專利名稱：平面曲線電容式汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)智能傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及汽車電子、智能傳感器和測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種平面曲線電容式智能結(jié)霧傳感器。
背景技術(shù)：
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，汽車電子化和智能化已經(jīng)成為汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)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(diǎn)。自動(dòng)除霧系統(tǒng)不僅是著眼于方便駕駛著的人性化關(guān)懷，更重要的是自動(dòng)除霧系統(tǒng)是汽車主動(dòng)安全系統(tǒng)的重要組成部分。在空氣相對(duì)濕度大的環(huán)境下，汽車前風(fēng)擋玻璃內(nèi)表面常常會(huì)結(jié)霧從而影響駕駛員的視線，傳統(tǒng)的除霧方式是駕駛員手動(dòng)調(diào)整汽車送風(fēng)系統(tǒng)的方向，使風(fēng)直接吹向汽車前風(fēng)擋玻璃，將霧吹散。頻繁的手動(dòng)調(diào)整送風(fēng)方向，會(huì)分散駕駛員精力，帶來(lái)不安全因素。自動(dòng)除霧系統(tǒng)，已經(jīng)被作為汽車電子發(fā)展的前沿技術(shù)而提出，它可以自動(dòng)感知汽車玻璃內(nèi)表面結(jié)霧的程度，并據(jù)此，自動(dòng)調(diào)整汽車空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)方向和大小，當(dāng)霧被吹散后，能自動(dòng)地將汽車空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)方向和大小調(diào)回原狀。由于不能很好的解決自動(dòng)除霧系統(tǒng)傳感器問題，至今還未見到自動(dòng)除霧系統(tǒng)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用，相信在不久的將來(lái)自動(dòng)除霧系統(tǒng)將逐步成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。
自動(dòng)除霧系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是結(jié)霧傳感器技術(shù)，客觀地說，截止到今日，世界范圍內(nèi)還未見到實(shí)用的汽車專用的結(jié)霧傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種平面曲線式電容智能結(jié)霧傳感器，以解決自動(dòng)感知汽車玻璃內(nèi)表面結(jié)霧程度的問題。
本發(fā)明的上述目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種平面曲線電容式汽車玻璃智能自動(dòng)除霧系統(tǒng)傳感器，包括一個(gè)安裝在汽車前擋風(fēng)玻璃內(nèi)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(dǎo)線按一定間距以曲線形狀形成該平面電容器的兩個(gè)電極；一個(gè)傳感器檢測(cè)電路，檢測(cè)所述平面曲線電容器受環(huán)境影響而帶來(lái)的電容量變化，并根據(jù)所檢測(cè)的電容量變化產(chǎn)生控制除霧的控制信號(hào)。
下面結(jié)合附圖以具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)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(fā)明應(yīng)用介質(zhì)環(huán)境下的電容模型7是點(diǎn)電荷的電場(chǎng)線分布8是平行板式電容的電場(chǎng)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(chǎng)線分布11是本發(fā)明應(yīng)用環(huán)境下平面曲線電容的電場(chǎng)線分布12是本發(fā)明應(yīng)用環(huán)境下平面曲線電容的測(cè)量空間示意13是本發(fā)明實(shí)施例采用的平面曲線電容示意14是本發(fā)明實(shí)施例采用的平面曲線電容安裝位置示意15是本發(fā)明智能數(shù)據(jù)處理單元電路框圖具體實(shí)施方式
本發(fā)明采用測(cè)量電容量的原理，傳統(tǒng)的電容式傳感器是基于平行板式電容的，它的原理是兩平行板組成的電容如不考慮非均勻電場(chǎng)印跡的邊緣效應(yīng)，其電容量為C=ϵ·S/d]]>式中，ε為極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ϵ=ϵ0·ϵr,]]>ε0為真空中的介電常數(shù)，ϵ0=8.854·10-12F/m,]]>εr是介質(zhì)相對(duì)真空的介電常數(shù)，空氣的相對(duì)介電常數(shù)ϵr≈1,]]>其它介質(zhì)ϵr>1;]]>S為極板的面積；d為極板的間距。
由于被測(cè)量的變化引起電容式傳感器有關(guān)參數(shù)ε，S，d的變化，使電容量C隨之變化。據(jù)此，傳統(tǒng)的電容式傳感器以不同參數(shù)的變化和分為三種類型變間距式(參數(shù)d變化)；變面積式(參數(shù)S變化)；變介電常數(shù)式(參數(shù)ε變化)。
本發(fā)明提出的平面曲線電容式傳感器，從原理上打破了傳統(tǒng)的基于平行板式電容原理的電容式傳感器的思維定勢(shì)，它在同一平面上用平行導(dǎo)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(gè)電極。它不屬于上述三種傳統(tǒng)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(shí)具有變間距式、變面積式和變介電常數(shù)式電容式傳感器的特性。圖8給出傳統(tǒng)平行板式電容的示例，圖1是本發(fā)明提出的平面曲線式電容的示例。
本發(fā)明的電容測(cè)量原理如下依據(jù)電場(chǎng)理論的場(chǎng)強(qiáng)矢量疊加原理，我們知道，電容器的特性可以用電場(chǎng)線分布來(lái)描述，圖7和圖8分別給出點(diǎn)電荷和平行板電容的電場(chǎng)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(chǎng)線分布，由圖中我們可以看到，平行板電容的電場(chǎng)線主要分布在兩平行板之間的矩形空間內(nèi)，因此在計(jì)算平行板電容的電容量時(shí)，可以忽略平行板邊緣電場(chǎng)的影響得出平行板電容的電容量計(jì)算公式C=ϵ·S/d.]]>同樣道理，由圖10可以看出，平面曲線式電容的電場(chǎng)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，由于平面電容的理論計(jì)算過于復(fù)雜，在這里我們不作詳細(xì)討論，由電場(chǎng)的矢量疊加原理和電介質(zhì)在電場(chǎng)中的性質(zhì)可以推知，平面曲線式電容電極周圍的扁平介質(zhì)空間的厚度dr與導(dǎo)線的間距d成近似正比關(guān)系，與介質(zhì)的介電常數(shù)成反比關(guān)系。
圖11給出本發(fā)明涉及的應(yīng)用環(huán)境下的平面曲線電容的電場(chǎng)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(chǎng)線，由圖可以看出，由于受到不同介質(zhì)影響，平面曲線電極周圍的扁平介質(zhì)空間可以劃分成如圖12所示的二個(gè)不同的空間平面電極以上局限在汽車玻璃內(nèi)部的上半扁平空間N1 4，其厚度為d1；汽車玻璃內(nèi)表面和平面曲線電極以下的下半扁平介質(zhì)空間Nx 5，其厚度為dx；平面曲線電極的間距為d。由于NI 4空間的介質(zhì)為均勻玻璃，只要選擇平面曲線電極的間距為d遠(yuǎn)小于玻璃的厚度，就可以使NI 4空間的厚度d1小于玻璃的厚度，這就使N1 4空間封閉在玻璃內(nèi)部，因此，N1 4空間的介電常數(shù)和體積可以認(rèn)為是不變的，而Nx 5空間平常是空氣，當(dāng)結(jié)霧時(shí)，將有細(xì)小的水珠進(jìn)入該空間，水珠的密度、水珠的大小和水珠的介電常數(shù)將引起Nx 5空間的有效面積、厚度、和平均介電常數(shù)的變化，Nx 5空間正是我們的測(cè)量空間。
基于以上的討論，本發(fā)明提出如圖6所示的等效電容模型。其中，并聯(lián)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(shí)取決于進(jìn)入Nx空間的水珠的介電常數(shù)，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于平行板電容器的間距變化。
通過以上對(duì)本發(fā)明原理的討論，我們可以得到下述兩點(diǎn)結(jié)論1.本發(fā)明提出的平面曲線電容式傳感器不同于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(shù)型)，它是綜合性的電容式傳感器，它可同時(shí)感知面積、間距、和介電常數(shù)三個(gè)參數(shù)的變化。
2.本發(fā)明提出的平面曲線電容式傳感器通過感知汽車玻璃內(nèi)表面附著的細(xì)小水珠覆蓋的面積和水珠的大小，反映結(jié)霧的程度。
在闡述了本發(fā)明的發(fā)明原理后，下面給出本發(fā)明的技術(shù)方案采用任意導(dǎo)電材料如銅、鋁、銀、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電膠，透明導(dǎo)電薄膜等，通過任意工藝方法如粘貼、壓固、噴涂、或個(gè)重在玻璃表面鍍金屬的工藝，在汽車玻璃內(nèi)表面上不影響駕駛員視線的位置形成一對(duì)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(nèi)表面應(yīng)緊密接觸，玻璃表面鍍金屬是最好的選擇，同時(shí)要求平面曲線電極的間距要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于汽車玻璃的厚度以使N1空間完全封閉在汽車玻璃內(nèi)部，從而保證上述電容模型中的C1保持不變，同時(shí)對(duì)細(xì)小水珠有足夠的靈敏度。實(shí)驗(yàn)表明，平面曲線電極的間距以小于0.5m為宜，曲線電極的線寬以小于0.3mm為宜。通過焊接、壓接、粘接或?qū)щ娤鹉z等任意連接方法將兩電極用導(dǎo)線引出，引出導(dǎo)線最好是屏蔽線。引出的導(dǎo)線與一個(gè)帶微處理器的智能型信號(hào)放大處理單元連接，智能型信號(hào)放大處理單元應(yīng)由正弦波發(fā)生電路、模擬信號(hào)放大濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字信號(hào)處理和數(shù)字總線接口部分組成。正弦波發(fā)生電路產(chǎn)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(hào)放大濾波電路，當(dāng)結(jié)霧時(shí)，平面曲線電容的電容量將發(fā)變化從而導(dǎo)致容抗發(fā)生變化，容抗的變化又將導(dǎo)致模擬信號(hào)放大電路輸入信號(hào)的幅值和相位的變化，該變化的信號(hào)通過模擬信號(hào)放大濾波電路的放大和濾波后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送往數(shù)字信號(hào)處理部分，要求模擬信號(hào)放大濾波電路設(shè)計(jì)應(yīng)盡量減少雜散電容和寄生電容的影響，數(shù)字信號(hào)處理部分的微處理器對(duì)轉(zhuǎn)換后的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、數(shù)字線性化處理和自適應(yīng)算法以進(jìn)一步消除掉環(huán)境溫度對(duì)介電常數(shù)和模擬電路溫度漂移產(chǎn)生的影響，并對(duì)信號(hào)做線性化處理，處理后的數(shù)字信號(hào)通過數(shù)字總線接口電路輸出到自動(dòng)除霧系統(tǒng)的控制單元。
本發(fā)明的有益效果是1.解決了汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)沒有可應(yīng)用的結(jié)霧傳感器的問題，本發(fā)明提出的平面曲線電容式結(jié)霧傳感器可以有效的感知汽車玻璃內(nèi)表面結(jié)霧的程度，并直接向汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)輸出數(shù)字信號(hào)，汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)輸和據(jù)此信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)送風(fēng)方向和送風(fēng)量。
2.本發(fā)明提出的平面曲線電容式結(jié)霧傳感器的敏感元件僅僅是一對(duì)平面曲線電極，它選材廣泛、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、成本很低。
具體實(shí)例本實(shí)施例采用以透明塑料薄膜為基板的柔性電路板加工成一對(duì)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平方厘米，其中，1和2分別是平面曲線電容的兩個(gè)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(fēng)擋玻璃3內(nèi)表面的右下角上(針對(duì)左側(cè)駕駛的汽車，對(duì)于右側(cè)駕駛的汽車，應(yīng)粘貼在汽車前風(fēng)擋玻璃左下角)。根據(jù)冷熱空氣對(duì)流的理論，冷空氣下降，熱空氣上升，因此，汽車玻璃結(jié)霧通常都是自下而上的。選擇透明導(dǎo)電薄膜和前風(fēng)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(zhǔn)確及時(shí)地檢測(cè)結(jié)霧程度。如圖14所示，在汽車玻璃3的內(nèi)表面上粘接有平面柔性電路板制成的曲線電容8，柔性電路板的延長(zhǎng)部分直接進(jìn)入汽車外殼12和內(nèi)飾13的夾層中，兩根屏蔽導(dǎo)線10的一端分別焊接在平面曲線電容8的兩個(gè)電極上，將屏蔽導(dǎo)線引出到車頂外殼12和車頂內(nèi)飾13的夾層中，兩根屏蔽導(dǎo)線10的另一端聯(lián)結(jié)在安裝在車頂外殼12和車頂內(nèi)飾13夾層中的智能信號(hào)處理單元電路板14上，電路板由帶有屏蔽層的塑料外殼進(jìn)行電磁屏蔽和保護(hù)，傳感器的數(shù)字輸出信號(hào)通過屏蔽LIN總線電纜11送往自動(dòng)除霧系統(tǒng)的控制單元。
圖15是本發(fā)明實(shí)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(fā)生電路15的輸出端上；另一端2連接在程控模擬信號(hào)放大濾波電路18的輸入端上。程控模擬信號(hào)放大濾波電路18接受來(lái)自微處理器16的程序控制，進(jìn)行量程自適應(yīng)調(diào)節(jié)，正弦波發(fā)生電路15產(chǎn)生的一定頻率的正弦波信號(hào)20通過平面曲線電容后，將變成被衰減的正弦波信號(hào)21，該信號(hào)21被程控模擬信號(hào)放大濾波電路18接受，經(jīng)放大濾波后產(chǎn)生一個(gè)直流電壓信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路19轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)送往微處理器16，該數(shù)字電壓信號(hào)在微處理器16中經(jīng)數(shù)字濾波、數(shù)字線性化處理和數(shù)字自適應(yīng)算法調(diào)整后形成傳感器的數(shù)字輸出信號(hào)送往LIN(Local InterconnectNetwork現(xiàn)場(chǎng)連接網(wǎng)絡(luò))總線接口電路17，然后，通過屏蔽LIN(LocalInterconnect Network現(xiàn)場(chǎng)連接網(wǎng)絡(luò))總線電纜11送往自動(dòng)除霧系統(tǒng)的控制單元。
權(quán)利要求
1.一種平面曲線電容式汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)智能傳感器，包括一個(gè)安裝在汽車前擋風(fēng)玻璃內(nèi)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(dǎo)線按一定間距以曲線形狀形成該平面電容器的兩個(gè)電極；一個(gè)傳感器檢測(cè)電路，檢測(cè)所述平面曲線電容器受環(huán)境影響而帶來(lái)的電容量變化，并根據(jù)所檢測(cè)的電容量變化產(chǎn)生控制除霧的控制信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)智能傳感器，其中所述的傳感器檢測(cè)電路包括一個(gè)信號(hào)產(chǎn)生器，產(chǎn)生一接入平面電容器的測(cè)試信號(hào)；一個(gè)程控模擬信號(hào)放大和濾波電路，接收流經(jīng)平面電容器的測(cè)試信號(hào)，放大并濾波所接收的測(cè)試信號(hào)，以產(chǎn)生一直流電壓信號(hào)；一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將所述直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓信號(hào)；一個(gè)微處理器，接收所述數(shù)字電壓信號(hào)，對(duì)該數(shù)字電壓信號(hào)進(jìn)行經(jīng)數(shù)字濾波、數(shù)字線性化處理和數(shù)字自適應(yīng)算法調(diào)整，形成控制除霧的傳感器數(shù)字輸出信號(hào)。
3.依據(jù)權(quán)利要求1所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)智能傳感器，其中所述平面曲線電容器可以采用任何導(dǎo)電材料，包括銅、鋁、銀、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料、透明導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)電膠。
4.依據(jù)權(quán)利要求1所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)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(jù)權(quán)利要求1所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)智能傳感器，其中所述平面曲線電容器的兩極分別有多個(gè)并聯(lián)連接的平面曲線電容電極。
6.依據(jù)權(quán)利要求1所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)智能傳感器，其中所述平面曲線電容器在汽車玻璃內(nèi)表面上的安裝包括粘接、壓固、噴涂。
7.依據(jù)權(quán)利要求2所述的平面曲線電容式汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)智能傳感器，其中所述的測(cè)試信號(hào)是正弦波信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種平面曲線電容式汽車玻璃自動(dòng)除霧系統(tǒng)智能傳感器。該傳感器是采用粘接、壓固、噴涂或各種玻璃表面鍍金屬的工藝方法將導(dǎo)電體(包括金屬、導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)電膠等)在汽車玻璃的內(nèi)表面上形成帶有一定間隙的一對(duì)平行曲線平面電極，該對(duì)電極通過玻璃內(nèi)表面附近空間形成的扁平介質(zhì)空間形成平面曲線電容，當(dāng)玻璃內(nèi)表面形成霧時(shí)，扁平介質(zhì)空間的平均介電常數(shù)、平面曲線電容極板被覆蓋的面積和扁平介質(zhì)空間的厚度將發(fā)生變化從而導(dǎo)致電容量的變化，帶有微處理器的智能自適應(yīng)信號(hào)放大和處理單元可將電容量的變化檢出并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給驅(qū)動(dòng)自動(dòng)除霧系統(tǒng)的控制單元。
文檔編號(hào)B60J1/00GK1491836SQ03160009
公開日2004年4月28日 申請(qǐng)日期2003年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月19日
發(fā)明者孫滕諶, 于杰 申請(qǐng)人:孫滕諶, 于杰