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Ausblick

Regensensor

regensensor_versuchsaufbau_02.svg Joachim Herz Stiftung Stefan Richtberg
Versuchsaufbau des Modellversuchs

Modellversuch

Bei vielen modernen Autos schaltet ein Regensensor die Scheibenwischer ein, sobald Regen auf die Windschutzscheibe fällt. Sogar die Geschwindigkeit der Scheibenwischer wird häufig automatisch über den Sensor reguliert.
Ein Modellversuch zeigt das Grundprinzip des Regensensors: In einen Plexiglaskörper (das Modell für die Windschutzscheibe) mit halbkreisförmigem Querschnitt wird Licht so eingestrahlt, dass es an der ebenen Grenzfläche Glas-Luft zur Totalreflexion kommt. Die Intensität des reflektierten Lichtes wird mit einem Sensor (z.B. Fotodiode oder Solarzelle) registriert.

regensensor_versuchsaufbau_wasser_00.jpg Joachim Herz Stiftung Stefan Richtberg
Versuchsdurchführung beim Modellversuch zum Regensensor
Bringt man nun  Wasser auf die ebene Grenzfläche Glas-Luft, so verändern sich Brechungs- und Reflexionsvorgänge, da nun auch Übergänge von Glas zu Wasser auftreten anstelle von Glas zu Luft. Das Licht wird dabei zum Teil in die Wassertropfen gebrochen, zum Teil aber auch wieder reflektiert. In jedem Fall geht die vom Lichtsensor festgestellte Intensität zurück.
Ein Video mit der Versuchsdurchführung ist hier verfügbar.

Aufgabe

1.) Bestimme den Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Plexiglas-Luft. Verwende dazu das Diagramm aus der Grundwissen-Seite.

Lösung

Aus dem Diagramm geht hervor, dass der Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Glas-Luft \(42^\circ \) beträgt.

2.) Bestimme den Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Plexiglas-Wasser. Verwende dazu wieder das Diagramm aus der Grundwissen-Seite. Erkläre damit die rechte Abbildung.

Lösung

Aus dem Diagramm geht hervor, dass der Grenzwinkel der Totalreflexion für den Übergang Glas-Wasser \(62^\circ \) ist. Alle Strahlen mit einem Einfallswinkel größer als \(42^\circ \) wurden bei Trockenheit totalreflektiert. Bei Regen werden sie erst ab einem Einfallswinkel von \(62^\circ \) totalreflektiert. So kommt es, dass bei Regen ein Teil der Lichtintensität nicht mehr in den Empfangssensor gelangt sondern das Glas in Richtung Regentropfen verlässt.

Der reale Regensensor

Der reale Regensensor wird innen an der Frontscheibe des PKW befestigt und arbeitet nach folgendem Prinzip: Das Licht der Sendediode wird über ein Prisma in die Scheibe eingekoppelt, darin weitergeleitet und zur Empfangsdiode geführt. Die empfangene Lichtmenge hängt von der Regenintensität ab, weil Regentropfen die Totalreflexion an der Glasoberfläche z.T. aufheben. Ein Elektronikmodul erzeugt aus der Veränderung der Lichtmenge ein Signal zur Steuerung des Wischerbetriebes (manchmal auch zur Schließung des Schiebedaches). Um Fehlinterpretationen durch Kondensationsfeuchte vorzubeugen, hält eine integrierte Heizung den Messbereich von innen trocken. Meist ist der Regensensor in die Halterung für den Rückspiegel eingebaut, die von Innen auf die Windschutzscheibe geklebt ist.

Schematischer Lichtweg bei trockener Scheibe
Schematischer Lichtweg bei trockener Scheibe
Schematischer Lichtweg bei nasser Scheibe
Schematischer Lichtweg bei nasser Scheibe