雨滴传感器设计
压电式雨滴传感器
0*级机械设计与制造2班 ** 086112004*9
摘要：行车过程中，下雨时传感器检测到有雨滴后，刮雨器就自动工作在高速或低速状态（跟据检测到的雨滴的大小）的高性能的传感器，至少可以将现在的刮雨器减少3个开关。现在开发的雨滴检测刮雨器将雨滴传感器检测出的雨滴转变成电信号，根据电信号的大小，自动设定刮雨器工作的时间间隔，控制刮雨器动作。下面论文中主要介绍使用压电式压电振子的传感器检测雨滴大小强弱来控制刮雨器工作的。
关键字：压电式传感器、电压放大器、单片机
一、 传感器原理
现在的雨滴检测刮雨器，将雨滴传感器检测出的雨量变成电信号，根据电信号的大小，自动设定刮雨器的工作时间间隔，控制刮雨器的动作。在这个系统中雨滴传感器的作用最重要。下面就介绍利用压电振子的传感器：压电振子利用压电效应将机械位移（振动）变成电信号。如图1-1压电振子受到雨淋，按照雨滴的强弱和雨量做振动。
图1-1 压电振子传感器
如图1-2雨滴冲击能量变换成电压波形，然后再输入到挂雨控制器。该电压波形的积分值（斜线部分的面积）与莫一定值的速度对应，这样就可以控制刮雨器的运动速度。
图1-2 振子振动转化成电信号
二、 传感器的组成
雨滴传感器由振动板、压电元件、放大电路、壳体及阻尼橡胶构成，如图2-1所示。 振动板的功用是接收雨滴冲击的能量，按自身固有振动频率进行弯曲振动，并将振动传递给内侧压电元件上，压电元件把从振动板传递来的变形转换成电压。雨滴检测用传感器上
的压电元件，当压电元件上出现机械变形时，在两侧的电极上就会产生电压。所以，当雨滴落到振动板上时，压电元件上就会产生电压，电压大小与加到振动板上的雨滴能量成正比，一般为0 5mV至300mV 。放大电路将压电元件上产生的电压信号放大后再输人到刮水器放大器中。放大器由晶体管、IC 块、电阻、电容器等部件组成。
雨滴传感器安装在车身外部，其壳体密封要求良好，并用不锈钢材料制成。
振动板要通过阻尼橡胶才能在外壳上保持弹性，阻尼橡胶除了可以屏蔽车身传给外壳的高频振动外，它的支撑刚性还可避免对振动板的振动工况发生干扰。
图2-1雨滴传感器
三、 压电式传感器的测量
雨滴落下测量框图如下3-1：
图3-1测量框图
压力传感器本身的内阻抗很高，而输出的能量较少，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗；二是放大传
感器输出地微弱信号。
原本压电式传感器输出地可以使电压信号，也可以是电荷信号，但在这里我们研究的是电压信号的输出，因此我们用的是电压放大器。
压电式传感器实际上也是一个阻抗变换器，如图3-2是电压放大器的电路原理图，图3-3是电压放大器的等效电路图。
图3-2电压放大器电路原理图 图3-3电压放大器等效电路图 若压电元件受正弦力f=Fm sin ωt 的作用，则其电压为
ua =dFm sin ωt/Ca =Um sin ωt
其中U m 为压电元件大的输出幅值；d 为压电系数。
四、 雨滴传感器工作系统
如图4-1所示为雨滴刮雨器控制系统图，当雨滴接触到传感器表面是，在传感器内部产生随雨滴强度和频率变化的电压变换，该电压波形经传感器内部放大器放大，存储入功率放大器内部。当当信号达到一定值时，经过电路输入雨刮器驱动电路，雨刮器随即启动开始刮雨。
图4-1
五、 总结
由于压电元件使用的是振动系统，因此在汽车行车过程中的抖动可能会影响到压电元件，而导致刮雨器的动作，故在压电元件上的振动板上还要加上一些阻尼橡胶用以屏蔽车身给传感器的振动；当然这种传感器是安装在车身外面，因此其密封性能要好，用不锈钢材料制作其外壳。
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