Cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo và ứng dụng thực tế

Cảm biến siêu âm là gì?

Đây là thiết bị điện tử dùng để đo khoảng cách của một đối tượng mục tiêu bằng cách phát ra sóng siêu âm. Sau đó âm thanh phản xạ và được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Theo đó, bộ phát của cảm biến có khả năng tạo ra âm thanh nhờ sử dụng tinh thể áp điện. Còn bộ thu có vai trò tiếp nhận âm thanh đến và đi từ các vị trí khác nhau.

Các loại cảm biến siêu âm

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến được bày bán trên thị trường. Chúng đa dạng về chủng loại lẫn công dụng. Dưới đây là một vài loại phổ biến mà chúng tôi muốn giới thiệu đến bạn. Cùng tìm hiểu xem chúng có gì hay ho nhé:

Cảm biến siêu âm chống nước

Với các loại cảm biến siêu âm thông thường được lắp đặt ở vị trí cao ráo như: trên băng chuyền, board mạch sẽ không cần phải chống nước. Nhưng đối với những loại cảm biến mà chuyên dùng để đo mức chất lỏng thì khác. Chúng yêu cầu tiêu chuẩn chống nước phải ở mức tiêu chuẩn IP67 hoặc cao hơn.

Bởi loại cảm biến này được lắp đặt ngoài trời, thường xuyên phải chịu ảnh hưởng của thời tiết. Vì vậy mà chúng cần tiêu chuẩn chống nước cao để có thể đảm bảo được hoạt động bình thường.

Cảm biến siêu âm Arduino

Cái tên Arduino không phải là cái tên của một loại cảm biến siêu âm. Arduino thực ra 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 diễn ra thuận lợi hơn.

Arduino được ví như một chiếc máy tính thu nhỏ. Bạn có thể lập trình và thực hiện được các dự án điện tử mà không cần phải sử dụng bất cứ công cụ chuyên biệt nào để phục vụ việc nạp code.

Cảm biến siêu âm omron

Đây là một loại cảm biến đến từ thương hiệu Omron của Nhật Bản. Chính vì xuất thân từ đất nước công nghiệp hàng đầu nên bạn hoàn toàn có thể yên tâm  về chất lượng của sản phẩm.

Hơn nữa giá thành lại cực kỳ cạnh tranh bởi hãng này có một nhà máy ở “xưởng sản xuất thể giới” là Trung Quốc nên giá thành được giảm thiểu đáng kể đưa thiết bị này tiếp cận đến với nhiều người hơn.

Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi

Sản phẩm này xuất thân từ thương hiệu Carlo Gavazzi đến từ Ý. Đây cũng là một trong các nước thuộc thành viên nhóm G7 nên việc áp dụng những công nghệ hiện đại hàng đầu vào trong dây chuyền sản xuất là điều dễ hiểu. Vì thế nên chất lượng là điều không cần phải bàn đến với sản phẩm này.

Chúng có phạm vi đo trong khoảng 350 – 6000mm nên bạn có thể cài đặt chúng ở bất cứ thang đo nào miễn là nằm trong giới hạn được nêu trên.

Tín hiệu output của thiết bị cảm biến được sử dụng là dạng analog 4-20mA hoặc 0,10V. Dạng tín hiệu này cho phép hầu hết các thiết bị trên thị trường đều có thể đọc được và có loại như PLC cũng đều sẽ nhận được tín hiệu dạng này.

Cảm biến siêu âm HC-SR04

Chúng được sử dụng rất nhiều trong việc xác định khoảng cách bởi có giá thành rẻ và tính chính các cao. Trong khoảng cách  2 -> 300 cm thì thiết bị này có thể đo được. Độ chính xác phụ thuộc gần như hoàn toàn vào việc lập trình. Cùng với dòng SRF05, nó được sử dụng trong bảng thiết kế robot và mạch Arduino.

Cảm biến siêu âm SRF05

Đây là một dòng sản phẩm cảm biến chuyên dùng để đo khoảng cách, đo mức chất lỏng hoặc được sử dụng trong các mạch điện điện của robot dò đường hay phát hiện các vết đứt gãy trong dây cáp.

Thiết bị có kích thước nhỏ gọn và khả năng kết nối dễ dàng với các MCU ( Arduino, DSP, AVR, PIC, ARM…). Tuy nhiên thiết bị này có độ nhiễu khá lớn và chỉ có thể đo được trong khoảng cách từ 2 – 450cm.

Hơn nữa khi hoạt động thì thiết bị này sẽ phát ra một chùm sóng nhỏ có hình nón nên ở khoảng cách càng xa thì cảm biến xảy ra sai số sẽ  càng nhiều.

Cảm biến siêu âm đo mức nước Dinel

Đây là thiết bị đến từ thương hiệu Dinel của Cộng hòa Séc. Thương hiệu này chuyên sản xuất các loại cảm biến đo mức, báo mức chất lỏng, chất rắn…

Thương hiệu sản xuất thiết bị đo được hầu hết các loiaj môi trường khác nhau từ rắn cho đến lỏng nên đáp ứng được hầu hết các nhu cầu sử dụng của khách hàng.

Ngoài ra thiết bị của hãng còn có mức giá rất tốt so với các thương hiệu lớn khác mà vẫn đảm bảo được tính chính xác cũng như độ bền của sản phẩm.

Cấu tạo của cảm biến siêu âm

Một thiết bị cảm biến sẽ bao gồm một  đầu dò để phát ra tín hiệu. Đầu dò của cảm biến hoạt động giống như một chiếc micro dùng để thu và phát ra sóng siêu âm. Chúng được thiết kế với nhiều hình dạng như:

• Đầu dò thẳng (sóng dọc).
• Đầu dò ngang (sóng ngang).
• Đầu dò sóng bề mặt.
• Đầu dò kép (một đầu phát và một đầu nhận tín hiệu).

Mặc dù có thiết kế khác nhau về bề ngoài nhưng các thiết bị đầu dò cảm biến sóng siêu âm này đều có chung một cấu tạo bao gồm:

• Bộ phát: Đây là bộ phận được làm từ gốm, với đường kính rộng 15mm, hoạt động nhờ cơ chế chuyển động bằng máy rung để tạo ra các sóng siêu âm lan truyền vào trong không khí.
• Bộ thu: Bộ phận này có chức năng hình thành các rung động cơ học tương thích với sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của bộ thu.
• Điều khiển: Là bộ phận sử dụng mạch điện tích hợp để điều khiển sự truyền sóng siêu âm của bộ phát, từ đó đánh giá được khả năng nhận tín hiệu và kích thước của bộ thu.
• Nguồn điện DC: Bộ phận này cung cấp năng lượng cho thiết bị cảm biến thông qua mạch ổn áp, với mức điện áp PCB ± 10%, 24V ± 10%.

Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm

Loại cảm biến này có nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình cho và nhận. Nói cách khác, hệ thống cảm biến  liên tục phát ra  sóng âm thanh vận tốc ngắn trên diện rộng với tần số cao hơn mức  con người có thể nghe thấy. Khi các sóng âm thanh này va vào các chướng ngại vật như rắn hoặc lỏng, chúng tạo ra các bước sóng phản xạ. Cuối cùng, thiết bị cảm biến  tiếp nhận, phân tích và phán đoán chính xác khoảng cách từ cảm biến đến vật cản.

Chỉ số hiệu suất của cảm biến siêu âm

Cốt lõi của đầu do siêu âm chính là khả năng phát ra tần số bên trong với vỏ bọc bằng nhựa bên ngoài có khả năng chống ăn mòn hiệu quả. Đầu dò cảm biến có được làm từ đa dạng các chất liệu và kích thước cũng có nhiều loại. Vì vậy mà hiệu suất làm việc của mỗi đầu dò sẽ là khác nhau.

Trước khi chọn đầu dò thì cần xác định được khoảng cách đo để thiết bị có thể đo đạc được hiệu quả hơn và kết quả trả về cũng chính xác hơn. Các chỉ số đầu dò của cảm biến này sẽ bao gồm những chỉ số sau:

Tần số

Tần số hoạt động của cảm biến này chính là tần số cộng hưởng của đầu dò cảm biến. Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc  nhiều vào tần số truyền của cảm biến,  tần số càng cao thì tốc độ phản hồi sẽ càng nhanh.

Nhiệt độ

Nhiệt độ của đầu dò cảm biến âm  tăng lên trong quá trình chẩn đoán. Do có điện dung nhỏ nên cảm biến âm đo mực nước có nhiệt độ tương đối thấp và có thể hoạt động trong thời gian dài mà không bị hỏng.

Đối với  đầu dò siêu âm  y tế thì ngược lại, đầu dò này cần  có hệ thống làm mát riêng để  hoạt động tốt.

Độ nhạy

Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào tần số của cảm biến. Nếu tần số càng cao thì độ nhạy sẽ càng cao.

Hiển thị

Cảm biến siêu âm kết hợp màn hình hiển thị cho bạn biết  khoảng cách đo được trực tiếp trên cảm biến là bao nhiêu mét. Ngoài ra, một số thiết bị cảm biến âm này dùng để đo mức nước giá rẻ trên thị trường hiện nay thường loại bỏ hiển thị mà chỉ đưa tín hiệu Analog 4-20mA về trung tâm điều khiển để tiết kiệm chi phí.

Ưu, nhược điểm của thiết bị cảm biến âm

Thiết bị cảm biến âm hiện nay được sản xuất trên dây chuyền công nghệ hiện đại nên sở hữu rất nhiều ưu điểm nổi bật vậy cùng khám phá xem đó là những ưu điểm gì nhé.

Ưu điểm

• Sóng siêu âm cho phép đo khoảng cách từ máy phát đến vật thể mà không cần phải tiếp xúc. Do đó, thiết bị rất hữu ích khi dùng để đo  chất lỏng có tính ăn mòn cao có thể gây hại cho cơ thể con người.
• Ngoài chất lỏng thì sóng siêu âm còn có thể lan truyền qua nhiều môi trường khác nhau như không khí, chất rắn,… để phát hiện và đo được khoảng cách giữa các vật thể với nhau.
• Hệ thống cảm biến cũng có độ nhạy cao, cho thời gian phản hồi nhanh và độ chính xác gần như tuyệt đối, với sai số trung bình chỉ 0,15% ở khoảng cách 2m.

Nhược điểm

Bên cạnh những ưu điểm vượt trội không thể phủ nhận thì vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề. Cụ thể như:

• Hệ thống cảm biến âm có thể gây nhiễu tín hiệu nếu lắp đặt không đúng cách. Vì vậy, người dùng cần đọc kỹ hướng dẫn của nhà sản xuất để lắp đặt chính xác.
• Giá thành của các thiết bị cảm biến thường rất cao.
• Chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất và chỉ thích hợp đo trong môi trường từ 60 độ C trở xuống và 1 bar trở lại.

Ứng dụng của cảm biến siêu âm

Công nghệ cảm biến siêu âm liên tục được cải tiến và sử dụng  trong các lĩnh vực khác nhau. Cảm biến siêu âm được coi là một tiêu chuẩn thiết yếu trong ngành công nghiệp hiện đại.

Ứng dụng trên xe ô tô

Thiết bị này sẽ được trang bị ở phần đầu và đuôi xe để có thể đo được khoảng cách và phát ra tín hiệu khi xe di chuyển gần với các vật cản. Thiết bị này khi hoạt động sẽ phát ra các tia sóng có dạng hình nó để có thể đo được khoảng cách giữa các phương tiện hoặc với vật cản. Nhờ những sóng âm này phát hiện và cảnh báo, người dùng có thể kịp thời xử lý tình huống và tránh xảy ra các va chạm không cần thiết.

Trong các lĩnh vực khác

Ngoài được ứng dụng trong ngành sản xuất ô tô thì thiết bị cảm biến âm này còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như:

• Công nghiệp sản xuất: Dùng để phát hiện ra các hư hỏng của sản phẩm hoặc để xác định kích thước và đo mức nhiên liệu của chất rắn.
• Cảm biến vân tay: Cảm biến này phát hiện sóng âm thanh phản xạ từ da của người dùng. Sóng siêu âm được phát ra khi người dùng đưa tay lên màn hình điện thoại. Một con chip thông minh trong điện thoại của bạn sử dụng sóng siêu âm phản xạ  để vẽ dấu vân tay của bạn bằng hình ảnh 3D.
• Đo mức nước: Bạn đặt các thiết bị này trên các bồn chứa để có thể điều khiển hoặc báo động khi mức nước vượt quá mức cho phép. Bạn cũng có thể sử dụng chúng để có thể đo các loại chất lỏng có tính ăn mòn cao mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp. Điều này giúp bạn đảm bảo an toàn hơn.

Lưu ý khi mua cảm biến siêu âm

Chính vì trên thị trường hiện nay xuất hiện nhiều loại cảm biến âm. Nên trước khi mua bạn cần phải tìm hiểu thật kỹ về tính năng cũng như mục đích sử dụng để có thể chọn mua được thiết bị phù hợp. Dưới đây là những thông số bạn cần biết để có thể mua được sản phẩm ưng ý:

Khoảng cách đo

Vì mỗi loại cảm biến sẽ có một thang đo khác nhau nên sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo của cảm biến. Vì nguyên lý hoạt động là phát ra những tia sóng hình nón và khoảng cách càng xa thì sai số càng lớn. Vì vậy bạn cần cân nhắc kỹ về khoảng cách để lựa chọn được thiết bị phù hợp.

Nếu lắp cho robot hoặc trên xe oto thì khoảng đo lớn nhất chỉ nằm trong tầm vài mét trở lại. Còn nếu sử dụng đo chất lỏng công nghiệp thì có thể chọn loại có khoảng cách vài chục mét.

Vùng mù

Mọi thiết bị cảm biến siêu âm đều có 1 khoảng cách được gọi là vùng mù. Khoảng cách này được tính từ bộ phát xuống phía dưới.

Ví dụ như khoảng cách đo của con cảm biến 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 trước khi mua thì bạn nên hỏi kỹ xem vùng mù của thiết bị bạn muốn mua sẽ là bao nhiêu?

Nhiệt độ và áp suất môi trường đo

Do cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý truyền và nhận sóng siêu âm. Do đó, nếu nhiệt độ và áp suất trong bồn chứa quá cao sẽ dẫn đến sóng sẽ bị lệch.

Thông thường, thiết bị cảm biến này dùng để đo mức nước có thể chịu được nhiệt độ ở trong khoảng 60 độ C và áp suất lên đến tối đa là 1 bar.

Do đó, nếu môi trường đo là nhiệt độ cao và áp suất cao thì không nên chọn phương pháp đo mức  siêu âm. Bởi chúng sẽ gây sai số quá lớn hoặc không thể hoạt động được trong môi trường như vậy.

Vừa rồi AME Group đã cùng bạn đi tìm câu trả lời cho các câu hỏi cảm biến siêu âm là gì? Chúng có cấu tạo như thế nào? Ứng dụng trong cuộc sống ra sao? Hy vọng với những gì mà chúng tôi vừa cung cấp sẽ mang lại nhiều thông tin giá trị dành cho bạn. Cảm ơn bạn đã đọc và quan tâm đến bài viết. Hẹn gặp lại các bạn ở trong các bài chia sẻ hữu ích tiếp theo của chúng tôi. Hãy cùng chờ đón nhé.