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文檔簡介
圖5-5變面積型電容傳感器原理圖3.4電容式傳感器的應用電子技術的發(fā)展,解決了電容式傳感器存在的許多技術問題,使電容式傳感器不但廣泛應用于精確測量位移、厚度、角度、振動等物理量,還應用于測量力、壓力、差壓、流量、成分、液位等參數(shù),在自動檢測與控制系統(tǒng)中也常常用來作為位置信號發(fā)生器。圖3-24電容式差壓傳感器差動型凹玻璃圓片彈性膜片(動電極)固定電極P例3-2電容式壓差傳感器P彈性膜片(動電極)固定電極圖3-25電容式壓力傳感器單只變間隙型當PH=PL時,中心膜片處于平直狀態(tài),膜片兩側(cè)電容均為C0;當PH>PL時,中心膜片上凸,上部電容為CL,下部電容為CH。CH
相當于當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)。hmaxd0CACLCHC0PHPLCACLCHC0C0CA等效電路Rbadbd0實線為球冠型固定電極設膜片半徑為a,球冠形固定電極的半徑為R,固定電極的實際拱底半徑為b,拱底距膜片的距離為db,當d0<<R時:在PH-PL作用下中心膜片的上凸量h近似為:計算點半徑圖5-5變面積型電容傳感器原理圖而CA為:(積分求解過程省略)利用脈寬調(diào)制電路,將中心膜片接地,其輸出U0
輸出U0與差壓PH-PL成正比。而所以例3-3電容式稱重傳感器圖3-26電容式稱重傳感器絕緣材料定極板動極板極板支架彈性體兩個固定極板間有一個用彈簧片支撐的質(zhì)量塊m,質(zhì)量塊的兩端面經(jīng)拋光后作為動極板,當傳感器測量豎直方向的振動時,由于m的慣性作用,使其相對固定電極產(chǎn)生位移,兩個差動電容器C1和C2的電容發(fā)生相應的變化,其中一個變大,另一個變小。例3-4電容式加速度傳感器圖3-28電容式加速度傳感器彈簧片定極板2質(zhì)量塊(動極板)定極板1絕緣體aC1C2m例3-6電容測厚傳感器在板材軋制裝置中的應用電容式液位計 電容式液位計利用液位高低變化影響電容器電容量大小的原理進行測量。依此原理還可進行其它形式的物位測量。對導電介質(zhì)和非導電介質(zhì)都能測量,此外還能測量有傾斜晃動及高速運動的容器的液位。不僅可作液位控制器,還能用于連續(xù)測量。(1)安裝形式
電容式液位計的安裝形式因被測介質(zhì)性質(zhì)不同而有差別 右圖為用來測量導電介質(zhì)的單電極電容液位計,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,而導電液體和容器壁構(gòu)成電容器的外電極。1-內(nèi)電極;2-絕緣套右圖為用于測量非導電介質(zhì)的同軸雙層電極電容式液位計。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。在測極低溫度下的液態(tài)氣體時,一個電容靈敏度太低??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,變成相當于多個電容并聯(lián),以增加靈敏度。圖3-29電容式料位傳感器Dd檢測電路測定電極儲罐ε0ε1h例3-5電容式料位和液位傳感器測定電極安裝在金屬儲罐的頂部,儲罐的罐壁和測定電極之間形成了一個電容器。上圖中電容隨料位高度h變化的關系為:式中k——比例常數(shù);D——儲罐的內(nèi)徑;d——測定電極的直徑;h——被測物料的高度;ε0——空氣的相對介電常數(shù);ε1——被測物料的相對介電常數(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。油量測量當燃油增大,h2增大,△C也增大;燃油減少,h2減少,△C也減小。通過測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圖7-23電容式料位計1-金屬電容;2-測量電極;3-輔助電極;4-絕緣套電容式料位計電容式料位計不僅能測不同性質(zhì)的液體,而且還能測量不同性質(zhì)如塊狀、顆粒狀、粉狀、導電性、非導電性的物料。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。
電容式料位計在測量時,物料的溫度、濕度、密度變化或摻有雜質(zhì)時,會引起介電常數(shù)變化,產(chǎn)生測量誤差。為了消除這一介質(zhì)因素引起的測量誤差,一般將一根輔助電極始終埋入被測物料中。輔助電極與測量電極(也稱主電極)可以同軸,也可以不同軸。設輔助電極長L0,它相對于料位為零時的電容變化量為:濕度測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濕度傳感器當環(huán)境濕度發(fā)生改變時,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濕度成正比。電容式鍵盤常規(guī)的鍵盤有機械按鍵和電容按鍵兩種。電容式鍵盤是基于電容式開關的鍵盤,原理是通過按鍵改變電極間的距離產(chǎn)生電容量的變化,暫時形成震蕩脈沖允許通過的條件。這種開關是無觸點非接觸式的,磨損率極小。利用變極距型電容傳感器實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換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,目前使用的話筒大多是動圈式和電容式。電容傳聲器以振膜與后極板間的電容量變化通過前置放大器變換為輸出電壓。目前,身份識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;或人們所知道的內(nèi)容如密碼和口令等來確定其身份。但物品可能丟失和復制,內(nèi)容容易遺忘和泄露。生物識別技術,如指紋識別或者虹膜識別,在偵探電影中破案人員依靠現(xiàn)場指紋進行罪犯確認、用指紋代替密碼開啟保險箱;依靠眼睛對著一個小攝像機來取代鑰匙開門等等。這就是被比爾·蓋茨稱之為21世紀最重要的應用技術之一的生物識別技術,它正在步入我們的生活中。生物識別是依靠人體的身體特征來進行身份驗證的一種解決方案。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,以及簽名的動作、行走的步態(tài)、擊打鍵盤的力度等個人的行為特征?,F(xiàn)在開發(fā)和研究中的還有通過靜脈、耳朵形狀、按鍵節(jié)奏、身體氣味等的識別技術。生物識別的技術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,存儲于計算機中,利用可靠的匹配算法來完成驗證與識別個人身份的過程。指紋識別19世紀初,科學研究發(fā)現(xiàn)了指紋的兩個重要特征,一是兩個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。
這個研究成果使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應用,1896年阿根廷首次應用,然后是1901年的蘇格蘭,20世紀初其他國家也相繼應用到犯罪鑒別中。20世紀60年代,由于計算機可以有效地處理圖形,人們開始著手研究利用計算機來處理指紋。從那時起,自動指紋識別系統(tǒng)AFIS在法律實施方面的研究和應用在世界許多國家展開。人從胎兒四個月大就形成指紋,指紋特性相當固定,不會隨著人的年齡的增長、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致指紋受到破壞,受損面也會很快愈合、復原。
如果嚴重創(chuàng)傷有可能導致指紋識別器無法匹配比對。因此建議每只手至少注冊1個手指。每人的十指指紋都不相同,每個指紋一般都有70-150個基本特征點,在兩枚指紋中只要有12-13個特征點吻合,即可認定為同一指紋。而以此找出兩枚完全一樣的指紋需要120年,人類人口按60億計算,大概需要300年才可能出現(xiàn)重復的指紋。因此,想找到兩個完全相同的指紋幾乎是不可能的。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、特征點的分類、方向、曲率、位置。由于每個特征點都有大約7個特征,十個手指具有最少4900個獨立可測量的特征?;谥讣y的多樣性特征和不可復制性,每個指紋都具有唯一性,利用指紋進行身份認證,可完全杜絕鑰匙和IC卡被盜用或密碼被破解等導致他人非法侵入的現(xiàn)象。指紋識別主要分為四個階段:讀取指紋、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對確認。首先,通過指紋識別器的讀取設備讀取指紋圖象。在獲取指紋圖象之后,識別芯片對圖象進行初步處理,使之更加清晰可辨。然后指紋辨識軟件建立指紋的“數(shù)字表示特征”數(shù)據(jù),從指紋轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)。兩枚不同的指紋會產(chǎn)生不同的特征數(shù)據(jù)。指紋由多種“脊”狀圖形構(gòu)成,類似于山脊。由于紋路不連續(xù),脊狀圖形多種多樣,諸如分岔、弧形、交叉、三角等。識別軟件將這些脊狀圖形進行坐標定位,進而從坐標位置上標示出數(shù)據(jù)點,有點像初中幾何畫函數(shù)圖的步驟。這些數(shù)據(jù)點同時具有7種以上的唯一性特征,由于通常情況下一枚指紋有70個節(jié)點,通過軟件計算會產(chǎn)生大約490個數(shù)據(jù)。目前的指紋采集技術主要有光學采集、半導體采集、超聲波采集。
半導體指紋采集技術(1998年)(1)半導體壓感式傳感器
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)化為相應的電子信號,并進一步產(chǎn)生具有灰度級的指紋圖像。1、采集(2)半導體溫度感應傳感器
它通過感應壓在設備上的脊和遠離設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
這是最常見的半導體指紋傳感器,它通過電子度量來捕捉指紋。在半導體金屬陣列上能結(jié)合大約100,000個電容傳感器,其外面是絕緣的表面。傳感器陣列的每一點是一個金屬電極,充當電容器的一極,按在傳感面上的手指頭的對應點則作為另一極,傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在),導致硅表面電容陣列的各個電容值不同,測量并記錄各點的電容值,就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。指紋識別系統(tǒng)的電容傳感器發(fā)出電子信號,電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層,直達手指皮膚的活體層(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數(shù)據(jù),不易受手指表面塵污的影響,提高辨識準確率,有效防止辨識錯誤。半導體指紋采集設備可以獲得相當精確的指紋圖像,分辨率可高達600dpi,并且指紋采集時不需要象光學采集設備那樣,要求有較大面積的采集頭。由于半導體芯片的體積小巧,功耗很低,可以集成到許多現(xiàn)有設備中,這是光學采集設備所無法比擬的,現(xiàn)在許多指紋識別系統(tǒng)研發(fā)工作都采用半導體采集設備來進行。
指紋識別目前最常用的是電容式傳感器,也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。它的優(yōu)點是體積小、成本低,成像精度高,而且耗電量很小,因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。右圖為指紋經(jīng)過處理后的成像圖:2、解碼
得到一幅指紋圖像后,要對圖像解碼,需要對圖像特征進行提取、分析,指紋基本特征就是如脊、谷和終點、分叉點或分歧點。平均每個指紋都有幾個獨一無二可測量的特征點,每個特征點都有大約七個特征,我們的十個手指產(chǎn)生最少4900個獨立可測量的特征點,足以確認指紋識別的可靠性。3、比對和匹配當指紋圖像的特征值被提取后,就可依照特征值與數(shù)據(jù)庫中存儲的指紋進行比對和匹配。如何對于殘缺圖像進行匹配以及傷疤等處理都要依賴于算法技術。盡管指紋只是人體皮膚的一小部分,但需識別的數(shù)據(jù)量很大,對數(shù)據(jù)進行比對也不是簡單的等與不等,而是使用需要進行大量運算的模糊匹配算法。隨著計算機與通信網(wǎng)絡的蓬勃發(fā)展,電子商務的不斷推廣應用,安全方便的指紋識別系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應用于桌面電腦、筆記本電腦、ATM提款機、蜂窩電話、考勤系統(tǒng)、門禁控制以及Internet電子商務安全系統(tǒng),遍及銀行、保險、邊防檢查、醫(yī)療衛(wèi)生及網(wǎng)絡接入等各個領域。作為自動指紋識別系統(tǒng)關鍵部分的指紋圖像采集設備也隨之得到了更大的發(fā)展。產(chǎn)品:西門子推出的“IDMouse”鼠標。鼠標上端安有指尖傳感器,一旦指紋被識別,使用者就可以啟動PC的操作系統(tǒng)。如果長時間不動鼠標,它將自動啟動屏幕保護程序,直到使用者再次觸摸ID鼠標為止。這個鼠標在0.25平方英寸的觸摸芯片上有65000個傳感系統(tǒng),可捕捉指紋的細節(jié)。該系統(tǒng)非常靈敏,甚至用戶的手有傷口它都能準確的辨別出來。最早的指紋識別手機是98年西門子推出的SL10手機,其將“Fingertip”指紋辨認技術移植在SL10上作模擬試用。手機機身前面及后面都裝一跟SIM卡大小相似的金屬指紋感應器。機主除可預先輸入本身的指紋樣本,更可加入最多59個其他使用者的指紋。而"其他使用者"須經(jīng)機主指紋作授權,方能將指紋記錄在案,并且每位用家都有個別的使用權限。此外,每個使用者最多可儲存10只手指指紋,每只手指最多可儲存60個指紋樣本?,F(xiàn)在,西門子指紋手機的在細小如SIM卡指紋感應器上集成了六萬五千個微型感應器,偵察指紋速度可達每秒百分之一毫米。韓國的Pass21公司以三星的SGH-A100樣本機,成功示范了一次指紋手機的轉(zhuǎn)帳服務。該手機暫定名為Pass-Phone,以指紋代替?zhèn)鹘y(tǒng)的數(shù)字密碼,在手機上作銀行轉(zhuǎn)帳。此外,手機更可憑指紋認證,上網(wǎng)作購物及收發(fā)電子郵件的通行許可,防止黑客攻擊。三菱也宣布推出指紋手機。手機內(nèi)同樣裝有金屬感應器式的指紋辨認裝置,相比舊式的密碼或IC卡辨認率,指紋辨認的錯誤機率不到0.1%。法國Sagem也在2000年展出一款指紋手機,名為MC959ID,在電池背面裝嵌有指紋感應器。指紋識別的汽車:西門子公司研制出了有指紋識別技術的汽車,采用了此項技術的汽車不僅門鎖裝置不再需要鑰匙,同時還具有根據(jù)指紋及預儲的信息,自動調(diào)整汽車駕駛員的座椅高度、前后距離,各個反光鏡位置及自動接通車載電話等功能。用戶在操作系統(tǒng)安裝之初輸入指紋信息,并將其與具體個人登錄信
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