超声波两片检测传感器在PCB中的应用

导读：两片检测的功能是检测平面上平铺的被测物是否由两张或两张以上的片材组成，可减少PCB两片入料带来的一系列品质异常，是PCB生产设备必备的重要功能。文章介绍了一种新型的非接触式的超声波两片检测传感器在PCB制造业的应用，包括使用方法及干扰因素分析。

前言

动上料装置进行生产活动。而消费类PCB朝着更薄、更小、更轻的方向发展，一方面要求上料装置能有效将粘连的两片分开；另一方面，对两片检测功能提出了更高的要求。

传统的两片检测方式主要有接触式、非接触式，使用差动变压器、电涡流传感器实现，此类传感器是基于板件厚度绝对值测量的基础上判断单双片。但受测量精度限制，该种传感器对超薄PCB的检测效果不佳。

1、超声波传感器工作原理

超声波是频率高于20kHz的声波，在传播过程中方向性强，能量易于集中，而且能在各种不同介质中传播，传播距离远。超声波是靠介质传播，PCB是由一定介质组成（铜箔和树脂），所以超声波能够在PCB中传播。

一个高频超声波发射器在PCB下面发射超声波束，声波穿透PCB并引起振动，而穿透过程中便会产生衰减，最后这个小声波被超声波接收器接收。超声波如果穿透两张PCB，则穿透后的信号变的非常微弱，基本不能到达接收器。如图1所示。因此超声波技术可在PCB制造业实现两片检测功能。

2、超声波传感器特点

超声波两片检测传感器通常包含一个信号处理器和两个超声波传感器（发射器和接收器），部分品牌传感器将信号处理器集成于发射器或接收器中。

超声波两片检测传感器可检测多层PCB、纸张、塑料板或金属箔，感应范围20mm~60mm；适应材料范围从20g/m2到1200g/m2的薄片，甚至还可以对材料进行学习记忆；通常有3种信号输出（零片，一片，两片），可进行多种应用。

3、超声波传感器安装与设定

通过实验，超声波两片检测传感器应垂直于PCB表面安装，为消除驻波及减少反射波的干扰，通常需以一个偏离垂直方向的特殊倾角α安装，方可达到最佳检测效果，如图2。

倾角α的确定需通过光板实验、实际生产板实验进行，需结合“光板实验”和“实际生产板实验”的结果进行合并、取舍。

“光板实验”是一种理想实验，其介质均匀，使用不同板厚试件，改变传感器角度，可以反映出不同板厚对传感器安装角度的容忍范围，从而确定理想的最佳安装倾角。

“实际生产板实验”主要用于寻找最佳倾角的误差容忍范围。实际生产板由于介质不均匀，理论上角度容忍范围小于光板。该实验可用于寻找不同板件的角度容忍范围，进而量化传感器安装精度。通过改变倾角α，观察输出波形发现（图3），最终确定安装的精度指标。

对于大部分的PCB，超声波两片检测传感器工作在“厚”模式亦可应对；对于超薄PCB可设置在“标准”模式工作。

4、其它干扰因素及应对措施

（1）水。

两片PCB中间有均匀水膜，则会漏报警，这是目前发现的唯一漏报警条件。

实验还发现，PCB拼板间的水膜只是存在于部分区域，难以整片板均匀覆盖，故两片板中只要有一小处没有水膜，传感器便可检出两片。

应对措施：上游工序需杜绝烘不干的问题；板件上机前垂直静止，可避免水膜均匀覆盖。

（2）孔。

小孔、大孔、槽孔不会导致误报警，通常传感器检测结果是：零片和一片临界。

（3）干膜。

单面干膜的小孔、大孔、槽孔不会误报警，通常传感器检测结果是：单片。

贴双面干膜的大孔、槽孔会误报警，主要是介质中有空气，声波穿越不同介质时衰减较大，此时被测模型接近两片入料模型，但由于孔的区域有效，故传感器只会输出短暂的“两片”信号。

应对措施：可通过PLC程序将干扰滤去，故影响不大。

5、应用效果

（1）对无孔板、内层板的检测效果最好。

（2）极少漏检，贴两面干膜的大孔会导致误报警，但可通过PLC软件滤波消除。

（3）随着板厚的增加，检测效果下降，且对安装倾角的误差要求更严格。该现象主要受介质（内层线路）影响。

6、结语

两片检测功能一直是PCB制造业的难题，经历了“接触式测厚”、“非接触式测厚”、“非接触式电涡流两片检测”阶段，将进入“非接触式超声波两片检测”时代。

随着印制板的“更薄、更小、更密”发展态势，要求制造设备的两片检知功能的检测效率、准确性、可靠性的逐步提升，相信随着科技的发现将有更先进的检测方法，为印制板制造业保驾护航。