智能传感器与传感系统发展及应用课件

智能传感器与传感系统

的发展及应用

1

智能传感器与传感系统

的发展及应用

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智能传感器的应用举例——生物识别技术2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、

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～2020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目前，传感器正从传统的分立式，朝着单片集成化、智能化、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：41.传感器技术（信息采集）——“感官”

2.通信技术（信智能传感器的定义及功能1、智能传感器的定义

智能传感器的概念是美国宇航局在开发宇宙飞船的过程中首先提出的。宇宙飞船中含有各种各样的传感器，所获取的信号数据量极其庞大。因此，处理这些数据必须由计算机来承担。于是把传感器和计算机或微处理器的结合体叫做智能传感器。所谓智能传感器，也就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。

5智能传感器的定义及功能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

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世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔（Honeywe2、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。

82、智能传感器的四大功能83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％。

93智能传感器与传感系统的特点9关于智能传感器的具体应用生物识别技术10关于智能传感器的生物识别技术10

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11在日常生活中，往往会出现这样一些情况：钥匙丢

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。12生物识别的技术核心12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

14生物识别系统的组成如图14所示。14●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。

15●指纹具有惟一性（随身携带、无法复制、人人不

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。16每人的十指指纹都不相同，每个指纹一般都有70-150个基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。

17指纹图像的获取17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

18指纹识别过程：18（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）

。19（1）温差感应式指纹传感器19FCD4B14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

20FCD4B14的外形、引脚和安装图分别如图17、图18、图1（a）表面倾斜式；（b）将传感器装在靠边缘处图18FCD4B14的安装图

21（a）表面倾斜式；（b）将传感器装在靠边缘处21FCD4B14是一个基于温度物理效应的单片、高性能、低价格的指纹传感器芯片。芯片有一个线性的外形结构，为了捕捉到指纹，允许手指滑行越过敏感区域。当捕捉到几个指纹图像后，ATMEL公司提供的软件可以将这些图像重新构成完整的8Bit指纹图像。芯片每秒可获取交付的指纹图像是可编程的。22FCD4B14是一个基于温度物理效应的单片、高性能、低价格的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

23FCD4B14型指纹传感器的内部电路框图如图18所示。23从图19可见，芯片内部电路分为传感器和资料转换两个主要部分。

在传感数组中，当280列中的某一列被选中时，被选择列的每一个象素的电信号传送到放大器（一次一列）放大。在有两列被同时选中时（奇数的和偶数的），两列特定的象素信息被传送到两个4位A/D转换器，两列象素就可在同一个时钟脉冲时间内被读出。24从图19可见，芯片内部电路分为传感器和资料转换两个主要部分。传感器部分，每一个象素本身就是一个传感器。传感器可检测从启动数据采集到读取信息之间的温度变化，从而输出相应的电信号。

25传感器部分，每一个象素本身就是一个传感器。传感器可检测从启动芯片中恒温电路的作用在手指与传感器之间的温度差很低的时候，图像对比度也低。通常使用温度稳定电路去增加手指与传感器之间的温度差代码，最少增加1.4绝对温标，以获得足够的对比度，来保证指纹的正确识别。26芯片中恒温电路的作用在手指与传感器之间的温度差很低的时候，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，硅传感器是电容阵列另一极板。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，利用手纹脊和谷相对于硅传感器之间的电压差由此可获得指纹图像。

27（2）电容感应式指纹传感器27

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：28指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二2929

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。

30指纹识别系统的电容传感器发出电子信号，电子信号将典型产品：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

31典型产品：美国Veridicom公司FPS10031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。32产品：西门子推出的“IDMouse”鼠标。鼠标上端安有指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。33最早的指纹识别手机是98年西门子推出的SL10手机，其将“F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34其它生物识别系统34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。35虹膜识别系统美国NCR公司制造的“明星”终端机。进入工作间，手形识别系统36手形识别系统36面部识别系统37面部识别系统37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38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指纹IC卡识别器指纹锁39指纹IC卡识别器指纹锁394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。404结语40

TheendThankyou!4141

智能传感器与传感系统

的发展及应用

42

智能传感器与传感系统

的发展及应用

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智能传感器的应用举例——生物识别技术43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、

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～2020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。

44目前，传感器正从传统的分立式，朝着单片集成化、智能化、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：451.传感器技术（信息采集）——“感官”

2.通信技术（信智能传感器的定义及功能1、智能传感器的定义

智能传感器的概念是美国宇航局在开发宇宙飞船的过程中首先提出的。宇宙飞船中含有各种各样的传感器，所获取的信号数据量极其庞大。因此，处理这些数据必须由计算机来承担。于是把传感器和计算机或微处理器的结合体叫做智能传感器。所谓智能传感器，也就是带微处理器、兼有信息检测和信息处理功能的传感器。

46智能传感器的定义及功能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。

47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

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。

48世界上第一个智能传感器是美国霍尼韦尔（Honeywe2、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。

492、智能传感器的四大功能83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％。

503智能传感器与传感系统的特点9关于智能传感器的具体应用生物识别技术51关于智能传感器的生物识别技术10

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52在日常生活中，往往会出现这样一些情况：钥匙丢

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。53生物识别的技术核心12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54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

55生物识别系统的组成如图14所示。14●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。

56●指纹具有惟一性（随身携带、无法复制、人人不

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。57每人的十指指纹都不相同，每个指纹一般都有70-150个基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。

58指纹图像的获取17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

59指纹识别过程：18（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）

。60（1）温差感应式指纹传感器19FCD4B14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

61FCD4B14的外形、引脚和安装图分别如图17、图18、图1（a）表面倾斜式；（b）将传感器装在靠边缘处图18FCD4B14的安装图

62（a）表面倾斜式；（b）将传感器装在靠边缘处21FCD4B14是一个基于温度物理效应的单片、高性能、低价格的指纹传感器芯片。芯片有一个线性的外形结构，为了捕捉到指纹，允许手指滑行越过敏感区域。当捕捉到几个指纹图像后，ATMEL公司提供的软件可以将这些图像重新构成完整的8Bit指纹图像。芯片每秒可获取交付的指纹图像是可编程的。63FCD4B14是一个基于温度物理效应的单片、高性能、低价格的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

64FCD4B14型指纹传感器的内部电路框图如图18所示。23从图19可见，芯片内部电路分为传感器和资料转换两个主要部分。

在传感数组中，当280列中的某一列被选中时，被选择列的每一个象素的电信号传送到放大器（一次一列）放大。在有两列被同时选中时（奇数的和偶数的），两列特定的象素信息被传送到两个4位A/D转换器，两列象素就可在同一个时钟脉冲时间内被读出。65从图19可见，芯片内部电路分为传感器和资料转换两个主要部分。传感器部分，每一个象素本身就是一个传感器。传感器可检测从启动数据采集到读取信息之间的温度变化，从而输出相应的电信号。

66传感器部分，每一个象素本身就是一个传感器。传感器可检测从启动芯片中恒温电路的作用在手指与传感器之间的温度差很低的时候，图像对比度也低。通常使用温度稳定电路去增加手指与传感器之间的温度差代码，最少增加1.4绝对温标，以获得足够的对比度，来保证指纹的正确识别。67芯片中恒温电路的作用在手指与传感器之间的温度差很低的时候，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，硅传感器是电容阵列另一极板。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，利用手纹脊和谷相对于硅传感器之间的电压差由此可获得指纹图像。

68（2）电容感应式指纹传感器27

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：69指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二7029

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。

71指纹识别系统的电容传感器发出电子信号，电子信号将典型产