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1、本文主要介绍目前汽车上常用的自动雨刮功能的基本原理，主要分为红外式雨量传感器原理介绍和雨刮自动刮水控制原理，第三节较为深入地解释了红外式雨量传感器的技术细节和实现原理。红外式雨量传感器基本原理红外式雨量传感器主要由以下几部分组成：光学元件（Optical Element）通过硅胶垫粘贴在前挡风玻璃的内侧，安装位置通常在内视镜支架座的下方。发射管、接收管在雨量传感器的PCB板上，雨量传感器固定在光学元件上。通常，光学元件、传感器、内视镜支架外部有装饰盖整个包住，从驾驶舱内看不出任何区别，因此在视觉上不会对驾驶员造成任何影响。雨量传感器安装实物如图所示。光学元件的导光面为一抛物面，如果发射管、接收
2、管均放置在抛物面的焦点上的话， 则通过光学元件入射到挡风玻璃上的光线可以认为是平行光线。雨量传感器为相对量测量，在玻璃外表面干燥的情况下，认为发射管发出的光平行入射到挡风玻璃上后被100%反射回来，通过光学元件汇聚后由接收管接收。在项目期间，如涉及到前挡风玻璃或者传感器总成有设计或结构上的变化，需要在项目车上进行多次标定测试，以获得符合项目车型需要的传感器参数。在前挡风玻璃外表面干燥的情况下，光的强度通常比较高。首先对传感器进行初始化，由此可以得出在固定发射电流情况下接收的光强度。当挡风玻璃外表面有雨滴时，入射到挡风玻璃上的光线被部分散射掉，反射后接收管的光线变少，通常情况下，雨量越大则反射回
3、来的光线越少。通过与挡风玻璃干燥情况下接收光强的比较，就可以得出目前挡风玻璃上水滴的大小、多少，进而可以判断出不同的下雨模式，传感器或控制器向雨刮电机发出刮水请求至车身控制器BCM或者独立的雨刮控制器，控制刮水器完成间歇刮水、低速连续刮水以及高速连续刮水等操作。红外雨量传感器基本工作原理如下图所示：红外式雨量传感器借助水、空气以及玻璃具有不同的光折射率以及水对红外波段具有较强的吸收能力的特性，使用红外发射管以特定角度向挡风玻璃发射红外光线，令红外光线在挡风玻璃内发生连续全反射后被红外接收器接收，而当雨滴出现在挡风玻璃上时，全反射条件被破坏，红外接收器收到的红外光强度大大减小，接收强度的变化量便
4、能反映雨量的大小，其优点在于灵敏度高，反应速度快，体积小，可靠性好，但也存在误启动，维护不便，感测区域较小的问题，例如拍打会误触发雨刮操作、该区域雨水受遮挡导致不工作等情况。但整体来说，红外式雨量传感器仍然是目前整车自动雨刮系统上应用最广泛的一种控制方式。雨刮自动刮水功能简介自动刮水系统通常在刮水系统中采用雨量传感器来实时检测前挡风玻璃上水滴大小、雨量多少。雨量传感器通过相对实时测量、模式识别、预测控制等复杂算法，判别当前的下雨量，针对感知的雨量大小，发出停止、间歇、低速、高速等不同的刮水模式，由刮水控制模块或者由雨量传感器的驱动单元直接控制刮水系统正常工作。雨量传感器采用预测控制算法，有效避
5、免了雨量传感器工作后，刮水系统会在不同刮水模式间频繁切换，影响驾驶员驾车舒适性的情况。雨量传感器在上电后，通常工作在等待模式，一旦刮水手柄被置于自动档位（传统刮水手柄的间歇档位），雨量传感器功能被激活，开始正常工作，定期发出合适的请求信号；而刮水手柄从自动档位切换到其它档位时，雨量传感器功能被禁止，刮水系统由刮水手柄手动控制，从而实现自动模式、手动模式的切换。采用总线形式的整车连接方式如下图所示，总线连接方式的系统成为雨量传感器应用的趋势。刮水手柄的相关信号由SMLS（转向盘转向模块）通过总线（可以根据需要采用不同的总线连接）经由车身控制模块（BCM）或者控制器（Controller）发给雨量
6、传感器（RS），雨量传感器的刮水请求由BCM/Controller来实现驱动。红外式雨量传感器技术详解红外辐射是一种与可见光相邻的不可见光，它也具有可见光的一般性能，遵循光的直线传播规律、反射定律、折射定律、全反射现象等。红外辐射除了具有可见光的一些性能外，它还具有它固有的特殊规律：当两个物体吸收的能量不同，则它们发射的能量也不同；善于发射的物体必善于吸收，善于吸收的物体必善于发射。当红外辐射到达物体表面时，一般要产生三种现象：透射、吸收、反射，即入射辐射的一部分被吸收，一部分被反射，一部分被透射。 红外反射式雨量传感器就是根据红外辐射的特性来进行雨量的测量。实际应用中，整套红外反射式雨量传感
7、器的组成部分有：一个能发出直线传播的红外辐射光源、一个接收红外辐射强度的装置、一个放大红外辐射强度的装置、一个对红外辐射信号的处理装置。 下图所示的是某个红外反射式雨量传感器安装在汽车驾驶室挡风玻璃内侧，进行雨量检测的原理图。从红外发射管发出的红外光以一个角度直射到挡风玻璃并发生折射。空气的折射率是1，水的折射率是1.33，玻璃的折射率是1.5。根据光的折射定律计算得出，光从玻璃入射到空气的临界角是42，从玻璃入射到水的临界角是63。取在42和63之间，如果挡风玻璃上敏感区域（传感器作用范围）无水，且红外光的入射角大于42，雨量传感器发出的红外光将在玻璃和空气的界面发生全反射并由红外接收管接收
8、；如果挡风玻璃上敏感区域有水，且红外光的入射角在4263区间内，玻璃和水滴的界面发生折射并在水和空气界面散射出去，引起红外接收管接收到的反射光减弱。因此，根据红外接收管感应反射信号的强弱可以判断挡风玻璃敏感区域雨水的大小。将红外接收管接收的红外信号通过一定的方法转变为可用于测量的电流或电压等信号，根据检测的电流或电压的强度变化来进行控制雨刷的运作，从而使得雨刷可根据雨量大小自动调节。1、传感器探测光源通常汽车雨量传感器安置在挡风玻璃靠近后视镜的角落里，并且整个雨量传感器的体积很小，所以其接收的光源的大小受到限制，因此本装置通常采用大功率光源，否则会影响探测灵敏度。现在的LED有很多不同发射光谱
9、的产品，包括红光LED、黄光LED、绿光LED、红外LED，光谱范围非常大，选择的余地也很大。选择自动雨量传感器采用的探测光的波长，既要考虑光源器件的性能指标和价格问题，又要考虑传感器对汽车的安全性的影响。虽然现在的 LED光源发射光谱几乎已经能够覆盖从紫外光到红外光的整个光谱范围，但是如果传感器所选择光源的频谱在可见光范围内，那么光源发出的探测光就会影响驾驶员的视线。因此选择红外线作为自动雨量传感器的探测光源，由于人的肉眼是看不见红外线，这样就能够保证不会影响驾驶员行车时的视线。2、硅光电池光电传感器是一种小型电子元件，它把光波作为载体，可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无
10、的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是现今光电传感器的雏形。硅光电池利用光电发射效应的原理，可以将红外光变为比较容易测量的电流。其中，光电发射效应指的是物体受到光照后向外发射电子的现象。3、光路透镜建模与仿真由于红外LED光源存在发散角，红外光会随传播的距离的增加发散，会使得红外光无法形成有效的强度，从而导致后续的红外线接收装置无法检测到红外光。因此，为了有效地利用LED光源，需要设计一个光学透镜对其发出的光线进行矫正，调整成平行光射向玻璃
11、，在玻璃外表面发生反射，然后由聚焦透镜把光线集中到硅光电池接收面。透镜曲面用等光程定理计算，光程的定义是光在媒质中通过的路程和该媒质折射率的乘积。光在折射率为n的介质中行进一段距离d，光程即为折射率和距离的乘积n*d，根据折射率的物理意义，折射率等于真空中的光速和媒质中的光速之比，所以光程就是在相同的时间内光在真空中行进的路程。光在折射率为n的介质中行经距离d所需的时间，等于光在真空中行经n*d距离所需的时间。如上图所示，设曲线 P（X，Y）为透镜曲面侧视图，具体的计算公式不展开，最终需求是得到一条曲线P，设计要求点S 处光源射向透镜曲面的发散光经过折射后平行射向参考面。将由MATLAB生成的
12、曲线坐标点序列文件导入ProE等数模软件，在数模软件中以 y轴为基准轴，将曲线旋转生成准直透镜曲面，画出三维图。将该透镜数模模型导入光学分析软件Tracepro进行光学仿真，并在光学软件Tracepro中在发射端放置 LED 光源模型。光路仿真图如下图所示：调节光源与透镜基面的距离并记录接收面的接收光强，进行曲线拟合得到发射接受比曲线，如下图所示：仿真结果表明本系统中光路系统可以有效的接收到光源发出的红外光线，并且从拟合的结果可以看出当光源离透镜基面6.6mm的位置的时候，光路系统的接收发射接收比达到最大值0.04。4、雨量传感器电路雨量传感器电路的系统结构如下图所示，系统主要由MCU、红外发
13、射电路、硅光电池接收电路、前级放大电路、取样积分电路、差分放大电路、负反馈电路组成。由MCU发出的调制方波驱动红外LED发出调制的红外探测光线射向汽车前挡风玻璃；硅光电池接收从挡风玻璃反射回的红外光信号进行光电转换，由于硅光电池转换的电信号远小于A/D转换模块的分辨率，因此需要利用前级放大电路将电信号进行放大；取样积分电路按MCU发出的和发射方波相关的取样积分时序对前级放大电压信号进行分时取样；差分放大电路对取样积分信号做差分放大处理，之后负反馈电路根据差分放大电路的输出调节红外LED的发光强度。当挡风玻璃的敏感点上没有雨水时系统保持稳定状态，硅光电池接收到的光信号保持稳定，既差分放大器的输出
14、电压保持稳定。当下雨时，滴落在敏感点上的雨滴会引起检测电路扰动，通过对差分放大器的输出电压进行AD采样可以检测出敏感点上突溅的水滴。此外，可以在雨水检测电路中加入负反馈电路，红外反射式雨量传感器既可以适应不同厚度的汽车挡风玻璃，也可以消除玻璃上的划痕、灰尘等干扰。此外，雨量传感器和自动雨刮系统还有红外发射电路，红外接收放大电路，取样积分电路，差分放大电路，通信电路等组成，在此不详细展开。雨量传感器主要供应商博世 （BOSCH）博世公司的雨量传感器如下图所示, 固定在挡风玻璃内侧, 依据检测到的雨量大小, 自动控制刮水器工作在最合理、最有效的刮水档位。雨量传感器可以在120ms内对突然溅起的水花
15、进行判断并作出反应。依靠传感器检测到的下雨信息, 可以用于自动关闭车门窗和天窗。电装 （DENSO）电装公司用于自动刮水系统的雨量传感器如下图所示, 安装在前挡风玻璃上, 采用红外方式检测雨量。科世达 (KOSTAL)科世达新一代雨量传感器同时集成了光传感器, 如图5所示, 可以通过车身控制器自动控制前刮水器, 并根据环境光照情况开 /关前照灯。天合 (TRW)天合雨量传感器如图6所示, 安装在挡风玻璃后面, 依靠红外检测和专利伺服控制技术, 雨量传感器依靠伺服技术不断适应环境条件的变化。法雷奥 ( VALEO)法雷奥雨量传感器如图7所示, 它同时集成了光传感器, 可以自动激活整车刮水、灯光系
16、统。海拉 ( HELLA)海拉雨量传感器电子模块与内视 镜 供 应 商 合作, 除了雨量 /灯光功能外加入了其他功能, 如阳光传感器、湿度传感器或成像系统,雨量传感器采用红外IR发射、接收器来确定前挡风玻璃上的湿度。可以在间歇周期可调的单次刮水和合适速度的连续刮水之间切换。海拉已开始电容式雨量传感器的研究。两组四分阳光传感器分别检测驾驶位、副驾驶位太阳辐射的强度, 为空调控制单元提供内部温度独立控制所需的信息。湿度传感器 检 测 前 挡 风 玻 璃 的 温 度 和 湿 度 ,为空调控制器提供必要的信息, 防止前挡风玻璃起雾。参考文献：1 车用雨量传感器应用_郭剑鹰2 基于雨滴粗精分割方法的车载雨量传感器_张禹3 汽车雨量传感器设计与自动雨刮控制
