智能传感器与传感系统的发展及应用

智能传感器与传感系统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。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：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“IntelligentSensor”；美国人则习惯于把智能传感器称作“SmartSensor”，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。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。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。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（μP）或单片机（μC）通信。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（BURR－BROWN）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％。配套软件在日常生活中，往往会出现这样一些情况：钥匙丢了，进不了门；密码忘了，无法在ATM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……，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。生物识别技术生物识别的技术核心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，利用可靠的匹配算法来完成验证与识别个人身份的过程。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●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。每人的十指指纹都不相同，每个指纹一般都有70-150个基本特征点，在两枚指纹中只要有12-13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120年，人类人口按60亿计算，大概需要300年才可能出现重复的指纹。因此，想找到两个完全相同的指纹几乎是不可能的。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。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153种基本纹路图案指纹识别过程：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指纹识别过程自动指纹识别系统框图传感器登记结果指纹数据库匹配离线部分特征提取特征提取在线部分（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）。FCD4B14的外形、引脚和安装图分别如图17、图18、图19所示。（a）DIP－20陶瓷封装；（b）COB封装图17FCD4B14的外形图（a）表面倾斜式；（b）将传感器装在靠边缘处图18FCD4B14的安装图FCD4B14型指纹传感器的内部电路框图如图18所示。图19FCD4B14的内部电路框图（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。指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。右图为指纹经过处理后的成像图：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皮肤层，直达手指皮肤的活体层(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，不易受手指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有效防止辨识错误。典型产品：美国Veridicom公司FPS100FPS100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20FPS100的外形以及指纹识别系统的输入设备产品：西门子推出的“IDMouse”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是98年西门子推出的SL10手机，其将“Fingertip”指纹辨认技术移植在SL10上作模拟试用。手机机身前面及后面都装一跟SIM卡大小相似的金属指纹感应器。•其它生物识别系统虹膜识别系统手形识别系统面部识别系统人体静脉识别系统虹膜识别系统美国NCR公司制造的“明星”终端机。进入工作间，把双脚放到带有压力传感器的脚踏板上，让系统仔细观察好自己的眼睛。一旦发现你的虹膜与所存储的虹膜相符，“明星”就会呼叫你的名字，开始自动启动你经常要求的操作，这种新型自动提款机已经在加拿大的皇家银行试用了。手形识别系统面部识别系统人体静脉识别系统输入个人识别号PIN通过红外线读取手背静脉指纹IC卡识别器指纹锁发展前景•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。同伴们，指纹传感器的前途是光明的，价值是可以预见的，希望有兴趣的同学积极参与！说不定你就是从事指纹传感器的下一个神话！Aslongasweworkhard,nothingispossible!44TheendThankyou!