1、智能傳感器與傳感系統(tǒng)的開(kāi)展及運(yùn)用 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院工業(yè)自動(dòng)化07-10陳寇忠1智能傳感器與傳感器系統(tǒng)的開(kāi)展及運(yùn)用1 智能傳感器的定義、功能與特點(diǎn)2 生物識(shí)別技術(shù)3 傳感器的開(kāi)展前景4 結(jié)語(yǔ)2 目前，傳感器正從傳統(tǒng)的分立式，朝著單片集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化的方向開(kāi)展。 據(jù)光電行業(yè)開(kāi)發(fā)協(xié)會(huì)OIDA作出的最新預(yù)測(cè)，在2003年20020年期間，智能傳感器的國(guó)際市場(chǎng)銷(xiāo)售量將以每年20的高速度增長(zhǎng)。 智能傳感器可廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備和家用電器等領(lǐng)域。 31. 傳感器技術(shù)信息采集“感官2. 通訊技術(shù)信息傳輸 “神經(jīng)3.

2、計(jì)算機(jī)技術(shù)信息處置“大腦現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱：4智能傳感器的定義及功能1、智能傳感器的定義 目前，關(guān)于智能傳感器的中、英文稱(chēng)謂尚未完全一致。英國(guó)人將智能傳感器稱(chēng)為“Intelligent Sensor；美國(guó)人那么習(xí)慣于把智能傳感器稱(chēng)作“Smart Sensor，直譯就是“乖巧的、聰明的傳感器。 所謂智能傳感器，就是帶微處置器、兼有信息檢測(cè)和信息處置功能的傳感器。 5 智能傳感器的最大特點(diǎn)就是將傳感器檢測(cè)信息的功能與微處置器的信息處置功能有機(jī)地交融在一同。從一定意義上講，它具有類(lèi)似于人工智能的作用。 需求指出，這里講的“帶微處置器包含兩種情況： 1將傳感器與微處置器集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成所謂的“

3、單片智能傳感器 2傳感器可以配微處置器。 顯然，后者的定義范圍更寬，但二者均屬于智能傳感器的范疇。 6 世界上第一個(gè)智能傳感器是美國(guó)霍尼韋爾Honeywell公司在1983年開(kāi)發(fā)的ST3000系列智能壓力傳感器。它具有的多參數(shù)傳感(差壓、靜壓和溫度)與智能化的信號(hào)調(diào)理功能 。 72、智能傳感器的四大功能具有自校準(zhǔn)和自診斷功能。具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯判別和信息處置功能具有組態(tài)功能，運(yùn)用靈敏具有雙向通訊功能，能直接與微處置器P或單片機(jī) C 通訊。 83 智能傳感器與傳感系統(tǒng)的特點(diǎn) 智能傳感器采用自調(diào)零、自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)等多項(xiàng)新技術(shù)，能到達(dá)高精度目的。 美國(guó)BBBURRBROWN公司：XTR系列精細(xì)電流變

4、送器，轉(zhuǎn)換精度 0.05，非線性誤差0.003。 9配套軟件1011 在日常生活中，往往會(huì)出現(xiàn)這樣一些情況：鑰匙丟了，進(jìn)不了門(mén)；密碼忘了，無(wú)法在ATM機(jī)上取錢(qián)；電腦中的重要資料被他人非法復(fù)制了；手機(jī)被他人盜用，這些都給我們呵斥了很大的費(fèi)事甚至損失，以上這一切都與身份識(shí)別有關(guān)。 生物識(shí)別 技術(shù)12 生物識(shí)別的技術(shù)中心 在于如何獲取這些生物特征，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，利用可靠的匹配算法來(lái)完成驗(yàn)證與識(shí)別個(gè)人身份的過(guò)程。13生物識(shí)別技術(shù)是人體生物特征進(jìn)展身份鑒別的技術(shù)。要求這些特征具有“人各有異、“終身不變和“隨身攜帶這三大特點(diǎn)。 生物傳感器14生物識(shí)別系統(tǒng)的組成如圖14所示。圖14

5、生物識(shí)別系統(tǒng)的組成 15 指紋具有獨(dú)一性隨身攜帶、無(wú)法復(fù)制、人人不同、指指相異。 根據(jù)指紋學(xué)實(shí)際，將兩個(gè)指紋分別匹配上12個(gè)特征時(shí)的一樣幾率僅為1/1050。因此，至今找不出兩個(gè)指紋完全一樣的人， 即使容顏酷似的孿生兄弟姐妹，或同一個(gè)人的十指之間，指紋也存在明顯差別。 指紋的這一特點(diǎn)，為身份鑒定提供了客觀根據(jù)。 16每人的十指指紋都不一樣，每個(gè)指紋普通都有70-150個(gè)根本特征點(diǎn)，在兩枚指紋中只需有12-13個(gè)特征點(diǎn)吻合，即可認(rèn)定為同一指紋。而以此找出兩枚完全一樣的指紋需求120年，人類(lèi)人口按60億計(jì)算，大約需求300年才能夠出現(xiàn)反復(fù)的指紋。因此，想找到兩個(gè)完全一樣的指紋幾乎是不能夠的。17指

6、紋圖像的獲取 取像設(shè)備主要有以下4種類(lèi)型： 光學(xué)取像設(shè)備例如微型三棱鏡矩陣 壓電式指紋傳感器 半導(dǎo)體指紋傳感器 超聲波指紋掃描儀。 18 指紋的根本紋路圖案：根本紋路圖案有環(huán)形、弓形和螺旋形，如圖15所示。其他指紋圖案都是基于這三種根本圖案衍生而成的。 a環(huán)型；b弓型；c螺旋型圖15 3種根本紋路圖案 19指紋識(shí)別過(guò)程：指紋采樣指紋圖像預(yù)處置二值化處置細(xì)化，紋路提取細(xì)節(jié)特征提取指紋匹配即指紋庫(kù)的查對(duì)。如圖16所示。圖16 指紋識(shí)別過(guò)程 20自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)框圖211溫差感應(yīng)式指紋傳感器 它是基于溫度感應(yīng)的原理而制成的，每個(gè)像素都相當(dāng)于一個(gè)微型化的電荷傳感器，用來(lái)感應(yīng)手指與芯片映像區(qū)域之間某點(diǎn)的

7、溫度差，產(chǎn)生一個(gè)代表圖像信息的電信號(hào)。 典型產(chǎn)品：美國(guó)Atmel公司的FCD4B14 。 可在0.1s內(nèi)獲取指紋圖像時(shí)間一長(zhǎng)，手指和芯片就處于一樣的溫度了 。22FCD4B14的外形、引腳和安裝圖分別如圖17、圖18、圖19所示。aDIP20陶瓷封裝；bCOB封裝圖17 FCD4B14的外形圖 23a外表傾斜式；b將傳感器裝在靠邊緣處圖18 FCD4B14的安裝圖 24FCD4B14型指紋傳感器的內(nèi)部電路框圖如圖18所示。圖19 FCD4B14的內(nèi)部電路框圖 252電容感應(yīng)式指紋傳感器 由電容陣列構(gòu)成 內(nèi)部包含9萬(wàn)只微型化電容器 根本任務(wù)原理：當(dāng)用戶(hù)將手指放在正面時(shí)，皮膚就組成了電容陣列的一個(gè)

8、極板，電容陣列的反面是絕緣極板。由于不同區(qū)域指紋的脊和谷之間的間隔也不相等，使每個(gè)單元的電容量隨之而變，由此可獲得指紋圖像。 26 指紋識(shí)別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱(chēng)為第二代指紋識(shí)別系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、本錢(qián)低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適宜在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中運(yùn)用。右圖為指紋經(jīng)過(guò)處置后的成像圖：2728 指紋識(shí)別系統(tǒng)的電容傳感器發(fā)出電子信號(hào)，電子信號(hào)將穿過(guò)手指的外表和死性皮膚層，直達(dá)手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案。由于深化真皮層，傳感器可以捕獲更多真實(shí)數(shù)據(jù)，不易受手指外表塵污的影響，提高辨識(shí)準(zhǔn)確率，有效防止辨識(shí)錯(cuò)誤。 29 典型產(chǎn)品：美國(guó)Veridicom公司

9、FPS100 FPS100的外形以及由它構(gòu)成的指紋識(shí)別系統(tǒng)輸入設(shè)備如圖20所示，輸入設(shè)備與計(jì)算機(jī)相連。aFPS100的外形；b指紋識(shí)別系統(tǒng)的輸入設(shè)備圖20 FPS100的外形以及指紋識(shí)別系統(tǒng)的輸入設(shè)備 30產(chǎn)品：西門(mén)子推出的“ID Mouse 鼠標(biāo)。鼠標(biāo)上端安有指尖傳感器，一旦指紋被識(shí)別，運(yùn)用者就可以啟動(dòng)PC的操作系統(tǒng)。假設(shè)長(zhǎng)時(shí)間不動(dòng)鼠標(biāo)，它將自動(dòng)啟動(dòng)屏幕維護(hù)程序，直到運(yùn)用者再次觸摸ID 鼠標(biāo)為止。這個(gè)鼠標(biāo)在0.25平方英寸的觸摸芯片上有65000個(gè)傳感系統(tǒng)，可捕捉指紋的細(xì)節(jié)。該系統(tǒng)非常靈敏，甚至用戶(hù)的手有傷口它都能準(zhǔn)確的區(qū)分出來(lái)。最早的指紋識(shí)別手機(jī)是98年西門(mén)子推出的SL10手機(jī)，其將“Fi

10、ngertip指紋識(shí)別技術(shù)移植在SL10上作模擬試用。手機(jī)機(jī)身前面及后面都裝一跟SIM卡大小類(lèi)似的金屬指紋感應(yīng)器。其它生物識(shí)別系統(tǒng)虹膜識(shí)別系統(tǒng)手形識(shí)別系統(tǒng)面部識(shí)別系統(tǒng)人體靜脈識(shí)別系統(tǒng)虹膜識(shí)別系統(tǒng)美國(guó)NCR公司制造的“明星終端機(jī)。進(jìn)入任務(wù)間，把雙腳放到帶有壓力傳感器的腳踏板上，讓系統(tǒng)仔細(xì)察看好本人的眼睛。一旦發(fā)現(xiàn)他的虹膜與所存儲(chǔ)的虹膜相符，“明星就會(huì)呼叫他的名字，開(kāi)場(chǎng)自動(dòng)啟動(dòng)他經(jīng)常要求的操作，這種新型自動(dòng)提款機(jī)曾經(jīng)在加拿大的皇家銀行試用了。 手形識(shí)別系統(tǒng)面部識(shí)別系統(tǒng) 人體靜脈識(shí)別系統(tǒng)輸入個(gè)人識(shí)別號(hào)PIN 經(jīng)過(guò)紅外線讀取手背靜脈指紋IC卡識(shí)別器 指紋鎖 開(kāi)展前景2007年歐美整個(gè)生物特征識(shí)別市場(chǎng)規(guī)

11、模到達(dá)34億美圓以上，其中人臉識(shí)別市場(chǎng)將占據(jù)35%左右的市場(chǎng)份額約為12億美圓。這一市場(chǎng)平均每年以29.1%的速度在高速增長(zhǎng)，其中人臉識(shí)別技術(shù)市場(chǎng)在過(guò)去四年中每年的增長(zhǎng)速度為31.5%至33.3%之間，明顯高于整個(gè)市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度。 數(shù)據(jù)來(lái)源：華經(jīng)視點(diǎn)研討中心在世界生物識(shí)別技術(shù)市場(chǎng)上，從詳細(xì)產(chǎn)品構(gòu)造來(lái)看，指紋識(shí)別占據(jù)生物技術(shù)門(mén)類(lèi)的主導(dǎo)位置，掌形識(shí)別如今也相當(dāng)成熟，居于第二位，其中指紋識(shí)別占52.1%，掌形識(shí)別占30%，虹膜識(shí)別占7.3%，聲音識(shí)別占4.5%，筆跡識(shí)別占2.4%， 在汽車(chē)行業(yè)的前景汽車(chē)數(shù)量的添加以及每輛汽車(chē)上所采用傳感器數(shù)量的增多，決議了中國(guó)汽車(chē)傳感器市場(chǎng)容量必將不斷增大，中國(guó)傳感器市場(chǎng)正進(jìn)入蓬勃開(kāi)展期。從2004年到2021年，全球車(chē)用傳感器以9%左右的速率增長(zhǎng)，2021年市場(chǎng)需求量約為14.87億個(gè)。2007年-2021年中國(guó)汽車(chē)傳感器市場(chǎng)銷(xiāo)售額的年度復(fù)合增長(zhǎng)率將超越35%。其中，2021年其市場(chǎng)銷(xiāo)售額將接近10.5億美圓，同比增長(zhǎng)40.5%;2021年市場(chǎng)銷(xiāo)售額將超越13.2億美圓，同比增長(zhǎng)35.2%。 4 結(jié)語(yǔ)智能傳感器是信息時(shí)代的驕子，它正成為