平面曲線電容式汽車玻璃自動除霧系統智能傳感器的製作方法
2023-04-28 07:32:26
專利名稱：平面曲線電容式汽車玻璃自動除霧系統智能傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及汽車電子、智能傳感器和測量技術領域，特別是涉及一種平面曲線電容式智能結霧傳感器。
背景技術：
進入21世紀以來，汽車電子化和智能化已經成為汽車工業技術發展的方向和前沿，汽車的安全性和人性化也成為各大汽車廠商注重的焦點。自動除霧系統不僅是著眼於方便駕駛著的人性化關懷，更重要的是自動除霧系統是汽車主動安全系統的重要組成部分。在空氣相對溼度大的環境下，汽車前風擋玻璃內表面常常會結霧從而影響駕駛員的視線，傳統的除霧方式是駕駛員手動調整汽車送風系統的方向，使風直接吹向汽車前風擋玻璃，將霧吹散。頻繁的手動調整送風方向，會分散駕駛員精力，帶來不安全因素。自動除霧系統，已經被作為汽車電子發展的前沿技術而提出，它可以自動感知汽車玻璃內表面結霧的程度，並據此，自動調整汽車空調系統的送風方向和大小，當霧被吹散後，能自動地將汽車空調系統的送風方向和大小調回原狀。由於不能很好的解決自動除霧系統傳感器問題，至今還未見到自動除霧系統在汽車工業中的應用，相信在不久的將來自動除霧系統將逐步成為汽車的標準配置。
自動除霧系統的關鍵技術是結霧傳感器技術，客觀地說，截止到今日，世界範圍內還未見到實用的汽車專用的結霧傳感器。
發明內容
本發明的目的是提供一種平面曲線式電容智能結霧傳感器，以解決自動感知汽車玻璃內表面結霧程度的問題。
本發明的上述目的是這樣實現的，一種平面曲線電容式汽車玻璃智能自動除霧系統傳感器，包括一個安裝在汽車前擋風玻璃內表面上的平面曲線電容器，以作為傳感器的敏感元件，其中所述平面曲線電容器在同一平面上用平行導線按一定間距以曲線形狀形成該平面電容器的兩個電極；一個傳感器檢測電路，檢測所述平面曲線電容器受環境影響而帶來的電容量變化，並根據所檢測的電容量變化產生控制除霧的控制信號。
下面結合附圖以具體實例對本發明進行詳細說明。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
圖1是矩形螺旋式平面曲線電容示意2是多邊形螺旋式平面曲線電容示意3是矩形折線式平面曲線電容示意4是圓形螺旋式平面曲線電容示意5是矩形平行線式平面曲線電容示意6是本發明應用介質環境下的電容模型7是點電荷的電場線分布8是平行板式電容的電場線分布9是安裝在玻璃下面的圓形螺旋式平面曲線電容示意10是平面曲線電容的電場線分布11是本發明應用環境下平面曲線電容的電場線分布12是本發明應用環境下平面曲線電容的測量空間示意13是本發明實施例採用的平面曲線電容示意14是本發明實施例採用的平面曲線電容安裝位置示意15是本發明智能數據處理單元電路框圖具體實施方式
本發明採用測量電容量的原理，傳統的電容式傳感器是基於平行板式電容的，它的原理是兩平行板組成的電容如不考慮非均勻電場印跡的邊緣效應，其電容量為C=S/d]]>式中，ε為極板間介質的介電常數，=0r,]]>ε0為真空中的介電常數，0=8.85410-12F/m,]]>εr是介質相對真空的介電常數，空氣的相對介電常數r1,]]>其它介質r>1;]]>S為極板的面積；d為極板的間距。
由於被測量的變化引起電容式傳感器有關參數ε，S，d的變化，使電容量C隨之變化。據此，傳統的電容式傳感器以不同參數的變化和分為三種類型變間距式(參數d變化)；變面積式(參數S變化)；變介電常數式(參數ε變化)。
本發明提出的平面曲線電容式傳感器，從原理上打破了傳統的基於平行板式電容原理的電容式傳感器的思維定勢，它在同一平面上用平行導線按一定間距一曲線形式(包括螺旋線、折線、平行線)形成平面電容的兩個電極。它不屬於上述三種傳統電容式傳感器類型的任何一種，它是一種綜合性的電容式傳感器，它同時具有變間距式、變面積式和變介電常數式電容式傳感器的特性。圖8給出傳統平行板式電容的示例，圖1是本發明提出的平面曲線式電容的示例。
本發明的電容測量原理如下依據電場理論的場強矢量疊加原理，我們知道，電容器的特性可以用電場線分布來描述，圖7和圖8分別給出點電荷和平行板電容的電場線分布。為方便下面的討論圖9給出螺旋線形平面曲線式電容的電場線分布，由圖中我們可以看到，平行板電容的電場線主要分布在兩平行板之間的矩形空間內，因此在計算平行板電容的電容量時，可以忽略平行板邊緣電場的影響得出平行板電容的電容量計算公式C=S/d.]]>同樣道理，由圖10可以看出，平面曲線式電容的電場線主要分布在平面曲線形成的平面電極周圍的扁平空間中，由於平面電容的理論計算過於複雜，在這裡我們不作詳細討論，由電場的矢量疊加原理和電介質在電場中的性質可以推知，平面曲線式電容電極周圍的扁平介質空間的厚度dr與導線的間距d成近似正比關係，與介質的介電常數成反比關係。
圖11給出本發明涉及的應用環境下的平面曲線電容的電場線空間分布，其中，1和2分別是平面曲線電容的兩極，3是汽車玻璃，7是電場線，由圖可以看出，由於受到不同介質影響，平面曲線電極周圍的扁平介質空間可以劃分成如圖12所示的二個不同的空間平面電極以上局限在汽車玻璃內部的上半扁平空間N1 4，其厚度為d1；汽車玻璃內表面和平面曲線電極以下的下半扁平介質空間Nx 5，其厚度為dx；平面曲線電極的間距為d。由於NI 4空間的介質為均勻玻璃，只要選擇平面曲線電極的間距為d遠小於玻璃的厚度，就可以使NI 4空間的厚度d1小於玻璃的厚度，這就使N1 4空間封閉在玻璃內部，因此，N1 4空間的介電常數和體積可以認為是不變的，而Nx 5空間平常是空氣，當結霧時，將有細小的水珠進入該空間，水珠的密度、水珠的大小和水珠的介電常數將引起Nx 5空間的有效面積、厚度、和平均介電常數的變化，Nx 5空間正是我們的測量空間。
基於以上的討論，本發明提出如圖6所示的等效電容模型。其中，並聯等效電容C1是由N1空間確定的不變電容，Cx是Nx空間形成的可變電容。Cx的電容量同時取決於進入Nx空間的水珠的介電常數，水珠覆蓋面積，和水珠的大小。由水珠引起的N x空間的厚度變化在概念上可以等同於平行板電容器的間距變化。
通過以上對本發明原理的討論，我們可以得到下述兩點結論1.本發明提出的平面曲線電容式傳感器不同於以往的任何一種類型的電容式傳感器(包括變面積性、變間距型、和變介電常數型)，它是綜合性的電容式傳感器，它可同時感知面積、間距、和介電常數三個參數的變化。
2.本發明提出的平面曲線電容式傳感器通過感知汽車玻璃內表面附著的細小水珠覆蓋的面積和水珠的大小，反映結霧的程度。
在闡述了本發明的發明原理後，下面給出本發明的技術方案採用任意導電材料如銅、鋁、銀、導電橡膠、導電塑料、導電膠，透明導電薄膜等，通過任意工藝方法如粘貼、壓固、噴塗、或個重在玻璃表面鍍金屬的工藝，在汽車玻璃內表面上不影響駕駛員視線的位置形成一對平面曲線電極，該平面曲線電極可以是任意形狀，圖1、圖2、圖3、圖4和圖5給出了幾種推薦的平面曲線電極的形狀。要求平面曲線電極與玻璃內表面應緊密接觸，玻璃表面鍍金屬是最好的選擇，同時要求平面曲線電極的間距要遠遠小於汽車玻璃的厚度以使N1空間完全封閉在汽車玻璃內部，從而保證上述電容模型中的C1保持不變，同時對細小水珠有足夠的靈敏度。實驗表明，平面曲線電極的間距以小於0.5m為宜，曲線電極的線寬以小於0.3mm為宜。通過焊接、壓接、粘接或導電橡膠等任意連接方法將兩電極用導線引出，引出導線最好是屏蔽線。引出的導線與一個帶微處理器的智能型信號放大處理單元連接，智能型信號放大處理單元應由正弦波發生電路、模擬信號放大濾波電路、模數轉換電路、數位訊號處理和數字總線接口部分組成。正弦波發生電路產生一定頻率和幅值的正弦波輸出到平面曲線電容的一極，平面曲線電容的另一極連接到模擬信號放大濾波電路，當結霧時，平面曲線電容的電容量將發變化從而導致容抗發生變化，容抗的變化又將導致模擬信號放大電路輸入信號的幅值和相位的變化，該變化的信號通過模擬信號放大濾波電路的放大和濾波後通過模數轉換電路轉換成數位訊號送往數位訊號處理部分，要求模擬信號放大濾波電路設計應儘量減少雜散電容和寄生電容的影響，數位訊號處理部分的微處理器對轉換後的信號進行數字濾波、數字線性化處理和自適應算法以進一步消除掉環境溫度對介電常數和模擬電路溫度漂移產生的影響，並對信號做線性化處理，處理後的數位訊號通過數字總線接口電路輸出到自動除霧系統的控制單元。
本發明的有益效果是1.解決了汽車玻璃自動除霧系統沒有可應用的結霧傳感器的問題，本發明提出的平面曲線電容式結霧傳感器可以有效的感知汽車玻璃內表面結霧的程度，並直接向汽車玻璃自動除霧系統輸出數位訊號，汽車玻璃自動除霧系統輸和據此信號自動調節送風方向和送風量。
2.本發明提出的平面曲線電容式結霧傳感器的敏感元件僅僅是一對平面曲線電極，它選材廣泛、結構簡單、安裝方便、成本很低。
具體實例本實施例採用以透明塑料薄膜為基板的柔性電路板加工成一對如圖13所示的半徑為r＝3cm，間距d＝0.5mm，線寬為w＝0.3mm的多邊形螺旋平面曲線電極，電極總面積約為10平方釐米，其中，1和2分別是平面曲線電容的兩個電極，8是透明塑料薄膜基板。按圖14所示的位置粘貼在汽車前風擋玻璃3內表面的右下角上(針對左側駕駛的汽車，對於右側駕駛的汽車，應粘貼在汽車前風擋玻璃左下角)。根據冷熱空氣對流的理論，冷空氣下降，熱空氣上升，因此，汽車玻璃結霧通常都是自下而上的。選擇透明導電薄膜和前風擋玻璃右下角位置可以做到即不影響駕駛員視線，又可以準確及時地檢測結霧程度。如圖14所示，在汽車玻璃3的內表面上粘接有平面柔性電路板製成的曲線電容8，柔性電路板的延長部分直接進入汽車外殼12和內飾13的夾層中，兩根屏蔽導線10的一端分別焊接在平面曲線電容8的兩個電極上，將屏蔽導線引出到車頂外殼12和車頂內飾13的夾層中，兩根屏蔽導線10的另一端聯結在安裝在車頂外殼12和車頂內飾13夾層中的智能信號處理單元電路板14上，電路板由帶有屏蔽層的塑料外殼進行電磁屏蔽和保護，傳感器的數字輸出信號通過屏蔽LIN總線電纜11送往自動除霧系統的控制單元。
圖15是本發明實施例的電路原理框圖，其中，平面曲線電容電極的一端1連接在正弦波發生電路15的輸出端上；另一端2連接在程控模擬信號放大濾波電路18的輸入端上。程控模擬信號放大濾波電路18接受來自微處理器16的程序控制，進行量程自適應調節，正弦波發生電路15產生的一定頻率的正弦波信號20通過平面曲線電容後，將變成被衰減的正弦波信號21，該信號21被程控模擬信號放大濾波電路18接受，經放大濾波後產生一個直流電壓信號，通過模數轉換電路19轉換成數字電壓信號送往微處理器16，該數字電壓信號在微處理器16中經數字濾波、數字線性化處理和數字自適應算法調整後形成傳感器的數字輸出信號送往LIN(Local InterconnectNetwork現場連接網絡)總線接口電路17，然後，通過屏蔽LIN(LocalInterconnect Network現場連接網絡)總線電纜11送往自動除霧系統的控制單元。
權利要求
1.一種平面曲線電容式汽車玻璃自動除霧系統智能傳感器，包括一個安裝在汽車前擋風玻璃內表面上的平面曲線電容器，以作為傳感器的敏感元件，其中所述平面曲線電容器在同一平面上用平行導線按一定間距以曲線形狀形成該平面電容器的兩個電極；一個傳感器檢測電路，檢測所述平面曲線電容器受環境影響而帶來的電容量變化，並根據所檢測的電容量變化產生控制除霧的控制信號。
2.根據權利要求1所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動除霧系統智能傳感器，其中所述的傳感器檢測電路包括一個信號產生器，產生一接入平面電容器的測試信號；一個程控模擬信號放大和濾波電路，接收流經平面電容器的測試信號，放大並濾波所接收的測試信號，以產生一直流電壓信號；一個模數轉換電路，將所述直流電壓信號轉換成數字電壓信號；一個微處理器，接收所述數字電壓信號，對該數字電壓信號進行經數字濾波、數字線性化處理和數字自適應算法調整，形成控制除霧的傳感器數字輸出信號。
3.依據權利要求1所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動除霧系統智能傳感器，其中所述平面曲線電容器可以採用任何導電材料，包括銅、鋁、銀、導電橡膠、導電塑料、透明導電薄膜、導電膠。
4.依據權利要求1所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動除霧系統智能傳感器，其中所述平面曲線電容可以取任何形狀，包括折線、螺旋線、平行線。
5.依據權利要求1所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動除霧系統智能傳感器，其中所述平面曲線電容器的兩極分別有多個並聯連接的平面曲線電容電極。
6.依據權利要求1所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動除霧系統智能傳感器，其中所述平面曲線電容器在汽車玻璃內表面上的安裝包括粘接、壓固、噴塗。
7.依據權利要求2所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動除霧系統智能傳感器，其中所述的測試信號是正弦波信號。
全文摘要
本發明涉及一種平面曲線電容式汽車玻璃自動除霧系統智能傳感器。該傳感器是採用粘接、壓固、噴塗或各種玻璃表面鍍金屬的工藝方法將導電體(包括金屬、導電橡膠、導電薄膜、導電膠等)在汽車玻璃的內表面上形成帶有一定間隙的一對平行曲線平面電極，該對電極通過玻璃內表面附近空間形成的扁平介質空間形成平面曲線電容，當玻璃內表面形成霧時，扁平介質空間的平均介電常數、平面曲線電容極板被覆蓋的面積和扁平介質空間的厚度將發生變化從而導致電容量的變化，帶有微處理器的智能自適應信號放大和處理單元可將電容量的變化檢出並轉換為數位訊號輸出給驅動自動除霧系統的控制單元。
文檔編號B60J1/00GK1491836SQ03160009
公開日2004年4月28日 申請日期2003年9月19日 優先權日2003年9月19日
發明者孫滕諶, 於傑 申請人:孫滕諶, 於傑