研究现状

本参赛作品是车用雨量光照传感器，多见于中高档车辆原厂配套，用于开启自动大灯和自动雨刮器。目前市场由国外企业垄断，国内尚未见有规模的生产商。由于进口产品价格太高，更主要的是专用传感器与其余车辆车载电控单元J519之间的通讯问题（例如宝马的雨量光照传感器就无法与华晨汽车的J519通讯），进口的雨量光照传感器一直无法在中低档轿车上普及使用，而国内厂家零星可见的产品又问题颇多，因此发明一款价格低廉、性能可靠，同时又能普及使用的雨量光照传感器就显得很有必要。国内产品详述如下。

（1）有的产品材质选取不当，如某款产品外壳是60×40×25mm的长方体，在外壳主材PA66中，添加了高达30%的玻璃纤维以增加强度，大量的玻璃纤维外露，使产品表面呈现出很明显的灰尘感。

（2）有的产品核心零部件复杂，对材料和生产要求极高，废品率较高，如某款产品红外光发射端的透镜十分复杂，这势必会增加模具成本；且红外光入射角度十分接近全反射角度区间的下限，不同批次原材料PMMA折射率的细微变化，或者模具较小的老化磨损，都很容易导致全反射失败。

（3）有的产品为缩小体积而简化了透镜结构，使得产品容易出现误动作，如某款产品只设计了前向光透镜，而没有顶向光透镜，车辆在经过较短的隧道时无法开启自动大灯；另有某型产品，红外滤光片设计太薄，遮光罩结构不够合理，太阳光中的红外部分对于雨量透镜干扰较大，晴天过树荫时容易导致雨刮器乱动；还有的产品，因尺寸太小，感雨面积随之减小，极易发生下小雨了雨刮器不启动的状况。

创新理念

（1）试制阶段利用了3D打印，产品试制成功之后再开正式模具，降低了成本，而一般的做法是先开简易模具，成本相对3D打印要高很多，试制成功之后再开正式模具。

（2）目前雨量光照传感器是大多数中高档私家车的出厂标配，具有极大的市场，本产品能用于OEM整车厂配套，也可用于中低档私家车的售后市场改装，设计紧凑，美观实用，而国内厂商在该产品上几乎没有突破，目前本系列产品已经与客户签订了894万的供货合同。

（3）创新性地采用了传感器自校准技术和软件滤波技术，提高了传感器抗干扰性、可靠性及测量精度。

（4）滤光片采用镀膜工艺，与注塑工艺相比，产品的厚度尺寸减小了10%，而产品性能不受影响。

（5）预留有温度和湿度传感器的拓展功能，如果客户有这方面的要求，可以加装温湿度传感器，以控制空调，调节车内温度和湿度。

（6）外壳通用，只需设计对应的弹簧卡子，即可安装于不同的车辆，外壳通过二次注塑与光路连接在一起，若OEM整车厂有不同的要求，只需设计新的光路和电路，而不用重新设计生产外壳的模具，节约了时间，降低了成本。

（7）前向光镜头采用较大尺寸的抛物面透镜，能接收到较大面积的可见光，减少大灯误动作的概率。

（8）安装简单，控制盒安装于方向盘下部空间内，只需插拔J519的几个接插件即可安装，无需现场焊线等复杂操作，特别适用于汽车售后改装市场。

创新描述

1.设计思路：雨量光照传感器需要具备两项基本功能，即检测降雨量和环境光强度，以此来控制自动大灯和自动雨刮。

（1）在电气方面，采用MLX75308专用芯片和STM8AL3L68T汽车级单片机作为中央处理器，设计了环境光自动校准功能及采用了数字滤波技术，增强了传感器的抗干扰性，大大提高了传感器检测的精度及控制的可靠性。电路板双面焊接元器件，有利于缩小传感器的体积。

（2）在机械结构方面，表面硬度低至25A的硅胶模，粘性适中，撕下无痕，提供了适当的初期粘贴强度，同时又能完全挤出硅胶模和挡风玻璃之间的气泡，保障了全反射发生的条件。外壳材质采用PA6+25%玻璃纤维，美观耐用。对于出厂就配有雨量光照传感器的车型来说，其安装空间、安装位置和安装方式已经固定，而本产品采用了通用外壳设计，因此在结构方面可以直接替代进口产品；对于出厂时没有配套的车型，本传感器设计有底座，使用时先将底座粘贴在挡风玻璃内侧适当位置，然后通过弹簧卡子把传感器固定到底座上即可。弹簧卡子采用0.2mm厚的65Mn弹簧钢板冲压折弯、一次成型，然后回火热处理，表面除锈，镀一薄层铜后再镀一层5um厚的镍。

（3）在光学结构方面，利用红外线的折射和全反射现象来检测降雨量，用可见光的折射现象来检测环境光强度。如图（一）所示，光在不同的介质中传播时，两种介质的接触面上会发生折射和反射现象，其中反射角等于入射角，而折射角的大小不仅与入射角有关系，还应与两种介质的折射率满足（1）式：n1 sinθ1=n2 sinθ2  ——（1）式

例如当入射角θ2=30°时，根据（1）式可得折射角θ1=41.7°。如果入射角θ2继续增大，则折射角θ1也会随之增大；当θ2增大到一定程度时，θ1会变为90°，此时认为没有折射，光线全部被反射回来，这就是全反射的原理，检测可见光的透镜即根据该原理设计。光从水中传播到空气中的全反射临界角是θ2=48.8°，需要注意的是，光只有从光密介质传播到光疏介质时才会发生全反射，而从光疏介质传播到光密介质时不会发生全反射，例如光从水中入射到空气中时可能会发生全反射，而从空气入射到水中时不可能发生全反射。

图（一）反射和折射现象

（4）光学结构方面的另一个要点就是准直透镜，通过抛物面镜头的汇聚功能，将点光源发射的一束散射光折射为一束平行光，被玻璃表面全反射之后，平行光又被抛物面透镜汇聚为一个高亮光斑。根据等光程原理，有机玻璃镜头的抛物线曲线方程由（2）式确定：y2=1.2201x2+0.98 l x——（2）式，式中l表示光源与抛物线顶点之间的距离，将该抛物线沿x轴旋转360°，即可得到抛物面准直透镜。根据光路可逆原则，光源位置也可以是光敏二极管的位置，因此发射端和接收端都可以用抛物面透镜，调整不同的光源位置，用三维设计软件SolidWorks裁剪抛物面的大小，即可设计出红外发射端、红外接收端以及前向光接收端的透镜。

2.设计原理：自动大灯的开关信号由环境光的光照强度来确定，无需提供光源，环境光分为顶向光和前向光；自动雨刮的开关信号由红外线的光照强度来确定，需要在电路板上设计红外光源，本传感器的光源是红外发光二极管。本传感器紧贴汽车前挡风玻璃内侧，为方便描述，以下各图均省略了外壳、弹簧片等件，汽车前挡风玻璃厚度取5mm，与水平面夹角35°。

（1）顶向光的光路如图（二）所示，其中红色的光束表示入射的顶向光，绿色的光束表示需要接收的折射光（此处光线颜色只是为了表述方便，并不代表光线的真正颜色，实际上可见光是七色复合光。除非有特别说明，下文所述光线颜色均不代表实际颜色），入射角为θ2=35°，玻璃、硅胶、PMMA的折射率都近似为n2=1.5，因此可以认为光在这三种介质间沿直线传播，根据（1）式算得折射角为θ1=22.5°，透镜的出光面设计成平面，与折射光的传播方向垂直，因此从透镜出射时光线不会发生偏折，接收顶向光的有效面积为4.8mm2。

（2）前向光的光路如图（三）所示，其中红色的光束表示入射的前向光，绿色的光束表示需要接收的折射光，入射角为θ2=55°，根据（1）式算得折射角为θ1=33°，透镜的出光面设计成抛物面，属于准直透镜的范畴，前向平行光经过折射之后依然是平行光，这一束平行光经过抛物面透镜的汇聚，最终成为一个亮度较高的光斑，打到光敏二极管表面上，接收前向光的有效面积为22.6mm2。

图（三）前向光光路图

（3）红外线的光路如图（四）所示，其中红色的光束表示红外LED发出的入射光，绿色的光束表示需要接收的反射和折射光（此处所述光的颜色只是为了方便描述，实际上人眼是看不见红外线的）。由于光在玻璃--水界面和玻璃--空气界面的折射情况不同，因此可以利用这一点来分辨出玻璃表面是否有雨。空气的折射率为n1=1，水的折射率为n2=1.33，玻璃的折射率为n3=1.5，全反射时θ1=90°，根据（1）式可以求得光线由玻璃进入空气时的全反射临界角为θ2=41.8°，光线由玻璃进入雨滴时的全反射临界角为θ2=62.5°，只有当入射角θ满足（3）式所述关系时，才能较好地分辨出玻璃表面的雨量情况。

41.8°≤θ≤62.5°（3）式，图（四）中，红外发射LED发出的散射光，其中特定方向的光线，经过发射端抛物面准直透镜后成为一束平行光，该束平行光传播到玻璃外表面时，传播方向有两种可能性：A.如果表面干燥无雨，则全部被全反射，经过接收端抛物面准直透镜后汇聚为一个高亮的光斑，投射到红外光敏二极管表面上；B.如果玻璃外表面有雨滴，那么红外平行光将被部分全反射，部分散射到空气中去，经过接收端抛物面准直透镜后汇聚的光斑亮度就会减弱，减弱程度越大，表示散射掉的光线越多，即雨越大。在满足（3）式的前提下，入射角θ越大，传感器的圆周尺寸会越大，为节约安装空间，本传感器设计的入射角贴近下限，取θ=43.5°。

图（四）红外线光路图

因为LED的辐射强度与空间角度有紧密的关系，本传感器所采用的LED型号为SFH-4253，其配光曲线如图（五）所示，

图（五）某型LED配光曲线

从图上可以看出来，半值角为±60°，即与法线呈60度角时，辐射强度就减弱到了峰值的50%，由于本传感器红外线的入射方向与LED表面的夹角满足（4）式所示关系

θ’+θ=90°（4）式，由（4）式可知，当入射角为θ=43.5°时，θ’=46.5°，即LED辐射的大部分能量没有按照理想的路线传播，散射到了环境当中，接收到的光强越低，与背景杂光的差距就越小，则抗干扰能力越弱，越容易出现雨刮的误动作。

为了接收到更多的光强，红外发射端的透镜不止是单个的抛物面，而是在LED上方多加了一个小抛物面，如图（六）中红色锯齿形透镜所示，红外线经过小抛物面折射后成为一束平行光，这束平行光经过两次全反射后被接收端准直透镜汇聚为光斑，并最终被接收。

图（六）发射端小透镜

经过上述理论分析，将结果通过三维设计软件SolidWorks绘制成三维模型，另存为IGS格式，导入到光学分析软件Zemax中进行模拟，由于可见光部分较为简单，本处只写出红外部分的模拟结果。Zemax启动非序列模式Non-sequential Component Editor，导入IGS模型，光源设为Radial，辐射强度为40mW，取样10个点并输入配光曲线，探测面XY方向像素均为1000，追迹射线500000条，透镜材质设为亚克力Acrylic，结果如图（七）所示。

图（七）Zemax红外模拟结果

通过图（七）可以看出来，蓝色的背景上有一个高亮光斑，代表没有雨的情况，如果有雨，光斑的亮度会减弱，根据该光斑亮度的强弱，就可以判断降雨量的大小，用以决定自动雨刮的刮水速度。

3.实现过程涉及到的技术

（1）传感器的光路透镜、机械外壳等零件，是形状复杂的塑料制品，需要开模注塑，涉及到注塑技术。

（2）同一块光路板上，有的区域需要透过可见光，有的区域要求滤除可见光而透过红外光，较小的传感器尺寸又排除了采用注塑滤光片的可能，因此

需要采用亚克力表面的区域镀膜技术。

（3）本传感器的核心是精密的光学元器件，在试制阶段采用3D打印技术，能够减小试验周期，降低研发成本。

（4）硅胶膜的厚度和粘度是需要精确控制的参数，采用自动灌胶机，柱塞泵精确控制每次出胶量为3.7±0.1克，同时设计合适的工装夹具，批量化灌封。

（5）由弹簧卡子将传感器固定在底座上，弹簧卡子的制作过程涉及到了弹簧钢冲压、热处理、镀镍等技术。弹簧钢的初始屈服强度应较低，否则无法进行冲压折弯等冷加工；之后通过回火热处理，65Mn才能具有较强的弹性；在用酸洗和激光除锈技术去除热处理的氧化皮之后，可以通过镀镍来提高弹簧卡子的耐磨性和抗腐蚀性；需要注意的是，镀镍之前需要预镀一层铜，这样才能提高镀膜和基体金属之间的附着力。

（6）不同车型的挡风玻璃弧度及厚度不同，反射红外线的角度及强度不同，若采用相同的数值作为检测的基准，会给结果带来较大误差，因此本项目采用了环境光自动校准技术，传感器初次通电时，自动进行相应的初始设置，使传感器处于最理想的测试状态，提高了检测的精度及控制的可靠性。

（7）采用中位值平均滤波法进行软件滤波，传感器首先采集一组测试数据，将数据中的最大和最小的几个数据去掉，剩余的数据取算术平均值作为本组测试的结果，当两个结果的差值达到设定的动作限值时，便控制雨刮器动作。采用数字滤波技术，可以很好地消除树荫等偶然因素的干扰，提高了传感器的抗干扰性。

4.需要解决的重点

（1）注塑精度需要保证，尤其是抛物面透镜，如果表面粗糙度不符合要求，或者形状不是希望的抛物面曲线方程，可能导致无法聚焦的情况出现。

（2）机械结构设计中光路和电路之间的相对距离问题也是需要解决的重点。

结构中前架上设有4个支撑短柱和1个固定长柱，所述固定长柱穿过电路板上的圆孔，后盖上圆周方向对应有4根压紧短柱和2个卡扣。红外线发射端的透镜分2种共4个，且焦距不尽相同，理想状态是，发射端抛物面透镜的焦点正好落在红外LED的中心处，接收端的高亮光斑正好落在光敏二极管的中心处。如果机械结构的问题导致光路透镜和电路板之间的距离发生了变化，那么接收到的信号可能会有所减弱，与背景噪音的差距太小，抗干扰能力大大降低。

（3）采用集成化设计方案，把信号调制、发射、接收、解调、运算处理、控制等功能，集成在一个芯片中。为缩小传感器的尺寸，电路板设计得比较小，且要求双面焊接元器件。电路板和机械结构之间的距离很近，因此要减少较厚元件的使用数量，必要时还要在光路板上做出一定的让步，牺牲透镜不重要的某些尺寸来为较厚的元件腾出安装空间。

5.可能遇到的难点

（1）透镜表面镀膜的质量较难控制，因为透镜形状不规则，其表面有两个位置不能镀膜，镀膜厚度需要达到5um以上，否则无法充分滤掉可见光，容易出现误动作，比如经过树荫时雨刮启动。

（2）不同车型前挡风玻璃的厚度不同，弯曲弧度也不同，引起红外线光程差异，可能导致传感器的灵敏度不够。

（3）硅胶自动灌封时，如果硅胶用量计算不准，或者自动灌胶机出胶量无法精确控制，要么导致胶膜太薄安装后有气泡，要么硅胶在传感器表面四处流动，严重影响产品外观，同时又浪费材料。

（4）在注塑的透镜上3D打印外壳，其定位、尺寸不好保证，可能影响精度。

使用时间

合同签订时间：2018年6月28日

设计完成时间：2018年9月

产品交付时间：2019年6月18日

图片展示

图（八）光路板

图（九）电路板

图（十）控制盒

图（十一）结构爆炸图

图（十二）成品图 

图（十三）发货图