1. Cảm biến siêu âm là gì?
Cảm biến siêu âm là thiết bị điện tử đo khoảng cách của một đối tượng mục tiêu bằng cách phát ra sóng siêu âm, sau đó âm thanh phản xạ 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.
>> Tìm hiểu thêm: Cảm biến siêu âm Omron
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm
2.1. Cấu tạo cảm biến siêu âm
Thiết bị cảm biến siêu âm được cấu tạo bởi một bộ phận đầu dò phát ra tín hiệu. Đầu dò của cảm biến hoạt động như một microphone để nhận và phát âm thanh 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 thiết kế khác nhau nhưng các thiết bị đầu dò cảm biến sóng siêu âm này đều có chung cấu tạo gồm:
- Bộ phát: Là bộ phận được cấu tạo từ gốm, với đường kính rộng 15mm, hoạt động nhờ cơ chế chuyển động bằng máy rung để tạo ra các sóng siêu âm truyền vào không khí.
- Bộ thu: Có chức năng hình thành các rung động cơ học thích hợp 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: Cung cấp năng lượng cho thiết bị cảm biến thông qua mạch ổn áp, với mức điện áp PCB ± 10%, 24V ± 10%.
2.2. Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm có nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình cho và nhận, có nghĩa là hệ thống cảm biến sẽ liên tiếp phát ra các sóng âm thanh ngắn với tần số cao hơn mức mà con người có thể nghe và có tốc độ lan truyền mạnh. Khi các sóng âm này gặp phải vật cản là chất rắn hay chất lỏng thì sẽ tạo ra các bước sóng phản hồi. Sau cùng, thiết bị cảm biến sẽ tiếp nhận, phân tích và xác định chuẩn xác khoảng cách từ cảm biến đến vật cản.
Tìm hiểu thêm: Đầu cảm biến siêu âm kỹ thuật số E4C-DS80L Omron
3. Ưu, nhược điểm của cảm biến siêu âm
- Ưu điểm:
Sóng siêu âm giúp người dùng có thể đo khoảng cách từ điểm phát đến vật thể mà không cần phải tiếp xúc. Do đó, thiết bị này rất có ích, dùng để đo các chất lỏng có độ ăn mòn cao, nguy cơ gây hại đến cơ thể.
Ngoài chất lỏng, các sóng siêu âm còn có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác như: không khí, chất rắn,... để phát hiện và đo khoảng cách giữa các vật thể.
Hệ thống cảm biến siêu âm còn có độ nhạy cao nên thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác gần như tuyệt đối khi sai số chỉ rơi vào khoảng trung bình là 0,15% trong khoảng cách 2m.
- Nhược điểm:
Hệ thống cảm biến siêu âm có thể bị nhiễu tín hiệu nếu không được lắp đặt đúng cách. Do đó, người dùng nên đọc kỹ chỉ dẫn của nhà sản xuất để lắp đặt chính xác. Ngoài ra, chi phí cho một thiết bị cảm biến thường khá cao.
4. Các vận dụng của cảm biến siêu âm
Công nghệ cảm biến siêu âm liên tục được cải tiến và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Cảm biến siêu âm được xem là một tiêu chuẩn không thế thiếu của ngành công nghiệp hiện đại.
4.1. Ứng dụng trên xe ô tô
Trên ô tô, thiết bị cảm biến siêu âm được gắn vào đầu và đuôi xe để đo khoảng cách và báo hiệu khi xe di chuyển gần đến các vật cản. Cụ thể, khi sử dụng, thiết bị này sẽ tạo ra các tia sóng hình nón để đo khoảng cách giữa các phương tiện hoặc trở ngại vật đang đứng yên hay di chuyển. Quá trình này chỉ mất khoảng 1/1000 giây theo thời gian thực, nhờ đó người sử dụng có thể nhanh chóng phát hiện các vật cản xung quanh xe ô tô và kịp thời xử lý tình huống, tránh xảy ra va chạm.
Khi phát hiện ra chướng ngại vật, hệ thống sẽ gửi cho người lái cảnh báo âm thanh, hình ảnh kèm vạch màu xác định khoảng cách cũng như vị trí giữa xe đến vật cản.
4.2. Ứng dụng trên các lĩnh vực khác
Ngoài ngành công nghiệp ô tô, thiết bị cảm biến siêu âm còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như:
- Công nghiệp sản xuất: Thiết bị cảm biến ứng dụng trực tiếp trong quá trình phát hiện các hỏng hóc của sản phẩm hay dùng để xác định kích thước và đo mức nhiên liệu của chất rắn.
- Cảm biến vân tay: Cảm biến này hoạt động bằng cách thu lại sóng âm được phản hồi lại từ làn da của người dùng. Khi người dùng đặt tay lên màn hình điện thoại, sóng siêu âm sẽ phát ra. Con chip thông minh trong điện thoại sẽ dựa vào các sóng siêu âm được phản xạ lại để vẽ dấu vân tay bằng hình ảnh 3D.
- Đo mức nước: Người dùng sẽ đặt thiết bị cảm biến siêu âm bên trên các bồn chứa để điều khiển hoặc báo động mức nước khi vượt cao hơn mức cho phép. Nhờ thiết bị này, người sử dụng vẫn có thể đo được các loại chất lỏng có tính chất ăn mòn mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp.
https://cungcap.net/cach-hoat-dong-va-thiet-ke-cua-cam-bien-sieu-am
Cảm biến siêu âm là thiết bị điện tử đo khoảng cách của một đối tượng mục tiêu bằng cách phát ra sóng siêu âm, sau đó âm thanh phản xạ 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.
>> Tìm hiểu thêm: Cảm biến siêu âm Omron
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm
2.1. Cấu tạo cảm biến siêu âm
Thiết bị cảm biến siêu âm được cấu tạo bởi một bộ phận đầu dò phát ra tín hiệu. Đầu dò của cảm biến hoạt động như một microphone để nhận và phát âm thanh 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 thiết kế khác nhau nhưng các thiết bị đầu dò cảm biến sóng siêu âm này đều có chung cấu tạo gồm:
- Bộ phát: Là bộ phận được cấu tạo từ gốm, với đường kính rộng 15mm, hoạt động nhờ cơ chế chuyển động bằng máy rung để tạo ra các sóng siêu âm truyền vào không khí.
- Bộ thu: Có chức năng hình thành các rung động cơ học thích hợp 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: Cung cấp năng lượng cho thiết bị cảm biến thông qua mạch ổn áp, với mức điện áp PCB ± 10%, 24V ± 10%.
2.2. Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm có nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình cho và nhận, có nghĩa là hệ thống cảm biến sẽ liên tiếp phát ra các sóng âm thanh ngắn với tần số cao hơn mức mà con người có thể nghe và có tốc độ lan truyền mạnh. Khi các sóng âm này gặp phải vật cản là chất rắn hay chất lỏng thì sẽ tạo ra các bước sóng phản hồi. Sau cùng, thiết bị cảm biến sẽ tiếp nhận, phân tích và xác định chuẩn xác khoảng cách từ cảm biến đến vật cản.
Tìm hiểu thêm: Đầu cảm biến siêu âm kỹ thuật số E4C-DS80L Omron
3. Ưu, nhược điểm của cảm biến siêu âm
- Ưu điểm:
Sóng siêu âm giúp người dùng có thể đo khoảng cách từ điểm phát đến vật thể mà không cần phải tiếp xúc. Do đó, thiết bị này rất có ích, dùng để đo các chất lỏng có độ ăn mòn cao, nguy cơ gây hại đến cơ thể.
Ngoài chất lỏng, các sóng siêu âm còn có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác như: không khí, chất rắn,... để phát hiện và đo khoảng cách giữa các vật thể.
Hệ thống cảm biến siêu âm còn có độ nhạy cao nên thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác gần như tuyệt đối khi sai số chỉ rơi vào khoảng trung bình là 0,15% trong khoảng cách 2m.
- Nhược điểm:
Hệ thống cảm biến siêu âm có thể bị nhiễu tín hiệu nếu không được lắp đặt đúng cách. Do đó, người dùng nên đọc kỹ chỉ dẫn của nhà sản xuất để lắp đặt chính xác. Ngoài ra, chi phí cho một thiết bị cảm biến thường khá cao.
4. Các vận dụng của cảm biến siêu âm
Công nghệ cảm biến siêu âm liên tục được cải tiến và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Cảm biến siêu âm được xem là một tiêu chuẩn không thế thiếu của ngành công nghiệp hiện đại.
4.1. Ứng dụng trên xe ô tô
Trên ô tô, thiết bị cảm biến siêu âm được gắn vào đầu và đuôi xe để đo khoảng cách và báo hiệu khi xe di chuyển gần đến các vật cản. Cụ thể, khi sử dụng, thiết bị này sẽ tạo ra các tia sóng hình nón để đo khoảng cách giữa các phương tiện hoặc trở ngại vật đang đứng yên hay di chuyển. Quá trình này chỉ mất khoảng 1/1000 giây theo thời gian thực, nhờ đó người sử dụng có thể nhanh chóng phát hiện các vật cản xung quanh xe ô tô và kịp thời xử lý tình huống, tránh xảy ra va chạm.
Khi phát hiện ra chướng ngại vật, hệ thống sẽ gửi cho người lái cảnh báo âm thanh, hình ảnh kèm vạch màu xác định khoảng cách cũng như vị trí giữa xe đến vật cản.
4.2. Ứng dụng trên các lĩnh vực khác
Ngoài ngành công nghiệp ô tô, thiết bị cảm biến siêu âm còn được ứng dụng trong các lĩnh vực khác như:
- Công nghiệp sản xuất: Thiết bị cảm biến ứng dụng trực tiếp trong quá trình phát hiện các hỏng hóc của sản phẩm hay dùng để xác định kích thước và đo mức nhiên liệu của chất rắn.
- Cảm biến vân tay: Cảm biến này hoạt động bằng cách thu lại sóng âm được phản hồi lại từ làn da của người dùng. Khi người dùng đặt tay lên màn hình điện thoại, sóng siêu âm sẽ phát ra. Con chip thông minh trong điện thoại sẽ dựa vào các sóng siêu âm được phản xạ lại để vẽ dấu vân tay bằng hình ảnh 3D.
- Đo mức nước: Người dùng sẽ đặt thiết bị cảm biến siêu âm bên trên các bồn chứa để điều khiển hoặc báo động mức nước khi vượt cao hơn mức cho phép. Nhờ thiết bị này, người sử dụng vẫn có thể đo được các loại chất lỏng có tính chất ăn mòn mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp.
https://cungcap.net/cach-hoat-dong-va-thiet-ke-cua-cam-bien-sieu-am
