Cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và tính ứng dụng

Cảm biến siêu âm là thiết bị sử dụng sóng âm để đo khoảng cách và phát hiện vật thể, ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong bài viết lần này của Thanh Thiên Phú, hãy cùng khám phá chi tiết về cảm biến siêu âm từ định nghĩa, nguyên lý hoạt động đến các ứng dụng thực tế.

1. Cảm biến siêu âm là gì?

Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor) là một thiết bị điện tử có khả năng phát ra sóng âm thanh ở tần số cao (siêu âm, vượt ngưỡng nghe của con người) và thu nhận sóng phản xạ từ vật thể. Bằng cách đo thời gian từ khi phát sóng đến khi nhận lại sóng phản xạ, cảm biến có thể xác định chính xác khoảng cách đến vật thể đó. Về bản chất, cảm biến siêu âm hoạt động tương tự như cách loài dơi sử dụng sóng âm để định vị trong bóng tối.

Cụ thể hơn, bộ phận phát của cảm biến siêu âm sử dụng tinh thể áp điện để tạo ra sóng âm. Khi sóng âm gặp vật cản, nó sẽ phản xạ trở lại và được bộ phận thu của cảm biến tiếp nhận. Tín hiệu âm thanh phản xạ này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện và được bộ xử lý của cảm biến phân tích để tính toán khoảng cách.

2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phát và thu nhận sóng âm thanh ở tần số cao (siêu âm), tương tự như cách loài dơi định vị trong bóng tối. Quá trình này diễn ra như sau:

• Đầu tiên, bộ phận phát của cảm biến (thường là tinh thể áp điện) liên tục tạo ra các xung sóng siêu âm, có tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người (trên 20kHz). Sóng siêu âm này lan truyền trong môi trường, thường là không khí.
• Khi sóng siêu âm gặp vật cản, bất kể là chất rắn hay chất lỏng, một phần sóng sẽ bị phản xạ ngược lại. Bộ phận thu của cảm biến, có cấu tạo tương tự bộ phận phát, sẽ tiếp nhận sóng phản xạ này.
• Cuối cùng, cảm biến sẽ đo khoảng thời gian từ khi phát sóng đến khi nhận lại sóng phản xạ. Dựa trên thời gian này và tốc độ truyền âm thanh đã biết trong môi trường, cảm biến tính toán chính xác khoảng cách từ cảm biến đến vật cản.

3. Các bộ phận chính của cảm biến siêu âm

Một cảm biến siêu âm thường bao gồm các bộ phận chính sau:

• Bộ phát: Bộ phận này có nhiệm vụ tạo ra sóng siêu âm. Thông thường, bộ phát sử dụng một tinh thể áp điện. Khi có điện áp đặt vào tinh thể, nó sẽ rung động ở tần số cao và tạo ra sóng siêu âm.
• Bộ thu: Bộ phận này có nhiệm vụ thu nhận sóng siêu âm phản xạ từ vật cản. Bộ thu thường cũng sử dụng một tinh thể áp điện, có cấu tạo tương tự như bộ phát. Khi sóng siêu âm tác động lên tinh thể, nó sẽ tạo ra một điện áp.
• Bộ điều khiển / Bộ xử lý tín hiệu: Bộ phận này có nhiệm vụ điều khiển quá trình phát và thu sóng siêu âm, đồng thời xử lý tín hiệu thu được để tính toán khoảng cách hoặc phát hiện vật thể.

4. Các thông số kỹ thuật chính của cảm biến siêu âm

Do sự đa dạng về vật liệu cấu thành và kích thước của đầu dò, khả năng hoạt động của mỗi cảm biến siêu âm sẽ khác nhau. Dưới đây là các thông số quan trọng cần quan tâm:

• Tần số hoạt động: Tần số sóng siêu âm mà cảm biến phát ra, thường là tần số cộng hưởng của đầu dò. Tần số ảnh hưởng lớn đến độ nhạy và độ chính xác. Tần số càng cao, cảm biến càng nhạy và phản hồi nhanh, nhưng phạm vi đo có thể bị giới hạn.
• Nhiệt độ hoạt động: Nhiệt độ hoạt động của đầu dò có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến. Cần xem xét phạm vi nhiệt độ hoạt động của cảm biến để đảm bảo phù hợp với môi trường sử dụng. Một số cảm biến công suất nhỏ có thể hoạt động liên tục mà không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, trong khi các ứng dụng khác (ví dụ: y tế) có thể cần hệ thống làm mát riêng.
• Độ nhạy: Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc vào tần số hoạt động và bộ điều khiển. Tần số cao thường đi kèm với độ nhạy cao hơn, cho phép phát hiện các vật thể nhỏ hơn hoặc ở xa hơn.
• Hiển thị: Một số cảm biến siêu âm có tích hợp màn hình hiển thị để hiển thị trực tiếp giá trị đo (ví dụ: khoảng cách). Tuy nhiên, để giảm giá thành, một số cảm biến (đặc biệt là loại dùng để đo mức chất lỏng) có thể không có màn hình, mà chỉ cung cấp tín hiệu đầu ra analog (ví dụ: 4-20mA) để kết nối với hệ thống điều khiển trung tâm.
• Độ chính xác: Độ chính xác là yếu tố quan trọng đối với mọi thiết bị đo. Cảm biến siêu âm thường có độ chính xác cao, sai số nhỏ. Cần lựa chọn cảm biến có độ chính xác phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

5. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến siêu âm

5.1. Ưu điểm

• Đo không tiếp xúc: Cảm biến siêu âm có thể đo khoảng cách, phát hiện vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp, rất hữu ích trong các môi trường khắc nghiệt, đo chất lỏng ăn mòn, hoặc các vật thể chuyển động.
• Độ chính xác cao: Cảm biến siêu âm cung cấp độ chính xác cao trong việc đo khoảng cách, với sai số thường rất nhỏ (ví dụ: ±0.15% trong phạm vi 2m).
• Ít bị ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt vật thể: Không giống như cảm biến quang, cảm biến siêu âm ít bị ảnh hưởng bởi màu sắc, độ trong suốt, hoặc độ bóng của vật thể.
• Hoạt động tốt trong nhiều môi trường: Cảm biến siêu âm có thể hoạt động tốt trong môi trường bụi bẩn, ẩm ướt, và có thể đo được cả chất lỏng và chất rắn.
• Phát hiện được nhiều loại vật liệu: Phát hiện được các vật liệu khác nhau
• Thời gian đáp ứng nhanh: Cảm biến siêu âm có thời gian đáp ứng nhanh, cho phép theo dõi các vật thể chuyển động nhanh.

5.2. Nhược điểm

• Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất: Nhiệt độ và áp suất môi trường có thể ảnh hưởng đến tốc độ truyền âm thanh, do đó ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
• Có thể bị nhiễu: Cảm biến siêu âm có thể bị nhiễu bởi các nguồn âm thanh khác có tần số tương tự, hoặc bởi các vật thể có hình dạng phức tạp gây ra phản xạ không mong muốn.
• Vùng mù: Cảm biến siêu âm thường có một “vùng mù” gần cảm biến, nơi nó không thể phát hiện vật thể.
• Không phát hiện được vật liệu hấp thụ âm: Các vật liệu mềm, xốp, hấp thụ âm thanh tốt (ví dụ: vải, bông) có thể khó được phát hiện bởi cảm biến siêu âm.
• Giá thành: Giá thành có thể cao hơn so với một số loại cảm biến khác.

6. Ứng dụng của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm với khả năng đo khoảng cách và phát hiện vật thể không tiếp xúc, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, mang lại sự tiện lợi, an toàn và hiệu quả. Dưới đây là các ứng dụng cụ thể:

6.1. Phát hiện chướng ngại vật

Một ứng dụng phổ biến là phát hiện chướng ngại vật, đặc biệt trên ô tô, nơi cảm biến được gắn ở đầu và đuôi xe để cảnh báo va chạm, hỗ trợ đỗ xe an toàn. Cảm biến này còn được trang bị trên các thiết bị an ninh để phát hiện sự xâm nhập trái phép, kích hoạt hệ thống báo động.

6.2. Đo khoảng cách

Cảm biến siêu âm được dùng để đo khoảng cách, chẳng hạn như xác định khoảng cách từ cảm biến đến sản phẩm trên băng chuyền. Sự thay đổi đột ngột trong khoảng cách có thể cho thấy sản phẩm bị lỗi (móp, méo, nứt), giúp loại bỏ sản phẩm lỗi kịp thời.

6.3. Đo mức chất lỏng

Đo mức chất lỏng cũng là một ứng dụng quan trọng của cảm biến siêu âm. Chúng có thể đo mức nước, hóa chất, nhiên liệu,… trong các bồn chứa một cách nhanh chóng và chính xác, bất kể độ trong hay đục của chất lỏng. Cảm biến đo mức thường có khả năng chống nước.

6.4. Cảm biến vân tay siêu âm bảo mật

Cảm biến vân tay siêu âm được tích hợp dưới màn hình, cho phép mở khóa bằng vân tay một cách an toàn và tiện lợi, thay thế cho các phương pháp bảo mật truyền thống. Công nghệ này sử dụng sóng siêu âm để quét và tạo ra hình ảnh 3D chi tiết của vân tay, giúp tăng cường độ bảo mật.

6.5. Các ứng dụng công nghiệp

Cảm biến siêu âm được dùng trong các ứng dụng:

• Phát hiện lỗi sản phẩm: Phát hiện các vết nứt, lỗ hổng hoặc sai lệch kích thước trên sản phẩm, đảm bảo chất lượng sản phẩm đầu ra.
• Đếm sản phẩm: Đếm số lượng sản phẩm trên băng chuyền một cách chính xác.
• Kiểm soát vị trí: Xác định vị trí của các bộ phận trong máy móc, robot, đảm bảo hoạt động chính xác và đồng bộ.

6.6. Các ứng dụng khác

• Y tế: Siêu âm chẩn đoán hình ảnh (ví dụ: siêu âm thai nhi), đo lưu lượng máu, phát hiện các khối u.
• Thăm dò địa chất: Thăm dò dưới lòng đất, đáy biển, tìm kiếm tài nguyên.
• Thiết bị vệ sinh tự động: Tự động xả nước khi có người sử dụng (ví dụ: bồn tiểu).
• Máy đo khoảng cách laser: Một số máy đo khoảng cách laser sử dụng kết hợp công nghệ laser và siêu âm để tăng độ chính xác.

7. Những lưu ý quan trọng khi mua cảm biến siêu âm

Để lựa chọn cảm biến siêu âm phù hợp và đảm bảo hiệu quả hoạt động, cần lưu ý các yếu tố sau:

• Khoảng cách đo: Xác định phạm vi khoảng cách mà bạn cần đo để chọn cảm biến có dải đo phù hợp. Dải đo quá ngắn sẽ không đo được hết khoảng cách cần thiết, trong khi dải đo quá dài có thể làm giảm độ chính xác của phép đo.
• Vùng mù: Vùng mù là khoảng cách rất gần cảm biến mà cảm biến không thể đo chính xác hoặc không thể phát hiện vật thể. Cần lưu ý đến vùng mù khi lắp đặt và ứng dụng cảm biến, đảm bảo vật thể cần đo không nằm trong khu vực này.
• Môi trường hoạt động: Điều kiện môi trường nơi cảm biến được sử dụng ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất và độ bền của cảm biến. Cần xem xét các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, hóa chất và bụi bẩn.

Xem thêm:

• Cảm biến nhiệt độ là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng
• Sensor là gì? Khái niệm, các loại cảm biến phổ biến và ứng dụng
• Cảm biến áp suất : Giới thiệu và nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm là một thiết bị hữu ích và linh hoạt, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nhờ khả năng đo khoảng cách, phát hiện vật thể không tiếp xúc và độ chính xác cao. Hy vọng bài viết sẽ giúp ích cho bạn, hẹn gặp lại bạn trong những chủ đề tiếp theo trên trang Thanh Thiên Phú.