影响超声波传感器性能地因素

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1、WORD格式关键工序对超声波传感器性能影响分析先介绍有关超声波传感器的基本知识：本公司生产的系列超声波传感器（裸探头），主要性能指标有：频率、 余振和灵敏度。三者之间紧密耦合，相互影响，相互制约。超声波传 感器的关键部件为压电陶瓷晶体芯片，当在晶体芯片两端加以适当幅 度适当频率的驱动信号时，陶瓷芯片便会产生机械振动，同时带动周 围空气振动，形成声波，在空气中传播；同时，当上述声波在空气中 传播遇到障碍物，就会产生反射，反射波反传回压电晶体，由于压电 陶瓷晶体是可逆的，机械震荡信号便会转变为电信号。故而利用压电 晶体作为核心芯片的超声波传感器可以制作为收发一体的形式。根据 发射信号和反射信号的时

2、间差和声波在空气中的传播速度，便可计算 出障碍物至传感器的距离，这就是超声波测距原理。而当障碍物距离 探头太近时，传感器便无法分辨出发射波与反射波，导致测距的物理 盲区。另外，驱动信号的频率与陶瓷芯片的固有频率越接近，陶瓷芯 片共振现象越明显，机电耦合系数越大，电能转换为机械能的效率就 越高，陶瓷芯片就能产生能量更高的机械震荡波，激发出芯片本身能 够达到的最高灵敏度。一般工业应用领域内，超声波传感器发射的超 声波为纵波。本司主要生产中心频率为40KHz和58KHz的传感器。这 一频段的声波，大于人耳能识别的声音范围：20Hz20KHz,属于超声 波的频段范畴，故称之为超声波传感器（以下简称为传

3、感器）。尽管 如此，实际生产出的产品发出的声波带宽很宽，甚至会超出超声波的 频段范围，实际情况是肯定会超出并进入到人耳识别的频段，这一点 有谐波思想懂傅里叶变换的人很容易理解。所以在将产品连接好主板, 测试产品的性能时，可以利用这一点检查主板是否正常工作和线路是 否为通路。如果将传感器靠近耳朵，能够听到节奏很快的“滴滴滴” 声，说明主板正常工作线路通。而通常所说的单角度和双角度是指超 声波传感器的指向角问题，所谓指向角，就是指超声波在空气中传播 时形成的声场中的主瓣声场的角度范围。在实际物理应用中表现为位 于传感器前方能够探测到的障碍物在水平方向和竖直方向的分布范 围。一般单角度是指向角较窄在

4、30度范围内，而双角度是指向角 是普通的2倍，即60度以内。另外，余振和灵敏度两个性能指标是相互制约的，所有使余振降低的 工序，都会导致灵敏度的降低；而所有提高灵敏度的工序，都会增大 余振。所以，在产品生产，追求余振小和灵敏度高的过程中，一定要 权衡利弊，努力寻找最合适的舍取点。先大概了解一下本司产品，和 关键工序对产品的影响情况。下面理性的、详细的分析一下公司现有 生产工艺、关键工序对传感器三个性能指标的影响。L影响产品频率的关键工序1.1调频工序公司现有两种方法调整传感器频率：化学调频和物理调频。两种方法 都只能将频率调低。其中，化学调频为用过量的火碱溶液NaOH与裸探头反应，再用稀硝 酸

5、清洗铝外壳，中和碱液。以减小铝外壳的厚度，降低其固有频率。 化学反应方程式如下：2Al+2NaOH （过）+2H20=2NaA102+3H2 tNa0H+HN03=NaX03+H20其中，如果碱液或者酸液量不够的话还会产生AL0H）3沉淀。同时， 由反应方程式可知，化学调频中产生了可燃性气体H2,所以在进行 化学调频时一定要注意空间开阔通风，禁止明火。以避免当空气中氢 气浓度达到爆炸极限时，产生安全事故。另外，此种调频方式适用于 相对大幅度降低产品的固有频率。而物理调频方法是将铝外壳底部打磨变薄，便可在较小范围内调低产 品固有频率。L2打保护焊点和焊引线工序一般来讲保护焊点和焊引线的焊点如果打

6、得过大，会造成产品频率降 低约 0. 1kHzo原因分析：直接打在陶瓷震荡片上的保护焊点和引线焊点，和陶瓷震 荡片成为一体，直接增加了芯片震荡的有效质量。当陶瓷震荡片在驱 动信号的作用下，开始震荡时，由于震荡的有效质量变大，由物体的 固有频率与物体质量成反比的物理规律可知：保护焊点和焊引线的焊 点如果打得过大，会造成产品频率降低。而这种质量的增加幅度又不 是很大，所以只会很小程度上（相比于我司产品的固有频率40lkHz 而言）降低产品的频率，比如说0.1kHz。L3原材料对产品频率的影响一般来讲经过筛选分类的原材料一一芯片的一致性非常好，频率范围 比较稳定，不会成为成品频率不良的原因。所以原材

7、料一一铝外壳对 成品的频率影响就至关重要了，特别是铝外壳的底厚、平行度、一致 性等因素都会对产品频率产生重要影响。这样看来，IQC检验规范中, 对铝外壳底厚的检验，不光有最大值、最小值，还有平均值的限制， 如此苛刻就不足为怪了。另外，我司所有工序几乎都会使最终产品的频率降低。所以原材料的 频率要求要比成品高1kHz左右。2.影响产品余振的关键工序2.1 打底胶、填吸音棉、填软木和压实工序“打底胶、填吸音棉、填软木、压实”这些工序会直接影响陶瓷震荡 腔的形成，进而直接影响产品的余振情况。底胶未打好、吸音棉在两 耳朵出未压实、软木未压实都会使产品产生余振大的不良现象。所以 这四道工序是否受控，直接

8、影响产品性能。而这种影响，在我公司， 我不得不说并没有足够的措施将其有效引导到希望的满意的方向。2. 2扣胶工序实际的操作证明，扣胶操作能够起到减小产品余震的效果。原理猜测如下：未进行扣胶操作时，所打胶附着于铝外壳内壁上，所 形成的内聚力在水平方向上；而进行扣胶操作之后，圆柱形胶面顶部 会收缩，进而会对圆柱形胶下部产生适当的向下的挤压力，挤压吸音 棉和软木，从而为芯片提供一个相对恒定的震荡腔，起到减小余震的 效果。2.3 产品中测工序虽然产品中测工序只是一个测量频率，并判断是否合格的环节。表面 上看，这种二值判断的筛选工序，似乎不会对产品的性能产生实质性 的影响。但是有句话“量变引起质变”，实

9、践证明，如果成测测得的 产品余振偏大，很有可能就是产品中测工序未将频率高出规定上限的 NG品挑出造成的。频率高了，余振会变大。这似乎是没有什么联系 的。但细细一想就会发现这其中的缘由很简单：实际中主板为传感器 提供的是一个宽带驱动信号，当传感器固有频率升高时，宽带驱动信 号中频率较高的部分使芯片产生共振，传感器发出频率较高的声波震 荡信号；生活经验告诉我们在同样的条件下，让震荡的更快的物体停 止振动所需要的时间更长一些。同理，让高频震荡的陶瓷芯片停止振 动所需要的时间更长一些，这种情况线性映射到示波器的屏幕上就表 现为余振偏大。2.4 封一道胶、封二道胶工序本人一直认为，封一道胶和封二道胶工序

10、会对产品的余振情况产生一定的影响，并且这种影响不能忽略不计。因为有一次在处理品 质异常时，本人将余振不良品返修，在二道胶还未完全凝固干透时， 测试了产品的性能，结果是：余振线布满了整个屏幕，以至于用规定 的扫描时间档位不能读出余振数值；而当二道胶完全干透时，再进行 测试，余振已经明显变小了。但是这还不能断定封胶工序就一定会对 产品余振产生可观的影响，如需确定还要设计更严谨的实验方案。比 如说，同一种产品封胶种类不同最后测试对比性能，或者对比封胶和 不封胶的同一种产品的性能。3.影响产品灵敏度的关键工序3.1 产品中测工序产品中测工序不光要测量产品的频率，还要检测产品的幅度，而产品 的幅度指标，

11、与最终成品的灵敏度指标呈正相关趋势。即幅度越高， 成品灵敏度越高；幅度越低成品灵敏度越低。所以，为了不让不良品 流转到后续工序，而浪费人力物力，在产品中测环节就要筛选出幅度 不良产品。3. 2影响产品频率的工序由超声波传感器频率和灵敏度之间相互影响、相互制约的关系可知， 所有影响产品频率的工序都会对产品的灵敏度造成一定影响。频率过 高和过低，超出驱动信号的带宽范围，都不能使传感器芯片有效产生 共振，机电耦合效率下降，必然造成产品的灵敏度降低。补充一下，个人认为不同的产品，有些补电容、有些补电阻，所补电 容电阻的值的大小又不一样，目的只是使得整个产品的对外阻抗值与 主板的阻抗相匹配，以提高有效地

12、相互之间耦合信号的能力。 附本司关键测量设备工作原理和调试技巧。1 .频率扫描仪工作原理要想了解频率扫描仪的工作原理必须对端口的概念有深刻的理解。将传感器看做一个“黑箱”，它的输入信号为频率扫描仪 的扫频信号，每一个频率对应屏幕上垂直于X轴的一条线L1；由前 面所述的压电可逆转换原理可知，对于每一个特定频率的信号，“黑 箱”都会产生一个响应信号，响应信号和输入信号的幅度比值再取对 数之后，就得到一个dB值，每个分贝值对应屏幕上垂直于Y轴的一 条线L2；L1与L2两条线的交点就是传感器频率特性曲线上的一个点， 当扫描仪按照带宽设定值产生扫频信号时，屏幕上就会得到一条完整 的频率特性曲线。此时也不

13、难理解，曲线上最高点的地方对应产品的 固有频率，因为在这个频率点上“黑箱”输出的信号幅度最大。2 .数字示波器调试技巧2.1 数字示波器波形不稳定，总在屏幕上“跑”据下tirg键，调触发电平，当触发电平在波形上的某个位置时，波形就会稳定；抑或调整触发源，选择频率较低的通道作为触 发源。2.2 接好主板后，先按auto键，如果显示没有波形则主板未接好，或 者线路不通。没有信号送到示波器任何通道。3 .电容表测量原理电路可分为两大部分：3.1 电容/电压变换电路，将被测电容量转换为相应的电压值，由单 稳触发电路实现；由时钟脉冲、电容/脉宽变换、积分电路以及挡位 选择等单元组成；3.2 毫伏级数字电压表，功能是电压测量并显示。由双积分A/D转 换器和三位半1ED显示屏组成。测量原理：在时钟脉冲一定时，电容量越大，输出脉宽越宽，积分所 得电压也就越大，毫伏级数字电压表显示数值就越大。 专业资料整理