1、.,1,同學(xué)們好！,成都 西嶺雪山,.,第4章 電容式傳感器,4.1傳感器的工作原理及類(lèi)型 4.2電容傳感器的靈敏度及非線性 4.3電容傳感器的特性等效電路 4.4電容傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 4.5電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路 4.6電容式傳感器的應(yīng)用舉例,.,3,4.5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路,4.5.1 調(diào)制型電路 調(diào)頻電路 調(diào)幅電路 1交流激勵(lì)法 2. 交流電橋電路,.,4,調(diào)頻測(cè)量電路是把電容式傳感器的電容器作為振蕩器諧振回路的一部分，與一個(gè)電感元件配合成一個(gè)振蕩器諧振電路。當(dāng)電容傳感器工作時(shí)，電容量發(fā)生變化，導(dǎo)致振蕩器頻率產(chǎn)生相應(yīng)的變化。再通過(guò)鑒頻電路將頻率的變化轉(zhuǎn)換成振幅的變化，經(jīng)放大器放大后

2、進(jìn)行顯示，這種方法叫調(diào)頻法。,一、調(diào)頻型電路,圖4-10 調(diào)頻電路,.,5,振蕩回路固有電容,引線分布電容,傳感器電容,調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率由下式?jīng)Q定：,調(diào)頻振蕩器的固有頻率：,傳感器工作時(shí)，C變化，相應(yīng)的頻率：,振蕩器輸出是一個(gè)受被測(cè)信號(hào)調(diào)制的調(diào)制波，其 由下式?jīng)Q定：,.,6,配有這種電路的系統(tǒng)，在其電路輸出端取得的是具有調(diào)幅波的電壓信號(hào)，其幅值近似地正比于被測(cè)信號(hào)。,二、調(diào)幅電路,圖4-11 交流激勵(lì)法基本原理圖,1、交流激勵(lì)法,交流激勵(lì)法測(cè)出電容變化量的基本原理圖如圖4-11（a）,.,7,次端的等效電路如圖4-11（b），其中E2為二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：,M耦合電路的互感系數(shù) 振蕩源的頻率

3、,圖中L為變壓器二次線圈的電感值；R為變壓器二次線圈的直流電阻值；Cx為電容傳感器的電容值,.,8,即,由上式可得uc，其幅值的模Uc為,.,9,如果傳感器初始電容值為C0，電感電容回路的初始諧振頻率為,則有：,將0、Q及K值代入上頁(yè)式中：,.,10,圖4-12中的曲線1作為此回路的諧振曲線。若激勵(lì)源的頻率為f，則可確定其工作在A點(diǎn)上。當(dāng)傳感器工作時(shí)，引起電容值改變，從而將使諧振曲線左右移動(dòng)，工作點(diǎn)也在同一頻率f的縱坐標(biāo)直線上下移動(dòng)（如B、C點(diǎn)），可見(jiàn)最終在電容傳感器的電壓降將發(fā)生變化。因此，電路輸出的電信號(hào)是與激勵(lì)源同頻率，幅值則隨被測(cè)量的大小而改變的調(diào)幅波。,圖4-12 諧振曲線圖,正確選

4、擇A點(diǎn)非常重要，常在傳感器電容Cx上并聯(lián)一個(gè)可微調(diào)的小電容起調(diào)整作用。,.,11,2、交流電橋,將電容式傳感器接入交流電橋的一個(gè)臂或兩個(gè)臂，另兩個(gè)臂可以是電阻、電容或電感，也可以是變壓器的兩個(gè)次級(jí)線圈。如圖4-13所示：,圖中U為電橋電源電壓，U0為電橋輸出電壓,圖中Cx是單極式電容傳感器的電容，C0是與它匹配的固定電容，其值與傳感器初始電容相同。Cx1、Cx2為差分式傳感器的兩個(gè)電容。U是電橋電源電壓，U0是電橋輸出電壓，E為變壓器二次側(cè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。測(cè)量前Cx1=Cx2或Cx=C0，電橋平衡、輸出電壓U0=0。測(cè)量時(shí)被測(cè)量變化使電容值隨之改變電橋失衡，其不平衡輸出電壓幅值與被測(cè)量變化有關(guān)因此

5、通過(guò)電橋電路將電容值變化轉(zhuǎn)換成電量變化。,.,12,圖4-13 電容式傳感器構(gòu)成交流電橋的一些形式,.,13,從電橋靈敏度考慮，圖4-13（a）-（f），以（f）形式為最高，（d）次之。在設(shè)計(jì)和選擇電橋形式時(shí)： 1、靈敏度考慮 2、輸出電壓是否穩(wěn)定 3、輸出電壓與電源電壓間的相移大小 4、電源與元件所允許的功率以及結(jié)構(gòu)上是否容易實(shí)現(xiàn) 5、實(shí)際電橋電路中附加零點(diǎn)平衡調(diào)節(jié)，靈敏度調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)。,圖中U為電橋電源電壓，U0為電橋輸出電壓,.,14,圖4-13（g）形式的電橋（緊耦合電臂電橋）具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，且寄生電容影響極小，大大簡(jiǎn)化了電橋的屏蔽和接地，非常適合于高頻工作。,圖中U為電橋電源

6、電壓，U0為電橋輸出電壓,圖4-13（h）形式電橋（變壓器式電橋），使用元件少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。該電橋兩臂是電源變壓器二次線圈。設(shè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E，另一兩臂為傳感器的兩個(gè)電容，如果電橋所接的放大器的輸入阻抗即本電橋的負(fù)載阻抗RL，則電橋輸出為：,.,15,圖中U為電橋電源電壓，U0為電橋輸出電壓,RL時(shí)：,由上式可見(jiàn)，差分式電容傳感器接入變壓器式電橋中，當(dāng)放大器輸入阻抗極大時(shí)，對(duì)任何類(lèi)型的電容式傳感器，電橋的輸出電壓與輸入量均成線性關(guān)系。,因此要求電源電壓波動(dòng)極小，需采用穩(wěn)幅、穩(wěn)頻等措施；傳感器必須工作在平衡位置附近，否則電橋非線性將增大；接有電容傳感器的交流電橋輸出阻抗很高，輸

7、出電壓幅值又小，所以必須后接高輸入阻抗放大器將信號(hào)放大后才能測(cè)量。,.,16,4.5 電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路,4.5.2 脈沖型電路 脈沖型轉(zhuǎn)換電路的基本原理是利用電容的充放電。兩種性能較好，較常用的電路為 雙T型充放電網(wǎng)絡(luò) 脈沖調(diào)寬型電路,.,17,圖中U為電橋電源電壓，U0為電橋輸出電壓,圖4-14為雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)原理圖。圖中u為一對(duì)稱(chēng)方波的高頻電源，C1和C2為差分電容式傳感器的電容。對(duì)于單極式電容傳感器可以其中之一為固定電容，另一個(gè)為傳感器電容。RL為負(fù)載電阻，VD1、VD2為兩個(gè)理想二極管（導(dǎo)通R=0，截至R=），R1、R2為固定電阻。,一、雙T形充放電網(wǎng)絡(luò),.,18,圖4-14

8、雙T型充放電網(wǎng)絡(luò),.,19,工作原理簡(jiǎn)述如下：,若將二極管理想化，則正半周時(shí)，二極管VD1導(dǎo)通、VD2截止，電容C1被以極短的時(shí)間充電至U ，電容C2的電壓初始值為 U ，電源經(jīng)R1以I1向RL供電，而電容C2經(jīng)R2、RL放電，流過(guò)RL 的放電電流為I2，流過(guò)RL 的總電流IL為I1 和I2的代數(shù)和，如圖4-15（a）所示。,.,20,圖4-15 雙T型充放電網(wǎng)絡(luò)等效電路,.,21,在負(fù)半周時(shí)，二極管VD2導(dǎo)通、VD1截止，電容C2很快被充電至電壓U；電源經(jīng)電阻R2以i1 向負(fù)載電阻RL供電，與此同時(shí)，電容C1經(jīng)電阻R1、負(fù)載電阻RL 放電，流過(guò)RL 的放電電流為i2。流過(guò)RL的總電流iL為i

9、1 和i2的代數(shù)和，如圖4-15（b）所示。,.,22,因?yàn)閂D1和VD2的特性相同，且R1R2;當(dāng)C1=C2時(shí),流過(guò)RL的電流IL和IL的平均值大小相等，方向相反，在一周內(nèi)流過(guò)RL的平均電流為零，RL上沒(méi)有電壓輸出。當(dāng)C1或C2變化時(shí)，在RL上產(chǎn)生的平均電流不再為零，因而有信號(hào)輸出。 此時(shí)的輸出電壓：,.,23,當(dāng)R1=R2=R，RL已知時(shí)：,K為常數(shù)時(shí)：,從式中可看到：靈敏度與高頻方波電源的電壓U及頻率f有關(guān)。為保持工作的穩(wěn)定性，需嚴(yán)格控制高頻電源的電壓和頻率的穩(wěn)定度。,.,24,二、 脈沖調(diào)寬型電路 原理線路如圖4-16所示。其中A1及A2為電壓比較器，在兩個(gè)比較器的同相輸入端接入幅值穩(wěn)

10、定的比較電壓+E。如果Uc略高于E，則A1輸出為負(fù)電平；或UD略高于E，則A2輸出為負(fù)電平。,FF為觸發(fā)器，采用負(fù)電平輸入。如A1輸出為負(fù)電平，則Q端為低電平（零電平），則 為高電平；若A2輸出為負(fù)電平，則 為低電平，而Q為高電平。,.,25,圖4-16 脈沖調(diào)寬型電路原理圖,.,26,工作原理簡(jiǎn)述如下： 假設(shè)傳感器處于初始狀態(tài)，即Cx1=Cx2=C0；則A點(diǎn)為高電平，即UA=U；而B(niǎo)點(diǎn)為低電平，即UB=0. 此時(shí)UA經(jīng)過(guò)R1對(duì)Cx1充電，使電容Cx1上的電壓按指數(shù)規(guī)律上升，時(shí)間常數(shù)1 = R1 Cx1。當(dāng)UcE時(shí)，比較器A1反轉(zhuǎn)，輸出端呈低電平，觸發(fā)器也跟著反轉(zhuǎn)，Q端（A點(diǎn)）由高電平降為低電

11、平，同時(shí) 端（B點(diǎn)）由低電平升為高電平； 此時(shí)，Cx1上充有電荷經(jīng)二極管VD1迅速放電。由于放電時(shí)間常數(shù)極小，Uc迅速降為零，這又導(dǎo)致比較器A1再反轉(zhuǎn)成輸出為正。從觸發(fā)器 輸出端升為高電平開(kāi)始，UB即經(jīng)過(guò)R2按指數(shù)規(guī)律，以時(shí)間常數(shù)2 = R2 Cx2的速率對(duì)Cx2充電，D位開(kāi)始上升, 當(dāng)UD E時(shí)，比較器A2反轉(zhuǎn)，輸出端由正變?yōu)樨?fù)、這一負(fù)跳便使觸發(fā)器FF又一次翻轉(zhuǎn)，使 為低電平，而Q為高電平, 于是充在CX2上的電荷經(jīng)VD2迅速放電, 而UD迅速降為零，A2復(fù)原，同時(shí)A點(diǎn)高電位開(kāi)始經(jīng)D1對(duì)Cx1充電，又重復(fù)前述過(guò)程。波形如圖4-17.,.,27,圖4-17 各點(diǎn)電壓波形圖,.,28,由于R1=

12、R2，Cx1=Cx2=C0，所以1=2，T1=T2，即UAB呈對(duì)稱(chēng)方波。假設(shè)在t4時(shí)刻，有一被測(cè)量輸入給電容傳感器，造成Cx1=C0+C1；Cx2=C0-C2，則有：,顯然12，T1T2，這時(shí)UAB不再是寬度相等的對(duì)稱(chēng)方波。而且正半周寬度大于負(fù)半周寬度。使UAB通過(guò)低通濾波器后，其輸出平均電平 將正比于輸入傳感器的被測(cè)量的大小。,.,29,工作情況：,變極距型差分：,變面積型差分：,差分脈沖調(diào)寬型電路的重要優(yōu)點(diǎn)就是它的線性變換特性。,.,30,圖4-18是一個(gè)實(shí)例：該電路配用的傳感器電容初始值為240pF，調(diào)寬頻率約為400kHz。要求兩比較器BG307的性能相同，且溫度漂移小。聯(lián)動(dòng)電子開(kāi)關(guān)采

13、用雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，可用雙與非門(mén)構(gòu)成，也可以用JK觸發(fā)器或維阻觸發(fā)器，但是Q端的高電位、低電位必須與 端的對(duì)應(yīng)相等。,.,31,圖4-18 差分脈沖調(diào)寬電路,.,32,4.6 電容式傳感器的應(yīng)用舉例,電容傳感器可用來(lái)測(cè)量直線位移、角位移，振動(dòng)振幅(可測(cè)至0.05m的微小振幅)，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量，還可用來(lái)測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等等。在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中也常常用來(lái)作為位置信號(hào)發(fā)生器。 當(dāng)測(cè)量金屬表面狀況、距離尺寸、振動(dòng)振幅時(shí)，往往采用單電極式變極距型電容傳感器，這時(shí)被測(cè)物是電容

14、器的一個(gè)電極，另一個(gè)電極則在傳感器內(nèi)。,.,33,圖4-19 差分式電容壓力傳感器,4.6.1 差分式電容式壓力傳感器,.,34,當(dāng)PH=PL時(shí)，中心膜片處于平直狀態(tài)，膜片兩側(cè)電容均為C0；當(dāng)PHPL時(shí)，中心膜片上凸，上部電容為CL，下部電容為CH。CH 相當(dāng)于當(dāng)前膜片位置與平直位置間的電容CA和C0的串聯(lián)；而C0又可看成是膜片上部電容CL與的CA串聯(lián)。,.,35,圖4-20 一種差分式電容測(cè)壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖,退出,.,36,電容式稱(chēng)重傳感器,圖 電容式稱(chēng)重傳感器,電容式稱(chēng)重傳感器的結(jié)構(gòu)形式很多，基本原理都是利用彈性敏感元件受壓后變形，引起電容隨外加重量的變化而變化。,稱(chēng)重時(shí)，彈性元件受力變

15、形，使動(dòng)極板發(fā)生位移，導(dǎo)致傳感器電容量變化。配接調(diào)頻式電路，就會(huì)引起振蕩器的振蕩頻率變化，頻率信號(hào)經(jīng)計(jì)數(shù)、編碼，傳輸?shù)斤@示部分。,.,37,在彈性鋼體上高度相同處打一排孔，在孔內(nèi)形成一排平行的平板電容，當(dāng)稱(chēng)重時(shí)，鋼體上端面受力，圓孔變形，每個(gè)孔中的電容極板間隙變小，其電容相應(yīng)增大。由于在電路上各電容是并聯(lián)的， 因而輸出反映的結(jié)果 是平均作用力的變化， 測(cè)量誤差大大減小 （誤差平均效應(yīng)）,.,38,兩個(gè)固定極板間有一個(gè)用彈簧片支撐的質(zhì)量塊m，質(zhì)量塊的兩端面經(jīng)拋光后作為動(dòng)極板，當(dāng)傳感器測(cè)量豎直方向的振動(dòng)時(shí)，由于m的慣性作用，使其相對(duì)固定電極產(chǎn)生位移，兩個(gè)差動(dòng)電容器C1和C2的電容發(fā)生相應(yīng)的變化,其

16、中一個(gè)變大，另一個(gè)變小。,4.6.2 電容式加速度傳感器,.,39,圖4-21 電容式加速度傳感器,.,40,電容測(cè)厚傳感器在板材軋制裝置中的應(yīng)用,.,41,電容式液位計(jì),電容式液位計(jì)利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進(jìn)行測(cè)量。依此原理還可進(jìn)行其它形式的物位測(cè)量。對(duì)導(dǎo)電介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)都能測(cè)量，此外還能測(cè)量有傾斜晃動(dòng)及高速運(yùn)動(dòng)的容器的液位。不僅可作液位控制器，還能用于連續(xù)測(cè)量。,.,42,(1)安裝形式 電容式液位計(jì)的安裝形式因被測(cè)介質(zhì)性質(zhì)不同而有差別 右圖為用來(lái)測(cè)量導(dǎo)電介質(zhì)的單電極電容液位計(jì)，它只用一根電極作為電容器的內(nèi)電極，一般用紫銅或不銹鋼，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作為絕緣層

17、，而導(dǎo)電液體和容器壁構(gòu)成電容器的外電極。,1-內(nèi)電極；2-絕緣套,.,43,右圖為用于測(cè)量非導(dǎo)電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計(jì)。內(nèi)電極和與之絕緣的同軸金屬套組成電容的兩極，外電極上開(kāi)有很多流通孔使液體流入極板間。 1、2-內(nèi)、外電極； 3-絕緣套； 4-流通孔。,.,44,以上介紹的兩種是最一般的安裝方法，在有些特殊場(chǎng)合還有其它特殊安裝形式，如大直徑容器或介電系數(shù)較小的介質(zhì)，為增大測(cè)量靈敏度，通常也只用一根電極，將其靠近容器壁安裝，使它與容器壁構(gòu)成電容器的兩極；在測(cè)大型容器或非導(dǎo)電容器內(nèi)裝非導(dǎo)電介質(zhì)時(shí)，可用兩根不同軸的圓筒電極平行安裝構(gòu)成電容；,.,45,在測(cè)極低溫度下的液態(tài)氣體時(shí)，一個(gè)電容靈

18、敏度太低?？扇⊥S多層電極結(jié)構(gòu)，把奇數(shù)層和偶數(shù)層的圓筒分別連接在一起成為兩組電極，變成相當(dāng)于多個(gè)電容并聯(lián)，以增加靈敏度。,.,46,圖 電容式料位傳感器,4.6.3 電容式料位和液位傳感器,測(cè)定電極安裝在金屬儲(chǔ)罐的頂部，儲(chǔ)罐的罐壁和測(cè)定電極之間形成了一個(gè)電容器。,.,47,上圖中電容隨料位高度h變化的關(guān)系為：,式中 k比例常數(shù)； D儲(chǔ)罐的內(nèi)徑； d測(cè)定電極的直徑； h被測(cè)物料的高度； 0空氣的相對(duì)介電常數(shù)； 1被測(cè)物料的相對(duì)介電常數(shù)；,可以看出，兩種介質(zhì)的介電常數(shù)差別越大、D與d相差越小，傳感器的靈敏度越高。,.,48,電容式傳感器 完全固定結(jié)構(gòu) 大尺寸 受金屬部件影響 受噪音干擾,霍尼韋爾液

19、位傳感器,.,49,油量測(cè)量,當(dāng)燃油增大，h2增大，C也增大；燃油減少，h2減少，C也減小。通過(guò)測(cè)量電容的大小就能知道油量的多少。,圓柱型電容傳感器的電容為,.,50,圖4-22 電容式料位計(jì) 1-金屬電容； 2-測(cè)量電極； 3-輔助電極； 4-絕緣套,電容式料位計(jì),電容式料位計(jì)不僅能測(cè)不同性質(zhì)的液體，而且還能測(cè)量不同性質(zhì)如塊狀、顆粒狀、粉狀、導(dǎo)電性、非導(dǎo)電性的物料。但因固體摩擦力大，容易“滯留”，產(chǎn)生虛假料位，因此一般不使用雙層電極，而是只用一根電極棒。,.,51,電容式料位計(jì)在測(cè)量時(shí)，物料的溫度、濕度、密度變化或摻有雜質(zhì)時(shí)，會(huì)引起介電常數(shù)變化，產(chǎn)生測(cè)量誤差。為了消除這一介質(zhì)因素引起的測(cè)量誤

20、差，一般將一根輔助電極始終埋入被測(cè)物料中。輔助電極與測(cè)量電極(也稱(chēng)主電極)可以同軸，也可以不同軸。設(shè)輔助電極長(zhǎng)L0，它相對(duì)于料位為零時(shí)的電容變化量為 ：,.,52,主電極的電容變化量為Cx ，則有：,由于L0是常數(shù)，因此料位變化僅與兩個(gè)電容變化量之比有關(guān)，而介質(zhì)因素波動(dòng)所引起的電容變化對(duì)主電極與輔助電極是相同的，相比時(shí)被抵消掉，從而起到誤差補(bǔ)償作用。,.,53,4.6.4 電容式位移傳感器,圖4-23是一種單電極的電容振動(dòng)位移傳感器。他的平面測(cè)端電極1是電容器的一級(jí)，通過(guò)電極座5由引線接入電路，另一極是被測(cè)物表面。金屬殼體3與測(cè)端電極1有絕緣襯塞使彼此絕緣。使用時(shí)殼體3為夾持部分，被夾持在標(biāo)準(zhǔn)

21、臺(tái)或其他軸承上。殼體3接大地可起屏蔽作用。,.,54,圖4-23 電容式振動(dòng)位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖,.,55,圖4-24 電容式振動(dòng)位移傳感器應(yīng)用示意圖,.,56,濕度測(cè)量,濕敏電容一般用高分子薄膜電容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亞胺、酪酸醋酸纖維等。,HM1500濕度傳感器,當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生改變時(shí)，濕敏電容的介電常數(shù)發(fā)生變化，使其電容量也發(fā)生變化，其電容變化量與相對(duì)濕度成正比。,.,57,電容式鍵盤(pán),常規(guī)的鍵盤(pán)有機(jī)械按鍵和電容按鍵兩種。 電容式鍵盤(pán)是基于電容式開(kāi)關(guān)的鍵盤(pán)，原理是通過(guò)按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化，暫時(shí)形成震蕩脈沖允許通過(guò)的條件。這種開(kāi)關(guān)是無(wú)觸點(diǎn)非接觸式的，磨損率

22、極小。,利用變極距型電容傳感器實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換,.,58,電容傳聲器,駐極體電容傳聲器,大膜片電容傳聲器,傳聲器（Microphone）即話筒，音譯作麥克風(fēng)，目前使用的話筒大多是動(dòng)圈式和電容式。 電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過(guò)前置放大器變換為輸出電壓。,.,59,知識(shí)講座生物識(shí)別 技術(shù),.,60,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?cè)斐闪撕艽蟮穆闊┥踔翐p失，以上這一切都與身份識(shí)別有關(guān)。,.,61,目前，身份識(shí)別所采用的方法主要有：根據(jù)人們所持有的物品如鑰匙、證件、卡等；

23、或人們所知道的內(nèi)容如密碼和口令等來(lái)確定其身份。但物品可能丟失和復(fù)制，內(nèi)容容易遺忘和泄露 。,.,62,生物識(shí)別技術(shù)，如指紋識(shí)別或者虹膜識(shí)別，在偵探電影中破案人員依靠現(xiàn)場(chǎng)指紋進(jìn)行罪犯確認(rèn)、用指紋代替密碼開(kāi)啟保險(xiǎn)箱；依靠眼睛對(duì)著一個(gè)小攝像機(jī)來(lái)取代鑰匙開(kāi)門(mén)等等。這就是被比爾蓋茨稱(chēng)之為21世紀(jì)最重要的應(yīng)用技術(shù)之一的生物識(shí)別技術(shù)，它正在步入我們的生活中。,.,63,生物識(shí)別是依靠人體的身體特征來(lái)進(jìn)行身份驗(yàn)證的一種解決方案。這些身體特征包括指紋、聲音、面部、骨架、視網(wǎng)膜、虹膜和DNA等人體的生物特征，以及簽名的動(dòng)作、行走的步態(tài)、擊打鍵盤(pán)的力度等個(gè)人的行為特征?，F(xiàn)在開(kāi)發(fā)和研究中的還有通過(guò)靜脈、耳朵形狀、按鍵

24、節(jié)奏、身體氣味等的識(shí)別技術(shù)。,.,64,生物識(shí)別的技術(shù)核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。,.,65,指紋識(shí)別,.,66,19世紀(jì)初，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了指紋的兩個(gè)重要特征，一是兩個(gè)不同手指的指紋紋脊的式樣不同，二是指紋紋脊的式樣終生不改變。 這個(gè)研究成果使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應(yīng)用，1896年阿根廷首次應(yīng)用，然后是1901年的蘇格蘭，20世紀(jì)初其他國(guó)家也相繼應(yīng)用到犯罪鑒別中。,.,67,20世紀(jì)60年代，由于計(jì)算機(jī)可以有效地處理圖形，人們開(kāi)始著手研究利用計(jì)算機(jī)來(lái)處理指紋。從那時(shí)起，自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)AFIS在法律實(shí)

25、施方面的研究和應(yīng)用在世界許多國(guó)家展開(kāi)。,.,68,人從胎兒四個(gè)月大就形成指紋,指紋特性相當(dāng)固定，不會(huì)隨著人的年齡的增長(zhǎng)、或身體健康程度的變化而變化。如果手指受傷損及真皮組織導(dǎo)致指紋受到破壞，受損面也會(huì)很快愈合、復(fù)原。,如果嚴(yán)重創(chuàng)傷有可能導(dǎo)致指紋識(shí)別器無(wú)法匹配比對(duì)。因此建議每只手至少注冊(cè)1個(gè)手指。,.,69,每人的十指指紋都不相同，每個(gè)指紋一般都有70-150個(gè)基本特征點(diǎn)，在兩枚指紋中只要有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要120年，人類(lèi) 人口按60億計(jì)算，大概 需要300年才可能出現(xiàn) 重復(fù)的指紋。因此，想 找到兩個(gè)完全相同的指 紋幾乎是不可能的。,.,

26、70,指紋特征一般分為總體特征和局部特征?？傮w特征包括紋形、特征點(diǎn)的分類(lèi)、方向、曲率、位置。由于每個(gè)特征點(diǎn)都有大約7個(gè)特征，十個(gè)手指具有最少4900個(gè)獨(dú)立可測(cè)量的特征。基于指紋的多樣性特征和不可復(fù)制性，每個(gè)指紋都具有唯一性，利用指紋進(jìn)行身份認(rèn)證，可完全杜絕鑰匙和 IC 卡被盜用或密碼被破解等導(dǎo)致他人非法進(jìn)入的現(xiàn)象。,.,71,指紋識(shí)別主要分為四個(gè)階段:讀取指紋、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對(duì)確認(rèn)。 首先，通過(guò)指紋識(shí)別器的讀取設(shè)備讀取指紋圖象。在獲取指紋圖象之后，識(shí)別芯片對(duì)圖象進(jìn)行初步處理，使之更加清晰可辨。 然后指紋辨識(shí)軟件建立指紋的“數(shù)字表示特征”數(shù)據(jù)，從指紋轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)。兩枚不同的指紋會(huì)產(chǎn)生不

27、同的特征數(shù)據(jù)。,.,72,指紋由多種“脊”狀圖形構(gòu)成，類(lèi)似于山脊。由于紋路不連續(xù)，脊?fàn)顖D形多種多樣，諸如分岔、弧形、交叉、三角等。識(shí)別軟件將這些脊?fàn)顖D形進(jìn)行坐標(biāo)定位，進(jìn)而從坐標(biāo)位置上標(biāo)示出數(shù)據(jù)點(diǎn)，有點(diǎn)像初中幾何畫(huà)函數(shù)圖的步驟。這些數(shù)據(jù)點(diǎn)同時(shí)具有7種以上的唯一性特征，由于通常情況下一枚指紋有70個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)軟件計(jì)算會(huì)產(chǎn)生大約490個(gè)數(shù)據(jù)。,.,73,目前的指紋采集技術(shù)主要有光學(xué)采集、半導(dǎo)體采集、超聲波采集。 半導(dǎo)體指紋采集技術(shù) （1998年） (1) 半導(dǎo)體壓感式傳感器 其表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料,它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號(hào),并進(jìn)一步產(chǎn)生具有灰度級(jí)的指紋圖像。,

28、1、采集,.,74,(2) 半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器 它通過(guò)感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像。,(3) 硅電容指紋圖像傳感器 這是最常見(jiàn)的半導(dǎo)體指紋傳感器,它通過(guò)電子度量來(lái)捕捉指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100,000個(gè)電容傳感器,其外面是絕緣的表面。,.,75,傳感器陣列的每一點(diǎn)是一個(gè)金屬電極,充當(dāng)電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對(duì)應(yīng)點(diǎn)則作為另一極,傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對(duì)于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在),導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個(gè)電容值不同,測(cè)量并記錄各點(diǎn)的電容值,就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖像。,.,76,.,77,.,78

29、,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)手指的表面和死性皮膚層，直達(dá)手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實(shí)數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識(shí)準(zhǔn)確率，有效防止辨識(shí)錯(cuò)誤。,.,79,半導(dǎo)體指紋采集設(shè)備可以獲得相當(dāng)精確的指紋圖像,分辨率可高達(dá)600dpi,并且指紋采集時(shí)不需要象光學(xué)采集設(shè)備那樣,要求有較大面積的采集頭。由于半導(dǎo)體芯片的體積小巧,功耗很低,可以集成到許多現(xiàn)有設(shè)備中,這是光學(xué)采集設(shè)備所無(wú)法比擬的,現(xiàn)在許多指紋識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)工作都采用半導(dǎo)體采集設(shè)備來(lái)進(jìn)行。,.,80,.,81,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

30、指紋識(shí)別系統(tǒng)。它的優(yōu)點(diǎn)是體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中使用。 右圖為指紋經(jīng)過(guò)處理后的成像圖：,.,82,.,83,2、解碼 得到一幅指紋圖像后，要對(duì)圖像解碼，需要對(duì)圖像特征進(jìn)行提取、分析，指紋基本特征就是如脊、谷和終點(diǎn)、分叉點(diǎn)或分歧點(diǎn)。平均每個(gè)指紋都有幾個(gè)獨(dú)一無(wú)二可測(cè)量的特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)都有大約七個(gè)特征，我們的十個(gè)手指產(chǎn)生最少4900個(gè)獨(dú)立可測(cè)量的特征點(diǎn)，足以確認(rèn)指紋識(shí)別的可靠性。,.,84,3、比對(duì)和匹配 當(dāng)指紋圖像的特征值被提取后，就可依照特征值與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的指紋進(jìn)行比對(duì)和匹配。如何對(duì)于殘缺圖像進(jìn)行匹配以及傷疤等處理都要依賴于算法技術(shù)。盡管指

31、紋只是人體皮膚的一小部分，但需識(shí)別的數(shù)據(jù)量很大，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)也不是簡(jiǎn)單的等與不等，而是使用需要進(jìn)行大量運(yùn)算的模糊匹配算法。,.,85,隨著計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展,電子商務(wù)的不斷推廣應(yīng)用,安全方便的指紋識(shí)別系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于桌面電腦、筆記本電腦、ATM提款機(jī)、蜂窩電話、考勤系統(tǒng)、門(mén)禁控制以及Internet 電子商務(wù)安全系統(tǒng),遍及銀行、保險(xiǎn)、邊防檢查、醫(yī)療衛(wèi)生及網(wǎng)絡(luò)接入等各個(gè)領(lǐng)域。作為自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)關(guān)鍵部分的指紋圖像采集設(shè)備也隨之得到了更大的發(fā)展。,.,86,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，使用者就可以啟動(dòng)PC的操作系統(tǒng)。如果長(zhǎng)時(shí)間

32、不動(dòng)鼠標(biāo)，它將自動(dòng)啟動(dòng)屏幕保護(hù)程序，直到使用者再次觸摸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，甚至用戶的手有傷口它都能準(zhǔn)確的辨別出來(lái)。,.,87,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“Fingertip”指紋辨認(rèn)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卡大小相似的金屬指紋感應(yīng)器。,.,88,機(jī)主除可預(yù)先輸入本身的指紋樣本，更可加入最多59個(gè)其他使用者的指紋。而其他使用者須經(jīng)機(jī)主指紋作授權(quán)，方能將指紋記錄在案，并且每位用家都有個(gè)別的使用權(quán)限。此外，每個(gè)使用者最多可儲(chǔ)存10只手指指紋，每只手指最多可儲(chǔ)存60個(gè)指紋樣本。現(xiàn)在，西門(mén)子指紋手機(jī)的在細(xì)小如SIM卡指紋感應(yīng)器上集成了六萬(wàn)五千個(gè)微型感應(yīng)器，偵察指紋速度可達(dá)每秒百分之一毫米。,.,89,韓國(guó)的Pass 21公司以三星的SGH-A100樣本機(jī)，成功示范