智能雨滴傳感系統設計

唐思煒，侯書勇

（華東理工大學 理學院，上海 2 00237）

雨滴傳感器大多應用于汽車自動雨刮.現有的雨滴傳感器主要有三種類型：靜電容式，以兩塊極板作為傳感器，當有雨進入極板中間時，電容值會隨雨量的大小改變，從而判斷雨量；壓電振子式，以壓電元件作為傳感器，隨著雨量的變化，壓電材料會輸出不同的振動波形，從而判斷雨量；紅外線式，利用光的全反射原理，當傳感元件接觸到雨后，由于介質折射率的不同，光線會發生全反射，根據光線全反射的強度判斷雨量大小[1].這些傳感器只有在雨量較大時，才能判斷雨量的大小，當雨量較小時，很難作出靈敏的反應.因此，本文擬對現有傳感器進行改進，以提高傳感器的靈敏度.

1 雨滴傳感器原理

1.1 平行玻璃結構和理想雨滴模型

一束光線入射到平板玻璃后分為三段：L1為入射光，L2為折射光，L3為出射光.設滴落到平板玻璃上的理想雨滴（形狀為半橢圓）只有一滴，如圖1所示，在L1處安置激光信號發射器，在L3處安置光敏電阻.根據折射定律，無雨時，入射光L1和出射光L3是平行的.那么光敏電阻將接收到光信號，判斷為無雨.

由于玻璃折射率＞雨水折射率＞空氣折射率，當理想雨滴滴落在玻璃上，由于理想雨滴為半橢圓形，光線相對于雨滴的入射面和出射面是不平行的，則獲得的出射光L3與入射光L1一定不平行，出射光L3發生偏轉，光敏電阻無法接收到光信號，判斷為有雨.

1.2 傳感器改進——V形槽雨滴傳感器

在平行玻璃結構中，若雨量稍大，平板上雨水偏離理想雨滴較大，而近似為液體平板.此時光線產生的偏折角度Δ θ十分微小，其在光敏元件上的偏移量為

其中R為出射光L3的光程，要使Δ L偏移出光敏元件，就需要光程R足夠大.而傳感器距離的增加，會造成許多誤差的產生和擴大，故在實際應用中，具有一定的局限性.因此，我們需要對傳感器進行一定的改進，減少由于雨滴形狀的不同而造成的誤差.

圖1 平行玻璃結構雨滴示意圖

我們在原有的平行玻璃結構上，開一個V形槽，如圖2、3所示.雨滴落在槽內后，其上表面近似于水平狀態，而下表面由于V形槽的限制，與水平面有很大的夾角.事先調整入射光L1，使其穿過V形槽斜面，從上表面射出，由于上下表面的斜率完全不同，因此出射光L3會產生一個較大角度的偏轉，使出射光L3偏離出光敏元件的接受范圍，光敏電阻無法接受到光信號，判斷為有雨.

圖2 V型槽無雨示意圖

圖3 V型槽有雨示意圖

1.3 V形槽雨滴傳感器的偏轉角

我們定義V形槽和玻璃面法線的夾角為θ1，出射光與水平面的夾角為θ2.為了便于計算，我們調整入射光的角度，使其垂直于V形槽的斜邊入射，如圖4所示.這樣我們可以計算得出無雨時光線的偏折角度為0，而有雨時，光線的偏折角度為

圖4 偏折角度曲線

圖5 偏折角度曲線

其中n代表折射率.為了便于計算，我們根據實際情況作一些近似.空氣的折射率n空約為1.雨水因所含成分的復雜，沒有經過實際測量，近似采用水的折射率n水為1.33.代入（2）計算得到出射光的偏折角度曲線如圖5所示.

根據公式（1）可知，在光程固定的情況下，光線在光敏元件上的偏折距離僅與偏折角度（即偏轉弧度）有關，并且成線性關系.試驗中，光線僅需偏折0.5～1 cm，就可對雨滴進行判斷，而光程一般為5～10 cm以上.因此，偏轉弧度只需達到0.1即可.即θ1在42°～73°，都能對雨滴進行判斷.允許雨滴表面傾斜誤差15.5°.

2 傳感器控制電路設計

由于傳感器在無雨時，光敏電阻能夠接受到光信號，而有雨時接收不到光信號.據實驗測定，兩者的阻抗差在6～10倍左右.因此，根據光敏電阻輸出阻抗的不同，設計如圖6所示電路.為方便測試，實驗中將電路連通一個電機.通過電機正反轉，判斷有無雨.

圖6中，R6、R7為光敏電阻（光敏電阻受光照之后阻抗降低），阻值為12 K.D1、D2為MCR系列可控硅，實驗中選用的是MCR100-6（當觸發電壓大于額定電壓時，可控硅導通；觸發電壓小于額定電壓時，可控硅截止[2-3]）控制電路的導通與截止.當光同時照射到R6、R7上時，D1、D2觸發端電壓分別降低和升高，使得D1截止，D2導通.電機正轉，判斷無雨.當沒有光照射到R6、R7上時，D1、D2的觸發端電壓分別升高和降低，使得D1導通，D2截止，電機反轉，判斷有雨.

圖6 DC24V電極正反轉控制器接線示意圖（手動自動行程開關限位端子型）

3 實驗結果與討論

由于實驗條件所限，我們的實驗都是在雨滴命中傳感器敏感范圍內的前提下進行模擬的，在此范圍內，傳感器的靈敏度較高.實際應用中，可將激光發生器和光敏電阻排布成點陣，應用簡單邏輯電路即可擴大感應面積.

目前應用較多的雨滴傳感器，大多是用于雨量大小的判斷，因此，存在一定的延遲，無法作出實時響應.而本傳感器則用有無雨的判斷，能達到有雨即反應.有很高的靈敏度和低延遲性.且傳感器結構簡單，成本低廉.

[1]趙巖，訾鴻.汽車雨滴傳感器的設計[J].佳木斯大學學報，2007，25（6）.

[2]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，198 0：9.

[3]沈志勤.電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，2006：1.