DE102005039851B4

DE102005039851B4 - humidity sensor

Info

Publication number: DE102005039851B4
Application number: DE102005039851.0A
Authority: DE
Inventors: Joachim Tiedeke; Dr. Tschernitz Maximilian; Dr. Zwick Thomas
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2025-08-24
Also published as: DE102005039851A1

Abstract

Feuchtigkeitssensor (FS) zum Detektieren von auf einer Fahrzeugoberfläche befindlichen Wassertropfen umfassend- einen Oszillator (12);- einen Detektor (13);- eine resonante Struktur (11);- wobei der Oszillator (12) mit der resonanten Struktur (11) verbunden ist oder die resonante Struktur (11) umfasst; und- eine durch eine Anwesenheit von Wassertropfen (21) in einem Detektionsbereich (16) des Feuchtigkeitssensors (FS) hervorgerufene Resonanzverschiebung der resonanten Struktur (11) durch den Detektor (13) detektierbar ist; dadurch gekennzeichnet, dassder Oszillator (12) ein Sender zur Erzeugung von Wellen mit Wellenlängen ist, welche im Vakuum kleiner als 20 Zentimeter sind, undwobei die resonante Struktur (11) mindestens zwei Patches (11A, 11B) oder Patcharrays umfasst, welche zueinander parallel und gegenüberliegend angeordnet sind.Moisture sensor (FS) for detecting water drops on a vehicle surface, comprising - an oscillator (12); - a detector (13); - a resonant structure (11); - the oscillator (12) being connected to the resonant structure (11) is or comprises the resonant structure (11); and - a resonance shift of the resonant structure (11) caused by the presence of water drops (21) in a detection area (16) of the moisture sensor (FS) can be detected by the detector (13); characterized in that the oscillator (12) is a transmitter for generating waves with wavelengths which are less than 20 centimeters in a vacuum, and wherein the resonant structure (11) comprises at least two patches (11A, 11B) or patch arrays which are parallel to one another and are arranged opposite one another.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitssensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The present invention relates to a moisture sensor according to the preamble of patent claim 1.

Eine Hauptanwendung für Feuchtigkeitssensoren, welche die Anwesenheit von Tropfen innerhalb eines Messbereichs detektieren ist das automatische Ein- und Ausschalten von Scheibenwischern an Fahrzeugen. Weitere Anwendungen ergeben sich in der Gebäudetechnologie, z.B. für das automatische Schließen von Lüftungsklappen.A main application for moisture sensors that detect the presence of drops within a measuring range is the automatic switching on and off of windshield wipers on vehicles. Further applications arise in building technology, e.g. for the automatic closing of ventilation flaps.

Bekannte Feuchtigkeitssensoren, basieren auf Infrarottechnologie, indem mittels einer IR-Diode Strahlung erzeugt und durch eine weitere IR-Diode Strahlung gemessen wird. Die Sensoren können z.B. an der Innenseite einer Windschutzscheibe angebracht werden. Aufgrund von Reflexionen an der Windschutzscheibe wird ein Teil der IR-Strahlung zu der Empfängerdiode zurückgestrahlt. Die Intensität der reflektierten Strahlung hängt von der Anzahl Regentropfen ab, welche sich auf der Windschutzscheibe befinden. Durch einen Vergleich der gemessenen Werte mit Standardwerten kann auf die Anwesenheit von Regentropfen geschlossen werden. Nachteilig an den IR-Feuchtigkeitssensoren ist der Umstand, dass die Empfängerdiode durch Umgebungsstrahlung, insbesondere Sonneneinstrahlung gestört werden kann. Dies kann dazu führen, dass die Scheibenwischer plötzlich bei strahlendem Sonnenschein einsetzen. Problematisch sind auch schnelle Wechsel in der Intensität des Tageslichts. Ein weiterer Nachteil ist, dass eine an einer Fensterscheibe befestigte IR-Diode ohne zusätzliche Maßnahmen nur eine kleine Fläche der Scheibe bestrahlt. Es sind daher Anstrengungen für eine Verbesserung der IR-Sensoren unternommen worden.Known moisture sensors are based on infrared technology, in that radiation is generated by means of an IR diode and radiation is measured by a further IR diode. The sensors can e.g. attached to the inside of a windshield. Due to reflections on the windshield, part of the IR radiation is reflected back to the receiver diode. The intensity of the reflected radiation depends on the number of raindrops that are on the windshield. The presence of raindrops can be concluded by comparing the measured values with standard values. A disadvantage of the IR moisture sensors is the fact that the receiver diode can be disturbed by ambient radiation, in particular solar radiation. This can lead to the windshield wipers suddenly starting in bright sunshine. Rapid changes in the intensity of daylight are also problematic. Another disadvantage is that an IR diode attached to a window pane irradiates only a small area of the pane without additional measures. Efforts have therefore been made to improve the IR sensors.

EP 0 911 231 A2 offenbart einen Regensensor, welcher mindestens einen Strahlensender und einen Strahlenempfänger umfasst, wobei der Strahlensender an einer ersten Randkante und der Strahlenempfänger an einer zweiten, der ersten Randkante gegenüberliegenden Randkante einer Scheibe auf der Unterseite der Scheibe angeordnet sind, wobei gemäß der Erfindung der Strahlensender und der Strahlenempfänger in einem Schwarzdruckbereich der Scheibe angeordnet sind und der Schwarzdruckbereich im optischen Strahlengang des Strahlensenders und des Strahlenempfängers durchlässig ausgebildet ist. Nachteilig an der bekannten Vorrichtung ist insbesondere die aufwändige Konstruktionsweise. Je nach Sonnenstand kann jedoch Umgebungsstrahlung in die Scheibe eingekoppelt werden und zu einer Falschmessung führen. EP 0 911 231 A2 discloses a rain sensor which comprises at least one radiation transmitter and a radiation receiver, the radiation transmitter being arranged on a first edge edge and the radiation receiver on a second edge edge of a pane opposite the first edge edge, the radiation transmitter and the Radiation receivers are arranged in a black printing area of the pane and the black printing area is designed to be transparent in the optical beam path of the radiation transmitter and the radiation receiver. A disadvantage of the known device is in particular the complex construction. Depending on the position of the sun, however, ambient radiation can be coupled into the pane and lead to an incorrect measurement.

Die Druckschrift WO 2003/ 074 334 A1 beschreibt einen Feuchtigkeitssensor, bei dem die resonante Struktur eine oder mehrere Antennen aufweist.The publication WO 2003/074 334 A1 describes a moisture sensor in which the resonant structure has one or more antennas.

Aus der Druckschrift WO 99/ 02 979 A2 ist ein Streifenleitungsresonator mit sechs parallel geschalteten Leitungsbögen, ein kapazitiv gekoppelter Streifenleitungsresonator und ein aus Leiterplattensubstratstreifen gebildeter Resonator bekannt.From the publication WO 99/02979 A2 A stripline resonator with six parallel line arcs, a capacitively coupled stripline resonator and a resonator formed from printed circuit board substrate strips are known.

Die Druckschrift DE 101 63 199 A1 zeigt eine Wäschepflegeeinrichtung unter anderem mit einem Sensor zur Erkennung des Feuchtegehalts der Wäsche, wobei der Sensor einen Mikrowellenresonator mit einer Sonde zur Einkopplung eines elektromagnetischen Streufelds in den Innenraum, sowie eine Meßschaltung und eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eines Feuchtegehalts in der Wäschetromel umfasst.
Die Druckschrift US 5 686 841 A zeigt ein Messsystem umfassend eine Antenne, Maxwell-Brückenmittel sowie Frequenzsweepmittel, wobei die Antenne nahe einer Oberfläche platziert ist, auf welcher sich eine Wasser- oder Eisschicht bildet und welche eine Resonanzfrequenz erzeugt.The publication DE 101 63 199 A1 shows a laundry care device including a sensor for detecting the moisture content of the laundry, the sensor comprising a microwave resonator with a probe for coupling an electromagnetic stray field into the interior, as well as a measuring circuit and an evaluation device for determining a moisture content in the laundry drum.
The publication US 5,686,841 A shows a measuring system comprising an antenna, Maxwell bridge means and frequency sweeping means, the antenna being placed near a surface on which a water or ice layer forms and which generates a resonance frequency.

Die Druckschrift EP 2 345 890 A2 offenbart ein Verfahren zur Messung von Materialeigenschaften sowie ein Materialmessgerät. Das Messgerät umfasst dabei einen Generator für ein elektromagnetisches Feld, welches zwei oder mehr Frequenzen aufweist und welches in das Material eindringt.The publication EP 2 345 890 A2 discloses a method for measuring material properties and a material measuring device. The measuring device comprises a generator for an electromagnetic field, which has two or more frequencies and which penetrates into the material.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, das Vorhandensein von Tropfen automatisch und zuverlässig zu detektieren.The present invention is therefore based on the object of automatically and reliably detecting the presence of drops.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.This object is achieved by the measures specified in claim 1. Advantageous embodiments of the invention are specified in further claims.

Die Erfindung betrifft einen Feuchtigkeitssensor zum Detektieren von Wassertropfen. Der Feuchtigkeitssensor umfasst

- einen Oszillator, beispielsweise einen Sender, insbesondere einen HF-Sender
- einen Detektor
- eine resonante Struktur, beispielsweise einen Resonator, eine Antenne, einen Patch, ein Array mit mehreren Patches.

The invention relates to a moisture sensor for detecting water drops. The moisture sensor includes

- An oscillator, for example a transmitter, in particular an RF transmitter
- a detector
a resonant structure, for example a resonator, an antenna, a patch, an array with several patches.

Dadurch, dass,

- der Oszillator mit der resonanten Struktur verbunden ist oder die resonante Struktur umfasst und
- eine durch eine Anwesenheit von Wassertropfen in einem Detektionsbereich des Feuchtigkeitssensors hervorgerufene Resonanzverschiebung der resonanten Struktur durch den Detektor detektierbar ist,

kann das Vorhandensein von Tropfen automatisch und zuverlässig detektiert werden.As a result of that,

- the oscillator is connected to the resonant structure or comprises the resonant structure and
a resonance shift of the resonant structure caused by the presence of water drops in a detection area of the moisture sensor can be detected by the detector,

the presence of drops can be detected automatically and reliably.

Im Gegensatz zu bestehenden Lösungen, bei denen das Vorhandensein von Wassertropfen anhand eines veränderten optischen Reflexionsverhaltens von Strahlung gemessen wird, können mit einer Resonanzverschiebung Signale erzeugt werden, welche deutlicher messbar und weniger anfällig gegenüber Fremdeinflüssen sind. Das Vorhandensein von Sonnenstrahlung führt zu keiner Resonanzverschiebung einer resonanten Struktur.In contrast to existing solutions, in which the presence of water drops is measured using a changed optical reflection behavior of radiation, a resonance shift can generate signals that are more clearly measurable and less susceptible to external influences. The presence of solar radiation does not lead to a resonance shift of a resonant structure.

Die Erfindung ist zudem sehr einfach und kostengünstig herstellbar, da sie nur einfacher Bauteile bedarf. Im Gegensatz zu auf Reflexion basierenden Feuchtigkeitssensoren kann ein erfindungsgemäßer Feuchtigkeitssensor montiert (z.B. durch bloßes Ankleben) werden, ohne dass strenge Montagetoleranzen, eingehalten werden müssen. Ein erfindungsgemäßer Feuchtigkeitssensor bedarf keiner Vorkehrungen oder Vorrichtungen an einem Gebäude oder Fahrzeug, wie dies z.B. bei in EP 0 911 231 A2 offenbarten Sensorsystemen der Fall ist. Zudem können sehr dünne (z.B dünner als 10 mm) Feuchtigkeitssensoren hergestellt erdenThe invention is also very simple and inexpensive to manufacture, since it only requires simple components. In contrast to reflection-based moisture sensors, a moisture sensor according to the invention can be installed (for example, simply by gluing) without having to adhere to strict installation tolerances. A moisture sensor according to the invention does not require any precautions or devices on a building or vehicle, as is the case, for example, in EP 0 911 231 A2 disclosed sensor systems is the case. In addition, very thin (e.g. thinner than 10 mm) moisture sensors can be manufactured

Die Erfindung ist mindestens überall dort nützlich, wo Wassertropfen automatisch detektiert werden sollen. Sie ist daher insbesondere in der Gebäudeautomation und in der Fahrzeugtechnologie nützlich, beispielsweise zum Steuern von Klimasystemen, Lüftungssystemen oder Scheibenwischern.The invention is useful at least wherever water drops are to be automatically detected. It is therefore particularly useful in building automation and vehicle technology, for example for controlling air conditioning systems, ventilation systems or wipers.

Die Erfindung ist insbesondere auch überall dort nützlich, wo Wassertropfen auf eine Abdeckung wie z.B. einer Windschutzscheibe, einem Schiebedach, einem sonstigen Fenster oder einer sonstigen Abdeckung einfallen oder entstehen.The invention is particularly useful wherever water drops fall onto a cover, e.g. a windshield, sunroof, other window or cover.

Die Ausdehnung des Detektionsbereichs ist von einer Wellenlänge der durch den Oszillator und die resonante Struktur erzeugten Wellen abhängig. Typischerweise erzeugen Wassertropfen innerhalb eines Bereiches von wenigen Wellenlängen um die resonante Struktur herum eine messbare Resonanzverschiebung. Je nach Empfindlichkeit des Detektors, kann der Detektionsbereich jedoch auch einen größeren Bereich umfassen.The extent of the detection area depends on a wavelength of the waves generated by the oscillator and the resonant structure. Typically, water drops within a range of a few wavelengths around the resonant structure produce a measurable resonance shift. Depending on the sensitivity of the detector, the detection area can also encompass a larger area.

Um den Feuchtigkeissensor vor Feuchtigkeit zu schützen, kann die resonante Struktur, der Oszillator und der Detektor fest in ein wasserdichtes Gehäuse eingebaut, oder mit einer wasserdichten Beschichtung versehen werden. Der Detektionsbereich muss dann ausreichend groß eingestellt werden, damit dieser das Gehäuse oder die Beschichtung durchdringt. Der Feuchtigkeitsdetektor kann dann problemlos an feuchtigkeitsexponierten Stellen angebracht werden, z. B an einer Außenseite eines Fahrzeugs oder Gebäudes. Der Detektor kann drahtgebunden oder kabellos mit einer Steuerung kommunizieren.In order to protect the moisture sensor from moisture, the resonant structure, the oscillator and the detector can be built into a waterproof housing, or can be provided with a waterproof coating. The detection range must then be set sufficiently large so that it penetrates the housing or the coating. The moisture detector can then be easily attached to moisture-exposed areas, e.g. B on the outside of a vehicle or building. The detector can communicate with a controller by wire or wireless.

Oft ist jedoch ein wasserdichtes Gehäuse gar nicht notwendig. Wenn Regentropfen auf einer Windschutzscheibe detektiert werden sollen, kann beispielsweise ein erfindungsgemäßer Regensensor im Innern des Fahrzeuges an der Windschutzscheibe befestigt werden. Der Detektionsbereich muss dann ausreichend groß eingestellt werden, damit dieser die Windschutzscheibe durchdringt. Zur Befestigung sind keine Vorkehrungen an der Windschutzscheibe notwendig und alle gängigen Windschutzscheiben sind geeignet. Der Feuchtigkeitssensor kann beispielsweise an die Windschutzscheibe geklebt oder mittels eines am Armaturenbrett oder am Fahrzeugdach befestigten Armes welcher den Feuchtigkeitssensor hält, vorzugsweise eines federnden Armes, in der Nähe der Windschutzscheibe angeordnet werden. Alternativ kann ein erfindungsgemäßer Feuchtigkeitssensor auch an einem Fahrzeugfenster, einer Heckscheibe, an einem Schiebedach, an einem Gebäudefenster, an einer Gebäudeabdeckung oder hinter einer sonstigen für von dem Oszillator erzeugte Wellen transparenten Abdeckung angebracht werden.However, a waterproof housing is often not necessary. If raindrops are to be detected on a windshield, a rain sensor according to the invention can, for example, be attached to the windshield inside the vehicle. The detection area must then be set sufficiently large so that it penetrates the windshield. No precautions are necessary on the windshield for fastening and all common windshields are suitable. The moisture sensor can, for example, be glued to the windshield or can be arranged in the vicinity of the windshield by means of an arm fastened to the dashboard or to the vehicle roof, which holds the moisture sensor, preferably a resilient arm. Alternatively, a moisture sensor according to the invention can also be attached to a vehicle window, a rear window, a sunroof, a building window, a building cover or behind another cover that is transparent to waves generated by the oscillator.

Die Erfindung kann als akustischer oder elektromagnetischer Feuchtigkeitssensor umgesetzt werden. Ein Feuchtigkeitssensor, welcher jedoch zur Erzeugung und Detektion von elektromagnetischen Wellen ausgelegt ist, ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar und keinen durch die den Feuchtigkeitssensor erzeugten mechanischen Belastungen ausgesetzt.The invention can be implemented as an acoustic or electromagnetic moisture sensor. A moisture sensor, which, however, is designed for the generation and detection of electromagnetic waves, is particularly simple and inexpensive to produce and is not exposed to any mechanical loads generated by the moisture sensor.

Der Oszillator versetzt während einer Messung die resonante Struktur in Schwingung, während der Detektor eine durch die resonante Struktur beeinflusste Kenngröße misst. Eine Resonanzverschiebung der resonanten Struktur hat eine Veränderung der gemessenen Kenngröße zur Folge.The oscillator vibrates the resonant structure during a measurement, while the detector measures a parameter influenced by the resonant structure. A resonance shift in the resonant structure results in a change in the measured parameter.

Mögliche Kenngrößen sind insbesondere einem die resonante Struktur speisenden Signal, einem von der resonanten Struktur weitergeleiteten Signal und/oder einem von der resonanten Struktur abgestrahlten Signal zu entnehmen. Mögliche Kenngrößen sind beispielsweise die Leistung, die Amplitude oder aus der Leistung oder der Amplitude abgeleitete Kenngrößen. Weitere Kenngrößen sind beispielsweise Phasenunterschiede zwischen einem die resonante Struktur speisenden Signal, einem von der resonanten Struktur weitergeleiteten Signal und/oder einem von der resonanten Struktur abgestrahlten Signal.Possible parameters can be found in particular in a signal feeding the resonant structure, a signal forwarded by the resonant structure and / or a signal emitted by the resonant structure. Possible parameters are, for example, the power, the amplitude or from the power or the amplitude derived parameters. Further parameters are, for example, phase differences between a signal feeding the resonant structure, a signal forwarded by the resonant structure and / or a signal emitted by the resonant structure.

Vorteilhafterweise erzeugt der Oszillator Schwingungen bei einer Resonanzfrequenz der resonanten Struktur. Bei der Resonanzfrequenz ist die Änderung der Kenngrößen bei einer Verschiebung der Resonanzfrequenz oft am größten. Die Erfindung funktioniert jedoch auch dann, wenn der Oszillator Signale außerhalb einer Resonanzfrequenz der resonanten Struktur erzeugt, solange eine durch Wassertropfen hervorgerufene Resonanzverschiebung eine ausreichend deutliche Änderung der betrachteten Kenngröße bewirkt.The oscillator advantageously generates vibrations at a resonance frequency of the resonant structure. In the case of the resonance frequency, the change in the parameters is often greatest when the resonance frequency is shifted. However, the invention also works if the oscillator generates signals outside a resonance frequency of the resonant structure, as long as a resonance shift caused by water drops causes a sufficiently significant change in the parameter under consideration.

Mittels eines schmalbandigen Oszillators können Resonanzverschiebungen besonders deutlich gemessen werden.Using a narrow-band oscillator, resonance shifts can be measured particularly clearly.

Indem der Feuchtigkeitssensor Befestigungsmittel zur Befestigung an einer Scheibe oder an einem vergleichbaren, für elektromagnetische Strahlung transparenten Objekt umfasst, kann er mit minimalem Aufwand befestigt werden. Für die Anwendung in Fahrzeugen besonders geeignete Befestigungsmittel sind Klebstoffe, wie Leim oder Klebeband.Since the moisture sensor comprises fastening means for fastening to a pane or to a comparable object that is transparent to electromagnetic radiation, it can be fastened with minimal effort. Fasteners that are particularly suitable for use in vehicles are adhesives, such as glue or adhesive tape.

Hochfrequenzsender oder Mikrowellensender sind einfach und kostengünstig herstellbar. Zudem sind in der natürlichen Umgebungsstrahlung nur wenig Mikrowellen- und Hochfrequenzanteile vorhanden. Zudem können Hochfrequenz- und Mikrowellensender elektromagnetische Wellen erzeugen, mit einer ausreichend großen Wellenlänge, welche gewährleistet, dass der Detektionsbereich eines erfindungsgemäßen Feuchtigkeitssensors ein Fenster, ein Schiebedach, eine Kunststoffabdeckung, ein Sensorgehäuse, eine Sensorbeschichtung oder ein vergleichbares Objekt durchdringen kann. Beispielsweise eignen sich erfindungsgemäße Feuchtigkeitssensoren, welche innerhalb eines Vakuum-Wellenlängenbereichs von 1 Millimeter bis 20 Zentimeter betrieben werden besonders zum Einsatz in Fahrzeugen und zur Befestigung an Windschutzscheiben. Mit diesen Wellenlängen sind Detektionsbereiche erzeugbar, welche eine Windschutzscheibe durchdringen können, welche normalerweise jedoch nicht weit genug reichen, als dass durch die Anwesenheit von Fahrzeuginsassen eine Resononanzverschiebung bewirkt wird. Auch sind für diese Wellenlängenbereiche resonante Strukturen herstellbar, welche klein genug sind, um die Sicht des Fahrzeugführers nicht zu behindern und welche eine auf der Windschutzscheibe ausreichend ausgedehnte Messfläche ermöglichen um auch sehr schwachen Regen zu detektieren.High-frequency transmitters or microwave transmitters are simple and inexpensive to manufacture. In addition, there are only a few microwave and high-frequency components in the natural ambient radiation. In addition, high-frequency and microwave transmitters can generate electromagnetic waves with a sufficiently long wavelength, which ensures that the detection area of a moisture sensor according to the invention can penetrate a window, a sliding roof, a plastic cover, a sensor housing, a sensor coating or a comparable object. For example, moisture sensors according to the invention, which are operated within a vacuum wavelength range of 1 millimeter to 20 centimeters, are particularly suitable for use in vehicles and for fastening to windshields. With these wavelengths, detection areas can be generated which can penetrate a windshield, but which normally do not reach far enough for the resonance shift to be caused by the presence of vehicle occupants. It is also possible to produce resonant structures for these wavelength ranges, which are small enough not to obstruct the driver's view and which allow a sufficiently large measuring area on the windshield to detect even very light rain.

Dadurch, dass die resonante Struktur einen Resonator, eine Antenne, einen Patch, ein Patcharray oder einen sonstigen Patch-Resonator umfasst, ergibt sich ein besonders einfach herstellbarer und kostengünstiger Feuchtigkeitssensor.The fact that the resonant structure comprises a resonator, an antenna, a patch, a patch array or another patch resonator results in a particularly simple to manufacture and inexpensive moisture sensor.

Durch eine Integration der resonanten Struktur und/oder des Oszillators und/oder des Detektors auf einer Leiterplatte ergibt sich ein besonders einfach herstellbarer und kostengünstiger Feuchtigkeitssensor.Integrating the resonant structure and / or the oscillator and / or the detector on a printed circuit board results in a moisture sensor that is particularly easy to manufacture and inexpensive.

Je nach Bauart des Feuchtigkeitssensors ist die resonante Struktur nicht an einer Außenseite des Feuchtigkeitssensors angeordnet oder liegt bei einer Befestigung des Feuchtigkeitssensors nicht direkt einer Windschutzscheibe an. Damit der Detektionsbereich trotzdem die Windschutzscheibe trotzdem möglichst gut durchdringt, kann die resonante Struktur mit Hilfe eines Patches oder einer Patcharray, welche an die Windschutzscheibe aufgedampft oder geklebt ist, erweitert werden. Der Patch oder die Patcharray sollte dazu möglichst ähnliche Resonanzeigenschaften wie die restliche resonante Struktur aufweisen. Eine sehr einfache Lösung stellt erfindungsgemäß die gegenüberliegende Anordnung zweier identischer Patches oder Patcharrays dar, wobei ein Patch auf der Windschutzscheibe befestigt ist und ein Patch in dem an der Windschutzscheibe befestigten Feuchtigkeitssensor angeordnet ist. Dieses Prinzip ist in keiner Weise auf Windschutzscheiben beschränkt, es funktioniert genau so gut mit andern Scheiben, Schiebedächern oder elektromagnetische Wellen transmittierenden Abdeckungen.Depending on the design of the moisture sensor, the resonant structure is not arranged on an outside of the moisture sensor or is not in direct contact with a windshield when the moisture sensor is attached. So that the detection area nevertheless penetrates the windshield as well as possible, the resonant structure can be expanded with the aid of a patch or a patch array which is vapor-deposited or glued to the windshield. For this purpose, the patch or the patch array should have resonance properties that are as similar as possible to the rest of the resonant structure. A very simple solution according to the invention is the opposite arrangement of two identical patches or patch arrays, one patch being attached to the windshield and one patch being arranged in the moisture sensor attached to the windshield. This principle is in no way limited to windshields; it works just as well with other windows, sunroofs or covers that transmit electromagnetic waves.

Dadurch, dass der Detektor über ein Detektionsmittel verfügt, zur Detektion der Resonanzverschiebung der resonanten Struktur anhand

- einer durch den Oszillator abgegebenen Leistung und/oder
- einer durch die resonante Struktur aufgenommenen und/oder abgestrahlten und/oder in Form von elektrischer Energie weitergeleiteten Leistung und/oder
- einer durch die Resonanzverschiebung hervorgerufenen Phasenverschiebung,

ergibt sich ein besonders einfacher und kostengünstiger Feuchtigkeitssensor. Insbesondere Detektionsmittel, welche Messungen von elektrischen Signalen des Feuchtigkeitssensors von können kostengünstig in den Schaltkreis des Feuchtigkeitssensors integriert werden.Because the detector has a detection means for detecting the resonance shift of the resonant structure based on

- a power output by the oscillator and / or
a power absorbed and / or radiated and / or transmitted in the form of electrical energy by the resonant structure and / or
a phase shift caused by the resonance shift,

the result is a particularly simple and inexpensive moisture sensor. In particular, detection means, which measurements of electrical signals from the moisture sensor can be inexpensively integrated into the circuit of the moisture sensor.

Wassertropfen im Nahfeld von von dem Oszillator erzeugten elektromagnetischen Wellen, führen zu besonders deutlich messbaren Resonanzverschiebungen der resonanten Struktur.Water drops in the near field of electromagnetic waves generated by the oscillator, lead to particularly clearly measurable resonance shifts in the resonant structure.

Dadurch, dass der Feuchtigkeitssensor eine Abschirmung zur Eingrenzung des Detektionsbereiches umfasst, kann der Detektionsbereich eingegrenzt werden. Damit kann beispielsweise verhindert werden, dass in einem Fahrzeug die Anwesenheit von Passagieren fälschlicherweise zum Detektieren von Wassertropfen führt.Due to the fact that the moisture sensor includes a shield to limit the detection area, the detection area can be limited. This can prevent, for example, the presence of passengers in a vehicle from incorrectly leading to the detection of water drops.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert. Dabei zeigen:

1 einen Feuchtigkeitssensor in einer ersten Ausführungsform;
2 einen Thru-Patch;
3a den Reflexionsfaktor und den Transmissionsfaktor eines Thru-Patches in Abhängigkeit von der Frequenz eines HF-Eingangssignals, welches am Eingang des Thru-Patches anliegt;
3b den Phasenunterschied zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Thru-Patches in Abhängigkeit von der Frequenz eines HF-Eingangssignals, welches am Eingang des Thru-Patches anliegt;
4 ein Blockschaltbild eines Feuchtigkeitssensors S;
5 einen Feuchtigkeitssensor in einer weiteren Ausführungsform.

The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, for example. Show:

1 a humidity sensor in a first embodiment;
2 a thru patch;
3a the reflection factor and the transmission factor of a thru patch as a function of the frequency of an RF input signal which is present at the input of the thru patch;
3b the phase difference between the input and the output of the thru patch as a function of the frequency of an RF input signal which is present at the input of the thru patch;
4 a block diagram of a moisture sensor S;
5 a moisture sensor in a further embodiment.

1 zeigt einen Feuchtigkeitssensor FS, welcher eine Hochfrequenzschaltung (HF-Schaltung) 15 und einen Patch-Resonator 11 umfasst, in einer ersten Ausführungsform. Die HF-Schaltung 15 ist auf einer Seite einer Leiterplatte 14 angeordnet und umfasst einen Oszillator und einen Detektor. Der Patch-Resonator 11 ist auf der andern Seite der Leiterplatte 14 angeordnet und mit der HF-Schaltung 15 verbunden. 1 shows a moisture sensor FS , which a high-frequency circuit (RF circuit) 15 and a patch resonator 11 comprises, in a first embodiment. The RF circuit 15 is on one side of a circuit board 14 arranged and comprises an oscillator and a detector. The patch resonator 11 is on the other side of the circuit board 14 arranged and with the RF circuit 15 connected.

Die Leiterplatte 14, der Patch-Resonator 11 und die HF-Schaltung 15 sind in einem Gehäuse 19 angeordnet. Das Gehäuse 19 ist derart an der Innenseite einer Windschutzscheibe 20 befestigt, dass der Patch-Resonator 11 in geringem Abstand zu der Windschutzscheibe 19 angeordnet ist. In einer Variante der ersten Ausführungsform liegt der Patch-Resonator 11 an der Windschutzscheibe 19 an.The circuit board 14 , the patch resonator 11 and the RF circuit 15 are in one housing 19 arranged. The housing 19 is like that on the inside of a windshield 20 attached that the patch resonator 11 at a short distance from the windshield 19 is arranged. In a variant of the first embodiment, the patch resonator is located 11 on the windshield 19 on.

Ein Detektionsbereich ist durch den Patch-Resonator 11 und die HF-Schaltung 15 erzeugbar. In einem um den Patch-Resonator 11 herum angeordneten Detektionsbereich 16 ist eine durch eine Anwesenheit von Wassertropfen 21 hervorgerufene Resonanzverschiebung der resonanten Struktur durch den Detektor detektierbar. Der Detektionsbereich 16 durchdringt die Windschutzscheibe 20. Deshalb sind Regentropfen 21 auf der Außenseite der Windschutzscheibe 20 durch den Feuchtigkeitssensor detektierbar.A detection area is through the patch resonator 11 and the RF circuit 15 produced. In one around the patch resonator 11 detection area arranged around 16 is one due to the presence of water drops 21 caused resonance shift of the resonant structure detectable by the detector. The detection area 16 penetrates the windshield 20 , That is why raindrops are 21 on the outside of the windshield 20 detectable by the moisture sensor.

In der vorliegenden ersten Ausführungsform erzeugt der Oszillator Schwingungen bei einer Resonanzfrequenz des Patch-Resonators 11. Bei der Resonanzfrequenz ist eine Resonanzverschiebung oft am deutlichsten messbar. In Varianten der ersten Ausführungsform erzeugt der Oszillator Schwingungen, welche außerhalb der Resonanzfrequenz des Patch-Resonators 11 liegen.In the present first embodiment, the oscillator generates vibrations at a resonance frequency of the patch resonator 11 , A resonance shift is often most clearly measurable at the resonance frequency. In variants of the first embodiment, the oscillator generates vibrations that are outside the resonance frequency of the patch resonator 11 lie.

Um auch eine geringe Konzentration von Regentropfen 21 auf einer Windschutzscheibe 20 oder einer sonstigen Abdeckung zuverlässig detektieren zu können, ist es von Vorteil, wenn ein Feuchtigkeitssensor eine relativ große Fläche abdeckt. Für die Montage an Windschutzscheiben 21 sollte ein Feuchtigkeitssensor FS die Sicht eines Fahrzeuglenkers jedoch möglichst wenig behindern.To also a low concentration of raindrops 21 on a windshield 20 or to be able to reliably detect another cover, it is advantageous if a moisture sensor covers a relatively large area. For mounting on windshields 21 however, a moisture sensor FS should obstruct the view of a vehicle driver as little as possible.

2 zeigt einen Thru-Patch 11, mit einem Eingang EIN an einer Seite und einem Ausgang AUS an der gegenüber liegenden Seite. Ein Thru-Patch, oder ein Array von Thru-Patches ist eine mögliche Lösung für eine an Windschutzscheiben 20 angepasste resonante Struktur 11. Ebenso können auch andere Patches oder andere resonante Strukturen, wie zum Beispiel in einer Ecke gespeiste Patches, nicht-rechteckige Patches, nicht-Thru-Patches oder Stabantennen verwendet werden. Der Thru-Patch 11 funktioniert wie ein Bandpass-Filter. Bei der Resonanzfrequenz wird am Eingang EIN ein minimales Signal reflektiert, während ein großer Teil der Energie durch den Thru-Patch 11 transmittiert wird. Der restliche Teil der Energie wird abgestrahlt. 2 shows a thru patch 11 , with an input ON on one side and an output OFF on the opposite side. A thru patch, or an array of thru patches, is a possible solution for one on windshields 20 adapted resonant structure 11 , Other patches or other resonant structures, such as patches fed in a corner, non-rectangular patches, non-thru patches or rod antennas can also be used. The Thru patch 11 works like a bandpass filter. At the resonance frequency, a minimal signal is reflected at the IN input, while a large part of the energy is generated by the Thru-Patch 11 is transmitted. The rest of the energy is radiated.

3a zeigt beispielhaft in dB für einen Thru-Patch von 30 Millimeter auf 46 Millimeter den Reflexionsfaktor S11 eines durch einen Oszillator erzeugten Eingangssignals am Eingang des Thru-Patches und den Transmissionsfaktor S21 durch den Thru-Patch in Abhängigkeit von der Frequenz des Eingangssignals. Der vorliegende Thru-Patch hat eine Resonanzfrequenz bei 2.55 GHz. Bei der Resonanzfrequenz weist der Reflexionsfaktor S11 ein Minimum auf. Da der Feuchtigkeitssensor während des Betriebes abstrahlt, empfiehlt sich der Betrieb im 2.5 GHz industrial-scientificmedical-Band (ISM-Band). Eine schmalbandige Resonanz kann durch ein möglichst dünnes Substrat für den Thru-Patch erreicht werden. 3a shows the reflection factor in dB for a thru patch from 30 millimeters to 46 millimeters S11 an input signal generated by an oscillator at the input of the thru patch and the transmission factor S21 through the thru patch depending on the frequency of the input signal. This Thru-Patch has a resonance frequency of 2.55 GHz. At the resonance frequency, the reflection factor S11 a minimum on. Since the moisture sensor emits during operation, operation in the 2.5 GHz industrial-scientific-medical band (ISM band) is recommended. A narrow-band resonance can be achieved with the thinnest possible substrate for the thru patch.

3a veranschaulicht, warum es vorteilhaft ist, wenn der Oszillator ein Probesignal bei einer Resonanzfrequenz fr der resonanten Struktur erzeugt. Dient beispielsweise eine Änderung des Reflexionsfaktors S11 als Indikator für die Anwesenheit von Wassertropfen, so wirkt sich eine Verschiebung der Resonanzfrequenz fr dann besonders ausgeprägt auf den Reflexionsfaktor S11 aus, wenn das Probesignal die Resonanzfrequenz fr der resonanten Struktur aufweist. Da zudem bei der Resonanzfrequenz fr der Reflexionsfaktor minimal ist, führt eine Resonanzverschiebung eindeutig zu einem anderen Reflexionsfaktor. Wird nicht ein Minimum verwendet, so besteht das geringe Risiko, dass bei Anwesenheit von Regentropfen zufälligerweise der gleiche Reflexionsfaktor gemessen wird, wie bei Abwesenheit von Regentropfen, da die Messung von einer Seite der Kurve auf die andere Seite verschoben wird. 3a illustrates why it is advantageous if the oscillator generates a sample signal at a resonance frequency for the resonant structure. Used, for example, to change the reflection factor S11 as an indicator of In the presence of water drops, a shift in the resonance frequency then has a particularly pronounced effect on the reflection factor S11 off when the sample signal has the resonance frequency for the resonant structure. In addition, since the reflection factor is minimal for the resonance frequency, a resonance shift clearly leads to another reflection factor. If a minimum is not used, there is a low risk that the same reflection factor is randomly measured in the presence of raindrops as in the absence of raindrops, since the measurement is shifted from one side of the curve to the other side.

Die Erfindung funktioniert jedoch auch dann, wenn der Oszillator Signale außerhalb einer Resonanzfrequenz fr der resonanten Struktur erzeugt, solange eine durch Wassertropfen hervorgerufene Resonanzverschiebung ein ausreichend deutliches Signal erzeugt.However, the invention also works if the oscillator generates signals outside a resonance frequency for the resonant structure, as long as a resonance shift caused by water drops generates a sufficiently clear signal.

Anstelle des Reflexionsfaktors S11 können auch andere Kenngrößen als Indikator für eine Resonanzverschiebung dienen, beispielsweise der Transmissionsfaktor S12. Anhand von 3a ist ersichtlich, dass der Transmissionsfaktor S12 auch außerhalb der Resonanzfrequenz fr stark frequenzabhängig ist. Der Transmissionsfaktor S12 veranschaulicht daher deutlich, dass ein von dem Oszillator erzeugtes Probesignal nicht zwingend bei der Resonanzfrequenz fr liegen muss.Instead of the reflection factor S11 other parameters can also serve as an indicator of a resonance shift, for example the transmission factor S12 , Based on 3a it can be seen that the transmission factor S12 is also heavily frequency-dependent outside the resonance frequency fr. The transmission factor S12 therefore clearly illustrates that a sample signal generated by the oscillator need not necessarily be at the resonance frequency fr.

Eine weitere Möglichkeit, eine Resonanzverschiebung zu detektieren ergibt sich durch eine Messung einer Phasenverschiebung, welche sich zwischen dem Eingang und dem Ausgang eines Thru-Patches ergibt:

3b zeigt beispielhaft für einen Thru-Patch von 30 Millimeter auf 46 Millimeter die Phasenverschiebung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Thru-Patches in Abhängigkeit von einem HF-Eingangssignal, welches am Eingang des Thru-Patches anliegt. Bei der Resonanzfrequenz fr (2.55 GHz) des Thru-Patches ergibt sich die höchste Frequenzabhängigkeit der Phasendifferenz. Eine durch eine Anwesenheit von Wassertropfen hervorgerufene Resonanzverschiebung des Thru-Patches erzeugt eine Verschiebung der in 3b dargestellter Kurve. Im Bereich der Resonanzfrequenz fr ist die Verschiebung am deutlichsten messbar.

Another way to detect a resonance shift is to measure a phase shift that results between the input and the output of a thru patch:

3b shows an example of a thru patch from 30 millimeters to 46 millimeters, the phase shift between the input and the output of the thru patch depending on an RF input signal that is present at the input of the thru patch. At the resonance frequency fr (2.55 GHz) of the thru patch, the highest frequency dependence of the phase difference results. A resonance shift of the Thru patch caused by the presence of water drops produces a shift in the 3b shown curve. The shift is most clearly measurable in the range of the resonance frequency fr.

4 zeigt ein Blockschaltbild eines Feuchtigkeitssensors FS. Der Feuchtigkeitssensor FS umfasst einen Oszillator 12, einen Patch-Resonator 11 mit mindestens einem Thru-Patch 11A und einen Detektor 13 welcher geeignet ist um eine Phasenverschiebung eines durch den Patch-Resonator 11 transmittierten Signals messen zu können. Der Patch-Resonator 11 wird mittels eines spannungsgesteuerten Oszillators VCO mit einem Eingangssignal gespeist. Ein Patchausgangssignal wird in einem ersten Mischer M1 mit dem Patcheingangssignal überlagert. In einem zweiten Mischer M2 wird das Patchausgangssignal mit einem um 90° phasenverschobenen Patcheingangssignal überlagert. Dazu wird das Patcheingangssignal mittels eines Phasenschiebers PS modifiziert. Anhand der analogen Spannungen I, Q am Ausgang der beiden Mischer M1, M2, kann eine Phasenverschiebung zwischen dem Patcheingangssignal und dem Patchausgangssignal ermittelt werden, beispielsweise durch eine Quotientenbildung der beiden analogen Spannungen I, Q. 4 shows a block diagram of a moisture sensor FS , The moisture sensor FS includes an oscillator 12 , a patch resonator 11 with at least one thru patch 11A and a detector 13 which is suitable for a phase shift of one through the patch resonator 11 to be able to measure transmitted signal. The patch resonator 11 is fed with an input signal by means of a voltage controlled oscillator VCO. A patch output signal is in a first mixer M1 overlaid with the patch input signal. In a second mixer M2 the patch output signal is overlaid with a 90 ° phase-shifted patch input signal. To do this, the patch input signal is generated using a phase shifter PS modified. Based on the analog voltages I . Q at the exit of the two mixers M1 . M2 , a phase shift between the patch input signal and the patch output signal can be determined, for example by forming the quotient of the two analog voltages I, Q.

Die Verarbeitung der analogen Spannungen I, Q am Ausgang der beiden Mischer M1, M2 kann in einem digitalen oder analogen Steuervorrichtung mc vorgenommen werden. Die Steuervorrichtung mc kann einen Scheibenwischer SW steuern. Die Ausgangssignale des Oszillators VCO, der Mischer M1, M2 und des Thru-Patches können mittels Verstärkern A verstärkt werden. Die Steuervorrichtung mc und/oder ein Zähler C vor welchen ein Frequenzteiler /N können verwendet werden um die Frequenz des Oszillators VCO zu steuern.The processing of the analog voltages I, Q at the output of the two mixers M1 . M2 can be done in a digital or analog control device mc. The control device mc can control a wiper SW. The output signals of the oscillator VCO, the mixer M1 . M2 and the Thru patch can be done using amplifiers A be reinforced. The control device mc and / or a counter C before which a frequency divider / N can be used to control the frequency of the oscillator VCO.

Anstelle eines Patch-Resonators 11 mit Thru-Patches 11A kann auch eine andere resonante Struktur 11 mit einem Eingang und einem Ausgang verwendet werden.Instead of a patch resonator 11 with thru patches 11A can also have another resonant structure 11 can be used with one input and one output.

In einer weiteren Ausführungsform wird ein Patch-Resonator 11 mit mindestens einem Patch verwendet, welcher keinen Ausgang hat und somit kein Thru-Patch ist. Anstatt der Phasenverschiebung zwischen Eingangssignal und Ausgangssignal kann die Phasenverschiebung zwischen Eingangssignal und abgestrahltem Signal als Indikator für eine Resonanzverschiebung dienen.In a further embodiment, a patch resonator 11 used with at least one patch that has no output and is therefore not a thru patch. Instead of the phase shift between the input signal and the output signal, the phase shift between the input signal and the emitted signal can serve as an indicator of a resonance shift.

5 zeigt einen Feuchtigkeitssensor FS in einer weiteren Ausführungsform. Ein erster Patch 11A ist auf einer Seite einer Leiterplatte 14 integriert. Eine elektronische Schaltung 15, welche einen Oszillator und einen Detektor umfasst, ist auf der andern Seite der Leiterplatte 14 angebracht. Der Patch 11A, die Schaltung 15 und die Leiterplatte 14 sind versenkt in einem Gehäuse 19 angeordnet. Das Gehäuse 19 ist an einer Windschutzscheibe 20 angeklebt. Damit der Detektionsbereich 16 des Feuchtigkeitssensors FS die Windschutzscheibe 20 möglichst gut durchdringt, umfasst eine resonante Struktur 11 den ersten Patch 11A und einen zweiten Patch 11B, welcher zu dem ersten Patch 11A parallel und gegenüberliegend an der Innenseite der Windschutzscheibe 20 angeklebt ist. Der zweite Patch 11B kann vor der Befestigung des Gehäuses 19 an die Windschutzscheibe 20 geklebt oder aufgedampft werden. Das Befestigen des zweiten Patches 11 an der Windschutzscheibe 20 hat den Vorteil, dass falls die Leiterplatte 14 nicht direkt an der Windschutzscheibe 20 befestigbar ist, die Sensitivität des Feuchtigkeitssensors FS erhöht werden kann, da eine Anwesenheit von Regentropfen 21 auf der Außenseite der Windschutzscheibe 20 zu einer größeren Resonanzverschiebung führt. 5 shows a moisture sensor FS in a further embodiment. A first patch 11A is on one side of a circuit board 14 integrated. An electronic circuit 15 , which includes an oscillator and a detector, is on the other side of the circuit board 14 appropriate. The patch 11A , the circuit 15 and the circuit board 14 are sunk in a housing 19 arranged. The housing 19 is on a windshield 20 glued. So that the detection area 16 of the moisture sensor FS the windshield 20 penetrates as well as possible, includes a resonant structure 11 the first patch 11A and a second patch 11B which led to the first patch 11A parallel and opposite on the inside of the windshield 20 is glued. The second patch 11B can before attaching the case 19 to the windshield 20 be glued or evaporated. Attaching the second patch 11 on the windshield 20 has the advantage that if the circuit board 14 not directly on the windshield 20 can be fastened, the sensitivity of the moisture sensor FS can be increased because of the presence of raindrops 21 on the outside of the windshield 20 leads to a larger resonance shift.

Claims

Moisture sensor (FS) for detecting water drops on a vehicle surface, comprising - an oscillator (12); - a detector (13); - a resonant structure (11); - wherein the oscillator (12) is connected to the resonant structure (11) or comprises the resonant structure (11); and - a resonance shift of the resonant structure (11) caused by the presence of water drops (21) in a detection area (16) of the moisture sensor (FS) can be detected by the detector (13); characterized in that the oscillator (12) is a transmitter for generating waves with wavelengths which are less than 20 centimeters in a vacuum, and wherein the resonant structure (11) comprises at least two patches (11A, 11B) or patch arrays which are mutually connected are arranged in parallel and opposite.

Humidity sensor after Claim 1 , characterized in that the moisture sensor (FS) comprises fastening means, preferably for fastening to or in the vicinity of a pane (20) or to a comparable object (20) that is transparent to electromagnetic radiation.

Humidity sensor after Claim 1 or 2 characterized in that the oscillator (12) is a high-frequency transmitter and / or a microwave transmitter, and / or a transmitter for generating waves with wavelengths which are greater than 1 millimeter in a vacuum.

Moisture sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the resonant structure (11) and / or the oscillator (12) and / or the detector (13) are integrated on a printed circuit board (14).

Moisture sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the detector (13) has a detection means for detecting the resonance shift of the resonant structure (11) on the basis of - a power or amplitude output by the oscillator (12) and / or - one by the resonant structure (11) absorbed power or amplitude and / or - a power or amplitude emitted by the resonant structure (11) and / or - a power or amplitude transmitted through the resonant structure (11) in the form of electrical energy and / or - A phase shift caused by the resonance shift.

Moisture sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the moisture sensor (FS) is a rain sensor, in particular for vehicles, in particular for attachment to vehicle windows (20) or sunroofs.

Moisture sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the detection area (16) comprises a near field of a resonance frequency of the resonant structure (11).

Moisture sensor according to one of the preceding claims, characterized in that the moisture sensor (FS) comprises a shield for delimiting the detection area (16).

Moisture sensor according to one of the preceding claims, characterized in that a sample signal at a resonance frequency (fr) of the resonant structure (11) can be generated by the oscillator (12).

A vehicle comprising a moisture sensor according to any one of the preceding claims.