雨量传感器原理:「雨量感应器」到底是如何工作的?3条硬核知识

2021/11/03 12:25 · 传感器知识资讯 ·  · 雨量传感器原理:「雨量感应器」到底是如何工作的?3条硬核知识已关闭评论
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雨量传感器原理:「雨量感应器」到底是如何工作的?3条硬核知识  第1张

雨量传感器原理:「雨量感应器」到底是如何工作的?3条硬核知识

补充长文遗漏的一些知识点。如何选购雨刮?有骨雨刮真的那么不堪吗?干货长文带你看懂
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硬核干货:「雨刮器」到底怎么分类?又有什么不同呢?硬核干货:「雨量感应器」到底是如何工作的?硬核干货:为什么两厢车型有「后挡玻璃雨刮」,三厢车型没有?硬核干货:「雨刮器」到底怎么分类?又有什么不同呢?
通常被我们称「雨刮器」的部件,在专业书籍中被称为「风窗刮水器」;而那根经常刮不干净,且又黑又硬的棒棒,整体被称为「刮水刷片总成」,但大家不会怎么叫,而是用「雨刷」、「雨刮」等二字词来表达。所以,为了让文章通俗易懂,本系列中统一用「雨刮」和「雨刮xxx」来指代。
汽车雨刮器分类(非专业)
自1903年第一份『车窗清洁装置』专利被提交开始,「雨刮器」正式登上了历史舞台,发展到今天已经100多年了,目前我们对「雨刮器」有了各种各样的分类。对我们而言,按什么分类并不重要,关键是在选购「雨刮」时,能找到适合自己爱车的「雨刮」即可,此前的长文已经讲的很清楚了。
「电动雨刮器」的结构与工作原理
电动雨刮器的结构图(图片源自网络)
当我们将最常见的「电动雨刮器总成」进行拆解,就会发现「电动雨刮器」主要分为这样几部分:
1. 启动装置:无论是手动启动,还是通过感应器启动,总是有一个触发部件;
大众新捷达、新桑塔纳雨刮器电动机与连杆机构总成(图片源自网络)
2. 动力总成:无论是「永磁电动机」还是「励磁(绕线)电动机」,「雨刮器」中总要有一个驱动部件;同时为了使动力保持在可用的扭矩和速度,所以还要配合一套变矩变速的装置(比如上图中的「减速机构」);
3. 从动连杆:为了传导动力,并改变动力的方向,故此还需要一套「连杆机构」来拉动「雨刮」,『左右右手同时做动作』才能让视线清晰;
无骨雨刮(刮片总成)拆解
4. 雨刮(刮片总成):直接作用在玻璃上的部件总成,说人话就是「雨刮」本身;
5. 控制装置:一般「雨刮器」都会有「低速挡」、「高速挡」、「间隙刮水」、「点动工作」和「自动复位」的速度节奏变化,这些变化皆需要一套微型的电控装置来实现。
电动雨刮器工作原理(图片源自网络)
当我们详细了解了「电动雨刮」结构后,其工作原理就很好理解了,相信通过上面的动图大家就能看懂了,我又制作了一张简单的流程图,简述一下「电动雨刮」刮水的动态过程。说白了就是『电动机转,连杆带,雨刮摇』
电动雨刮器工作原理(流程简图)
「气动雨刮器」的结构与工作原理
「气动雨刮器」与「电动雨刮器」最大的不同就在于,一个用「电」旋转驱动,一个靠「气」来左右摇摆。
气动(气压式)雨刮器的结构与工作原理(图片源自网络)
以「气压式雨刮器」为例(上图),「刮水器壳体」内的「大活塞」将内腔分为左、右两个腔室。工作室,「换向阀(阀体)」在左右腔室内造成气压变化,从而使得「大活塞」作往复运动,再通过下面的「齿条」和「齿扇」驱动此后的部件(连杆机构、摇臂、雨刮等),后段的结构与工作原理与「电动雨刮器」几乎一样。说白了就是『气阀动,连杆带,雨刮摇』。此类,「雨刮器」的结构一般用于运营车辆,并不常见。
「电磁雨刮器」的结构与工作原理
不得不说,特斯拉是当下最爱在原有『科技树』上点新技能的创新公司之一,随着旗下电动皮卡Cybertruck的发布,一项「雨刮器」专利也被曝光,国内媒体称其为『电磁式雨刮器』,并进行了这样的描述:
特斯拉电磁式雨刮器的结构
特斯拉所研发的这款雨刷,采用了电磁原理。在发动机盖的后方,挡风玻璃的底部,设计有两条磁性导轨。一个带有磁性的滑块连接着雨刷臂以及雨刮片。当电流通过磁铁和线圈时,滑块会在导轨上滑动,就像磁悬浮列车那样,从而保证雨刮片在挡风玻璃上快速移动。
特斯拉电磁式雨刮器的工作原理(图片源自网络)
说白了就是『通电生电磁,雨刮左右滑』,再来简单地归纳一下其特点:
1. 靠底部两根「电磁导轨」作为动力源;
2. 只用一根「雨刮」;
3. 没有了「连杆机构」。
特斯拉电磁式雨刮器复位后效果(图片源自网络)
当我第一次看到这样的「雨刮器」结构时,最担心是「雨刮器摇臂」在滑动时能否保持一致的韧性。由于驱动力在底部,所以在做左右横滑工作时,那么长的「雨刮器摇臂」不担心由于『杠杆原理』而形变吗?能否刮干净暂且不提,关键还是怕寿命短。当然,特斯拉的这项专利好歹打破了「雨刮器」长期没有结构创新的僵局,至于能不能做到,我充满信心和期待。
他们何时让我们失望过?(其实我很看好特斯拉,希望他们做更好)
硬核干货:「雨量感应器」到底是如何工作的?
实现刮水速度自动控制需要借助雨量传感器将雨量的大小转换成电信号。用来检测雨量大小的传感器有「电阻传感器」、「压电传感器」、「光电传感器」等。
电阻雨量传感器(图片源自网络)
「电阻传感器」由「可用敷铜板刻」制成两个互不连通的「导电极板」组成。其原理是利用雨水的导电率将两个极板部分或全部连通,形成一个与雨水大小成反比的等效电阻,接于「雨刮器控制电路」中,自动调节「雨刮器」的刮水速度。
压电雨量传感器振动板的结构
「压电传感器」由「振动板」、「压电元件」、「放大电路」等部件组成。其原理是当雨点打到「振动板」上时,「振动板」接收到雨点的冲击力,产生振幅与冲击力成正比的振动,并将其传给「压电元件」,「压电元件」形变而产生电压,后经过「放大电路」放大后进入「控制电路」,从而调节「雨刮器」的刮水速度。
光电雨量传感器的结构与基本原理
「光电传感器」主要由「发射管」、「接收管」和「光学元件」等部件组成。其原理是根据光的「透过率」和「反射率」的变化来检测雨量大小。由于雨水会引起一部分入射到玻璃上的光产生『散射』,同时水分还会吸收一定波长的「红外光」,其结果使得反射到「光电池」上光强减小,导致「光电池」的输出电压降低,利用这一特性实现调节雨刮器的刮水速度。「光电传感器」也是目前最主流和常用的「雨量感应器」。
硬核干货:为什么两厢车型有「后挡玻璃雨刮」,三厢车型没有?
不以偏概全,有是有的,少是真的少(图片源自网络)
也不能说没有吧,只是比较少,我记得老款三厢马自达2就有,网上找了半天没找到,可能是我记错了,不过却找到了两张其他车型的,佐证一下。
两厢三厢汽车尾部气流造成的真空区位置不同
但大部分三厢车型是不用「后挡玻璃雨刮」的。由于两厢汽车在行驶时,会在车尾形成一个「真空区」,由此形成的负压,使得从车头流动过来的灰尘、污物、雨水等在这一区域停留,并被压在「后档玻璃」上,导致玻璃模糊不清。而三厢车型的这个「真空区」出现在后备箱底部,而后挡玻璃就不会有过多的污物和雨水积聚,故此,三厢车带「后挡玻璃雨刮」的车型就比较少。
暂告一段落
通过2篇累计1万2千多字的文章,我基本把我对「雨刮器」的了解都告诉了大家,当然很多方面还不够专业更不够深入。话说回来,我在起笔归纳这方面知识的时候,万万没想到能写那么多,原来以为最多5000字20张图就足够讲清楚了,所以,通过这次的撰文,更加认识到:每个汽车部件都有聊不完的知识点,而且越聊越觉得有趣。
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雨量传感器原理:雨量传感器原理解决方案.pptx

雨量传感器 原理&解决方案;;主要产品;光电器件,利用半导体PN结的光电效应,形成发光器件(电信号转换成光信号)和受光器件(光信号转换成电信号)两大类产品.
根据功能不同,进一步细分出不同波长、不同强度、不同角度、不同输出形式的特定产品。
根据应用场合不同,细分出不同封装形式、不同动作形式、不同工作环境、不同耦合路数的产品。
进一步的,配合透镜、反射物、码盘、结构件等,可以衍生出更多功能、更特性化的模块化产品。;光电Sensor的优点&典型应用电路;产品示例;雨量传感器;雨量传感器原理;关于全反射;角度设计;;;光电器件;光电器件;环境光检测 & 异物检测;BENZ的一款雨量传感器;
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兰长学 雨量传感器原理:「雨量感应器」到底是如何工作的?3条硬核知识  第3张

雨量传感器原理:雨量传感器的工作原理_雨量传感器的种类

  雨量传感器概述
  雨量传感器适用于气象台(站)、水文站、农林、国防等有关部门用来遥测液体降水量、降水强度、降水起止时间。用于防洪、供水调度、电站水库水情管理为目的水文自动测报系统、自动野外测报站,为降水测量传感器。
  暗藏在前风挡玻璃后面,它能根据落在玻璃上雨水量的大小来调整雨刷的动作,因而大大减少了开车人的烦恼。
  雨量传感器的种类及原理
  常见的雨量传感器主要有流量式雨量传感器、静电式雨量传感器、压电式雨量传感器,红外线式雨滴传感器。
  流量式雨滴传感器

  如图所示,S1/S2/S3为流量监测电极板,S1-S2为2.5cm,距离较近,小雨量时T1先导通,J1吸合,雨刮低速转动;S1-S3为3cm距离较远,大雨量时T2先导通,J2继电器吸合,常开触点接通,雨刮电机高速转动。
  电容式雨量传感器

  如图所示,静电面积S,电极间的间隔d不变,则电容C只有介电系数?决定,因水和空气的介电系数?值不同,C随雨滴的大小而变,利用静电容的变化,改变振荡电路的振荡频率,从而控制雨刮器的动作。
  压电式雨量传感器
  现在的雨量检测刮雨器,将雨量传感器检测出的雨量变成电信号,根据电信号的大小,自动设定刮雨器的工作时间间隔,控制刮雨器的动作。在这个系统中雨量传感器的作用最重要。下面就介绍利用压电振子的传感器:压电振子利用压电效应将机械位移(振动)变成电信号。如图,压电振子受到雨淋,按照雨滴的强弱和雨量做振动。

  雨滴传感器由振动板、压电元件、放大电路、壳体及阻尼橡胶构成,如图所示。
  振动板的功用是接收雨滴冲击的能量,按自身固有振动频率进行弯曲振动,并将振动传递给内侧压电元件上,压电元件把从振动板传递来的变形转换成电压。雨滴检测用传感器上的压电元件,当压电元件上出现机械变形时,在两侧的电极上就会产生电压。所以,当雨滴落到振动板上时,压电元件上就会产生电压,电压大小与加到振动板上的雨滴能量成正比,一般为0 5mV至300mV。放大电路将压电元件上产生的电压信号放大后再输人到刮水器放大器中。放大器由晶体管、IC块、电阻、电容器等部件组成。
  当雨滴接触到传感器表面是,在传感器内部产生随雨滴强度和频率变化的电压变换,该电压波形经传感器内部放大器放大,存储入功率放大器内部。当当信号达到一定值时,经过电路输入雨刮器驱动电路,雨刮器随即启动开始刮雨。

  红外线式雨滴传感器

  原理:发光二极管发出的光经过透镜系统调整后,成平行光状态照射到挡风玻璃上;当玻璃干燥时、光线将发生全反射,并经过透镜系统成平行光状态被接收器件接收,输出最大值100%;当玻璃上有雨水、雨滴时,由于折射率改变,光线将不能发生全反射,而是视水滴面积大小发生部分反射,此时接收管只收到部分信号,按照百分率比值能够计算出雨量大小。

雨量传感器原理:雨量传感器的工作原理解析

描述
一个旧金山的网友近日在网上称“我住在一个用于自动驾驶测试的停车场旁边,最近我才意识到,当我靠近使用激光雷达的汽车时,它会触发我的雨量传感器,雨刮器开始运转。之前也发生了几次,最近我才把这件事跟激光雷达联系上。这似乎是意外的Bug。有人对这件事了解吗?”
对于激光雷达,每个研究自动驾驶的人都很了解,基本原理就是由激光器发射出的脉冲激光由空中入射到地面上,打到树上、道路上、汽车车辆上,引起散射。一部分光波会经过反射返回到激光雷达的接收器中,根据计时器记录下来的脉冲信号时间差来测算目标的距离,形成对周围世界的感知。
它能影响到雨量传感器吗?我们再看看雨量传感器是什么原理。
雨量传感器主要是用来检测是否下雨及雨量的大小。当汽车在雨雪天等恶劣天气下行车时,由雨量传感器向域控制器报告,由控制器驱动雨刷、车灯、车窗完成对雨天的预警动作,理论上说这属于一种ADAS功能。
为确保驾驶员在雨天有良好的视线,在下雨天,当传感器检测到有雨水落到了挡风玻璃上,就对雨刷发出指令使其开始工作,车的前挡风玻璃上的雨水即被清除了。且智能控制系统探测并分析雨刮器的刮雨频率,提高驾驶员的视觉效果,保证了视线通畅,确保行车安全。
常见的雨量传感器主要有流量式雨量传感器、静电式雨量传感器、压电式雨量传感器,红外线式雨滴传感器。当然,也有比较特别的,比如特斯拉用图像视觉去判断下雨天。
其中,流量式、静电式、压电式雨量传感器都有水滴的物理特性强相关,受激光脉冲的影响影响的可能性较小,根据网友的描述,如果有影响猜测可能是红外线式雨滴传感器。
这种传感器是依靠发光二极管发出的光经过透镜系统调整后,成平行光状态照射到挡风玻璃上;当玻璃干燥时、光线将发生全反射,并经过透镜系统成平行光状态被接收器件接收,输出最大值100%;当玻璃上有雨水、雨滴时,由于折射率改变,光线将不能发生全反射,而是视水滴面积大小发生部分反射,此时接收管只收到部分信号,按照百分率比值能够计算出雨量大小。
该传感器受背景光的干扰,光电转换信号弱,信号易被噪声淹没,而与工作中的激光雷达接触时,会有一定的概率对传感器产生信号噪声,让其产生错误的响应。
基于光强变化的传感器安装在汽车挡风玻璃内侧,不与雨水直接接触,在挡风玻璃的保护下,能够长期稳定工作,所以红外散射式雨量传感器正成为主流的产品,而带有激光雷达的车辆毕竟还未普及,所以平时生活中很少会发生这个网友的事情。
可见,ADAS向自动驾驶过渡的过程中,多模块功能的融合上还要考虑得更加周全,才不会发生不必要的“冲突”。
谈到雨量传感器,就不得不提特斯拉的视觉识别雨滴的方案,Tesla Autopilot可以通过图像识别技术识别潮湿的天气,然后在必要时打开雨刮器。这种方案看似更智能,其实也并不可靠。根据腾讯科恩实验室的研究,通过在物理世界中巧妙地生成了一张图像,系统将受到干扰并返回“不正确”结果,然后尴尬地打开了雨刮器。
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