薄膜阻抗式窗雨滴感测之初探

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1、中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會文集 中原大學 桃園、中壢 中華民國九十十一月二十三日、二十四日 文編號：E18-0042 薄膜阻抗式窗雨滴感測之初探薄膜阻抗式窗雨滴感測之初探 許煜政1、蔡習訓2、馮慧平3、張廷宇4 明志科技大學機械學系教授3、副教授2、研究生1 英業達研發工程師4 國科會計畫編號：NSC95-2516-S-131-002 摘要 摘要 自動雨刷感測架構主要為光學感應式，惟誤判 高且敏欠佳。本研究之薄膜阻抗式雨滴感測裝置 的感測方法，其由電極所組成，以一定間距之電極 感測雨滴對電阻之改變，使輸出電壓產生變化，並藉 微控制器作為訊號處及輯判斷。實驗結果顯示雨 勢愈大時則訊

2、號變化愈明顯，而當雨滴為霧時，訊 號改變視窗玻璃積之霧雨滴而定，與人眼對 窗透視況近似。與光學式雨滴感測訊號比較，薄 膜阻抗式具敏，且可較早判別。 關鍵字：自動雨刷、薄膜阻抗感測、光學感測 前言前言 現今房以舒適性及安全性為主要訴求，而新起 的“雨刷科技也在近期有許多相關研究與產品出 現，自動感測雨刷系統即是眾多廠商研發之目標，自 動感測雨刷系統主要訴求為安全性與可靠性，因此， 能準確測得擋風玻璃上雨多寡進而控制雨刷作動頻 ，並期望以同方式改善其效與生產成本即為研 究重點。 過去文獻資可知自動雨刷感測系統可分為壓電 感測、電性之阻抗感測、光學反射之感測、影像感測。 運用光學式感測器啟動汽雨刷，

3、由2001Kurahashi et al.3以光學反射型之雨滴感測器測，光源為紅 外線，其探討自動雨刷系統之可靠，並建自動雨 刷系統的控制法則；2006Park et al.4以視覺影像處 配合模糊輯控制判斷雨勢大小，此智慧型雨刷 系統可準確判別雨滴有無在前擋風玻璃，並在反應 時間內啟動自動雨刷。 用電性之阻抗式感測器之研究包括2000 MiljkovicH et al.1以電性作為判別雨勢大小基礎，而 2001Ertunc et al.2則是用銅線傳導性感測雨 ，當銅線間無雨滴時電阻為無窮大，雨低下時銅 線的電阻值則會隨雨的多寡而變化，再由驅動電 使雨刷啟動。國內專可知第008126號(19

4、77)係以電 極感知雨而變化極間之電阻，以雨水檢知器電阻 變化而用以改變馬達轉速之控制電，另第041444號專(1988)之雨水集水感測器係由FRP薄膜鍍銅再鍍 鎳，於電導通，在印刷成直線型網貼設於前 窗底邊以感測擋風玻璃外的雨水，將感測電轉換 成電壓在進判斷程序。而第 055625 號專(1990) 之雨水感測器於棄前擋風玻璃之雨刷靜止位置 上方，感測器與電極構成，藉由感測器附著水份後 之阻抗變化進判斷。 由以上研究之分析可知，光學式雨滴感測架構為 主，然皆無法有效低外界環境光干擾，且現已 化之相關產品皆成本高、敏感足、誤判斷機過 高。本研究使用阻抗式雨滴感測原，以薄膜化且塗 佈感濕高分子膜

5、之感測器實際探究其應用之可性， 薄膜阻抗式感測器輸出訊號以AD/DA介面卡抓取，並 以雨刷測試機台實際上線獲得其訊號輸出，並同時感 測光學式雨滴感測之輸出訊號，藉以比較訊號響應。 研究方法與架構研究方法與架構 (a) (b) 圖1 電阻變化型濕感測器結構圖 CSME-6135中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會文集 中原大學 桃園、中壢 中華民國九十十一月二十三日、二十四日 文編號：E18-0042 圖2 電阻值與相對濕關係圖積創公司 本文將電阻接觸式雨滴感測器薄膜化(圖1)，此感 測元件主要由電極、基板、引線、與感濕高分子膜所 組成，感測方法是用電極所組成之區域，電極線 間有一定距之間距

6、，用雨滴在間距上將電極導 通產生電阻值，使輸出電壓產生變化(圖2)，且受水滴 於感應表面之分佈面積百分比之影響，使輸出電壓依 水多寡持續改變，並由微控制器作訊號處將訊號 放大並定義一截取值，依輸出電壓值變化判斷雨刷 裝置啟動與否。亦搭配光學式雨感測器做訊號交叉比 對低誤判，用多諧震盪及信號放大電做處 (圖3)，再由光學式雨滴感測裝置發送光源及接收訊 號，而微控制器將薄膜式雨滴感測器及光學式感測器 的訊號作交叉比對，光學式感測訊號產生誤判時， 即以薄膜式雨感測器之訊號值為主，判別是否作動， 以此方法低誤判斷的發生。 圖3 薄膜式雨滴感測裝置系統架構 結果與討結果與討 本實驗取樣頻為5 kHz，依

7、時雨可分為中雨 (時雨4.1016 mm/hr)、大雨(時雨29.297 mm/hr)、 小霧(時雨0.1054 mm/hr)、大霧(時雨0.5859 mm/hr)等四種況，記時間依雨同分為20秒與 40秒，實驗步驟初期4秒設定為開啟灑水裝置，至約 第5秒時始灑水直到20秒(40秒)停止 ， 圖4(a)為光學式 感測訊號輸出;(b)為薄膜阻抗式感測訊號輸出。 (a) 光感式之感測電壓輸出趨勢 (b) 電阻式之感測電壓輸出趨勢 圖4 中雨(時雨4.1 mm/hr)之感測響應比較圖 (a) 光感式之感測電壓輸出趨勢 CSME-6136中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會文集 中原大學 桃園、中

8、壢 中華民國九十十一月二十三日、二十四日 文編號：E18-0042 (b) 電阻式之感測電壓輸出趨勢 圖5 大雨(時雨29.3 mm/hr)之感測響應比較圖 (a) 光感式之感測電壓輸出趨勢 (b) 電阻式之感測電壓輸出趨勢 圖6 小霧(時雨0.11 mm/hr)之感測響應比較圖 (a) 光感式之感測電壓輸出趨勢 (b) 電阻式之感測電壓輸出趨勢 圖7 大霧(時雨0.59 mm/hr)之感測響應比較圖 由實驗結果可得，光學式雨滴感測裝置在霧水 滴產生時，基於霧水滴很細小，在光導管上要凝聚 成小水滴才有較大的變化，故訊號上的變化皆像薄 膜式雨滴感測裝置明顯，因此，在訊號擷取方面無法 做到即時的判

9、別，雨刷作動需要一段時間之雨滴積 方使訊號響應，然此時間長已足以影響安全。 另中雨及大雨時，皆使訊號響應顯著，顯本研 究之訊號貢獻明顯。 結結 本研究之薄膜阻抗式雨滴感測裝置的感測方法， 其由電極所組成，以一定間距之電極感測雨滴對電 阻之改變，使輸出電壓產生變化，並藉微控制器作為 訊號處及輯判斷。實驗結果顯示雨勢愈大時則訊 號變化愈明顯，而當雨滴為霧時，訊號改變視 窗玻璃積之霧雨滴而定。與光學式雨滴感測訊號 比較，薄膜阻抗式具敏，且可較早判別。另雨 滴直徑大小與電極間距之接觸面積，可產生同的相 對電壓值，應可據此判斷雨勢大小。 考文獻考文獻 1. J. M. Miljkovic H., M.

10、Tasic H., S. Rajs, Z. Vukmirovic, “Precipitation onset detection with a rain sensor of improved sensitivity,” Atmospheric Environment 34, pp.5175-5181(2000) 2. M. Ucar, H. M. Ertunc, O. Turkoglu, “The Design and Implementation of Rain Sensitive Triggering System for Windshield Wiper Motor,” Electric

11、 Machines and Drives Conference, IEMDC 2001, pp.329-336,(2001). 3. O. Terakura, A. Kurashashi and S. Wakabayashi, “Development of Rain Sensor for Automatic Wiper System,” SAE Paper, 2001-01-0612(2001). 4. J. H. Park, M.H. Kim, H. J. Im, K. C. Lee and S. CSME-6137中國機械工程學會第二十四屆全國學術研討會文集 中原大學 桃園、中壢 中華民

12、國九十十一月二十三日、二十四日 文編號：E18-0042 Lee(2006), ”Development of Vision based Control Smart Windshield Wiper System for Intelligent Vehicle, ”SICE-ICASE International Joint Conference 2006, pp. 4398-4403. 5. Jadranka Marendic H., Miljkovic H., Mirjana Tasic H., Slavica Rajsic H., Zorka Vukmirovic, “Precipita

13、tion onset detection with a rain sensor of improved sensitivity,” Atmospheric Environment 34 5175-5181(2000) 6. 張廷宇，智慧型光感式汽雨刷控制系統，明志 科技大學(2007) 7. 文鵬程，消費者對中型房產品屬性偏好之研究 -配備及仕樣，朝陽科技大學企管碩士文(2003) Preliminary Study of Rain Dropping on Windshield of Vehicle by Thin-film Moisture Sensor Yu-Cheng Hsu,1Hsi-

14、Hsun Tsai1,H.P. Feng1, Ting-Yu Chang2 Graduate School of Electro-Mechanical Engineering1 Mingchi University of Technology, Inventec RD2 Abstract Since the main stream of the smart wiper sensing system is by way of the optical reflection sensor. However, the high mis-prediction due to the poor sensit

15、ivity on the rain droppings on the windshield gives the unsuitable application of smart wiper. In this preliminary study, the thin-film moisture sensing, formed by two electrode with the arrangement of pitching. The Sensing voltage increases once the rains dropping on the windshield. The results show that the signal of the thin-film moisture sensor incr