CN100571035C - 平面电容式传感器及检测汽车挡风玻璃环境变化的方法 - Google Patents

Abstract

一种平面电容式传感器，包括一平面电容器、一消除干扰信号的平面电容补偿器和一传感器检测电路。本发明采用双平面电容，其中一个平面电容作为测量电容，另一个作为补偿电容，通过改变补偿电容的安装位置和形状使其对玻璃外表面的雨水不敏感，而对温漂和电磁干扰敏感。当遇有温漂或电磁干扰时，测量电容和补偿电容的测量值同时发生同时变化且变化幅度近似相等，当遇有雨水变化时测量电容值随之变化，而补偿电容值基本保持不变。利用以上特性可以对传感器测量值进行差分补偿，有效地减少温漂和电磁干扰对传感器测量灵敏度带来的不利影响，避免雨刮误动作。

Description

平面电容式传感器及检测汽车挡风玻璃环境变化的方法

技术领域：

本发明涉及一种检测汽车挡风玻璃环境变化的装置，尤其是涉及检测汽车挡风玻璃雨量变化的检测装置以及采用该检测装置的检测方法。

背景技术：

进入21世纪以来，汽车电子化和智能化已经成为汽车工业技术发展的方向和前沿，汽车的安全性和人性化也成为各大汽车厂商注重的焦点。自动检测系统不仅是着眼于方便驾驶着的人性化关怀，更重要的是自动检测系统是汽车主动安全系统的重要组成部分。在雨天或空气相对湿度大的环境下，汽车挡风玻璃表面上常常会因雨水过大而影响驾驶员的视线。

现有技术中的自动雨刷系统的关键技术是雨滴传感器技术，客观地说，截止到今日，世界范围内的雨滴传感器技术仍不十分成熟，尽管一些著名的汽车厂商如德国大众、美国克莱斯勒、法国雪铁龙等已经成功地在他们的汽车产品上配备了自动雨刷系统，但由于雨滴传感器技术的不成熟造成了安装难度大、成本高、误动作率较高的遗憾。

现有雨滴传感技术按安装形式可分为内置型和外置型两大类，外置型是将传感器安装在挡风玻璃外面如发动机盖上面、汽车前脸外面、汽车挡风玻璃外表面等，外置型雨滴传感的特征是对雨水做直接接触式测量，已知的外置型雨滴传感器按工作原理划分有光电式、电导式、振动式和平行板电容式。绝大多数外置型雨滴传感器由于无法直接安装在玻璃外表面雨刷刷动的范围内，因而只能感知雨量大小而无法感知雨刷刷动的效果，因而只能形成对雨刷的开环控制系统，无法形成能反馈雨刷刷动效果的闭环控制系统。此外，外置型雨滴传感器还有容易受污染、损坏等缺陷，因此，外置型雨滴传感器很少在汽车工业中得到应用。内置型雨滴传感器通常安装在汽车玻璃内表面雨刷刷动的范围内，必须采用非接触式检测技术，它具有同时感应雨量和感应雨刷刷动效果从而为雨刷控制器提供实时反馈信号的优点，它安装在车内也避免了环境对它的污染和损坏。现代汽车工业中内置型雨滴传感器已成为主流。

目前在汽车工业中广泛应用的内置型雨滴传感器全都是光电式的，光电式雨滴传感器又分为两种形式，第一种是在汽车玻璃内表面后安装一台摄像头，利用类似于照相机的成像原理对摄像头采集的图像进行图像分析和处理以感知雨量的变化。这种光电式雨滴传感器的传感器件、数据处理电路和计算机成本过高，目前还没有在汽车工业中得到应用。以下只讨论第二种形式的光电式雨滴传感器，它在汽车工业中已经被广泛采用，它是在汽车玻璃内表面安装一对光束发射和接收装置，利用光的反射和折射原理，当汽车玻璃外表面附着有雨滴时光的折射率将发生变化从而导致接收端接受光强的变化，雨滴传感器将光强的变化转变成电信号的变化从而感知雨量的变化。光电式内置型雨滴传感器存在以下缺陷：

1、测量面积小。下小雨时单位面积上雨滴分布是不均匀的，因此若测量面积过小将造成自动雨刷系统反映迟钝。光电式雨滴传感器的发射器元件一般是点光源，尽管可以使用透镜或棱镜，将光束进行某种程度的散射以扩大折射面积，但这将对接受元件的接收灵敏度造成不利影响，因此，实用的光电式雨滴传感器测量面积通常都在1至2平方厘米以内，当然可以设置多对发射和接收端来扩大测量面积，但这将大大提高成本。

2、无法测量附着在玻璃表面雨水的厚度。下大雨时汽车玻璃外表面将被雨水均匀的覆盖，此时雨量的大小只能通过从附着在玻璃表面雨水的厚度变化测量，若无法测量雨水厚度变化将造成自动雨刷系统动作速度迟缓从而影响刷雨效果。光电式雨滴传感器的工作原理是利用光线的折射率变化，而折射率只与入射面的物质特性有关，与物质的厚度无关，因此，光电式雨滴传感器无法反映雨水的厚度变化。

3、易于受到污染物的干扰。当汽车玻璃外表面受到污染物(如：尘土、泥污、油渍、飞虫尸体等)污染时，也将导致光线折射率的较大变化，光电式雨滴传感器因无法区分污染物与雨水从而导致自动雨刷系统的误动作。

4、对安装工艺要求过高。光电式雨滴传感器要求对发射和接收端有精确的安装角度和距离，同时对辅助的透镜和棱镜系统的位置和角度也有很高的要求，此外，考虑到汽车震动的影响，要求安装必须非常紧固，以免由于汽车震动造成光线的偏离从而影响传感器的精度和灵敏度。

5、适应性差。光电式雨滴传感器的工作原理对不同汽车玻璃的适应性很差，玻璃的材质会影响折射率和反射率，玻璃的厚度会影响发射端和接收端的安装角度和位置，因此需要针对不同的汽车玻璃设计相对应的光电式雨滴传感器。

6、材料、安装、工时成本偏高。光电式雨滴传感器需要的光电发射和接收装置、透镜和棱镜系统、紧固件等材料成本较高，由于安装工艺的高要求造成安装和工时成本偏高，这是目前自动雨刷系统只出现在中高档车上的根本原因。

除上述光电式雨滴传感器外，现有技术中也有少量采用电容式雨滴传感器。例如，

1、中国专利号为02147854.6，该专利提供了一种由若干片电容极板并联形成的平行板电容式外置型雨水传感器，该传感器的外壳上设有进水口和出水口，对雨水做直接的接触式测量。该传感器具有外置型雨水传感器的典型缺点，即不能反馈雨刷刷动的效果，无法构成闭环控制系统；易受污染和损坏；结构复杂。该传感器采用传统的平行板式电容测量原理。

2、专利文件US4805070A，名为“电容耦合的湿度传感器“，其敏感元件是电阻网络，利用平行板式电容的原理将电阻的变化通过两个不变的平行板式电容耦合至信号发生器和接收器，其本质是传统的电阻式湿度传感器，该技术方案只是提供了一种信号处理电路与敏感元件(电阻网络)的非接触式连接的方法，以避开穿越玻璃进行导线连接的难题。上述专利提供的技术方案，其敏感元件安装在汽车玻璃的外表面上，对雨水的测量时直接接触式的，敏感元件安装在汽车玻璃的外表面上将对敏感元件材质和安装工艺提出极为苛刻的要求，例如：要耐腐蚀、耐磨擦、耐污，不能影响雨刷的正常动作等等。同时，敏感元件安装在汽车玻璃的外表面上进行接触式测量就必须解决敏感元件的电连接问题，因此上述专利提供的技术方案提供了在两层玻璃的夹缝中与汽车玻璃外表面形成平行板式耦合电容的极为复杂的非接触式连接方法，这种方法工艺过于复杂，安装成本必然过高。

3、专利文件US5668478A提供的技术方案测量原理与US4805070A提供的技术方案类似，也是接触式的测量电阻的变化，用平行板式电容进行信号耦合的，具有US4805070A同样的缺陷。

4、专利文件EP0333564A1，该专利文件提供的电子雨水探测装置利用了测量电容的原理，但该专利提供的传感器是典型的外置型接触式测量雨水传感器，该传感器要求有一个防水性能良好的绝缘覆盖层。该传感器具有外置型雨水传感器的典型缺陷，即不能反馈雨刷刷动的效果，无法构成闭环控制系统；易受污染和损坏；结构复杂。

5、专利文件DE3937605A1，该传感器的测量原理是传统平行板式电容测量原理，其在公开的技术方案为在挡风玻璃上出现水层时，电容板能够与水层各自构成一个电容器，显然这样只能构成两个各自独立的平行板电容器。该传感器的主要缺点是，他要求电容极板必须安装在双层玻璃和两个功能薄膜之间，这无疑会限制该传感器的适用范围，目前汽车工业使用的风挡玻璃有双层的也有单层的。此外，该传感器还存在结构复杂，安装和引线困难等缺陷。

为了解决上述存在的诸多问题，本申请人于2003年9月19日，申请了ZL03160008.5号发明专利，名称为一种平面电容式智能自动雨刷系统传感器，包括：一个安装在汽车前挡风玻璃表面上的平面电容器，以作为传感器的敏感元件，其中所述平面电容器的两个极板放置在同一平面上；一个传感器检测电路，检测所述平面电容器受环境影响而带来的电容量变化，并根据所检测的电容量变化产生控制雨刷工作的控制信号。此方案可以将传感器安装汽车前挡风玻璃的内表面，并位于雨刷刷动的范围内，从而彻底解决了上述诸多现有技术存在的问题。但此方案并没有解决温漂和电磁干扰对于传感器的检测精度造成影响的问题。首先，平面电容器的两个电极直接贴在汽车前风挡玻璃内表面上，由于车速变化造成前风挡玻璃温度变化较大，而温度直接影响玻璃的介电常数变化，造成测量信号的温度漂移，后果是使测量灵敏度不稳定，甚至造成雨刮误动作；其次，贴在汽车前风挡玻璃内表面上的平面电容器形成无线电磁信号的接收天线，又无法屏蔽，当遇到较强无线电磁干扰时，可能雨刮造成误动作。

发明内容：

本发明要解决的技术问题之一是克服上述现有技术之不足，提供一种能够消除温漂和电磁干扰的平面电容式传感器，该装置结构简单，并能同时克服现有光电式和平面电容式检测装置存在的测量面积小、不能测量雨水厚度、易受污染物干扰、安装要求过高、适应性差和成本偏高等不足。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种能够消除温漂和电磁干扰的检测汽车挡风玻璃环境变化的方法，本方法简单实用，利于推广。

按照本发明所要解决的技术问题一提供的一种平面电容式传感器，包括一安装在汽车前挡风玻璃上的平面电容器和一与所述平面电容器相连接的传感器检测电路，所述平面电容器作为传感器的敏感元件，其中所述平面电容器的两个极板放置在同一平面上，所述传感器检测电路检测所述平面电容器受环境影响而带来的电容量变化，并根据所检测的电容量变化产生控制雨刷设备工作的控制信号，其特征在于：所述传感器检测电路还连接有一消除干扰信号的平面电容补偿器，其两个极板放置在同一平面上，所述平面电容补偿器仅作为检测干扰信号的敏感元件，所述传感器检测电路检测所述平面电容补偿器受干扰信号影响带来的电容量变化，并根据所检测的电容量变化补偿所述平面电容器(1)受环境影响而带来的电容量变化。

按照本发明提供的一种平面电容式传感器还具有如下附属技术特征：

本发明提供的一种实施方案为，所述平面电容补偿器与所述平面电容器在汽车挡风玻璃上前后平行设置。

所述平面电容补偿器与所述平面电容器的形状、大小、静态电容值相同。

所述平面电容器位于汽车挡风玻璃的夹层内，所述平面电容补偿器位于与所述平面电容器位置相对的汽车挡风玻璃的内表面。

所述平面电容器紧贴于汽车挡风玻璃的内表面，所述平面电容补偿器位于所述平面电容器的后面，并通过一绝缘材料层与所述平面电容器之间形成一定间距。

本发明提供的另一种实施方案为，所述平面电容补偿器与所述平面电容器安装在同一平面上。

所述平面电容补偿器与所述平面电容器安装于汽车挡风玻璃的内表面上。

所述平面电容补偿器位于所述平面电容器内。

所述平面电容补偿器紧靠所述平面电容器的侧边。

所述电容补偿器与所述平面电容器共用其中的一个极板。

所述平面电容补偿器的两极板的总面积小于所述平面电容器的两极板的总面积，且所述平面电容补偿器的两极板之间的间距小于其所在位置玻璃的厚度，所述平面电容器的两极板之间的间距等于或大于其所在位置玻璃的厚度。

所述平面电容器和所述平面电容补偿器的两极板采用的导电材料为铜、铝、银、导电橡胶、导电塑料、透明导电薄膜或导电胶；其粘接、压固或喷涂在汽车挡风玻璃的内表面上。

所述平面电容器和所述平面电容补偿器的两极板形状为矩形、环形、扇形、三角形或多边形。

所述平面电容器的两极板的总面积为10-20平方厘米，所述平面电容补偿器的两极板的总面积为5-11平方厘米。

本发明提供的传感器检测电路的一种实施方案为，所述的传感器检测电路包括信号产生器、程控模拟信号放大和滤波电路、差分电路、模数转换电路、微处理器，所述信号产生器产生一接入平面电容器和平面电容补偿器的测试信号，当所述测试信号流经所述平面电容器和所述平面电容补偿器时受外界环境影响而变化，两变化后的测试信号分别输入所述程控模拟信号放大和滤波电路，进行放大和滤波后，产生两直流电压信号，两所述直流电压信号经所述差分电路进行差分处理后，产生一差分信号，所述差分信号经由所述模数转换电路转换成数字信号，所述微处理器接收所述数字信号，对所述数字信号进行处理，形成控制设备工作的传感器数字输出信号。

本发明提供的传感器检测电路的又一种实施方案为，所述传感器检测电路包括信号产生器、程控模拟信号放大和滤波电路、模数转换电路、微处理器，所述信号产生器产生一接入平面电容器和平面电容补偿器的测试信号，当所述测试信号流经所述平面电容器和所述平面电容补偿器时受外界环境影响而变化，两变化后的测试信号分别输入所述程控模拟信号放大和滤波电路，进行放大和滤波后，产生两直流电压信号，两所述直流电压信号分别经由所述模数转换电路转换成两数字信号，所述微处理器接收两所述数字信号，对两所述数字信号进行差分运算，并根据差分运算的结果形成控制设备工作的传感器数字输出信号。

所述平面电容器安装在汽车雨刷工作的区域内，在设备工作的同时，本装置继续对玻璃表面进行检测并形成反馈信号，进一步控制设备工作，构成闭环控制系统。

所述测试信号为正弦波信号、方波信号或三角波信号。

所述测试信号的频率为100kHZ-1000kHZ，所述平面电容器和所述平面电容补偿器的静态电容值在50-400pf之间。

按照本发明所要解决的技术问题二提供的一种检测汽车挡风玻璃环境变化的方法，其过程如下：

a、初始化传感器；

b、传感器中的信号产生器产生测试信号，所述测试信号分别传输到平面电容器和平面电容补偿器中；

c、分别检测测试信号经所述平面电容器时受外界环境影响所带来的变化和测试信号经所述平面电容补偿器时受干扰信号影响带来的变化；

d、将检测到的两变化测试信号进行差分运算；

e、处理单元根据差分信号生成控制信号；

f、传输控制信号到设备；

g、传感器再次检测玻璃表面，生成反馈信号，传输到处理单元，构成闭环控制系统。

按照本发明提供的平面电容式传感器相对于现有技术具有如下优点：本发明采用双平面电容，其中一个平面电容作为测量电容，另一个作为补偿电容，通过改变补偿电容的安装位置和形状使其对玻璃外表面的雨水不敏感，而对温漂和电磁干扰敏感。当遇有温漂或电磁干扰时，测量电容和补偿电容的测量值同时发生同时变化且变化幅度近似相等，当遇有雨水变化时测量电容值随之变化，而补偿电容值基本保持不变。利用以上特性可以对传感器测量值进行差分补偿，有效地减少温漂和电磁干扰对传感器测量灵敏度带来的不利影响，避免雨刮误动作。

同时，本发明作为内置式平面电容传感器，其还具有以下优点：

1、测量面积大。平面电容极板可做成任意形状、在不影响驾驶员视线的条件下测量面积可任意扩大，这样可以根本上避免光电式雨滴传感器测量面积过小带来的检测系统反映迟钝的弊端。

2、可测量附着在玻璃表面雨水的厚度。由于平面电容的介质空间是极板上面的玻璃和玻璃表面及外表面附近近似于半椭圆球体形的空间，在这个空间范围内，雨水厚度的变化将导致电容器介质空间介电常数的变化从而引起电容量的变化。这就克服了光电式雨滴传感器无法测量雨水厚度变化造成自动雨刷系统动作速度迟缓从而影响刷雨效果的缺陷。

3、不易受到污染物的干扰。由于水的相对介电常数比一般污染物大得多，因此平面电容式传感器很容易将污染物与水对电容量造成的变化区分开来，从而解决了光电式雨滴传感器由于受污染物影响导致自动雨刷系统误动作的问题。

4、安装工艺非常简单。平面电容式传感器可采用粘接、压接、喷涂或各种在玻璃表面镀金属的工艺方法在玻璃内表面形成平面电容器，不需像光电式雨滴传感器那样需要精确定位。

5、适应性强。由于水的介电常数比玻璃要大几十倍，因此玻璃材质和厚度的变化对传感器精度和灵敏度造成的影响可忽略不计，同一平面电容式传感器几乎可适应各种汽车玻璃。不需为各种汽车玻璃设计专门的传感器。

6、材料、安装、工时成本显著降低。平面电容式传感器可选用各种导电材料，如：铜箔、铝箔、导电橡胶、导电塑料薄膜，玻璃表面喷涂镀金属等，且有量很少，一般只需十平方厘米左右，因此材料成本极低。由于安装简单，安装和安装工时成本也比光电式雨滴传感器低得多。

7、本发明的可以方便的安装在汽车雨刷刷动的范围内，因此，可以队雨刷工作的效果进行检测，构成闭环控制系统。

按照本发明提供的一种检测汽车挡风玻璃环境变化的方法具有如下优点：本方法同时检测测量信号和补偿信号，并将两个信号进行差分处理，并根据差分信号，控制相关设备的工作，消除了温漂和电磁干扰对传感器的影响，本方法利于实现，适合推广和应用。

附图说明：

图1是点电荷电场线分布图；

图2是平行板式电容电场线分布图；

图3是本发明2片矩形极板的平面电容器电场线分布图；

图4是本发明2片矩形极板的平面电容器形成的测量空间示意图；

图5是本发明等效电容测量模型图；

图6是本发明一种实施例的剖视示意图，图中示出平面电容器和平面电容补偿器前后设置于汽车挡风玻璃的夹层和内表面的示意图，图中同时示出两者形成的测量空间。

图7是本发明另一种实施例的剖视示意图，图中示出平面电容器和平面电容补偿器前后设置于汽车挡风玻璃的内表面的示意图，图中同时示出两者形成的测量空间。

图8是本发明中平面电容器和平面电容补偿器的极板为矩形的示意图。

图9是本发明中平面电容器和平面电容补偿器的极板为环形的示意图。

图10是本发明中平面电容器和平面电容补偿器设置在同一平面上的示意图。

图11是本发明中平面电容器和平面电容补偿器的极板为矩形并共用其中的一个极板的示意图。

图12是本发明中平面电容器和平面电容补偿器的极板为环形并共用其中的一个极板的示意图。

图13是本发明安装结构的剖面图。

图14是本发明平面电容检测电路的一种实施例的框图。

图15是本发明平面电容检测电路的另一种实施例的框图。

下面结合附图给出实施例，对发明进行详细说明：

具体实施方式：

在详细说明本发明之前，先简述现有技术以及本发明的工作原理：

传统的电容式传感器是基于平行板式电容的，它的原理是：如果不考虑非均匀电场的边缘效应，两平行板组成的电容，其电容量为

C＝ε·S/d

式中，ε为极板间介质的介电常数，ε＝ε0·εr，ε0为真空中的介电常数，ε0＝8.854·10^-12F/m，εr是介质相对真空的介电常数，空气的相对介电常数εr≈1，其它介质εr＞1；S为极板的面积；d为极板的间距。

由于被测量介质的变化引起电容式传感器有关参数ε，S，d的变化，使电容量C随之变化。据此，传统的电容式传感器以不同参数的变化可分为三种类型：变间距式(参数d变化)；变面积式(参数S变化)；变介电常数式(参数ε变化)。

本发明提出的平面电容器，从原理上打破了传统的基于平行板式电容原理的电容式传感器的思维定势，它将电容器的两个极板按一定间隙放置在同一平面上，而不是平行放置。它不属于上述三种传统电容式传感器类型的任何一种，它是一种综合性的电容式传感器，它同时具有变间距式、变面积式和变介电常数式电容传感器的特性。

本发明的电容测量原理如下：

依据电场理论的场强矢量叠加原理，我们知道，电容器的特性可以用电场线分布来描述，参见图1和图2，分别给出点电荷和平行板电容的电场线分布，图中，10是电场线，28和29是点电荷。为方便下面的讨论，图3给出半圆形平面电容器的电场线分布。由图2中可以看出，平行板电容的电场线10主要分布在两平行板之间的矩形空间内，因此在计算平行板电容的电容量时，可以忽略平行板边缘电场的影响得出平行板电容的电容量计算公式：C＝ε·S/d。同理，由图3可以看出，平面电容器的电场线主要分布在两平面电极板周围的近似椭圆形球体空间中，由于平面电容的理论计算过于复杂，此处不作详细讨论。

参见图3和图4，图中示出了本发明涉及的应用环境下的平面电容器的电场线空间分布，两平面电极板11、12紧贴在玻璃9下面，由图3和图4中的电场线10的分布形状可以看出，由于受到不同介质影响，两平面电极板11和电极板12周围的近似椭圆形球体空间可以划分成三个不同的空间：汽车玻璃9内表面和紧贴在内表面上的平面电极板11和电极板12以下的近似半椭圆形球体空间N1；平面电极板11和电极板12以上和汽车玻璃9内部包含的扁平椭圆形空间N2；汽车玻璃9外表面附近形成的半椭圆形空间Nx。由于近似半椭圆形球体空间N1和扁平椭圆形空间N2的介质分别为均匀的空气和玻璃，其介电常数和体积可以认为是不变的。而半椭圆形空间Nx平常是空气，当有其他异物进入时，其介电常数和体积将发生较大变化，半椭圆形空间Nx正是我们的测量空间。

基于以上的讨论，参见图5，本发明提出的等效电容模型。其中，并联等效电容C3是由半近似椭圆形球体空间N1和扁平椭圆形空间N2确定的不变电容，串联电容C1和C2是由平面电极以上穿越汽车玻璃外表面但封闭在汽车玻璃外表面以内的空间决定的不变电容，Cx是半椭圆形空间Nx形成的可变电容。Cx的电容量同时取决于进入半椭圆形空间Nx的异物的介电常数、异物覆盖的面积、异物在半椭圆形空间Nx形成的厚度，该厚度在理论上可以等同于平行板电容器的间距。

通过以上对本发明原理的讨论，我们可以得到下述两点结论：

1、本发明提出的平面电容器不同于以往的任何一种类型的电容式传感器，包括：变面积性、变间距型、和变介电常数型，它是综合性的电容式传感器，它可同时感知面积、间距和介电常数三个参数的变化。

2、本发明提出的平面电容器不仅可以区分汽车玻璃表面附近的异物，而且可以同时感知覆盖在传感器上汽车玻璃表面异物覆盖的面积和厚度，而这正是现有的光电式传感器无法做到的。

在阐述了本发明的发明原理后，下面给出利用上述原理制造出的平面电容式传感器。

参见图6和图8，作为本发明的一种优选实施例，采用一面带有不干胶的铜箔胶带，加工成宽度为a＝2cm，长度为b＝4cm的2片矩形电极板11、12，所述电极板11、12的总面积为16平方厘米，两极板之间的间隙为0.6cm。所述电极板11、12粘贴在的汽车前风挡玻璃9的内表面上，位于汽车后视镜19后面不影响驾驶员视线并处于雨刷刷动范围内的位置。由此形成平面电容器1的两个电极。安装在汽车挡风玻璃9的内表面上可以实现非接触式测量的目的。同时，所述平面电容器1的安装位置属于雨刷刮雨的工作范围内，不仅对玻璃表面是否有雨存在进行检测，而且对雨刷工作的效果进行检测。所述极板11、12的间距大于其所在位置的玻璃厚度。这样其形成的磁场就会有一大部分位于玻璃的外表面外，形成测量雨水用的半椭圆性磁场空间Nx。

参见图7和图8，按照本发明给出的上述实施例中，为了消除温度和电磁对平面电容器1的影响，本发明在所述平面电容器1的后面平行设置有平面电容补偿器2，所述平面电容补偿器2的两个极板与所述平面电容器1的两个极板完全相同，其间距也是一样的。最终使所述平面电容补偿器2与所述平面电容器1的形状、大小、静态电容值相同。为了使所述平面电容补偿器2不对雨水敏感，在平面电容器1和平面电容补偿器2之间设置一绝缘材料层4，形成一定间距。从而使平面电容补偿器2形成的磁场空间不超过汽车前挡风玻璃的外表面，即不具有测量雨水用的磁场空间Nx。

参见图6，本发明给出的所述平面电容器1和所述平面电容补偿器2前后平行设置的方案，在安装时，也可以将所述平面电容器1安装在汽车前挡风玻璃9的夹层内，所述平面电容补偿器2位于与所述平面电容器1位置相对的汽车前挡风玻璃9的内表面。但同样要保证所述平面电容补偿器2的磁场都位于玻璃的外表面以下，即不具有测量雨水用的磁场空间Nx。

参见图10和图11，本发明给出的另一种优选实施例中，所述平面电容补偿器2与所述平面电容器1安装于汽车前挡风玻璃9的同一平面上。并且都位于汽车前挡风玻璃9的内表面上。所述平面电容补偿器2的一个极板21与所述平面电容器1的其中一个极板12共用，所述平面电容补偿器2的另一个极板22位于所述共用极板的一侧，其宽度为0.2cm，长度为4cm，与共用极板12的间隙为0.1cm。所述平面电容补偿器2的两极板的总面积为8.8平方厘米。所述平面电容补偿器2的两极板的总面积小于所述平面电容器1的两极板的总面积(16平方厘米)，且所述平面电容补偿器2的两极板之间的间距远远小于其所在位置玻璃9的厚度。这样保证所述平面电容补偿器2的磁场都位于玻璃9的外表面以下，即不具有测量雨水用的磁场空间Nx。

参见图12，本发明给出的将所述平面电容器1和所述平面电容补偿器2设置在同一平面的方案中，也可以将所述平面电容补偿器2设置在所述平面电容器1内部。如本发明给出的再一种方案中，所述平面电容器1的两个极板中，一个为环形极板11，在环形极板11中设置一圆形极板12。再在所述平面电容器1的圆形极板12内设置一较小的圆形极板22，使大圆形极板12成为共用极板，从而构成所述平面电容补偿器2。小圆形极板22与大圆形极板12的间距远远小于其所在玻璃的厚度，由此，保证所述平面电容补偿器2的磁场都位于玻璃的外表面以下，即不具有测量雨水用的磁场空间Nx。

本发明给出的上述多种实施例中，不管是何种实施例，最终目的都是保证所述平面电容补偿器2的磁场都位于玻璃9的外表面以下，即不具有测量雨水用的磁场空间Nx。只有这样才能使所述平面电容补偿器2对雨水不敏感，只对温度和电磁干扰信号敏感，成为仅检测干扰信号的敏感元件。

参见图13，在本发明给出的实施例中，所述平面电容器1和所述平面电容补偿器2的极板分别用屏蔽导线14连接至传感器检测电路3。为防止人为意外损坏，在所述平面电容器1和所述平面电容补偿器2的后面罩上圆锥形塑料保护罩24，圆锥形塑料保护罩24粘固在汽车前风挡玻璃9的内表面上，为保护屏蔽导线14，在圆锥形塑料保护罩24上侧面通过塑料套管13将屏蔽导线14引出到车顶外壳17和车顶内饰16的夹层中，两根屏蔽导线14电连接在安装在车顶外壳17和车顶内饰16夹层中的电路板15上，电路板15由带有屏蔽层的塑料外壳23进行电磁屏蔽和保护，传感器的数字输出信号通过屏蔽LIN总线电缆18送往自动雨刷系统的控制单元。

参见图14，本发明给出的上述实施例中，所述的传感器检测电路3包括信号产生器31、程控模拟信号放大和滤波电路32、差分电路33、模数转换电路34、微处理器35，所述信号产生器31产生一接入平面电容器1和平面电容补偿器2的正弦波测试信号36，当所述测试信号36流经所述平面电容器1和所述平面电容补偿器2时受外界环境影响而变化，两变化后的测试信号36分别输入所述程控模拟信号放大和滤波电路32，进行放大和滤波后，产生两直流电压信号37，两所述直流电压信号37经所述差分电路33进行差分处理后，产生一差分信号，所述差分信号经由所述模数转换电路34转换成数字信号，所述微处理器35接收所述数字信号，该数字信号在微处理器35中经数字滤波、数字线性化处理和数字自适应算法调整后形成传感器的数字输出控制信号送往屏蔽LIN(LocalInterconnect Network现场连接网络)总线接口电路38，然后，通过屏蔽LIN总线电缆18送往自动雨刷系统的控制单元。雨刷工作后，本装置继续对玻璃表面进行检测并形成反馈信号，进一步控制雨刷的工作，构成闭环控制系统，从而使本装置根据雨滴的大小来控制雨刷的工作。本发明给出的测试信号也可以为方波信号或三角波信号。所述测试信号36的频率可以在100kHZ-1000kHZ之间，本实施例中采用的频率为230KHZ，所述平面电容器1和所述平面电容补偿器2的静态电容值在50-400pf之间。本实施例中采用的电容值为220pf。

参见图15，本发明给出的再一种实施例中，所述传感器检测电路3包括信号产生器31、程控模拟信号放大和滤波电路32、模数转换电路34、微处理器35，所述信号产生器31产生一接入平面电容器1和平面电容补偿器2的测试信号36，当所述测试信号36流经所述平面电容器1和所述平面电容补偿器2时受外界环境影响而变化，两变化后的测试信号36分别输入所述程控模拟信号放大和滤波电路32，进行放大和滤波后，产生两直流电压信号37，两所述直流电压信号37分别经由所述模数转换电路34转换成两数字信号，所述微处理器35接收两所述数字信号，对两所述数字信号进行差分运算，并将差分运算后的数字信号在微处理器35中经数字滤波、数字线性化处理和数字自适应算法调整后形成传感器的数字输出控制信号送往屏蔽LIN(Local Interconnect Network现场连接网络)总线接口电路38，然后，通过屏蔽LIN总线电缆18送往自动雨刷系统的控制单元。雨刷工作后，本装置继续对玻璃表面进行检测并形成反馈信号，进一步控制雨刷的工作，构成闭环控制系统，从而使本装置根据雨滴的大小来控制雨刷的工作。

本发明给出的上述实施例中，所述平面电容器1和平面电容补偿器2的极板所采用的导电材料为铜、铝、银、导电橡胶、导电塑料、导电胶或透明导电薄膜，通过多种安装方式如：粘贴、压固、喷涂，在汽车玻璃9内表面上不影响驾驶员视线的位置形成所述平面电容器1和平面补偿电容器2所需的极板，极板可以是多种形状，例如矩形、环形、扇形、三角形或多边形。如图9给出的环形极板。安装时应保证平面电容器1的极板与玻璃9内表面紧密接触，避免因空气间隙影响传感器的性能，玻璃表面镀金属是最好的选择。实验表明，平面电容器1的极板的总面积小于100平方厘米都可以，但从节约成本，以及使用效果来说所述平面电容器1的两极板总面积为10-20平方厘米最好。而平面电容补偿器2的两极板总面积为5-11平方厘米最好。

下面给出利用上述装置对汽车挡风玻璃表面进行环境变化的检测方法：

按照本发明提供的检测方法，其过程如下：

a、初始化传感器；

b、传感器中的信号产生器31产生测试信号36，所述测试信号36分别传输到平面电容器1和平面电容补偿器2中；

c、分别检测测试信号36经所述平面电容器1时受外界环境影响所带来的变化和测试信号36经所述平面电容补偿器2时受干扰信号影响带来的变化；

d、将检测到的两变化测试信号36进行差分运算；

e、处理单元根据差分信号生成控制信号；

f、传输控制信号到设备；

g、传感器再次检测玻璃表面，生成反馈信号，传输到处理单元，构成闭环控制系统。

本发明对于传感器的初始化是根据汽车玻璃的材料和厚度、平面电容器1传感元件的面积及安装方式、环境温度、湿度条件，检测并设定平面电容器1传感元件的静态初始值。由于不同的物质，其介质常数不一样，因此检测装置可以根据不同的物质，设置不同的初始值，从而判断是何种物质附着在玻璃表面。例如，当水附着在平面电容器1所在的玻璃表面时，平面电容器1的电容值发生变化，将此时电容器的变化量设定，作为判断水附着在玻璃表面的标准。

本发明的方法是如此实现：在汽车挡风玻璃9的内表面上设有平面电容器1和平面电容补偿器2，所述平面电容器1的两个极板11、12放置在同一平面上，其作为敏感元件以检测挡风玻璃9表面的雨水变化，所述平面电容器1受雨水大小影响而带来的电容量Cx变化的信号传输到传感器检测电路3。所述平面电容补偿器2的两个极板21、22也是放置在同一平面上，由于其安装位置或形状与所述平面电容器1不同，雨水大小并不能影响其电容量。因此，其只能检测温度和电磁干扰对其电容量带来的变化，并将变化信号传输至所述传感器检测电路3中。所述传感器检测电路3根据所检测的两变化测试信号，进行差分运算，根据差分运算的结果产生控制设备工作的控制信号。由于，所述平面电容器1和所述平面电容补偿器2受温度和电磁干扰影响而带来的测试信号变化是同时同步变化且变化幅度近似相等。而对于雨水变化，仅所述平面电容器1的测试信号变化。根据上述特性，进行差分运算后，可以有效的消除温度和电磁干扰造成的影响。提高了传感器的检测精度，实现本发明的最终发明目的。

Claims (18)

1、一种平面电容式传感器，包括一安装在汽车挡风玻璃(9)上的平面电容器(1)和一与所述平面电容器(1)相连接的传感器检测电路(3)，所述平面电容器(1)作为传感器的敏感元件，其中所述平面电容器(1)的两个极板放置在同一平面上，所述传感器检测电路(3)检测所述平面电容器(1)受环境影响而带来的电容量变化，并根据所检测的电容量变化产生控制雨刷设备工作的控制信号，其特征在于：所述传感器检测电路(3)还连接有一消除干扰信号的平面电容补偿器(2)，其两个极板放置在同一平面上，所述平面电容器(1)的两极板的总面积为10-20平方厘米，所述平面电容补偿器(2)的两极板的总面积为5-11平方厘米，所述平面电容补偿器(2)仅作为检测干扰信号的敏感元件，所述传感器检测电路(3)检测所述平面电容补偿器(2)受干扰信号影响带来的电容量变化，并根据所检测的电容量变化补偿所述平面电容器(1)受环境影响而带来的电容量变化。

2、如权利要求1所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容补偿器(2)与所述平面电容器(1)在汽车挡风玻璃(9)上前后平行设置。

3、如权利要求2所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容补偿器(2)与所述平面电容器(1)的形状、大小相同。

4、如权利要求1或2所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容器(1)位于汽车挡风玻璃(9)的夹层内，所述平面电容补偿器(2)位于与所述平面电容器(1)位置相对的汽车挡风玻璃(9)的内表面。

5、如权利要求1或2所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容器(1)紧贴于汽车挡风玻璃(9)的内表面，所述平面电容补偿器(2)位于所述平面电容器(1)的后面，并通过一绝缘材料层(4)与所述平面电容器(1)之间形成一定间距。

6、如权利要求1所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容补偿器(2)与所述平面电容器(1)安装在同一平面上。

7、如权利要求6所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容补偿器(2)与所述平面电容器(1)安装于汽车挡风玻璃(9)的内表面上。

8、如权利要求6所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容补偿器(2)位于所述平面电容器(1)内或紧靠所述平面电容器(1)的侧边。

9、如权利要求6或7或8所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容补偿器(2)与所述平面电容器(1)共用其中的一个极板。

10、如权利要求6或7或8所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容补偿器(2)的两极板的总面积小于所述平面电容器(1)的两极板的总面积，且所述平面电容补偿器(2)的两极板之间的间距小于其所在位置玻璃的厚度，所述平面电容器(1)的两极板之间的间距等于或大于其所在位置玻璃的厚度。

11、如权利要求1所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容器(1)和所述平面电容补偿器(2)的两极板采用的导电材料为铜、铝、银、导电橡胶、导电塑料、透明导电薄膜或导电胶；其粘接、压固或喷涂在汽车挡风玻璃(9)的内表面上。

12、如权利要求1所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容器(1)和所述平面电容补偿器(2)的两极板形状为矩形、环形、扇形、三角形或多边形。

13、如权利要求1所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述的传感器检测电路(3)包括信号产生器(31)、程控模拟信号放大和滤波电路(32)、差分电路(33)、模数转换电路(34)、微处理器(35)，所述信号产生器(31)产生一接入平面电容器(1)和平面电容补偿器(2)的测试信号(36)，当所述测试信号(36)流经所述平面电容器(1)和所述平面电容补偿器(2)时受外界环境影响而变化，两变化后的测试信号(36)分别输入所述程控模拟信号放大和滤波电路(32)，进行放大和滤波后，产生两直流电压信号(37)，两所述直流电压信号(37)经所述差分电路(33)进行差分处理后，产生一差分信号，所述差分信号经由所述模数转换电路转换成数字信号，所述微处理器接收所述数字信号，对所述数字信号进行处理，形成控制设备工作的传感器数字输出信号。

14、如权利要求1所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述传感器检测电路(3)包括信号产生器(31)、程控模拟信号放大和滤波电路(32)、模数转换电路(34)、微处理器(35)，所述信号产生器(31)产生一接入平面电容器(1)和平面电容补偿器(2)的测试信号(36)，当所述测试信号(36)流经所述平面电容器(1)和所述平面电容补偿器(2)时受外界环境影响而变化，两变化后的测试信号(36)分别输入所述程控模拟信号放大和滤波电路(32)，进行放大和滤波后，产生两直流电压信号(37)，两所述直流电压信号(37)分别经由所述模数转换电路(34)转换成两数字信号，所述微处理器(35)接收两所述数字信号，对两所述数字信号进行差分运算，并根据差分运算的结果形成控制设备工作的传感器数字输出信号。

15、如权利要求13或14所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述平面电容器(1)安装在汽车雨刷工作的区域内，在雨刷工作的同时，本平面电容式传感器继续对玻璃表面进行检测并形成反馈信号，进一步控制设备工作，构成闭环控制系统。

16、如权利要求13或14所述的平面电容式传感器，其特征在于：所述测试信号(36)为正弦波信号、方波信号或三角波信号，所述测试信号(36)的频率为100kHZ-1000kHZ，所述平面电容器(1)和所述平面电容补偿器(2)的静态电容值在50-400pf之间。

17、一种采用权利要求1所述的传感器检测汽车挡风玻璃环境变化的方法，其过程如下：

a、初始化传感器；

b、传感器中的信号产生器(31)产生测试信号(36)，所述测试信号(36)分别传输到平面电容器(1)和平面电容补偿器(2)中；

c、分别检测测试信号(36)经所述平面电容器(1)时受外界环境影响所带来的变化和测试信号(36)经所述平面电容补偿器(2)时受干扰信号影响带来的变化；

d、将检测到的两变化测试信号(36)进行差分运算；

e、处理单元根据差分信号生成控制信号；

f、传输控制信号到设备；

g、传感器再次检测玻璃表面，生成反馈信号，传输到处理单元，构成闭环控制系统。

18、如权利要求17所述的检测汽车挡风玻璃环境变化的方法，其特征在于：所述传感器安装在汽车雨刷工作的区域内。

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