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神奇的雨滴傳感器,汽車自動雨刷系統、智能車窗系統都得靠它

發布:天易合芯 人氣:1107 次 時間:2018/3/23 12:30:18 關閉 打印

1.雨滴傳感器應用簡介

雨滴傳感器主要是用來檢測是否下雨及雨量的大小。主要用于汽車智能燈光(AFS)系統、汽車自動雨刷系統、智能車窗系統。

當汽車在雨雪天等惡劣天氣下行車時,由雨滴傳感器向自動燈光系統(AFS)系統微電腦提供信號,微電腦自動調整前照燈的寬度、遠近度,明暗度;同時天窗系統也會自動關閉車窗。為確保駕駛員在雨天具有良好的視線,汽車擋風玻璃上裝有自動雨刷,隨雨雪量的變化自動調整雨刷開閉時間和頻率,確保行車安全。

2.常見的雨滴傳感器的分類及工作原理

常見的雨滴傳感器主要有流量式雨滴傳感器、靜電式雨滴傳感器、壓電時雨滴傳感器,紅外線式雨滴傳感器。主要介紹壓電式雨滴傳感器和紅外線式雨滴傳感器。

2.1.流量式雨滴傳感器

如圖所示,S1/S2/S3為流量監測電極板,S1-S2為2.5cm,距離較近,小雨量時T1先導通,J1吸合,雨刮低速轉動;S1-S3為3cm距離較遠,大雨量時T2先導通,J2繼電器吸合,常開觸點接通,雨刮電機高速轉動。

圖4.6.2流量型雨滴傳感器原理圖

2.2.靜電式雨滴傳感器

如圖所示,靜電面積S,電極間的間隔d不變,則電容C只有介電系數ɛ決定,因水和空氣的介電系數ɛ值不同,C隨雨滴的大小而變,利用靜電容的變化,改變振蕩電路的振蕩頻率,從而控制雨刮器的動作。

圖4.6.3 靜電式雨滴傳感器

2.3.壓電式雨滴傳感器

現在的雨滴檢測刮雨器,將雨滴傳感器檢測出的雨量變成電信號,根據電信號的大小,自動設定刮雨器的工作時間間隔,控制刮雨器的動作。在這個系統中雨滴傳感器的作用最重要。下面就介紹利用壓電振子的傳感器:壓電振子利用壓電效應將機械位移(振動)變成電信號。如圖4.6.4,壓電振子受到雨淋,按照雨滴的強弱和雨量做振動。

圖4.6.4 壓電雨滴傳感器工作原理

圖4.6.5 振子振動轉化成電信號

雨滴傳感器由振動板、壓電元件、放大電路、殼體及阻尼橡膠構成,如圖4.6.7所示。

振動板的功用是接收雨滴沖擊的能量,按自身固有振動頻率進行彎曲振動,并將振動傳遞給內側壓電元件上,壓電元件把從振動板傳遞來的變形轉換成電壓。雨滴檢測用傳感器上的壓電元件,當壓電元件上出現機械變形時,在兩側的電極上就會產生電壓。所以,當雨滴落到振動板上時,壓電元件上就會產生電壓,電壓大小與加到振動板上的雨滴能量成正比,一般為0 5mV至300mV。放大電路將壓電元件上產生的電壓信號放大后再輸人到刮水器放大器中。放大器由晶體管、IC塊、電阻、電容器等部件組成。

雨滴傳感器安裝在車身外部,其殼體密封要求良好,并用不銹鋼材料制成。振動板要通過阻尼橡膠才能在外殼上保持彈性,阻尼橡膠除了可以屏蔽車身傳給外殼的高頻振動外,它的支撐剛性還可避免對振動板的振動工況發生干擾。

壓電式雨滴傳感器的結構圖如圖4.6.6所示:

圖4.6.6壓電式雨滴傳感器的結構圖

壓電原件的結構如:4.6.7所示:

圖4.6.7 壓電原件的結構

圖4.6.8測量框圖

壓電式雨滴傳感器的雨滴落下測量框圖如圖4.6.8

壓力傳感器本身的內阻抗很高,而輸出的能量較少,因此它的測量電路通常需要接入一個高輸入阻抗的前置放大器,其作用一是把它的高輸出阻抗變換為低輸出阻抗;二是放大傳感器輸出地微弱信號。

原本壓電式傳感器輸出地可以使電壓信號,也可以是電荷信號,但在這里我們研究的是電壓信號的輸出,因此我們用的是電壓放大器。

壓電式傳感器實際上也是一個阻抗變換器,如圖4.6.9.a是電壓放大器的電路原理圖,圖4.6.9.b是電壓放大器的等效電路圖。

圖4.6.9電壓放大器電路原理圖

當雨滴接觸到傳感器表面是,在傳感器內部產生隨雨滴強度和頻率變化的電壓變換,該電壓波形經傳感器內部放大器放大,存儲入功率放大器內部。當當信號達到一定值時,經過電路輸入雨刮器驅動電路,雨刮器隨即啟動開始刮雨。

圖4.6.10 壓電式雨滴傳感器的應用示意圖

2.4.紅外線式雨滴傳感器

1. 光的反射:當光照射到物體表面時,有一部分的光會被物體反射回來,這種現象叫做光的反射。

2. 光的折射:光從一種介質斜射入另一種介質時,傳播方向發生偏折,這種現象叫光的折射。

圖4.6.11光的折射和反射示意圖

光密介質和光疏介質的概念如下:

1. 光密介質:折射率較大的介質叫光密介質

2. 光疏介質:折射率較小的介質叫光疏介質

表4.6.1 常見介質的光折射率

光密介質和光疏介質都是相對的。

當光射到兩種介質界面,只產生反射而不產生折射的現象.當光由光密介質射向光疏介質時,折射角將大于入射角.當入射角增大到某一數值時,折射角將達到90°,這時在光疏介質中將不出現折射光線,只要入射角大于或等于上述數值時,均不再存在折射現象,這就是全反射.所以產生全反全反射射的條件是:

1. 光線必須由光密介質射向光疏介質.

2. 入射角必須大于或等于臨界角

圖4.6.12 光的全反射示意圖

圖4.6.13 無雨水接觸擋風玻璃時

根據上述光學原理,若讓LED紅外線發射器按入射角大于42°小于63°,射入擋風玻璃,這樣形成紅外光全反射,反射線由光電管全部接收。

在沒有雨水接觸擋風玻璃時的操作:

1. 從雨滴傳感器里的LED向擋風玻璃發射紅外線

2. 所發射的紅外線通過透鏡,并從擋風玻璃反射回來。

3. 從擋風玻璃反射回來的紅外線被雨滴傳感器中的光敏二極管接收。

4. 光敏二極管接收紅外線光,雨滴傳感器中的微型電子計算機根據反射率計算降雨量,并將此轉換成電信號,然后將擋風玻璃刮水控制信號發送到自動光、雨刮器控制模塊。

圖4.6.14 雨水接觸擋風玻璃時

外線光折射,反射光線減弱,雨量越大,折線(散射)光線越多,反射線減弱。

在有雨水接觸擋風玻璃時

1. 從雨滴傳感器里的LED向擋風玻璃發射紅外線。

2. 所發出的紅外線通過透鏡被擋風玻璃接收,并被接觸擋風玻璃的雨水散射。

3. 沒有擴散的紅外光被擋風玻璃反射,并由雨滴傳感器里面的光敏二極管接收。

4. 光敏二極管接收紅外線光,雨滴傳感器中的微型計算機根據反射率計算降雨量,并將此轉換成電信號,然后將擋風玻璃刮水控制信號送到自動光、雨刮器控制模塊。

3. SSMY-002雨滴傳感器的工作原理

SSMY-002雨滴傳感器采用日本進口的特殊電子漿料和先進的厚膜技術制作的專門用于檢測雨滴的一種新型傳感元件。該元件廣泛用于需要檢測雨滴的各種場所,如:無人職守的機房、賓館高樓的門窗,高級轎車、客車的門窗,以及各種貨場等等的自動控制,以防止雨水的侵蝕。

3.1使用方法及注意事項

1. 將傳感器放在適當的位置,保證能在剛下雨時就能接受到雨滴,傳感器應有必要的防護措施,以保證傳感器不受損害。

2. 傳感器在使用和存放中應避免劇烈的振動和各種腐蝕性物質的傷害。存放在干燥的容器內。

3.2實驗原理

雨滴傳感器采用特殊電子漿料和先進的厚膜技術制作的專門用于檢測雨滴的一種新型傳感元件。該元件廣泛用于需要檢測雨滴的各種場所,如:無人職守的機房、賓館高樓的門窗,高級轎車、客車的門窗,以及各種貨場等等的自動控制,以防止雨水的浸蝕。使用的環境條件如下,環境溫度:-20 ~ +50℃;環境濕度:RH ≤ 95℅%;大氣壓力:86KPa ~ 106KPa。

圖4.6.15 SSMY-002結構示意圖

3.3使用方法及注意事項:

1. SSMY-002型雨滴傳感器可以在規定的工作條件下設計在控制的電路做傳感之用,以接通各種控制電路。根據傳感器的工作電壓和電流選取適當的限流電阻以保證其正常工作。將傳感器放在適當的位置,保證能在剛下雨時就能接受到雨滴,當傳感器接收到雨滴后,發出信號接通控制器,通過控制器使執行機構動作而關好門窗。傳感器應有必要的防護措施,以保證傳感器不受損害。

2. 傳感器在使用和存放中應避免劇烈的振動和各種腐蝕性物質的傷害。存放在干燥的容器內。

四、實驗內容

1.實驗器材連線

本實驗所使用的雨滴傳感器實物圖如圖4.6.16所示

圖4.6.16SSMY-002模塊實物圖

將雨滴傳感模塊安裝到開發板上,然后用JLINK仿真器的一端用USB接口與電腦相連,一端的20Pin的JTAG引腳與NXP LPC2378節點板的J2相連,并給NXP LPC2378節點板上電,如圖4.6.17所示。

圖4.6.17實驗電路連接圖

2.雨滴測量實驗

本實驗通過SSMY-002實驗模塊測量水滴,并通過LCD顯示在屏幕上,模擬雨滴傳感器檢測雨水。

3.汽車天窗實驗

本實驗模擬汽車上的雨滴傳感器,實時檢測空氣中的水分以及是否有雨滴,當有雨滴時,自動關閉汽車天窗,即在LCD上顯示“close window”。

4.汽車雨刮器實驗

本實模擬汽車雨刮器,根據雨滴量的大小,控制雨刮器轉動的速度。即在LCD上按不同時間顯示“brush”。



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