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無人機飛行控制器關(guān)鍵技術(shù)與半導(dǎo)體器件芯片清洗介紹

合明科技 ?? 2227 Tags:無人機飛行控制器半導(dǎo)體封裝清洗劑

一、無人機飛行控制器關(guān)鍵技術(shù)概述

無人機飛行控制器是無人機的核心部分,如同人的大腦一樣,對無人機的飛行起著至關(guān)重要的作用。其關(guān)鍵技術(shù)涵蓋多個方面:

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(一)姿態(tài)控制技術(shù)

1. 傳感器的運用

陀螺儀和加速度計是姿態(tài)控制中常用的傳感器。陀螺儀用于測量無人機的角速度,能精確感知無人機在俯仰、橫滾和偏航方向上的旋轉(zhuǎn)速度。例如在四軸無人機中,當(dāng)無人機發(fā)生傾斜時,陀螺儀能快速檢測到傾斜的角速度。加速度計則測量無人機的加速度,可通過加速度值計算出無人機的傾斜角度等姿態(tài)信息。兩者結(jié)合,為飛行控制器提供了無人機實時的姿態(tài)數(shù)據(jù)。

磁力計(電子羅盤)也是重要的傳感器,它可以確定無人機的航向,即確定無人機相對于地磁北極的方向,這對于保持無人機的穩(wěn)定飛行方向非常關(guān)鍵。 2. 姿態(tài)解算算法

姿態(tài)解算就是利用傳感器采集的數(shù)據(jù)計算出無人機的當(dāng)前姿態(tài),如俯仰角、橫滾角和航向角等。常用的姿態(tài)解算算法有互補濾波算法和卡爾曼濾波算法等?;パa濾波算法簡單有效,它可以將陀螺儀和加速度計的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。例如,陀螺儀數(shù)據(jù)在短期內(nèi)較為準(zhǔn)確,可用于提供高頻的姿態(tài)變化信息;而加速度計數(shù)據(jù)在長期較為穩(wěn)定,可用于校正陀螺儀的漂移??柭鼮V波算法則更加復(fù)雜和精確,它通過建立狀態(tài)方程和觀測方程,對無人機的姿態(tài)進(jìn)行最優(yōu)估計,能夠在存在噪聲和不確定性的情況下,更準(zhǔn)確地計算出無人機的姿態(tài)信息。 3. 姿態(tài)控制算法

PID(比例 - 積分 - 微分)控制算法是姿態(tài)控制中常用的算法之一。在姿態(tài)控制中,比例項(P)根據(jù)當(dāng)前姿態(tài)與目標(biāo)姿態(tài)的偏差大小,按比例地輸出控制信號,偏差越大,輸出信號越強,從而快速調(diào)整無人機的姿態(tài)。積分項(I)主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差,例如當(dāng)無人機存在小的姿態(tài)偏差且長時間未得到糾正時,積分項會逐漸積累,產(chǎn)生一個糾正偏差的控制信號。微分項(D)則根據(jù)姿態(tài)偏差的變化率來調(diào)整控制信號,能夠?qū)ψ藨B(tài)的快速變化進(jìn)行抑制,防止無人機姿態(tài)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。例如在四軸無人機飛行過程中,當(dāng)受到外界干擾導(dǎo)致姿態(tài)發(fā)生變化時,PID控制器根據(jù)姿態(tài)解算得到的偏差,調(diào)整四個電機的轉(zhuǎn)速,從而糾正無人機的姿態(tài),使其恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(二)導(dǎo)航與定位技術(shù)

1. GPS技術(shù)

GPS(全球定位系統(tǒng))是無人機導(dǎo)航與定位中廣泛應(yīng)用的技術(shù)。GPS系統(tǒng)由24顆衛(wèi)星組成,衛(wèi)星不斷向地面發(fā)送信號。無人機上的GPS接收器接收這些信號,通過計算信號的時延,可以得到無人機到衛(wèi)星的距離。利用至少三顆衛(wèi)星的信號,就可以解算出無人機的位置(經(jīng)度、緯度和高度)信息。GPS技術(shù)能夠為無人機提供較為精確的絕對位置信息,精度可以達(dá)到數(shù)米甚至更高,這對于無人機的自主導(dǎo)航,如按照預(yù)設(shè)航線飛行、返航等操作至關(guān)重要。例如,在農(nóng)業(yè)無人機進(jìn)行農(nóng)田噴灑作業(yè)時,GPS可以引導(dǎo)無人機按照預(yù)先規(guī)劃的航線準(zhǔn)確飛行,確保整個農(nóng)田區(qū)域都能被均勻噴灑。 2. 慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)主要基于加速度計和陀螺儀等慣性傳感器。加速度計測量無人機的加速度,通過對加速度進(jìn)行積分可以得到速度信息,再對速度進(jìn)行積分就可以得到位置信息。陀螺儀測量無人機的角速度,用于確定無人機的姿態(tài)方向。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點是不依賴外部信號源,具有自主性,能夠在GPS信號受到遮擋或干擾時,繼續(xù)為無人機提供導(dǎo)航信息。但是,由于慣性傳感器存在誤差,如加速度計的測量誤差和陀螺儀的漂移,隨著時間的推移,慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差會逐漸累積。因此,通常將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與GPS等其他導(dǎo)航技術(shù)結(jié)合使用,以提高導(dǎo)航定位的精度和可靠性。 3. 組合導(dǎo)航技術(shù)

為了克服單一導(dǎo)航技術(shù)的局限性,組合導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)運而生。例如,將GPS和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)組合使用。在這種組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,GPS提供高精度的位置和速度信息,用于校正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的累積誤差;慣性導(dǎo)航系統(tǒng)則在GPS信號丟失或受到干擾時,提供短期的、相對準(zhǔn)確的導(dǎo)航信息。此外,還可以結(jié)合其他導(dǎo)航技術(shù),如地磁導(dǎo)航、視覺導(dǎo)航等。地磁導(dǎo)航利用地球磁場信息為無人機導(dǎo)航,視覺導(dǎo)航則通過無人機上的攝像頭獲取周圍環(huán)境的圖像信息,進(jìn)行圖像分析和處理,從而確定無人機的位置和姿態(tài)。通過多種導(dǎo)航技術(shù)的組合,可以提高無人機導(dǎo)航與定位的精度、可靠性和適應(yīng)性。

(三)動力系統(tǒng)控制技術(shù)

1. 電機控制

對于多旋翼無人機(如四軸、六軸無人機等),電機的控制是動力系統(tǒng)控制的關(guān)鍵。飛行控制器根據(jù)姿態(tài)控制算法和導(dǎo)航指令,調(diào)整各個電機的轉(zhuǎn)速。例如在四軸無人機中,四個電機的轉(zhuǎn)速差異會改變無人機的姿態(tài)和推力。當(dāng)需要無人機上升時,飛行控制器會同時增加四個電機的轉(zhuǎn)速;當(dāng)需要無人機向左傾斜飛行時,飛行控制器會降低左側(cè)電機的轉(zhuǎn)速,同時增加右側(cè)電機的轉(zhuǎn)速,從而產(chǎn)生向左的傾斜力矩和推力分量,使無人機向左飛行。電機的控制需要精確的信號輸出,通常通過電調(diào)(電子調(diào)速器)來實現(xiàn)。電調(diào)根據(jù)飛行控制器發(fā)送的控制信號,調(diào)節(jié)電機的輸入電壓或電流,從而改變電機的轉(zhuǎn)速。 2. 電池管理

電池是無人機的動力來源,電池管理技術(shù)對于無人機的飛行性能和安全性至關(guān)重要。電池管理系統(tǒng)需要實時監(jiān)測電池的電量、電壓、電流和溫度等參數(shù)。例如,通過監(jiān)測電池電壓可以防止電池過放電,避免電池?fù)p壞。當(dāng)電池電量較低時,飛行控制器可以根據(jù)電池管理系統(tǒng)提供的信息,發(fā)出返航指令或者降低飛行速度等操作,以確保無人機能夠安全返回。同時,電池管理系統(tǒng)還可以對電池進(jìn)行均衡充電,防止電池單體之間出現(xiàn)過充或過放的情況,延長電池的使用壽命。 3. 動力分配與優(yōu)化

在無人機飛行過程中,飛行控制器需要根據(jù)不同的飛行狀態(tài)(如懸停、加速、轉(zhuǎn)彎等)合理分配動力。在懸停狀態(tài)下,動力系統(tǒng)需要提供足夠的升力來平衡無人機的重力,并且各個方向的推力要保持平衡。在加速飛行時,需要根據(jù)加速度的要求,合理增加電機的轉(zhuǎn)速,調(diào)整動力分配。此外,還可以通過動力優(yōu)化算法,提高動力系統(tǒng)的效率。例如,根據(jù)無人機的負(fù)載、飛行環(huán)境(如風(fēng)速、氣溫等)等因素,優(yōu)化電機的轉(zhuǎn)速控制策略,降低能量消耗,延長無人機的飛行時間。

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二、無人機飛行控制的核心技術(shù)

(一)姿態(tài)穩(wěn)定控制

1. 姿態(tài)感知基礎(chǔ)

姿態(tài)穩(wěn)定控制是無人機飛行控制的基礎(chǔ)核心技術(shù)。如前所述,它依賴于多種傳感器來感知無人機的姿態(tài)。除了陀螺儀、加速度計和磁力計等常見傳感器外,還有一些高精度的慣性測量單元(IMU)。IMU是一種集成了多個加速度計和陀螺儀的裝置,能夠更加精確地測量無人機的三軸姿態(tài)角(俯仰角、橫滾角和航向角)以及加速度信息。這些傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率很高,例如一些高端的IMU可以達(dá)到數(shù)千赫茲的采集頻率,能夠?qū)崟r捕捉無人機姿態(tài)的微小變化。 2. 姿態(tài)穩(wěn)定算法的多樣性

除了傳統(tǒng)的PID控制算法外,還有一些先進(jìn)的姿態(tài)穩(wěn)定算法。例如模糊PID控制算法,它結(jié)合了模糊邏輯和PID控制的優(yōu)點。模糊邏輯可以根據(jù)專家經(jīng)驗和實際飛行情況,將姿態(tài)偏差和偏差變化率等輸入量進(jìn)行模糊化處理,然后通過模糊規(guī)則表確定PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)。這種算法在面對復(fù)雜的飛行環(huán)境和不確定性因素時,具有更好的適應(yīng)性和魯棒性。另外,基于模型預(yù)測控制(MPC)的姿態(tài)穩(wěn)定算法也逐漸應(yīng)用于無人機飛行控制。MPC算法通過建立無人機的動態(tài)模型,預(yù)測未來一段時間內(nèi)無人機的姿態(tài)變化,然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果優(yōu)化控制策略,能夠有效地處理多變量、非線性的姿態(tài)控制問題。

(二)位置與速度控制

1. 位置控制原理

位置控制對于無人機完成各種任務(wù)(如航拍中的定點拍攝、物流配送中的目標(biāo)投遞等)至關(guān)重要。飛行控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的目標(biāo)位置(可以是經(jīng)緯度坐標(biāo)或者相對于某個參考點的坐標(biāo)),通過導(dǎo)航系統(tǒng)獲取無人機當(dāng)前的位置信息,計算出位置偏差。然后利用位置控制算法,調(diào)整無人機的飛行姿態(tài)和推力,使無人機向目標(biāo)位置飛行。在這個過程中,需要考慮無人機的運動學(xué)和動力學(xué)特性。例如,對于多旋翼無人機,其位置控制與姿態(tài)控制是相互關(guān)聯(lián)的,通過調(diào)整姿態(tài)來改變無人機的飛行方向,進(jìn)而實現(xiàn)位置的改變。 2. 速度控制的實現(xiàn)

速度控制與位置控制密切相關(guān)。飛行控制器根據(jù)目標(biāo)速度(包括水平速度和垂直速度),結(jié)合當(dāng)前的速度測量值(可以通過GPS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等獲?。?,計算出速度偏差。然后通過調(diào)整電機的轉(zhuǎn)速或者舵面的角度(對于固定翼無人機)來改變無人機的推力或阻力,從而實現(xiàn)速度的控制。例如,當(dāng)無人機需要加速飛行時,飛行控制器增加電機的轉(zhuǎn)速,提高推力,使無人機加速;當(dāng)需要減速時,則降低電機轉(zhuǎn)速或調(diào)整舵面增加阻力。同時,速度控制也需要考慮無人機的空氣動力學(xué)特性,如在不同的飛行高度和風(fēng)速條件下,無人機的空氣阻力會發(fā)生變化,這就需要對速度控制算法進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

(三)飛行模式切換與管理

1. 不同飛行模式的特點

無人機具有多種飛行模式,如手動飛行模式、自動飛行模式和半自主飛行模式等。手動飛行模式下,操作員通過遙控器直接控制無人機的飛行姿態(tài)、速度和位置等參數(shù)。這種模式需要操作員具備較高的飛行技能和經(jīng)驗,但在一些特殊情況下(如無人機出現(xiàn)故障需要緊急處理)非常有用。自動飛行模式下,無人機根據(jù)預(yù)設(shè)的任務(wù)航線、飛行高度、速度等參數(shù)自主飛行,不需要操作員實時干預(yù)。例如在農(nóng)業(yè)無人機進(jìn)行大面積農(nóng)田巡查時,可以按照預(yù)先設(shè)定的航線自動飛行。半自主飛行模式則介于兩者之間,操作員可以在飛行過程中對某些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,同時無人機也可以根據(jù)自身的傳感器信息進(jìn)行一些自主決策,如避障操作等。 2. 飛行模式切換的邏輯與安全保障

飛行模式的切換需要遵循一定的邏輯和安全機制。當(dāng)從手動飛行模式切換到自動飛行模式時,飛行控制器需要確保當(dāng)前的飛行狀態(tài)滿足自動飛行的條件,如姿態(tài)穩(wěn)定、位置準(zhǔn)確等。同時,在切換過程中,要保證控制信號的平穩(wěn)過渡,避免無人機出現(xiàn)突然的姿態(tài)變化或失控現(xiàn)象。為了確保飛行安全,飛行控制器在切換飛行模式時,會進(jìn)行一系列的檢查和確認(rèn)操作。例如,在從自動飛行模式切換到手動飛行模式時,會提示操作員進(jìn)行身份驗證或者操作權(quán)限確認(rèn),防止誤操作導(dǎo)致飛行事故。

三、無人機飛行控制器關(guān)鍵技術(shù)的原理

(一)傳感器原理

1. 陀螺儀原理

陀螺儀基于角動量守恒原理工作。簡單來說,它是一個高速旋轉(zhuǎn)的剛體,當(dāng)無人機發(fā)生角運動時,由于角動量守恒,陀螺儀的旋轉(zhuǎn)軸會相對慣性空間保持不變,從而可以測量出無人機相對于慣性空間的角速度。例如,在機械陀螺儀中,一個高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子被安裝在一個框架內(nèi),當(dāng)無人機繞某個軸旋轉(zhuǎn)時,框架會相對轉(zhuǎn)子發(fā)生轉(zhuǎn)動,通過檢測框架的轉(zhuǎn)動角度或角速度,就可以得到無人機的角速度信息。而現(xiàn)代的微機電系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀則是利用微加工技術(shù)制造的小型化陀螺儀,其工作原理基于科里奧利力。當(dāng)物體在旋轉(zhuǎn)參考系中做直線運動時,會受到科里奧利力的作用,MEMS陀螺儀通過檢測科里奧利力來測量角速度。 2. 加速度計原理

加速度計的基本原理是牛頓第二定律,即力等于質(zhì)量乘以加速度(F = ma)。加速度計內(nèi)部有一個質(zhì)量塊,當(dāng)無人機加速時,質(zhì)量塊會受到慣性力的作用。通過測量質(zhì)量塊所受的慣性力,就可以計算出無人機的加速度。例如,在電容式加速度計中,質(zhì)量塊與固定電極之間形成電容,當(dāng)無人機加速時,質(zhì)量塊的位移會改變電容的值,通過檢測電容的變化就可以得到加速度的大小。不同類型的加速度計(如壓電式、壓阻式等)雖然工作原理略有不同,但都是基于測量質(zhì)量塊的慣性力來實現(xiàn)加速度測量的。 3. GPS原理

GPS系統(tǒng)由衛(wèi)星星座、地面控制站和用戶設(shè)備(無人機上的GPS接收器)三部分組成。衛(wèi)星不斷發(fā)射包含衛(wèi)星位置、時間等信息的信號。無人機上的GPS接收器接收到衛(wèi)星信號后,根據(jù)信號傳播的時間來計算衛(wèi)星到無人機的距離。由于衛(wèi)星的位置是已知的,通過測量至少三顆衛(wèi)星到無人機的距離,就可以利用三角定位原理確定無人機的位置。具體計算過程涉及到衛(wèi)星信號的解碼、時間同步、距離計算和位置解算等多個步驟。同時,GPS接收器還可以通過接收多顆衛(wèi)星的信號,利用多普勒效應(yīng)測量無人機的速度信息。

(二)控制算法原理

1. PID控制算法原理

PID控制算法的核心思想是基于誤差反饋來調(diào)整控制輸出。對于無人機的姿態(tài)控制或位置控制等應(yīng)用,設(shè)目標(biāo)值為r(t),實際測量值為y(t),則誤差e(t)=r(t) - y(t)。比例項P的輸出u_P(t)=K_P * e(t),其中K_P為比例系數(shù),比例項的作用是根據(jù)誤差的大小按比例地輸出控制信號,誤差越大,輸出信號越強,能夠快速響應(yīng)誤差的變化。積分項I的輸出u_I(t)=K_I∫e(t)dt,其中K_I為積分系數(shù),積分項主要用于消除穩(wěn)態(tài)誤差,當(dāng)存在長期的小誤差時,積分項會不斷積累,產(chǎn)生一個糾正誤差的輸出。微分項D的輸出u_D(t)=K_D * de(t)/dt,其中K_D為微分系數(shù),微分項根據(jù)誤差的變化率來調(diào)整控制輸出,當(dāng)誤差變化過快時,微分項會產(chǎn)生一個抑制信號,防止系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。最終的控制輸出u(t)=u_P(t)+u_I(t)+u_D(t)。 2. 模糊PID控制算法原理

模糊PID控制算法是在傳統(tǒng)PID控制算法的基礎(chǔ)上引入模糊邏輯。首先將誤差e(t)和誤差變化率de(t)/dt等輸入量進(jìn)行模糊化處理,即將其映射到模糊集合上,例如將誤差劃分為“正大”“正中”“正小”“零”“負(fù)小”“負(fù)中”“負(fù)大”等模糊集合。然后根據(jù)模糊規(guī)則表,根據(jù)輸入的模糊集合確定PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)的調(diào)整規(guī)則。例如,如果誤差為“正大”且誤差變化率為“正大”,則可能需要較大幅度地增加比例系數(shù),適當(dāng)增加積分系數(shù),減小微分系數(shù)等。最后將調(diào)整后的系數(shù)應(yīng)用于PID控制器進(jìn)行控制輸出。模糊PID控制算法能夠根據(jù)實際飛行情況動態(tài)調(diào)整PID系數(shù),提高控制的適應(yīng)性和魯棒性。

(三)動力系統(tǒng)控制原理

1. 電機控制原理

在多旋翼無人機中,電機的控制是通過電調(diào)實現(xiàn)的。飛行控制器根據(jù)姿態(tài)控制和導(dǎo)航的要求,向電調(diào)發(fā)送PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號。PWM信號的占空比決定了電調(diào)輸出到電機的平均電壓或電流。例如,當(dāng)PWM信號的占空比為50%時,電調(diào)輸出到電機的平均電壓為電池電壓的一半。電機的轉(zhuǎn)速與輸入的電壓或電流成正比,因此通過調(diào)整PWM信號的占空比,就可以精確控制電機的轉(zhuǎn)速。同時,不同類型的電機(如無刷直流電機)還有其自身的特性,如反電動勢等,在電機控制過程中也需要考慮這些特性,以實現(xiàn)高效、穩(wěn)定的電機控制。 2. 電池管理原理

電池管理系統(tǒng)主要對電池的充電和放電過程進(jìn)行管理。在充電過程中,電池管理系統(tǒng)會監(jiān)測電池的電壓、電流和溫度等參數(shù)。當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)定的充電截止電壓時,停止充電,防止電池過充。例如,對于鋰電池,充電截止電壓一般為4.2V左右。在放電過程中,實時監(jiān)測電池的電量、電壓等參數(shù),當(dāng)電池電量低于設(shè)定的下限值或者電池電壓低于放電截止電壓時,采取相應(yīng)的措施,如通知飛行控制器發(fā)出返航指令或者降低飛行功率等。同時,電池管理系統(tǒng)還會對電池進(jìn)行均衡充電,即通過電路使電池單體之間的電壓保持平衡,避免某個單體電池過充或過放,延長電池的使用壽命。

四、提升無人機飛行控制器性能的方法

(一)硬件優(yōu)化

1. 傳感器升級

采用更高精度的傳感器可以顯著提升飛行控制器的性能。例如,將普通的MEMS陀螺儀和加速度計升級為高精度的光纖陀螺儀和石英加速度計。光纖陀螺儀具有更高的精度和穩(wěn)定性,能夠更精確地測量無人機的角速度,對于提高姿態(tài)控制的準(zhǔn)確性非常有幫助。石英加速度計相比于普通的MEMS加速度計,在測量加速度時具有更小的誤差和更高的分辨率。同時,增加傳感器的冗余度也是一種優(yōu)化方法。通過安裝多個相同類型的傳感器,并采用數(shù)據(jù)融合技術(shù),可以提高傳感器數(shù)據(jù)的可靠性。例如,在無人機上安裝多個GPS接收器,當(dāng)其中一個GPS接收器出現(xiàn)故障或者信號受到干擾時,其他GPS接收器仍然可以提供準(zhǔn)確的位置信息。 2. 處理器性能提升

使用更強大的處理器可以加快飛行控制器的數(shù)據(jù)處理速度。例如,從傳統(tǒng)的低性能微控制器升級為高性能的ARM Cortex - A系列處理器。高性能處理器具有更高的時鐘頻率和更強的運算能力,能夠更快地處理傳感器采集的數(shù)據(jù)、運行復(fù)雜的控制算法。這對于實時性要求很高的無人機飛行控制非常重要,特別是在處理多傳感器數(shù)據(jù)融合、復(fù)雜的飛行模式切換和

半導(dǎo)體封裝清洗劑W3100介紹

半導(dǎo)體封裝清洗劑W3100是合明科技開發(fā)具有創(chuàng)新型的中性水基清洗劑,專門設(shè)計用于浸沒式的清洗工藝。適用于清洗去除半導(dǎo)體電子器件上的助焊劑殘留物,如引線框架、分立器件、功率模塊、倒裝芯片、攝像頭模組等。本品是PH中性的水基清洗劑,因此具有良好的材料兼容性。

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半導(dǎo)體封裝清洗劑W3100的適用工藝:

水基清洗劑W3100適用于浸沒式的清洗工藝。

半導(dǎo)體封裝清洗劑W3100產(chǎn)品應(yīng)用:

水基清洗劑W3100是合明科技開發(fā)具有創(chuàng)新型的中性水基清洗劑,適用于清洗去除半導(dǎo)體電子器件上的助焊劑殘留物,如引線框架清洗、分立器件清洗、功率模塊清洗、倒裝芯片清洗、攝像頭模組清洗等。本產(chǎn)品PH值呈中性,對鋁、銅、鎳、塑料、標(biāo)簽等敏感材料上顯示出極好的材料兼容性。


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