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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen optischen
Feuchtigkeitssensor gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 zum Erfassen von Feuchtigkeit auf der Oberfläche eines
transparenten Materials, und insbesondere auf einen Feuchtigkeitssensor
mit einer großen
Bandbreite, einer Vormodulationsschilderung hoher Ordnung zum Verringern
der Wirkungen von unerwünschten
Rauschkomponenten.
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Das
Dokument US-A-4 355 271 offenbart einen derartigen optischen Feuchtigkeitssensor.
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Die
Ansammlung von Feuchtigkeit auf transparenten Materialien wie Glas
oder Plexiglas kann die Sicht einer Person durch das Material behindern. Motorfahrzeuge
wurden lange mit motorgetriebenen Scheibenwischern zum Entfernen
der Feuchtigkeit von der äußeren Oberfläche der
Windschutzscheibe ausgestattet, zumin dest innerhalb des Sichtfeldes des
Fahrers, und im Allgemeinen über
eine größere Fläche, um
die Sicht durch die Windschutzscheibe zu erhöhen.
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Bei
den meisten heutigen Fahrzeugen enthält das Scheibenwischersystem
Mehrpositionsschalter oder Schalter für variable Geschwindigkeit, die
dem Fahrer ermöglichen,
einen weiten, wenn nicht einen unendlich veränderbaren Bereich von Geschwindigkeiten
auszuwählen,
um den Bedingungen zu genügen.
Wischersteuerungen werden manuell betätigt und enthalten typischerweise
ein Verzögerungsmerkmal,
wodurch die Wischer mit ausgewählten
Zeitverzögerungsintervallen
intermittierend arbeiten.
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Es
wurden kürzlich
Wischersteuersysteme entwickelt, die einen auf einer der Fahrzeugscheiben befestigten
Feuchtigkeitssensor enthalten, um den Wischermotor automatisch zu
aktivieren, wenn sich Feuchtigkeit auf der Oberfläche der
Scheibe niederschlägt.
Die den Feuchtigkeitssensor enthaltenden Wischersteuersysteme sind
am typischsten auf der Windschutzscheibe befestigt, obgleich das
System auf der Rückscheibe
oder irgendeiner anderen Glasoberfläche befestigt sein kann, die
von Feuchtigkeit befreit werden soll. Derartige Wischersteuersysteme befreien
den Fahrer von der Unbequemlichkeit der häufigen Wischergeschwindigkeitseinstellung,
wenn sich die Fahrbedingungen ändern.
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Optische
Feuchtigkeitssensoren arbeiten nach dem Prinzip, dass ein Lichtstrahl
gestreut oder von seinem normalen Pfad abgelenkt wird durch die Anwesenheit
von Feuchtigkeit auf der äußeren Oberfläche der
Windschutzscheibe. Typische optische Feuchtigkeitssensoren enthalten
einen Emitter zum Emittieren eines Lichtsignals (nachfolgend als
ein Feuchtigkeitserfassungssignal bezeichnet), das vorzugsweise
ein Infrarotstrahlungssignal ist. Das Feuchtigkeitserfassungssignal
wird zu einem Feuchtigkeitserfassungsbereich auf der Windschutzscheibe
gerichtet, wo es von der äußeren Oberfläche der Windschutzscheibe
in einen Detektor zurückreflektiert
wird. Die Anwesenheit von Feuchtigkeit auf der Oberfläche der
Windschutzscheibe verringert die Amplitude des reflektierten Signals.
Der Detektor wandelt das reflektierte Feuchtigkeitserfassungssignal
in ein impulsförmiges
elektrisches Signal um, das dann demoduliert wird, um ein Signal
zu liefern, das die Feuchtigkeitsmenge in den Feuchtigkeitserfassungsbereichen
darstellt.
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Helles
Sonnenlicht stellt eine schwierige Arbeitsumgebung für einen
optischen Feuchtigkeitssensor dar. Die in den meisten optischen
Feuchtigkeitssensoren verwendeten Halbleiteremitter erzeugen optische
Energie von wenigen Milliwatt. Jedoch muss ein kommerziell verwendbarer
Feuchtigkeitssensor Tag oder Nach arbeiten und sollte in der Lage sein,
sehr kleine Feuchtigkeitströpfchen
zu erfassen, die nur eine sehr kleine Verschiebung in dem empfangenen
Signalpegel innerhalb des Feuchtigkeitssensors bewirken. Sonnenlicht
trifft auf die Oberfläche
der Erde mit ungefähr
1000 Watt optischer Energie pro Quadratmeter auf. Das Sonnenlicht
hat eine große
Bandbreite von intensivem Umgebungsstörlicht, das die Arbeitsweise
des Feuchtigkeitssensors beeinträchtigt.
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Um
das Umgebungslicht zu kompensieren, verwenden Feuchtigkeitssensoren
typischerweise kostenaufwendige optische Systeme, die so ausgebildet
sind, dass sie so viel Umgebungslicht wie möglich aus dem Feuchtigkeitserfassungssignal
heraushalten. Jedoch ist es wünschenswert,
einen Feuchtigkeitssensor mit einem kostengünstigen optischen System zu
schaffen.
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Einige
Feuchtigkeitssensoren verwenden elektronische Filter, um das unerwünschte Umgebungslicht
aus dem empfangenen Feuchtigkeitserfassungssignal zu entfernen,
wie durch Noack gelehrt wird (im US-Patent Nr. 4 355 271). Noack
zeigt einen Feuchtigkeitssensor mit einem Detektor, dessen Ausgang
mit einem Hochpassfilter erster Ordnung verbunden ist. Das Filter
weist die Niedrigfrequenz-Störkomponenten
des Signals von dem Detektor zurück
und verstärkt
das Signal, bevor es demoduliert wird. Jedoch dämpft das von Noack gelehrte
Filter erster Ordnung Frequenzen unterhalb der Grenzfrequenz des
Filters mit relativ graduellen 20 dB pro Dekade. Die graduelle Dämpfung des
Filters ermöglicht
noch, dass eine bemerkenswerte Umgebungslichtstörung in dem empfangenen Feuchtigkeitserfassungssignal
vorhanden ist, wenn es demoduliert wird. Das Umgebungslicht-Störsignal
schafft noch immer Probleme im Betrieb der Feuchtigkeitssensoren
bei hellem Sonnenlicht, wenn Schatten die falsche Erfassung von
Feuchtigkeit bewirkt. Es ist wünschenswert,
die falsche Erfassung von Feuchtigkeit durch Schatten an hellen
Sommertagen zu verringern.
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Feuchtigkeitssensoren
bei Fahrzeugen sollten in der Lage sein, bei vielen verschiedenen
Windschutzscheiben mit unterschiedlichen Lichtdurchlässigkeiten
verwendet zu werden. Die Lichtdurchlässigkeit des Windschutzscheibenglases
beeinflusst die Lichtmenge, die durch das Glas hindurchgeht und
die die Stärke
des den Detektor erreichenden reflektierten Emittersignals bestimmt.
Beispielsweise absorbieren moderne solargesteuerte Windschutzscheiben
wie solche, die unter der Marke "EZ-KOOL" verkauft werden
und kommer ziell von Libbey-Owens-Ford Co. erhältlich sind, viel von der Infrarotenergie,
die von vielen optischen Feuchtigkeitssensoren verwendet wird, wodurch
die Stärke
des reflektierten Emittersignals drastisch reduziert wird. Daher
ist es wünschenswert,
ein Feuchtigkeitserfassungssignal hoher Intensität zu erzeugen, so dass das
den Detektor erreichende Signal eine ausreichende Intensität hat, um
ein brauchbares Signal zu liefern. Weiterhin ist es wünschenswert,
ein Emittersignal hoher Intensität
zu erzeugen, um das durch Umgebungslicht geschaffene Störsignal
zu überwinden.
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Die
Intensität
des Emittersignals wird durch die Höhe der zu dem Emitter gelieferten
elektrischen Energie bestimmt. Jedoch haben typische Emitter eine
begrenzte Leistungskapazität.
Eine größere Energiemenge,
typischerweise in der Form von Stromimpulsen, kann für eine kürzere Dauer
zu dem Emitter geliefert werden, ohne die durchschnittliche Leistungskapazität des Emitters
zu überschreiten. Die
Stromimpulse erzeugen ein impulsförmiges Emittersignal mit ausreichender
Intensität.
Das impulsförmige
Emittersignal hat ein niedriges Tastverhältnis, bei dem die Signalimpulse
eine relativ kurze Dauer im Vergleich zu dem restlichen Signalintervall
haben. Es ist wünschenswert,
einen kostengünstigen
Feuchtigkeitssensor mit einer Feuchtigkeitserfassungssignal mit
niedrigem Tastverhältnis
zu erhalten, der Filter aufweist, die soviel wie möglich von
dem nützlichen Feuchtigkeitserfassungssignal
einfangen, während sie
mehr von dem Umgebungsstörsignal
zurückweisen,
um die Feuchtigkeitserfassungsfähigkeiten
des Sensors zu verbessern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
ist ein optischer Feuchtigkeitssensor mit den im Anspruch 1 definierten
Eigenschaften vorgesehen.
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Der
Feuchtigkeitssensor enthält
einen oder mehr Emitter zum Erzeugen von Feuchtigkeitserfassungssignalen,
die durch Feuchtigkeit auf dem transparenten Material beeinflusst
werden, und einen oder mehr Detektoren zum Empfangen der Emittersignale und
zum Erzeugen eines Detektorausgangssignals.
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Der
Feuchtigkeitssensor enthält
weiterhin eine Vordemodulationsverstärkung und -filterschaltung
zum Entfernen der meisten der unerwünschten Signalkomponenten einschließlich Störsignalen
von Umgebungslicht und EMI. Eine Bandpassfilterung hoher Ordnung
wird verwendet, um die Umgebungslicht-Störsignale scharf zu dämpfen, während nahezu das
gesamte nützliche
Feuchtigkeitserfassungssignal, das in dem Detektorausgangssignal
enthalten ist, hindurchgelassen wird. Eine Demodulationsschaltung
schafft ein Gleichstromsignal zum Anzeigen der Anwesenheit von Feuchtigkeit.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Vorteile der Erfindung werden für
den Fachmann augenscheinlich anhand der folgenden detaillierten
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, wenn es im
Licht der begleitenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen:
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1 ist
ein Blockschaltbild des Feuchtigkeitssensors enthaltend die Vordemodulationsverstärkung und
-filterung gemäß der Erfindung;
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2 ist
ein Diagramm, das die Feuchtigkeitssensorsignale bei dem in 1 illustrierten Feuchtigkeitssensor
illustriert;
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3 ist
ein Diagramm der Spektralantwort der Umgebungslichtstörung bei
einem optischen Feuchtigkeitssensor zur Verwendung auf einer Fahrzeug-Windschutzscheibe;
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4 ist
ein Diagramm der Spektraleigenschaften eines Feuchtigkeitssensor
mit Vordemodulationsfilterung nach dem Stand der Technik; und
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5 ist
ein Diagramm der Spektraleigenschaften nach der vorliegenden Erfindung,
das die Wirkungen der Vordemodulationsfilterung hoher Ordnung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass die spezifischen Vorrichtungen und
Prozesse, die in den angefügten
Zeichnungen illustriert und in der folgenden Beschreibung beschrieben
sind, nur beispielhafte Ausführungsbeispiele
der erfindungsgemäßen Konzepte
sind, die in den angefügten
Ansprüchen
definiert sind. Daher werden spezifische Abmessungen und andere
physikalische Eigenschaften, die sich auf die hier offenbarten Ausführungsbeispiele
beziehen, nicht als beschränkend
angesehen, sofern die Ansprüche
dies nicht ausdrücklich
anders bestimmen.
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In 1 ist
ein Blockschaltbild des Feuchtigkeitssensors 18 nach der
vorliegenden Erfindung illustriert. Das bevorzugte Ausführungsbeispiel
des Feuch tigkeitssensors 18 enthält ein Paar von Signalemittern 20,
die Feuchtigkeitserfassungssignale 22, vorzugsweise Infrarotstrahlung,
zu einem Paar von Detektoren 24 liefern. Die Signalemitter 20 sind
vorzugsweise Infrarotlicht emittierende Dioden, obgleich jegliche
geeignete Signalemitter verwendet werden können. Der Detektor 24 ist
vorzugsweise eine Photodiode, obgleich jeder geeignete Detektor
zum Empfangen des Feuchtigkeitserfassungssignals 22 verwendet
werden kann.
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Ein
Emittertreiber 36 ist mit den Emittern 20 verbunden,
um Leistung zu den Emittern in einer Höhe zu liefern, die die Amplitude
oder Intensität
der Feuchtigkeitserfassungssignale 22 bestimmt. Ein periodisch
wiederholter Torsignalimpuls 37 wird zu dem Emittertreiber 36 geliefert,
wie nachfolgend beschrieben wird.
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Die
Detektoren 24 sind mit den Emittern 20 durch ein
optisches System (nicht gezeigt) zum Empfangen zumindest eines Teils
der Feuchtigkeitserfassungssignale 22 gekoppelt, und sie
antworten durch Erzeugen individueller Erfassungssignale (nicht
gezeigt). Die Detektoren 24 sind mit einem gemeinsamen
Knotenpunkt 38 verbunden, an dem die Erfassungssignale
kombiniert werden, um ein Erfassungsausgangssignal 39 zu
erzeugen.
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Während des
Betriebs des Feuchtigkeitssensors emittiert der Emitter 20 ein
Infrarot-Feuchtigkeitserfassungssignal 22,
das auf die äußere Oberfläche des
Glases 20 in einem Erfassungsbereich (nicht gezeigt), in
welchem die Anwesenheit von Feuchtigkeit erfasst werden kann, trifft.
Das Feuchtigkeitserfassungssignal 22 oder zumindest ein
Teil hiervon wird dann durch das Glas zurück reflektiert und von dem
Detektor 24 empfangen.
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Wenn
sich Feuchtigkeit auf der Windschutzscheibe in dem Erfassungsbereich
angesammelt hat, zeigt das von dem Detektor empfangene Feuchtigkeitserfassungssignal 22 dies
durch eine Änderung der
Amplitude an. Die Detektoren 24 erzeugen ein Signal 39,
das das empfangene Feuchtigkeitserfassungssignal, das für die erfasste
Feuchtigkeit repräsentativ
ist, aufweist.
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In 2 ist
das periodisch wiederholte impulsförmige Torsignal 37,
das von dem Emittertreiber 36 empfangen wird, illustriert.
Die Torsignalimpulse 37 haben vorzugsweise eine Dauer von
50 Mikrosekunden und werden mit einer Frequenz von 1200 Hz wiederholt,
obgleich jede geeignet Dauer und Frequenz verwendet werden kann.
Der Emittertreiber 36 ist vorzugsweise eine Stromquelle,
die auf jeden Torsignalimpuls 37 so antwortet, dass sie
einen Stromimpuls zu den Emittern 20 liefert.
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Die
Emitter 20 antworten auf jeden Stromimpuls durch die bei 22 gezeigten
impulsförmigen Feuchtigkeitserfassungssignale.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist das Feuchtigkeitserfassungssignal 22 ein impulsförmiges Infrarotsignal,
das mehrere Signalwiederholungsintervalle I aufweist. Jedes Signalintervall
I hat eine Dauer von angenähert
833 Mikrosekunden auf der Grundlage der vorgenannten Torsignal-Impulsfrequenz von
1200 Hz, obgleich jede geeignete Frequenz und Dauer verwendet werden
können.
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Jedes
Signalintervall I weist einen Impuls aus Infrarotlicht, der durch
P gezeigt ist, und einen Bereich, in welchem der Emitter ausgeschaltet
ist und der durch O gezeigt ist, auf. Das Tastverhältnis des
Feuchtigkeitserfassungssignals ist der Prozentsatz des Signalintervalls
I, in welchem der Emitter 20 eingeschaltet ist. Das bevorzugte
Tastverhältnis
nach der vorliegenden Erfindung beträgt angenähert 6%, obgleich jedes niedrige
Tastverhältnis
verwendet werden kann. Ein niedriges Tastverhältnis ist definiert als ein
Tastverhältnis
von weniger als 25% und vorzugsweise weniger als 15%.
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Die
Detektoren 24 ermöglichen,
dass ein Strom in einer Höhe
fließt,
der proportional zu der Stärke
der von ihnen empfangenen reflektierten Feuchtigkeitserfassungssignale 22 ist.
Die Detektorströme
(nicht gezeigt) werden am Knotenpunkt 38 kombiniert, um
das bei 39 gezeigte Detektorausgangssignal zu erzeugen.
Das Detektorausgangssignal 39 enthält ein Signalintervall I', das ähnlich dem vorbeschriebenen
Signalintervall I ist. Das Intervall I' des Detektorausgangssignals enthält einen
Bereich M entsprechend dem empfangenen Feuchtigkeitserfassungssignal,
das Informationen über
die Feuchtigkeit in den Feuchtigkeitserfassungsbereichen sowie die
Wirkungen des auf die Detektoren auftreffenden Umgebungslichts enthält. Jedes
Intervall I' des
Detektorsignals hat auch einen Lichtsignalbereich L, in welchem
die Emitter nicht betrieben werden und der die Wirkungen des Umgebungslichts
enthält.
Das impulsförmige
Detektorausgangssignal hat dieselbe Grundfrequenz wie das Feuchtigkeitserfassungssignal,
die bei diesem Beispiel 1200 Hz beträgt. Zusätzlich zu der Grundfrequenz
enthält
das impulsförmige Detektorausgangssignal
auch Signalkomponenten von Harmonischen der Grundfrequenz. Diese
Harmonischen, die sich in der Frequenz von der Grundfrequenz aufwärts erstrecken,
enthalten nützliche
Signalinformationen über
die erfasste Feuchtigkeit.
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Es
wird wieder auf 1 Bezug genommen, in der das
Detektorausgangssignal 39 mit dem Eingangs 40a einer
Breitband-Vordemodulationsverstärker-
und -Filterschaltung 40 mit hoher Verstärkung gekoppelt ist, um unerwünschte Signalkomponenten zu
entfernen. Die Vordemodulationsverstärker- und -Filterschaltung 40 enthält eine
Hochpassfilterung 41 zum Verringern der Wirkungen der Umgebungslichtstörungen durch
Zurückweisen
von Niedrigfrequenzsignalkomponenten des Detektorausgangssignals 39.
Das Hochpassfilter 41 ist vorzugsweise ein Filter fünfter Ordnung
mit einer Eckfrequenz von angenähert
1 kHz zum scharfen Dämpfen
der Niedrigfrequenzstörungen,
während
das meiste des Feuchtigkeitserfassungsbereichs M des Detektorausgangssignals 39 enthaltend
die Signalkomponenten von den vorbeschriebenen Harmonischen hindurchgelassen wird.
Jedoch kann jedes Hochpassfilter geeigneter Ordnung mit einer geeigneten
Eckfrequenz verwendet werden.
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Die
Vordemodulationsverstärker-
und -Filterschaltung 40 enthält auch eine Tiefpassfilterung 42 zum
Zurückweisen
von Hochfrequenz-Störsignalen wie
elektromagnetischer Interferenz und zufällige Rekombination von Elektronen
und Löchern
in den Fotodiodendetektoren 24. Das Tiefpassfilter 42 ist vorzugsweise
ein Filter zweiter Ordnung mit einer Eckfrequenz von 33 kHz zum
Dämpfen
der Hochfrequenzstörungen,
während
das meiste der in dem Detektorausgangssignal 39 vorhandenen
Energie durchgelassen wird. Jedoch kann jedes Tiefpassfilter geeigneter
Ordnung mit einer geeigneten Eckfrequenz verwendet werden.
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Das
bevorzugte Ausführungsbeispiel
der Vordemodulationsverstärkungs-
und -filterschaltung 40 verwendet Mehrstufenfilter enthaltend
zwei Bandpassfilter und drei Hochpassfilter (nicht gezeigt), um das
Hochpassfilter fünfter
Ordnung und das Tiefpassfilter zweiter Ordnung zu erhalten. Jedoch
kann jede geeignete Kombination von Filtern verwendet werden. Operationsverstärker, Widerstände und Kondensatoren
(nicht gezeigt) sind in einer bekannten Weise angeordnet, um die
Filter 41, 42 zu bilden.
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Die
Vordemodulationsverstärkungs-
und – filterschaltung 40 enthält auch
eine Verstärkerstufe 43 zum
Verstärken
des Detektorausgangssignals 39. Die Verstärkung wird
vorzugsweise zu dem Detektorausgangssignal 39 durch das
vorbeschriebene Mehrstufenfilter geliefert. Die erste Stufe des
Mehrstufenfilters ist vorzugsweise als ein Transimpedanzverstärker ausgebildet,
obgleich jeder bekannte Signalverstärker verwendet werden kann.
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Die
Vordemodulationsschaltung 40 wandelt das impulsförmige Detektorausgangs-Stromsignal 39 in
ein gefiltertes verstärktes
impulsförmiges
Vordemodulations-Spannungssignal 44 um,
wie in 2 gezeigt ist. Das Vordemodulationssignal 44 wird
von dem Ausgang 40b der Vordemodulationsschaltung zu einem
Mikrocomputer 45 gesandt. Der Mikrocomputer 45 ist
vorzugsweise eine 8-Stift-Vorrichtung, Nummer PIC12C672, hergestellt
von Microchip Corporation, obgleich jeder geeignete Mikrocomputer verwendet
werden kann.
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Der
Mikrocomputer 45 enthält
einen Analog/Digital-Wandler 46,
der die analogen Vordemodulations-Spannungsimpulse 44 für die weitere
Verarbeitung durch Mikrocomputer 45 in eine digitale Form umwandelt.
Der Analog/Digital-Wandler 46 ist vorzugsweise ein 8-Bit-Wandler
mit einer Auflösung
von angenähert 20
mV, obgleich jeder geeignete Analog/Digital-Wandler mit einer geeigneten Auflösung verwendet
werden kann.
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Das
digitale Signal wird dann in einer Demodulationsstufe 48 demoduliert,
die das impulsförmige Signal
demoduliert, um ein Gleichstromsignal 49 mit einer Amplitude,
die die durch den Sensor erfasste Feuchtigkeit repräsentiert,
zu bilden. Software innerhalb des Mikrocomputers tastet das erfasste
Signal zweimal in rascher Folge ab, einmal während des Feuchtigkeitserfassungsbereichs
M des Signalintervalls I, wenn das Feuchtigkeitserfassungssignal
und die begleitenden Umgebungslichtstörungen vorhanden sind, und
einmal während
des Lichtsignalbereichs L des Signalintervalls I, wenn nur das Umgebungslichtsignal
vorhanden ist. Die Wirkungen der Umgebungslichtstörungen werden
durch die Softwarerealisierung eines zeitverschobenen linearen Differenzverstärkers subtrahiert,
wie von Teder im US-Patent Nr. 5 059 877 gelehrt wird, das hier
einbezogen wird.
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Der
Ausgang der Demodulationsstufe 48 ist mit dem Eingang 50a einer
digitalen Signalverarbeitungs(DSP)-Filterstufe 50 verbunden. Die
DSP-Filterstufe 50 enthält
ein Tiefpassfilter 52 und ein Bandpassfilter 54.
Der Ausgang 50b der DSP-Stufe ist mit einer Feuchtigkeitsereignis-Erfassungsstufe 56 verbunden,
die eine Ereigniserfassungssoftware verwendet, die vorzugsweise
von Teder im US-Patent Nr. 5 348 027 gelehrt wird, das hier einbezogen
wird, um ein Ausgangssignal bei 58 zu erzeugen, das die Anwesenheit
von Feuchtigkeit auf der Glasoberfläche anzeigt.
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Das
Ausgangssignal 58 der Feuchtigkeitsereignis-Erfassungsstufe 56 ist
mit einer Feuchtigkeitsentfer nungs-Steuervorrichtung 60 verbunden, die
vorzugsweise eine Fahrzeugwischer-Steuereinheit ist. Die Fahrzeugwischer-Steuereinheit
enthält einen
Mikrocomputer, der in der Lage ist, die Feuchtigkeitsereignis-Erfassungssignale
zu verwenden, um die Scheibenwischer als Antwort auf auf dem Glas
vorhandener Feuchtigkeit zu steuern.
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Nach
gründlicher
Untersuchung der Spektraleigenschaften der Umgebungslichtstörungen bei einem
Feuchtigkeitssensor für
die Verwendung auf einer Fahrzeugwindschutzscheibe wurde gefunden, dass
die spektrale Antwort der Störungen
in der Natur vorherrschend niederfrequent ist und sich in den Bereich
einiger zehn Hertz erstreckt. Es wird nun auf 3 Bezug
genommen, in der die Spektralcharakteristik der Umgebungslichtstörung, die
auf einen optischen Feuchtigkeitssensor für die Verwendung auf einer
Fahrzeugwindschutzscheibe einwirkt, allgemein bei 62 gezeigt
ist. Die Spektralcharakteristik wurde normiert auf null dB bei einem
Hertz.
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Es
wurde gefunden, dass die Bewegung des Fahrzeugs durch Schatten,
insbesondere an einem sonnigen Tag, bewirkt, dass der auf den Feuchtigkeitssensor
auftreffende Umgebungslichtpegel schwankt. Die schwankenden Lichtpegel
schaffen eine Umgebungslichtstörung,
die sich in der Amplitude und in der Frequenz verändert. Große Objekte
wie Brücken
und Gebäude
in direktem Sonnenlicht bewirken die größten Änderungen des Umgebungslichtpegels,
der auf den Feuchtigkeitssensor auftrifft. Diese Objekte bewirken
Niedrigfrequenz-Umgebungslichtstörungen
hoher Amplitude in der Größenordnung
von einigen Hertz. Jedoch werfen kleinere Objekte wie Baumzweige
und Telefonmasten Schatten, durch die das Fahrzeug viel schneller
fährt.
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Diese
Schatten sind nicht so dunkel wie die großen Objekte und somit bewirken
die kleineren Objekte Umgebungslichtstörungen, die eine geringere Größe, aber
eine höhere
Frequenz haben. Diese Störungen
höherer
Frequenz sind in der Größenordnung von
einigen zehn Hertz. Es wurde gefunden, dass die Umgebungslichtenergie
typischerweise mit der Rate von etwa 20 dB pro Dekade der Frequenzzunahme abnimmt,
wie durch die Spektralcharakteristik bei 62 gezeigt ist.
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Die
durch die Sonne geschaffene Umgebungslichtstörung ist extrem stark, daher
muss die Amplitude der Störung
beträchtlich
herabgesetzt werden, um das Feuchtigkeitserfassungssignal genau
zu erfassen. Um die Umgebungslichtstörung wirksam zu entfernen,
muss der Feuchtigkeitssensor das meiste der Umgebungslichtstörung dämpfen und das
meiste der Energie der empfangenen Feuchtigkeitserfassungs-Signalimpulse
durchlassen.
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Es
wird nun auf 4 Bezug genommen, in der die
Spektralfiltercharakteristiken eines Feuchtigkeitssensors nach dem
Stand der Technik mit einer mäßigen Vordemodulationsfilterung
bei 64 gezeigt sind. Die Spektralcharakteristiken eines
Feuchtigkeitserfassungssignals mit niedrigem Tastverhältnis sind
bei 66 gezeigt. Der Feuchtigkeitssensor nach dem Stand
der Technik verwendet ein Filter erster Ordnung, um eine Dämpfung der
Umgebungslichtstörung
von 20 dB pro Dekade zu erhalten. Mit einem Filter erster Ordnung
ist es nicht möglich,
eine Grenzfrequenz auszuwählen,
die nahezu das gesamte gewünschte
Signal 66 durchlässt,
doch nahezu das gesamte Störsignal 62 zurückweist.
Beispielsweise dämpft
das Filter niedriger Ordnung mit einer Eckfrequenz von 1 kHz nur
das Umgebungslicht-Störsignal bei
10 Hz um 40 dB oder einen Span nungsfaktor von 100. Da die Wirkungen
der Sonne so stark sind, können
die verbleibenden Umgebungslicht-Störungen noch
ausreichend sein, um den Betrieb des Feuchtigkeitssensors zu unterbrechen.
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Es
wird auf 5 Bezug genommen, in der die
Spektralantwort der Filterung nach der vorliegenden Erfindung bei 68 gezeigt
ist. Die Vordemodulationsfilterung verwendet eine Hochpassfilterung
hoher Ordnung, die die Umgebungslichtstörung bemerkenswert dämpft. Das
Filter hoher Ordnung verwendet bevorzugt ein Hochpassfilter fünfter Ordnung kombiniert
mit einem Tiefpassfilter zweiter Ordnung, um ein Bandpassfilter
zu erhalten, das nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird. Das
Bandpassfilter dämpft
ausreichend die Umgebungslichtstörung
vor der Demodulation, um Feuchtigkeit an einem sonnigen Tag genau
zu erfassen.
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Das
Bandpassfilter muss ein Frequenzansprechverhalten haben, das sich
bis zu etwa 33 kHz erstreckt, um das meiste der Energie in den Harmonischen
der vorbeschriebenen Feuchtigkeitssensor-Signalimpulse mit niedrigem
Tastverhältnis
einzufangen. Eine niedrigere obere Grenze des Frequenzansprechverhaltens
hat die Tendenz, die in den empfangenen Feuchtigkeitssensor-Signalimpulsen vorhandene
Energie auszulöschen.
Eine höhere Grenze
würde die
Immunität
des Systems gegenüber EMI
herabsetzen und würde
mehr Störungen
von dem Fotodiodendetektor hindurch lassen.
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Die
Neigung des Hochpassfilters sind sehr scharfe 100 dB pro Dekade.
Die Auswahl der Eckfrequenz hängt
von der Frequenz des Feuchtigkeitserfassungssignals und dem Tastverhältnis ab.
Das Hochpassfilter hoher Ordnung verliert daher nur wenige Prozent
der Energie von Feuchtigkeitssensor-Signalimpulsen. Niedrigfre quenzereignisse
wie solche, die durch Lichtstörungen
induziert werden, werden stark gedämpft. Beispielsweise werden
Umgebungslichtstörungen
von 10 Hz um mehr als 120 dB oder einen Spannungsfaktor von mehr
einer Million gedämpft.
Jede Zunahme der HPF-Frequenz bewirkt, dass das System etwas von
dem gewünschten empfangenen
Signal auslöscht.
Jede Abnahme der HPF-Frequenz
ermöglicht,
dass mehr Niedrigfrequenzstörungen
durch das System hindurchgehen. Ein Resonanzfilter ist ungeachtet
der Filterneigung für
diese Anwendung nicht geeignet, da ein Resonanzfilter eine relativ
enge Durchlassbandcharakteristik hat, die nicht alles von dem nützlichen
Feuchtigkeitserfassungssignal einschließlich der Harmonischen des
Signals mit niedrigem Tastverhältnis durchlässt, während die
vorgenannten unerwünschten
Störkomponenten
gedämpft
werden.