【創新產品組|二等獎】沈陽儀表科學研究院有限公司

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    沈陽儀表科學研究院有限公司

    創新產品組|二等獎


    研究現狀


    本參賽作品是車用雨量光照傳感器,多見于中高檔車輛原廠配套,用于開啟自動大燈和自動雨刮器。目前市場由國外企業壟斷,國內尚未見有規模的生產商。由于進口產品價格太高,更主要的是專用傳感器與其余車輛車載電控單元J519之間的通訊問題(例如寶馬的雨量光照傳感器就無法與華晨汽車的J519通訊),進口的雨量光照傳感器一直無法在中低檔轎車上普及使用,而國內廠家零星可見的產品又問題頗多,因此發明一款價格低廉、性能可靠,同時又能普及使用的雨量光照傳感器就顯得很有必要。國內產品詳述如下。

    (1)有的產品材質選取不當,如某款產品外殼是60×40×25mm的長方體,在外殼主材PA66中,添加了高達30%的玻璃纖維以增加強度,大量的玻璃纖維外露,使產品表面呈現出很明顯的灰塵感。

    (2)有的產品核心零部件復雜,對材料和生產要求極高,廢品率較高,如某款產品紅外光發射端的透鏡十分復雜,這勢必會增加模具成本;且紅外光入射角度十分接近全反射角度區間的下限,不同批次原材料PMMA折射率的細微變化,或者模具較小的老化磨損,都很容易導致全反射失敗。

    (3)有的產品為縮小體積而簡化了透鏡結構,使得產品容易出現誤動作,如某款產品只設計了前向光透鏡,而沒有頂向光透鏡,車輛在經過較短的隧道時無法開啟自動大燈;另有某型產品,紅外濾光片設計太薄,遮光罩結構不夠合理,太陽光中的紅外部分對于雨量透鏡干擾較大,晴天過樹蔭時容易導致雨刮器亂動;還有的產品,因尺寸太小,感雨面積隨之減小,極易發生下小雨了雨刮器不啟動的狀況。

    創新理念



    (1)試制階段利用了3D打印,產品試制成功之后再開正式模具,降低了成本,而一般的做法是先開簡易模具,成本相對3D打印要高很多,試制成功之后再開正式模具。

    (2)目前雨量光照傳感器是大多數中高檔私家車的出廠標配,具有極大的市場,本產品能用于OEM整車廠配套,也可用于中低檔私家車的售后市場改裝,設計緊湊,美觀實用,而國內廠商在該產品上幾乎沒有突破,目前本系列產品已經與客戶簽訂了894萬的供貨合同。

    (3)創新性地采用了傳感器自校準技術和軟件濾波技術,提高了傳感器抗干擾性、可靠性及測量精度。

    (4)濾光片采用鍍膜工藝,與注塑工藝相比,產品的厚度尺寸減小了10%,而產品性能不受影響。

    (5)預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,調節車內溫度和濕度。

    (6)外殼通用,只需設計對應的彈簧卡子,即可安裝于不同的車輛,外殼通過二次注塑與光路連接在一起,若OEM整車廠有不同的要求,只需設計新的光路和電路,而不用重新設計生產外殼的模具,節約了時間,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光,減少大燈誤動作的概率。

    (8)安裝簡單,控制盒安裝于方向盤下部空間內,只需插拔J519的幾個接插件即可安裝,無需現場焊線等復雜操作,特別適用于汽車售后改裝市場。

    創新描述


    1.設計思路雨量光照傳感器需要具備兩項基本功能,即檢測降雨量和環境光強度,以此來控制自動大燈和自動雨刮。

    (1)在電氣方面,采用MLX75308專用芯片和STM8AL3L68T汽車級單片機作為中央處理器,設計了環境光自動校準功能及采用了數字濾波技術,增強了傳感器的抗干擾性,大大提高了傳感器檢測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)在機械結構方面,表面硬度低至25A的硅膠模,粘性適中,撕下無痕,提供了適當的初期粘貼強度,同時又能完全擠出硅膠模和擋風玻璃之間的氣泡,保障了全反射發生的條件。外殼材質采用PA6+25%玻璃纖維,美觀耐用。對于出廠就配有雨量光照傳感器的車型來說,其安裝空間、安裝位置和安裝方式已經固定,而本產品采用了通用外殼設計,因此在結構方面可以直接替代進口產品;對于出廠時沒有配套的車型,本傳感器設計有底座,使用時先將底座粘貼在擋風玻璃內側適當位置,然后通過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)在光學結構方面,利用紅外線的折射和全反射現象來檢測降雨量,用可見光的折射現象來檢測環境光強度。如圖(一)所示,光在不同的介質中傳播時,兩種介質的接觸面上會發生折射和反射現象,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系,還應與兩種介質的折射率滿足(1)式:n1 sinθ1=n2 sinθ2  ——(1)式

    例如當入射角θ2=30°時,根據(1)式可得折射角θ1=41.7°。如果入射角θ2繼續增大,則折射角θ1也會隨之增大;當θ2增大到一定程度時,θ1會變為90°,此時認為沒有折射,光線全部被反射回來,這就是全反射的原理,檢測可見光的透鏡即根據該原理設計。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,光只有從光密介質傳播到光疏介質時才會發生全反射,而從光疏介質傳播到光密介質時不會發生全反射,例如光從水中入射到空氣中時可能會發生全反射,而從空氣入射到水中時不可能發生全反射。


    圖(一)反射和折射現象

    (4)光學結構方面的另一個要點就是準直透鏡,通過拋物面鏡頭的匯聚功能,將點光源發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高亮光斑。根據等光程原理,有機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表示光源與拋物線頂點之間的距離,將該拋物線沿x軸旋轉360°,即可得到拋物面準直透鏡。根據光路可逆原則,光源位置也可以是光敏二極管的位置,因此發射端和接收端都可以用拋物面透鏡,調整不同的光源位置,用三維設計軟件SolidWorks裁剪拋物面的大小,即可設計出紅外發射端、紅外接收端以及前向光接收端的透鏡。

    2.設計原理:自動大燈的開關信號由環境光的光照強度來確定,無需提供光源,環境光分為頂向光和前向光;自動雨刮的開關信號由紅外線的光照強度來確定,需要在電路板上設計紅外光源,本傳感器的光源是紅外發光二極管。本傳感器緊貼汽車前擋風玻璃內側,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,實際上可見光是七色復合光。除非有特別說明,下文所述光線顏色均不代表實際顏色),入射角為θ2=35°,玻璃、硅膠、PMMA的折射率都近似為n2=1.5,因此可以認為光在這三種介質間沿直線傳播,根據(1)式算得折射角為θ1=22.5°,透鏡的出光面設計成平面,與折射光的傳播方向垂直,因此從透鏡出射時光線不會發生偏折,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(1)式算得折射角為θ1=33°,透鏡的出光面設計成拋物面,屬于準直透鏡的范疇,前向平行光經過折射之后依然是平行光,這一束平行光經過拋物面透鏡的匯聚,最終成為一個亮度較高的光斑,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,實際上人眼是看不見紅外線的)。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來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θ1=90°,根據(1)式可以求得光線由玻璃進入空氣時的全反射臨界角為θ2=41.8°,光線由玻璃進入雨滴時的全反射臨界角為θ2=62.5°,只有當入射角θ滿足(3)式所述關系時,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,紅外發射LED發出的散射光,其中特定方向的光線,經過發射端拋物面準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,傳播方向有兩種可能性:A.如果表面干燥無雨,則全部被全反射,經過接收端拋物面準直透鏡后匯聚為一個高亮的光斑,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,經過接收端拋物面準直透鏡后匯聚的光斑亮度就會減弱,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越大,為節約安裝空間,本傳感器設計的入射角貼近下限,取θ=43.5°。

    圖(四)紅外線光路圖

    因為LED的輻射強度與空間角度有緊密的關系,本傳感器所采用的LED型號為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,半值角為±60°,即與法線呈60度角時,輻射強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)式所示關系

    θ’+θ=90°(4)式,由(4)式可知,當入射角為θ=43.5°時,θ’=46.5°,即LED輻射的大部分能量沒有按照理想的路線傳播,散射到了環境當中,接收到的光強越低,與背景雜光的差距就越小,則抗干擾能力越弱,越容易出現雨刮的誤動作。

    為了接收到更多的光強,紅外發射端的透鏡不止是單個的拋物面,而是在LED上方多加了一個小拋物面,如圖(六)中紅色鋸齒形透鏡所示,紅外線經過小拋物面折射后成為一束平行光,這束平行光經過兩次全反射后被接收端準直透鏡匯聚為光斑,并最終被接收。

    圖(六)發射端小透鏡

    經過上述理論分析,將結果通過三維設計軟件SolidWorks繪制成三維模型,另存為IGS格式,導入到光學分析軟件Zemax中進行模擬,由于可見光部分較為簡單,本處只寫出紅外部分的模擬結果。Zemax啟動非序列模式Non-sequential Component Editor,導入IGS模型,光源設為Radial,輻射強度為40mW,取樣10個點并輸入配光曲線,探測面XY方向像素均為1000,追跡射線500000條,透鏡材質設為亞克力Acrylic,結果如圖(七)所示。

    圖(七)Zemax紅外模擬結果

    通過圖(七)可以看出來,藍色的背景上有一個高亮光斑,代表沒有雨的情況,如果有雨,光斑的亮度會減弱,根據該光斑亮度的強弱,就可以判斷降雨量的大小,用以決定自動雨刮的刮水速度。

    3.實現過程涉及到的技術

    (1)傳感器的光路透鏡、機械外殼等零件,是形狀復雜的塑料制品,需要開模注塑,涉及到注塑技術。

    (2)同一塊光路板上,有的區域需要透過可見光,有的區域要求濾除可見光而透過紅外光,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域鍍膜技術。

    (3)本傳感器的核心是精密的光學元器件,在試制階段采用3D打印技術,能夠減小試驗周期,降低研發成本。

    (4)硅膠膜的厚度和粘度是需要精確控制的參數,采用自動灌膠機,柱塞泵精確控制每次出膠量為3.7±0.1克,同時設計合適的工裝夾具,批量化灌封。

    (5)由彈簧卡子將傳感器固定在底座上,彈簧卡子的制作過程涉及到了彈簧鋼沖壓、熱處理、鍍鎳等技術。彈簧鋼的初始屈服強度應較低,否則無法進行沖壓折彎等冷加工;之后通過回火熱處理,65Mn才能具有較強的彈性;在用酸洗和激光除銹技術去除熱處理的氧化皮之后,可以通過鍍鎳來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)不同車型的擋風玻璃弧度及厚度不同,反射紅外線的角度及強度不同,若采用相同的數值作為檢測的基準,會給結果帶來較大誤差,因此本項目采用了環境光自動校準技術,傳感器初次通電時,自動進行相應的初始設置,使傳感器處于最理想的測試狀態,提高了檢測的精度及控制的可靠性。

    (7)采用中位值平均濾波法進行軟件濾波,傳感器首先采集一組測試數據,將數據中的最大和最小的幾個數據去掉,剩余的數據取算術平均值作為本組測試的結果,當兩個結果的差值達到設定的動作限值時,便控制雨刮器動作。采用數字濾波技術,可以很好地消除樹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

    (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,可能導致無法聚焦的情況出現。

    (2)機械結構設計中光路和電路之間的相對距離問題也是需要解決的重點。

    結構中前架上設有4個支撐短柱和1個固定長柱,所述固定長柱穿過電路板上的圓孔,后蓋上圓周方向對應有4根壓緊短柱和2個卡扣。紅外線發射端的透鏡分2種共4個,且焦距不盡相同,理想狀態是,發射端拋物面透鏡的焦點正好落在紅外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。如果機械結構的問題導致光路透鏡和電路板之間的距離發生了變化,那么接收到的信號可能會有所減弱,與背景噪音的差距太小,抗干擾能力大大降低。

    (3)采用集成化設計方案,把信號調制、發射、接收、解調、運算處理、控制等功能,集成在一個芯片中。為縮小傳感器的尺寸,電路板設計得比較小,且要求雙面焊接元器件。電路板和機械結構之間的距離很近,因此要減少較厚元件的使用數量,必要時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為較厚的元件騰出安裝空間。

    5.可能遇到的難點

    (1)透鏡表面鍍膜的質量較難控制,因為透鏡形狀不規則,其表面有兩個位置不能鍍膜,鍍膜厚度需要達到5um以上,否則無法充分濾掉可見光,容易出現誤動作,比如經過樹蔭時雨刮啟動。

    (2)不同車型前擋風玻璃的厚度不同,彎曲弧度也不同,引起紅外線光程差異,可能導致傳感器的靈敏度不夠。

    (3)硅膠自動灌封時,如果硅膠用量計算不準,或者自動灌膠機出膠量無法精確控制,要么導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,嚴重影響產品外觀,同時又浪費材料。

    (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。

    使用時間


    合同簽訂時間:2018年6月28日

    設計完成時間:2018年9月

    產品交付時間:2019年6月18日

    圖片展


    圖(八)光路板

    圖(九)電路板

    圖(十)控制盒

    圖(十一)結構爆炸圖

    圖(十二)成品圖 

    圖(十三)發貨圖

    (審核編輯: 林靜)

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