Cảm biến siêu âm là gì ? Sóng siêu âm là loại sóng có sẵn trong tự nhiên nhưng việc tìm ra chúng lại mang đến những lợi ích đáng kể dành cho con người. Cho đến nay, loại sóng này đã được ứng dụng phổ biến trong các lĩnh vực như: Y học, làm sạch, quân sự… Vậy sóng siêu âm là gì và chúng có đặc điểm gì để có thể ứng dụng trong các ngành trên?
Bài viết này mình sẽ chia sẻ kiến thưuc về sóng siêu âm cũng nhưng thiết bị ứng dụng loại sóng này để hoạt động. Đó là cảm biến siêu âm, đây là mộ trong những thiết bị làm thay đổi năng suất cũng như hiệu quả làm việc trong các nhà máy. Chúng đóng góp một phần không nhỏ trong quá trình sự phát triển của ngành đo lường hiện nay. Mình cùng tìm hiểu về chúng nhé.
Sóng siêu âm
Âm được định nghĩa là những dao động cơ học của vật chất trong môi trường giãn nở. Tai người có thể nghe được những sóng âm trong phạm vi giải tần từ 20-20.000Hz.
Theo đó, những âm có tần số dưới 20Hz được gọi là hạ âm, những âm có tần số trên 20.000Hz được gọi là siêu âm. Hạ âm và siêu âm là 2 vùng âm mà tai người không thể nghe được
Sóng siêu âm là gì ?
Siêu âm hay sóng siêu âm, có nguồn gốc từ các từ tiếng Latinh “ultra” có nghĩa là vượt ra ngoài và “sonic”, nghĩa là âm thanh. Đây là một thuật ngữ dùng để mô tả các sóng âm thanh rung động nhanh hơn mức tai người có thể phát hiện được.
Sóng siêu âm có tần số
Siêu âm có tần số cụ thể hoặc số lần dao động trong một giây. Con người có thể phát hiện âm thanh trong dải tần từ 20Hz đến 20 KHz. Tuy nhiên, dải tần số thường được sử dụng trong phát hiện siêu âm là 100 KHz đến 50MHz.
Vận tốc của siêu âm tại một thời điểm và nhiệt độ cụ thể là không đổi trong một môi trường. Chúng được thể hiện theo công thức dưới đây:
W = C / F (hoặc) W = CT
Trong đó:
- W = Chiều dài sóng
- C = Vận tốc của âm thanh trong môi trường
- F = Tần số của sóng
- T = Khoảng thời gian
Cảm biến siêu âm là gì ?
Cảm biến siêu âm là gì lá câu hỏi của rất nhiều bạn sinh viên mới ra trường chưa có kinh nghiệm, Trọng sẽ giải đáp cho các bạn biết nhé.
Cảm biến siêm âm là một thiết bị đo được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Bởi vì chúng sử dụng nguyên lý thu phát sóng siêu âm nên chúng có thể đo đạc được những vật thể ở xa gần khác nhau mà không cần tiếp xúc trực tiếp.
Các bạn có thể thấy và bắt gặp chúng ở trong các nhà máy giám sát hoặc hệ thống giám sát mực nước, mức axit, muối hay các chất gây ăn mòn cao.
Chúng thường được gẳn ở trên các đỉnh bồn hoặc ở trên cao theo hướng vuông góc vớt bề mặt cần đo. Chúng ta cùng tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý của chúng nhé.
Cấu tạo cảm biến siêu âm
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại khác nhau. Nhưng hầu hết chúng cũng gồm các bộ phận chính như mình liệt kê dưới đây. Mỗi bộ phận này đều có chức năng khác nhau chúng liên kết lại tạo thành một thiết bị hoàn chỉnh.
Phần đầu dò
Phần này sẽ chưa một lớp màng phát sóng. Thường được làm từ chất liệu gốm và có đường kính là 15mm. Đây là một bộ phận giúp cảm biến phát ra sóng âm với tần số riêng và lan truyền trong không khí.
Trong phần đầu dò này còn chưa thêm một máy thu sóng siêu âm. Khi máy rung nhận sóng siêu âm, nó tạo ra rung động cơ học tương ứng theo sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của máy thu.
Phần vỏ
Đây là phần bảo vệ toàn bộ cảm biến. Chúng thường được làm từ ccas vật liệu đặc biệt như inox 304, hoặc 326 đối với môi trường có hơi axit. Chúng giúp cảm biến bảo vệ bởi hơi nước, hơi axit hay các yếu tố môi trường gây ảnh hưởng tới cảm biến.
Phần xử lý tín hiệu
Đây là phần rất quan trọng nhất trong mọi thiết bị cảm biến. Tất cả công nghệ hiện đại đều nằm ở chỗ này. Chúng được alfm từ các phần từ điện và kết nổi với nhau bằng một bảng mạch hình tròn. Khi sóng âm phát ra và thu lai thì chúng có một khoảng thời gian bay tuỳ thuộc vào vật xa hay gần. Bộ phận xử lý sẽ ghi lại khoảng thời gian này và chuyển thành tín hiệu analog 4-20mA về PLC. Mình sẽ nói rõ điều này ở phần nguyên lý hoạt động.
Dây kết nối điện
Dây kết nối điện hay còn gọi là dây dẫn tín hiêu. Trên nhiều dòng cảm biến siêu âm bây giờ chúng chỉ sử dụng hai dây thay vè 3,4 dây như trước kia. Hai dây này vừa là dây nguồn nuôi cho cảm biến vừa là dây dẫn tín hiệu analog 4-20mA về bộ điều khiển hoặc bộ hiển thị.
Nguyên lý cảm biên siêu âm
Nguyên lý hoạt động của chúng khá đơn giản. Chúng dựa vào nguyên lý siêu âm để hoạt động. Khi làm việc ở đầu dò của cảm biến có một lớp màng tạo ra sóng siêu âm. Sóng này sẽ làn truyền theo hình vòng cung và lớn dần khi bay ra khỏi đầu dò.
Khi sóng âm gặp vật cảm chúng sẽ ngay lập tức dội ngược lại theo góc phản xạ (Để đo khoảng cách chính xác chúng ta nên gắn vuông góc cảm biến với mặt phẳng của vật cần đo). Và sóng âm phản xạ này sẽ được cảm biến thu lại với máy thu.
Bằng cách tính khoảng thời gian giữa sóng đi và về thì cảm biến sẽ biết được chính xác khoảng cách của vật. và sẽ chuyển thành tín hiệu dạng analog 4-20mA truyền về bộ điều khiển PLC để đọc hoặc truyền về các bộ hiển thị để giám sát mức.
Các loại cảm biên siêu âm
Như vậy mình đã vừa trình bày xong nguyên lý cũng như cấu tạo cuả chúng. Vậy cảm biến siêu âm gồm mấy loại? chúng khác nhau như thế nào thì cùng mình tìm hiểu tiếp theo đây nhé.
Bài viết này mình sẽ chia chúng làm hai loại chính đó là một loại dùng để sử dụng cho các mô hình, đồ án hoặc những thí nghiệm nhỏ điển hình như các dòng cmar biến siêu âm HC-SR04. CÒn loại thứ hai là loại sử dụng trong công nghiệp. Chúng được thiết kế khắ chắc chắn và có thể đo được khoảng cách như mực nước, mực axit trong bồn chứa, tank chứa hoặc silo.
Cảm biến siêu âm hc-sr04
HC-SR04 là cảm biến siêu âm chủ yếu được sử dụng để xác định khoảng cách của đối tượng mục tiêu. Nó đo khoảng cách chính xác bằng công nghệ không tiếp xúc, tức là không có tiếp xúc vật lý giữa cảm biến và vật thể.
Bộ phát và bộ thu là hai bộ phận chính của cảm biến, bộ phát chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng siêu âm, còn bộ thu chuyển đổi tín hiệu siêu âm đó trở lại thành tín hiệu điện.
Các sóng siêu âm này là các tín hiệu âm thanh có thể được đo và hiển thị ở đầu nhận. Nó cung cấp các chi tiết đo lường chính xác và đi kèm với độ phân giải khoảng 3mm, có thể có sự khác biệt nhỏ về khoảng cách tính toán từ đối tượng và khoảng cách thực tế.
Cảm biến siêu âm công nghiệp
Khác với các loại cảm biến siêu âm sử dụng trong đời sống như: cảm biến siêu âm phát hiện vật cản thường dùng trên các loại xe ô tô, cảm biến siêu âm dùng trong chuẩn đoán y khoa, cảm biến vân tay siêu âm trong màn hình trên một số điện thoại smartphone…
Thì dòng cảm biến siêu âm trong công nghiệp chủ yếu là loại cảm biến siêu âm đo mức nước chuyên dùng để xác định thể tích chất lỏng trong bồn chứa. Chúng có thiết kế đặc biệt hơn rất nhiều so với các dòng cmar biến siêu âm khác.
Để làm việc được trong môi trường công nghiệp thì bắt buộc cảm biến đo phải đmả bảo hai yếu tố đó là sự chính xác và sự ổn định khi làm việc.
Ứng dụng cảm biến siêu âm
Các ứng dụng liên quan đến cảm biến siêu âm có rất rất nhiều. Không chỉ đời sống thường ngày mà ngay cả trong công nghiệp cảm biến siêu âm cũng được các kỹ sư tin chọn và sử dụng.
Cảm biến siêu âm kiểm tra số lượng
Trong mỗi một dây chuyền sản xuất các sản phẩm về nước đóng chai hoặc đóng hộ. Ở mỗi công đoạn cuối cùng luôn có một khâu cuối đó là kiếm tra chất số lượng trong một lốc đã đủ hay chưa.
Cảm biến siêu âm được ứng dụng ngay tịa vị trí khâu này. Chúng sẽ được dùng để đếm số lượng và phát hiện những vật thể dị tật có tỏng dây chuyển sản xuất. Khi phát hiện ra những vật thể khác biệt chúng sẽ ngay lập tức báo về hệ thống để loại bỏ sản phẩm lỗi.
Kiêm tra độ nứt gãy
Khi phát hiện các đường viền không đều và bị gãy, một đặc tính cấu trúc tỏ ra hữu ích: phạm vi đo của cảm biến siêu âm càng lớn đối tượng càng ở xa. Hình nón âm thanh do đó luôn chạm vào bề mặt của đối tượng mục tiêu và cảm biến phát hiện nhiều hơn chỉ một điểm.
Do đó nó không bị ảnh hưởng bởi các lỗ và hốc. Đường kính của hình nón âm thanh tại điểm đo cũng có thể được điều chỉnh cho phù hợp với ứng dụng.
Kiêm tra độ căng của giấy
Dựa vào khả năng sủ dụng sóng dạng siêu âm cho nên cảm biến siêu âm này đo và nhận biết hầu hết các vật khác nhau. Một trong những ứng dụng có thể gọi là khó nhất trong hệ máy làm khẩu trang hay làm khăn giấy đó chính là đo lực căng của phôi trươc khia đưa vào sử lý cắt và xếp lại.
Ở đây người ta sẻ ứng dụng một cảm biến siêu âm lắp thẳng đứng và hướng đầu dò về điểm võng của cuộn phôi giấy. Cảm biến sẽ đo được khoảng cách độ võng này và điều khiển động cơ theo thuật toán PID để tăng hoặc giảm tốc độ sao cho lực cnawg của khăn giấy luôn đảm bảo.
Đo mực nước bằng cảm biến siêu âm
Đây là ứng dụng thường thấy nhất của cảm biến siêu âm. Nếu bạn cần đo mực nước trong những bồ có chưa chất lỏng thì bạn chỉ cần gắn cảm biến này ở phần trên đỉnh của bồn và hướng sao cho đầu dò của chúng vuông góc với mặt chất lỏng bạn cần đo.
Còn nếu bạn đo ở trong ao hồ, sông hay đập thuỷ điện thì bạn cần lắp thêm một cái giá đỡ như hình dưới đây. Để đảm bảo độ bền cho cảm biến bạn nên chúng ta cần phải lắp thêm một mái che để cảm biến được hoạt động ổn định hơn.
Đo khoảng cách
Khi sử dụng cảm biến siêu âm; cảm biến sẽ phát ra 1 chùm tia sóng hình nón xuống vị trí cần đo khoảng cách. Thông thường người ta dùng cảm biến siêu âm để đo khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm trên băng chuyền.
Nếu khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm đột ngột tăng cao thì khả năng là sản phẩm đó đang bị móp, méo hoặc đang bị nứt. Từ đó cảm biến sẽ báo động và loại sản phẩm đó ra khỏi băng chuyền.
Cảm biến vân tay siêu âm
Bạn có nghe, Samsung vừa cho ra mắt chiếc điện thoại Galaxy S10/S10+ có hỗ trợ cảm biến vân tay siêu âm. Bạn có biết là cảm biến này hoạt động cũng dựa trên nguyên lý sóng siêu âm.
Cảm biến này hoạt động dựa trên công nghệ được gọi là “3D Sonic Sensor” . Nó hoạt động bằng cách thu lại sóng âm bị phản hồi lại từ làn da của bạn. Nó sẽ ghi lại thông tin chi tiết của ngón tay xuyên qua nước, kem dưỡng da và dầu mỡ, vào ban đêm hoặc dưới ánh sáng ban ngày.
Khi bạn đặt tay lên bàn hình điện thoại, sóng siêu âm sẽ phát ra từ màn hình đến các vân tay của bạn. Bởi vì các dấu vân tay của bạn là các rãnh lồi, lõm khác nhau nên khi sóng siêu âm tiếp xúc sẽ phản xạ sóng lại có khoảng cách khác nhau.
Từ đó, con chip trong điện thoại sẽ dựa vào các sóng siêu âm được phản xạ lại để vẽ lại dấu vân tay của bạn bằng 3D.
Lưu ý khi mua cảm biến siêu âm?
Ứng dụng của cảm biến nhiều là vậy đó, nhưng khi mua; bạn nên tìm hiểu kỹ về tính năng cũng mục đích để mua được loại phù hợp. Những thông số sau đây bạn có thể tham khảo để trnahs trường hợp mua thiết bị không đúng với dự án của các bạn cần.
Khoảng cách cần đo
Như mình đã đề cập phía trên; mỗi loại cảm biến siêu âm có một thang đo cụ thể, từ vài trăm cm đến vài chục mét. Và khoảng cách đo này ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của cảm biến.
Bởi vì khi hoạt động; cảm biến sẽ phát 1 chùm sóng siêu âm hình nón xuống bề mặt vật chất cần đo. Và nếu như đo càng xa, thì phần tia sóng sẽ càng rộng ra, dễ dẫn đến sai số.
Đối với các ứng dụng như lắp trên các bản mạch robot hoặc trên xe ô tô; thì khoảng cách đo lớn nhất chỉ tầm khoảng vài mét trở lại. Còn đối với các ứng dụng đo mức chất lỏng trong công nghiệp; khoảng cách có thể đo được có thể lên đến vài chục mét. Hiện nay; Đối với dòng cảm biến siêu âm Dinel; thì khoảng cách tối đa mà nó có thể đo được là 20m.
Vùng mù của cảm biến siêu âm
Mỗi một loại cảm biến siêu âm; đều có 1 khoảng cách được gọi là vùng mù của cảm biến siêu âm. Đây là khoảng cách từ bộ phát của cảm biến tính xuống phía dưới.
Ví dụ như khoảng cách đo của con cảm biến siêu 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, khi ta chọn mua cảm biến; ta cần hỏi rõ người bán xem vùng mù của cảm biến đó là bao nhiêu.
Nhiệt độ và áp suất môi trường đo
Bởi vì cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc thu/phát sóng siêu âm. Vì thế nên khi nhiệt độ và áp suất trong bồn quá cao sẽ làm lệch hướng sóng.
Thông thường thì các loại cảm biến siêu âm đo mức nước; có nhiệt độ chịu được vào khoảng 60 độ C và áp suất tối đa là 1 bar
Nên nếu môi trường đo của bạn có nhiệt độ và áp suất cao; thì không nên chọn phương pháp đo mức bằng siêu âm.
Kết Luận
Trên đây là tất cả những kiến thức mà Trọng muốn chia sẻ đế mọi người. Mong những kiến thức này sẽ giúp các bạn trong cuộc sống. Và các loại cảm biến siêu âm hiện nay bên mình đều cung cấp; bạn nào có nhu cầu cần mua hoặc tìm hiểu thêm về chúng thì liên hệ mình; với thông tin liên hệ mình dể ở cuối mỗi phần bài viết nhé. Cảm ở các bạn đã theo dõi bài viết của mình.
Bài Viết Tham Khảo: Cảm Biến NHiệt Độ Là Gì ?
Liên Hệ
Kỹ Sư Cơ Điện Tử – Mr. Trọng
Mobi/Zalo: 0975 116 329
Mail: trongle@huphaco.vn
BÀI VIẾT LIÊN QUAN
Siêu âm là gì? Sóng siêu âm là gì? Cảm biến siêu âm là gì? Xin mến chào các bạn! hôm nay mình sẽ chia sẻ toàn bộ kiến thức về siêu âm và ứng dụng của chúng trong đời sống sinh hoạt cũng như sản xuất công nghiệp nhé. Trong đời sống sinh hoạt […]
Cảm biến đo mức chất lỏng là phương pháp giám sát mức nước chính xác nhất , dạng tuyến tính analog 4-20ma hoặc 0-10v sau đó đưa tín hiệu về PLC để điều khiển . Hiện nay việc dùng cảm biến đo mức chất lỏng để thay thế các loại công tắc đo mức nước […]
Cùng với sự phát triển của các hệ thống hiện đại có các thiết bị điện ứng dụng công nghệ tân tiến thì vấn dề quản lý, giám sát, điều khiển, vận hành hệ thống không ngừng phát triển với sự trợ giúp đắc lựuc của các thiết bị tự động, thiết bị truyền tin […]