超声波传感器性能指标测试技术.doc

1、 说 明 书 一种超声波传感器指标检测技术技术领域本发明涉及超声波传感器指标检测技术。背景技术超声波传感器是一种压电陶瓷器件，它通过压电效应来实现机械能和电能的双向转换。它的传播速度为 344m/s(25 度)工作频率一般在 20kHz200kHz,通过反射及多谱勒效应来确定障碍物的距离及相对速度。探测距离一般在 1米2 米.它广泛地应用在倒车声纳、防盗报警、流量计、停车计时、自动门等产品系统中。超声波传感器系统的详细工作流程为：控制器通过驱动电路驱动超声波传感器（收发一体集成式）通过压电转换，发出一束短促的、固定频率的超声波信号，当这束超声波脉冲遇到障碍物时就会发生反射，接收传感器将会收到反

2、射的机械回波，再通过压电转换，回波电信号经过放大、滤波、检波等处理后，控制器根据发射超声波与接收到反射回波之间的时间间隔，计算出传感器与障碍物之间的距离。 以下为它的一些主要参数：声压特性声压(SPL)是表示传感器发射音量大小的参数。用下列公式表示：SPL=20logP/Pre(dB)“P”为有效声压， “Pre”为参考声压（210-4ubar） ，超声波传感器的发射声压一般为100dB.灵敏度灵敏度是表示传感器接收能力强弱的参数，用如下公式表示：20logE/P(dB)“E”为产生的电压值（VRMS） ， “P”为输入的声压（ubar） 。超声波传感器的灵敏度一般为-60dB-85dB.探测

3、包络传感器的可探测区域是不规则的，一般在正后方最强，距离越远衰减越快；在斜方向的反射较弱，总体可探测区域呈扇形分布。常规超声波传感器的检测流程如下：1、设置一个屏蔽箱，在屏蔽箱内指定的最远探测距离位置(1.5m2 米 m)放一个标准测试杆，一般为75mm 的 PVC 管，将待调试的传感器模块放入测试架，接上示波器。2.系统上电，调整传感器板的可调中周，使中周与传感器内部的等效电容产生特定频率的谐振并达到最佳点；再调试传感器板的回波灵敏度（一般通过可调电阻） ，通过示波器观察障碍物的回波宽度达到要求的值。3. 标准测试杆通过电机的带动在有效探测距离内移动，观察障碍物回波宽度的变化，同时蜂鸣器会根

4、据不同的距离报出不同的声音警示。发明内容针对传统的超声波传感器的测试只能考量传感器的测距功能是否 OK, 这种测量模式受 PVC 管的材质、表面光洁度的变化影响结果的判定；而且对于传感器的性能指标如发射声压，接收灵敏度，及探测包络范围等没有定量的检测及判定；而且测距是基于 PVC 管的反射来实现的，导致产品的参数一致性有较大的误差，本发明提出了以下的检测方法：1、在完成传感器测距功能测试后，再验证传感器的发射声压及包络范围。传感器在该模式下可持续发出超声波；在距离测试传感器一定的水平距离外（3040cm）设置 5 个空间分布的高频麦克风，分别通过 5 个高频麦克风采集传感器发出的超声波信号来判

5、断分析超声波的发射声压级、以及通过麦克风标定的位置来判断传感器波束角度（包络范围）是否满足指标要求。2、完成以上测试后，再进行传感器的接收灵敏度的指标测试。传感器在该模式下进入持续接收状态，在一定的水平距离外（3040cm）设置一个发射传感器。该发射传感器发出标定过一定声压级的超声波信号（模拟障碍物发射的回波信号强度） ，发射传感器发出的超声波信号被待测接收传感器接收后，在传感器内进行压电转换和信号放大，再连接至采集卡进行数据分析，分析传感器是否能收到该灵敏度条件下的回波信号，并测试传感器接收灵敏度是否满足测试指标要求。具体实施的方式：制作一个测试传感器用的屏蔽箱，箱内周边用吸音棉覆盖，以防止

6、测试时被其它声波所干扰；箱内有传感器测试位的夹具，箱底的水平面分布有 5 颗高频麦克风和一颗发射传感器。分别用来测试待测超声波传感器的发射声压，包络范围及回波灵敏度。被测传感器需具备三种测试模式，可通过与主机通信实现模式转换。1）持续发射模式，传感器在该模式下可通过测试主机持续发出超声波，不进行回波接收；该模式下通过 5 个高频麦克风采集传感器发出的超声波信号来判断分析超声波的发射声压级、以及通过麦克风标定的位置来判断传感器波束角度是否满足指标要求。2）接收模式，传感器在该模式下通过测试主机进入持续接收状态，不发出超声波信号；该模式下通过标定的传感器一定声压级的超声波信号（模拟回波信号强度）

7、，通过采集卡采集传感器接收的信号来分析传感器是否能收到该灵敏度条件下的回波信号，测试传感器回波灵敏度是否满足测试指标。3）正常工作模式，该模式主要用于传感器的其它常规参数的测试。高频麦克风采用 NI IEPE 测量麦克风，频率范围可达 100KHz,通过 5 个麦克风标定的位置来测试传感器包络范围（波束角度） 。通过 NI DSA 采集模块获取 5 个高频麦克风信号来分析采集到的超声波信号频率和信号强度。通过以上的测试，可以较全面的测量超声波传感器的性能指标，如发射声压，接收灵敏度，探测包络等参数；而且测试的工装可以做的较小（长度为3040cm） ；传统方法的测试治具需要做 1.52m 长，比

8、较占空间。左麦克风 中间麦克风 右麦克风水平方向传感器上麦克风 下麦克风垂直方向传感器45cm4 5 c m4 5 c m发射传感器上 _ 麦克风右 _ 麦克风左 _ 麦克风中 _ 麦克风下 _ 麦克风附图说明开始使传感器处在持续发波模式发一定声压级的超声波信号 ， 使传感器处在接受模式采集卡采集传感器接受的信号正常工作模式结束5 个高频麦克风采集超声波信号N I D S A 采集模块传感器达标波束角度和声压级是否达标 ，回波灵敏度是否达标传感器不达标NNYY一般超声波传感器的测试方案图：P V CP V C直线模块 Y直线模块 X障碍物探测超声波屏蔽箱系统控制板驱动器信号分析U S B C

9、a b l eR S 2 3 2 C a b l e 供电D A Q 总线U S B C a b l eP r i n t C a b l e扫描枪打印机运动控制卡N I D A Q C a r d工业电脑数字示波器程控电源被测传感器本文提出的超声波传感器的测试方案图：障碍物探测超声波屏蔽箱系统控制板信号分析U S B C a b l eR S 2 3 2 C a b l e供电D S A 总线U S B C a b l eP r i n t C a b l e扫描枪打印机N I D S A 采集模块工业电脑被测传感器6 0 c m1 2 0 c m1 0 0 c m波速角度传感器高频麦克风数字示波器程控电源