影響超聲波傳感器性能的因素

1、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(shí)：本公司生產(chǎn)的系列超聲波傳感器（裸探頭），主要性能指標(biāo)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(dāng)在晶體芯片兩端加以適當(dāng)幅度適當(dāng)頻率的驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，陶瓷芯片便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)周圍空氣振動(dòng)，形成聲波，在空氣中傳播；同時(shí)，當(dāng)上述聲波在空氣中傳播遇到障礙物，就會(huì)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(jī)械震蕩信號(hào)便會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。故而利用壓電晶體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(hào)和反射信號(hào)的時(shí)間差和聲波在空氣中的傳播速度

2、，便可計(jì)算出障礙物至傳感器的距離，這就是超聲波測(cè)距原理。而當(dāng)障礙物距離探頭太近時(shí)，傳感器便無法分辨出發(fā)射波與反射波，導(dǎo)致測(cè)距的物理盲區(qū)。另外，驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(jī)電耦合系數(shù)越大，電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的效率就越高，陶瓷芯片就能產(chǎn)生能量更高的機(jī)械震蕩波，激發(fā)出芯片本身能夠達(dá)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(shí)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(jiǎn)稱為傳感器）。盡管如此，實(shí)際生產(chǎn)出的產(chǎn)品發(fā)出的聲波帶

3、寬很寬，甚至?xí)龀暡ǖ念l段范圍，實(shí)際情況是肯定會(huì)超出并進(jìn)入到人耳識(shí)別的頻段，這一點(diǎn)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(cè)試產(chǎn)品的性能時(shí)，可以利用這一點(diǎn)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(shí)形成的聲場(chǎng)中的主瓣聲場(chǎng)的角度范圍。在實(shí)際物理應(yīng)用中表現(xiàn)為位于傳感器前方能夠探測(cè)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、7;60度以內(nèi)。另外，余振和靈敏度兩個(gè)性能指標(biāo)是相互制約的，所有使余振降低的工序，都會(huì)導(dǎo)致靈敏度的降低；而所有提高靈敏度的工序，都會(huì)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(diǎn)。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(xì)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€(gè)性能指標(biāo)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，降低其固有頻

5、率。化學(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(huì)產(chǎn)生Al（OH）3沉淀。同時(shí)，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(jìn)行化學(xué)調(diào)頻時(shí)一定要注意空間開闊通風(fēng)，禁止明火。以避免當(dāng)空氣中氫氣濃度達(dá)到爆炸極限時(shí)，產(chǎn)生安全事故。另外，此種調(diào)頻方式適用于相對(duì)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(hù)焊點(diǎn)和焊引線工序一般來講保護(hù)焊點(diǎn)和焊引線的焊點(diǎn)如果打得過大，會(huì)造成產(chǎn)品頻率降低約0.1kHz。原因分析：直接打在陶瓷震蕩

6、片上的保護(hù)焊點(diǎn)和引線焊點(diǎn)，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(dāng)陶瓷震蕩片在驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下，開始震蕩時(shí)，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(hù)焊點(diǎn)和焊引線的焊點(diǎn)如果打得過大，會(huì)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(huì)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(duì)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(huì)成為成品頻率不良的原因。所以原材料鋁外殼對(duì)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、一致性等因素

7、都會(huì)對(duì)產(chǎn)品頻率產(chǎn)生重要影響。這樣看來，IQC檢驗(yàn)規(guī)范中，對(duì)鋁外殼底厚的檢驗(yàn)，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(huì)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(shí)工序“打底膠、填吸音棉、填軟木、壓實(shí)”這些工序會(huì)直接影響陶瓷震蕩腔的形成，進(jìn)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(shí)、軟木未壓實(shí)都會(huì)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。2.2扣

8、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(cè)如下：未進(jìn)行扣膠操作時(shí)，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(jìn)行扣膠操作之后，圓柱形膠面頂部會(huì)收縮，進(jìn)而會(huì)對(duì)圓柱形膠下部產(chǎn)生適當(dāng)?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(gè)相對(duì)恒定的震蕩腔，起到減小余震的效果。2.3產(chǎn)品中測(cè)工序雖然產(chǎn)品中測(cè)工序只是一個(gè)測(cè)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(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。但是有句話“量變引起質(zhì)變”，實(shí)踐證明，如果成測(cè)測(cè)得的產(chǎn)品余振偏大，很有可能就是產(chǎn)品中測(cè)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，余振會(huì)變大

9、。這似乎是沒有什么聯(lián)系的。但細(xì)細(xì)一想就會(huì)發(fā)現(xiàn)這其中的緣由很簡(jiǎn)單：實(shí)際中主板為傳感器提供的是一個(gè)寬帶驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)傳感器固有頻率升高時(shí)，寬帶驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)；生活經(jīng)驗(yàn)告訴我們?cè)谕瑯拥臈l件下，讓震蕩的更快的物體停止振動(dòng)所需要的時(shí)間更長一些。同理，讓高頻震蕩的陶瓷芯片停止振動(dòng)所需要的時(shí)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(rèn)為，封一道膠和封二道膠工序會(huì)對(duì)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(jì)。因?yàn)橛幸淮卧谔幚砥焚|(zhì)異常時(shí)，本人將余振不良品返修，在二道膠還未完全凝固干透時(shí)，測(cè)

10、試了產(chǎn)品的性能，結(jié)果是：余振線布滿了整個(gè)屏幕，以至于用規(guī)定的掃描時(shí)間檔位不能讀出余振數(shù)值；而當(dāng)二道膠完全干透時(shí)，再進(jìn)行測(cè)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(huì)對(duì)產(chǎn)品余振產(chǎn)生可觀的影響，如需確定還要設(shè)計(jì)更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)方案。比如說，同一種產(chǎn)品封膠種類不同最后測(cè)試對(duì)比性能，或者對(duì)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(cè)工序產(chǎn)品中測(cè)工序不光要測(cè)量產(chǎn)品的頻率，還要檢測(cè)產(chǎn)品的幅度，而產(chǎn)品的幅度指標(biāo)，與最終成品的靈敏度指標(biāo)呈正相關(guān)趨勢(shì)。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(fèi)人力物力，在產(chǎn)品中測(cè)環(huán)節(jié)就要篩

11、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(huì)對(duì)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(dòng)信號(hào)的帶寬范圍，都不能使傳感器芯片有效產(chǎn)生共振，機(jī)電耦合效率下降，必然造成產(chǎn)品的靈敏度降低。補(bǔ)充一下，個(gè)人認(rèn)為不同的產(chǎn)品，有些補(bǔ)電容、有些補(bǔ)電阻，所補(bǔ)電容電阻的值的大小又不一樣，目的只是使得整個(gè)產(chǎn)品的對(duì)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(hào)的能力。附 本司關(guān)鍵測(cè)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(duì)端口的概念有深刻的理解。將傳感器看做一個(gè)“黑箱”，它的輸

12、入信號(hào)為頻率掃描儀的掃頻信號(hào)，每一個(gè)頻率對(duì)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(duì)于每一個(gè)特定頻率的信號(hào)，“黑箱”都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)響應(yīng)信號(hào)，響應(yīng)信號(hào)和輸入信號(hào)的幅度比值再取對(duì)數(shù)之后，就得到一個(gè)dB值，每個(gè)分貝值對(duì)應(yīng)屏幕上垂直于Y軸的一條線L2；L1與L2兩條線的交點(diǎn)就是傳感器頻率特性曲線上的一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)掃描儀按照帶寬設(shè)定值產(chǎn)生掃頻信號(hào)時(shí)，屏幕上就會(huì)得到一條完整的頻率特性曲線。此時(shí)也不難理解，曲線上最高點(diǎn)的地方對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的固有頻率，因?yàn)樵谶@個(gè)頻率點(diǎn)上“黑箱”輸出的信號(hào)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(dāng)觸發(fā)電平在波形上的某個(gè)位置時(shí)，波形就會(huì)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(hào)送到