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Regensensor

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Auswerteelektronik eines Licht-/Regensensors (ohne Optik)

Ein Regensensor ist ein technisches Bauteil und stellt fest, ob und wie stark es regnet, um eine entsprechende Aktion einzuleiten. Dabei erfasst er die physikalische Beschaffenheit seiner Umgebung quantitativ und gibt die Messgröße als Signal ab.

Anwendungsgebiete

Hauptanwendungsgebiet des Regensensors ist heute die automatische Steuerung des Scheibenwischers am Automobil. Der Automobilhersteller Peugeot bot 1994 in einem seiner Modelle erstmals serienmäßig einen Regensensor an. Seitdem wird diese Entwicklung von mehreren Automobilherstellern in Fahrzeuge eingebaut. Der Sensor ist in einem Auto an der Innenseite einer Scheibe angebracht, meist im Fuß des Rückblickspiegels im oberen Bereich der Windschutzscheibe integriert oder am Rand außerhalb des Sichtfeldes befestigt. Der Regensensor misst die Benetzung eines kleinen Messfeldes und ermöglicht dem Fahrzeug die Benetzung der Scheibe einzuschätzen und den Wischer zu aktivieren, wenn eine entsprechende Benetzung erreicht ist. Das Messfeld hat üblicherweise eine Größe von 200mm² (Größe eines 5-Cent Stückes). Weitere Anwendungsgebiete sind Automatische Dachluken und Markisen.

Aufbau und Funktionsweise

Der Regensensor basiert auf einer optoelektronischen Messung durch eine Leuchtdiode (LED) und eine detektierende Fotodiode. Dabei wird das physikalische Gesetz der Reflexion an Grenzschichten zwischen Materialien mit unterschiedlicher optischer Dichte (Brechzahl) ausgenutzt. Eine Leuchtdiode schickt dazu ihr Licht unter einem bestimmten Winkel durch die Frontscheibe. Der Winkel ist so gewählt, dass bei trockener Scheibe nahezu die gesamte Lichtmenge reflektiert wird (Totalreflexion, das Licht verlässt das optisch dichtere Medium nicht). Die Fotodiode misst die Lichtintensität des einfallenden Lichts.

Regen auf der Außenfläche der Scheibe verändert nun das Brechungsverhalten und lässt sich daher feststellen: Ist die Scheibe nass, so ändert sich das Verhältnis der Brechzahlen an der Scheibenoberfläche (nicht mehr Luft zu Glas, sondern Wasser zu Glas) und somit wird das Licht nicht mehr totalreflektiert[1] sondern tritt aus dem Sensor aus, sodass nur ein Teil der ausgesandten Lichtmenge noch die Fotodiode erreicht. Je mehr Flüssigkeit sich also auf der Oberfläche der Scheibe befindet, desto weniger Licht wird reflektiert und desto weniger Licht erreicht die Fotodiode - die Messgröße ist hier also die Lichtintensität repräsentativ für Wassertropfen auf dem Messfeld. Der Anteil der reflektierten Lichtmenge kann nun beispielsweise als Steuergröße für die Intervallzeit eines Scheibenwischers dienen, sodass der Regensensor in Abhängigkeit von der Regenmenge die Geschwindigkeit des Scheibenwischers steuern kann.

Üblicherweise wird infrarotes Licht verwendet. Der Lichtstrahl wird durch Streulinsen aufgeweitet und mittels eines Prismas unter einem günstigen Winkel in die Windschutzscheibe geführt. Das Prisma ist nötig, damit der Lichtstrahl nicht bereits beim Eintritt in die Frontscheibe auf der Seite der LED an der Grenzfläche von Luft zu Glas reflektiert wird, sondern erst beim Austritt vom Glas zu Luft an der anderen Grenzfläche der Scheibe. Der Lichtstrahl wird nun innerhalb der Windschutzscheibe reflektiert und an einer anderen Stelle durch ein Prisma wieder aus der Windschutzscheibe ausgekoppelt und mittels Sammellinsen auf die Fotodiode fokussiert.

Bei starkem Regen kann ein Sensorsystem automatisch von Intervall- auf Dauerwischen umschalten. Während eines plötzlich einsetzenden Wolkenbruchs oder in der Gischtfahne eines LKW schaltet die Anlage sofort in die höchste Geschwindigkeitsstufe. Fallen nur noch vereinzelt Regentropfen, steuert die Elektronik die Wischergeschwindigkeit so, dass der Fahrer stets guten Durchblick hat. Trockenes Reiben der Wischerblätter auf der Frontscheibe und damit die starke Abnutzung des Wischerblattes werden vermieden. Um Fehlinterpretationen durch Kondensationsfeuchte vorzubeugen, kann eine integrierte Heizung den Messbereich von innen trocken halten.

Ausblick

Ein aktueller mit dem Fahrzeugnetzwerk (z.B. CAN- oder LIN-Bus) verbundener Regensensor bietet noch weitere Möglichkeiten: So lässt er sich z. B. zum automatischen Schließen von Fenstern und Schiebedach nutzen. Ausgestattet mit einem zusätzlichen Umgebungslicht-Sensor kann er sogar das Fahrlicht steuern: Es wird bei Dunkelheit oder der Einfahrt in einen Tunnel ohne Zutun des Fahrers eingeschaltet. Auch die automatische Scheinwerfer-Reinigungsanlage arbeitet nach dem Prinzip der im Regensensor verwendeten opto-elektronischen Messung.

Weiterhin eignet sich die exponierte Lage an der Windschutzscheibe, um Beschlags- und Sonnenstandssensorik zu integieren.

Anmerkungen

  1. ↑ Aus den Brechzahlen für Glas und Luft (ca. 1,5 und 1) errechnet sich ein Winkel für die Totalreflexion von ca. 41°, mit den Brechzahlen für Wasser und Glas ergibt sich ca. 61°.

Quellen

  • Klare Sicht bei Sauwetter von Dr. Katja Bammel, erschienen im Physik Journal März 2007.
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