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

Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor) là thiết bị sử dụng sóng âm tần số cao để phát hiện vật thể hoặc xác định khoảng cách mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Cảm biến phát một xung siêu âm, nhận tín hiệu phản xạ từ mục tiêu rồi tính khoảng cách dựa trên thời gian sóng truyền đi và quay trở lại.

Trong công nghiệp, nguyên lý này được ứng dụng để phát hiện sản phẩm trên băng tải, kiểm tra vị trí, đo khoảng cách, giám sát độ cao và đo mức chất lỏng. Tùy model, cảm biến có thể sử dụng ngõ ra PNP/NPN, 0–10V, 4–20mA hoặc giao tiếp số.

Điểm cần nhớ là cảm biến siêu âm là một nhóm thiết bị khá rộng. Cảm biến dùng để phát hiện vật, cảm biến đo khoảng cách và transmitter siêu âm đo mức đều dựa trên nguyên lý tương tự nhưng có dải đo, vùng mù, tốc độ phản hồi và tín hiệu đầu ra khác nhau.

Cảm biến siêu âm là gì?

Cảm biến siêu âm là cảm biến không tiếp xúc sử dụng sóng âm có tần số cao để phát hiện vật hoặc xác định khoảng cách đến mục tiêu.

Về bản chất, sóng siêu âm vẫn là sóng âm cơ học nhưng có tần số cao hơn vùng nghe của con người. Đầu dò phát sóng về phía mục tiêu, nhận tín hiệu phản xạ rồi bộ xử lý sử dụng thời gian truyền để xác định khoảng cách.

Nếu cần tìm hiểu riêng về bản chất và đặc điểm của sóng âm, có thể xem bài sóng siêu âm là gì. Bài này tập trung vào nguyên lý và đặc điểm kỹ thuật của cảm biến siêu âm công nghiệp.

Nguyên lý cảm biến siêu âm hoạt động như thế nào?

Nguyên lý phổ biến nhất của cảm biến siêu âm đo khoảng cách là Time of Flight – xác định khoảng cách dựa trên thời gian truyền của sóng âm.

1. Đầu dò phát một xung siêu âm về phía vật cần đo.
2. Sóng truyền qua không khí đến bề mặt vật thể.
3. Một phần năng lượng được phản xạ trở lại cảm biến.
4. Bộ xử lý đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận echo.
5. Khoảng cách được tính toán từ thời gian truyền và vận tốc âm.

Trong đó d là khoảng cách từ cảm biến đến vật, v là vận tốc truyền âm và t là tổng thời gian sóng đi đến mục tiêu rồi phản xạ trở lại.

Công thức phải chia cho 2 vì thời gian mà cảm biến đo được bao gồm cả quãng đường sóng truyền đi và về.

Vì sao nhiệt độ ảnh hưởng đến cảm biến siêu âm?

Sóng âm phải truyền qua môi trường khí. Khi nhiệt độ không khí thay đổi, vận tốc truyền âm cũng thay đổi và có thể làm kết quả đo khoảng cách bị lệch.

Vì vậy nhiều cảm biến siêu âm công nghiệp có chức năng đo nhiệt độ và bù nhiệt tự động. Đây là thông số nên kiểm tra khi cảm biến được sử dụng ngoài trời hoặc tại vị trí có nhiệt độ môi trường thay đổi đáng kể.

Cấu tạo cảm biến siêu âm

Cấu tạo cụ thể thay đổi theo từng hãng và model, nhưng một cảm biến siêu âm thường có các thành phần chức năng chính sau.

1. Đầu dò siêu âm – Ultrasonic transducer

Đầu dò có nhiệm vụ chuyển đổi qua lại giữa tín hiệu điện và dao động cơ học. Khi phát, đầu dò tạo ra xung siêu âm. Khi echo quay trở lại, đầu dò tiếp nhận dao động và chuyển thành tín hiệu điện để bộ xử lý phân tích.

Phần tử áp điện – piezoelectric element – thường được sử dụng trong đầu dò siêu âm để thực hiện quá trình phát và thu này.

2. Mạch xử lý tín hiệu

Mạch xử lý xác định thời gian truyền sóng, lọc tín hiệu echo, nhận diện mục tiêu và chuyển giá trị khoảng cách thành tín hiệu đầu ra tương ứng.

3. Bộ bù nhiệt

Trên các cảm biến yêu cầu đo khoảng cách chính xác, nhiệt độ môi trường có thể được đưa vào thuật toán để hiệu chỉnh vận tốc âm và giảm sai số.

4. Vỏ và kết nối điện

Vỏ cảm biến bảo vệ đầu dò và mạch điện khỏi bụi, nước, va chạm và các tác động của môi trường. Tùy model, thiết bị có thể sử dụng dây liền, connector M12, cable gland hoặc kiểu kết nối riêng.

Các loại cảm biến siêu âm phổ biến trong công nghiệp

Cảm biến siêu âm phát hiện vật thể

Loại này hoạt động gần giống cảm biến tiệm cận. Khi vật đi vào vùng phát hiện, cảm biến thay đổi trạng thái ngõ ra để PLC hoặc bộ điều khiển nhận biết.

• Phát hiện sản phẩm trên băng tải.
• Kiểm tra có hoặc không có vật.
• Phát hiện thùng, bao bì hoặc pallet.
• Phát hiện một số vật mà cảm biến quang khó xử lý.

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách

Thay vì chỉ báo ON/OFF, loại này liên tục xác định khoảng cách từ đầu dò đến mục tiêu. Giá trị có thể được chuyển thành tín hiệu analog hoặc truyền trực tiếp về bộ điều khiển.

Ứng dụng thường gặp gồm đo chiều cao sản phẩm, theo dõi vị trí cuộn vật liệu, kiểm soát khoảng cách hoặc giám sát vị trí cơ cấu.

Cảm biến siêu âm đo mức

Ứng dụng đo mức thực chất vẫn là phép đo khoảng cách. Cảm biến đặt phía trên bề mặt chất lỏng hoặc vật liệu, đo khoảng cách xuống bề mặt rồi quy đổi thành chiều cao mức.

Bài toán đo mức còn liên quan đến vùng mù, bọt, hơi, vật cản, vị trí lắp và hình học của bồn. Phần này đã được trình bày riêng trong bài cảm biến siêu âm đo mức nước nên không đi sâu tại đây.

Thông số kỹ thuật quan trọng của cảm biến siêu âm

Khoảng đo – Sensing range

Khoảng đo cảm biến siêu âm là vùng mà thiết bị được thiết kế để phát hiện hoặc xác định khoảng cách tới mục tiêu.

Không nên chỉ đọc giá trị khoảng cách lớn nhất. Cần kiểm tra đồng thời khoảng gần nhất, vùng mù và điều kiện mục tiêu mà nhà sản xuất sử dụng để công bố dải đo.

Vùng mù – Dead band

Vùng mù cảm biến siêu âm là khoảng rất gần đầu dò mà thiết bị không thể thực hiện phép đo tin cậy.

Sau khi phát một xung siêu âm, đầu dò và mạch điện cần một khoảng thời gian ngắn để chuyển sang trạng thái nhận. Nếu mục tiêu nằm quá gần, echo quay về quá sớm và không thể được xử lý chính xác.

Góc phát và vùng phát sóng

Sóng siêu âm không truyền đi như một đường thẳng có đường kính cố định. Năng lượng âm tạo thành một vùng phát mở rộng theo khoảng cách.

Vì vậy vật cản nằm gần trục đo như thành máy, thanh giằng, đường ống hoặc mép bồn vẫn có khả năng tạo tín hiệu echo không mong muốn.

Độ chính xác, độ phân giải và độ lặp lại

Ba thông số này không hoàn toàn giống nhau:

• Độ chính xác – Accuracy: giá trị đo gần giá trị thực đến mức nào.
• Độ phân giải – Resolution: mức thay đổi nhỏ mà cảm biến có thể nhận biết hoặc biểu diễn.
• Độ lặp lại – Repeatability: mức ổn định khi đo cùng một mục tiêu nhiều lần trong điều kiện tương tự.

Một cảm biến có độ phân giải cao chưa chắc có độ chính xác tổng thể tương ứng. Khi đọc datasheet cần xem đúng thông số mà ứng dụng thực tế yêu cầu.

Thời gian đáp ứng

Cảm biến phải phát xung và chờ echo quay lại nên tốc độ đo có giới hạn. Ứng dụng đo mức thay đổi chậm thường không yêu cầu phản hồi quá nhanh, nhưng trên băng tải tốc độ cao thì response time hoặc switching frequency lại rất quan trọng.

Những nguyên nhân làm cảm biến siêu âm đo sai

Bề mặt mục tiêu bị nghiêng

Nếu bề mặt nghiêng quá nhiều, sóng siêu âm có thể phản xạ sang hướng khác thay vì quay trở lại đầu dò. Bề mặt phẳng và gần vuông góc với trục cảm biến thường tạo echo thuận lợi hơn.

Vật liệu hấp thụ âm

Các bề mặt mềm, xốp hoặc có khả năng hấp thụ âm cao có thể tạo echo yếu hơn so với bề mặt cứng. Dải đo thực tế vì vậy có thể thấp hơn điều kiện tham chiếu.

Nhiệt độ và dòng khí

Nhiệt độ làm thay đổi vận tốc âm. Ngoài ra dòng khí mạnh, khí nóng hoặc vùng có gradient nhiệt lớn cũng có thể làm đường truyền âm thay đổi và khiến echo khó xử lý hơn.

Bụi, mưa hoặc hạt trong không khí

Một lượng bụi nhỏ không đồng nghĩa cảm biến sẽ mất tín hiệu ngay. Tuy nhiên bụi rất dày, mưa mạnh hoặc môi trường có nhiều hạt lơ lửng có thể làm suy giảm năng lượng âm và giảm phạm vi đo.

Nhiều cảm biến đặt quá gần nhau

Nếu nhiều ultrasonic sensor hoạt động gần nhau, cảm biến này có thể nhận nhầm xung phát từ cảm biến khác. Hiện tượng này thường được gọi là cross-talk.

Một số dòng công nghiệp hỗ trợ synchronization hoặc cơ chế hoạt động luân phiên để giảm nhiễu giữa các cảm biến.

Cảm biến siêu âm có những loại ngõ ra nào?

Kiểu tín hiệu phải được chọn theo yêu cầu của PLC hoặc bộ điều khiển. Không nên chọn cảm biến xong mới kiểm tra hệ thống có đọc được tín hiệu hay không.

Ví dụ các dòng transmitter siêu âm công nghiệp như Dinel ULM-53 có nhiều phiên bản tín hiệu khác nhau. Vì vậy cần đọc đúng mã cấu hình thay vì suy luận chỉ từ tên dòng sản phẩm.

Nếu sử dụng tín hiệu analog về PLC, có thể xem thêm bài tín hiệu 4–20mA là gì.

Ưu và nhược điểm của cảm biến siêu âm

Khi nào nên dùng cảm biến siêu âm?

Cảm biến siêu âm thường phù hợp khi cần:

• Phát hiện vật mà không tiếp xúc trực tiếp.
• Đo khoảng cách liên tục.
• Đo vật có màu sắc hoặc độ trong suốt khiến cảm biến quang khó xử lý.
• Theo dõi vị trí hoặc chiều cao sản phẩm.
• Đo mức bồn hoặc bể trong điều kiện môi trường phù hợp.
• Cần tín hiệu analog đưa về PLC.

Ngược lại, nếu môi trường có nhiều hơi, bọt, bụi dày, luồng khí mạnh hoặc hình học lắp đặt phức tạp thì cần đánh giá kỹ hơn trước khi chọn công nghệ siêu âm.

Riêng trong ứng dụng đo mức, không nên mặc định radar hay siêu âm công nghệ nào luôn tốt hơn. Có thể xem bài radar hay siêu âm đo mức để đối chiếu hai nguyên lý trong các điều kiện thực tế.

Nếu cần xem rộng hơn ngoài hai công nghệ này, tham khảo bài các loại cảm biến đo mức nước công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp về cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có đo được trong chân không không?

Không. Sóng siêu âm là sóng cơ học nên cần môi trường vật chất để truyền. Nếu không có môi trường truyền phù hợp giữa đầu dò và mục tiêu thì phép đo time-of-flight bằng siêu âm không thể hoạt động bình thường.

Cảm biến siêu âm có bị ảnh hưởng bởi màu sắc không?

Màu sắc không phải yếu tố chính quyết định tín hiệu siêu âm. Hình dạng, kích thước, góc bề mặt, khả năng phản xạ âm, khoảng cách và môi trường truyền sóng thường quan trọng hơn.

Có thể loại bỏ vùng mù của cảm biến siêu âm không?

Thông thường không. Vùng mù liên quan đến cấu tạo đầu dò và thời gian chuyển đổi giữa quá trình phát và thu. Khi thiết kế cần đảm bảo mục tiêu gần nhất vẫn nằm ngoài dead band mà nhà sản xuất quy định.

Cảm biến siêu âm có đưa tín hiệu 4–20mA về PLC được không?

Có nếu model được chọn hỗ trợ ngõ ra 4–20mA. Tuy nhiên nhiều cảm biến chỉ sử dụng PNP/NPN, 0–10V hoặc giao tiếp số nên phải kiểm tra datasheet và sơ đồ đấu dây của đúng model.

Cảm biến siêu âm và cảm biến đo mức siêu âm có giống nhau không?

Cảm biến siêu âm là khái niệm rộng, bao gồm thiết bị phát hiện vật, đo khoảng cách và nhiều ứng dụng khác. Cảm biến siêu âm đo mức là một nhóm cụ thể được thiết kế để chuyển khoảng cách tới bề mặt thành giá trị mức.

Do đó không phải mọi ultrasonic sensor đều phù hợp để lắp trên bồn và sử dụng như một transmitter đo mức công nghiệp.

Kết luận về cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là thiết bị đo không tiếp xúc sử dụng thời gian truyền và phản xạ của sóng âm để phát hiện vật hoặc xác định khoảng cách. Muốn sử dụng chính xác cần hiểu không chỉ nguyên lý phát – thu mà còn cả vùng mù, vùng phát sóng, khả năng phản xạ của mục tiêu, bù nhiệt, thời gian đáp ứng và kiểu tín hiệu đầu ra.

Trong ứng dụng công nghiệp, cách chọn hợp lý nên bắt đầu từ mục tiêu cần phát hiện hoặc đo → khoảng cách → điều kiện môi trường → tốc độ phản hồi → tín hiệu PLC, thay vì chỉ tìm cảm biến có dải đo lớn nhất.