Cảm biến siêu âm là gì? Ứng dụng và nguyên lý hoạt động

Với độ chính xác gần như tuyệt đối, cảm biến siêu âm được dùng để đo khoảng cách, chuẩn đoán hình ảnh, mức nước. Trong lĩnh vực ô tô, cảm biến này còn hỗ trợ người điều khiển phát hiện chướng ngại vật để lùi xe một cách an toàn vào các điểm dừng đỗ hay trong quá trình di chuyển. 

Vậy cảm biến siêu âm là gì và chúng hoạt động ra sao? Mời bạn đọc tham khảo nội dung chi tiết thông qua bài biết. 

Cảm biến siêu âm là gì

Cảm biến siêu âm là một loại cảm biến được sử dụng để đo khoảng cách hoặc phát hiện sự hiện diện của các đối tượng bằng cách sử dụng sóng siêu âm. Cảm biến này hoạt động bằng cách phát ra sóng siêu âm từ một nguồn âm thanh và sau đó đo thời gian mà sóng siêu âm phản chiếu lại từ đối tượng và quay trở lại cảm biến. Dựa trên thời gian trôi qua từ lúc phát sóng đến lúc nhận được sóng phản chiếu, cảm biến siêu âm có thể tính toán khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng. 

Sóng siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác nhau như chất rắn, chất lỏng, không khí. Trong cùng một môi trường lan truyền như nhau, tần số cao hơn thì bước sóng sẽ ngắn hơn bước sóng của âm thanh. Chính vì bước sóng ngắn đó mà độ phân giải sóng siêu âm tiếp xúc vật thể đạt đến độ chính xác cao tới vài Milimet. 

Cấu tạo của cảm biến siêu âm

Cấu tạo chính của cảm biến siêu âm là bộ phận đầu dò phát ra tín hiệu. Đầu dò hoạt động như một Microphone để nhận và phát âm thanh siêu âm. Chúng được thiết kế với nhiều hình dạng khác nhau 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)

Tuy có thiết kế khác nhau nhưng các thiết bị đầu dò cảm biến sóng siêu âm này đều có những đặc điểm chung như sau: 

• Bộ phát sóng siêu âm (Transmitter): Đây là thành phần của cảm biến responsible chịu trách nhiệm phát ra sóng siêu âm. Bộ phát này sử dụng một loại chất liệu piezoelectric (chất liệu có khả năng tạo ra điện áp khi áp dụng áp suất) để tạo sóng siêu âm bằng cách biến đổi điện năng thành sóng âm thanh. Sóng siêu âm được phát ra từ bộ phát và sau đó lan truyền ra môi trường.
• Bộ thu sóng siêu âm (Receiver): Bộ thu là phần của cảm biến dùng để nhận sóng siêu âm phản chiếu từ đối tượng hoặc bề mặt. Cùng với bộ phát, bộ thu cũng sử dụng chất liệu piezoelectric để chuyển đổi sóng siêu âm thành tín hiệu điện. Tín hiệu này sau đó được xử lý để đo thời gian trôi qua từ khi sóng được phát ra đến khi được nhận lại.
• Mạch xử lý (Processing Circuitry): Tín hiệu điện từ bộ thu được đưa vào mạch xử lý để tính toán khoảng cách dựa trên thời gian trôi qua của sóng siêu âm. Mạch xử lý cũng có thể điều chỉnh tần số và công suất của sóng siêu âm phát ra.
• Bộ giao tiếp (Interface): Cảm biến siêu âm thường có một giao diện để kết nối với các thiết bị khác như máy tính, vi điều khiển hoặc các hệ thống điều khiển tự động. Giao diện này cho phép truyền dữ liệu về khoảng cách hoặc dữ liệu liên quan đến đối tượng mà cảm biến phát hiện.
• Nắp che bảo vệ (Protective Housing): Cảm biến siêu âm thường được đặt trong một nắp che bảo vệ để bảo vệ các thành phần bên trong khỏi các yếu tố môi trường như bụi, nước, hoặc va đập. Nắp che bảo vệ thường làm bằng các chất liệu chống nước hoặc chống thấm.
• Nguồn điện (Power Supply): Cảm biến siêu âm cần nguồn điện để hoạt động. Nguồn điện có thể được cung cấp bằng pin hoặc từ một nguồn điện ngoài.
• Những thành phần này hoạt động cùng nhau để tạo ra sóng siêu âm, nhận sóng phản chiếu và tính toán khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm dựa trên việc sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách hoặc phát hiện đối tượng. Dưới đây là cách cảm biến siêu âm hoạt động:

• Phát sóng siêu âm: Cảm biến siêu âm bắt đầu bằng việc phát ra một sóng âm thanh siêu âm từ một bộ phát âm thanh. Sóng âm thanh này có tần số cao hơn ngoài phạm vi nghe thường của con người, thường là từ khoảng 20 kHz (kilohertz) trở lên. Bộ phát tạo sóng siêu âm bằng cách biến đổi điện năng thành sóng âm thanh siêu âm.
• Phản chiếu sóng siêu âm: Sóng siêu âm phát ra từ cảm biến tiếp xúc với một bề mặt hoặc đối tượng trong môi trường. Khi sóng siêu âm gặp phải đối tượng, nó sẽ bị phản chiếu lại, tương tự như cách ánh sáng phản chiếu khi gặp một bề mặt. Thời gian mà sóng siêu âm mất để đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại được ghi nhận.
• Đo thời gian và tính khoảng cách: Cảm biến siêu âm sử dụng thời gian trôi qua từ khi phát sóng đến khi nhận sóng phản chiếu để tính toán khoảng cách đến đối tượng. Nguyên lý này dựa trên tốc độ lan truyền của sóng âm thanh trong không khí, mà thường được xác định là khoảng 343 mét/giây (đối với âm thanh trong không khí ở nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn). Bằng cách biết thời gian và tốc độ này, cảm biến có thể tính toán khoảng cách dựa trên công thức:

Khoảng cách = (Thời gian x Tốc độ lan truyền sóng âm) / 2

Trong công thức trên, phải chia cho 2 vì sóng âm thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại, nên thời gian ghi nhận là tổng thời gian hai chiều.

Cảm biến siêu âm thường có độ chính xác tốt và khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau, tuy nhiên, chúng có thể bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn và các vật thể không phản xạ sóng siêu âm mạnh.

Ưu điểm và hạn chế của cảm biến siêu âm

Ưu điểm

Sóng siêu âm có thể đo khoảng cách từ điểm phát đến vật thể mà không cần tiếp xúc. Vì vậy, thiết bị này rất hữu ích trong việc đo các chất lỏng có độ ăn mòn cao hoặc nguy cơ gây hại cho cơ thể. 

Ngoài chất lỏng, sóng siêu âm có thể lan truyền trong các môi trường khác như chất rắn, không khí để phát hiện và đo khoảng cách giữa các vật thể.

Hệ thống cảm biến siêu âm có độ nhạy cao nên thời gian phản hồi nhanh. Độ chính xác của cảm biến siêu âm gần như tuyệt đối khi sai số chỉ rơi vào khoảng 0,15% trong khoảng cách 2m. 

Hạn chế

Hạn chế của cảm biến siêu âm là chúng bị ảnh hưởng bởi âm thanh môi trường và có giới hạn trong việc phát hiện đối tượng có bề mặt mịn hoặc không phản xạ sóng siêu âm tốt. 

Ứng dụng của cảm biến siêu âm là gì

Cảm biến siêu âm có nhiều ứng dụng khác nhau trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và cuộc sống hàng ngày do khả năng đo khoảng cách và phát hiện đối tượng một cách chính xác và đáng tin cậy. Dưới đây là một số ví dụ về các ứng dụng phổ biến của cảm biến siêu âm:

• Xe ô tô và xe tự động hóa: Cảm biến siêu âm được sử dụng trong xe ô tô để hỗ trợ hệ thống đỗ xe tự động và tránh va chạm. Chúng cũng được sử dụng để kiểm tra khoảng cách giữa xe và các đối tượng xung quanh, giúp hệ thống lái tự động đảm bảo an toàn.
• Robot và máy móc tự động hóa: Cảm biến siêu âm giúp robot và máy móc tự động hóa nhận biết và tránh vật cản trong môi trường làm việc của họ. Điều này giúp tăng tính an toàn và hiệu suất trong các quy trình sản xuất và quản lý hàng tồn kho.
• Thang máy và cầu thang cuốn tự động: Cảm biến siêu âm được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của người đi vào hoặc ra khỏi thang máy và cầu thang cuốn. Điều này đảm bảo an toàn cho hành khách và ngăn chặn các tai nạn có thể xảy ra.
• Thiết bị y tế: Cảm biến siêu âm có thể được sử dụng trong các thiết bị y tế để đo khoảng cách và thực hiện hình ảnh học (ví dụ: siêu âm medison). Chúng cũng có thể được sử dụng trong các thiết bị hỗ trợ người khuyết tật.
• Điều khiển tự động trong nhà thông minh: Cảm biến siêu âm có thể được sử dụng trong hệ thống điều khiển tự động trong nhà thông minh để phát hiện sự hiện diện của người dùng và tự động điều chỉnh ánh sáng, nhiệt độ hoặc âm nhạc.
• Ứng dụng công nghiệp: Cảm biến siêu âm thường được sử dụng trong các quy trình sản xuất để kiểm tra chất lượng sản phẩm, đo khoảng cách và kiểm tra vị trí của các thành phần trong dây chuyền sản xuất.
• Điều khiển thang máy và cửa tự động: Cảm biến siêu âm được sử dụng để kiểm tra vị trí của thang máy hoặc cửa tự động và đảm bảo rằng chúng đóng mở đúng cách và an toàn.
• Đo mức nước: Trong các ứng dụng nông nghiệp và xử lý nước, cảm biến siêu âm có thể được sử dụng để đo mức nước trong bể chứa hoặc hồ cá.

Một số lưu ý khi lựa chọn cảm biến siêu âm

Việc lựa chọn để mua cảm biến siêu âm, bạn cần chú ý một số điểm như sau:

Khoảng cách đo của cảm biến siêu âm

Khoảng cách đo là yếu tố quan trọng vì nó quyết định đến độ chính xác khi đo. Đối với các loại cảm biến siêu âm đo mức nước thì chúng có thể đo khoảng cách tối đa 20m. Còn đối với các loại cảm biến siêu âm nhỏ thì chúng có thể đo khoảng cách vài mét trở lại và được dùng chủ yếu để làm thí nghiệm hoặc dùng trong không gian nhỏ. 

Vùng mù của cảm biến siêu âm

Hạn chế của cảm biến siêu âm là sẽ có những khoảng cách mà cảm biến không đo được. Nó được gọi là vùng mù của cảm biến hay là “dees zone”. Thông thường vùng mù này sẽ nằm ở phía dưới bộ phận thu/phát sóng siêu âm. Khi vật cản nằm trong vùng này thì cảm biến sẽ không đo được. 

Tổng kết

Trên đây là những nội dung chi tiết về cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo và ứng dụng của cảm biến siêu âm.  Hy vọng bài viết trên đã cung cấp cho bạn những thông tin bổ ích về cảm biến siêu âm. 

Công ty cổ phần RTC Technology Việt Nam ngoài cung cấp các sản phẩm về Machine Vision, xe tự hành AGV, nhà kho thông minh, còn cung cấp các sản phẩm về cảm biến siêu âm chất lượng đến từ thương hiệu Datalogic. Nếu bạn có nhu cầu thì có thể liên hệ với chúng tôi theo địa chỉ sau:

Mọi thông tin xin liên hệ:

• Điện thoại/zalo: 024 6654 6858 – +84 979 639 438
• Email: info@rtc.edu.vn

XEM THÊM:

>> CÔNG NGHỆ KIỂM TRA XƯỚC SẢN PHẨM BẰNG CAMERA

>> Vision Sensor là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Bài viết liên quan

Top 6 sản phẩm Camera 3D chất lượng của LMI Technology

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, nhu cầu về các giải pháp đo lường và kiểm tra chất lượng tự động ngày càng gia tăng. Đáp ứng xu hướng này, LMI Technologies đã khẳng định vị thế của mình như một nhà tiên phong trong lĩnh vực phát triển các cảm biến và hệ thống […]

Xem thêm

UVSCALE – Phim phân bố tia UV theo độ đậm của màu

UVSCALE là một loại phim phản ứng với tia UV và thay đổi màu sắc tùy thuộc vào lượng ánh sáng mà nó tiếp xúc. Điều này giúp bạn dễ dàng nhìn thấy sự phân bố ánh sáng UV. Cấu tạo của UVSCALE Một mặt của tấm nền có một lớp nhạy sáng cực tím, […]

Xem thêm

Phim đo phân bổ nhiệt Thermoscale – Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Phim đo phân bố nhiệt THERMOSCALE là một công cụ tiên tiến và hiện đại trong lĩnh vực đo lường và phân tích nhiệt độ. Với khả năng hiển thị sự phân bố nhiệt độ một cách trực quan và chính xác, THERMOSCALE không chỉ giúp các kỹ sư và nhà khoa học dễ dàng […]

Xem thêm

Giải pháp kiểm tra bằng ảnh 3D Vision? Ưu điểm và ứng dụng

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, nhu cầu về sự chính xác và hiệu quả trong sản xuất ngày càng trở nên cấp thiết. Một trong những công nghệ tiên tiến đáp ứng được yêu cầu này là giải pháp kiểm tra bằng ảnh 3D Vision.  Giải pháp này không chỉ mang lại độ […]

Xem thêm

Giải pháp đo kiểm tra 3D ứng dụng trong các ngành sản xuất

Trong bối cảnh công nghệ ngày càng phát triển và yêu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng cao, giải pháp đo kiểm tra 3D đã nổi lên như một công cụ thiết yếu và không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp. Từ sản xuất, y tế, hàng không vũ trụ đến xây […]

Xem thêm