研究現(xiàn)狀
本參賽作品是車用雨量光照傳感器，多見(jiàn)于中高檔車輛原廠配套，用于開(kāi)啟自動(dòng)大燈和自動(dòng)雨刮器。目前市場(chǎng)由國(guó)外企業(yè)壟斷，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)有規(guī)模的生產(chǎn)商。由于進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格太高，更主要的是專用傳感器與其余車輛車載電控單元J519之間的通訊問(wèn)題（例如寶馬的雨量光照傳感器就無(wú)法與華晨汽車的J519通訊），進(jìn)口的雨量光照傳感器一直無(wú)法在中低檔轎車上普及使用，而國(guó)內(nèi)廠家零星可見(jiàn)的產(chǎn)品又問(wèn)題頗多，因此發(fā)明一款價(jià)格低廉、性能可靠，同時(shí)又能普及使用的雨量光照傳感器就顯得很有必要。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品詳述如下。
（1）有的產(chǎn)品材質(zhì)選取不當(dāng)，如某款產(chǎn)品外殼是60×40×25mm的長(zhǎng)方體，在外殼主材PA66中，添加了高達(dá)30%的玻璃纖維以增加強(qiáng)度，大量的玻璃纖維外露，使產(chǎn)品表面呈現(xiàn)出很明顯的灰塵感。
（2）有的產(chǎn)品核心零部件復(fù)雜，對(duì)材料和生產(chǎn)要求極高，廢品率較高，如某款產(chǎn)品紅外光發(fā)射端的透鏡十分復(fù)雜，這勢(shì)必會(huì)增加模具成本；且紅外光入射角度十分接近全反射角度區(qū)間的下限，不同批次原材料PMMA折射率的細(xì)微變化，或者模具較小的老化磨損，都很容易導(dǎo)致全反射失敗。
（3）有的產(chǎn)品為縮小體積而簡(jiǎn)化了透鏡結(jié)構(gòu)，使得產(chǎn)品容易出現(xiàn)誤動(dòng)作，如某款產(chǎn)品只設(shè)計(jì)了前向光透鏡，而沒(méi)有頂向光透鏡，車輛在經(jīng)過(guò)較短的隧道時(shí)無(wú)法開(kāi)啟自動(dòng)大燈；另有某型產(chǎn)品，紅外濾光片設(shè)計(jì)太薄，遮光罩結(jié)構(gòu)不夠合理，太陽(yáng)光中的紅外部分對(duì)于雨量透鏡干擾較大，晴天過(guò)樹(shù)蔭時(shí)容易導(dǎo)致雨刮器亂動(dòng)；還有的產(chǎn)品，因尺寸太小，感雨面積隨之減小，極易發(fā)生下小雨了雨刮器不啟動(dòng)的狀況。
創(chuàng)新理念
（1）試制階段利用了3D打印，產(chǎn)品試制成功之后再開(kāi)正式模具，降低了成本，而一般的做法是先開(kāi)簡(jiǎn)易模具，成本相對(duì)3D打印要高很多，試制成功之后再開(kāi)正式模具。
（2）目前雨量光照傳感器是大多數(shù)中高檔私家車的出廠標(biāo)配，具有極大的市場(chǎng)，本產(chǎn)品能用于OEM整車廠配套，也可用于中低檔私家車的售后市場(chǎng)改裝，設(shè)計(jì)緊湊，美觀實(shí)用，而國(guó)內(nèi)廠商在該產(chǎn)品上幾乎沒(méi)有突破，目前本系列產(chǎn)品已經(jīng)與客戶簽訂了894萬(wàn)的供貨合同。
（3）創(chuàng)新性地采用了傳感器自校準(zhǔn)技術(shù)和軟件濾波技術(shù)，提高了傳感器抗干擾性、可靠性及測(cè)量精度。
（4）濾光片采用鍍膜工藝，與注塑工藝相比，產(chǎn)品的厚度尺寸減小了10%，而產(chǎn)品性能不受影響。
（5）預(yù)留有溫度和濕度傳感器的拓展功能，如果客戶有這方面的要求，可以加裝溫濕度傳感器，以控制空調(diào)，調(diào)節(jié)車內(nèi)溫度和濕度。
（6）外殼通用，只需設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的彈簧卡子，即可安裝于不同的車輛，外殼通過(guò)二次注塑與光路連接在一起，若OEM整車廠有不同的要求，只需設(shè)計(jì)新的光路和電路，而不用重新設(shè)計(jì)生產(chǎn)外殼的模具，節(jié)約了時(shí)間，降低了成本。
（7）前向光鏡頭采用較大尺寸的拋物面透鏡，能接收到較大面積的可見(jiàn)光，減少大燈誤動(dòng)作的概率。
（8）安裝簡(jiǎn)單，控制盒安裝于方向盤(pán)下部空間內(nèi)，只需插拔J519的幾個(gè)接插件即可安裝，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)焊線等復(fù)雜操作，特別適用于汽車售后改裝市場(chǎng)。
創(chuàng)新描述
1.設(shè)計(jì)思路：雨量光照傳感器需要具備兩項(xiàng)基本功能，即檢測(cè)降雨量和環(huán)境光強(qiáng)度，以此來(lái)控制自動(dòng)大燈和自動(dòng)雨刮。
（1）在電氣方面，采用MLX75308專用芯片和STM8AL3L68T汽車級(jí)單片機(jī)作為中央處理器，設(shè)計(jì)了環(huán)境光自動(dòng)校準(zhǔn)功能及采用了數(shù)字濾波技術(shù)，增強(qiáng)了傳感器的抗干擾性，大大提高了傳感器檢測(cè)的精度及控制的可靠性。電路板雙面焊接元器件，有利于縮小傳感器的體積。
（2）在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，表面硬度低至25A的硅膠模，粘性適中，撕下無(wú)痕，提供了適當(dāng)?shù)某跗谡迟N強(qiáng)度，同時(shí)又能完全擠出硅膠模和擋風(fēng)玻璃之間的氣泡，保障了全反射發(fā)生的條件。外殼材質(zhì)采用PA6+25%玻璃纖維，美觀耐用。對(duì)于出廠就配有雨量光照傳感器的車型來(lái)說(shuō)，其安裝空間、安裝位置和安裝方式已經(jīng)固定，而本產(chǎn)品采用了通用外殼設(shè)計(jì)，因此在結(jié)構(gòu)方面可以直接替代進(jìn)口產(chǎn)品；對(duì)于出廠時(shí)沒(méi)有配套的車型，本傳感器設(shè)計(jì)有底座，使用時(shí)先將底座粘貼在擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)適當(dāng)位置，然后通過(guò)彈簧卡子把傳感器固定到底座上即可。彈簧卡子采用0.2mm厚的65Mn彈簧鋼板沖壓折彎、一次成型，然后回火熱處理，表面除銹，鍍一薄層銅后再鍍一層5um厚的鎳。
（3）在光學(xué)結(jié)構(gòu)方面，利用紅外線的折射和全反射現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)降雨量，用可見(jiàn)光的折射現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)環(huán)境光強(qiáng)度。如圖（一）所示，光在不同的介質(zhì)中傳播時(shí)，兩種介質(zhì)的接觸面上會(huì)發(fā)生折射和反射現(xiàn)象，其中反射角等于入射角，而折射角的大小不僅與入射角有關(guān)系，還應(yīng)與兩種介質(zhì)的折射率滿足（1）式：n1 sinθ1=n2 sinθ2 ——（1）式
例如當(dāng)入射角θ2=30°時(shí)，根據(jù)（1）式可得折射角θ1=41.7°。如果入射角θ2繼續(xù)增大，則折射角θ1也會(huì)隨之增大；當(dāng)θ2增大到一定程度時(shí)，θ1會(huì)變?yōu)?0°，此時(shí)認(rèn)為沒(méi)有折射，光線全部被反射回來(lái)，這就是全反射的原理，檢測(cè)可見(jiàn)光的透鏡即根據(jù)該原理設(shè)計(jì)。光從水中傳播到空氣中的全反射臨界角是θ2=48.8°，需要注意的是，光只有從光密介質(zhì)傳播到光疏介質(zhì)時(shí)才會(huì)發(fā)生全反射，而從光疏介質(zhì)傳播到光密介質(zhì)時(shí)不會(huì)發(fā)生全反射，例如光從水中入射到空氣中時(shí)可能會(huì)發(fā)生全反射，而從空氣入射到水中時(shí)不可能發(fā)生全反射。
圖（一）反射和折射現(xiàn)象
（4）光學(xué)結(jié)構(gòu)方面的另一個(gè)要點(diǎn)就是準(zhǔn)直透鏡，通過(guò)拋物面鏡頭的匯聚功能，將點(diǎn)光源發(fā)射的一束散射光折射為一束平行光，被玻璃表面全反射之后，平行光又被拋物面透鏡匯聚為一個(gè)高亮光斑。根據(jù)等光程原理，有機(jī)玻璃鏡頭的拋物線曲線方程由（2）式確定：y2=1.2201x2+0.98 l x——（2）式，式中l(wèi)表示光源與拋物線頂點(diǎn)之間的距離，將該拋物線沿x軸旋轉(zhuǎn)360°，即可得到拋物面準(zhǔn)直透鏡。根據(jù)光路可逆原則，光源位置也可以是光敏二極管的位置，因此發(fā)射端和接收端都可以用拋物面透鏡，調(diào)整不同的光源位置，用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks裁剪拋物面的大小，即可設(shè)計(jì)出紅外發(fā)射端、紅外接收端以及前向光接收端的透鏡。
2.設(shè)計(jì)原理：自動(dòng)大燈的開(kāi)關(guān)信號(hào)由環(huán)境光的光照強(qiáng)度來(lái)確定，無(wú)需提供光源，環(huán)境光分為頂向光和前向光；自動(dòng)雨刮的開(kāi)關(guān)信號(hào)由紅外線的光照強(qiáng)度來(lái)確定，需要在電路板上設(shè)計(jì)紅外光源，本傳感器的光源是紅外發(fā)光二極管。本傳感器緊貼汽車前擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)，為方便描述，以下各圖均省略了外殼、彈簧片等件，汽車前擋風(fēng)玻璃厚度取5mm，與水平面夾角35°。
（1）頂向光的光路如圖（二）所示，其中紅色的光束表示入射的頂向光，綠色的光束表示需要接收的折射光（此處光線顏色只是為了表述方便，并不代表光線的真正顏色，實(shí)際上可見(jiàn)光是七色復(fù)合光。除非有特別說(shuō)明，下文所述光線顏色均不代表實(shí)際顏色），入射角為θ2=35°，玻璃、硅膠、PMMA的折射率都近似為n2=1.5，因此可以認(rèn)為光在這三種介質(zhì)間沿直線傳播，根據(jù)（1）式算得折射角為θ1=22.5°，透鏡的出光面設(shè)計(jì)成平面，與折射光的傳播方向垂直，因此從透鏡出射時(shí)光線不會(huì)發(fā)生偏折，接收頂向光的有效面積為4.8mm2。
（2）前向光的光路如圖（三）所示，其中紅色的光束表示入射的前向光，綠色的光束表示需要接收的折射光，入射角為θ2=55°，根據(jù)（1）式算得折射角為θ1=33°，透鏡的出光面設(shè)計(jì)成拋物面，屬于準(zhǔn)直透鏡的范疇，前向平行光經(jīng)過(guò)折射之后依然是平行光，這一束平行光經(jīng)過(guò)拋物面透鏡的匯聚，最終成為一個(gè)亮度較高的光斑，打到光敏二極管表面上，接收前向光的有效面積為22.6mm2。
圖（三）前向光光路圖
（3）紅外線的光路如圖（四）所示，其中紅色的光束表示紅外LED發(fā)出的入射光，綠色的光束表示需要接收的反射和折射光（此處所述光的顏色只是為了方便描述，實(shí)際上人眼是看不見(jiàn)紅外線的）。由于光在玻璃--水界面和玻璃--空氣界面的折射情況不同，因此可以利用這一點(diǎn)來(lái)分辨出玻璃表面是否有雨。空氣的折射率為n1=1，水的折射率為n2=1.33，玻璃的折射率為n3=1.5，全反射時(shí)θ1=90°，根據(jù)（1）式可以求得光線由玻璃進(jìn)入空氣時(shí)的全反射臨界角為θ2=41.8°，光線由玻璃進(jìn)入雨滴時(shí)的全反射臨界角為θ2=62.5°，只有當(dāng)入射角θ滿足（3）式所述關(guān)系時(shí)，才能較好地分辨出玻璃表面的雨量情況。
41.8°≤θ≤62.5°（3）式，圖（四）中，紅外發(fā)射LED發(fā)出的散射光，其中特定方向的光線，經(jīng)過(guò)發(fā)射端拋物面準(zhǔn)直透鏡后成為一束平行光，該束平行光傳播到玻璃外表面時(shí)，傳播方向有兩種可能性：A.如果表面干燥無(wú)雨，則全部被全反射，經(jīng)過(guò)接收端拋物面準(zhǔn)直透鏡后匯聚為一個(gè)高亮的光斑，投射到紅外光敏二極管表面上；B.如果玻璃外表面有雨滴，那么紅外平行光將被部分全反射，部分散射到空氣中去，經(jīng)過(guò)接收端拋物面準(zhǔn)直透鏡后匯聚的光斑亮度就會(huì)減弱，減弱程度越大，表示散射掉的光線越多，即雨越大。在滿足（3）式的前提下，入射角θ越大，傳感器的圓周尺寸會(huì)越大，為節(jié)約安裝空間，本傳感器設(shè)計(jì)的入射角貼近下限，取θ=43.5°。
圖（四）紅外線光路圖
因?yàn)長(zhǎng)ED的輻射強(qiáng)度與空間角度有緊密的關(guān)系，本傳感器所采用的LED型號(hào)為SFH-4253，其配光曲線如圖（五）所示，
圖（五）某型LED配光曲線
從圖上可以看出來(lái)，半值角為±60°，即與法線呈60度角時(shí)，輻射強(qiáng)度就減弱到了峰值的50%，由于本傳感器紅外線的入射方向與LED表面的夾角滿足（4）式所示關(guān)系
θ’+θ=90°（4）式，由（4）式可知，當(dāng)入射角為θ=43.5°時(shí)，θ’=46.5°，即LED輻射的大部分能量沒(méi)有按照理想的路線傳播，散射到了環(huán)境當(dāng)中，接收到的光強(qiáng)越低，與背景雜光的差距就越小，則抗干擾能力越弱，越容易出現(xiàn)雨刮的誤動(dòng)作。
為了接收到更多的光強(qiáng)，紅外發(fā)射端的透鏡不止是單個(gè)的拋物面，而是在LED上方多加了一個(gè)小拋物面，如圖（六）中紅色鋸齒形透鏡所示，紅外線經(jīng)過(guò)小拋物面折射后成為一束平行光，這束平行光經(jīng)過(guò)兩次全反射后被接收端準(zhǔn)直透鏡匯聚為光斑，并最終被接收。
圖（六）發(fā)射端小透鏡
經(jīng)過(guò)上述理論分析，將結(jié)果通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks繪制成三維模型，另存為IGS格式，導(dǎo)入到光學(xué)分析軟件Zemax中進(jìn)行模擬，由于可見(jiàn)光部分較為簡(jiǎn)單，本處只寫(xiě)出紅外部分的模擬結(jié)果。Zemax啟動(dòng)非序列模式Non-sequential Component Editor，導(dǎo)入IGS模型，光源設(shè)為Radial，輻射強(qiáng)度為40mW，取樣10個(gè)點(diǎn)并輸入配光曲線，探測(cè)面XY方向像素均為1000，追跡射線500000條，透鏡材質(zhì)設(shè)為亞克力Acrylic，結(jié)果如圖（七）所示。
圖（七）Zemax紅外模擬結(jié)果
通過(guò)圖（七）可以看出來(lái)，藍(lán)色的背景上有一個(gè)高亮光斑，代表沒(méi)有雨的情況，如果有雨，光斑的亮度會(huì)減弱，根據(jù)該光斑亮度的強(qiáng)弱，就可以判斷降雨量的大小，用以決定自動(dòng)雨刮的刮水速度。
3.實(shí)現(xiàn)過(guò)程涉及到的技術(shù)
（1）傳感器的光路透鏡、機(jī)械外殼等零件，是形狀復(fù)雜的塑料制品，需要開(kāi)模注塑，涉及到注塑技術(shù)。
（2）同一塊光路板上，有的區(qū)域需要透過(guò)可見(jiàn)光，有的區(qū)域要求濾除可見(jiàn)光而透過(guò)紅外光，較小的傳感器尺寸又排除了采用注塑濾光片的可能，因此
需要采用亞克力表面的區(qū)域鍍膜技術(shù)。
（3）本傳感器的核心是精密的光學(xué)元器件，在試制階段采用3D打印技術(shù)，能夠減小試驗(yàn)周期，降低研發(fā)成本。
（4）硅膠膜的厚度和粘度是需要精確控制的參數(shù)，采用自動(dòng)灌膠機(jī)，柱塞泵精確控制每次出膠量為3.7±0.1克，同時(shí)設(shè)計(jì)合適的工裝夾具，批量化灌封。
（5）由彈簧卡子將傳感器固定在底座上，彈簧卡子的制作過(guò)程涉及到了彈簧鋼沖壓、熱處理、鍍鎳等技術(shù)。彈簧鋼的初始屈服強(qiáng)度應(yīng)較低，否則無(wú)法進(jìn)行沖壓折彎等冷加工；之后通過(guò)回火熱處理，65Mn才能具有較強(qiáng)的彈性；在用酸洗和激光除銹技術(shù)去除熱處理的氧化皮之后，可以通過(guò)鍍鎳來(lái)提高彈簧卡子的耐磨性和抗腐蝕性；需要注意的是，鍍鎳之前需要預(yù)鍍一層銅，這樣才能提高鍍膜和基體金屬之間的附著力。
（6）不同車型的擋風(fēng)玻璃弧度及厚度不同，反射紅外線的角度及強(qiáng)度不同，若采用相同的數(shù)值作為檢測(cè)的基準(zhǔn)，會(huì)給結(jié)果帶來(lái)較大誤差，因此本項(xiàng)目采用了環(huán)境光自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)，傳感器初次通電時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的初始設(shè)置，使傳感器處于最理想的測(cè)試狀態(tài)，提高了檢測(cè)的精度及控制的可靠性。
（7）采用中位值平均濾波法進(jìn)行軟件濾波，傳感器首先采集一組測(cè)試數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)中的最大和最小的幾個(gè)數(shù)據(jù)去掉，剩余的數(shù)據(jù)取算術(shù)平均值作為本組測(cè)試的結(jié)果，當(dāng)兩個(gè)結(jié)果的差值達(dá)到設(shè)定的動(dòng)作限值時(shí)，便控制雨刮器動(dòng)作。采用數(shù)字濾波技術(shù)，可以很好地消除樹(shù)蔭等偶然因素的干擾，提高了傳感器的抗干擾性。
4.需要解決的重點(diǎn)
（1）注塑精度需要保證，尤其是拋物面透鏡，如果表面粗糙度不符合要求，或者形狀不是希望的拋物面曲線方程，可能導(dǎo)致無(wú)法聚焦的情況出現(xiàn)。
（2）機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中光路和電路之間的相對(duì)距離問(wèn)題也是需要解決的重點(diǎn)。
結(jié)構(gòu)中前架上設(shè)有4個(gè)支撐短柱和1個(gè)固定長(zhǎng)柱，所述固定長(zhǎng)柱穿過(guò)電路板上的圓孔，后蓋上圓周方向?qū)?yīng)有4根壓緊短柱和2個(gè)卡扣。紅外線發(fā)射端的透鏡分2種共4個(gè)，且焦距不盡相同，理想狀態(tài)是，發(fā)射端拋物面透鏡的焦點(diǎn)正好落在紅外LED的中心處，接收端的高亮光斑正好落在光敏二極管的中心處。如果機(jī)械結(jié)構(gòu)的問(wèn)題導(dǎo)致光路透鏡和電路板之間的距離發(fā)生了變化，那么接收到的信號(hào)可能會(huì)有所減弱，與背景噪音的差距太小，抗干擾能力大大降低。
（3）采用集成化設(shè)計(jì)方案，把信號(hào)調(diào)制、發(fā)射、接收、解調(diào)、運(yùn)算處理、控制等功能，集成在一個(gè)芯片中。為縮小傳感器的尺寸，電路板設(shè)計(jì)得比較小，且要求雙面焊接元器件。電路板和機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的距離很近，因此要減少較厚元件的使用數(shù)量，必要時(shí)還要在光路板上做出一定的讓步，犧牲透鏡不重要的某些尺寸來(lái)為較厚的元件騰出安裝空間。
5.可能遇到的難點(diǎn)
（1）透鏡表面鍍膜的質(zhì)量較難控制，因?yàn)橥哥R形狀不規(guī)則，其表面有兩個(gè)位置不能鍍膜，鍍膜厚度需要達(dá)到5um以上，否則無(wú)法充分濾掉可見(jiàn)光，容易出現(xiàn)誤動(dòng)作，比如經(jīng)過(guò)樹(shù)蔭時(shí)雨刮啟動(dòng)。
（2）不同車型前擋風(fēng)玻璃的厚度不同，彎曲弧度也不同，引起紅外線光程差異，可能導(dǎo)致傳感器的靈敏度不夠。
（3）硅膠自動(dòng)灌封時(shí)，如果硅膠用量計(jì)算不準(zhǔn)，或者自動(dòng)灌膠機(jī)出膠量無(wú)法精確控制，要么導(dǎo)致膠膜太薄安裝后有氣泡，要么硅膠在傳感器表面四處流動(dòng)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品外觀，同時(shí)又浪費(fèi)材料。
（4）在注塑的透鏡上3D打印外殼，其定位、尺寸不好保證，可能影響精度。
使用時(shí)間
合同簽訂時(shí)間：2018年6月28日
設(shè)計(jì)完成時(shí)間：2018年9月
產(chǎn)品交付時(shí)間：2019年6月18日
圖片展示
圖（八）光路板
圖（九）電路板
圖（十）控制盒
圖（十一）結(jié)構(gòu)爆炸圖
圖（十二）成品圖
圖（十三）發(fā)貨圖
