專利名稱：平面電容式傳感器及檢測汽車擋風玻璃環(huán)境變化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種檢測汽車擋風玻璃環(huán)境變化的裝置，尤其是涉及檢測汽車擋風玻璃雨量變化的檢測裝置以及采用該檢測裝置的檢測方法。
背景技術(shù)：
進入21世紀以來，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。自動檢測系統(tǒng)不僅是著眼于方便駕駛著的人性化關(guān)懷，更重要的是自動檢測系統(tǒng)是汽車主動安全系統(tǒng)的重要組成部分。在雨天或空氣相對濕度大的環(huán)境下，汽車擋風玻璃表面上常常會因雨水過大而影響駕駛員的視線。
現(xiàn)有技術(shù)中的自動雨刷系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是雨滴傳感器技術(shù)，客觀地說，截止到今日，世界范圍內(nèi)的雨滴傳感器技術(shù)仍不十分成熟，盡管一些著名的汽車廠商如德國大眾、美國克萊斯勒、法國雪鐵龍等已經(jīng)成功地在他們的汽車產(chǎn)品上配備了自動雨刷系統(tǒng)，但由于雨滴傳感器技術(shù)的不成熟造成了安裝難度大、成本高、誤動作率較高的遺憾。
現(xiàn)有雨滴傳感技術(shù)按安裝形式可分為內(nèi)置型和外置型兩大類，外置型是將傳感器安裝在擋風玻璃外面如發(fā)動機蓋上面、汽車前臉外面、汽車擋風玻璃外表面等，外置型雨滴傳感的特征是對雨水做直接接觸式測量，已知的外置型雨滴傳感器按工作原理劃分有光電式、電導式、振動式和平行板電容式。絕大多數(shù)外置型雨滴傳感器由于無法直接安裝在玻璃外表面雨刷刷動的范圍內(nèi)，因而只能感知雨量大小而無法感知雨刷刷動的效果，因而只能形成對雨刷的開環(huán)控制系統(tǒng)，無法形成能反饋雨刷刷動效果的閉環(huán)控制系統(tǒng)。此外，外置型雨滴傳感器還有容易受污染、損壞等缺陷，因此，外置型雨滴傳感器很少在汽車工業(yè)中得到應用。內(nèi)置型雨滴傳感器通常安裝在汽車玻璃內(nèi)表面雨刷刷動的范圍內(nèi)，必須采用非接觸式檢測技術(shù)，它具有同時感應雨量和感應雨刷刷動效果從而為雨刷控制器提供實時反饋信號的優(yōu)點，它安裝在車內(nèi)也避免了環(huán)境對它的污染和損壞。現(xiàn)代汽車工業(yè)中內(nèi)置型雨滴傳感器已成為主流。
目前在汽車工業(yè)中廣泛應用的內(nèi)置型雨滴傳感器全都是光電式的，光電式雨滴傳感器又分為兩種形式，第一種是在汽車玻璃內(nèi)表面后安裝一臺攝像頭，利用類似于照相機的成像原理對攝像頭采集的圖像進行圖像分析和處理以感知雨量的變化。這種光電式雨滴傳感器的傳感器件、數(shù)據(jù)處理電路和計算機成本過高，目前還沒有在汽車工業(yè)中得到應用。以下只討論第二種形式的光電式雨滴傳感器，它在汽車工業(yè)中已經(jīng)被廣泛采用，它是在汽車玻璃內(nèi)表面安裝一對光束發(fā)射和接收裝置，利用光的反射和折射原理，當汽車玻璃外表面附著有雨滴時光的折射率將發(fā)生變化從而導致接收端接受光強的變化，雨滴傳感器將光強的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化從而感知雨量的變化。光電式內(nèi)置型雨滴傳感器存在以下缺陷1、測量面積小。下小雨時單位面積上雨滴分布是不均勻的，因此若測量面積過小將造成自動雨刷系統(tǒng)反映遲鈍。光電式雨滴傳感器的發(fā)射器元件一般是點光源，盡管可以使用透鏡或棱鏡，將光束進行某種程度的散射以擴大折射面積，但這將對接受元件的接收靈敏度造成不利影響，因此，實用的光電式雨滴傳感器測量面積通常都在1至2平方厘米以內(nèi)，當然可以設置多對發(fā)射和接收端來擴大測量面積，但這將大大提高成本。
2、無法測量附著在玻璃表面雨水的厚度。下大雨時汽車玻璃外表面將被雨水均勻的覆蓋，此時雨量的大小只能通過從附著在玻璃表面雨水的厚度變化測量，若無法測量雨水厚度變化將造成自動雨刷系統(tǒng)動作速度遲緩從而影響刷雨效果。光電式雨滴傳感器的工作原理是利用光線的折射率變化，而折射率只與入射面的物質(zhì)特性有關(guān)，與物質(zhì)的厚度無關(guān)，因此，光電式雨滴傳感器無法反映雨水的厚度變化。
3、易于受到污染物的干擾。當汽車玻璃外表面受到污染物(如塵土、泥污、油漬、飛蟲尸體等)污染時，也將導致光線折射率的較大變化，光電式雨滴傳感器因無法區(qū)分污染物與雨水從而導致自動雨刷系統(tǒng)的誤動作。
4、對安裝工藝要求過高。光電式雨滴傳感器要求對發(fā)射和接收端有精確的安裝角度和距離，同時對輔助的透鏡和棱鏡系統(tǒng)的位置和角度也有很高的要求，此外，考慮到汽車震動的影響，要求安裝必須非常緊固，以免由于汽車震動造成光線的偏離從而影響傳感器的精度和靈敏度。
5、適應性差。光電式雨滴傳感器的工作原理對不同汽車玻璃的適應性很差，玻璃的材質(zhì)會影響折射率和反射率，玻璃的厚度會影響發(fā)射端和接收端的安裝角度和位置，因此需要針對不同的汽車玻璃設計相對應的光電式雨滴傳感器。
6、材料、安裝、工時成本偏高。光電式雨滴傳感器需要的光電發(fā)射和接收裝置、透鏡和棱鏡系統(tǒng)、緊固件等材料成本較高，由于安裝工藝的高要求造成安裝和工時成本偏高，這是目前自動雨刷系統(tǒng)只出現(xiàn)在中高檔車上的根本原因。
除上述光電式雨滴傳感器外，現(xiàn)有技術(shù)中也有少量采用電容式雨滴傳感器。例如，1、中國專利號為02147854.6，該專利提供了一種由若干片電容極板并聯(lián)形成的平行板電容式外置型雨水傳感器，該傳感器的外殼上設有進水口和出水口，對雨水做直接的接觸式測量。該傳感器具有外置型雨水傳感器的典型缺點，即不能反饋雨刷刷動的效果，無法構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；易受污染和損壞；結(jié)構(gòu)復雜。該傳感器采用傳統(tǒng)的平行板式電容測量原理。
2、專利文件US4805070A，名為“電容耦合的濕度傳感器“，其敏感元件是電阻網(wǎng)絡，利用平行板式電容的原理將電阻的變化通過兩個不變的平行板式電容耦合至信號發(fā)生器和接收器，其本質(zhì)是傳統(tǒng)的電阻式濕度傳感器，該技術(shù)方案只是提供了一種信號處理電路與敏感元件(電阻網(wǎng)絡)的非接觸式連接的方法，以避開穿越玻璃進行導線連接的難題。上述專利提供的技術(shù)方案，其敏感元件安裝在汽車玻璃的外表面上，對雨水的測量時直接接觸式的，敏感元件安裝在汽車玻璃的外表面上將對敏感元件材質(zhì)和安裝工藝提出極為苛刻的要求，例如要耐腐蝕、耐磨擦、耐污，不能影響雨刷的正常動作等等。同時，敏感元件安裝在汽車玻璃的外表面上進行接觸式測量就必須解決敏感元件的電連接問題，因此上述專利提供的技術(shù)方案提供了在兩層玻璃的夾縫中與汽車玻璃外表面形成平行板式耦合電容的極為復雜的非接觸式連接方法，這種方法工藝過于復雜，安裝成本必然過高。
3、專利文件US5668478A提供的技術(shù)方案測量原理與US4805070A提供的技術(shù)方案類似，也是接觸式的測量電阻的變化，用平行板式電容進行信號耦合的，具有US4805070A同樣的缺陷。
4、專利文件EP0333564A1，該專利文件提供的電子雨水探測裝置利用了測量電容的原理，但該專利提供的傳感器是典型的外置型接觸式測量雨水傳感器，該傳感器要求有一個防水性能良好的絕緣覆蓋層。該傳感器具有外置型雨水傳感器的典型缺陷，即不能反饋雨刷刷動的效果，無法構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)；易受污染和損壞；結(jié)構(gòu)復雜。
5、專利文件DE3937605A1，該傳感器的測量原理是傳統(tǒng)平行板式電容測量原理，其在公開的技術(shù)方案為在擋風玻璃上出現(xiàn)水層時，電容板能夠與水層各自構(gòu)成一個電容器，顯然這樣只能構(gòu)成兩個各自獨立的平行板電容器。該傳感器的主要缺點是，他要求電容極板必須安裝在雙層玻璃和兩個功能薄膜之間，這無疑會限制該傳感器的適用范圍，目前汽車工業(yè)使用的風擋玻璃有雙層的也有單層的。此外，該傳感器還存在結(jié)構(gòu)復雜，安裝和引線困難等缺陷。
為了解決上述存在的諸多問題，本申請人于2003年9月19日，申請了ZL03160008.5號發(fā)明專利，名稱為一種平面電容式智能自動雨刷系統(tǒng)傳感器，包括一個安裝在汽車前擋風玻璃表面上的平面電容器，以作為傳感器的敏感元件，其中所述平面電容器的兩個極板放置在同一平面上；一個傳感器檢測電路，檢測所述平面電容器受環(huán)境影響而帶來的電容量變化，并根據(jù)所檢測的電容量變化產(chǎn)生控制雨刷工作的控制信號。此方案可以將傳感器安裝汽車前擋風玻璃的內(nèi)表面，并位于雨刷刷動的范圍內(nèi)，從而徹底解決了上述諸多現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。但此方案并沒有解決溫漂和電磁干擾對于傳感器的檢測精度造成影響的問題。首先，平面電容器的兩個電極直接貼在汽車前風擋玻璃內(nèi)表面上，由于車速變化造成前風擋玻璃溫度變化較大，而溫度直接影響玻璃的介電常數(shù)變化，造成測量信號的溫度漂移，后果是使測量靈敏度不穩(wěn)定，甚至造成雨刮誤動作；其次，貼在汽車前風擋玻璃內(nèi)表面上的平面電容器形成無線電磁信號的接收天線，又無法屏蔽，當遇到較強無線電磁干擾時，可能雨刮造成誤動作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題之一是克服上述現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種能夠消除溫漂和電磁干擾的平面電容式傳感器，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，并能同時克服現(xiàn)有光電式和平面電容式檢測裝置存在的測量面積小、不能測量雨水厚度、易受污染物干擾、安裝要求過高、適應性差和成本偏高等不足。
本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是提供一種能夠消除溫漂和電磁干擾的檢測汽車擋風玻璃環(huán)境變化的方法，本方法簡單實用，利于推廣。
按照本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題一提供的一種平面電容式傳感器，包括一安裝在汽車前擋風玻璃上的平面電容器和一與所述平面電容器相連接的傳感器檢測電路，所述平面電容器作為傳感器的敏感元件，其中所述平面電容器的兩個極板放置在同一平面上，所述傳感器檢測電路檢測所述平面電容器受環(huán)境影響而帶來的電容量變化，并根據(jù)所檢測的電容量變化產(chǎn)生控制雨刷設備工作的控制信號，其特征在于所述傳感器檢測電路還連接有一消除干擾信號的平面電容補償器，其兩個極板放置在同一平面上，所述平面電容補償器僅作為檢測干擾信號的敏感元件，所述傳感器檢測電路檢測所述平面電容補償器受干擾信號影響帶來的電容量變化，并根據(jù)所檢測的電容量變化補償所述平面電容器(1)受環(huán)境影響而帶來的電容量變化。
按照本發(fā)明提供的一種平面電容式傳感器還具有如下附屬技術(shù)特征本發(fā)明提供的一種實施方案為，所述平面電容補償器與所述平面電容器在汽車擋風玻璃上前后平行設置。
所述平面電容補償器與所述平面電容器的形狀、大小、靜態(tài)電容值相同。
所述平面電容器位于汽車擋風玻璃的夾層內(nèi)，所述平面電容補償器位于與所述平面電容器位置相對的汽車擋風玻璃的內(nèi)表面。
所述平面電容器緊貼于汽車擋風玻璃的內(nèi)表面，所述平面電容補償器位于所述平面電容器的后面，并通過一絕緣材料層與所述平面電容器之間形成一定間距。
本發(fā)明提供的另一種實施方案為，所述平面電容補償器與所述平面電容器安裝在同一平面上。
所述平面電容補償器與所述平面電容器安裝于汽車擋風玻璃的內(nèi)表面上。
所述平面電容補償器位于所述平面電容器內(nèi)。
所述平面電容補償器緊靠所述平面電容器的側(cè)邊。
所述電容補償器與所述平面電容器共用其中的一個極板。
所述平面電容補償器的兩極板的總面積小于所述平面電容器的兩極板的總面積，且所述平面電容補償器的兩極板之間的間距小于其所在位置玻璃的厚度，所述平面電容器的兩極板之間的間距等于或大于其所在位置玻璃的厚度。
所述平面電容器和所述平面電容補償器的兩極板采用的導電材料為銅、鋁、銀、導電橡膠、導電塑料、透明導電薄膜或?qū)щ娔z；其粘接、壓固或噴涂在汽車擋風玻璃的內(nèi)表面上。
所述平面電容器和所述平面電容補償器的兩極板形狀為矩形、環(huán)形、扇形、三角形或多邊形。
所述平面電容器的兩極板的總面積為10-20平方厘米，所述平面電容補償器的兩極板的總面積為5-11平方厘米。
本發(fā)明提供的傳感器檢測電路的一種實施方案為，所述的傳感器檢測電路包括信號產(chǎn)生器、程控模擬信號放大和濾波電路、差分電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器，所述信號產(chǎn)生器產(chǎn)生一接入平面電容器和平面電容補償器的測試信號，當所述測試信號流經(jīng)所述平面電容器和所述平面電容補償器時受外界環(huán)境影響而變化，兩變化后的測試信號分別輸入所述程控模擬信號放大和濾波電路，進行放大和濾波后，產(chǎn)生兩直流電壓信號，兩所述直流電壓信號經(jīng)所述差分電路進行差分處理后，產(chǎn)生一差分信號，所述差分信號經(jīng)由所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述微處理器接收所述數(shù)字信號，對所述數(shù)字信號進行處理，形成控制設備工作的傳感器數(shù)字輸出信號。
本發(fā)明提供的傳感器檢測電路的又一種實施方案為，所述傳感器檢測電路包括信號產(chǎn)生器、程控模擬信號放大和濾波電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、微處理器，所述信號產(chǎn)生器產(chǎn)生一接入平面電容器和平面電容補償器的測試信號，當所述測試信號流經(jīng)所述平面電容器和所述平面電容補償器時受外界環(huán)境影響而變化，兩變化后的測試信號分別輸入所述程控模擬信號放大和濾波電路，進行放大和濾波后，產(chǎn)生兩直流電壓信號，兩所述直流電壓信號分別經(jīng)由所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成兩數(shù)字信號，所述微處理器接收兩所述數(shù)字信號，對兩所述數(shù)字信號進行差分運算，并根據(jù)差分運算的結(jié)果形成控制設備工作的傳感器數(shù)字輸出信號。
所述平面電容器安裝在汽車雨刷工作的區(qū)域內(nèi)，在設備工作的同時，本裝置繼續(xù)對玻璃表面進行檢測并形成反饋信號，進一步控制設備工作，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
所述測試信號為正弦波信號、方波信號或三角波信號。
所述測試信號的頻率為100kHZ-1000kHZ，所述平面電容器和所述平面電容補償器的靜態(tài)電容值在50-400pf之間。
按照本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題二提供的一種檢測汽車擋風玻璃環(huán)境變化的方法，其過程如下a、初始化傳感器；b、傳感器中的信號產(chǎn)生器產(chǎn)生測試信號，所述測試信號分別傳輸?shù)狡矫骐娙萜骱推矫骐娙菅a償器中；c、分別檢測測試信號經(jīng)所述平面電容器時受外界環(huán)境影響所帶來的變化和測試信號經(jīng)所述平面電容補償器時受干擾信號影響帶來的變化；d、將檢測到的兩變化測試信號進行差分運算；e、處理單元根據(jù)差分信號生成控制信號；f、傳輸控制信號到設備；g、傳感器再次檢測玻璃表面，生成反饋信號，傳輸?shù)教幚韱卧瑯?gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
按照本發(fā)明提供的平面電容式傳感器相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點本發(fā)明采用雙平面電容，其中一個平面電容作為測量電容，另一個作為補償電容，通過改變補償電容的安裝位置和形狀使其對玻璃外表面的雨水不敏感，而對溫漂和電磁干擾敏感。當遇有溫漂或電磁干擾時，測量電容和補償電容的測量值同時發(fā)生同時變化且變化幅度近似相等，當遇有雨水變化時測量電容值隨之變化，而補償電容值基本保持不變。利用以上特性可以對傳感器測量值進行差分補償，有效地減少溫漂和電磁干擾對傳感器測量靈敏度帶來的不利影響，避免雨刮誤動作。
同時，本發(fā)明作為內(nèi)置式平面電容傳感器，其還具有以下優(yōu)點1、測量面積大。平面電容極板可做成任意形狀、在不影響駕駛員視線的條件下測量面積可任意擴大，這樣可以根本上避免光電式雨滴傳感器測量面積過小帶來的檢測系統(tǒng)反映遲鈍的弊端。
2、可測量附著在玻璃表面雨水的厚度。由于平面電容的介質(zhì)空間是極板上面的玻璃和玻璃表面及外表面附近近似于半橢圓球體形的空間，在這個空間范圍內(nèi)，雨水厚度的變化將導致電容器介質(zhì)空間介電常數(shù)的變化從而引起電容量的變化。這就克服了光電式雨滴傳感器無法測量雨水厚度變化造成自動雨刷系統(tǒng)動作速度遲緩從而影響刷雨效果的缺陷。
3、不易受到污染物的干擾。由于水的相對介電常數(shù)比一般污染物大得多，因此平面電容式傳感器很容易將污染物與水對電容量造成的變化區(qū)分開來，從而解決了光電式雨滴傳感器由于受污染物影響導致自動雨刷系統(tǒng)誤動作的問題。
4、安裝工藝非常簡單。平面電容式傳感器可采用粘接、壓接、噴涂或各種在玻璃表面鍍金屬的工藝方法在玻璃內(nèi)表面形成平面電容器，不需像光電式雨滴傳感器那樣需要精確定位。
5、適應性強。由于水的介電常數(shù)比玻璃要大幾十倍，因此玻璃材質(zhì)和厚度的變化對傳感器精度和靈敏度造成的影響可忽略不計，同一平面電容式傳感器幾乎可適應各種汽車玻璃。不需為各種汽車玻璃設計專門的傳感器。
6、材料、安裝、工時成本顯著降低。平面電容式傳感器可選用各種導電材料，如銅箔、鋁箔、導電橡膠、導電塑料薄膜，玻璃表面噴涂鍍金屬等，且有量很少，一般只需十平方厘米左右，因此材料成本極低。由于安裝簡單，安裝和安裝工時成本也比光電式雨滴傳感器低得多。
7、本發(fā)明的可以方便的安裝在汽車雨刷刷動的范圍內(nèi)，因此，可以隊雨刷工作的效果進行檢測，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
按照本發(fā)明提供的一種檢測汽車擋風玻璃環(huán)境變化的方法具有如下優(yōu)點本方法同時檢測測量信號和補償信號，并將兩個信號進行差分處理，并根據(jù)差分信號，控制相關(guān)設備的工作，消除了溫漂和電磁干擾對傳感器的影響，本方法利于實現(xiàn)，適合推廣和應用。


圖1是點電荷電場線分布圖；圖2是平行板式電容電場線分布圖；圖3是本發(fā)明2片矩形極板的平面電容器電場線分布圖；圖4是本發(fā)明2片矩形極板的平面電容器形成的測量空間示意圖；圖5是本發(fā)明等效電容測量模型圖；
圖6是本發(fā)明一種實施例的剖視示意圖，圖中示出平面電容器和平面電容補償器前后設置于汽車擋風玻璃的夾層和內(nèi)表面的示意圖，圖中同時示出兩者形成的測量空間。
圖7是本發(fā)明另一種實施例的剖視示意圖，圖中示出平面電容器和平面電容補償器前后設置于汽車擋風玻璃的內(nèi)表面的示意圖，圖中同時示出兩者形成的測量空間。
圖8是本發(fā)明中平面電容器和平面電容補償器的極板為矩形的示意圖。
圖9是本發(fā)明中平面電容器和平面電容補償器的極板為環(huán)形的示意圖。
圖10是本發(fā)明中平面電容器和平面電容補償器設置在同一平面上的示意圖。
圖11是本發(fā)明中平面電容器和平面電容補償器的極板為矩形并共用其中的一個極板的示意圖。
圖12是本發(fā)明中平面電容器和平面電容補償器的極板為環(huán)形并共用其中的一個極板的示意圖。
圖13是本發(fā)明安裝結(jié)構(gòu)的剖面圖。
圖14是本發(fā)明平面電容檢測電路的一種實施例的框圖。
圖15是本發(fā)明平面電容檢測電路的另一種實施例的框圖。
下面結(jié)合附圖給出實施例，對發(fā)明進行詳細說明
具體實施例方式在詳細說明本發(fā)明之前，先簡述現(xiàn)有技術(shù)以及本發(fā)明的工作原理傳統(tǒng)的電容式傳感器是基于平行板式電容的，它的原理是如果不考慮非均勻電場的邊緣效應，兩平行板組成的電容，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)相對真空的介電常數(shù)，空氣的相對介電常數(shù)εr≈1，其它介質(zhì)εr＞1；S為極板的面積；d為極板的間距。
由于被測量介質(zhì)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)的變化可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)明提出的平面電容器，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，它將電容器的兩個極板按一定間隙放置在同一平面上，而不是平行放置。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，它同時具有變間距式、變面積式和變介電常數(shù)式電容傳感器的特性。
本發(fā)明的電容測量原理如下依據(jù)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，參見圖1和圖2，分別給出點電荷和平行板電容的電場線分布，圖中，10是電場線，28和29是點電荷。為方便下面的討論，圖3給出半圓形平面電容器的電場線分布。由圖2中可以看出，平行板電容的電場線10主要分布在兩平行板之間的矩形空間內(nèi)，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＝ε·S/d。同理，由圖3可以看出，平面電容器的電場線主要分布在兩平面電極板周圍的近似橢圓形球體空間中，由于平面電容的理論計算過于復雜，此處不作詳細討論。
參見圖3和圖4，圖中示出了本發(fā)明涉及的應用環(huán)境下的平面電容器的電場線空間分布，兩平面電極板11、12緊貼在玻璃9下面，由圖3和圖4中的電場線10的分布形狀可以看出，由于受到不同介質(zhì)影響，兩平面電極板11和電極板12周圍的近似橢圓形球體空間可以劃分成三個不同的空間汽車玻璃9內(nèi)表面和緊貼在內(nèi)表面上的平面電極板11和電極板12以下的近似半橢圓形球體空間N1；平面電極板11和電極板12以上和汽車玻璃9內(nèi)部包含的扁平橢圓形空間N2；汽車玻璃9外表面附近形成的半橢圓形空間Nx。由于近似半橢圓形球體空間N1和扁平橢圓形空間N2的介質(zhì)分別為均勻的空氣和玻璃，其介電常數(shù)和體積可以認為是不變的。而半橢圓形空間Nx平常是空氣，當有其他異物進入時，其介電常數(shù)和體積將發(fā)生較大變化，半橢圓形空間Nx正是我們的測量空間。
基于以上的討論，參見圖5，本發(fā)明提出的等效電容模型。其中，并聯(lián)等效電容C3是由半近似橢圓形球體空間N1和扁平橢圓形空間N2確定的不變電容，串聯(lián)電容C1和C2是由平面電極以上穿越汽車玻璃外表面但封閉在汽車玻璃外表面以內(nèi)的空間決定的不變電容，Cx是半橢圓形空間Nx形成的可變電容。Cx的電容量同時取決于進入半橢圓形空間Nx的異物的介電常數(shù)、異物覆蓋的面積、異物在半橢圓形空間Nx形成的厚度，該厚度在理論上可以等同于平行板電容器的間距。
通過以上對本發(fā)明原理的討論，我們可以得到下述兩點結(jié)論1、本發(fā)明提出的平面電容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，它可同時感知面積、間距和介電常數(shù)三個參數(shù)的變化。
2、本發(fā)明提出的平面電容器不僅可以區(qū)分汽車玻璃表面附近的異物，而且可以同時感知覆蓋在傳感器上汽車玻璃表面異物覆蓋的面積和厚度，而這正是現(xiàn)有的光電式傳感器無法做到的。
在闡述了本發(fā)明的發(fā)明原理后，下面給出利用上述原理制造出的平面電容式傳感器。
參見圖6和圖8，作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實施例，采用一面帶有不干膠的銅箔膠帶，加工成寬度為a＝2cm，長度為b＝4cm的2片矩形電極板11、12，所述電極板11、12的總面積為16平方厘米，兩極板之間的間隙為0.6cm。所述電極板11、12粘貼在的汽車前風擋玻璃9的內(nèi)表面上，位于汽車后視鏡19后面不影響駕駛員視線并處于雨刷刷動范圍內(nèi)的位置。由此形成平面電容器1的兩個電極。安裝在汽車擋風玻璃9的內(nèi)表面上可以實現(xiàn)非接觸式測量的目的。同時，所述平面電容器1的安裝位置屬于雨刷刮雨的工作范圍內(nèi)，不僅對玻璃表面是否有雨存在進行檢測，而且對雨刷工作的效果進行檢測。所述極板11、12的間距大于其所在位置的玻璃厚度。這樣其形成的磁場就會有一大部分位于玻璃的外表面外，形成測量雨水用的半橢圓性磁場空間Nx。
參見圖7和圖8，按照本發(fā)明給出的上述實施例中，為了消除溫度和電磁對平面電容器1的影響，本發(fā)明在所述平面電容器1的后面平行設置有平面電容補償器2，所述平面電容補償器2的兩個極板與所述平面電容器1的兩個極板完全相同，其間距也是一樣的。最終使所述平面電容補償器2與所述平面電容器1的形狀、大小、靜態(tài)電容值相同。為了使所述平面電容補償器2不對雨水敏感，在平面電容器1和平面電容補償器2之間設置一絕緣材料層4，形成一定間距。從而使平面電容補償器2形成的磁場空間不超過汽車前擋風玻璃的外表面，即不具有測量雨水用的磁場空間Nx。
參見圖6，本發(fā)明給出的所述平面電容器1和所述平面電容補償器2前后平行設置的方案，在安裝時，也可以將所述平面電容器1安裝在汽車前擋風玻璃9的夾層內(nèi)，所述平面電容補償器2位于與所述平面電容器1位置相對的汽車前擋風玻璃9的內(nèi)表面。但同樣要保證所述平面電容補償器2的磁場都位于玻璃的外表面以下，即不具有測量雨水用的磁場空間Nx。
參見圖10和圖11，本發(fā)明給出的另一種優(yōu)選實施例中，所述平面電容補償器2與所述平面電容器1安裝于汽車前擋風玻璃9的同一平面上。并且都位于汽車前擋風玻璃9的內(nèi)表面上。所述平面電容補償器2的一個極板21與所述平面電容器1的其中一個極板12共用，所述平面電容補償器2的另一個極板22位于所述共用極板的一側(cè)，其寬度為0.2cm，長度為4cm，與共用極板12的間隙為0.1cm。所述平面電容補償器2的兩極板的總面積為8.8平方厘米。所述平面電容補償器2的兩極板的總面積小于所述平面電容器1的兩極板的總面積(16平方厘米)，且所述平面電容補償器2的兩極板之間的間距遠遠小于其所在位置玻璃9的厚度。這樣保證所述平面電容補償器2的磁場都位于玻璃9的外表面以下，即不具有測量雨水用的磁場空間Nx。
參見圖12，本發(fā)明給出的將所述平面電容器1和所述平面電容補償器2設置在同一平面的方案中，也可以將所述平面電容補償器2設置在所述平面電容器1內(nèi)部。如本發(fā)明給出的再一種方案中，所述平面電容器1的兩個極板中，一個為環(huán)形極板11，在環(huán)形極板11中設置一圓形極板12。再在所述平面電容器1的圓形極板12內(nèi)設置一較小的圓形極板22，使大圓形極板12成為共用極板，從而構(gòu)成所述平面電容補償器2。小圓形極板22與大圓形極板12的間距遠遠小于其所在玻璃的厚度，由此，保證所述平面電容補償器2的磁場都位于玻璃的外表面以下，即不具有測量雨水用的磁場空間Nx。
本發(fā)明給出的上述多種實施例中，不管是何種實施例，最終目的都是保證所述平面電容補償器2的磁場都位于玻璃9的外表面以下，即不具有測量雨水用的磁場空間Nx。只有這樣才能使所述平面電容補償器2對雨水不敏感，只對溫度和電磁干擾信號敏感，成為僅檢測干擾信號的敏感元件。
參見圖13，在本發(fā)明給出的實施例中，所述平面電容器1和所述平面電容補償器2的極板分別用屏蔽導線14連接至傳感器檢測電路3。為防止人為意外損壞，在所述平面電容器1和所述平面電容補償器2的后面罩上圓錐形塑料保護罩24，圓錐形塑料保護罩24粘固在汽車前風擋玻璃9的內(nèi)表面上，為保護屏蔽導線14，在圓錐形塑料保護罩24上側(cè)面通過塑料套管13將屏蔽導線14引出到車頂外殼17和車頂內(nèi)飾16的夾層中，兩根屏蔽導線14電連接在安裝在車頂外殼17和車頂內(nèi)飾16夾層中的電路板15上，電路板15由帶有屏蔽層的塑料外殼23進行電磁屏蔽和保護，傳感器的數(shù)字輸出信號通過屏蔽LIN總線電纜18送往自動雨刷系統(tǒng)的控制單元。
參見圖14，本發(fā)明給出的上述實施例中，所述的傳感器檢測電路3包括信號產(chǎn)生器31、程控模擬信號放大和濾波電路32、差分電路33、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路34、微處理器35，所述信號產(chǎn)生器31產(chǎn)生一接入平面電容器1和平面電容補償器2的正弦波測試信號36，當所述測試信號36流經(jīng)所述平面電容器1和所述平面電容補償器2時受外界環(huán)境影響而變化，兩變化后的測試信號36分別輸入所述程控模擬信號放大和濾波電路32，進行放大和濾波后，產(chǎn)生兩直流電壓信號37，兩所述直流電壓信號37經(jīng)所述差分電路33進行差分處理后，產(chǎn)生一差分信號，所述差分信號經(jīng)由所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路34轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述微處理器35接收所述數(shù)字信號，該數(shù)字信號在微處理器35中經(jīng)數(shù)字濾波、數(shù)字線性化處理和數(shù)字自適應算法調(diào)整后形成傳感器的數(shù)字輸出控制信號送往屏蔽LIN(LocalInterconnect Network現(xiàn)場連接網(wǎng)絡)總線接口電路38，然后，通過屏蔽LIN總線電纜18送往自動雨刷系統(tǒng)的控制單元。雨刷工作后，本裝置繼續(xù)對玻璃表面進行檢測并形成反饋信號，進一步控制雨刷的工作，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而使本裝置根據(jù)雨滴的大小來控制雨刷的工作。本發(fā)明給出的測試信號也可以為方波信號或三角波信號。所述測試信號36的頻率可以在100kHZ-1000kHZ之間，本實施例中采用的頻率為230KHZ，所述平面電容器1和所述平面電容補償器2的靜態(tài)電容值在50-400pf之間。本實施例中采用的電容值為220pf。
參見圖15，本發(fā)明給出的再一種實施例中，所述傳感器檢測電路3包括信號產(chǎn)生器31、程控模擬信號放大和濾波電路32、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路34、微處理器35，所述信號產(chǎn)生器31產(chǎn)生一接入平面電容器1和平面電容補償器2的測試信號36，當所述測試信號36流經(jīng)所述平面電容器1和所述平面電容補償器2時受外界環(huán)境影響而變化，兩變化后的測試信號36分別輸入所述程控模擬信號放大和濾波電路32，進行放大和濾波后，產(chǎn)生兩直流電壓信號37，兩所述直流電壓信號37分別經(jīng)由所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路34轉(zhuǎn)換成兩數(shù)字信號，所述微處理器35接收兩所述數(shù)字信號，對兩所述數(shù)字信號進行差分運算，并將差分運算后的數(shù)字信號在微處理器35中經(jīng)數(shù)字濾波、數(shù)字線性化處理和數(shù)字自適應算法調(diào)整后形成傳感器的數(shù)字輸出控制信號送往屏蔽LIN(Local Interconnect Network現(xiàn)場連接網(wǎng)絡)總線接口電路38，然后，通過屏蔽LIN總線電纜18送往自動雨刷系統(tǒng)的控制單元。雨刷工作后，本裝置繼續(xù)對玻璃表面進行檢測并形成反饋信號，進一步控制雨刷的工作，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，從而使本裝置根據(jù)雨滴的大小來控制雨刷的工作。
本發(fā)明給出的上述實施例中，所述平面電容器1和平面電容補償器2的極板所采用的導電材料為銅、鋁、銀、導電橡膠、導電塑料、導電膠或透明導電薄膜，通過多種安裝方式如粘貼、壓固、噴涂，在汽車玻璃9內(nèi)表面上不影響駕駛員視線的位置形成所述平面電容器1和平面補償電容器2所需的極板，極板可以是多種形狀，例如矩形、環(huán)形、扇形、三角形或多邊形。如圖9給出的環(huán)形極板。安裝時應保證平面電容器1的極板與玻璃9內(nèi)表面緊密接觸，避免因空氣間隙影響傳感器的性能，玻璃表面鍍金屬是最好的選擇。實驗表明，平面電容器1的極板的總面積小于100平方厘米都可以，但從節(jié)約成本，以及使用效果來說所述平面電容器1的兩極板總面積為10-20平方厘米最好。而平面電容補償器2的兩極板總面積為5-11平方厘米最好。
下面給出利用上述裝置對汽車擋風玻璃表面進行環(huán)境變化的檢測方法按照本發(fā)明提供的檢測方法，其過程如下a、初始化傳感器；b、傳感器中的信號產(chǎn)生器31產(chǎn)生測試信號36，所述測試信號36分別傳輸?shù)狡矫骐娙萜?和平面電容補償器2中；c、分別檢測測試信號36經(jīng)所述平面電容器1時受外界環(huán)境影響所帶來的變化和測試信號36經(jīng)所述平面電容補償器2時受干擾信號影響帶來的變化；d、將檢測到的兩變化測試信號36進行差分運算；e、處理單元根據(jù)差分信號生成控制信號；f、傳輸控制信號到設備；g、傳感器再次檢測玻璃表面，生成反饋信號，傳輸?shù)教幚韱卧?，?gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
本發(fā)明對于傳感器的初始化是根據(jù)汽車玻璃的材料和厚度、平面電容器1傳感元件的面積及安裝方式、環(huán)境溫度、濕度條件，檢測并設定平面電容器1傳感元件的靜態(tài)初始值。由于不同的物質(zhì)，其介質(zhì)常數(shù)不一樣，因此檢測裝置可以根據(jù)不同的物質(zhì)，設置不同的初始值，從而判斷是何種物質(zhì)附著在玻璃表面。例如，當水附著在平面電容器1所在的玻璃表面時，平面電容器1的電容值發(fā)生變化，將此時電容器的變化量設定，作為判斷水附著在玻璃表面的標準。
本發(fā)明的方法是如此實現(xiàn)在汽車擋風玻璃9的內(nèi)表面上設有平面電容器1和平面電容補償器2，所述平面電容器1的兩個極板11、12放置在同一平面上，其作為敏感元件以檢測擋風玻璃9表面的雨水變化，所述平面電容器1受雨水大小影響而帶來的電容量Cx變化的信號傳輸?shù)絺鞲衅鳈z測電路3。所述平面電容補償器2的兩個極板21、22也是放置在同一平面上，由于其安裝位置或形狀與所述平面電容器1不同，雨水大小并不能影響其電容量。因此，其只能檢測溫度和電磁干擾對其電容量帶來的變化，并將變化信號傳輸至所述傳感器檢測電路3中。所述傳感器檢測電路3根據(jù)所檢測的兩變化測試信號，進行差分運算，根據(jù)差分運算的結(jié)果產(chǎn)生控制設備工作的控制信號。由于，所述平面電容器1和所述平面電容補償器2受溫度和電磁干擾影響而帶來的測試信號變化是同時同步變化且變化幅度近似相等。而對于雨水變化，僅所述平面電容器1的測試信號變化。根據(jù)上述特性，進行差分運算后，可以有效的消除溫度和電磁干擾造成的影響。提高了傳感器的檢測精度，實現(xiàn)本發(fā)明的最終發(fā)明目的。
權(quán)利要求
1.一種平面電容式傳感器，包括一安裝在汽車擋風玻璃(9)上的平面電容器(1)和一與所述平面電容器(1)相連接的傳感器檢測電路(3)，所述平面電容器(1)作為傳感器的敏感元件，其中所述平面電容器(1)的兩個極板放置在同一平面上，所述傳感器檢測電路(3)檢測所述平面電容器(1)受環(huán)境影響而帶來的電容量變化，并根據(jù)所檢測的電容量變化產(chǎn)生控制雨刷設備工作的控制信號，其特征在于所述傳感器檢測電路(3)還連接有一消除干擾信號的平面電容補償器(2)，其兩個極板放置在同一平面上，所述平面電容補償器(2)僅作為檢測干擾信號的敏感元件，所述傳感器檢測電路(3)檢測所述平面電容補償器(2)受干擾信號影響帶來的電容量變化，并根據(jù)所檢測的電容量變化補償所述平面電容器(1)受環(huán)境影響而帶來的電容量變化。
2.如權(quán)利要求1所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容補償器(2)與所述平面電容器(1)在汽車擋風玻璃(9)上前后平行設置。
3.如權(quán)利要求2所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容補償器(2)與所述平面電容器(1)的形狀、大小相同。
4.如權(quán)利要求1或2所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容器(1)位于汽車擋風玻璃(9)的夾層內(nèi)，所述平面電容補償器(2)位于與所述平面電容器(1)位置相對的汽車擋風玻璃(9)的內(nèi)表面。
5.如權(quán)利要求1或2所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容器(1)緊貼于汽車擋風玻璃(9)的內(nèi)表面，所述平面電容補償器(2)位于所述平面電容器(1)的后面，并通過一絕緣材料層(4)與所述平面電容器(1)之間形成一定間距。
6.如權(quán)利要求1所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容補償器(2)與所述平面電容器(1)安裝在同一平面上。
7.如權(quán)利要求6所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容補償器(2)與所述平面電容器(1)安裝于汽車擋風玻璃(9)的內(nèi)表面上。
8.如權(quán)利要求6所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容補償器(2)位于所述平面電容器(1)內(nèi)或緊靠所述平面電容器(1)的側(cè)邊。
9.如權(quán)利要求6或7或8所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述電容補償器(2)與所述平面電容器(1)共用其中的一個極板。
10.如權(quán)利要求6或7或8所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容補償器(2)的兩極板的總面積小于所述平面電容器(1)的兩極板的總面積，且所述平面電容補償器(2)的兩極板之間的間距小于其所在位置玻璃的厚度，所述平面電容器(1)的兩極板之間的間距等于或大于其所在位置玻璃的厚度。
11.如權(quán)利要求1所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容器(1)和所述平面電容補償器(2)的兩極板采用的導電材料為銅、鋁、銀、導電橡膠、導電塑料、透明導電薄膜或?qū)щ娔z；其粘接、壓固或噴涂在汽車擋風玻璃(9)的內(nèi)表面上。
12.如權(quán)利要求1所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容器(1)和所述平面電容補償器(2)的兩極板形狀為矩形、環(huán)形、扇形、三角形或多邊形，所述平面電容器(1)的兩極板的總面積為10-20平方厘米，所述平面電容補償器(2)的兩極板的總面積為5-11平方厘米。
13.如權(quán)利要求1所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述的傳感器檢測電路(3)包括信號產(chǎn)生器(31)、程控模擬信號放大和濾波電路(32)、差分電路(33)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(34)、微處理器(35)，所述信號產(chǎn)生器(31)產(chǎn)生一接入平面電容器(1)和平面電容補償器(2)的測試信號(36)，當所述測試信號(36)流經(jīng)所述平面電容器(1)和所述平面電容補償器(2)時受外界環(huán)境影響而變化，兩變化后的測試信號(36)分別輸入所述程控模擬信號放大和濾波電路(32)，進行放大和濾波后，產(chǎn)生兩直流電壓信號(37)，兩所述直流電壓信號(37)經(jīng)所述差分電路(33)進行差分處理后，產(chǎn)生一差分信號，所述差分信號經(jīng)由所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，所述微處理器接收所述數(shù)字信號，對所述數(shù)字信號進行處理，形成控制設備工作的傳感器數(shù)字輸出信號。
14.如權(quán)利要求1所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述傳感器檢測電路(3)包括信號產(chǎn)生器(31)、程控模擬信號放大和濾波電路(32)、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(34)、微處理器(35)，所述信號產(chǎn)生器(31)產(chǎn)生一接入平面電容器(1)和平面電容補償器(2)的測試信號(36)，當所述測試信號(36)流經(jīng)所述平面電容器(1)和所述平面電容補償器(2)時受外界環(huán)境影響而變化，兩變化后的測試信號(36)分別輸入所述程控模擬信號放大和濾波電路(32)，進行放大和濾波后，產(chǎn)生兩直流電壓信號(37)，兩所述直流電壓信號(37)分別經(jīng)由所述模數(shù)轉(zhuǎn)換電路(34)轉(zhuǎn)換成兩數(shù)字信號，所述微處理器(35)接收兩所述數(shù)字信號，對兩所述數(shù)字信號進行差分運算，并根據(jù)差分運算的結(jié)果形成控制設備工作的傳感器數(shù)字輸出信號。
15.如權(quán)利要求13或14所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述平面電容器(1)安裝在汽車雨刷工作的區(qū)域內(nèi)，在設備工作的同時，本裝置繼續(xù)對玻璃表面進行檢測并形成反饋信號，進一步控制設備工作，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
16.如權(quán)利要求13或14所述的平面電容式傳感器，其特征在于所述測試信號(36)為正弦波信號、方波信號或三角波信號，所述測試信號(36)的頻率為100kHZ-1000kHZ，所述平面電容器(1)和所述平面電容補償器(2)的靜態(tài)電容值在50-400pf之間。
17.一種采用權(quán)利要求1所述的傳感器檢測汽車擋風玻璃環(huán)境變化的方法，其過程如下a、初始化傳感器；b、傳感器中的信號產(chǎn)生器(31)產(chǎn)生測試信號(36)，所述測試信號(36)分別傳輸?shù)狡矫骐娙萜?1)和平面電容補償器(2)中；c、分別檢測測試信號(36)經(jīng)所述平面電容器(1)時受外界環(huán)境影響所帶來的變化和測試信號(36)經(jīng)所述平面電容補償器(2)時受干擾信號影響帶來的變化；d、將檢測到的兩變化測試信號(36)進行差分運算；e、處理單元根據(jù)差分信號生成控制信號；f、傳輸控制信號到設備；g、傳感器再次檢測玻璃表面，生成反饋信號，傳輸?shù)教幚韱卧?，?gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
18.如權(quán)利要求17所述的檢測汽車擋風玻璃環(huán)境變化的方法，其特征在于所述傳感器安裝在汽車雨刷工作的區(qū)域內(nèi)。
全文摘要
一種平面電容式傳感器，包括一平面電容器、一消除干擾信號的平面電容補償器和一傳感器檢測電路。本發(fā)明采用雙平面電容，其中一個平面電容作為測量電容，另一個作為補償電容，通過改變補償電容的安裝位置和形狀使其對玻璃外表面的雨水不敏感，而對溫漂和電磁干擾敏感。當遇有溫漂或電磁干擾時，測量電容和補償電容的測量值同時發(fā)生同時變化且變化幅度近似相等，當遇有雨水變化時測量電容值隨之變化，而補償電容值基本保持不變。利用以上特性可以對傳感器測量值進行差分補償，有效地減少溫漂和電磁干擾對傳感器測量靈敏度帶來的不利影響，避免雨刮誤動作。
文檔編號H03K17/00GK101087135SQ20061008339
公開日2007年12月12日 申請日期2006年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月8日
發(fā)明者孫滕諶 申請人:孫滕諶