影響超聲波傳感器性能的因素

1、精選文檔關(guān)鍵工序?qū)Τ暡▊鞲衅餍阅苡绊懛治鱿冉榻B有關(guān)超聲波傳感器的基本知識：本公司生產(chǎn)的系列超聲波傳感器（裸探頭），主要性能指標有：頻率、余振和靈敏度。三者之間緊密耦合，相互影響，相互制約。超聲波傳感器的關(guān)鍵部件為壓電陶瓷晶體芯片，當在晶體芯片兩端加以適當幅度適當頻率的驅(qū)動信號時，陶瓷芯片便會產(chǎn)生機械振動，同時帶動周圍空氣振動，形成聲波，在空氣中傳播；同時，當上述聲波在空氣中傳播遇到障礙物，就會產(chǎn)生反射，反射波反傳回壓電晶體，由于壓電陶瓷晶體是可逆的，機械震蕩信號便會轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴９识脡弘娋w作為核心芯片的超聲波傳感器可以制作為收發(fā)一體的形式。根據(jù)發(fā)射信號和反射信號的時間差和聲波在空氣中的

2、傳播速度，便可計算出障礙物至傳感器的距離，這就是超聲波測距原理。而當障礙物距離探頭太近時，傳感器便無法分辨出發(fā)射波與反射波，導(dǎo)致測距的物理盲區(qū)。另外，驅(qū)動信號的頻率與陶瓷芯片的固有頻率越接近，陶瓷芯片共振現(xiàn)象越明顯，機電耦合系數(shù)越大，電能轉(zhuǎn)換為機械能的效率就越高，陶瓷芯片就能產(chǎn)生能量更高的機械震蕩波，激發(fā)出芯片本身能夠達到的最高靈敏度。一般工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，超聲波傳感器發(fā)射的超聲波為縱波。本司主要生產(chǎn)中心頻率為40KHz和58KHz的傳感器。這一頻段的聲波，大于人耳能識別的聲音范圍：20Hz20KHz，屬于超聲波的頻段范疇，故稱之為超聲波傳感器（以下簡稱為傳感器）。盡管如此，實際生產(chǎn)出的產(chǎn)品發(fā)出

3、的聲波帶寬很寬，甚至?xí)龀暡ǖ念l段范圍，實際情況是肯定會超出并進入到人耳識別的頻段，這一點有諧波思想懂傅里葉變換的人很容易理解。所以在將產(chǎn)品連接好主板，測試產(chǎn)品的性能時，可以利用這一點檢查主板是否正常工作和線路是否為通路。如果將傳感器靠近耳朵，能夠聽到節(jié)奏很快的“滴滴滴”聲，說明主板正常工作線路通。而通常所說的單角度和雙角度是指超聲波傳感器的指向角問題，所謂指向角，就是指超聲波在空氣中傳播時形成的聲場中的主瓣聲場的角度范圍。在實際物理應(yīng)用中表現(xiàn)為位于傳感器前方能夠探測到的障礙物在水平方向和豎直方向的分布范圍。一般單角度是指向角較窄在±30度范圍內(nèi)，而雙角度是指向角是普通的2倍，即

4、±60度以內(nèi)。另外，余振和靈敏度兩個性能指標是相互制約的，所有使余振降低的工序，都會導(dǎo)致靈敏度的降低；而所有提高靈敏度的工序，都會增大余振。所以，在產(chǎn)品生產(chǎn)，追求余振小和靈敏度高的過程中，一定要權(quán)衡利弊，努力尋找最合適的舍取點。先大概了解一下本司產(chǎn)品，和關(guān)鍵工序?qū)Ξa(chǎn)品的影響情況。下面理性的、詳細的分析一下公司現(xiàn)有生產(chǎn)工藝、關(guān)鍵工序?qū)鞲衅魅齻€性能指標的影響。1. 影響產(chǎn)品頻率的關(guān)鍵工序1.1調(diào)頻工序公司現(xiàn)有兩種方法調(diào)整傳感器頻率：化學(xué)調(diào)頻和物理調(diào)頻。兩種方法都只能將頻率調(diào)低。其中，化學(xué)調(diào)頻為用過量的火堿溶液NaOH與裸探頭反應(yīng)，再用稀硝酸清洗鋁外殼，中和堿液。以減小鋁外殼的厚度，降低

5、其固有頻率?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式如下：2Al+2NaOH（過）+2H2O=2NaAlO2+3H2NaOH+HNO3=NaNO3+H2O其中，如果堿液或者酸液量不夠的話還會產(chǎn)生Al（OH）3沉淀。同時，由反應(yīng)方程式可知，化學(xué)調(diào)頻中產(chǎn)生了可燃性氣體H2，所以在進行化學(xué)調(diào)頻時一定要注意空間開闊通風(fēng)，禁止明火。以避免當空氣中氫氣濃度達到爆炸極限時，產(chǎn)生安全事故。另外，此種調(diào)頻方式適用于相對大幅度降低產(chǎn)品的固有頻率。而物理調(diào)頻方法是將鋁外殼底部打磨變薄，便可在較小范圍內(nèi)調(diào)低產(chǎn)品固有頻率。1.2打保護焊點和焊引線工序一般來講保護焊點和焊引線的焊點如果打得過大，會造成產(chǎn)品頻率降低約0.1kHz。原因分析：直接打在

6、陶瓷震蕩片上的保護焊點和引線焊點，和陶瓷震蕩片成為一體，直接增加了芯片震蕩的有效質(zhì)量。當陶瓷震蕩片在驅(qū)動信號的作用下，開始震蕩時，由于震蕩的有效質(zhì)量變大，由物體的固有頻率與物體質(zhì)量成反比的物理規(guī)律可知：保護焊點和焊引線的焊點如果打得過大，會造成產(chǎn)品頻率降低。而這種質(zhì)量的增加幅度又不是很大，所以只會很小程度上（相比于我司產(chǎn)品的固有頻率40±1kHz而言）降低產(chǎn)品的頻率，比如說0.1kHz。1.3原材料對產(chǎn)品頻率的影響一般來講經(jīng)過篩選分類的原材料芯片的一致性非常好，頻率范圍比較穩(wěn)定，不會成為成品頻率不良的原因。所以原材料鋁外殼對成品的頻率影響就至關(guān)重要了，特別是鋁外殼的底厚、平行度、一致

7、性等因素都會對產(chǎn)品頻率產(chǎn)生重要影響。這樣看來，IQC檢驗規(guī)范中，對鋁外殼底厚的檢驗，不光有最大值、最小值，還有平均值的限制，如此苛刻就不足為怪了。另外，我司所有工序幾乎都會使最終產(chǎn)品的頻率降低。所以原材料的頻率要求要比成品高1kHz左右。2影響產(chǎn)品余振的關(guān)鍵工序2.1打底膠、填吸音棉、填軟木和壓實工序“打底膠、填吸音棉、填軟木、壓實”這些工序會直接影響陶瓷震蕩腔的形成，進而直接影響產(chǎn)品的余振情況。底膠未打好、吸音棉在兩耳朵出未壓實、軟木未壓實都會使產(chǎn)品產(chǎn)生余振大的不良現(xiàn)象。所以這四道工序是否受控，直接影響產(chǎn)品性能。而這種影響，在我公司，我不得不說并沒有足夠的措施將其有效引導(dǎo)到希望的滿意的方向。

8、2.2扣膠工序?qū)嶋H的操作證明，扣膠操作能夠起到減小產(chǎn)品余震的效果。原理猜測如下：未進行扣膠操作時，所打膠附著于鋁外殼內(nèi)壁上，所形成的內(nèi)聚力在水平方向上；而進行扣膠操作之后，圓柱形膠面頂部會收縮，進而會對圓柱形膠下部產(chǎn)生適當?shù)南蛳碌臄D壓力，擠壓吸音棉和軟木，從而為芯片提供一個相對恒定的震蕩腔，起到減小余震的效果。2.3產(chǎn)品中測工序雖然產(chǎn)品中測工序只是一個測量頻率，并判斷是否合格的環(huán)節(jié)。表面上看，這種二值判斷的篩選工序，似乎不會對產(chǎn)品的性能產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。但是有句話“量變引起質(zhì)變”，實踐證明，如果成測測得的產(chǎn)品余振偏大，很有可能就是產(chǎn)品中測工序未將頻率高出規(guī)定上限的NG品挑出造成的。頻率高了，余

9、振會變大。這似乎是沒有什么聯(lián)系的。但細細一想就會發(fā)現(xiàn)這其中的緣由很簡單：實際中主板為傳感器提供的是一個寬帶驅(qū)動信號，當傳感器固有頻率升高時，寬帶驅(qū)動信號中頻率較高的部分使芯片產(chǎn)生共振，傳感器發(fā)出頻率較高的聲波震蕩信號；生活經(jīng)驗告訴我們在同樣的條件下，讓震蕩的更快的物體停止振動所需要的時間更長一些。同理，讓高頻震蕩的陶瓷芯片停止振動所需要的時間更長一些，這種情況線性映射到示波器的屏幕上就表現(xiàn)為余振偏大。2.4封一道膠、封二道膠工序本人一直認為，封一道膠和封二道膠工序會對產(chǎn)品的余振情況產(chǎn)生一定的影響，并且這種影響不能忽略不計。因為有一次在處理品質(zhì)異常時，本人將余振不良品返修，在二道膠還未完全凝固干

10、透時，測試了產(chǎn)品的性能，結(jié)果是：余振線布滿了整個屏幕，以至于用規(guī)定的掃描時間檔位不能讀出余振數(shù)值；而當二道膠完全干透時，再進行測試，余振已經(jīng)明顯變小了。但是這還不能斷定封膠工序就一定會對產(chǎn)品余振產(chǎn)生可觀的影響，如需確定還要設(shè)計更嚴謹?shù)膶嶒灧桨?。比如說，同一種產(chǎn)品封膠種類不同最后測試對比性能，或者對比封膠和不封膠的同一種產(chǎn)品的性能。3影響產(chǎn)品靈敏度的關(guān)鍵工序3.1產(chǎn)品中測工序產(chǎn)品中測工序不光要測量產(chǎn)品的頻率，還要檢測產(chǎn)品的幅度，而產(chǎn)品的幅度指標，與最終成品的靈敏度指標呈正相關(guān)趨勢。即幅度越高，成品靈敏度越高；幅度越低成品靈敏度越低。所以，為了不讓不良品流轉(zhuǎn)到后續(xù)工序，而浪費人力物力，在產(chǎn)品中測環(huán)

11、節(jié)就要篩選出幅度不良產(chǎn)品。3.2影響產(chǎn)品頻率的工序由超聲波傳感器頻率和靈敏度之間相互影響、相互制約的關(guān)系可知，所有影響產(chǎn)品頻率的工序都會對產(chǎn)品的靈敏度造成一定影響。頻率過高和過低，超出驅(qū)動信號的帶寬范圍，都不能使傳感器芯片有效產(chǎn)生共振，機電耦合效率下降，必然造成產(chǎn)品的靈敏度降低。補充一下，個人認為不同的產(chǎn)品，有些補電容、有些補電阻，所補電容電阻的值的大小又不一樣，目的只是使得整個產(chǎn)品的對外阻抗值與主板的阻抗相匹配，以提高有效地相互之間耦合信號的能力。附 本司關(guān)鍵測量設(shè)備工作原理和調(diào)試技巧。1. 頻率掃描儀工作原理要想了解頻率掃描儀的工作原理必須對端口的概念有深刻的理解。將傳感器看做一個“黑箱”

12、，它的輸入信號為頻率掃描儀的掃頻信號，每一個頻率對應(yīng)屏幕上垂直于X軸的一條線L1；由前面所述的壓電可逆轉(zhuǎn)換原理可知，對于每一個特定頻率的信號，“黑箱”都會產(chǎn)生一個響應(yīng)信號，響應(yīng)信號和輸入信號的幅度比值再取對數(shù)之后，就得到一個dB值，每個分貝值對應(yīng)屏幕上垂直于Y軸的一條線L2；L1與L2兩條線的交點就是傳感器頻率特性曲線上的一個點，當掃描儀按照帶寬設(shè)定值產(chǎn)生掃頻信號時，屏幕上就會得到一條完整的頻率特性曲線。此時也不難理解，曲線上最高點的地方對應(yīng)產(chǎn)品的固有頻率，因為在這個頻率點上“黑箱”輸出的信號幅度最大。2. 數(shù)字示波器調(diào)試技巧2.1數(shù)字示波器波形不穩(wěn)定，總在屏幕上“跑”摁下tirg鍵，調(diào)觸發(fā)電平，當觸發(fā)電平在波形上的某個位置時，波形就會穩(wěn)定；抑或調(diào)整觸發(fā)源，選擇頻率較低的通道作為觸發(fā)源。2.2接好主板后，先按auto鍵，如果顯示沒有波形則主板未接好，或者線路不通。沒有信號送到示