智能雨滴传感系统设计

唐思炜，侯书勇

（华东理工大学 理学院，上海 2 00237）

雨滴传感器大多应用于汽车自动雨刮.现有的雨滴传感器主要有三种类型：静电容式，以两块极板作为传感器，当有雨进入极板中间时，电容值会随雨量的大小改变，从而判断雨量；压电振子式，以压电元件作为传感器，随着雨量的变化，压电材料会输出不同的振动波形，从而判断雨量；红外线式，利用光的全反射原理，当传感元件接触到雨后，由于介质折射率的不同，光线会发生全反射，根据光线全反射的强度判断雨量大小[1].这些传感器只有在雨量较大时，才能判断雨量的大小，当雨量较小时，很难作出灵敏的反应.因此，本文拟对现有传感器进行改进，以提高传感器的灵敏度.

1 雨滴传感器原理

1.1 平行玻璃结构和理想雨滴模型

一束光线入射到平板玻璃后分为三段：L1为入射光，L2为折射光，L3为出射光.设滴落到平板玻璃上的理想雨滴（形状为半椭圆）只有一滴，如图1所示，在L1处安置激光信号发射器，在L3处安置光敏电阻.根据折射定律，无雨时，入射光L1和出射光L3是平行的.那么光敏电阻将接收到光信号，判断为无雨.

由于玻璃折射率＞雨水折射率＞空气折射率，当理想雨滴滴落在玻璃上，由于理想雨滴为半椭圆形，光线相对于雨滴的入射面和出射面是不平行的，则获得的出射光L3与入射光L1一定不平行，出射光L3发生偏转，光敏电阻无法接收到光信号，判断为有雨.

1.2 传感器改进——V形槽雨滴传感器

在平行玻璃结构中，若雨量稍大，平板上雨水偏离理想雨滴较大，而近似为液体平板.此时光线产生的偏折角度Δ θ十分微小，其在光敏元件上的偏移量为

其中R为出射光L3的光程，要使Δ L偏移出光敏元件，就需要光程R足够大.而传感器距离的增加，会造成许多误差的产生和扩大，故在实际应用中，具有一定的局限性.因此，我们需要对传感器进行一定的改进，减少由于雨滴形状的不同而造成的误差.

图1 平行玻璃结构雨滴示意图

我们在原有的平行玻璃结构上，开一个V形槽，如图2、3所示.雨滴落在槽内后，其上表面近似于水平状态，而下表面由于V形槽的限制，与水平面有很大的夹角.事先调整入射光L1，使其穿过V形槽斜面，从上表面射出，由于上下表面的斜率完全不同，因此出射光L3会产生一个较大角度的偏转，使出射光L3偏离出光敏元件的接受范围，光敏电阻无法接受到光信号，判断为有雨.

图2 V型槽无雨示意图

图3 V型槽有雨示意图

1.3 V形槽雨滴传感器的偏转角

我们定义V形槽和玻璃面法线的夹角为θ1，出射光与水平面的夹角为θ2.为了便于计算，我们调整入射光的角度，使其垂直于V形槽的斜边入射，如图4所示.这样我们可以计算得出无雨时光线的偏折角度为0，而有雨时，光线的偏折角度为

图4 偏折角度曲线

图5 偏折角度曲线

其中n代表折射率.为了便于计算，我们根据实际情况作一些近似.空气的折射率n空约为1.雨水因所含成分的复杂，没有经过实际测量，近似采用水的折射率n水为1.33.代入（2）计算得到出射光的偏折角度曲线如图5所示.

根据公式（1）可知，在光程固定的情况下，光线在光敏元件上的偏折距离仅与偏折角度（即偏转弧度）有关，并且成线性关系.试验中，光线仅需偏折0.5～1 cm，就可对雨滴进行判断，而光程一般为5～10 cm以上.因此，偏转弧度只需达到0.1即可.即θ1在42°～73°，都能对雨滴进行判断.允许雨滴表面倾斜误差15.5°.

2 传感器控制电路设计

由于传感器在无雨时，光敏电阻能够接受到光信号，而有雨时接收不到光信号.据实验测定，两者的阻抗差在6～10倍左右.因此，根据光敏电阻输出阻抗的不同，设计如图6所示电路.为方便测试，实验中将电路连通一个电机.通过电机正反转，判断有无雨.

图6中，R6、R7为光敏电阻（光敏电阻受光照之后阻抗降低），阻值为12 K.D1、D2为MCR系列可控硅，实验中选用的是MCR100-6（当触发电压大于额定电压时，可控硅导通；触发电压小于额定电压时，可控硅截止[2-3]）控制电路的导通与截止.当光同时照射到R6、R7上时，D1、D2触发端电压分别降低和升高，使得D1截止，D2导通.电机正转，判断无雨.当没有光照射到R6、R7上时，D1、D2的触发端电压分别升高和降低，使得D1导通，D2截止，电机反转，判断有雨.

图6 DC24V电极正反转控制器接线示意图（手动自动行程开关限位端子型）

3 实验结果与讨论

由于实验条件所限，我们的实验都是在雨滴命中传感器敏感范围内的前提下进行模拟的，在此范围内，传感器的灵敏度较高.实际应用中，可将激光发生器和光敏电阻排布成点阵，应用简单逻辑电路即可扩大感应面积.

目前应用较多的雨滴传感器，大多是用于雨量大小的判断，因此，存在一定的延迟，无法作出实时响应.而本传感器则用有无雨的判断，能达到有雨即反应.有很高的灵敏度和低延迟性.且传感器结构简单，成本低廉.

[1]赵岩，訾鸿.汽车雨滴传感器的设计[J].佳木斯大学学报，2007，25（6）.

[2]童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，198 0：9.

[3]沈志勤.电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，2006：1.