Cảm biến siêu âm là gì?

Cảm biến siêu âm (ultrasonic sensor) hay còn gọi cảm biến phát hiện vật cản. Đây là thiết bị điện tử được sử dụng để 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. Ngoài ra 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 SR04T

Cấu tạo của cảm biến siêu âm

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).

Cảm biến siêu âm SRF05

Cảm biến siêu âm gồm 3 thành phần chính là: bộ phát (mục đích truyền đi tín hiệu sóng âm), bộ thu (thu nguồn âm thanh sau khi truyền đến) và bộ điều khiển. Mặc dù thiết kế khác nhau nhưng các thiết bị đầu dò cảm biến sóng siêu âm này đều có chung cấu tạo cơ bản:

Bộ phát: Là bộ phận được cấu tạo từ gốm, với đường kính rộng khoảng 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 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.

Nguyên lý hoạt động

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 tục 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.

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 phản xạ.

Ưu điểm của cảm biến siêu âm

Sóng siêu âm giúp người sử dụng có thể đo khoảng cách từ điểm phát đến vật thể mà không cần phải tiếp xúc. Do đó, thiết bị này rất hữu dụng, 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

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^oC 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.

Ứng dụng của cảm biến siêu âm

Phát hiện vật cản: Trên các dòng ô tô hiện nay, ở phần đầu xe và đuôi xe đều được trang bị cảm biến siêu âm. 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.

Ứng dụng trong 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, … 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.

Đo khoảng cách, mực nước.