Regensensor

Ein Regensensor ist ein technisches Bauteil, das feststellen kann, 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.

Regen / Dämmerungssensor im Rückspiegel

Anwendungsgebiete

Regensensor an der Windschutzscheibe eines PKW

Hauptanwendungsgebiet des Regensensors ist heute die automatische Steuerung des Scheibenwischers am Auto. 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 Rückspiegels im oberen Bereich der Windschutzscheibe integriert oder am Rand außerhalb des Sichtfeldes befestigt. Der Regensensor misst die Benetzung eines kleinen Messfeldes und ermöglicht der Steuerungselektronik, die Benetzung der Scheibe einzuschätzen und den Wischer zu aktivieren, wenn eine entsprechende Benetzung erreicht ist. Das Messfeld hat üblicherweise eine Größe von 2 cm² (Größe eines 5-Cent-Stückes).

Weitere Anwendungsgebiete sind Dachluken und Markisen an Häusern, die bei Regen automatisch geschlossen bzw. eingefahren werden.

Aufbau und Funktionsweise

Schema eines Regensensors
1 - LED, 2 - Fotodiode

Auswerteelektronik eines Licht-/Regensensors (ohne Optik)

Der Regensensor basiert auf einer optoelektronischen Messung durch eine Leuchtdiode (LED) als Lichtquelle und einer detektierenden Fotodiode. Dabei wird die physikalische Gesetzmäßigkeit der Reflexion an der Grenze vom optisch dichten zum optisch dünneren Material (Brechzahl) genutzt. Der Winkel des in der Glasscheibe schräg laufenden Lichtstrahls ist so gewählt, dass bei trockener äußerer Scheibenoberfläche die gesamte Lichtmenge reflektiert und zur Fotodiode läuft (Totalreflexion, das Licht verlässt das optisch dichtere Medium nicht).

Wassertropfen – etwa von Regen – auf der Außenfläche der Scheibe verändern nun das Reflexionsverhalten: es wird weniger reflektiert.

Damit Licht an der Grenze von Glas (mit Brechzahl etwa n=1,5) zu Luft (fast n=1) totalreflektiert wird, muss der Einfallswinkel größer als 41° (Grenzwinkel für Totalreflexion, vom Lot weg gemessen; also je größer desto flacher zur Grenzfläche verlaufend) gewählt werden. Möglich wäre etwa 45°. Liegt an der Glasfläche nun Wasser (n=1,33) an, das in seiner optischen Dichte eine Zwischenstellung einnimmt, so ist der relevante Brechzahlunterschied (Glas zu Wasser) wesentlich geringer und es tritt nur teilweise Reflexion auf, es wird also weniger Licht den Detektor erreichen. Totalreflexion träte (von Glas zu Wasser) erst ab einem höheren Grenzwinkel von 61° auf.

Der Grenzwinkel für Totalreflexion (dicht zu dünn) errechnet sich genau aus dem Brechzahlverhältnis (n1/n2).

Dasselbe gilt übrigens auch für die neu dazugekommene Grenzschicht zwischen Wasser und Luft ganz außen: kleinerer Brechzahlunterschied, größerer Grenzwinkel, doch wurde der Lichtstrahl auch zu größerem Winkel hin gebrochen ... insofern wäre also die Frage Totalreflexion dort noch genauer zu untersuchen.

In der Regel liegt Wasser jedoch als mehr oder weniger gespreitete, gewölbte Tropfen oder als durch Fahrtwind und Wasserströmung unebene Schicht am Glas. Je mehr Glasfläche vom Wasser uneben benetzt ist, desto mehr wird die Totalreflexion gestört, was eben vom Sensor gemessen werden kann. Die Messgröße ist die (dann abnehmende) Lichtintensität an der Fotodiode.

Ein einziger kleiner Tropfen im Messfeld soll den Wischer noch nicht auslösen, ein größerer oder mehrere jedoch schon. Der Sensor reagiert damit eigentlich sehr genau auf die beginnende Sichtbeeinträchtigung durch Wassertropfen am Glas.

Der Anteil der reflektierten Lichtmenge kann nun beispielsweise als Steuergröße für die Intervallzeit eines Scheibenwischers dienen, sodass der Regensensor auch 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 aufgeklebten optischen 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 (versuchten) Austritt vom Glas zu Luft an der äußeren Grenzfläche der Scheibe. Der Lichtstrahl wird nun innerhalb der Windschutzscheibe reflektiert und an einer anderen Stelle durch ein Prisma, das nun die Totalreflexion an der Innenseite vermeidet, 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.

Durch Verwendung von gepulstem Messlicht kann die Störung durch Lichteinfall von außen gering gehalten werden.

Ein anderer Funktionstyp von Regensensor arbeitet mit der Veränderung der Kapazität eines beregneten elektrischen Kondensators oder des Widerstandes durch Leitfähigkeit des Regenwassers.

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 integrieren.

Quellen

• Karl-Heinz Dietsche, Thomas Jäger, Robert Bosch GmbH: Kraftfahrtechnisches Taschenbuch. 25. Auflage, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden, 2003, ISBN 3-528-23876-3
• Klare Sicht bei Sauwetter von Dr. Katja Bammel, erschienen im Physik Journal März 2007.

Weblinks

• Uni Kaiserslautern - Originalversuch aus dem Projekt LowCost-HighTech Freihandversuche Physik
• Uni München - Bilder zur Funktionsweise