感測器-雨滴感測器(雨刷)

NINA_FU發表於2024-03-28

一.雨滴感測器應用簡介

雨滴感測器主要是用來檢測是否下雨及雨量的大小。主要用於汽車智慧燈光（AFS）系統、汽車自動雨刷系統、智慧車窗系統。
當汽車在雨雪天等惡劣天氣下行車時，由雨滴感測器向自動燈光系統（AFS）系統微電腦提供訊號，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。

二.常見的雨滴感測器的分類及工作原理

常見的雨滴感測器主要有流量式雨滴感測器、靜電式雨滴感測器、壓電時雨滴感測器，紅外線式雨滴感測器。
主要介紹壓電式雨滴感測器和紅外線式雨滴感測器。
1.流量式雨滴感測器
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。

2.靜電式雨滴感測器
如圖所示，靜電面積S，電極間的間隔d不變，則電容C只有介電係數ɛ決定，因水和空氣的介電係數ɛ值不同，C隨雨滴的大小而變，利用靜電容的變化，改變振盪電路的振盪頻率，從而控制雨刮器的動作。

3.壓電式雨滴感測器

現在的雨滴檢測刮雨器，將雨滴感測器檢測出的雨量變成電訊號，根據電訊號的大小，自動設定刮雨器的工作時間間隔，控制刮雨器的動作。在這個系統中雨滴感測器的作用最重要。下面就介紹利用壓電振子的感測器：壓電振子利用壓電效應將機械位移（振動）變成電訊號。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。

壓電雨滴感測器工作原理圖：
壓電雨滴感測器工作原理
振子振動轉化成電訊號:

壓電式雨滴感測器的結構圖:

壓電原件的結構:

測量框圖：

雨滴感測器由振動板、壓電元件、放大電路、殼體及阻尼橡膠構成，如雅壓電原件結構圖

振動板的功用是接收雨滴衝擊的能量，按自身固有振動頻率進行彎曲振動，並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。雨滴檢測用感測器上的壓電元件，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訊號放大後再輸人到刮水器放大器中。放大器由電晶體、IC塊、電阻、電容器等部件組成。

雨滴感測器安裝在車身外部，其殼體密封要求良好，並用不鏽鋼材料製成。振動板要透過阻尼橡膠才能在外殼上保持彈性，阻尼橡膠除了可以遮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。

壓電式雨滴感測器的結構圖如上圖壓電式雨滴感測器的結構圖

壓電原件的結構如上圖壓電原件的結構

壓電式雨滴感測器的雨滴落下測量框圖如上圖測量框圖

壓力感測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；二是放大感測器輸出地微弱訊號。

原本壓電式感測器輸出地可以使電壓訊號，也可以是電荷訊號，但在這裡我們研究的是電壓訊號的輸出，因此我們用的是電壓放大器。
　　
壓電式感測器實際上也是一個阻抗變換器，如下圖是電壓放大器的電路原理圖，以及電壓放大器的等效電路圖。

當雨滴接觸到感測器表面是，在感測器內部產生隨雨滴強度和頻率變化的電壓變換，該電壓波形經感測器內部放大器放大，儲存入功率放大器內部。噹噹訊號達到一定值時，經過電路輸入雨刮器驅動電路，雨刮器隨即啟動開始刮雨。
壓電式雨滴感測器的應用示意圖:

4.紅外線式雨滴感測器
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。
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。
光的折射和反射示意圖:

光密介質和光疏介質的概念如下：
光密介質：折射率較大的介質叫光密介質
光疏介質：折射率較小的介質叫光疏介質

常見介質的光折射率:

名稱 折射率 名稱 折射率
金剛石 2.42 岩石 1.55
二氧化硫 1.63 酒精 1.36
玻璃 1.5~1.9 水 1.33
水晶 1.55 空氣 1.0028

光密介質和光疏介質都是相對的。
當光射到兩種介質介面，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，折射角將大於入射角．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，只要入射角大於或等於上述數值時，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)入射角必須大於或等於臨界角

光的全反射示意圖:

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於42°小於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)從雨滴感測器裡的LED向擋風玻璃發射紅外線
2)所發射的紅外線透過透鏡，並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感測器中的光敏二極體接收。
4)光敏二極體接收紅外線光，雨滴感測器中的微型電子計算機根據反射率計算降雨量，並將此轉換成電訊號，然後將擋風玻璃刮水控制訊號傳送到自動光、雨刮器控制模組。

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)從雨滴感測器裡的LED向擋風玻璃發射紅外線。
2)所發出的紅外線透過透鏡被擋風玻璃接收，並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，並由雨滴感測器裡面的光敏二極體接收。
4)光敏二極體接收紅外線光，雨滴感測器中的微型計算機根據反射率計算降雨量，並將此轉換成電訊號，然後將擋風玻璃刮水控制訊號送到自動光、雨刮器控制模組。

三.常見的雨滴感測器

1.SSM-002

SSMY-002雨滴感測器採用日本進口的特殊電子漿料和先進的厚膜技術製作的專門用於檢測雨滴的一種新型感測元件。該元件廣泛用於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，高階轎車、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。

感測器實物圖：

SSMY-002結構示意圖

使用的環境條件 產品外形尺寸 技術指標 使用方法及注意事項
環境溫度：-20 ～ +50℃
環境溼度：RH ≤ 95℅%
大氣壓力：86KPa ～ 106KPa		 厚度： SSY-001A　0.635mm
SSY-001B　0.80mm		 1) 導通電阻：≤1 KΩ
2)工作電壓：5V(DC AC)
3)工作電流：≤10 mA（DC.AC）
4)響應時間：≤10 S
5)恢復時間：≤30 S（需擦拭）		 1)將感測器放在適當的位置，保證能在剛下雨時就能接受到雨滴，感測器應有必要的防護措施，以保證感測器不受損害。
2)感測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。存放在乾燥的容器內。
SSM-002雨滴實驗

將雨滴感測模組安裝到開發板上，然後用JLINK模擬器的一端用USB介面與電腦相連，一端的20Pin的JTAG引腳與NXP LPC2378節點板的J2相連，並給NXP LPC2378節點板上電，如下圖所示

雨滴材料
1）具有USB 串列埠通訊的PC 機1 臺
2）ADS1.2 整合開發軟體1 套
3）J-Link-ARM 模擬器及軟體1 套
4）NXP LPC2378 實驗節點板1 個
5）LCD 顯示實驗板1 個
6）雨滴感測器SSMY-002模組1個

實驗原理
雨滴感測器實驗環境由PC機（安裝有Windows XP作業系統、ADS1.2整合開發環境和J-Link-ARM-V410i模擬器）、J-Link-ARM模擬器、NXP LPC2378實驗節點板、雨滴感測器、實驗模組和LCD顯示實驗模組組成

1)雨滴測量實驗
實驗透過SSMY-002實驗模組測量水滴，並透過LCD顯示在螢幕上，模擬雨滴感測器檢測雨水。

DispAscStr(0,12,"  Rain",6,&xpos,&ypos);
DispChnStr(xpos,ypos,"模組測試",4,&xpos,&ypos);
while(1)
{
    delay(1000);
    advalue=AD_read(1);

    //顯示實時採集值
    DispAscStr(0,40,"WaterValue:",11,&xpos,&ypos);
    idx=0;
    count=advalue;
    //將count轉化為char陣列
    while(count>0)
    {
        sndBuf[idx]=count%10+'0';
        count=count/10;
        idx++;
    }
    for(count=idx-1;count>=0;count--)
    {
        DispAscStr(xpos,ypos,&sndBuf[count],1,&xpos,&ypos);
    }
    for(count=idx;count<6;count++)
    {
        DispAscStr(xpos,ypos," ",1,&xpos,&ypos);
    }
    //顯示百分比
    DispAscStr(0,100,"Water(%):",9,&xpos,&ypos);
    if(advalue>=500)
    {
        DispAscStr(xpos,ypos,"100%",4,&xpos,&ypos);
    }
    else if(advalue>=50)
    {
        sndBuf[0]=advalue/50+'0';
        sndBuf[1]=advalue%50/5+'0';
        DispAscStr(xpos,ypos,&sndBuf[0],1,&xpos,&ypos);
        DispAscStr(xpos,ypos,&sndBuf[1],1,&xpos,&ypos);
        DispAscStr(xpos,ypos,"%",1,&xpos,&ypos);
    }
    else
    {
        sndBuf[0]=advalue%50/5+'0';
        DispAscStr(xpos,ypos,&sndBuf[0],1,&xpos,&ypos);
        DispAscStr(xpos,ypos,"%",1,&xpos,&ypos);
    }
    //清除尾部顯示
    DispAscStr(xpos,ypos,"    ",4,&xpos,&ypos);

}

2)汽車天窗實驗
本實驗模擬汽車上的雨滴感測器，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”。

if(advalue>100)
{
    DispAscStr(0,100,"close window",12,&xpos,&ypos);
    ftag=0;
}
else 
{
    DispAscStr(0,100,"rain stoped",11,&xpos,&ypos);
    ftag=1;
}

3)汽車雨刮器實驗

void RainBrush1(int xpos,int ypos)
{
    int i;
    for(i=0;i<3;i++)
    {
        DispAscStr(0,100,"brush/100ms",11,&xpos,&ypos);
}
void RainBrush2(int xpos,int ypos)
{
    int i;
    for(i=0;i<3;i++)
    {
        DispAscStr(0,100,"brush/500ms",11,&xpos,&ypos);
        delay(5000);
    }
}
void RainBrush3(int xpos,int ypos)
{
    int i;
    for(i=0;i<3;i++)
    {
        DispAscStr(0,100,"brush/1s",9,&xpos,&ypos);
        delay(10000);
    }
}
//main.c中主要程式碼
if(advalue>2000)
        {
            RainBrush2(xpos,ypos);
        }
        else if(advalue>1000)
        {
            RainBrush1(xpos,ypos);
        }
        else if(advalue>100)
        {
            RainBrush3(xpos,ypos);
        }
        else
        {
            drawrect(0,100,128,48,0x2345);
        }

相關文章