文摘

车辆传感器来检测雨降在以上波导利用光偏转和散射是意识到,保持宽传感覆盖率和敏感性检测雾积累。提出了传感器结构在多层光波导由遮光装置周围的光电探测器和相邻的光源。倾斜多层光波导和遮光装置之间的气隙扮演了主要的角色增加灵敏度,增强线性。这种传感器结构消除复杂的准直光学,同时保持宽传感覆盖使用简单的几何形状。检测算法基于time-to-intensity转换过程是用来下雨强度转化为可数下雨的过程。模拟降雨腔体内实验结果显示不同的不同响应之间的小雨和正常的下雨。应用程序作为汽车预计雨水传感器。

1。介绍

目前部分通过电子汽车不断的增加趋势,和雨传感器等电子元件之一。雨水传感器在车辆用于开动雨刷自动在上面和挡风玻璃感觉下雨。无数的想法和概念提出了关于挡风玻璃雨传感器,如机械(1,声2),电阻(3- - - - - -7)、电容(8- - - - - -16),光学成像(17- - - - - -26,微波27,28),光(29日- - - - - -36]雨传感器;然而,有关问题如线性、灵敏度、干扰、故障、传感区域和结构复杂性有限的应用工具。这是由于下雨这是固有的随机性质液体。然而,它需要有足够的雨强度线性范围,司机想要区分为驾驶方便擦挡风玻璃。在传统概念关于雨水传感器,机械传感器监测由雨滴振动振幅和频率的变化,和声学方法监控使用驻极体麦克风声音被雨水下降。点之间的电阻法测量直流电阻(3)或线性(4,5)或互相交叉(6,7]电极;然而,这些电极以外挡风玻璃玻璃受到磨损和灰尘积累。电容检测方法监测电极之间的电容的变化在挡风玻璃、这电容变化被雨滴转换为阻抗变化(13在电容电桥或频率变化14- - - - - -16在LC谐振电路。在这种方法中,如果曾经是湿的手指互相交叉模式,然后无法感觉下下雨下降,和雨导致线性区域转移到较弱的强度而不是实际可用的强度。光学成像方法,使用成像阵列传感器(17- - - - - -24)或相机(25,26),遥感的优势更广泛的区域使用简单的光学组件;然而,它本质上是开车时容易冲风景。另一微波雷达检测方法是试图通过模拟散射微波和雨之间的交互。光电检测方法是常用的检测上的雨滴挡风玻璃,因为挡风玻璃玻璃的光学透明的性质,在光学频谱有限,与光学传感器之间的信号通路在玻璃和雨滴以外玻璃。雨传感方法使用直接连接光源和光电探测器内部挡风玻璃(29日,30.)之间的障碍是主要放置抑制寄生辐射,提出了;然而,这种配置限制增加灵敏度由于不必要的二次寄生辐射敏感性较低。两个光电类型,区分光学路径,已广泛应用于汽车。反射式传感器利用表面反射的光被雨水滴挡风玻璃用相机(31日)或倾斜传感器附件平面(32)或光束(33,34]。其中,该方法利用平行光束(34从光源是强大到足以拒绝环境光效应而到达光电探测器;然而,它只有一小检测发现挡风玻璃玻璃表面形成导致传感区和线性辨别雨强度不足。为了弥补这一缺陷,配置有多个光学路径提出了(35),用于汽车。最著名的光学传感方案是光波导式传感器(36],平行红外光束耦合到挡风玻璃玻璃面板通过棱镜耦合的方法。在这个方案中,一条线光源和光电二极管之间的通道形成降雨传感,雨滴和泄露的光的量的监控。这种方法传感区域有限但有敏感响应雨滴的存在减少了环境光的干扰。然而,它也容易受到冲击和振动实施所需的光耦合接口和复杂的光学组件。大多数光学雨水传感器需要刚性安装装置(37- - - - - -39]。散射光检测方法是一种替代之前的艺术,它不仅可以消除复杂的光学装置还扩展检测区域在三维空间中。这些优势的权衡是弱光响应雨滴。因此,有必要对雨水传感器覆盖范围广泛的传感和增强敏感性没有复杂的光学组件。这篇文章是关于一个敏感雨传感方法使用分散和偏转光探测没有复杂的光学准直装置。

2。雨检测理论

2.1。散射光传感

传统雨光电传感方法平行光束从红外光源光功率损失减小到最低限度。已经使用两种降雨传感结构。反射式雨水传感器的概念,探测光泄漏的程度反映现货使用准直光学玻璃固定在挡风玻璃上,如图1(一)。和光学波导的概念类型雨水传感器利用光通道内形成挡风玻璃的光源和光电探测器之间的连接图所示1 (b)。汽车雨传感器,利用散射光,光源和光电探测器在挡风玻璃的地方。遮光罩是必不可少的阻止直接透射光光源。在这种情况下,透射光反射界面的两个透明材料,如果折射率是不同的。和反射的光功率比例相关指标的差异。雨水传感器的概念使用散射光检测如图2。实际光路径不同而不是典型的图所示2。散射光的雨滴是接近挡风玻璃玻璃的主要信号源检测。有必要避免直射光发射和反射而不是通过雨滴或以上挡风玻璃,避免杂散光的干扰。

透射光从光源的旅行距离”“雨下降。它反映了在旅行后返回光电二极管距离””。在光电探测器位置接收到的光的光功率可以表示为所示(1)[40),这个接收功率与降雨的关系滴水形态和雨之间的距离和领导。在(1),是形态学的降雨量下降,是光电探测器光敏区,接收强度,发射强度,通过雨水的反射概率下降,然后呢在光电探测器信号接收概率是:

2.2。偏转光传感

如果平行光入射到玻璃介质,光传输速度和反映反映在界面两个透明材料表面有不同的折射率。例如,传输速度大约是96%,反映利率约为4%,空气和玻璃之间的接口表面介质根据入射角和折射率的精确值。如果光块,拒绝直接传输从光源到光电二极管,放置后第三只允许信号反射玻璃表面,如图3(一个),那么第二次反射后的信号可以到达光电探测器,因为雨水滴在玻璃表面导致玻璃厚度的增加,导致改变光路如图3 (b)。

光强度的差异之间的第二和第三反射周围相当于1.610⁻⁴如图3。因此,强度差异显示几乎离散步骤和适用于设置的阈值点来确定是否雨正在下降。如果入射光不是平行光,第二和第三反射强度差异是由于接近离散一步光块夹具的存在,虽然差异小于平行入射光。如果最小分离距离,,在图3方法,几乎没有第二反射后,然后检测雨的概率下降将达到最大化。然而,这个方法是昂贵的实现,因为它需要维护夹具尺寸精度高水平。

2.3。偏转光传感与倾斜的气隙

而不是保持高精度水平维度精确调整最小分离距离通过使用遮光装置,把倾斜的挡风玻璃玻璃之间的气隙和遮光装置是一种方便的方法,可以不断调整阈值点雨检测灵敏度最大化。

倾斜的气隙时不存在,第二个由上层玻璃表面反射的光被遮光装置。在这种状态下,小雨滴将不足以改变光路以上第二反射光遮光装置。当倾斜的气隙存在,第二个由上层玻璃表面反射的光几乎被遮光装置如图4(一)。在这种状态下,只有小雨滴就足够了足以改变光路遮光装置,进入光电探测器的光圈,如图4 (b)。通过调整玻璃波导和遮光装置之间的倾斜角度,可以不断调整,通过调整光偏转挡风玻璃玻璃和遮光装置之间的倾斜角度,导致高灵敏度。倾斜角度的偏转程度的影响可以解释如图5。以防当光线入射到底面与入射角的挡风玻璃光,那么这将再次通过底面和传播事件与入射角前挡风玻璃的玻璃表面。如果我们设置倾斜角度,那么反射角度。这个偏转光路变化在水平方向,如果我们假设倾斜角度很小,通常小于几度。

2.4。雨强度量化

重要的是要确定下雨的强度控制在汽车雨刷工作区间。然而,由光散射信号的响应过程41- - - - - -44)随机随机特征;因此,很难配置线性与下雨的强度。因此,有必要使量子化的雨强度转换散射过程。直接量化模拟值是不可行的,因为传感器输出数字值。因此,算法,将雨强度的数字值转换为模拟值,利用在雨中传感器是必要的。下雨的频率检测在预先确定的时间间隔是用来确定雨强度。图表示的程度和连续下雨检测用于确定雨滴的大小。一个时间框架,这是预先确定的时间间隔,分为多个时间段,每个时间段代表雨检测事件;因此,它形式time-to-intensity转换。通过这种变换,下雨的概率是由计算活跃时段在预先确定的时间间隔。 The structure of one time frame having multiple time slots is illustrated in Figure6。在蒙蒙细雨中,只有一个时间槽位代表活跃的槽位;然而,更多的插槽将活跃在下雨的情况。在一个极端的例子是淋浴,所有时段将活跃。我们可以提取数据雨强度和雨滴的大小通过分析活动时间段模式一帧时间。

在time-to-intensity转换、下雨的概率在一帧的时间评估相结合的概率大小雨的概率下降,下雨时间所示(2),代表着时间槽数,代表的权衡因素雨滴的大小,代表活跃时段的考虑因素,代表连续槽时间,代表了时段检测雨滴的数量:

因此,这time-to-intensity转换过程为雨滴的大小,利用数据代码,下雨的时间,代码,以确定雨刷工作区间。在淋浴的情况下下雨,代码发送信号与高速开动,代码将信号发送给开动雨刷。在光雨的情况下,代码发送信号与低速开动,代码将信号发送给开动雨刷。而只有雾条件下,代码只发送信号时开动雨刷电机检测滴下来。

3所示。实验

3.1。雨水传感器结构

汽车的挡风玻璃玻璃夹层玻璃结构的聚乙烯醇缩丁醛树脂薄膜作为缓冲器插入。高于树脂薄膜的折射率在1.6和1.8之间,这是接近玻璃的折射率,膜的厚度是玻璃厚度相比可以忽略不计。使用商业挡风玻璃玻璃制作了雨传感器2多层光波导,2毫米厚度,如图7。挡风玻璃玻璃的倾角调整,第二个反射从上玻璃表面是几乎被遮光装置。以防雨降在以上顶部玻璃表面,新的光路偏是由雨滴表面反射。这种偏转导致减少反射的步骤,导致光功率输入光电探测器数量级高于国家没有雨水下降。

外光路偏转挡风玻璃刮水器驱动的主要信号源。光电探测器的感觉两个信号路径,由雨降在挡风玻璃反射的光,散射光的降雨下降。从雨降在挡风玻璃反射的光功率调整玻璃接近散射光功率由降雨下降挡风玻璃上方玻璃,通过保持足够的距离雨滴平衡信号强度。从光源入射角是通过调整距离控制的光块和光源之间。直接传播光从光源被遮光装置在到达光电探测器,如图8。偏转信号放大率和散射灯光有限的杂散光即使开槽光电探测器内部光块。

3.2。信号处理

光源的发射角对雨水检测至关重要。广角提供广泛的检测区域,而窄角扩大检测分辨率在有限的检测报道。LED平顶窗口有半功率角90度被选为扩大探测区域。60马的更高的周期性瞬时驱动电流注入由保持25%的责任周期比率,以防止经济过热,相比20 mA的正常连续驱动电流。光调制频率被选为73 kHz拒绝不必要的环境光的影响。频率越高有利于提高探测概率,因为更高的采样率;然而,从实用的角度,这也会增加机会振荡由于高接收机增益和复杂性接收器电路的带通滤波器。交变辐射光被用来跟踪快速下落的雨滴在广阔的区域内。中心波长的红外光源被选为875海里,这是接近峰值响应利用Ga的硅光电二极管_1−x艾尔_x发射器与适当的成分在III-V三元化合物半导体。还光发射器的发射波长与透射光谱范围的光电二极管日光过滤器提供额外的拒绝阳光。发射机的框图如图9,测量发射机波形如图10。

光学干涉滤光片放在光电探测器窗口光接收机拒绝不必要的波长和电解调信噪比提高。恢复反应是提高模拟数字转换的可用信号电平与提高信噪比。光接收机的框图如图11和接收机测量波形如图12。

需要在汽车通过监测降雨强度有多个操作步骤。雨检测算法基于time-to-intensity转换过程是用来下雨雨滴水大小和雨数等数据,进一步密切匹配传感器输出实际下雨的条件。在图13,上面的雨水检测算法的流程图。和实际液晶窗口查看雨检测算法的结果如图14,瞬时雨在一帧数是50%,平均雨数是45%,瞬时雨降在一帧大小是30%,和平均雨滴的大小是30%。进一步表明雨刷开始运作,因为预设阈值为20%。

3.3。实验室测量

雨水传感器安装在挡风玻璃玻璃通过倾斜机制如图(15日),这个实验装置是用于监控最大灵敏度雾积累挡风玻璃表面的玻璃。雨水传感器的输出显示足够的灵敏度检测雾在玻璃表面,如图16。显示波形被修改后转换成数字信号通过应用阈值电压。

雨水传感器是坐落在模拟雨水室如图15 (b),这个实验装置是用于监测传感器输出与小雨,喷洒400毫升/分钟,和正常的下雨,喷洒900毫升/分钟。水喷雾器内部模拟雨室安装在挡风玻璃、和水两种不同尺寸的喷嘴喷雾枪被用来模拟轻雨条件和正常的下雨条件。后雨水传感器的输出信号波形数字化和时间扩张(×140)控制电路是显示在图17。的波形图(17日)显示了小雨的响应,相当于45次/分钟的刮水器驱动,和波形图17 (b)显示了正常的响应雨,相当于70发/分钟雨刷的动作。

实验结果在模拟雨水室显示明显的差异的情况下小雨和正常的下雨。下雨的强度低于小雨水平,采用间歇式雨刷驱动当传感器检测到雨滴。以防雨当平均函数计算时段使用,传感器响应显示趋势的一个小弱响应比不平均。拟议的雨中传感器结构,雨水传感器和挡风玻璃的倾斜角度是关键参数来确定敏感性。另外这个角是受调整根据挡风玻璃的厚度玻璃和距离挡风玻璃。雨水传感器的外壳是安全地连接到挡风玻璃用胶粘剂。整个光学结构的雨水传感器位于接近挡风玻璃内表面外壳内部0.5毫米间隙。和传感器的一端固定在外壳采用铰接,另一端倾斜与细牙螺纹通过调整螺栓。自由倾斜角度被发现在6度的实验。调整后,调整螺栓固定通过使用线程锁化合物。 However if we try to integrate this rain sensor to the windshield glass of automobile outside laboratory, further consideration for rigid mounting methodology needs to be derived against mechanical displacement due to vibration while driving. Also simple calibration procedure for the specified sensitivity is necessary to suit mass production environment through further research.

4所示。结论

雨光电传感器多层光波导有倾斜的气隙对汽车雨传感器应用研究。这个开放式没有光学准直器具有广泛感知覆盖和结构简单的优势,然而在提高灵敏度和线性度。提出雨水传感器检测到偏转光路被雨水滴在玻璃表面波导和散射光反射被雨水滴在玻璃波导;因此,它取代了之前雨中复杂的导波光学传感器。全向发光模式从光源感应范围,扩大和倾斜遮光装置之间的气隙和多层玻璃波导扮演了主要的角色不仅增加灵敏度,而且对雨强度增强线性。雨水传感器的传感领域涵盖了邻近区域连接光源和光电探测器,这是与导波光学传感器具有灵敏度只有在连接光源和光电探测器。保持足够的信噪比是利用光学干涉滤光片和电信号调制干扰抑制能力,同时保持信号放大率高。检测算法基于time-to-intensity转换过程是用来下雨强度转化为可数雨过程采用时间分割检测槽。雨水传感器安装在实验室夹具显示高灵敏度检测雾积累挡风玻璃表面的玻璃。实验结果,测量了在模拟下雨,小雨的情况下显示不同的区别,喷洒400毫升/分钟,和正常的下雨,喷洒900毫升/分钟。 This test result using simulated rain chamber indicated prospect as rain sensor for automotive application. However, natural raining condition is random; thus, the test result outside laboratory may differ from the result inside laboratory using water spray guns. In this case, extended experiment in outside raining environment will be helpful to optimize.

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作是由2013年仁川国立大学科研资助。