-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen eines optischen
Regensensors, welcher dazu ausgebildet ist, aus einem Anteil reflektierten
Lichts eine Flüssigkeitsmenge auf einer Glasfläche
zu bestimmen, wobei im Messbereich des Regensensors ein optisches
Element angeordnet wird, dessen optische Eigenschaften veränderbar
sind und der Anteil reflektierten Lichtes in Abhängigkeit
der optischen Eigenschaften des Elementes bestimmt wird. Solche
Sensoren werden insbesondere dazu eingesetzt, witterungsbedingte
Feuchtigkeit durch Regen, Schnee oder Nebel auf der Frontscheibe
eines Kraftfahrzeuges zu detektieren und eine Scheibenwischvorrichtung
bedarfsgerecht zu steuern. Die Prüfverfahren der eingangs
genannten Art dienen dazu, die Hard- und Software des Regensensors
zu optimieren, diesen in der Fertigung zu testen oder an die jeweilige Einbausituation
anzupassen.
-
Aus
der
DE 198 39 273
A1 ist bekannt, zur Messung des auf die Scheibe auftreffenden
Wassers eine Infrarotsendediode vorzusehen, welche unter einem schrägen
Einfallwinkel einen infraroten Lichtstrahl von der Innenseite der
Scheibe in das Glas einkoppelt. An der äußeren
Grenzfläche zwischen Scheibe und Umgebung wird die eingekoppelte Strahlung
totalreflektiert und gelangt so zu einer Empfängerdiode,
welche ebenfalls im Fahrzeuginneren angeordnet ist. Fallweise können
zur Ein- und Auskopplung der Lichtstrahlen noch Linsen vorgesehen
sein, welche meist als Presskörper aus einem infrarot-transparenten
Kunststoff gefertigt werden.
-
Der
von der infraroten Lichtquelle bestrahlte Bereich der Scheibe definiert
eine Messfläche. Bei Anhaften eines Wassertropfens auf
der Messfläche wird das in die Scheibe eingekop pelte Licht über
den Wassertropfen aus der Scheibe ausgekoppelt. Dadurch wird das
in der Empfängerdiode ankommende Lichtsignal geschwächt.
Wenn die Schwächung einen vorgebbaren Schwellenwert überschritten
hat, wird die Scheibenwischvorrichtung aktiviert und führt zumindest
einen Wischzyklus aus.
-
Aus
der
EP 1 662 276 A1 ist
eine Linse mit variabler Brennweite bekannt, welche zwei im wesentlichen
parallele, transparente Fenster aufweist, welche ein inneres Volumen
begrenzen. Innerhalb des Volumens befinden sich zwei nicht-mischbare Flüssigkeiten
mit unterschiedlichem Brechungsindex, wobei die Form der Grenzfläche
zwischen den Flüssigkeiten durch Anlegen einer Spannung
veränderbar ist. Hierzu weist die Linse Elektroden auf,
mit welchen innerhalb des Volumens ein elektrisches Feld ausgebildet
werden kann.
-
Weiterhin
ist aus dem Stand der Technik bekannt, die sensitiven Flächen
eines Regensensors zu vermessen, indem diese Fläche und
ihre Umgebung mit einem Silikonstempel abgetastet wird. Der Silikonstempel
führt dazu, dass ähnlich wie beim Anhaften eines
Flüssigkeitstropfen Licht aus der Scheibe ausgekoppelt
wird. Dadurch ist der totalreflektierte Anteil geringer. Dieser
Einbruch des Messsignales wird vom Regensensor detektiert. Durch
Anbringen des Silikonstempels an verschiedenen Stellen kann die
Größe und Form der Messfläche bestimmt
werden.
-
Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein Prüfverfahren anzugeben, welches die Funktionsweise eines
Regensensors realitätsnah prüft. Das Prüfverfahren
soll dabei in der Lage sein, verschiedene Regensituationen nachzustellen,
ohne dass Eingriffe in die Hard- oder Software des Regensensors
erforderlich sind. Darüber hinaus soll das Prüfverfahren schnell
an wechselnde Testmuster anpassbar sein.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren zum Prüfen eines optischen Regensensors,
welcher dazu ausgebildet ist, aus einem Anteil reflektierten Lichts
eine Flüssigkeitsmenge auf einer Glasfläche zu
bestimmen, wobei im Messbereich des Regensensors ein optisches Element
angeordnet wird, dessen optische Eigenschaften veränderbar
sind und der Anteil reflektierten Lichtes in Abhängigkeit
der optischen Eigenschaften des Elementes bestimmt wird, wobei die
optischen Eigenschaften des Elementes durch Anlegen einer elektrischen Spannung
an das optische Element verändert werden.
-
Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, statt einem Silikonstempel zumindest ein optisches
Element im Bereich der Messfläche des Regensensors anzubringen,
welches durch Anlegen einer elektrischen Spannung in seinen optischen
Eigenschaften verändert werden kann. Das zu prüfende
optische Element dient dabei in einem ersten Betriebszustand zur
Auskopplung der zur Detektierung von Feuchtigkeit verwendeten Strahlung
aus der Scheibe. In einem zweiten Betriebszustand wird die Strahlung
totalreflektiert und kann vom Regensensor nachgewiesen werden. Durch
Veränderung der optischen Eigenschaften des optischen Elementes
können unterschiedliche Regensituationen simmuliert und
das Antwortsignal des Regensensors bestimmt werden. Die Ansteuerspannung
des optischen Elementes kann dabei durch eine elektronische Steuerung
erfolgen. Dadurch ist es möglich, eine Vielzahl unterschiedlicher
Zeitverläufe der Spannung zu generieren und dadurch unterschiedliche
Messprogramme für verschiedene Baumuster eines Regensensors und/oder
verschiedene Einbausituationen und/oder verschiedene Betriebszustände
bereitzustellen.
-
Die
erfindungsgemäß zu variierenden optischen Eigenschaften
des Elementes umfassen beispielsweise die Brechkraft einer Linse,
den Brechungsindex, die Reflektivität oder die optische
Dichte. Das optische Element grenzt unmittelbar an die Außenfläche
der Scheibe, welche im Betrieb des Regensensors der Bewitterung
ausgesetzt ist und an welcher die Messstrahlung in Abwesenheit von Feuchtigkeit
an der Scheibe totalreflektiert wird. Dadurch kann eine Änderung
der optischen Eigenschaften des Messelementes unmittelbar zur Änderung des
Reflexionsverhaltens der Außenfläche der Scheibe
führen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet
sich zwischen dem optischen Element und der Glasfläche
ein elastisches Material mit im wesentlichen gleichen Brechungsindex
wie das Material der Glasfläche. Durch diese Maßnahme
wird die optische Ankopplung des Messelementes an die Glasfläche
verbessert. Verluste durch unerwünschte Relexion und Streuung
an der Grenzfläche und dem optischen Element werden vermieden.
Besonders bevorzugt eignet sich zur optischen Ankopplung des Messelementes
eine Silikonfolie. Die Dicke der Folie wird der Fachmann in Abhängigkeit
der Rauheit der Glassfläche und deren Wölbung
bestimmen. Insbesondere liegt die Dicke etwa im Bereich von 0,5
mm bis 5 mm.
-
In
einer Ausgestaltung der Erfindung weist das optische Element zumindest
eine Grenzfläche zwischen mindestens zwei, nicht mischbaren
Flüssigkeiten mit unterschiedlichem Brechungsindex auf. Durch
Anlegen einer elektrischen Spannung werden die Flüssigkeiten
einem elektrischen Feld ausgesetzt. Dies führt dazu, dass
die Lage und/oder die Form der Grenzfläche durch das elektrische
Feld verformt wird, sofern zumindest die Moleküle einer
Flüssigkeit ein Dipolmoment aufweisen. Auf diese Weise kann
beispielsweise eine Linse mit variabler Brennweite realisiert werden.
Liegt keine Spannung an, so ist die Grenzfläche nahezu
flach. Licht, welches von der Referenzlichtquelle über
die Glasfläche und gegebenenfalls ein Koppelelement in
die optische Linse eingekoppelt wird, wird an der ebenen Grenzfläche totalreflektiert
und gelangt zurück in die Empfangsdiode des Regensensors.
Bei Anlegen einer Spannung wird die Grenzfläche spärisch verformt.
Dies führt dazu, dass Licht aus der Scheibe ausgekoppelt
wird, wie dies auch bei Vorhandensein eines Wassertropfens an gleicher
Stelle der Fall wäre. Dies führt zu einem Signaleinbruch
in der Empfängerdiode, welcher als Regensignal interpretiert
werden kann.
-
In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das optische
Element zwei Kammern aufweisen, welche beide optisch an die Glasfläche
angekoppelt und durch einen Kanal miteinander verbunden sind. Eine
Kammer ist dabei mit einer Flüssigkeit gefüllt,
welche einen Brechungsindex aufweist, welcher zur Relexion der Messstrahlung
führt. Die andere Flüssigkeit weist einen Brechungsindex auf,
welcher an die verwendete Glasfläche angepasst ist und
es ermöglicht, Licht aus der Glasfläche auszukoppeln.
Weiterhin weist das optische Element Elektroden auf, mit welchen
die Flüssigkeiten in den Kammern bewegt werden können.
Dadurch kann eine Kammer wahlweise mit der ersten oder der zweiten
Flüssigkeit gefüllt werden. Dies führt
entweder zur Totalreflexion oder zur Auskopplung der Messstrahlung.
-
In
einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Vielzahl von optischen
Elementen auf der Messfläche des Regensensors und darüber
hinaus angeordnet. Durch Ansteuern einzelner optischer Elemente
kann somit die räumliche Ausdehnung der Messfläche
bestimmt werden. Weiterhin können einzelne optische Elemente
angesteuert werden, um das Auftreffen einzelner Wassertropfen auf
die Messfläche zu simmulieren. Die gleichzeitige Ansteuerung
mehrerer optischer Elemente simmuliert einen Starkregen.
-
Das
erfindungsgemäße Prüfverfahren zeichnet
sich insbesondere dadurch aus, dass unterschiedliche Prüfprogramme
in Abhängigkeit von Anbaulage, Scheibenmaterial und Sensortyp
realisiert werden können, ohne dass Änderungen
an der Hardware der Messvorrichtung vorgenommen werden müssen.
Weiterhin ermöglicht das erfindungsgemäße
Messverfahren unterschiedliche Messprogramme zur Simulation unterschiedlicher
Niederschlagssituationen auszuwählen, beispielsweise Regen.
Durch die einfache Auswahl des Messprogramms eignet sich das erfindungsgemäße
Messverfahren insbesondere zur Bandendeprüfung in der Automobilindustrie.
Der Regensensor muss zum Test nicht umkonfiguriert werden. Vielmehr
erfolgt eine Adaptierung der Hard- und Software des Regensensors
auf einen Arbeitspunkt und eine anschließende Simulation
der Bewitterung.
-
Nachfolgend
soll die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele ohne
Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher
erläutert werden.
-
1 und 2 zeigen
das erfindungsgemäße Verfahren anhand einer Linse
mit variabler Brechkraft. Dabei wird in 1 der Fall
einer trockenen Scheibe simmuliert, 2 zeigt
die Simmulation einer benetzten Scheibe.
-
3 und 4 zeigen
eine alternative Ausführungsform der Erfindung mit einem
optischen Element, welches eine erste und eine zweite Flüssigkeit enthält,
wobei eine Flüssigkeit zur Auskopplung des Lichtes aus
der Scheibe und eine andere Flüssigkeit zur Totalreflexion
des Lichtes führt. Dabei wird in 3 der Fall
einer trockenen Scheibe simmuliert, 4 zeigt
die Simmulation einer benetzten Scheibe.
-
5 zeigt,
wie eine Vielzahl optischer Elemente gemäß 3 und 4 verwendet
werden kann, um einen größeren Bereich der Messfläche
einem Test zu unterziehen.
-
1 zeigt
einen Ausschnitt aus einer Scheibe 1 im Querschnitt. Die
Scheibe weist eine Glasstärke von etwa 5 mm auf. Fallweise
kann die Scheibe getönt oder mit Beschichtungen versehen sein.
Auf der Innenseite ist ein Gehäuse 2 eines Regensensors
angeordnet. Der Regensensor weist eine Strahlungsquelle 3 auf.
Die Wellenlänge der Strahlung ist dabei an den Transparenzbereich
der Scheibe 1 angepasst. Quelle 3 sendet einen
Lichtstrahl 14a aus. Dieser wird durch ein optisches Element 5 und
eine transparente Klebefolie 6 zum Ausgleich von Unebenheiten
und zur Anpassung an den Brechungsindex in die Scheibe 1 eingekoppelt.
Im normalen Betrieb des Fahrzeuges wird bei trockener Scheibe der
Strahl 14a an der äußeren Grenzfläche 18 reflektiert
und in die Empfangsdiode 4 eingekoppelt. Die Klebefolie 6 und
das optische Element 5 dienen dabei wieder zur effizienten
Ankopplung der Scheibe 1 an den Empfänger 4.
-
In 1 ist
die Situation des erfindungsgemäßen Testverfahrens
dargestellt. Hierzu wird eine Linse 7 mit variabler Brennweite
mittels einer Silikonfolie 8 an die Grenzfläche 18 angekoppelt.
Lichtstrahl 14a verläuft somit durch Grenzfläche 18 und
Folie 8 hindurch in die erste Flüssigkeit 13 in
die Linse 7. Oberhalb der ersten Flüssigkeit 13 befindet
sich eine zweite Flüssigkeit 12, welche sich mit
Flüssigkeit 13 nicht vermischt. Zwischen beiden
Flüssigkeiten bildet sich die Grenzfläche 11 aus.
Die Form der Grenzfläche 11 kann durch Anlegen
einer Spannung an das leitfähig beschichtete Austrittsfenster 10 und
eine Gegenelektrode eingestellt werden. Hierzu wird mittels Steuergerät 9 eine
Steuerspannung erzeugt. Über den zeitlichen Verlauf der
Steuerspannung kann ein vorgebbares Messprogramm erzeugt werden.
-
In 1 liegt
keine Steuerspannung an. Dadurch ist die Grenzfläche 11 im
wesentlichen eben. Lichtstrahl 14a wird an Grenzfläche 11 totalreflektiert und
gelangt als Lichtstrahl 14c durch das Material der Scheibe 1,
Klebefolie 6 und optisches Element 5 zum Detektor 4.
Somit wird die Situation einer trockenen Scheibe simmuliert.
-
In 2 ist
an Austrittsfenster 10 und Gegenelektrode mittels Steuergerät 9 eine
Spannung angelegt. Dies bewirkt eine sphärische Verformung der
Grenzfläche 11. Dadurch ist die Bedingung für Totalreflektion
an Grenzfläche 11 nicht mehr erfüllt. Der
Lichtstrahl 14a wird an Grenzfläche 11 zu
Lichtstrahl 14b gebrochen und verlässt die schaltbare
Linse 7 durch deren Austrittsfenster 10. Somit
erreicht weniger oder kein Licht den Empfänger 4.
Diese Situation wird vom Regensensor 2 als Benetzung detektiert
und führt zum Einschalten einer Scheibenwischvorrichtung.
-
Durch
unterschiedliche Spannungen können unterschiedliche Benetzungsgrade
der Grenzfläche 18 simmuliert werden. Fallweise
können durch Verschieben der optischen Linse 7 oder
durch Anordnung einer Mehrzahl optischer Linsen 7 unterschiedliche
Flächenbereiche der Scheibe 1 einer Prüfung unterzogen
werden.
-
3 zeigt
eine alternative Ausführungsform der Erfindung mittels
eines Schaltelementes 15. Schaltelement 15 besteht
aus zwei Kammern 17a und 17b. Beide Kammern sind über
einen Kanal 16 verbunden. In Kammer 17a befindet
sich eine erste Flüssigkeit 12 mit einem ersten
Brechnungsindex. In Kammer 17b befindet sich eine zweite
Flüssigkeit 13 mit einem zweiten Brechungsindex.
Beide Flüssigkeiten sind nicht miteinander mischbar. Messelement 15 ist
wiederum optisch an Grenzfläche 18 der Scheibe 1 angekoppelt.
Fallweise kann auch hier eine Silikonfolie 8 verwendet
werden, welche in 3 nicht dargestellt ist.
-
Auf
der Innenseite der Scheibe 1 befindet sich ein Regensensor 2.
Dieser ist mittels einer transparenten Klebefolie 6 an
die Scheibe angekoppelt. Quelle 3 erzeugt einen Lichtstrahl 14a,
welcher durch ein optisches Element 5 und Klebefolie 6 in
Scheibe 1 eingekoppelt wird. An Grenzfläche 18 stößt
Lichtstrahl 14a an die Grenzungsfläche von Behälter 17a, welcher
die erste Flüssigkeit 12 enthält. Der
Brechnungsindex von Flüssigkeit 12 ist dergestalt
gewählt, dass Lichtstrahl 14a zu Lichtstrahl 14c totalreflektiert wird.
Lichtstrahl 14c durchläuft wiederum die Scheibe 1,
Klebefolie 6 und optisches Element 5 und erreicht
Detektor 4. Die in 3 dargestellte
Situation simmuliert somit eine trockene Scheibe.
-
4 zeigt
die Vorrichtung nach 3 während der Simmulation
einer benetzten Scheibe. Lichtstrahl 14a wird wiederum
durch optisches Element 5 und Klebefolie 6 in
Scheibe 1 eingekoppelt und erreicht Grenzfläche 18.
Durch Anlegen einer Spannung an nicht dargestellte Elektroden im
optischen Element 15 befindet sich mittlerweile die zweite
Flüssigkeit 13 in Kammer 17a und Flüssikeit 12 in
Kammer 17b. Der Brechnungsindex von Flüssigkeit 13 entspricht
in etwa dem Brechungsindex der Scheibe 13. Dies führt
dazu, dass Lichtstrahl 14a in den Innenraum von Behälter 17a eingekoppelt
wird. Die Behälterwände von Kammer 17a können
teilverspiegelt oder optisch transparent ausgeführt werden,
sodass Lichtstrahl 14a die Kammer 17a als Lichtstrahl 14b verlassen
kann. Dadurch wird der zum Detektor 4 gelenkte Lichtstrahl 14c zumindest
geschwächt oder aber nahezu vollständig unterdrückt.
Die Schwächung des Detektorsignals 4 wird vom
Regensensor 2 als Benetzung der Scheibe interpretiert.
Somit sollte bei intaktem Regensensor 2 ein Ansteuersignal
einer Scheibenwaschvorrichtung ausgegeben werden.
-
5 zeigt
eine Mehrzahl von optischen Elementen 15a, 15b, 15c,
... welche so angeordnet sind, dass diese eine größere
Fläche bedecken. Jede Messeinrichtung weist eine erste
Kammer 17a, eine zweite Kammer 17b und einen Kanal 16 auf.
In den Kammern befinden sich wiederum zwei verschiedene Flüssigkeiten 12 und 13.
Das nicht in 5 dargestellte Steuergerät 9 kann
dabei so adaptiert werden, dass die einzelnen optischen Elemente 15a, 15b, 15c,
... jeweils einzeln angesteuert werden können.
-
Hierdurch
ist es möglich, die Empfindlichkeit eines Regensenors zu
testen, indem entweder einzelne Messeinrichtungen 15 einzelne
Regentropfen simmulieren oder eine Mehrzahl von Regentropfen durch
eine Mehrzahl von Messeinrichtungen darzustellen. Fallweise kann
durch Aktivierung aller Messeinrichtungen 15 die Wirkung
eines geschlossenen Wasserfilms simmuliert werden.
-
Die
Messfläche eines optischen Regensensors wird durch die
von Lichtquelle 3 beleuchtete Teilfläche der Grenzfläche 18 bestimmt.
Durch Ansteuerung einzelner Messelemente 15 und Messen
des Ausgangssignals von Empfänger 14 kann die
Größe und Form dieser Messfläche mit
der Vorrichtung nach 5 bestimmt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 19839273
A1 [0002]
- - EP 1662276 A1 [0004]