1、河海大学本科毕业论文学号 1062910104 年级 2010 级 本科毕业论文雨滴探测器光学结构设计专 业 电子科学与技术 姓 名 指导教师 评 阅 人 中国 南京河海大学本科毕业论文BACHELORS DEGREE THESISOF HOHAI UNIVERSITYThe Design of the Optical structure of the Raindrop sensorCollege ： Subject ： Name ： Directed by ： BANJING CHIN河海大学本科毕业论文III摘 要随着汽车工业的迅速发展，汽车在不断的朝着安全、环保、舒适的方向发展。而汽车的
2、雨刷系统对汽车的安全性与舒适性的提高起着显著的作用，并且雨滴探测器是雨刷系统的关键部分，因此本设计基于雨滴探测器的光学结构对汽车的雨刷系统进行了分析和研究。本设计对雨滴探测器的工作原理进行了研究，它由发射系统、挡风玻璃系统和接收系统三个部分组成。发射端由红外发光管和准直透镜组成，接收系统由聚焦透镜和红外探测器组成，通过探测平面接收光功率的大小自动控制雨刷系统的刮水速度。设计中利用 ZEMAX 软件对整个光学结构的光线传播路径进行仿真，通过仿真的结果分析得出两面透镜对提高整个系统的光能利用率起着重要的作用。 关键词：雨滴探测器；准直透镜；全反射；光路仿真河海大学本科毕业论文IVABSTRACTW
3、ith the fast development of auto industry, the development of the automobile is constantly in the direction of the security,comfortable, environmental protection.Wiper system can significantly improve vehicles safety and comfort.And the rain detector is a important part of the wiper system, so this
4、design is based on optical organization of the raindrops detector to auto wiper system analyze and research.This design were studied on the working principle of raindrops detector,It consists of launch system, the windshield system and receiving system of three parts.Launch comprised of infrared lig
5、ht-emitting tube and collimating lens, the receiving system consists of a focusing lens and the infrared detectors, the car control the speed of the wiper by the size of light power that detector to detect.The optical design software ZEMAX was used to simulation of light propagation path of the whol
6、e system.The simulation results proved that the two sides lens plays an significant role in improving the light energy utilization of the whole system. Key words: raindrops detector；collimating lens ；total reflection；the light path simulation河海大学本科毕业论文V目 录摘要. IABSTRACT. II目 录. III第 1 章 绪论 .11.1 研究的背
7、景 .11.2 研究现状 .11.2.1 国内情况 .31.2.2 国外情况 .31.3 研究的目的及意义 .41.4 研究内容 .5第 2 章 雨滴探测器基本原理及软件工具简介 .62.1 基本原理 .62.1.1 光电传感器的基本原理 .62.1.2 整体结构及设计原理 .72.2 软件工具介绍 .8第 3 章 雨滴探测器的光学结构设计 .103.1 发射系统 .103.1.1 发射模块设计 .103.1.2 准直透镜参数计算 .113.1.3 仿真光路模拟 .123.2 接收系统 .173.2.1 接收模块设计 .173.2.2 聚焦透镜参数计算 .183.3 挡风玻璃系统 .233.3
8、.1 挡风玻璃模块设计 .233.3.2 全反射临界角的计算 .243.3.3 挡风玻璃光路模拟 .25河海大学本科毕业论文VI第 4 章 结果分析与设计优化 .314.1 结果分析 .314.2 设计优化 .33第 5 章 总结与展望 .355.1 设计总结 .355.2 设计展望 .35参考文献 .36致谢. 38附录一. 39附录二. 46河海大学本科毕业论文1第 1 章 绪论1.1 研究的背景根据美国的国家高速公路安全管理局的统计数字，最少有 26%的重大交通事故是由于驾驶员驾驶时的分心所导致的，而且全世界的雨天的车祸事故有 7%是由于驾驶员手动的操作雨刷而造成的 4。无论是飞机、汽车
9、还是轮船，在行进过程中挡风玻璃的清晰是安全行进的必要前提。因此，雨刷系统成了汽车、飞机等交通工具的必不可少的配置。第一个手动式的雨刷在 1903 年被美国的玛丽安德森发明制造出来，手动式雨刷的出现，使司机不用时不时的下车擦拭车窗，以保证视野的清晰 1。后来，随着科技的推进，人们对手动式的雨刷进行了改进，发明了电动式雨刷系统，使人们在开车的途中，不用手动控制雨刷的摆动，但是这种电动式雨刷系统只有打开和关闭两种状态，雨刷摆动的速率是固定的，不能随着雨量的变化调节雨刮速度，这就会造成摆动太慢或太快的问题。如果速度太慢，在雨速比较急的时候会导致挡风玻璃的模糊，而遮挡驾驶员的视线，如果速度太快，在雨速较
10、慢的时候，又会磨损玻璃，同时太快的雨刮动作又会干扰驾驶员的视线。如果另驾驶员自己根据雨滴的大小来控制雨刷的状态，又会使驾驶员分心，增加汽车事故的发生率。因此，在电动式雨刷的基础上，增加自动探测雨量多少的系统，使雨刷能够根据雨量的大小自己控制雨刷的状态和速度，减轻驾驶员驾驶负担，提高雨天行车的安全性，减少雨天事故发生的概率。1.2 研究现状现有的雨量探测器主要分为三种：压电振子式、静电容式、红外线式。压电振子式：以压电元件作为传感器，通过原件形变量的大小传递外界雨量的大小 2。当挡风玻璃表面有雨滴时，雨滴作用于压电振子引起形变，而且随着雨量的增加，形变量也随着增加，输出的电压也就也就随之增大，根
11、据雨量多少与输出电压的对应关系控制雨刮速度，压电振子式传感器的原理图如下图 1.1 所河海大学本科毕业论文2示：图 1.1 压电振子式传感器原理图静电容式：以电容作为传感器，通过电容介电常数的变化传递外界雨量的大小 3。当没有雨滴的时候，电容两个极板间的填充物质是空气，当有雨滴的时候，电容两个极板间的填充物质是空气和雨滴的混合物质，因为雨滴和空气的导电能力不同，使得在有雨滴时电容的介电常数发生变化，当雨滴的多少的发生变化时，电容的介电常数就会改变，随着介电常数的变化，电容的大小也将随之发生改变，根据电容变化的检测电路，我们可以通过测量电容振荡电路的频率大小来判断雨量的大小，压电振子式传感器的原
12、理图如下图 1.2 所示：图 1.2 静电容式传感器原理图红外线式：以发光管和红外接收端为传感器，发光元件以某一角度发出光线照射到挡风玻璃上，经过挡风玻璃的反射，部分光线被反射回光敏元件，并转换成电信号。当有雨滴的时候，光线在玻璃与水滴的临界面将发生散射，并且随着河海大学本科毕业论文3雨量的增加，被雨滴散射掉的光线就越多，反射回光敏元件的光能就越少，转换成的电信号也就越弱，通过检测电信号的大小来判断外界雨量的大小。由于压电振子传感器和电容传感器有部分需要暴露在汽车的外面，很容易受外界条件的影响，而且器件也容易被污染，影响探测结果，所以在本设计中我们主要研究红外线式的探测器。1.2.1 国内情况
13、国内对于雨量传感器的技术相对较为薄弱，产品的使用范围比较有限，只有小部分的公司在研制这部分的产品，例如深圳海硕达电有限公司、嘉司通智能技术（北京有限公司） ，深圳肯创科技等公司 2。1.2.2 国外情况国外博世公司的第三代雨量传感器在过去传感器功能的基础上，提高了安全性和舒适性，而且反应的时间比较短，能在 120 毫秒内对突然溅起的水滴进行相应的操作。具备识别挡风玻璃上的灰尘的功能，避免灰尘对传感器的影响，同时支持串行接口，博世的产品外形如下如图 1.3。图 1.3 博世的产品外形天合公司传感器中增加专利伺服控制技术，使产品有很强的自适应能力，不仅能够根据环境的变化，控制雨刷工作在不同的状态，
14、而且还能根据挡风玻璃的不同自动配置系统状态，天合的产品外形如下如图 1.4。河海大学本科毕业论文4图 1.4 天合公司的产品外形科士达公司的最新传感器集成了最新的光传感器，不仅可以根据环境的不同控制雨刷的工作状态，而且还能根据环境的情况，控制汽车的前照灯。该传感器也能够根据客户的需求，集成各种不同功能的传感器 4，科士达的产品外形如下如图 1.5。图 1.5 科士达公司的产品外形1.3 研究的目的及意义当今社会，汽车已经更成为一种不可或缺的代步工具，发达国家的汽车使用率很高 5。所以汽车行业是极具开发潜力的行业，随着市场竞争的激烈化，逐渐提升汽车的性能成了万众瞩目的问题，而且面对汽车事故频发的今天，不断的提升汽车的安全性在汽车的发展中则成为了倍受关注的焦点。根据奔驰公司的研究，仅仅增加 0.5s 的警示时间，就可以避免 60%的交通事故，所以驾驶员的预防时间成了保证行车安全的关键因素。因此在汽车上应用自动雨量探测器能够防止汽车驾驶员在雨天时控制雨刷的分心，消除了手动控制雨刷的麻烦，在一定程度上提高了行车的安全性问题。国内外许多汽车开发商都在以雨滴探测器为基础研发制
