1、第三章 电容式传感器,以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。,电容式传感器,变间隙型,变面积型,变介质型,各种电容式传感器, 极板间介质的介电系数； 0 真空的介电常数，0 =8.85410-12 F/m； r 极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，r 1。,3.1 电容式传感器的工作原理及特性,3.1.1 基本工作原理,平行极板电容器的电容量为：,3.1.2 电容式传感器的类型和特性,1. 变极距型电容传感器,极板2上移：,设动极板未移动时极板间距为0,初始电容量为：,电容的相对变化量为：,略去高次项，得：,所以变极距型电容传感器在设计时要考虑满足0的条
2、件。且一般只能在极小的范围内变化。,非线性误差与/0有关。其表达式为：,传感器的灵敏度为：,0越小，则灵敏度增加，但耐压能力减弱，容易引起 电容器的击穿和短路,且测量范围减小。,差动式变间隙型电容传感器,动极板上移时：,初始位置时，,提高一倍,减小,略去高次项：,电容量的相对变化为 ：,非线性误差为：,灵敏度：,2. 变面积型电容传感器,(角位移变面积型),板状线位移变面积型,板状线位移变面积型,线性,当其中一个极板发生x位移后，改变了两极板间的遮盖面积S ，电容量C同样随之变化。,初始电容C0为：,当内筒上移x时，内 外筒间的电容C1为：,D1,D0,L,x,与x成线性关系,3. 变介电常数
3、型电容传感器,(a) 单组式平板形厚度传感器,设固定极板长度为a、宽度为b、两极板间的距离为；被测物的厚度和它的介电常数分别为x和,x,1,图3-7 线位移传感器等效电路,CA,CB,C,单组式平板形线位移传感器,设极板宽度为b，板间无介质2 时，传感器的电容量,插入介质2 后的电容量为：,所以,圆筒式液位传感器,首先,与被测液位hx成线性关系。,例1 某电容式液位传感器由直径为40mm和8mm的两个同心圆柱体组成。储存灌也是圆柱形，直径为50cm，高为1.2m。被储存液体的r 2.1。计算传感器的最小电容和最大电容以及当传感器用在该储存灌内时的灵敏度。,解：因为,所以,同理，当被测液位高度最
4、大，即hx= h =1.2m时传感器的电容量最大。,储存灌的容积为：,故传感器的灵敏度为：,3.2 电容式传感器的测量电路,3.2.1 电容传感器的等效电路,图3-9 电容传感器等效电路,3.2.2 测量电路,1. 电桥电路,另两个臂是紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性，且寄生电容影响极小、大大简化了电桥的屏蔽和接地，适合于高频电源下工作。,变压器电桥使用元件最少，桥路内阻最小，因此目前较多采用。,图3-12 电桥测量电路,在要求精度很高的场合，可采用自动平衡电桥；传感器必须工作在平衡位置附近，否则电桥非线性增大； 接有电容传感器的交流电桥输出阻抗很高，输出电压幅值又小，所以必须后接高
5、输入阻抗放大器将信号放大后才能测量。,由于电桥输出电压与电源电压成比例，因此要求电源电压波动极小，需采用稳幅、稳频等措施，,2. 运算放大器电路,图3-13 运算放大器测量电路,Cx为传感器，C0为固定电容。当运算放大器输入阻抗很高、增益很大时，可认为运算放大器输入电流为零，根据克希霍夫定律，有：,若传感器是一平行板电容，则：,代入（3-20）式得：,可见运算放大器的输出电压与动极板的板间距离成正比。运算放大器电路解决了单个变极距型电容传感器的非线性问题。,缺点：输出电压初始值不为零，耗电。另输出与Ui和C0有关，故须采取稳压措施，固定电容需要稳定。,可调零电路（解决初始输出电压不为零的缺点）
6、,运算放大器电路：电容C0可起到参比测量的作用，当C0与Cx0的结构参数及材料相同时，环境温度对测量的影响可以得到补偿。,3. 二极管双T形电路,图3-14 二极管双T形电路,若将二极管理想化，则正半周时，二极管D1导通、D2截止，电容C1被以极短的时间充电至UE ，电容C2的电压初始值为 UE ，电源经R1以i1向RL供电，而电容C2经R2、RL放电，流过RL 的放电电流为i2，流过RL 的总电流iL为i1 和i2的代数和,在负半周时，二极管D2导通、D1截止，电容C2很快被充电至电压UE；电源经电阻R2以i2 向负载电阻RL供电，与此同时，电容C1经电阻R1、负载电阻RL 放电，流过RL
7、的放电电流为i1。流过RL的总电流iL为i1 和i2的代数和。,根据一阶电路时域分析的三要素法，可直接得到电容C2的电流i 2如下：,在 时,电流i2的平均值I2可写成,电容C1上的平均电流为:,故在负载RL上产生的电压为：,当RL已知时， 为常数，设为K，则,输出电压不仅与电源电压的频率和幅值有关，而且与T形网络中的电容C1和C2的差值有关。当电源电压确定后，输出电压只是电容C1和C2 的函数。,利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化。通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号。,C1、C2为差动式传感器的两个电容；A1、A2是两个比较器，Ur为其参考电压。,4
8、、差动脉宽调制电路,t,uA,uB,uAB,UF,UG,Ur,Ur,U1,-U1,0,0,0,0,0,U1,U1,T1,T2,t,t,t,t,uA,uB,uAB,UF,UG,Ur,Ur,-U1,U1,T1,0,0,0,0,0,T2,U1,U1,t,t,t,t,t,差动脉冲调宽电路各点电压波形图,根据电路知识可知：,UA、UBA点和B点的矩形脉冲的直流分量； T1、T2 分别为C1和C2的充电时间； U1触发器输出的高电位。,C1、C2的充电时间T1、T2为：,A、B两点间的电压经低通滤波器滤波后获得，等于A、B两点电压平均值UA与UB之差,设R1R2R，则,说明差动脉冲调制电路输出的直流电压与
9、传感器两电容差值成正比。,对于差动式变极距型电容传感器：,对于差动式变面积型电容传感器来说，设电容器初始有效面积为S0，变化量为S，则滤波器输出为：,可见差动脉冲调宽电路能适用于任何差动式电容传感器，并具有理论上的线性特性。该电路采用直流电源，电压稳定度高，不存在稳频、波形纯度的要求，也不需要相敏检波与解调等；对元件无线性要求；经低通滤波器可输出较大的直流电压，对输出矩形波的纯度要求也不高。,5、调频电路,振荡回路固有电容,传感器电容,引线分布电容,图3-18 调频式测量电路原理框图,3.3 电容式传感器的特点及设计与应用中存在的问题,3.3.1 电容传感器的特点,1电容式传感器的优点 （1）
10、温度稳定性好传感器的电容值一般与电极材料无关，仅取决于电极的几何尺寸，且空气等介质损耗很小，只要从强度、温度系数等机械特性考虑，合理选择材料和几何尺寸其他因素(因本身发热极小) 影响甚微。,（2）结构简单，适应性强电容式传感器结构简单，易于制造。能在高低温、强辐射及强磁场等各种恶劣的环境条件下工作，适应能力强，尤其可以承受很大的温度变化，在高压力、高冲击、过载等情况下都能正常工作，能测超高压和低压差，也能对带磁工件进行测量。此外传感器可以做得体积很小，以便实现某些特殊要求的测量。,3动态响应好电容式传感器由于极板间的静电引力很小，（约10-5N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得
11、很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适合动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数，如测量振动、瞬时压力等。,4可以实现非接触测量、具有平均效应当被测件不能允许采用接触测量的情况下,电容传感器可以完成测量任务。当采用非接触测量时,电容式传感器具有平均效应,可以减小工件表面粗糙度等对测量的影响。,电容式传感器除上述优点之外，还因带电极板间的静电引力极小，因此所需输入能量极小，所以特别适宜低能量输入的测量，例如测量极低的压力、力和很小的加速度、位移等，可以做得很灵敏，分辨力非常高。,2.电容式传
12、感器的缺点 (1)输出阻抗高，负载能力差电容式传感器的容量受其电极几何尺寸等限制，一般为几十到几百pF，使传感器的输出阻抗很高，尤其当采用音频范围内的交流电源时，输出阻抗高达106108。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。,容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高（几十M以上），否则绝缘部分将作为旁路电阻而影响传感器的性能（如灵敏度降低），为此还要特别注意周围环境如温湿度、清洁度等对绝缘性能的影响。,高频供电虽然可降低传感器输出阻抗，但放大、传输远比低频时复杂，且寄生电容影响加大，难以保证工作稳定。,(2)寄生
13、电容影响大传感器的初始电容量很小，而其引线电缆电容(l2m导线可达800pF)、测量电路的杂散电容以及传感器极板与其周围导体构成的电容等“寄生电容”却较大。,(3)输出特性非线性变极距型电容传感器的输出特性是非线性的，虽可采用差动结构来改善，但不可能完全消除。其他类型的电容传感器只有忽略了电场的边缘效应时，输出特性才呈线性。否则边缘效应所产生的附加电容量将与传感器电容量直接叠加，使输出特性非线性。,3.3.2 设计与应用中存在的问题电容式传感器所具有的高灵敏度、高精度等独特的优点是与其正确设计、选材以及精细的加工工艺分不开的。在设计传感器的过程中，在所要求的量程、温度和压力等范围内，应尽量使它
14、具有低成本、高精度、高分辨力、稳定可靠和高的频率响应等。,1绝缘材料的绝缘性能温度变化使传感器内各零件的几何尺寸和相互位置及某些介质的介电常数发生改变,从而改变传感器的电容量,产生温度误差。 湿度也影响某些介质的介电常数和绝缘电阻值。因此必须从选材、结构、加工工艺等方面来减小温度等误差。,电容式传感器的金属电极的材料以选用温度系数低的铁镍合金为好，但较难加工。也可采用在陶瓷或石英上喷镀金或银的工艺，这样电极可以做得极薄，对减小边缘效应极为有利。传感器内电极表面不便经常清洗，应加以密封；用以防尘、防潮。可在电极表面镀以极薄的惰性金属（如铑等）层，代替密封件起保护作用，可防尘、防湿、防腐蚀，并在高
15、温下可减少表面损耗、降低温度系数。,传感器内，电极的支架除要有一定的机械强度外还要有稳定的性能。因此选用温度系数小和几何尺寸长期稳定性好，并具有高绝缘电阻、低吸潮性和高表面电阻的材料。例如石英、云母、人造宝石及各种陶瓷等做支架。虽然这些材料较难加工，但性能远高于塑料、有机玻璃等。在温度不太高的环境下，聚四氟乙烯具有良好的绝缘性能，可以考虑选用。,尽量采用空气或云母等介电常数的温度系数近似为零的电介质（亦受湿度变化的影响）作为电容式传感器的电介质。若用某些液体如硅油、煤油等作为电介质，当环境温度、湿度变化时，它们的介电常数随之改变，产生误差。此误差虽可用后接的电子电路加以补偿，但无法完全消除。,
16、在可能的情况下,传感器内尽量采用差动对称结构,这样可以通过某些类型的测量电路(如电桥)来减小温度等误差。 选用50kHz至几MHz作为电容传感器的电源频率，以降低对传感器绝缘部分的绝缘要求。传感器内所有的零件应先进行清洗、烘干后再装配。传感器要密封以防止水分侵入内部而引起电容值变化和绝缘性能下降。壳体的刚性要好，以免安装时变形。,适当减小极间距，使电极直径或边长与间距比增大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。 电极应做得极薄使之与极间距相比很小，这样也可减小边缘电场的影响。,图3-19 边缘效应,2消除和减小边缘效应,等位环3与电极2同平面并将电极2包围，彼此电绝缘但等电
17、位，使电极1和2之间的电场基本均匀，而发散的边缘电场发生在等位环3外周不影响传感器两极板间电场。,可在结构上增设等位环来消除边缘效应。,图3-20 带有等位环的平板式电容器传感器,边缘效应引起的非线性与变极距型电容式传感器原理上的非线性恰好相反，在一定程度上起了补偿作用。,寄生电容与传感器电容相并联，影响传感器灵敏度，而它的变化则为虚假信号影响仪器的精度，必须消除和减小它。,3消除和减小寄生电容的影响,（1）增加传感器原始电容值 （2）注意传感器的接地和屏蔽； （3）集成化 （4）采用“驱动电缆”(双层屏蔽等位传输)技术 （5）采用运算放大器法； （6）整体屏蔽法,（1）增加传感器原始电容值
18、采用减小极片或极筒间的间距(平板式间距为0.20.5mm，圆筒式间距为0.15mm)，增加工作面积或工作长度来增加原始电容值，但受加工及装配工艺、精度、示值范围、击穿电压、结构等限制。一般电容值变化在 10-3103 pF范围内，相对值变化在 10-61范围内。,（2）集成化 将传感器与测量电路本身或其前置级装在一个壳体内，省去传感器的电缆引线。这样，寄生电容大为减小而且易固定不变，使仪器工作稳定。但这种传感器因电子元件的特点而不能在高、低温或环境差的场合使用。,当电容式传感器的电容值很小，而因某些原因(如环境温度较高)，测量电路只能与传感器分开时，可采用“驱动电缆”技术。,（3）“驱动电缆”
19、(双层屏蔽等位传输)技术,采用这种技术可使电缆线长达10m之远也不影响仪器的性能。,图3-21“驱动电缆”技术,传感器与测量电路前置级间的引线为双屏蔽层电缆，其内屏蔽层与信号传输线(即电缆芯线)通过增益为1的放大器成为等电位，从而消除了芯线与内屏蔽层之间的电容。,由于屏蔽线上有随传感器输出信号变化而变化的电压，因此称为“驱动电缆”。,外屏蔽层接大地或接仪器地，用来防止外界电场的干扰。,当电容式传感器的初始电容值很大(几百F)时，只要选择适当的接地点仍可采用一般的同轴屏蔽电缆，电缆可以长达10m，仪器仍能正常工作。,内外屏蔽层之间的电容是1:1放大器的负载。1:1放大器是一个输入阻抗要求很高、具
20、有容性负载、放大倍数为1(准确度要求达1/10000)的同相(要求相移为零)放大器。因此“驱动电缆”技术对1:1放大器要求很高，电路复杂，但能保证电容式传感器的电容值小于1pF时，也能正常工作。,图3-22 运算放大器法,（4）运算放大器法,利用运算放大器的虚地减小引线电缆寄生电容CP。电容传感器的一个电极经电缆芯线接运算放大器的虚地点,电缆的屏蔽层接仪器地,这时与传感器电容相并联的为等效电缆电容Cp/(1A)，大大减小了电缆电容的影响。外界干扰因屏蔽层接仪器地，对芯线不起作用。,传感器的另一电极接大地，用来防止外电场的干扰。若采用双屏蔽层电缆，其外屏蔽层接大地，干扰影响就更小。实际上，这是一
21、种不完全的电缆“驱动技术”，结构较简单。开环放大倍数A越大，精度越高。选择足够大的A值可保证所需的测量精度。,将电容式传感器和所采用的转换电路、传输电缆等用同一个屏蔽壳屏蔽起来，正确选取接地点可减小寄生电容的影响和防止外界的干扰。,（5）整体屏蔽法,C1和C2构成差动电容传感器，与平衡电阻Z1和Z2组成测量电桥，Cp1和Cp2为寄生电容 。,图3-23 交流电桥的整体屏蔽,屏蔽层接地点选择在两平衡电阻阻抗臂Z1和Z2中间，使电缆芯线与其屏蔽层之间的寄生电容Cp1和Cp2分别与Z1和Z2相并联。如果Z1和Z2比Cp1和Cp2的容抗小得多，则寄生电容Cp1和Cp2对电桥平衡状态的影响就很小。,最易
22、满足上述要求的是变压器电桥。,图3-11 变压器式交流电桥,Z1和Z2是具有中心抽头并相互紧密耦合的两个电感线圈，流过Z1和Z2的电流大小基本相等但方向相反。因Z1和Z2在结构上完全对称，所以线圈中的合成磁通近于零， Z1和Z2仅为其绕组的铜电阻及漏感抗，它们都很小。结果寄生电容Cpl和Cp2对Z1和Z2的分路作用即可被削弱到很低的程度而不致影响交流电桥的平衡。,还可以再加一层屏蔽，所加外屏蔽层接地点则选在差动式电容传感器两电容C1和C2之间。这样进一步降低了外界电磁场的干扰，而内外屏蔽层之间的寄生电容等效作用在测量电路前置级，不影响电桥的平衡，因此在电缆线长达10m以上时仍能测出 1pF的电
23、容。,（6）防止和减小外界干扰当外界干扰(如电磁场)在传感器上和导线之间感应出电压并与信号一起输送至测量电路时就会产生误差。干扰信号足够大时，仪器无法正常工作。此外，接地点不同所产生的接地电压差也是一种干扰信号，也会给仪器带来误差和故障。防止和减小干扰的措施归纳为：,屏蔽和接地。传感器壳体、导线、传感器与测量电路前置级等。 增加原始电容量，降低容抗。 导线和导线之间要离得远，线要尽可能短，最好成直角排列，若必须平行排列时，可采用同轴屏蔽电缆线。 尽可能一点接地，避免多点接地。地线要用粗的良导体或宽印制线。,采用差动式电容传感器，减小非线性误差，提高传感器灵敏度，减小寄生电容的影响和温度、湿度等
24、误差。,电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。,3.4 电容式传感器的应用,图3-24 电容式差压传感器 差动型,例3-2 电容式压差传感器,图3-25电容式压力传感器 单只变间隙型,当PH=PL时，中心膜片处于平直状态，膜片两侧电容均为C0；当PHPL时，中心膜片上凸，上部电容为CL，下部电容为CH。CH 相当于当前膜片位置与平直位置间的电容CA和C0的串联；而C0又可看成是膜片上部电容CL与的CA串联。,
25、即：,需要解决的问题是：中心膜片处于平直状态时，C0=C(d0)=?；当PHPL模片上凸hmax时，CA=C(h)=?,设膜片半径为a，球冠形固定电极的半径为R，固定电极的实际拱底半径为b，拱底距膜片的距离为db，当d0R时：,在PH-PL作用下中心膜片的上凸量h近似为:,而CA为：(积分求解过程省略),利用脉宽调制电路，将中心膜片接地，其输出U0,输出U0与差压PH-PL成正比。,而,所以,例3-3 电容式称重传感器,图3-26 电容式称重传感器,在弹性钢体上高度相同处打一排孔，在孔内形成一排平行的平板电容，当称重时，钢体上端面受力，圆孔变形，每个孔中的电容极板间隙变小，其电容相应增大。由于
26、在电路上各电容是并联的，因而输出反映的结果是平均作用力的变化， 测量误差大大减小（误差平均效应）,两个固定极板间有一个用弹簧片支撑的质量块m，质量块的两端面经抛光后作为动极板，当传感器测量竖直方向的振动时，由于m的惯性作用，使其相对固定电极产生位移，两个差动电容器C1和C2的电容发生相应的变化,其中一个变大，另一个变小。,例3-4 电容式加速度传感器,图3-28 电容式加速度传感器,例3-6 电容测厚传感器在板材轧制装置中的应用,b)测轴回转精度和轴心偏摆,电容式液位计,电容式液位计利用液位高低变化影响电容器电容量大小的原理进行测量。依此原理还可进行其它形式的物位测量。对导电介质和非导电介质都
27、能测量，此外还能测量有倾斜晃动及高速运动的容器的液位。不仅可作液位控制器，还能用于连续测量。,(1)安装形式电容式液位计的安装形式因被测介质性质不同而有差别右图为用来测量导电介质的单电极电容液位计，它只用一根电极作为电容器的内电极，一般用紫铜或不锈钢，外套聚四氟乙烯塑料管或涂搪瓷作为绝缘层，而导电液体和容器壁构成电容器的外电极。,1-内电极；2-绝缘套,图为用于测量非导电介质的同轴双层电极电容式液位计。内电极和与之绝缘的同轴金属套组成电容的两极，外电极上开有很多流通孔使液体流入极板间。 1、2-内、外电极；3-绝缘套； 4-流通孔,以上介绍的两种是最一般的安装方法，在有些特殊场合还有其它特殊安
28、装形式，如大直径容器或介电系数较小的介质，为增大测量灵敏度，通常也只用一根电极，将其靠近容器壁安装，使它与容器壁构成电容器的两极；在测大型容器或非导电容器内装非导电介质时，可用两根不同轴的圆筒电极平行安装构成电容；,在测极低温度下的液态气体时，一个电容灵敏度太低。可取同轴多层电极结构，把奇数层和偶数层的圆筒分别连接在一起成为两组电极，变成相当于多个电容并联，以增加灵敏度。,图3-29 电容式料位传感器,例3-5 电容式料位和液位传感器,测定电极安装在金属储罐的顶部，储罐的罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。,上图中电容随料位高度h变化的关系为：,式中 k比例常数；D储罐的内径；d测定电极的直径
29、；h被测物料的高度；0空气的相对介电常数；1被测物料的相对介电常数；,可以看出，两种介质的介电常数差别越大、D与d相差越小，传感器的灵敏度越高。,电容式传感器完全固定结构大尺寸受金属部件影响受噪音干扰,霍尼韦尔液位传感器,油量测量,当燃油增大，h2增大，C也增大；燃油减少，h2减少，C也减小。通过测量电容的大小就能知道油量的多少。,圆柱型电容传感器的电容为,图7-23 电容式料位计 1-金属电容； 2-测量电极； 3-辅助电极； 4-绝缘套,电容式料位计,电容式料位计不仅能测不同性质的液体，而且还能测量不同性质如块状、颗粒状、粉状、导电性、非导电性的物料。但因固体摩擦力大，容易“滞留”，产生虚
30、假料位，因此一般不使用双层电极，而是只用一根电极棒。,电容式料位计在测量时，物料的温度、湿度、密度变化或掺有杂质时，会引起介电常数变化，产生测量误差。为了消除这一介质因素引起的测量误差，一般将一根辅助电极始终埋入被测物料中。辅助电极与测量电极(也称主电极)可以同轴，也可以不同轴。设辅助电极长L0，它相对于料位为零时的电容变化量为 ：,主电极的电容变化量为Cx ，则有：,由于L0是常数，因此料位变化仅与两个电容变化量之比有关，而介质因素波动所引起的电容变化对主电极与辅助电极是相同的，相比时被抵消掉，从而起到误差补偿作用。,湿度测量,湿敏电容一般用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、
31、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等,HM1500湿度传感器,当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。,电容式键盘,常规的键盘有机械按键和电容按键两种。 电容式键盘是基于电容式开关的键盘，原理是通过按键改变电极间的距离产生电容量的变化，暂时形成震荡脉冲允许通过的条件。这种开关是无触点非接触式的，磨损率极小。,利用变极距型电容传感器实现信息转换,电容传声器,驻极体电容传声器,大膜片电容传声器,传声器（Microphone）即话筒，音译作麦克风，目前使用的话筒大多是动圈式和电容式。 电容传声器以振膜与后极板间的电容量变化通过前置放大器变换为输出电压
32、。,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。,知识讲座生物识别 技术,目前，身份识别所采用的方法主要有：根据人们所持有的物品如钥匙、证件、卡等；或人们所知道的内容如密码和口令等来确定其身份。但物品可能丢失和复制，内容容易遗忘和泄露 。,生物识别技术，如指纹识别或者虹膜识别，在侦探电影中破案人员依靠现场指纹进行罪犯确认、用指纹代替密码开启保险箱；依靠眼睛对着一个小摄像机来取代钥匙开门等等。这就是被比尔盖茨称之为21世纪最重要的应用
33、技术之一的生物识别技术，它正在步入我们的生活中。,生物识别是依靠人体的身体特征来进行身份验证的一种解决方案。这些身体特征包括指纹、声音、面部、骨架、视网膜、虹膜和DNA等人体的生物特征，以及签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度等个人的行为特征。现在开发和研究中的还有通过静脉、耳朵形状、按键节奏、身体气味等的识别技术。,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。,指纹识别,19世纪初，科学研究发现了指纹的两个重要特征，一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同，二是指纹纹脊的式样终生不改变。这个研究成果使得指纹
34、在犯罪鉴别中得以正式应用，1896年阿根廷首次应用，然后是1901年的苏格兰，20世纪初其他国家也相继应用到犯罪鉴别中。,20世纪60年代，由于计算机可以有效地处理图形，人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。从那时起，自动指纹识别系统AFIS在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开。,人从胎儿四个月大就形成指纹,指纹特性相当固定，不会随着人的年龄的增长、或身体健康程度的变化而变化。如果手指受伤损及真皮组织导致指纹受到破坏，受损面也会很快愈合、复原。,如果严重创伤有可能导致指纹识别器无法匹配比对。因此建议每只手至少注册1个手指。,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
35、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。,指纹特征一般分为总体特征和局部特征。总体特征包括纹形、特征点的分类、方向、曲率、位置。由于每个特征点都有大约7个特征，十个手指具有最少4900个独立可测量的特征。基于指纹的多样性特征和不可复制性，每个指纹都具有唯一性，利用指纹进行身份认证，可完全杜绝钥匙和 IC 卡被盗用或密码被破解等导致他人非法侵入的现象。,指纹识别主要分为四个阶段:读取指纹、提取特征、保存数据和比对确
36、认。首先，通过指纹识别器的读取设备读取指纹图象。在获取指纹图象之后，识别芯片对图象进行初步处理，使之更加清晰可辨。然后指纹辨识软件建立指纹的“数字表示特征”数据，从指纹转换成特征数据。两枚不同的指纹会产生不同的特征数据。,指纹由多种“脊”状图形构成，类似于山脊。由于纹路不连续，脊状图形多种多样，诸如分岔、弧形、交叉、三角等。识别软件将这些脊状图形进行坐标定位，进而从坐标位置上标示出数据点，有点像初中几何画函数图的步骤。这些数据点同时具有7种以上的唯一性特征，由于通常情况下一枚指纹有70个节点，通过软件计算会产生大约490个数据。,目前的指纹采集技术主要有光学采集、半导体采集、超声波采集。 半导
37、体指纹采集技术 （1998年） (1) 半导体压感式传感器 其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料,它们依照指纹的外表地形(凹凸)转化为相应的电子信号,并进一步产生具有灰度级的指纹图像。,1、采集,(2) 半导体温度感应传感器 它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同就可以获得指纹图像。,(3) 硅电容指纹图像传感器 这是最常见的半导体指纹传感器,它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约100,000个电容传感器,其外面是绝缘的表面。,传感器阵列的每一点是一个金属电极,充当电容器的一极,按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极,传感面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相
38、对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在),导致硅表面电容阵列的各个电容值不同,测量并记录各点的电容值,就可以获得具有灰度级的指纹图像。,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。,半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像,分辨率可高达600dpi,并且指纹采集时不需要象光学采集设备那样,要求有较大面积的采集头。由于半导体芯片的体积小巧,功耗很低,可以集成到许多现有设备中,这是光学采集设备所无法比拟的,现
39、在许多指纹识别系统研发工作都采用半导体采集设备来进行。,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：,2、解码得到一幅指纹图像后，要对图像解码，需要对图像特征进行提取、分析，指纹基本特征就是如脊、谷和终点、分叉点或分歧点。平均每个指纹都有几个独一无二可测量的特征点，每个特征点都有大约七个特征，我们的十个手指产生最少4900个独立可测量的特征点，足以确认指纹识别的可靠性。,3、比对和匹配 当指纹图像的特征值被提取后，就可依照特征值与数据库中存储的指纹进行比
40、对和匹配。如何对于残缺图像进行匹配以及伤疤等处理都要依赖于算法技术。尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但需识别的数据量很大，对数据进行比对也不是简单的等与不等，而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。,随着计算机与通信网络的蓬勃发展,电子商务的不断推广应用,安全方便的指纹识别系统现已广泛应用于桌面电脑、笔记本电脑、ATM提款机、蜂窝电话、考勤系统、门禁控制以及Internet 电子商务安全系统,遍及银行、保险、边防检查、医疗卫生及网络接入等各个领域。作为自动指纹识别系统关键部分的指纹图像采集设备也随之得到了更大的发展。,产品：,西门子公司“ID Mouse” 鼠标。上端安有指尖传感器，一旦指纹被
41、识别，使用者就可以启动PC的操作系统。若长时间不动鼠标，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，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。,机主除可预先输入本身的指纹样本，更可加入最多59个其他使用者的指纹。而“其他使用者“须经机主指纹作授权，方能将指纹记录在案，并且每位用家都有个别的使用权限。此外，每个使
42、用者最多可储存10只手指指纹，每只手指最多可储存60个指纹样本。现在，西门子指纹手机的在细小如SIM卡指纹感应器上集成了六万五千个微型感应器，侦察指纹速度可达每秒百分之一毫米。,韩国的Pass 21公司以三星的SGH-A100样本机，成功示范了一次指纹手机的转帐服务。该手机暂定名为Pass-Phone，以指纹代替传统的数字密码，在手机上作银行转帐。此外，手机更可凭指纹认证，上网作购物及收发电子邮件的通行许可，防止黑客攻击。,三菱也宣布推出指纹手机。手机内同样装有金属感应器式的指纹辨认装置，相比旧式的密码或IC卡辨认率，指纹辨认的错误机率不到0.1%。 法国Sagem也在2000年展出一款指纹手
43、机，名为MC 959 ID，在电池背面装嵌有指纹感应器。,指纹识别的汽车：西门子公司研制出了有指纹识别技术的汽车，采用了此项技术的汽车不仅门锁装置不再需要钥匙，同时还具有根据指纹及预储的信息，自动调整汽车驾驶员的座椅高度、前后距离，各个反光镜位置及自动接通车载电话等功能。,用户在操作系统安装之初输入指纹信息，并将其与具体个人登录信息和密码相关联。当系统建立好匹配信息之后，指纹识别数据库开始生效。在使用电脑登录个人账户时，用户只需将手指在指纹识别器上刷一下，就可以轻松、高效通过验证。,指纹识别的笔记本电脑,不同的厂商会采用不同的算法，有的算法把节点和方向信息组合，也有的算法处理整幅指纹图像。这就
44、是各个厂商安全技术的实力成分了。最后，通过模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。,其它的生物识别技术产品：,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,先进生物测定学有限公司（ABI）,面部识别系统,澳大利亚科学及工业研究组织（CSIRO）的科学家研制出一套自动化脸孔辨认系统，可以从储存的智能卡或者电脑资料库中调出事先储存的人脸图像，和真人的脸孔进行比较，在半秒之内，辨认出这个人的身份。这套系统采用的只是普通的个人电脑和一个普通摄像机作为硬件。科学家指出，这套系統的精确度达95，假如再加上一套声音辨认系统，可以把精确度提高至更高的水平。,人体静脉识别系统深圳特中科实业发展有限公司,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,指纹保险箱,作 业,P59习题： 1、2、5、9、10 共6题,
