影响超声波传感器性能的因素

1、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得基木知识：木公司生产得系列超声波传感器（裸探头），主要性能指标有:频率、余 振与灵敏度。三者之间紧密耦合，相互影响，相互制约。超声波传感器 得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 当频率得驱动信号时，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，由于压电陶瓷晶体就是 可逆得，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 心芯片得超声波传感器可以制作为收发一体得形式。根据发射信号与 反射信号得时间差与声波

2、在空气中得传播速度，便可计算出障碍物至 传感器得距离，这就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，导致测距得物理盲区。另外, 驱动信号得频率与陶瓷芯片得固有频率越接近,陶瓷芯片共振现象越 明显,机电耦合系数越大，电能转换为机械能得效率就越高，陶瓷芯片 就能产生能量更高得机械震荡波,激发出芯片木身能够达到得最高灵 敏度。一般工业应用领域内，超声波传感器发射得超声波为纵波。本 司主要生产中心频率为40KIIZ与58KIIZ得传感器。这一频段得声波, 大于人耳能识别得声音范围:20lIz2 0 KHz,属于超声波得频段范畴, 故称之为超声波传感器（以下简称为

3、传感器）。尽管如此，实际生产出 得产品发出得声波带宽很宽，甚至会超出超声波得频段范围,实际情 况就是肯定会超出并进入到人耳识别得频段，这一点有谐波思想懂傅 里叶变换得人很容易理解。所以在将产品连接好主板，测试产品得性 能时，可以利用这一点检查主板就是否正常工作与线路就是否为通路。 如果将传感器靠近耳朵，能够听到节奏很快得“滴滴滴”声，说明主板 正常工作线路通。而通常所说得单角度与双角度就是指超声波传感器 得指向角问题，所谓指向角，就就是指超声波在空气中传播时形成得声 场中得主瓣声场得角度范围。在实际物理应用中表现为位于传感器前 方能够探测到得障碍物在水平方向与竖直方向得分布范围。一般单角 度就

4、是指向角较窄在30度范围内，而双角度就是指向角就是普通得 2倍，即6 0度以内。另外，余振与灵敏度两个性能指标就是相互制约得，所有使余振降低得 工序，都会导致灵敏度得降低;而所有提高灵敏度得工序，都会增大余 振。所以，在产品生产，追求余振小与灵敏度高得过程中，一定要权衡利 弊,努力寻找最合适得舍取点。先大概了解一下本司产品，与关键工序 对产品得影响情况。下面理性得、详细得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得影响。1、影响产品频率得关键工序1、1调频工序公司现有两种方法调整传感器频率:化学调频与物理调频。两种方法 都只能将频率调低。其中，化学调频为用过量得火碱溶液N20H与

5、裸探头反应，再用稀硝酸 清洗铝外壳，中与碱液。以减小铝外壳得厚度，降低其固有频率。化 学反应方程式如下：2AI+2MOH(过)+2H 2 0=2NaAI0 2 +3H2 tNaOH + HNO3=N a NO 3 +H2O其中，如果碱液或者酸液量不够得话还会产生Al (0H)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112,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 对大幅度降低产品得固有频率。而物理调频方法就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。1、2打保护焊

6、点与焊引线工序一般来讲保护焊点与焊引线得焊点如果打得过大，会造成产品频率降 低约 0、lkllzo原因分析:直接打在陶瓷震荡片上得保护焊点与引线焊点，与陶瓷震荡 片成为一体,直接增加了芯片震荡得有效质量。当陶瓷震荡片在驱动 信号得作用下，开始震荡时，由于震荡得有效质量变大，由物体得固有 频率与物体质量成反比得物理规律可知:保护焊点与焊引线得焊点如 果打得过大，会造成产品频率降低。而这种质量得增加幅度又不就是 很大,所以只会很小程度上（相比于我司产品得固有频率401 k Hz而 言）降低产品得频率,比如说0、lkHZo1、3原材料对产品频率得影响一般来讲经过筛选分类得原材料一一芯片得一致性非常好

7、，频率范围 比较稳定，不会成为成品频率不良得原因。所以原材料一一铝外壳对 成品得频率影响就至关重要了，特别就是铝外壳得底厚、平行度、一 致性等因素都会对产品频率产生重要影响。这样瞧来，I QC检验规范 中，对铝外壳底厚得检验，不光有最大值、最小值，还有平均值得限 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得频率降低。所以原材料得 频率要求要比成品高lkH z左右。2. 影响产品余振得关键工序2、1打底胶、填吸音棉、填软木与压实工序“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 腔得形成，进而直接影响产品得余振情况。底胶未打好、吸音棉在两 耳朵出未压实、软木未压

8、实都会使产品产生余振大得不良现象。所以 这四道工序就是否受控,直接影响产品性能。而这种影响，在我公司，我 不得不说并没有足够得措施将其有效引导到希望得满意得方向。2、2扣胶工序 实际得操作证明,扣胶操作能够起到减小产品余震得效果。 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 成得内聚力在水平方向上;而进行扣胶操作之后，圆柱形胶而顶部会 收缩，进而会对圆柱形胶下部产生适当得向下得挤压力,挤压吸音棉与 软木，从而为芯片提供一个相对恒定得震荡腔，起到减小余震得效果。2、3产品中测工序虽然产品中测工序只就是一个测量频率,并判断就是否合格得环节。表而上瞧，这种二值判断得筛选工序，似乎

9、不会对产品得性能产生实质 性得影响。但就是有句话“量变引起质变”，实践证明,如果成测测得 得产品余振偏大，很有可能就就是产品中测工序未将频率高出规定上 限得NG品挑出造成得。频率高了，余振会变大。这似乎就是没有什 么联系得。但细细一想就会发现这其中得缘由很简单:实际中主板为 传感器提供得就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得部分使芯片产生共振，传感器发出频率较高得 声波震荡信号；生活经验告诉我们在同样得条件下，让震荡得更快得 物体停止振动所需要得时间更长一些。同理，让高频震荡得陶瓷芯片 停止振动所需要得时间更长一些，这种情况线性映射到示波器得屏幕 上就表现为余

10、振偏大。2、4封一道胶、封二道胶工序本人一直认为，封一道胶与封二道胶工序会对产品得余振情况 产生一定得影响，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 试了产品得性能，结果就是：余振线布满了整个屏幕，以至于用规定得 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, 余振己经明显变小了。但就是这还不能断定封胶工序就一定会对产品 余振产生可观得影响，如需确定还要设计更严谨得实验方案。比如说， 同一种产品封胶种类不同最后测试对比性能，或者对比封胶与不封胶 得同一种产品得性能。3. 影响产品灵敏度得关键工序3、1产品中测

11、工序产品中测工序不光要测量产品得频率,还要检测产品得幅度，而产品得 幅度指标,与最终成品得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影响产品频率得工序由超声波传感器频率与灵敏度之间相互影响、相互制约得关系可知， 所有影响产品频率得工序都会对产品得灵敏度造成一定影响。频率过 高与过低，超岀驱动信号得带宽范围，都不能使传感器芯片有效产生 共振，机电耦合效率下降，必然造成产品得灵敏度降低。补充一下，个人认为不同得产品，有些补电容、有些补电阻，所补电容 电阻得值得大小

12、又不一样，目得只就是使得整个产品得对外阻抗值与 主板得阻抗相匹配,以提高有效地相互之间耦合信号得能力。附本司关键测量设备工作原理与调试技巧。1、频率扫描仪工作原理要想了解频率扫描仪得工作原理必须对端口得概念有深刻得理解。将传感器瞧做一个“黑箱”，它得输入信号为频率扫描仪 得扫频信号，每一个频率对应屏幕上垂直于X轴得一条线L1；由前而 所述得压电可逆转换原理可知，对于每一个特定频率得信号，“黑箱” 都会产生一个响应信号，响应信号与输入信号得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轴得一条线L 2;L 1与L2两条线得交点就就是传感器频率特性曲线上得一个点, 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 得频率特性曲线。此时也不难理解，曲线上最高点得地方对应产品得 固有频率，因为在这个频率点上“黑箱”输出得信号幅度最大。2、数字示波器调试技巧2、2数字示波器波形不稳定，总在屏幕上“跑”扌恩下tirg键，调触发电平，当触发电平在波形上得某个位置时，波形就会稳定;抑或调整触发源，选择频率较低得通道作为触发 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