光学雨水传感器和确定最小雨滴尺寸的方法与流程

本发明涉及基于光学效应检测雨滴尺寸的雨水传感器。本发明还涉及基于光学效应确定最小雨滴尺寸的方法。
背景技术：
：这种传感器的一种可能应用是控制诸如屋顶窗户之类的窗户，以便在降雨期间检测降雨并随后关闭打开的窗户。另一种应用是将雨水传感器安装在车辆的挡风玻璃上的刮水器区域中。根据挡风玻璃上的传感器有效区域上存在的液滴量，这些雨水传感器向评估电路提供用于控制挡风玻璃刮水器的信号。存在基于若干原理的雨水传感器。一些基于压电效应(例如，wo2009/003473a1中所示)。其它的使用具有对应谐振电路的电感和电容部件的导体结构，使得挡风玻璃的润湿导致导体布置的频率特性的变化，例如de102005006861a1中所示。因此，如de10127990a1所公开，可以采用谐振频率的偏移作为对于传感器元件附近的降水量的量度。另一类雨水传感器基于由绝缘间隙隔开的导电电极，该绝缘间隙可以由水滴贯穿。这些传感器可以是电阻性的，在这种情况下，电极放置在窗户的外表面上，以便直接接触水滴；或者可以是电容性的，在这种情况下，电极通过介电涂层或玻璃层与水滴分离，使得水滴能够改变电极之间的电容。ep2883034b1中所示的概念使用导电条。从us5659294a中已知采用两个导电路径，其具有彼此平行的导电路径部分，并且彼此以梳状方式接合但不彼此电连接。在暴雨期间，导电条或路径由水滴桥接，所产生的电特性可通过电测量图来描述。其他传感器基于对车辆挡风玻璃成像，并对图像进行频率分析，例如在us2007/0272884a1中公开的。在此，当检测到高频分量时，图像处理器检测出现图像分度变化的变化区域的宽度。当变化区域的宽度处于对应于雨滴直径的预定范围内时，图像处理器确定雨滴在挡风玻璃上。许多雨水传感器(例如ep1257444b1、de19701258a1和us2011/0242540a1中所示)在挡风玻璃的外表面处使用光的全内反射。附接到挡风玻璃的内表面的壳体中的发射器发射辐射，该辐射在外表面处被反射，并且因此由设置在相同壳体中的接收器检测。被液滴覆盖的外表面的区域将不显示全内反射，使得接收器将检测信号损失，其作为外表面上的水量的量度。由这种雨水传感器随时间检测到的信号的突然变化对应于撞击挡风玻璃的单个雨滴。因此，根据时间分辨信号和雨水传感器探测的表面区域的尺寸，可以推断出每单位时间每表面单位的液滴数，其表示为雨强度。然而，雨强度通常不足以准确地评估驾驶员的可见度。因此，本发明的目的是提供一种雨水传感器，该雨水传感器在确定驾驶员的可见度方面更加准确，同时具有稳健性和制造经济性。技术实现要素：这一目的通过独立权利要求的主题解决。本发明的替代实施例是从属权利要求的主题。因此，为了产生允许更好地控制雨刮器的完整图像，本发明还提出确定雨滴的尺寸。本发明具体涉及一种雨水传感器，其用于安装在窗板的第一表面上，以便检测所述窗板的相反的第二表面上的水分的量，至少一个发射器用于发射电磁辐射，所述电磁辐射从所述第一表面被引导到所述第二表面，以在所述第二表面上形成至少一个雨水敏感区域，至少一个接收器用于感测所述发射器发射、并已经在所述雨水敏感区域处被内反射的辐射，并且，所述至少一个接收器用于产生指示所述雨水敏感区域上的水分的量的输出信号，以及控制单元，其可操作为基于所述输出信号计算最小液滴尺寸。在一个实施例中，雨水传感器包括n个发射器，其中n≥1，发射器朝向n个分离的雨水敏感区域发射辐射，其中在雨水敏感区域中形成线性链，相邻的雨水敏感区域之间具有相等或不相等的距离。在另一实施例中，雨水传感器包括m2个发射器，其中m≥1，发射器朝向m2个分离的雨水敏感区域发射辐射，其中所述雨水敏感区域形成二次阵列。每种布置具有这样的优点，光学信号的变化根据最小雨滴尺寸而成比例变化(scale)，使得可以根据光学信号的变化容易地确定最小雨滴尺寸。每种布置具有光学信号和最小液滴尺寸之间的特定关系。雨水传感器还可包括用于引导电磁辐射的辐射会聚装置和布置在窗板和光学会聚装置之间的光学耦合部。因此，可以以有效的方式使用辐射，从而避免损失。本发明还包括一种用于根据雨水传感器的信号确定最小雨滴半径(rmin)的方法，所述雨水传感器用于安装在窗板的第一表面上，以便检测在窗板的相反的第二表面上的水分的量，其中，所述雨水传感器包括至少一个用于发射电磁辐射的发射器，至少一个用于感测辐射的接收器，以及控制单元，所述方法包括以下步骤：将所述电磁辐射从所述第一表面引导到所述第二表面，以在所述第二表面上形成至少两个雨水敏感区域；检测所述发射器发射的电磁辐射，其中所述辐射已在所述雨水敏感区域处内反射；产生指示所述雨水敏感区域上的水分的量的输出信号，以及基于所述输出信号计算最小液滴尺寸。在本发明的一些实施例中，所述至少一个雨水敏感区域具有基本圆形的轮廓。另外，线性的轮廓是可行的。在本发明的一些实施例中，产生具有相同半径r(和直径d＝2r)的多个雨水敏感区域。在本发明的一些实施例中，所述雨水敏感区域形成圆形或线性的阵列。在本发明的一些实施例中，相邻雨水敏感区域的边缘以距离δ分开。在此，计算相对信号下降δs，并且按照rmin＝f(n,d,δ,δs)计算所述最小液滴尺寸。该等式取决于传感器的活性表面的几何形状(圆形、方形、线性链、二次阵列......)和液滴的形状。在本发明的一些实施例中，仅存在单个的雨水敏感区域。在这一情况下，最小液体半径随着相对信号下降的平方根成比例变化。附图说明附图被结合到说明书中并形成说明书的一部分，以说明本发明的若干实施例。这些附图与说明书一起用于解释本发明的原理。附图仅用于说明如何制造和使用本发明的优选和替代示例，而不应被解释为将本发明限制于仅示出和描述的实施例。此外，实施例的若干方面可以单独地或以不同的组合形式形成根据本发明的解决方案。因此，下面描述的实施例可以单独考虑或以其任意的组合考虑。根据如附图所示的本发明的各种实施例的以下更具体的描述，其他特征和优点将变得显而易见，其中相同的附图标记指代相同的元件，并且其中：图1描绘了基于单个发射器发射的辐射的全内反射的雨水传感器的原理设置；图2示出了用于评估最小雨滴尺寸的两种方式，包括连续策略和离散策略；图3示出了单个雨水敏感区域被雨滴部分覆盖的三种情况，与具有最小半径的相应液滴相比；图4a至4e示意性地示出了覆盖雨水敏感区域的雨滴的几何结构和对应的光学信号；图5示出了不同雨滴尺寸的相对光学信号的分布，并且相对光学信号观测为雨滴尺寸的函数；图6示出雨水敏感区域的第一有利布置；图7示出雨水敏感区域的替换布置；图8示出雨水敏感区域的第二替换布置；图9示出雨水敏感区域的第三替换布置；图10示出雨水敏感区域的第四替换布置；图11示出对于图7中所示的雨水敏感区域的替换布置的观测为雨滴尺寸的函数的相对光学信号；图12示出根据另一实施例的两个相邻的雨水敏感区域。具体实施方式现在将参考附图更详细地解释本发明，首先参考图1。如图1所示，窗板(pane)100具有第一表面102和第二表面104。在雨水传感器控制车辆的挡风玻璃刮水器的情况下，第一表面102指向车辆的内部。在雨水传感器控制房屋的屋顶窗户关闭的情况下，第一表面102指向房屋的内部。固体层106经由可由凝胶组成的中间软体层108联接到窗板100的第一表面102。在固体层106的与软体层相反的一侧，安装至少一个发光二极管(led)110和至少一个光电二极管112。发射器可以发射可见光或红外光。固体层106和软体层108以及挡风玻璃100对于发射器发射的光是透明的。光学元件准直发射器发射的光。准直器被配置成使来自发射器110的入射光束114进入挡风玻璃100，其方式是光束与表面法线形成的角度大于临界角(临界角度取决于挡风玻璃的光学指数和大气的光学指数)。因此，当第二表面104干燥且清洁时，由于全内反射，光将从挡风玻璃的外表面反射回检测器112。由发射器110发射的光照射的第二表面104处的区域被称为雨水敏感区域118。当窗板的第二表面上的由光束撞击的区域被雨滴115覆盖时，光不会被反射，而是被传输到第二表面上方的半空间117中。发射器110和接收器112连接到功率和测量电路120，所述电路接收来自光电二极管112的输出信号，并且进一步驱动led110。图1所示的设置仅包括单个的雨水敏感区域118。如果采用多个发射器和/或传感器，并且光被光学元件正确地引导，则可以获得多个雨水敏感区域118。图2示出了用于确定最小雨滴尺寸的两种方法，包括连续策略和离散策略。连续策略是确定雨滴所覆盖的雨水敏感区域的比例。离散策略是确定雨滴所接触的雨水敏感区域的数量。图3显示了根据应用于单个雨水敏感区域的连续策略测量最小雨滴尺寸的原理。左栏显示了单个雨水敏感区域(白色圆圈)被雨滴(黑色圆圈)部分覆盖的三种情景。右列显示具有最小半径的相应液滴，其被定义为使得具有最小半径的液滴的面积等于由真实液滴覆盖的雨水敏感区域的面积。如果雨水敏感区域的半径表示为r，且最小液滴半径表示为rmin，则相对信号下降δs由δs＝rmin2/r2给出，其中rmin≤r。因此，rmin＝δs1/2r。这一原理可适用于多个雨水敏感区域。图4(上部)示出了在垂直于挡风玻璃的视图中布置在链119中的四个雨水敏感区域118。雨水敏感区域的尺寸相同，且具有0.2mm至10mm的典型半径r。相邻的雨水敏感区域118的中心之间的典型距离d为0至10mm。如图4a所示，所有雨水敏感区域118是干的。在图4b中，示出了单个雨滴115覆盖一个雨水敏感区域的配置。进一步，图4c-e显示的配置中，雨滴相应地覆盖两个、三个或四个雨滴敏感区域118。在下部，对应的光学信号被标出。如果没有雨水敏感区域118被雨滴覆盖，则光学信号采用最大可能的值，100％。当单个雨水敏感区域被雨滴覆盖时，相对光学信号为75％。进一步，当两个雨水敏感区域被雨滴覆盖时，相对光学信号为50％。当三个雨水敏感区域被雨滴覆盖时，相对光学信号为25％。最后，当全部四个雨水敏感区域都被雨滴覆盖时，相对光学信号为0％。在图4b-e中，取决于液滴尺寸，一个、两个、三个或四个雨水敏感区域被液滴全部覆盖。然而，对于中等液体尺寸，或者如果液滴竖直或水平地放置，则液体也可能仅部分地覆盖雨水敏感区域。如果ai(其中(i＝1，...，n))表示雨水敏感区域i的尺寸，而δai表示雨水敏感区域i由雨滴覆盖的尺寸，则分数δa＝∑iδai/∑iai是液滴覆盖的雨水敏感区域的相对尺寸。后者等于相对信号下降，即，δa＝δs。对于给定的雨滴尺寸的可观察到的信号强度的分布可以从蒙特卡罗模拟中获得。在此，对于每个液滴尺寸，液滴随机放置，其中心均匀分布在包围四个雨水敏感区域的矩形区域中。对于每个位置，确定由液滴覆盖的雨水敏感区域的分数的相对尺寸，并因此确定相应的相对信号。图5示出了从这种模拟获得的对于给定雨滴尺寸可观察到的信号强度分布。以液滴尺寸为限，由发射器发射的并且在雨水敏感区域的任何部分处撞击外表面的最大照射将被接收器检测到，导致最大信号强度1。如果雨水敏感区域的部分被雨滴覆盖，则观察到100％和下界限之间的信号，其取决于雨滴的尺寸。各种液滴尺寸的相对信号分布如图5(下部)所示。图5(上部)表示对于图4所示的雨水敏感区域118的线性布置，信号下降δs的最大变化δsmax以线性方式随雨滴的半径r增加。如图7至10所示，在替代实施例中(相比于图6中所示的线性布置)，雨水敏感区域118可位于正方形、菱形或六边形的角上，或形成矩形。图11表明如果雨水敏感区域位于正方形的角上，即形成最小二次阵列，则最大信号下降δsmax根据液滴尺寸成比例变化。实际上，对于敏感区域的每个布置，δs与最小雨滴尺寸之间的关系是特定的并且不一定是线性的。相反，如上所示，如果雨水敏感区域形成线性链，则rmin在δs中线性的。因此，在后一种情况下，rmin对δs更敏感。因此，为了精确确定rmin，雨水敏感区域形成线性链的实施例优于雨水敏感区域形成二次阵列的实施例。总之，返回参考图2，可以从由液滴接触的敏感区域的数量推断出最小雨滴尺寸。换句话说，最小雨滴尺寸也可以从离散的角度定义，其中覆盖的敏感区域的比例不可用，而仅是它们被覆盖(部分或全部)的事实可用。这里，使用图12中所示的术语，δ表示相邻雨水敏感区域的边缘之间的距离，d表示敏感区域的直径(r是半径；d＝2r)。这里，用于下一等式的术语是，ai(其中(i＝1，...，n))表示雨水敏感区域i的尺寸，δai表示雨水敏感区域i由雨滴覆盖的尺寸，分数δs＝∑iδai/∑iai表示由液滴覆盖的雨水敏感区域的相对尺寸，n是传感器上的敏感区域的数量。可以利用两种策略计算最小雨滴尺寸的确定：(1)测量(在每个雨水敏感区域上的)相对信号下降δai，并从等式1计算所述最小液滴尺寸；(2)对由液滴冲击的雨水敏感区域的数量进行计数，按等式2计算所述最小液滴尺寸。根据等式1，最小液滴尺寸的半径表示为：rmin＝f(n,d,δ,δai)(等式1)对于单个的圆形雨水敏感区域，最小雨滴半径以等式1a给出：rmin＝δs1/2r(等式1a)对于多个雨水敏感区域，需要对方程进行不同定义(例如，使用蒙特卡罗模拟)。这取决于传感器的活性表面的几何形状(圆形、方形、线性链、二次阵列......)和液滴的形状。但是，可以对一个特殊情况进行建模。当考虑如图4(上部)或图6所示的实施例中以线性条布置的雨水敏感区域时，给定的雨水敏感区域被液滴完全覆盖或完全没有任何液滴，等式变为：rmin＝[k(d+δ)-δ]/2(等式1b)前面的等式只是一个简化，仅对特定情况有效。等式2为：rmin＝[(k-2)*(d+δ)+δ]/2，其中(k>1)(等式2)附图标记附图标记说明100窗板102第一表面104第二表面106第一固体层；第一光学耦合装置；108中间软体层；第二光学耦合装置；110发光二极管(led)112光电二极管114入射光束115雨滴117窗板的第二表面上的半空间118雨水敏感区域120功率和测量电路当前第1页1 2 3