影响超声波传感器性能地因素.pdf

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： 20Hz~20KHz，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± 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。 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： 2Al