Cảm biến siêu âm – Tổng quan, Ứng dụng và các loại cảm biến siêu âm A-Z

Cảm biến siêu âm được sử dụng khá rộng rãi trong đời sống hiện nay từ các ứng dụng hàng ngày đến các ứng dụng trong công nghiệp. Đơn giản nhất mà bạn có thể thấy chính là khi đi khám bệnh, người ta kêu bạn “đi siêu âm”. Thì đó chính là ứng dụng của cảm biến siêu âm. Vậy thì cảm biến siêu âm là gì? Ứng dụng của cảm biến siêu âm ra sao? Các loại cảm biến siêu âm nói chung và các loại cảm biến siêu âm chuyên dùng trong công nghiệp nói riêng bao gồm những loại nào? Chúng được dùng vào mục đích gì? Ứng dụng hiệu quả vào những hoạt động nào?

Tổng quan về sóng siêu âm

Sóng siêu âm là gì?

Sóng siêu âm được định nghĩa là một loại sóng có tần số cao mà con người không thể nghe thấy được. Trong tự nhiên, sóng siêu âm được tìm thấy ở các loài động vật như dơi, cá heo … Chúng dùng sóng siêu âm để định hướng đi, liên lạc với đồng loại, hay để săn mồi…

Cá heo định hướng bằng sóng siêu âm
Cá heo định hướng bằng sóng siêu âm

Khi nghiên cứu về các loài động vật này, các nhà khoa học tìm hiểu được nguyên tắc mà chúng sử dụng sóng âm để định hướng khá đơn giản và thú vị. Cơ bản gồm:

  • Đối tượng phát ra sóng âm
  • Sóng âm va chạm với vật cản và phản xạ lại
  • Khoảng cách được xác định dựa trên thời gian phát / thu.

Tuy nhiên, quá trình xác định khoảng cách phụ thuộc rất nhiều vào môi trường truyền dẫn.

Cụ thể, sóng âm truyền trong mỗi môi trường khác nhau sẽ có thời gian phản hồi khác nhau. Ví dụ: Sóng âm truyền trong môi trường chất lỏng hay rắn sẽ nhanh hơn rất nhiều so với sóng âm được truyền trong môi trường không khí. Điểm hạn chế lớn là sóng âm không thể truyền được trong môi trường chân không.

Dựa nguyên tắc này, và cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ hiện đại, các nhà khoa học đã cung cấp ra thị trường rất nhiều các ứng dụng như: thiết bị định hướng cho tàu ngầm, các hệ thống đo khoảng cách trong công nghiệp, trong môi trường như: đo độ sâu của hồ nước, đo khoảng cách các vật thể trên dây chuyền, đo mức chất lỏng… từ các loại cảm biến siêu âm…

Sóng siêu âm có an toàn không?

Như định nghĩa ở mục trên, sóng siêu âm đơn thuần chỉ là sóng âm thanh có tần số cao, ngoài khả năng cảm nhận âm thanh của tai con người. Chính vì thế, sóng siêu âm không gây hại cho sức khoẻ của con người cũng như môi trường sống.

Dải tần số của sóng siêu âm
Dải tần số của sóng siêu âm

Vì là sóng an toàn, sóng siêu âm còn được ứng dụng trong các ngành như: chuẩn đoán hình ảnh siêu âm trong y khoa, kiểm tra không phá huỷ các kết cấu cơ khí, ứng dụng trong ngành quan trắc môi trường, hoá học, sinh học,…  qua các loại cảm biến siêu âm.

Cảm biến siêu âm là gì?

Nói một cách đơn giản, cảm biến siêu âm là một thiết bị cảm biến hoạt động dựa trên sóng siêu âm. Cũng giống như các loại cảm biến áp suất hay cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm được dùng chủ yếu là để đo khoảng cách hoặc vận tốc. Ngoài ra thì còn được sử dụng trong các ứng dụng như làm sạch bằng sóng siêu âm hoặc dùng trong siêu âm y khoa (siêu âm chuẩn đoán hình ảnh).

Cảm biến siêu âm là gì?
Cảm biến siêu âm là gì?

Cấu tạo của cảm biến siêu âm

1. Phần phát tín hiệu

Các đầu phát và đầu thu siêu âm là các loa gốm được chế tạo đặc biệt, hoạt động phát siêu âm có cường độ cao nhất ở một tần số nào đó ( thường là 40kHz cho các ứng dụng đo khoảng cách). Các loa này cần có nguồn tín hiệu điều khiển có điện áp cao mới phát tốt được (theo datasheet thì là ~ 30V). Chính vì vậy trong phần phát, phần đệm công suất sử dụng một con MAX232 làm nhiệm vụ đệm. Nó sẽ lấy tín hiệu từ bộ điều khiển, khuých đại biên độ lên +/-30V cung cấp cho loa gốm.

Để tiết kiệm nguồn cho module cảm biến, phần cấp điện cho MAX232 được điều khiển thông qua một tran PNP, khi không hoạt động, bộ điều khiển sẽ làm cho tran này ngưng dẫn, hạn chế tiêu thụ dòng.

2. Phần thu tín hiệu

Khi loa gốm làm đầu thu ( loa này được chế tạo chỉ nhạy với một tần số nào đó- 40KHz)  thu được sóng siêu âm, nó sẽ phát ra một điện thế giữa hai cực. Điện thế này là rất nhỏ, vì vậy nó được đưa qua một OPAM, ở đây là TL072 ( Một số module sự dụng LM324,…). Tín hiệu này liên tục được khuých đại biên độ và cuối cùng là đưa qua một bộ so sánh, kết hợp với tín hiệu từ bộ điều khiển để đưa về bộ điều khiển thông qua một trans NPN

3. Phần xử lý, điều khiển

Phần xử lý, điều khiển thường sử dụng một vi điều khiển (PIC16F688, STC11,…) làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính toán thời gian từ khi phát đến khi thu được sóng siêu âm do nó phát ra nếu nhận được tín hiệu TRIG. Đến đây thì nguyên lý hoạt động thông thường của cảm biến này thì ai cũng biết rồi nhé ( cấp xung TRIG, chờ đo độ rộng xung ECHO để tính toán thời gian,….)

Nguyên lý cảm biến siêu âm:

Để giải thích về nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm, mình sẽ lấy ví dụ ở các loại động vật như dơi hoặc cá heo.

Có thể bạn chưa biết, dơi là loài vật có khả năng phát và cảm nhận được sóng siêu âm. Bởi vì dơi là loài động vật hoạt động về đêm nên thị giác của nó không phát triển. Để tránh bị va chạm khi bay vào ban đêm, dơi sẽ phát ra các loại sóng siêu âm khi bay để định vị hướng. Khi sóng siêu âm gặp vật cản sẽ phản xạ lại, dơi nhận các sóng phản xạ này lại để biết là phía trước có vật cản và đổi hướng.

Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm
Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm

Và loại cảm biến siêu âm cũng hoạt động dựa trên nguyên tắc tương tự như vậy.

Đầu tiên, đầu cảm biến sẽ phát ra 1 chùm sóng siêu âm xuống bề mặt cần đo khoảng cách. Khi sóng siêu âm gặp bề mặt vật cản sẽ phản xạ ngược lại. Khi đó cảm biến sẽ thu lại các chùm sóng siêu âm này.

Dựa vào thời gian phản xạ và vận tốc của sóng, cảm biến sẽ tính ra được khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt chất lỏng.

Ưu và nhược điểm của cảm biến sóng siêu âm:

Bất kỳ một loại thiết bị cảm biến công nghiệp nào cũng đều có ưu điểm và nhược điểm khác nhau. Và cảm biến siêu âm cũng vậy. Hãy cùng mình tìm hiểu về những ưu điểm cũng như nhược điểm của cảm biến sóng siêu âm sau đây.

Ưu điểm của cảm biến sóng siêu âm:

Sử dụng sóng siêu âm nên có thể đo khoảng cách mà không cần tiếp xúc với vật chất cần đo. Vì thế, cảm biến siêu âm thường được dùng để đo mức chất lỏng có độ ăn mòn cao như acid hoặc xăng, dầu,…

Sóng siêu âm là một loại âm thanh có tần số cao nên độ nhạy của cảm biến rất cao, thời gian đáp ứng nhanh.

Độ chính xác của cảm biến siêu âm gần như là tuyệt đối, sai số trung bình khoảng 0,15% đối với khoảng cách 2m trở lại.

Nhược điểm của cảm biến sóng siêu âm:

Cảm biến siêu âm chịu ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ và áp suất. Vì thế nó chỉ hoạt động tốt nhất ở môi trường có nhiệt độ từ 60 độ C trở xuống và áp suất khoảng 1 bar trở lại.

Các loại cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng có chi phí đầu tư ban đầu là khá cao so với các loại cảm biến đo mức chất lỏng khác.

Một nhược điểm khác là cảm biến siêu âm rất dễ bị nhiễu tín hiệu nên khi lắp đặt, bạn cần phải lắp theo đúng hướng dẫn của nhà sản xuất.

Chỉ số hiệu xuất của cảm biến siêu âm

Cốt lõi của đầu dò siêu âm là khả năng phát ra tần số bên trong với vỏ bọc bằng nhựa bên ngoài khả năng chống ăn mòn. Có nhiều vật liệu cấu thành đầu dò cảm biến & kích thước cũng khá đa dạng cho nên hiệu suất của mổi đầu đò khác nhau. Cần biết trước khoảng cách đo trước khi sử dụng để chọn đầu dò đạt hiệu quả tốt nhất. Các chỉ số đầu dò của cảm biến siêu âm bao gồm:

1.Tần số

Tần số hoạt động của cảm biến siêu âm là tần số cộng hưởng của đầu dò cảm biến. Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào tần số phát ra của cảm biến, tất nhiên rằng tần số càng lớn thì tốc độ phản hồi càng nhanh.

2. Nhiệt độ

Nhiệt độ của đầu dò cảm biến siêu âm sẽ tăng khi thực hiện quá trình chuẩn đoán. Do có công suất nhỏ, do đó các cảm biến siêu âm đo mức nước có nhiệt độ tương đối thấp và có thể hoạt động trong thời gian dài mà không bị ảnh hưởng. Đối với các đầu dò siêu âm trong y tế thì ngược lại cần phải có thiết bị làm lạnh riêng để đảm bảo hoạt động chính xác.

3. Độ nhạy

Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào tần số của cảm biến. Tần số càng cao thì độ nhạy càng cao và ngược lại.

4. Hiển thị

Cảm biến siêu âm có tích hợp hiển thị để biết được khoảng cách đo là bao nhiêu mét ngay trên cảm biến. Ngoài ra, một số cảm biến siêu âm đo mức nước giá rẻ thường loại bỏ hiển thị mà chỉ đưa tín hiệu Analog 4-20mA về trung tâm điều khiển để tiết kiệm chi phí.

Ứng dụng cảm biến siêu âm:

Đã tìm hiểu qua các khái niệm cũng như là ưu, nhược điểm của cảm biến siêu âm rồi. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về một vài ứng dụng của cảm biến siêu âm:

Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản:

Như ví dụ phía trên, trên các dòng ô tô hiện nay, ở phần đầu xe và đuôi xe đều được trang bị cảm biến siêu âm đo khoảng cách.

Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản
Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản

Khi phát hiện phần đầu xe hoặc đuôi xe gần va chạm thì cảm biến sẽ xuất tín hiệu báo động về để báo cho tài xế biết là sắp có va chạm.

Cảm biến siêu âm công nghiệp:

Trong công nghiệp, cảm biến siêu âm được ứng dụng trong những ứng dụng phát hiện dị tật của sản phẩm; phát hiện sản phẩm bị ngã đổ trên băng chuyền, phát hiện sản phẩm bị nứt hoặc bể,….

Cảm biến siêu âm công nghiệp
Cảm biến siêu âm công nghiệp

Ngoài ra, người ta còn dùng cảm biến siêu âm để đo mức nhiên liệu trong bể hoặc xác định kích thước của sản phẩm sau sản xuất.

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách:

Khi sử dụng cảm biến siêu âm; cảm biến sẽ phát ra 1 chùm tia sóng hình nón xuống vị trí cần đo khoảng cách. Thông thường người ta dùng cảm biến siêu âm để đo khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm trên băng chuyền.

Nếu khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm đột ngột tăng cao thì khả năng là sản phẩm đó đang bị móp, méo hoặc đang bị nứt. Từ đó cảm biến sẽ báo động và loại sản phẩm đó ra khỏi băng chuyền.

Cảm biến siêu âm đo mức nước:

Ngoài ứng dụng để đo mức nước, người ta còn dùng cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng nói chung. Tức là bao gồm cả dầu ăn, dầu diesel, socola, nước trái cây, đường, muối, acid ăn mòn,….

Lý do là vì dòng cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng này có thể đo mức mà không cần tiếp xúc với môi trường đo nên không bị ảnh hưởng bởi độ ăn mòn và cũng đươc dùng trong các ứng dụng đo mức thực phẩm.

Cảm biến siêu âm đo mức nước
Cảm biến siêu âm đo mức nước

Thông thường người ta sẽ lắp đặt cảm biến siêu âm ở phía trên của bồn chứa, sau đó tín hiệu output của cảm biến sẽ được đưa về tủ điện để điều khiển mức nước hoặc báo động khi mức nước vượt quán giới hạn đặt ra.

Cảm biến vân tay siêu âm:

Bạn có nghe, Samsung vừa cho ra mắt chiếc điện thoại Galaxy S10/S10+ có hỗ trợ cảm biến vân tay siêu âm. Bạn có biết là cảm biến này hoạt động cũng dựa trên nguyên lý sóng siêu âm.

Cảm biến này hoạt động dựa trên công nghệ được gọi là “3D Sonic Sensor” . Nó hoạt động bằng cách thu lại sóng âm bị phản hồi lại từ làn da của bạn. Nó sẽ ghi lại thông tin chi tiết của ngón tay xuyên qua nước, kem dưỡng da và dầu mỡ, vào ban đêm hoặc dưới ánh sáng ban ngày.

 

Cảm biến vân tay siêu âm trên điện thoại thông minh
Cảm biến vân tay siêu âm trên điện thoại thông minh

Khi bạn đặt tay lên bàn hình điện thoại, sóng siêu âm sẽ phát ra từ màn hình đến các vân tay của bạn. Bởi vì các dấu vân tay của bạn là các rãnh lồi, lõm khác nhau nên khi sóng siêu âm tiếp xúc sẽ phản xạ sóng lại có khoảng cách khác nhau.

Từ đó, con chip trong điện thoại sẽ dựa vào các sóng siêu âm được phản xạ lại để vẽ lại dấu vân tay của bạn bằng 3D.

Các loại cảm biến siêu âm:

Trên thực tế thị trường có rất nhiều các loại cảm biến siêu âm khác nhau. Mỗi loại lại có cấu tạo và công dụng khác nhau. Sau đây hãy cùng mình tìm hiểu về một số loại cơ bản:

Cảm biến siêu âm chống nước:

Các loại cảm biến siêu âm thông thường được lắp ở những vị trí trên cao như phía trên băng chuyền; hoặc lắp trong board mạch. Vì thế nó không đòi hỏi phải có tiêu chuẩn chống nước.

Nhưng đối với các loại cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng; thông thường phải có chuẩn chống nước ở mức IP67 hoặc cao hơn.

Lý do là vì các loại cảm biến này thường được lắp đặt ngoài trời; nên cần phải có chuẩn chống nước để bảo vệ trước thời tiết nắng, mưa.

Cảm biến siêu âm arduino:

Thực ra thì arduino không phải là tên của 1 loại cảm biến siêu âm. Mà arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn.

Cảm biến siêu âm gắn trên mạch arduino
Cảm biến siêu âm gắn trên mạch arduino

Có thể ví arduino giống như một máy tính nhỏ. Trên đó, người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code.

Để tìm hiểu sâu hơn về arduino là gì thì chắc chúng ta sẽ tìm hiểu trong 1 bài viết khác.

Cảm biến siêu âm omron:

Omron là một thương hiệu lớn của Nhật Bản, nước duy nhất ở Châu Á nằm trong nhóm G7. Vì thế về chất lượng của thương hiệu này thì ta không có gì để bài cãi rồi.

Cảm biến siêu âm Omron
Cảm biến siêu âm Omron

 

Ưu điểm lớn nhất của dòng sản phẩm cảm biến từ Omron là giá thành cực kỳ cạnh tranh bởi vì Omron có nhà máy sản xuất ngay tại Trung Quốc. Chính vì thế nên nó làm giảm giá thành của sản phẩm, giúp sản phẩm tiếp cận đến nhiều người hơn.

Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi:

Là dòng cảm biến của hãng Carlo Gavazzi đến từ Italy; cũng trong nhóm G7 nên về chất lượng của sản phẩm, ta cũng không cần phải bàn cãi nhiều.

Có phạm vi đo là 350mm đến 6000mm, nhưng chúng ta có thể cài đặt bất cứ thang đo nào; miễn là trong giới hạn 6000mm là được.

Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi
Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi

Tín hiệu output của cảm biến cũng là dạng analog 4-20mA hoặc 0-10V. Dạng tín hiệu này đa số các thiết bị trên thị trường đều có thể đọc được cũng như các loại PLC đều nhận được tín hiệu dạng này.

Cảm biến siêu âm HC-SR04:

Loại cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì RẺ và CHÍNH XÁC.

Cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến siêu âm HC-SR04

Nó có khả năng đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300 cm. Độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình. Cùng với dòng SRF05, nó được dùng trong các board mạch thiết kế robot, mạch arduino.

Cảm biến siêu âm SRF05:

Là dòng cảm biến siêu âm chuyên dùng để đo khoảng cách; đo mức chất lỏng, hoặc dùng trong cách mạch điện của robot dò đường; phát hiện các vết đứt gãy trong dây cáp….

Ưu điểm của dòng này là kích thước nhỏ gọn; khả năng kết nối dễ dàng với các MCU (Arduino, DSP, AVR, PIC, ARM…).

Cảm biến siêu âm SRF-05
Cảm biến siêu âm SRF-05

Tuy nhiên thì nhược điểm của loại này là có độ nhiễu khá lớn và khoảng cách đo chỉ từ 2 cm –> 450cmm.

Một lưu ý nhỏ là cảm biến siêu âm khi hoạt động sẽ phát 1 chùm sóng hình nón; nên khoảng cách càng xa, cảm biến sẽ càng bị sai số nhiều.

Cảm biến siêu âm đo mức nước Dinel:

Dinel là một thương hiệu lớn của Cộng hòa Séc chuyên về các loại cảm biến đo mức; báo mức chất lỏng, chất rắn….

Với đầy đủ các giải pháp đo mức cho các loại môi trường khác nhau như nước, dầu; xăng, socola, rượu, xi măng,…. nên đáp ứng được hầu hết những yêu cầu của người dùng.

Cảm biến siêu âm đo mức hãng Dinel
Cảm biến siêu âm đo mức hãng Dinel

 

Một ưu điểm khác của cảm biến đo mức Dinel là mức giá tốt hơn rất nhiều so với các thương hiệu lớn như Endress hauser, Rosemount,….mà vẫn đảm bảo độ chính xác và độ bền.

Lưu ý khi mua cảm biến siêu âm?

Ứng dụng của cảm biến nhiều là vậy đó, nhưng khi mua; bạn nên tìm hiểu kỹ về tính năng cũng mục đích để mua được loại phù hợp. Những thông số sau đây bạn có thể tham khảo:

Khoảng cách cần đo:

Như mình đã đề cập phía trên; mỗi loại cảm biến siêu âm có một thang đo cụ thể, từ vài trăm cm đến vài chục mét. Và khoảng cách đo này ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của cảm biến.

Bởi vì khi hoạt động; cảm biến sẽ phát 1 chùm sóng siêu âm hình nón xuống bề mặt vật chất cần đo. Và nếu như đo càng xa, thì phần tia sóng sẽ càng rộng ra, dễ dẫn đến sai số.

Đối với các ứng dụng như lắp trên các bản mạch robot hoặc trên xe ô tô thì khoảng cách đo lớn nhất chỉ tầm khoảng vài mét trở lại. Còn đối với các ứng dụng đo mức chất lỏng trong công nghiệp; khoảng cách có thể đo được có thể lên đến vài chục mét.

Hiện nay; đối với dòng cảm biến siêu âm Dinel thì khoảng cách tối đa mà nó có thể đo được là 20m.

Vùng mù của cảm biến siêu âm:

Mỗi một loại cảm biến siêu âm đều có 1 khoảng cách được gọi là vùng mù của cảm biến siêu âm. Đây là khoảng cách từ bộ phát của cảm biến tính xuống phía dưới.

Vùng mù của cảm biến siêu âm
Vùng mù của cảm biến siêu âm

 

Ví dụ như khoảng cách đo của con cảm biến siêu âm SRF05 là 2cm –> 450cm thì 2cm chính là vùng mù của cảm biến. Khi vật chất nằm trong vùng mù thì cảm biến sẽ không nhận diện được.

Vì thế, khi ta chọn mua cảm biến; ta cần hỏi rõ người bán xem vùng mù của cảm biến đó là bao nhiêu.

Nhiệt độ và áp suất môi trường đo:

Bởi vì cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc thu/phát sóng siêu âm. Vì thế nên khi nhiệt độ và áp suất trong bồn quá cao sẽ làm lệch hướng sóng.

Thông thường thì các loại cảm biến siêu âm đo mức nước có nhiệt độ chịu được vào khoảng 60 độ C và áp suất tối đa là 1 bar.

Nên nếu môi trường đo của bạn có nhiệt độ và áp suất cao thì không nên chọn phương pháp đo mức bằng siêu âm.

Video Hướng dẫn sử dụng cảm biến siêu âm

Kết

Với bài viết chia sẻ này, Thế giới Điện cơ tin rằng, những kiến thức này sẽ giúp cho các bạn kỹ thuật; các bạn sinh viên có thêm những hiểu biết về các loại cảm biến siêu âm hiện có trên thị trường; cũng như hiểu rõ được những ứng dụng của chúng.

Click to rate this post!
[Total: 0 Average: 0]

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.

Hotline: 0938.441.404
Chat Facebook
Gọi điện ngay