唐思煒，侯書(shū)勇

（華東理工大學(xué) 理學(xué)院，上海 2 00237）

雨滴傳感器大多應(yīng)用于汽車自動(dòng)雨刮.現(xiàn)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(dāng)有雨進(jìn)入極板中間時(shí)，電容值會(huì)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(huì)輸出不同的振動(dòng)波形，從而判斷雨量；紅外線式，利用光的全反射原理，當(dāng)傳感元件接觸到雨后，由于介質(zhì)折射率的不同，光線會(huì)發(fā)生全反射，根據(jù)光線全反射的強(qiáng)度判斷雨量大小[1].這些傳感器只有在雨量較大時(shí)，才能判斷雨量的大小，當(dāng)雨量較小時(shí)，很難作出靈敏的反應(yīng).因此，本文擬對(duì)現(xiàn)有傳感器進(jìn)行改進(jìn)，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(jié)構(gòu)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(shè)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(hào)發(fā)射器，在L3處安置光敏電阻.根據(jù)折射定律，無(wú)雨時(shí)，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(hào)，判斷為無(wú)雨.

由于玻璃折射率＞雨水折射率＞空氣折射率，當(dāng)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(duì)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(fā)生偏轉(zhuǎn)，光敏電阻無(wú)法接收到光信號(hào)，判斷為有雨.

1.2 傳感器改進(jìn)——V形槽雨滴傳感器

在平行玻璃結(jié)構(gòu)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(shí)光線產(chǎn)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(huì)造成許多誤差的產(chǎn)生和擴(kuò)大，故在實(shí)際應(yīng)用中，具有一定的局限性.因此，我們需要對(duì)傳感器進(jìn)行一定的改進(jìn)，減少由于雨滴形狀的不同而造成的誤差.

圖1 平行玻璃結(jié)構(gòu)雨滴示意圖

我們?cè)谠械钠叫胁ＡЫY(jié)構(gòu)上，開(kāi)一個(gè)V形槽，如圖2、3所示.雨滴落在槽內(nèi)后，其上表面近似于水平狀態(tài)，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(diào)整入射光L1，使其穿過(guò)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大角度的偏轉(zhuǎn)，使出射光L3偏離出光敏元件的接受范圍，光敏電阻無(wú)法接受到光信號(hào)，判斷為有雨.

圖2 V型槽無(wú)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(zhuǎn)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(jì)算，我們調(diào)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(jì)算得出無(wú)雨時(shí)光線的偏折角度為0，而有雨時(shí)，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(jì)算，我們根據(jù)實(shí)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(fù)雜，沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量，近似采用水的折射率n水為1.33.代入（2）計(jì)算得到出射光的偏折角度曲線如圖5所示.

根據(jù)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(zhuǎn)弧度）有關(guān)，并且成線性關(guān)系.試驗(yàn)中，光線僅需偏折0.5～1 cm，就可對(duì)雨滴進(jìn)行判斷，而光程一般為5～10 cm以上.因此，偏轉(zhuǎn)弧度只需達(dá)到0.1即可.即θ1在42°～73°，都能對(duì)雨滴進(jìn)行判斷.允許雨滴表面傾斜誤差15.5°.

2 傳感器控制電路設(shè)計(jì)

由于傳感器在無(wú)雨時(shí)，光敏電阻能夠接受到光信號(hào)，而有雨時(shí)接收不到光信號(hào).據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，兩者的阻抗差在6～10倍左右.因此，根據(jù)光敏電阻輸出阻抗的不同，設(shè)計(jì)如圖6所示電路.為方便測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中將電路連通一個(gè)電機(jī).通過(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，判斷有無(wú)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(shí)驗(yàn)中選用的是MCR100-6（當(dāng)觸發(fā)電壓大于額定電壓時(shí)，可控硅導(dǎo)通；觸發(fā)電壓小于額定電壓時(shí)，可控硅截止[2-3]）控制電路的導(dǎo)通與截止.當(dāng)光同時(shí)照射到R6、R7上時(shí)，D1、D2觸發(fā)端電壓分別降低和升高，使得D1截止，D2導(dǎo)通.電機(jī)正轉(zhuǎn)，判斷無(wú)雨.當(dāng)沒(méi)有光照射到R6、R7上時(shí)，D1、D2的觸發(fā)端電壓分別升高和降低，使得D1導(dǎo)通，D2截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)，判斷有雨.

圖6 DC24V電極正反轉(zhuǎn)控制器接線示意圖（手動(dòng)自動(dòng)行程開(kāi)關(guān)限位端子型）

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

由于實(shí)驗(yàn)條件所限，我們的實(shí)驗(yàn)都是在雨滴命中傳感器敏感范圍內(nèi)的前提下進(jìn)行模擬的，在此范圍內(nèi)，傳感器的靈敏度較高.實(shí)際應(yīng)用中，可將激光發(fā)生器和光敏電阻排布成點(diǎn)陣，應(yīng)用簡(jiǎn)單邏輯電路即可擴(kuò)大感應(yīng)面積.

目前應(yīng)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(wú)法作出實(shí)時(shí)響應(yīng).而本傳感器則用有無(wú)雨的判斷，能達(dá)到有雨即反應(yīng).有很高的靈敏度和低延遲性.且傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉.

[1]趙巖，訾鴻.汽車雨滴傳感器的設(shè)計(jì)[J].佳木斯大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25（6）.

[2]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，198 0：9.

[3]沈志勤.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006：1.