，即可认定为同一指纹。而个特征点吻合，即可认定为同一指纹。而 以此找出两枚完全一样的指纹需要以此找出两枚完全一样的指纹需要120120年，人类年，人类 人口按人口按6060亿计算，大概亿计算，大概 需要需要300300年才可能出现年才可能出现 重复的指纹。因此，想重复的指纹。因此，想 找到两个完全相同的指找到两个完全相同的指 纹几乎是不可能的。纹几乎是不可能的。 17 指纹图像的获取 取像设备主要有以下4种类型： 光学取像设备（例如微型三棱镜矩阵） 压电式指纹传感器 半导体指纹传感器 超声波指纹扫描仪。 18 指纹的基本纹路图案：基本纹路图案有环形、弓 形和螺旋形，如图15所示。其他指纹图案都是基于这 三种基本图案衍生而成的。 （a）环型；（b）弓型；（c）螺旋型 图15 3种基本纹路图案 19 指纹识别过程： 指纹采样指纹图像预处理二值化处理细化， 纹路提取细节特征提取指纹匹配（即指纹库的查 对）。如图16所示。 图16 指纹识别过程 20 自动指纹识别系统框图 21 （1）温差感应式指纹传感器 它是基于温度感应的原理而制成的，每个像素都相 当于一个微型化的电荷传感器，用来感应手指与芯片 映像区域之间某点的温度差，产生一个代表图像信息 的电信号。 典型产品：美国Atmel公司的FCD4B14 。 可在0.1s内获取指纹图像（时间一长，手指和芯片 就处于相同的温度了） 。 22 FCD4B14的外形、引脚和安装图分别如图17、图18、 图19所示。 （a）DIP20陶瓷封装；（b）COB封装 图17 FCD4B14的外形图 23 （a）表面倾斜式；（b）将传感器装在靠边缘处 图18 FCD4B14的安装图 24 FCD4B14型指纹传感器的内部电路框图如图18所示。 图19 FCD4B14的内部电路框图 25 （2）电容感应式指纹传感器 由电容阵列构成 内部包含9万只微型化电容器 基本工作原理：当用户将手指放在正面时，皮肤 就组成了电容阵列的一个极板，电容阵列的背面 是绝缘极板。由于不同区域指纹的脊和谷之间的 距离也不相等，使每个单元的电容量随之而变， 由此可获得指纹图像。 26 指纹识别目前最常指纹识别目前最常 用的是电容式传感器，用的是电容式传感器， 也被称为第二代指纹识也被称为第二代指纹识 别系统。它的优点是体别系统。它的优点是体 积小、成本低，成像精积小、成本低，成像精 度高，而且耗电量很小度高，而且耗电量很小 ，因此非常适合在消费，因此非常适合在消费 类电子产品中使用。类电子产品中使用。 右图为指纹经过处理后右图为指纹经过处理后 的成像图：的成像图： 27 28 指纹识别系统的电容传感器发出电子指纹识别系统的电容传感器发出电子 信号，电子信号将穿过手指的表面和死性信号，电子信号将穿过手指的表面和死性 皮肤层，直达手指皮肤的活体层皮肤层，直达手指皮肤的活体层( (真皮层真皮层) ) ，直接读取指纹图案。由于深入真皮层，直接读取指纹图案。由于深入真皮层， 传感器能够捕获更多真实数据，不易受手传感器能够捕获更多真实数据，不易受手 指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有 效防止辨识错误。效防止辨识错误。 29 典型产品：美国Veridicom公司FPS100 FPS100的外形以及由它构成的指纹识别系统输入 设备如图20所示，输入设备与计算机相连。 （a）FPS100的外形；（b）指纹识别系统的输入设备 图20 FPS100的外形以及指纹识别系统的输入设备 30 产品：产品： 西门子推出的“ID Mouse” 鼠 标。鼠标上端安有指尖传感器 ，一旦指纹被识别，使用者就 可以启动PC的操作系统。如果 长时间不动鼠标，它将自动启 动屏幕保护程序，直到使用者 再次触摸ID 鼠标为止。这个鼠 标在0.25平方英寸的触摸芯片 上有65000个传感系统，可捕 捉指纹的细节。该系统非常灵 敏，甚至用户的手有伤口它都 能准确的辨别出来。 最早的指纹识别手机最早的指纹识别手机 是是9898年西门子推出的年西门子推出的 SL10SL10手机，其将手机，其将 “Fingertip”Fingertip”指纹辨指纹辨 认技术移植在认技术移植在SL10SL10上上 作模拟试用。手机机作模拟试用。手机机 身前面及后面都装一身前面及后面都装一 跟跟SIMSIM卡大小相似的卡大小相似的 金属指纹感应器。金属指纹感应器。 其它生物识别系统 n n虹膜识别系统虹膜识别系统 n n手形识别系统手形识别系统 n n面部识别系统面部识别系统 n n人体静脉识别系统人体静脉识别系统 虹膜识别系统虹膜识别系统 美国美国NCRNCR公司制造的公司制造的“明明 星星”终端机终端机。进入工作间。进入工作间 ，把双脚放到带有压力传，把双脚放到带有压力传 感器的脚踏板上，让系统感器的脚踏板上，让系统 仔细观察好自己的眼睛。仔细观察好自己的眼睛。 一旦发现你的虹膜与所存一旦发现你的虹膜与所存 储的虹膜相符，储的虹膜相符，“明星明星” 就会呼叫你的名字，开始就会呼叫你的名字，开始 自动启动你经常要求的操自动启动你经常要求的操 作，这种新型自动提款机作，这种新型自动提款机 已经在加拿大的皇家银行已经在加拿大的皇家银行 试用了。试用了。 手形识别系统手形识别系统 面部识别系统面部识别系统 人体静脉识别系统人体静脉识别系统 输入个人识别号输入个人识别号PIN PIN 通过红外线读取手背静脉通过红外线读取手背静脉 指纹指纹ICIC卡识别器卡识别器 指纹锁指纹锁 发展前景 2007年欧美整个生物特征识别市场规模达 到34亿美元以上，其中人脸识别市场将占 据35%左右的市场份额（约为12亿美元）。 这一市场平均每年以29.1%的速度在高速增 长，其中人脸识别技术市场在过去四年中 每年的增长速度为31.5%至33.3%之间，明 显高于整个市场的增长速度。 数据来源：华经视点研究中心 在世界生物识别技术市场上，从具体产 品结构来看，指纹识别占据生物技术门类 的主导地位，掌形识别现在也相当成熟， 居于第二位，其中指纹识别占52.1%，掌形 识别占30%，虹膜识别占7.3%，声音识别占 4.5%，笔迹识别占2.4%， 在汽车行业的前景 汽车数量的增加以及每辆汽车上所采用传感器数 量的增多，决定了中国汽车传感器市场容量必将 不断增大，中国传感器市场正进入蓬勃发展期。 从2004年到2009年，全球车用传感器以9%左右的 速率增长，2008年市场需求量约为14.87亿个。 2007年-2010年中国汽车传感器市场销售额的年度 复合增长率将超过35%。其中，2009年其市场销 售额将接近10.5亿美元，同比增长40.5%;2010年市 场销售额将超过13.2亿美元，同比增长35.2%。 4 结语 智能传感器是信息时代的骄子，它正 成为推动信息产业发展的强大动力。智能传 感器在电子信息工程领域具有特殊重要的意 义，需要我们这些学子去深入地研究。 42 同伴们，指纹传感器的前途