CN2765181Y - 用于自动雨刷系统的传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于自动雨刷系统的传感器，在玻璃的内表面上设有一平面电容器，平面电容器的两个极板放置在同一平面上，两个极板为套在一起的环形极板，平面电容器作为敏感元件以检测挡风玻璃表面的环境变化及操作后带来的环境变化，平面电容器与一传感器检测电路电连接，平面电容器受外界环境影响而带来的电容量变化的信号传输到传感器检测电路，传感器检测电路根据所检测的电容量变化产生控制设备工作的控制信号。本实用新型由于采用环形电极，有效地减小了外部电磁干扰和对外电磁辐射，提高了检测精度；同时本实用新型的结构简单，能够克服现有技术中检测装置存在的测量面积小、不能测量雨水厚度、易受污染物干扰、安装要求过高、适应性差和成本偏高的缺点。

Description

用于自动雨刷系统的传感器

技术领域：

本实用新型涉及一种汽车电子智能传感器，尤其涉及一种用于自动雨刷系统的传感器。

背景技术：

进入21世纪以来，汽车电子化和智能化已经成为汽车工业技术发展的方向和前沿，汽车的安全性和人性化也成为各大汽车厂商注重的焦点。自动雨刷系统不仅是着眼于方便驾驶者的人性化关怀，更重要的是自动雨刷系统是汽车主动安全系统的重要组成部分。自动雨刷系统(包括：前风挡、后窗、前大灯、侧后视镜等)已经为越来越多的中高档车采用，相信在不久的将来自动雨刷系统将成为汽车的标准配置。

自动雨刷系统的关键技术是雨滴传感器技术，客观地说，截止到今日，世界范围内的雨滴传感器技术仍不十分成熟，尽管一些著名的汽车厂商如德国大众、美国克莱斯勒、法国雪铁龙等已经成功地在他们的汽车产品上配备了自动雨刷系统，但由于雨滴传感器技术的不成熟造成了安装难度大、成本高、误动作率较高的遗憾。

现有雨滴传感技术按安装形式可分为内置型和外置型两大类，外置型是将传感器安装在风挡玻璃外面如发动机盖上面、汽车前脸外面、汽车挡风玻璃外表面等，外置型雨滴传感的特征是对雨水做直接接触式测量，已知的外置型雨滴传感器按工作原理划分有光电式、电导式、振动式和平行板电容式。绝大多数外置型雨滴传感器由于无法直接安装在玻璃外表面雨刷刷动的范围内，因而只能感知雨量大小而无法感知雨刷刷动的效果，因而只能形成对雨刷的开环控制系统，无法形成能反馈雨刷刷动效果的闭环控制系统。此外，外置型雨滴传感器还有容易受污染、损坏等缺陷，因此，外置型雨滴传感器很少在汽车工业中得到应用。内置型雨滴传感器通常安装在汽车玻璃内表面雨刷刷动的范围内，必须采用非接触式检测技术，它具有同时感应雨量和感应雨刷刷动效果从而为雨刷控制器提供实时反馈信号的优点，它安装在车内也避免了环境对它的污染和损坏。现代汽车工业中内置型雨滴传感器已成为主流。

目前在汽车工业中广泛应用的内置型雨滴传感器全都是光电式的，光电式雨滴传感器又分为两种形式，第一种是在汽车玻璃内表面后安装一台摄像头，利用类似于照相机的成像原理对摄像头采集的图像进行图像分析和处理以感知雨量的变化。这种光电式雨滴传感器的传感器件、数据处理电路和计算机成本过高，目前还没有在汽车工业中得到应用。以下只讨论第二种形式的光电式雨滴传感器，它在汽车工业中已经被广泛采用，它是在汽车玻璃内表面安装一对光束发射和接收装置，利用光的反射和折射原理，当汽车玻璃外表面附着有雨滴时光的折射率将发生变化从而导致接收端接受光强的变化，雨滴传感器将光强的变化转变成电信号的变化从而感知雨量的变化。光电式内置型雨滴传感器存在以下缺陷：

1、测量面积小。下小雨时单位面积上雨滴分布是不均匀的，因此若测量面积过小将造成自动雨刷系统反映迟钝。光电式雨滴传感器的发射器元件一般是点光源，尽管可以使用透镜或棱镜，将光束进行某种程度的散射以扩大折射面积，但这将对接受元件的接收灵敏度造成不利影响，因此，实用的光电式雨滴传感器测量面积通常都在1至2平方厘米以内，当然可以设置多对发射和接收端来扩大测量面积，但这将大大提高成本。

2、无法测量附着在玻璃表面雨水的厚度。下大雨时汽车玻璃外表面将被雨水均匀的覆盖，此时雨量的大小只能通过从附着在玻璃表面雨水的厚度变化测量，若无法测量雨水厚度变化将造成自动雨刷系统动作速度迟缓从而影响刷雨效果。光电式雨滴传感器的工作原理是利用光线的折射率变化，而折射率只与入射面的物质特性有关，与物质的厚度无关，因此，光电式雨滴传感器无法反映雨水的厚度变化。

3、易于受到污染物的干扰。当汽车玻璃外表面受到污染物(如：尘土、泥污、油渍、飞虫尸体等)污染时，也将导致光线折射率的较大变化，光电式雨滴传感器因无法区分污染物与雨水从而导致自动雨刷系统的误动作。

4、对安装工艺要求过高。光电式雨滴传感器要求对发射和接收端有精确的安装角度和距离，同时对辅助的透镜和棱镜系统的位置和角度也有很高的要求，此外，考虑到汽车震动的影响，要求安装必须非常紧固，以免由于汽车震动造成光线的偏离从而影响传感器的精度和灵敏度。

5、适应性差。光电式雨滴传感器的工作原理对不同汽车玻璃的适应性很差，玻璃的材质会影响折射率和反射率，玻璃的厚度会影响发射端和接收端的安装角度和位置，因此需要针对不同的汽车玻璃设计相对应的光电式雨滴传感器。

6、材料、安装、工时成本偏高。光电式雨滴传感器需要的光电发射和接收装置、透镜和棱镜系统、紧固件等材料成本较高，由于安装工艺的高要求造成安装和工时成本偏高，这是目前自动雨刷系统只出现在中高档车上的根本原因。

除上述光电式雨滴传感器外，现有技术中也有少量采用电容式雨滴传感器。例如，

1、中国专利号为02147854.6，该专利提供了一种由若干片电容极板并联形成的平行板电容式外置型雨水传感器，该传感器的外壳上设有进水口和出水口，对雨水做直接的接触式测量。该传感器具有外置型雨水传感器的典型缺点，即不能反馈雨刷刷动的效果，无法构成闭环控制系统；易受污染和损坏；结构复杂。该传感器采用传统的平行板式电容测量原理。

2、专利文件US4805070A，名为“电容耦合的湿度传感器“，其敏感元件是电阻网络，利用平行板式电容的原理将电阻的变化通过两个不变的平行板式电容耦合至信号发生器和接收器，其本质是传统的电阻式湿度传感器，该技术方案只是提供了一种信号处理电路与敏感元件(电阻网络)的非接触式连接的方法，以避开穿越玻璃进行导线连接的难题。上述专利提供的技术方案，其敏感元件安装在汽车玻璃的外表面上，对雨水的测量时直接接触式的，敏感元件安装在汽车玻璃的外表面上将对敏感元件材质和安装工艺提出极为苛刻的要求，例如：要耐腐蚀、耐磨擦、耐污，不能影响雨刷的正常动作等等。同时，敏感元件安装在汽车玻璃的外表面上进行接触式测量就必须解决敏感元件的电连接问题，因此上述专利提供的技术方案提供了在两层玻璃的夹缝中与汽车玻璃外表面形成平行板式耦合电容的极为复杂的非接触式连接方法，这种方法工艺过于复杂，安装成本必然过高。

3、专利文件US5668478A提供的技术方案测量原理与US4805070A提供的技术方案类似，也是接触式的测量电阻的变化，用平行板式电容进行信号耦合的，具有US4805070A同样的缺陷。

4、专利文件EP0333564A1，该专利文件提供的电子雨水探测装置利用了测量电容的原理，但该专利提供的传感器是典型的外置型接触式测量雨水传感器，该传感器要求有一个防水性能良好的绝缘覆盖层。该传感器具有外置型雨水传感器的典型缺陷，即不能反馈雨刷刷动的效果，无法构成闭环控制系统；易受污染和损坏；结构复杂。

5、专利文件DE3937605A1，该传感器的测量原理是传统平行板式电容测量原理，其在公开的技术方案为在挡风玻璃上出现水层时，电容板能够与水层各自构成一个电容器，显然这样只能构成两个各自独立的平行板电容器。该传感器的主要缺点是，他要求电容极板必须安装在双层玻璃和两个功能薄膜之间，这无疑会限制该传感器的适用范围，目前汽车工业使用的风挡玻璃有双层的也有单层的。此外，该传感器还存在结构复杂，安装和引线困难等缺陷。

实用新型内容：

本实用新型所要解决的技术问题在于克服上述现有技术之不足，提供一种能够减小外部电磁干扰、具有较高检测精度的内置式自动雨刷传感器。

按照本实用新型提供的用于自动雨刷系统的传感器，在玻璃的内表面上设有一平面电容器，所述平面电容器的两个极板放置在同一平面上，两个所述极板为套在一起的环形极板，所述平面电容器作为敏感元件以检测挡风玻璃表面的环境变化及操作后带来的环境变化，所述平面电容器与一传感器检测电路电连接，所述平面电容器受外界环境影响而带来的电容量变化的信号传输到所述传感器检测电路，所述传感器检测电路根据所检测的电容量变化产生控制设备工作的控制信号。

按照本实用新型提供的用于自动雨刷系统的传感器还具有如下附属

技术特征：

所述传感器检测电路包括一信号产生器、一程控模拟信号放大和滤波电路、一模数转换电路、一微处理器，所述信号产生器产生一接入平面电容器的测试信号，所述平面电容器的测试信号输入所述程控模拟信号放大和滤波电路，进行放大和滤波后，产生一直流电压信号，所述直流电压信号经由所述模数转换电路转换成数字电压信号，所述微处理器接收所述数字电压信号，对所述数字电压信号进行数字滤波、数字线性化处理和数字自适应算法调整，形成控制设备工作的传感器数字输出信号。

所述环形极板中的外圈极板为环形，套置在其内的极板为圆形。

所述圆形极板的半径r1为7-9mm，所述外圈极板的内圆半径r2为31-33mm，外圆半径r3为44-48mm。

所述平面电容器的两极板所采用的导电材料包括：铜、铝、银、导电胶条、导电塑料、透明导电薄膜或导电胶。

所述平面电容器的安装方式包括粘接、压固、喷涂在汽车挡风玻璃的内表面上。

所述平面电容器的两极板通过粘接、压固或喷涂的方式安装在一柔性基板上。

所述柔性基板包括橡胶、软塑料或塑料薄膜。

所述测试信号为正弦波信号、方波信号或三角波信号。

所述平面电容器的两极板之间的间距大于等于所在位置的挡风玻璃的厚度。

按照本实用新型提供的用于自动雨刷系统的传感器，相对于现有技术具有如下优点：本实用新型提供的平面电容器打破了传统平行板式电容传感器的思维定势，两个电容极板不是平行放置，而是将电容的两个极板做成互相套在一起的环形极板，并放置在同一平面上，形成内置式环形平面电容传感器，其具有以下优点：

1、本实用新型由于采用环形极板，有效地减小了外部电磁干扰和对外电磁辐射，提高了检测精度。

2、本实用新型的电极极板的面积最大可以为45平方厘米，因此，可以根本上避免光电式雨滴传感器测量面积过小带来的检测系统反映迟钝的弊端。

3、可测量附着在玻璃表面雨水的厚度。由于平面电容的介质空间是极板上面的玻璃和玻璃表面及外表面附近近似于半椭圆球体形的空间，在这个空间范围内，雨水厚度的变化将导致电容器介质空间介电常数的变化从而引起电容量的变化。这就克服了光电式雨滴传感器无法测量雨水厚度变化造成自动雨刷系统动作速度迟缓从而影响刷雨效果的缺陷。

4、不易受到污染物的干扰。由于水的相对介电常数比一般污染物大得多，因此平面电容式传感器很容易将污染物与水对电容量造成的变化区分开来，从而解决了光电式雨滴传感器由于受污染物影响导致自动雨刷系统误动作的问题。

5、安装工艺非常简单。平面电容式传感器可采用粘接、压接、喷涂或各种在玻璃表面镀金属的工艺方法在玻璃内表面形成平面电容器，不需像光电式雨滴传感器那样需要精确定位。

6、适应性强。由于水的介电常数比玻璃要大几十倍，因此玻璃材质和厚度的变化对传感器精度和灵敏度造成的影响可忽略不计，同一平面电容式传感器几乎可适应各种汽车玻璃。不需为各种汽车玻璃设计专门的传感器。

附图说明：

图1是点电荷电场线分布图；

图2是平行板式电容电场线分布图；

图3是本实用新型平面电容器电场线分布图；

图4是本实用新型平面电容器示意图；

图5是本实用新型在涉及介质环境下平面电容器电场线分布图；

图6是本实用新型在涉及介质环境下平面电容器形成的测量空间示意图；

图7是本实用新型的等效电容测量模型图；

图8是图4中的A-A剖视图。

图9是本实用新型的检测电路框图；

图10是本实用新型的安装结构剖面图。

下面结合附图给出实施例，对实用新型进行详细说明：

具体实施方式：

在详细说明本实用新型之前，先简述现有技术以及本实用新型的工作原理：

传统的电容式传感器是基于平行板式电容的，它的原理是：如果不考虑非均匀电场印迹的边缘效应，两平行板组成的电容，其电容量为

                  C＝ε·S/d

式中，ε为极板间介质的介电常数，ε＝εO·εr，εO为真空中的介电常数，εO＝8.854·10^-12F/m，εr是介质相对真空的介电常数，空气的相对介电常数εr≈1，其它介质εr＞1；S为极板的面积；d为极板的间距。

由于被测量介质的变化引起电容式传感器有关参数ε，S，d的变化，使电容量C随之变化。据此，传统的电容式传感器以不同参数的变化可分为三种类型：变间距式(参数d变化)；变面积式(参数S变化)；变介电常数式(参数ε变化)。

本实用新型提出的平面电容器，从原理上打破了传统的基于平行板式电容原理的电容式传感器的思维定势，它将电容器的两个极板按一定间隙放置在同一平面上，而不是平行放置。它不属于上述三种传统电容式传感器类型的任何一种，它是一种综合性的电容式传感器，它同时具有变间距式、变面积式和变介电常数式电容传感器的特性。

本实用新型的电容测量原理如下：

依据电场理论的场强矢量叠加原理，我们知道，电容器的特性可以用电场线分布来描述，参见图1和图2，分别给出点电荷和平行板电容的电场线分布，图中，10是电场线，28和29是点电荷。为方便下面的讨论，图3给出平面电容器的电场线分布。由图2中可以看出，平行板电容的电场线10主要分布在两平行板之间的矩形空间内，因此在计算平行板电容的电容量时，可以忽略平行板边缘电场的影响得出平行板电容的电容量计算公式：C＝ε·S/d。同理，由图3可以看出，平面电容器的电场线主要分布在两平面电极板周围的近似椭圆形球体空间中，由于平面电容的理论计算过于复杂，此处不作详细讨论，参见图3，由电场的矢量叠加原理和电介质在电场中的性质可以推知，两平面电极板周围形成近似椭圆形球体的磁场。

参见图5和图6，图中示出了本实用新型涉及的应用环境下的平面电容器的电场线空间分布，两平面电极板1、2紧贴在玻璃9下面，由图5和图6中的电场线10的分布形状可以看出，由于受到不同介质影响，两平面电极板1和电极板2周围的近似椭圆形球体空间可以划分成三个不同的空间：汽车玻璃9内表面和紧贴在内表面上的平面电极板1和电极板2以下的近似半椭圆形球体空间N1；平面电极板1和电极板2以上和汽车玻璃9内部包含的扁平椭圆形空间N2；汽车玻璃9外表面附近形成的半椭圆形空间Nx。由于近似半椭圆形球体空间N1和扁平椭圆形空间N2的介质分别为均匀的空气和玻璃，其介电常数和体积可以认为是不变的。而半椭圆形空间Nx平常是空气，当有其他异物进入时，其介电常数和体积将发生较大变化，半椭圆形空间Nx正是我们的测量空间。

基于以上的讨论，参见图7，本实用新型提出的等效电容模型。其中，并联等效电容C3是由半近似椭圆形球体空间N1和扁平椭圆形空间N2确定的不变电容，串联电容C1和C2是由平面电极以上穿越汽车玻璃外表面但封闭在汽车玻璃外表面以内的空间决定的不变电容，Cx是半椭圆形空间Nx形成的可变电容。Cx的电容量同时取决于进入半椭圆形空间Nx的异物的介电常数、异物覆盖的面积、异物在半椭圆形空间Nx形成的厚度，该厚度在理论上可以等同于平行板电容器的间距。

通过以上对本实用新型原理的讨论，我们可以得到下述两点结论：

1、本实用新型提出的平面电容器不同于以往的任何一种类型的电容式传感器，包括：变面积性、变间距型、和变介电常数型，它是综合性的电容式传感器，它可同时感知面积、间距和介电常数三个参数的变化。

2、本实用新型提出的平面电容器不仅可以区分汽车玻璃表面附近的异物，而且可以同时感知覆盖在传感器上汽车玻璃表面异物覆盖的面积和厚度，而这正是现有的光电式传感器无法做到的。

在阐述了本实用新型的发明原理后，下面给出利用上述原理制造出的用于自动雨刷系统的传感器。

参见图4、图8和图10，作为自动雨刷传感器的一种优选实施例，采用一面带有不干胶的铜箔胶带，加工成一个外圆半径r3为46mm、内圆半径r2为32mm的环形极板1和一个半径r1为8mm的圆形极板2，两个极板同心的套在一起，并粘接在软塑料基板4上。加工好的所述电极板再粘接在汽车后视镜19后面不影响驾驶员视线的位置的汽车前风挡玻璃9的内表面上，形成平面电容器的两个电极。安装在汽车挡风玻璃9的内表面上可以实现非接触式测量的目的。同时，所述平面电容器的安装位置应该属于雨刷刮雨的工作范围内。不仅对玻璃表面是否有雨存在进行检测，而且对雨刷工作的效果进行检测。所述极板1、2的间隙d＝24mm。两根屏蔽导线14的一端分别焊接在平面电容的两个电极板1、2上，为防止人为意外损坏，在平面电极板1、2后面罩上圆锥形塑料保护罩24，圆锥形塑料保护罩24粘固在汽车前风挡玻璃9的内表面上，为保护屏蔽导线14，在圆锥形塑料保护罩24上侧面通过塑料套管13将屏蔽导线14引出到车顶外壳17和车顶内饰16的夹层中，两根屏蔽导线14电连接在安装在车顶外壳17和车顶内饰16夹层中的电路板15上，电路板15由带有屏蔽层的塑料外壳23进行电磁屏蔽和保护，传感器的数字输出信号通过屏蔽LIN总线电缆18送往自动雨刷系统的控制单元。

参见图9，本实用新型给出的上述实施例中，平面电容器的电极的一端连接在正弦波信号产生器31的输出端上；另一端连接在程控模拟信号放大和滤波电路32的输入端上。程控模拟信号放大和滤波电路32接收来自微处理器34的程序控制，进行量程自适应调节，正弦波信号产生器31产生的一定频率的正弦波信号35通过平面电容器后，将变成被衰减的正弦波信号37，该信号37被程控模拟信号放大滤波电路32接收，经放大滤波后产生一个直流电压信号，通过模数转换电路33转换成数字电压信号送往微处理器34，该数字电压信号在微处理器34中经数字滤波、数字线性化处理和数字自适应算法调整后形成传感器的数字输出信号送往屏蔽LIN(Local Interconnect Network现场连接网络)总线接口电路36，然后，通过屏蔽LIN总线电缆18送往自动雨刷系统的控制单元。雨刷工作后，本装置继续对玻璃表面进行检测并形成反馈信号，进一步控制雨刷的工作，构成闭环控制系统，从而使本装置根据雨滴的大小来控制雨刷的工作。本实用新型给出的测试信号也可以为方波信号或三角波信号。

本实用新型中所述平面电容器的极板也可以采用铝、银、导电橡胶、导电塑料、导电胶，透明导电薄膜，通过多种安装方式如：粘接、压固、喷涂在柔性基板上。柔性基板的材料也可以为橡胶或塑料薄膜。同时，本实用新型的极板也可以直接通过粘接、压固或喷涂在汽车玻璃内表面上不影响驾驶员视线的位置形成一对环形平面电极。不管采用那种安装方式，安装时应保证平面电容器的极板与玻璃内表面紧密接触，避免因空气间隙影响传感器的性能。两极板的间隙d应约等于汽车玻璃的厚度。平面电容器的静态电容值在0.2-5pf之间，电容值的测量灵敏度应高于0.1fp。

本实用新型对于检测装置的初始化是根据汽车玻璃的材料和厚度、平面电容器传感元件的面积及安装方式、环境温度、湿度条件，检测并设定平面电容器传感元件的静态初始值。由于不同的物质，其介质常数不一样，因此检测装置可以根据不同的物质，设置不同的初始值，从而判断是何种物质附着在玻璃表面。例如，当水附着在平面电容器所在的玻璃表面时，平面电容器的电容值发生变化，将此时电容器的变化量设定，作为判断水附着在玻璃表面的标准。

Claims (10)

1、一种用于自动雨刷系统的传感器，其特征在于：在玻璃的内表面上设有一平面电容器，所述平面电容器的两个极板(1、2)放置在同一平面上，两个所述极板(1、2)为套在一起的环形极板，所述平面电容器作为敏感元件以检测挡风玻璃表面的环境变化及操作后带来的环境变化，所述平面电容器与一传感器检测电路(3)电连接，所述平面电容器受外界环境影响而带来的电容量变化的信号传输到所述传感器检测电路(3)，所述传感器检测电路(3)根据所检测的电容量变化产生控制设备工作的控制信号。

2、如权利要求1所述的用于自动雨刷系统的传感器，其特征在于：所述传感器检测电路(3)包括一信号产生器(31)、一程控模拟信号放大和滤波电路(32)、一模数转换电路(33)、一微处理器(34)，所述信号产生器(31)产生一接入平面电容器的测试信号(35)，所述平面电容器的测试信号(35)输入所述程控模拟信号放大和滤波电路(32)，进行放大和滤波后，产生一直流电压信号，所述直流电压信号经由所述模数转换电路(33)转换成数字电压信号，所述微处理器(34)接收所述数字电压信号，对所述数字电压信号进行数字滤波、数字线性化处理和数字自适应算法调整，形成控制设备工作的传感器数字输出信号。

3、如权利要求1或2所述的用于自动雨刷系统的传感器，其特征在于：所述环形极板中的外圈极板(1)为环形，套置在其内的极板(2)为圆形。

4、如权利要求3所述的用于自动雨刷系统的传感器，其特征在于：所述圆形极板(2)的半径r1为7-9mm，所述外圈极板(1)的内圆半径r2为31-33mm，外圆半径r3为44-48mm。

5、如权利要求1或2所述的用于自动雨刷系统的传感器，其特征在于：所述平面电容器的两极板(1、2)所采用的导电材料包括：铜、铝、银、导电胶条、导电塑料、透明导电薄膜或导电胶。

6、如权利要求5所述的用于自动雨刷系统的传感器，其特征在于：所述平面电容器的安装方式包括粘接、压固、喷涂在汽车挡风玻璃(9)的内表面上。

7、如权利要求5所述的用于自动雨刷系统的传感器，其特征在于：所述平面电容器的两极板(1、2)通过粘接、压固或喷涂的方式安装在一柔性基板(4)上。

8、如权利要求7所述的用于自动雨刷系统的传感器，其特征在于：所述柔性基板(4)包括橡胶、软塑料或塑料薄膜。

9、如权利要求2所述的用于自动雨刷系统的传感器，其特征在于：所述测试信号(35)为正弦波信号、方波信号或三角波信号。

10、如权利要求1或2所述的用于自动雨刷系统的传感器，其特征在于：所述平面电容器的两极板(1、2)之间的间距大于等于所在位置的挡风玻璃(9)的厚度。

Images