雨水感应式雨刷系统最新技术

68 E YE ON EL E C TRO NIC 汽车电子 现代汽车中配备了许多自动化系统，它们可以做许多原本需要驾驶员自己去做的事情，雨 水感应式自动雨刷系统便是其中一个典型代表。雨水感应式自动雨刷系统看起来好像并没有什 么特别之处，但其背后却包含了工程师们大量的心血，融入了许多技术创新和突破。 雨水感应式雨刷系统 ● 文 / Mike Dale 编译 /陈亚男 韩建保 在我们的想象中，雨水感应式自动雨 刷系统好像并不复杂，它的工作过程似乎 也很简单。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，保证了驾驶员 视线的通畅。同时，还要发出令 车辆的电动车窗和电动天窗自 动关闭的指令，以避免车辆内 部被雨水淋湿。在这个过程中， 驾驶员不需要进行任何操作。 那么，研发这样一个系统何难 之有呢？ 事实上，即便是这样一个 看起来并不复杂的雨水感应式 自动雨刷系统，其研发过程也 历经坎坷。自从美国通用汽车 公司（GM）在 1951年的概念 车 LeSabre中首先使用雨水感 应式自动雨刷系统以来，有数以百计的专 利技术和无数次的不懈尝试来不断地完善 雨水感应式自动雨刷系统，使它能够更加 有效地检测到雨水，并且做出更加准确的 反应。但是，其中多数专利技术和尝试都不 尽完美，存在着或大或小的问题，而这些问 题阻碍了雨水感应式自动雨刷系统的广泛 应用。 究竟是什么使雨水感应式自动雨刷系 统的研发如此困难呢？答案正是雨水。由 于雨水有多种形态，所以使得研发过程充 满艰辛。雨水的强度差异非常大，小到非常 薄的雾气，大到倾盆大雨。雨水的状态可能 完全是液态的，也可能是冻结的或者半冻 结的冰（仅这些冰的形态就多达 212种）， 还可能是半融雪、雨夹雪或者是爱斯基摩 人经常谈论的漫天大雪。不仅如此，雨水中 包含的水也是多样的，可能是几乎纯净的 蒸馏水，也可能是被工业或者污泥污染过 的水，还有可能是被花粉污染过的水。而在 有些情况下，落到挡风玻璃上的雨水根本 就不是通常的水，比如路过的卡车引起的 飞溅、冬季路面坑中溅起的泥水、挡风玻璃 清洗器中喷出的清洗液等。 目前应用较广的两种主流传感器分别 是光学式传感器和电容式传感器。要让雨 水感应式自动雨刷系统很好地工作，仅靠 传感器的输出信号是远远不够的，传感器 的输出必须经过信号处理和软件处理才能 提供有用的信息。有了大量的信息，传感器 才能准确判断雨点的种类。根据雨点的种 类，雨水感应式自动雨刷系统才能判断是 否需要启动雨刷器工作。 要理解雨水感应式 自动雨刷系统是怎样工 作的，最好的方式是观察 系统到底需要什么样的 信息以及根据所得信息 需要做出什么样的反应。 想要实现雨刷器自动工 作的功能，仅仅知道当前 正在下雨是不够的，还要 知道雨量有多大、雨是在 增大还是在减小。软件根 据传感器信息来判断是 否在下雨或者在下雪（雨 和雪均是液体），雨和雪 都是需要从挡风玻璃上清理掉的（但是如 果有小虫子在挡风玻璃上，雨刷器不应该 把它误当成雨水而开始工作）。如果落在挡 风玻璃上的水并不是雨水，系统需要对这 种情况做出正确的反应。下面我们先介绍 两类不太成功的传感器，而它们就不能对 上述情况做出正确的反应。 许多雨水探测器的理念甚至达不 到基本的要求，传导性传感器就是这样，它 使用的是一组金属带，这些金属带被安置 在挡风玻璃的外层，这样的安装方式导致 那些金属带非常容易氧化。另外，这类传感 图1 要使传感器的作用充分发挥出来，关键在于软件对于传感器输出信号的 处理。良好的信号处理能够使雨刷的功能发挥得更好，能够使雨刷对落下雨点 的形状、大小以及下落的频率做出准确的判断。 最新技术 69 E YE ON EL E C TRO NIC 汽车电子 器很容易被落在玻璃上的小虫子、污染过 的雨水或者是污泥点“欺骗”。而雨刷长期 工作的摩擦，也使得这类传感器的寿命缩 短了不少。 另一种设计理念的传感器是依靠检测 雨点落到玻璃上造成的振动来工作的，压 电式探测器和声音探测器就是这样的工作 原理，它们通过“聆听”下落物体落在挡风 玻璃上的声音来判断是否有雨水落下。但 是，这类传感器同样会判断错误，比如有硬 皮的小虫子、砂砾的飞溅、冻雨和冰雹落在 挡风玻璃上的时候，就会造成系统的误判 从而使雨刷器开始工作。因此，对阻抗和振 动系统的完善，还有很多的研发工作要做。 现在，我们来介绍两种目前最成功的 传感器——光学式和电容式传感器。光学 式传感器是根据光的折射原理工作的。在 光学式传感器中有一个发光二极管，它发 出一束锥形光线，这束光穿过前挡风玻璃。 当挡风玻璃上没有雨水、处于干燥状态的 时候，几乎所有的光都会反射到一个光学 传感器上；当下雨的时候，挡风玻璃上会存 有雨水，一部分光线就会偏离，这就造成了 传感器接收到光的总量的变化，从而检测 到了雨水的存在。光学式传感器能够接收 反射光的面积越大，得到的信息就越详尽。 光学式传感器十分精确，甚至有可能准确 地判断出落在被感应区域上的雨点数目。 在雨水感应式自动雨刷系统中之所以 要应用软件，是因为它能对传感器输出信 号做广泛、实时的分析。电装公司（Denso） 的一项专利中这样写道：“由于大气中的小 水滴的扩散，我们认为水珠在挡风玻璃上 的聚合是水量的恒定增长。”电装公司在另 一个评论中写道：“每一颗雨水的形状在落 在挡风玻璃上的过程中是不断变化的，从 刚刚打在挡风玻璃上的扁平状变成之后的 圆形，变成圆形是因为表面张力使雨点在 表面上的附着面积最小化了。”听起来很复 杂，但事实上就是这样。这些复杂的理论说 明传感器不仅能“数出”落在挡风玻璃上雨 点的数目，而且还能在雨点沿着挡风玻璃 流下的时候观察它们的形状和流动形式。 有了这样的信息，就有可能判断在挡风玻 璃上的是否为雨水，另外还能判断出雨下 得有多大以及下雨的强度是在增大还是在 减小。 另一种较成功的传感器是电容式传感 器，它主要是利用水和玻璃的介电常数的 巨大差异设计的，其中水的介电常数为80， 玻璃的介电常数为2。通常的做法是，把两 条呈平行状态的指状金属极板放入挡风玻 璃的内、外层之间，一组指状金属极板相交 错，但是并不触及其他的指状金属极板。当 挡风玻璃处于干燥状态的时候，挡风玻璃 外表面和每组指状金属极板之间就形成了 电介质。当挡风玻璃变湿的时候，根据与挡 风玻璃接触的水量的不同，挡风玻璃的介 电常数发生不同的变化。如果把传感器安 装在挡风玻璃的表面上或者紧贴在挡风玻 璃的下表面，这对传感器的工作是有利的， 因为这样的安装能使传感器发挥其最佳灵 敏度。不利的是，把电容式传感器安装在挡 风玻璃的外表面上会产生与阻力传感器同 样的问题，其金属镀层在雨刷的长期工作 下会很快被从挡风玻璃上刮掉。 电容式传感器的电容与一个类似惠斯 通电桥的高频平衡电桥检测器相连，由此 来对电容式传感器的电容进行监测，这样 做也可能直接就能测量到电容的变化。海 拉公司（Hella）研发了一种电容式传感器， 当雨点的电容量改变的时候，含有天线结 构的振荡电路就会解调。 使用电容式传感器的一个优势是挡风 玻璃的层次结构是现成的，挡风玻璃的作 用不仅是容纳电介质层，而且还能安装传 感器和布置连接线。因此装配电容式传感 器的花费仅仅是指状金属极板的安置和线 路到系统信号处理部分的连接。对电容式 传感器来说，光线对它没影响，所以传感器 可以安装在挡风玻璃的边缘和角落里，汽 车制造商把这些区域称作“阴影带”。汽车 驾驶员在一般情况下是不知道在那里安装 有传感器的。 当雨水落在挡风玻璃上的时候，电容 传感器的电容到底会改变多少呢？ ITT公 司的一项专利技术写道，由ITT公司研发的 传感器在正常的情况下电容是100 pF，当 一个标准的0.5mm厚的小雨点落在了被感 应区域上，电容的变化量是10 pF。这个变 化量并不大，但是足以让电子元件判断是 否下雨以及雨量的大小啦。 我们前面已经提到过，传感器能做的 不仅仅是控制雨刷器。海拉公司（Hella）研 发的电容式传感器里整合了多种元件，因 此它可以测量光线、湿度、阳光负荷。这种 整合使得一个传感器可以代替其他三个传 感器，这样其配线和空间就被节省了下来。 现在还有一些新的雨水探测技术即将 出现，例如超短波雷达技术和改进的超声 波振动系统。雨水探测技术还有可能加入 有效的黑冰探测系统，这个系统能够提高 冬天驾驶的安全性。 在暴风雨即将来临的时候，要做好应 对准备的不仅仅是雨刷器，已经有了很多 关于在暴雨情况下巡航控制使用的讨论。 在美国，很多州的高速公路警察都建议在 汽车牵引和汽车真实速度不明的情况下不 要使用巡航控制系统。因为巡航控制系统 有可能会被雨水探测器关闭或者在暴雨情 况下会被雨水探测器更改其操作。 在气温较高的地区，高强度太阳光负 荷可能导致车辆内部表面如仪表盘或者座 椅的温度上升至 140¡F（60℃）或者更高。 车辆内部的高温不仅对驾驶员来说是一件 令人不悦的事情，而且对空调系统也是很 重的负荷，因为空调系统要把热量排放出 去。如果驾驶员比较熟悉雨水探测技术，知 道这项技术可以探测到将要到来的暴雨并 会自动关闭车窗的话，这样驾驶员便会打 开车窗来换气，从而缓解了车内的高温。 随着数百万辆高端汽车已经将雨水感 应式自动雨刷系统作为标准配置，这一系 统将会更多地配备在中低端汽车上，使附 加有新功能的自动雨刷器很可能取代传统 的间歇式雨刷器。到那时，传统间歇式雨刷 器雨刷臂的质保和故障历史就会被人们遗 忘。 （编辑 范颖）