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 性能影响分析创作：欧阳计时间：2021.02. 11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

2、形式。根据发射信号和反射信号的时间差和声波在空 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 无法分辨岀发射波与反射波，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

3、 称之为超声波传感器（以下简称为传感器）。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

4、分布范围。一般单角度是指向角较窄在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 欧阳计创编取点。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。1. 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

5、用过量的火碱溶液NaOH与裸探头反应， 再用稀硝酸清洗铝外壳，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：2AI+2NaOH （过）+2H2O=2NaAIO2+3H2个NaOH+HNO3=NaNO3+H2O其中，如果碱液或者酸液量不够的话还会产生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。12打保

6、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得过大，会造成产 品频率降低约O.lkHZo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O.lkHZo1.3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，

7、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21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

8、生 余振大的不良现象。所以这四道工序是否受控，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。表而上看，这种二值判断的筛选工序，似乎不会对产品 的性能

9、产生实质性的影响。但是有句话量变引起质变，实 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

10、道胶工序本人一直认为，封一道胶和封二道胶工序会对产品的余振情 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

11、的频率，还要检测产品的幅 度，而产品的幅度指标，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

12、品 的对外阻抗值与主板的阻抗相匹配，以提高有效地相互之间 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 条线口；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； 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岀的信号 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，总在屏幕上跑撼下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aut。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