P+H超聲波傳感器性能測試技術(shù)

    PEPPERL+FUCHS德國倍加?？偛吭O(shè)于德國曼海姆，分公司遍及六大洲，德國倍加福公司（P+F）是自動(dòng)化行業(yè)中久負(fù)盛名的專業(yè)傳感器公司。倍加福作為自動(dòng)化領(lǐng)域的電子傳感與零部件的生產(chǎn)主導(dǎo)者，憑借不斷的創(chuàng)新，恒久的質(zhì)量保證，穩(wěn)健的發(fā)展，保證了迄今六十余年的輝煌成就。倍加福在范圍內(nèi)擁有3950名員工，位于德國，美國，新加坡，匈牙利，印度尼西亞和越南的生產(chǎn)基地幾乎全部通過了ISO9001的質(zhì)量認(rèn)證。 公司兩大分支工廠自動(dòng)化作為工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)主導(dǎo)者，旨在滿足范圍內(nèi)的特定市場需求。我們提供電感式、電容式、光電、超聲波以及識(shí)別系統(tǒng)、條碼視覺系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)編碼器、位置測量系統(tǒng)、接線裝置，以及其他備件的整套產(chǎn)品類別。
P+H超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。基于超聲波特性研制的傳感器稱為“超聲波傳感器”，廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。

 P+H超聲波傳感器性能測試技術(shù)
P+H超聲波傳感器系統(tǒng)的詳細(xì)工作流程為：
控制器通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器（收發(fā)一體集成式 ）通過壓電轉(zhuǎn)換，發(fā)出一束短促的、固定頻率的超聲波信號(hào)，當(dāng)這束超聲波脈沖遇到障礙物時(shí)就 會(huì)發(fā)生反射，接收傳感器將會(huì)收到反射的機(jī)械回波，再通過壓電轉(zhuǎn)換，回波電信號(hào)經(jīng)過放大、濾 波、檢波等處理后，控制器根據(jù)發(fā)射超聲波與接收到反射回波之間的時(shí)間間隔，計(jì)算出傳感器與 障礙物之間的距離。 以下為它的一些主要參數(shù)：
1、聲壓特性 聲壓(SPL)是表示傳感器發(fā)射音量 大小的參數(shù)。用下列公式表示：SPL=20logP/Pre(dB)“P”為有效聲壓，“Pre”為參考聲壓（2 ×10-4ubar），超聲波傳感器的發(fā)射聲壓一般為≧100dB.
2、靈敏度 靈敏度是表示傳感器接收能 力強(qiáng)弱的參數(shù)，用如下公式表示：20logE/P(dB) “E”為產(chǎn)生的電壓值（VRMS），“P”為輸入 的聲壓（ubar）。超聲波傳感器的靈敏度一般為-60dB~-85dB.
3、探測包絡(luò) 傳感器的可探測區(qū)域 是不規(guī)則的，一般在正后方Z強(qiáng)，距離越遠(yuǎn)衰減越快；在斜方向的反射較弱，總體可探測區(qū)域呈 扇形分布。
常規(guī)P+H超聲波傳感器的檢測流程如下：  
1、設(shè)置一個(gè)屏蔽箱，在屏蔽箱內(nèi)的遠(yuǎn) 探測距離位置(1.5m～2米m)放一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測試桿，一般為￠75mm的PVC管，將待調(diào)試的傳感器模塊 放入測試架，接上示波器。  
2.系統(tǒng)上電，調(diào)整傳感器板的可調(diào)中周，使中周與傳感器內(nèi)部的等 效電容產(chǎn)生特定頻率的諧振并達(dá)到Z佳點(diǎn)；再調(diào)試傳感器板的回波靈敏度（一般通過可調(diào)電阻） ，通過示波器觀察障礙物的回波寬度達(dá)到要求的值。  
3. 標(biāo)準(zhǔn)測試桿通過電機(jī)的帶動(dòng)在有效探 測距離內(nèi)移動(dòng)，觀察障礙物回波寬度的變化，同時(shí)蜂鳴器會(huì)根據(jù)不同的距離報(bào)出不同的聲音警示 .

P+H超聲波傳感器性能測試發(fā)明內(nèi)容：
針對(duì)傳統(tǒng)的超聲波傳感器的測試只能考量傳感器的測距功能是否OK, 這種測量模式受 PVC管的材質(zhì)、表面光潔度的變化影響結(jié)果的判定；而且對(duì)于傳感器的性能指標(biāo)如發(fā)射聲壓，接 收靈敏度，及探測包絡(luò)范圍等沒有定量的檢測及判定；而且測距是基于PVC管的反射來實(shí)現(xiàn)的， 導(dǎo)致產(chǎn)品的參數(shù)一致性有較大的誤差，本發(fā)明提出了以下的檢測方法：  
1、在完成傳感器測距 功能測試后，再驗(yàn)證P+H超聲波傳感器的發(fā)射聲壓及包絡(luò)范圍。傳感器在該模式下可持續(xù)發(fā)出超聲波；在距 離測試傳感器一定的水平距離外（30～40cm）設(shè)置5個(gè)空間分布的高頻麥克風(fēng)，分別通過5個(gè)高頻 麥克風(fēng)采集傳感器發(fā)出的超聲波信號(hào)來判斷分析超聲波的發(fā)射聲壓級(jí)、以及通過麥克風(fēng)標(biāo)定的位 置來判斷傳感器波束角度（包絡(luò)范圍）是否滿足指標(biāo)要求。  
2、完成以上測試后，再進(jìn)行傳感 器的接收靈敏度的指標(biāo)測試。傳感器在該模式下進(jìn)入持續(xù)接收狀態(tài)，在一定的水平距離外（30～ 40cm）設(shè)置一個(gè)發(fā)射傳感器。該發(fā)射傳感器發(fā)出標(biāo)定過一定聲壓級(jí)的超聲波信號(hào)（模擬障礙物發(fā) 射的回波信號(hào)強(qiáng)度），發(fā)射傳感器發(fā)出的超聲波信號(hào)被待測接收傳感器接收后，在傳感器內(nèi)進(jìn)行 壓電轉(zhuǎn)換和信號(hào)放大，再連接至采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析傳感器是否能收到該靈敏度條件下的 回波信號(hào)，并測試傳感器接收靈敏度是否滿足測試指標(biāo)要求。

P+H超聲波傳感器性能測試具體實(shí)施的方式：
制作一個(gè)測試傳感器用的屏蔽箱，箱內(nèi)周邊用吸音棉覆蓋，以防止測試時(shí) 被其它聲波所干擾；箱內(nèi)有傳感器測試位的夾具，箱底的水平面分布有5顆高頻麥克風(fēng)和一顆發(fā) 射傳感器。分別用來測試待測超聲波傳感器的發(fā)射聲壓，包絡(luò)范圍及回波靈敏度。 被測傳感器 需具備三種測試模式，可通過與主機(jī)通信實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換。  
1）持續(xù)發(fā)射模式，P+H超聲波傳感器在該模式 下可通過測試主機(jī)持續(xù)發(fā)出超聲波，不進(jìn)行回波接收；該模式下通過5個(gè)高頻麥克風(fēng)采集傳感器 發(fā)出的超聲波信號(hào)來判斷分析超聲波的發(fā)射聲壓級(jí)、以及通過麥克風(fēng)標(biāo)定的位置來判斷傳感器波 束角度是否滿足指標(biāo)要求。  
2）接收模式，傳感器在該模式下通過測試主機(jī)進(jìn)入持續(xù)接收狀態(tài) ，不發(fā)出超聲波信號(hào)；該模式下通過標(biāo)定的傳感器一定聲壓級(jí)的超聲波信號(hào)（模擬回波信號(hào)強(qiáng)度 ），通過采集卡采集傳感器接收的信號(hào)來分析傳感器是否能收到該靈敏度條件下的回波信號(hào)，測 試傳感器回波靈敏度是否滿足測試指標(biāo)。
3）正常工作模式，該模式主要用于傳感器的其它常規(guī) 參數(shù)的測試。 高頻麥克風(fēng)采用NI IEPE測量麥克風(fēng)，頻率范圍可達(dá)100KHz,通過5個(gè)麥克風(fēng)標(biāo)定 的位置來測試傳感器包絡(luò)范圍（波束角度）。 通過NI DSA采集模塊獲取5個(gè)高頻麥克風(fēng)信號(hào)來 分析采集到的超聲波信號(hào)頻率和信號(hào)強(qiáng)度。 通過以上的測試，可以較全面的測量超聲波傳感器 的性能指標(biāo)，如發(fā)射聲壓，接收靈敏度，探測包絡(luò)等參數(shù)；而且測試的工裝可以做的較?。ㄩL度 為30～40cm）；傳統(tǒng)方法的測試治具需要做1.5～2m長，比較占空間。

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