Cảm biến siêu âm là gì? Nguyên lý, cấu tạo và ứng dụng

Cảm biến siêu âm không phải là 1 thiết bị mới mà nó đã xuất hiện trên thị trường từ nhiều năm trước và được ứng dụng nhiều trong công nghiệp, khoa học kỹ thuật, y tế. Vậy bạn đã bao giờ tìm hiểu về nó chưa? Nếu chưa thì cùng Thủy Khí Điện đọc bài viết này để biết cấu tạo, nguyên lý, ứng dụng của nó nhé.

Cảm biến siêu âm là gì?

Đầu tiên, siêu âm là 1 dạng âm thanh có tần số cao hơn so với tần số mà tai người nghe được. Sóng siêu âm lan truyền được trong nhiều môi trường: Chất lỏng, nước, chất rắn, không khí. Độ phân giải sóng siêu âm đủ để đạt độ chính xác cao tới vài milimet nên sóng siêu âm dùng trong y khoa, công nghiệp rất phổ biến.

Cảm biến siêu âm là 1 thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý của sóng siêu âm để đo đạc khoảng cách, vận tốc theo yêu cầu.

Cấu tạo cảm biến siêu âm

Một cảm biến siêu âm sẽ gồm các bộ phận như:

+ Đầu dò công suất nhỏ có thể phát ra tín hiệu: Người ta có thể dùng đầu dò ngang hay đầu dò thẳng, đầu dò kép, đầu dò sóng bề mặt tùy theo mục đích sử dụng.

+ Máy thu: Khi máy rung nhận được sóng siêu âm thì nó tạo ra những rung động cơ học tương ứng với sóng siêu âm. Sau đó, nó chuyển đổi rung động cơ học thành năng lượng điện đầu ra máy thu.

+ Máy phát: Máy rung sẽ rung để tạo ra sóng siêu âm và lan truyền vào không khí.

+ Nguồn điện: Cảm biến dùng điện 1 chiều DC với điện áp là 24 V ± 10% hoặc PCB + 10%. Nó được cấp cho cảm biến qua mạch ổn áp bên trong.

+ Điều khiển: Bằng cách dùng mạch tích hợp và đánh giá xem máy có nhận tín hiệu, sóng siêu âm, kích thước của tín hiệu thu được ra sao sẽ điều khiển truyền siêu âm.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

Đầu tiên, cảm biến sẽ phát ra 1 chùm sóng siêu âm xuống bề mặt của vật hay sản phẩm cần đo khoảng cách. Khi sóng siêu âm gặp bề mặt vật cản thì nó phản xạ ngược lại, cảm biến thu nhận lại những chùm sóng này. Căn cứ trên thời gian phản xạ cùng với vận tốc của sóng mà cảm biến tính ra được khoảng cách chính xác nhất từ cảm biến xuống bề mặt của chất lỏng.

Chỉ số hiệu suất của cảm biến siêu âm

Các chỉ số hiệu suất của cảm biến bao gồm:

Tần số

Tần số của cảm biến là tần số cộng hưởng của đầu dò cảm biến. Độ nhạy của cảm biến sẽ phụ thuộc vào chính tần số. Nếu tần số càng lớn thì tốc độ phản hồi sẽ càng nhanh.

Nhiệt độ

Nhiệt độ đầu dò cảm biến siêu âm sẽ tăng lên trong quá trình chuẩn đoán. Do công suất nhỏ nên cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng có nhiệt độ thấp, làm việc trong môi trường mà không bị ảnh hưởng.

Riêng các đầu dò siêu âm trong lĩnh vực y tế, khám chữa bệnh thì nó phải được làm lạnh và có thiết bị làm lạnh riêng nhằm đảm bảo chính xác nhất.

Độ nhạy

Mỗi cảm biến đều có độ nhạy và độ này sẽ phụ thuộc vào tần số của nó. Tần số càng cao thì độ nhạy càng lớn và tần số càng nhỏ thì độ nhạy càng thấp.

Hiển thị

Hiển thị được tích hợp để giúp con người biết được khoảng cách đo cụ thể là bao nhiêu mét trên cảm biến. Để tiết kiệm chi phí, giảm giá thành sản phẩm mà 1 số hãng sẽ loại bỏ hiển thị, đưa tín hiệu Analog 4-20mA về trung tâm xử lý. Người ta gọi là cảm biến siêu âm đo mức giá rẻ.

Ưu nhược điểm cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là 1 thiết bị và có những ưu điểm nổi bật tuy nhiên vẫn tồn tại các nhược điểm mà con người cần nghiên cứu để cải tiến trong thời gian tới.

Ưu điểm

Một số ưu điểm nổi bật của cảm biến siêu âm mà chúng ta cần biết như:

+ Sóng siêu âm là loại âm thanh nên tần số cao vì thế độ nhạy của cảm biến cao, thời gian phản ứng rất nhanh.

+ Thiết bị sử dụng sóng siêu âm nên đo khoảng cách mà không tiếp xúc trực tiếp với vật. Đó là lý do mà con người dùng nó khi đo chất độc hại, xăng dầu hay chất lỏng axit.

+ Cảm biến siêu âm có độ chính xác gần như là tuyệt đối. Nếu có sai số thì rơi vào khoảng 0.15% trong khoảng cách 2m trở lại.

Nhược điểm

Cảm biến siêu âm cũng có những nhược điểm như:

+ Nó chỉ đo mức chất lỏng, khoảng cách nhưng lại có giá thành cao, chi phí đầu tư lớn hơn so với các loại cảm biến chất lỏng khác.

+ Khi làm việc, nó chịu ảnh hưởng bởi yếu tố áp suất, nhiệt độ nên sẽ không cho kết quả đúng nhất nếu làm việc trong môi trường cao hơn 60 độ C, áp lớn hơn 1 bar.

+ Nó cũng rất dễ bị nhiễm các tín hiệu khác nên người kỹ thuật tuân thủ 100% hướng dẫn của nhà sản xuất để tránh sai lệch.Ứng dụng của cảm biến siêu âm

Ứng dụng của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có nhiều ứng dụng và đã được con người khai thác hiệu quả hơn trong sản xuất, đời sống.

Trong công nghiệp

Cảm biến siêu âm dùng để phát hiện các sản phẩm lỗi, dị tật hay những thiết bị ngã đổ trên băng chuyền. Những sản phẩm nứt vỡ, không đạt tiêu chuẩn cũng sẽ được phát hiện. Không chỉ vậy, chúng ta còn có thể ứng dụng nó để đo mức nhiên liệu trong bể chứa, xác định kích thước, khoảng cách…

Phát hiện vật cản

Cảm biến siêu âm giúp phát hiện vật cản khi đầu hoặc đuôi xe gần va chạm. Tín hiệu sẽ được xuất đi vào báo động cho tài xế biết để điều chỉnh, tránh va chạm.

Trên ô tô hiện nay, hầu hết các hãng đều trang bị cảm biến này ở đuôi xe, đầu xe nhằm giúp con người có thể điều khiển xe 1 cách an toàn.

Đo khoảng cách

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách sẽ phát ra một chùm các tia sóng hình nón xuống vị trí của vật cần đo. Nếu khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm tăng cao đột ngột thì có thể sản phẩm bị nứt vỡ hoặc bóp méo. Cảm biến báo động để công nhân loại bỏ sản phẩm khỏi dây chuyền đang chạy. Con người ứng dụng nó để đo khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt vật, sản phẩm hay thiết bị đang trên băng truyền.

Đo mức nước

Do mức nước, đo mức chất lỏng gồm: dầu diesel, dầu ăn, nước trái cây, socola, đường, axit ăn mòn…

Cảm biến siêu âm có thể đo mức chất lỏng mà không cần tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo nên không bị hư hại hoặc ảnh hưởng do ăn mòn. Vị trí lắp của nó thường phía trên bồn chứa, tín hiệu output của cảm biến được dẫn truyền về tủ điều khiển mức nước. Nó sẽ báo động khi mức nước đã cạn kiệt hoặc vượt quá giới hạn.

Vân tay siêu âm

Vân tay siêu âm là 1 cụm từ khá lạ với chúng ta. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý sóng siêu âm và được các hãng thiết bị ứng dụng vào mẫu điện thoại thông minh mới nhất.

Công nghệ 3D Sonic Sensor là 1 trong công nghệ tiên tiến, hoạt động bằng cách thu lại sóng âm bị phản hồi qua da. Sau đó, nó sẽ ghi lại thông tin chi tiết dù xuyên qua nước, kem dưỡng hay dầu mỡ. Khi con người đặt tay lên điện thoại thì sóng siêu âm sẽ phát ra từ màn hình qua vân tay. Vân tay do cấu tạo là nhiều rãnh lồi lõm nên són tiếp xúc sẽ phản xạ lại sóng với khoảng cách khác nhau.

Con chip trong điện thoại thông minh dựa trên sóng siêu âm được phản xạ lại vẽ dấu vân tay của bạn nhanh chóng.

Các loại cảm biến siêu âm

Do nhu cầu sử dụng thiết bị này ngày càng nhiều mà thị trường cảm biến siêu âm cũng sôi động với đa dạng model và hãng sản xuất. Một số loại thông dụng mà chúng ta thường gặp như:

Chống nước

Cảm biến siêu âm sẽ được lắp ở các vị trí cao như trên của băng chuyền hay lắp trong các board mạch, nơi được che chắn. Chính vì thế mà nó không đòi hỏi tiêu chuẩn chống nước. Một số loại đặc biệt để đo mức chất lỏng thì cần phải có tiêu chuẩn này. Theo như quan sát của chúng tôi thì tiêu chuẩn IP67 hay là cao hơn thì mới có thể đảm bảo hoạt động, tuổi thọ của cảm biến nhất những loại lắp ở ngoài trời chịu nắng mưa liên tục.

Arduino

Arduino là tên gọi của 1 nền tảng mã nguồn mở. Nó được dùng để sản xuất và xây dựng các ứng dụng điện, điện tử nhằm tương tác với nhau. Nó không phải là tên của cảm biến siêu âm mà như 1 máy tính nhỏ. Người dùng sẽ lập trình và thực hiện 1 số dự án điện tử mà không cần có công cụ chuyên biệt dùng cho việc nạp code.

Omron

Omron thì không cần phải nhắc nhiều đúng không nhỉ? Thương hiệu đến từ Nhật Bản nhưng lại nổi tiếng trên toàn thế giới về chất lượng thiết bị điện, điện tử.

Giá thành của các cảm biến siêu âm Omron cạnh tranh. Hãng có nhiều nhà máy và đặt tại Trung Quốc nên tiết kiệm được tiền nhân công và chi phí sản xuất. Vì thế mà giá thành sản phẩm rất mềm, dễ dàng tiếp cận đến các đối tượng khách hàng.

Carlo Gavazzi

Carlo Gavazzi chính là tên của hãng sản xuất cảm biến siêu âm này. Đây là 1 thương hiệu lớn đến từ Italy. Về chất lượng của sản phẩm thì chúng ta không cần phải tìm hiểu quá nhiều bởi nó nổi tiếng tại các nước G7, Châu Âu. Thiết bị có phạm vi đo là 350mm đến 6000 mm, chúng ta có thể cài đặt thang đo bất kỳ nào miễn là trong giới hạn cho phép 6000 mm.

Tín hiệu Output của cảm biến này là ở dạng analog 4-20mA hay 0-10V. Hầu hết các thiết bị trên thị trường hay PLC thông dụng đều nhận được tín hiệu của cảm biến này.

HC-SR04

HC -SR 04 là cảm biến khoảng cách siêu âm dùng để xác định được khoảng cách thiết bị 1 cách chính xác và có giá thành rẻ.

Thiết bị có khả năng đo chính xác trong khoảng từ 2cm - 300cm. Độ chính xác được khách hàng đánh giá cao, nó chỉ phụ thuộc vào cách lập trình ban đầu. Với thiết kế nhỏ nhắn nên nó được dùng trong các mạch arduino hay robot, các board mạch…

SRF05

Tiếp theo trong bài viết này thì chúng tôi sẽ giới thiệu loại cảm biến SRF05. Đây chính là loại dùng để đo mức chất lỏng, đo khoảng cách thường dùng trong ứng dụng mạch điện của robo dò đường hay hỗ trợ con người tìm vết nứt gãy trong dây cáp dưới biển hay hầm lò.

Thiết bị này có ưu điểm lớn nhất chính là: Kết nối nhanh, dễ dàng với MCU của ARM, DSP, PIC, AVR, ARDUINO… Nó rất nhỏ gọn nên không chiếm nhiều diện tích.

Tuy nhiên, thiết bị vẫn có nhược điểm đó là: Khoảng cách đo bị giới hạn và không lớn, chỉ từ 2cm đến 450 cm. Độ nhiễu được xem là khá lớn sẽ tác động đến kết quả đo.

Khi cảm biến siêu âm làm việc thì nó phát ra 1 chùm sóng dạng hình nó nên ở càng gần thì sai số càng ít, khoảng cách càng xa thì sai số sẽ càng lớn.

Dinel

Nhắc đến Dinel thì chúng ta nghĩ ngay đến 1 hãng chuyên cung cấp các thiết bị đo và báo mức cho chất rắn, chất lỏng.

Ở các môi trường dầu, nước, xăng hay xi măng, rượu, bia, socola… thì có thể dùng ngay các loại cảm biến siêu âm của Dinel. Nó được xem là 1 giải pháp tốt khi đáp ứng được phần lớn yêu cầu của người dùng.

Cảm biến đo mức, siêu âm của Dinel có giá thành phải chăng, độ bền cao nên khách hàng có thể hoàn toàn an tâm sử dụng.

Những lưu ý khi mua cảm biến siêu âm

Để có thể mua cảm biến siêu sao cho phù hợp với nhu cầu và làm việc hiệu quả thì chắc chắn phải lưu ý những điều sau:

+ Xác định đúng vùng mù của thiết bị là ở vị trí nào. Nếu như bạn đang dùng cảm biến SRF05 siêu âm thì khoảng cách từ 2cm đến đến 45cm và vùng mù của nó rơi vào vị trí từ 0-2cm.

+ Mỗi 1 sản phẩm cảm biến siêu âm thì sẽ có 1 thang đo đạc riêng nên muốn lựa chọn thì phải biết được khoảng cách muốn đo trước để chính xác, giảm sai số nếu có. Mức thang đó sẽ có nhiều từ hàng mét cho đến hàng chục mét.

+ Cảm biến siêu âm đều bị ảnh hưởng bởi yếu tố nhiệt độ và áp suất vì thế nên khi chọn mua không thể bỏ qua việc xem xét môi trường đo đạc. Từ đó, quyết định xem là hệ thống có thích hợp với cảm biến siêu âm hay không. Một môi trường có nhiệt độ và áp lực cao, thay đổi thường xuyên, bồn chứa lớn… thì sẽ làm lệch hướng của sóng siêu âm, khiến kết quả đo không chính xác.