Cảm Biến Siêu Âm Là Gì? Nguyên Lý Hoạt Động Và Ứng Dụng

Trong các ứng dụng đo cự li, chẩn đoán hình ảnh, đo mực chất lỏng,… đòi hỏi độ chính xác cao thì cảm biến siêu âm là một thiết bị lý tưởng được lựa chọn. Vậy cảm biến siêu âm có cấu tạo và hoạt động thế nào để mang lại hiệu quả? Hãy tham khảo bài viết dưới đây để hiểu rõ hơn về thiết bị này.

Cảm biến siêu âm hoạt động ra sao?

Cảm biến siêu âm là gì?

Cảm biến siêu âm là thiết bị cảm biến điện tử, được dùng 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. Tín hiệu sẽ được xử lý và thông báo ở đầu ra. 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.

Cấu tạo của cảm biến siêu âm? 

Thiết bị cảm biến siêu âm được cấu tạo bởi một bộ phận chính là đầu dò phát ra tín hiệu. Đầu dò của cảm biến hoạt động tương tự như một microphone để nhận và phát siêu âm.

Các thiết bị đầu dò cảm biến sóng siêu âm này đều có cấu tạo chung bao gồm

Bộ phát: Bộ phận được cấu tạo từ gốm, với đường kính cỡ 15mm, hoạt động dựa trên chuyển động bằng máy rung để tạo ra các sóng siêu âm truyền trong không khí.

Bộ thu: Với nhiệm vụ 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.

Bộ điều khiển: 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: Nguồn 1 chiều cung cấp năng lượng cho thiết bị cảm biến thông qua mạch ổn áp.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm là gì? 

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên quá trình phát và thu nhận tín hiệu; hệ thống cảm biến sẽ liên tục phát ra các sóng âm có tần số cao hơn mức mà con người có thể nghe và có tốc độ lan truyền nhanh, mạnh. Khi các sóng âm này gặp phải bề mặt vật cản như chất rắn hay chất lỏng thì sẽ tạo ra các bước sóng phản xạ lại. Thiết bị cảm biến sẽ tiếp nhận sóng phản xạ, phân tích và xác định chính xác khoảng cách từ cảm biến đến vật cản.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

Các chỉ số cần biết của cảm biến siêu âm

Với nguyên lý hoạt động là tạo ra tần số sóng siêu âm, có nhiều vật liệu cấu thành đầu dò cảm biến & kích thước cũng đa dạng cho nên khả năng hoạt động của mỗi đầu dò sẽ có sự khác nhau. Các chỉ số quan trọng của đầu dò cảm biến siêu âm mà người dùng nên quan tâm bao gồm :

Tần số hoạt động của cảm biến siêu âm

Tần số mà cảm biến siêu âm tạo ra là tần số cộng hưởng của đầu dò cảm biến. Độ nhạy và khả năng hoạt động chính xác của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào tần số phát ra của cảm biến, khi tần số càng lớn thì tốc độ phản hồi càng nhanh.

Nhiệt độ của cảm biến siêu âm

Nhiệt độ của đầu dò cảm biến siêu âm sẽ tăng trong quá trình hoạt động và có ảnh hưởng tới khả năng làm việc của thiết bị. Các cảm biến có công suất nhỏ như cảm biến siêu âm đo mức nước có nhiệt độ tương đối thấp và có thể hoạt động trong thời gian dài mà không bị ảnh hưởng. Đối với các đầu dò siêu âm trong y tế thì ngược lại cần phải có thiết bị làm lạnh riêng để đảm bảo hoạt động chính xác.

Độ Nhạy

Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào tần số hoạt động của đầu dò cảm biến và bộ điều khiển. Khi tần số càng cao thì độ nhạy càng cao và ngược lại.

Hiển thị

Thông thường các cảm biến siêu âm có tích hợp hiển thị để biết được khoảng cách đo là bao nhiêu mét ngay trên cảm biến. Tuy nhiên, một số cảm biến siêu âm đo mức nước giá rẻ thường loại bỏ hiển thị mà chỉ đưa tín hiệu Analog 4-20mA về trung tâm điều khiển để tiết kiệm chi phí.

Độ chính xác   

Đối với mọi thiết bị đo, độ chính xác luôn là yếu tố mà bạn cần phải chú trọng. Cảm biến siêu âm là một trong những loại thiết bị đo có độ chính xác cao, sai số nhỏ. Tùy vào từng dòng mục đích sử dụng mà bạn có thể chọn các dòng cảm biến siêu âm với độ chính xác phù hợp. 

Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến sóng siêu âm

Ưu điểm

Sóng siêu âm giúp người sử dụng có thể đo khoảng cách từ điểm phát đến vật thể mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp. Do đó, thiết bị này rất hữu dụng, có thể 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. Hệ thống cảm biến siêu âm có độ nhạy cao nên thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác cao với sai số khá nhỏ, chỉ rơi vào khoảng trung bình là 0,15% trong khoảng cách 2m.

Nhược điểm

Do hoạt động dựa vào sóng siêu âm nên hệ thống cảm biến siêu âm có thể bị nhiễu tín hiệu bởi các sóng cao tần hoặc do lắp đặt chưa đúng cách. Người dùng nên đọc kỹ hướng dẫn của nhà sản xuất để lắp đặt và sử dụng chính xác. Ngoài ra, chi phí cho một thiết bị cảm biến siêu âm cũng khá cao.

Những ứng dụng cảm biến siêu âm là gì?

Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản 

Trên các dòng phương tiện giao thông hiện đại như ô tô, ở phần đầu xe và đuôi xe đều được trang bị cảm biến siêu âm đo khoảng cách.

Cảm biến siêu âm giúp đo khoảng cách

Cảm biến siêu âm khi hoạt động sẽ phát ra 1 chùm tia sóng hình nón xuống vị trí cần đo khoảng cách. Thông thường cảm biến siêu âm dùng để đo khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm trên băng chuyền trong các nhà máy sản xuất.

Nếu khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt sản phẩm đột ngột thay đổi thì khả năng là sản phẩm đó đang bị móp, méo hoặc đang bị nứt. Dựa vào đó cảm biến sẽ báo động và loại sản phẩm đó ra khỏi băng chuyền.

Cảm biến siêu âm đo mức nước

Cảm biến siêu âm giúp xác định mức nước

Cảm biến siêu âm cho phép xác định khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt chất lỏng một cách nhanh chóng bất kể độ trong hay đục của nước như thế nào. Do vậy thiết bị này trở thành một trợ thủ đắc lực, không thể thiếu đối với ứng dụng này. Các cảm biến này thường được trang bị khả năng kháng nước để có thể làm việc hiệu quả trong điều kiện ẩm ướt.

Cảm biến vân tay siêu âm bảo mật

Các thiết bị điện thoại thông minh hiện nay đã có hỗ trợ cảm biến vân tay siêu âm. Cảm biến này hoạt động dựa trên công nghệ “3D Sonic Sensor”, bằng cách thu lại sóng âm bị phản hồi lại từ làn da của bạn. Nó sẽ ghi lại thông tin chi tiết của vân tay để có thể mở khóa màn hình điện thoại.

Ngoài ra cảm biến siêu âm còn được ứng dụng trong nhiều trường hợp khác như:

• Phát hiện điểm bất thường
• Phát hiện người tới gần

Những loại cảm biến siêu âm hiện nay

Cảm biến siêu âm ứng dụng công nghiệp có hiển thị

Thông thường các cảm biến siêu âm sẽ được gắn màn hình hiển thị LCD cho phép tùy chọn khoảng cách đo tùy ý mà không cần mẫu thử, việc cài đặt thiết bị cũng rất dễ dàng. Tất cả đều được nhập bằng tay vào màn hình của cảm biến. Màn hình vừa có chức năng cài đặt, vừa có chức năng hiển thị mức nước hoặc tín hiệu ngõ ra. Với thiết kế chắc chắn, có tiêu chuẩn chống nước và chịu nhiệt tốt. Đây là loại cảm biến được khá nhiều người lựa chọn.

Cảm biến siêu âm ứng dụng công nghiệp không hiển thị

Nhằm tối ưu giá thành, các cảm biến siêu âm không hiển thị ra đời. Thiết bị sẽ không có màn hình hiển thị trên cảm biến, do vậy nên việc cài đặt khó khăn hơn so với loại có màn hình hiển thị. Các dải đo của cảm biến siêu âm công nghiệp không hiển thị khá rộng. Tín hiệu ngõ ra dạng 4-20mA hoặc 0-10V và có khả năng chống nước tốt.

H3 Cảm biến siêu âm có chống nước

Đối với các ứng dụng đo mực chất lỏng, cảm biến siêu âm sẽ phải có khả năng chống nước, chống ẩm cao. Các tiêu chuẩn cho cảm biến thường là chuẩn chống nước ở mức IP67 hoặc cao hơn. Các loại cảm biến này thường được lắp đặt ngoài trời; nên cần phải có chuẩn chống chịu nước để bảo vệ trước thời tiết nắng, mưa.

H3 Cảm biến siêu âm – SRF05

SRF05 là loại cảm biến siêu âm chuyên dùng để đo khoảng cách; đo mức chất lỏng, hoặc dùng trong cách mạch điện của robot dò đường; phát hiện các vết đứt gãy trong dây cáp….

Với ưu điểm là kích thước nhỏ gọn; có thể kết nối dễ dàng với các MCU (Arduino, DSP, AVR, …)

Tuy nhiên loại cảm biến này có độ nhiễu khá lớn và khoảng cách đo hạn chế, chỉ từ 2 cm -> 450cm. Ngoài ra cảm biến có sai số khá lớn với những ứng dụng trong phạm vi rộng.

Lưu ý khi mua cảm biến siêu âm

Trước rất nhiều loại cảm biến siêu âm khác nhau trên thị trường, người dùng khi lựa chọn nên chú ý một số những điều sau.

Khoảng cách đo bao xa

Tùy vào từng ứng dụng đo khoảng cách khác nhau mà người dùng có thể chọn mua loại cảm biến siêu âm sao cho phù hợp. Ví dụ với những ứng dụng đo khoảng cách gần, bạn sẽ chọn mua những loại cảm biến siêu âm chuyên dụng tương ứng.

Vùng mù của cảm biến có phù hợp

Vùng cảm biến là yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng tới khả năng hoạt động của thiết bị. Đây là khoảng cách từ bộ phát của cảm biến tính xuống phía dưới. Bạn nên chú ý lựa chọn cảm biến sao cho phù hợp với vị trí sử dụng.

Nhiệt độ và môi trường tại nơi cần đo

Do cảm biến siêu âm cũng chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, do vậy khi chọn mua bạn nên lưu tâm điều này. Với những ứng dụng trong môi trường khắc nghiệt, hãy chọn những thiết bị có khả năng chịu nhiệt, chịu lực cao.

Top thương hiệu bán cảm biến siêu âm uy tín chất lượng 

Cảm biến siêu âm Omron 

Omron là một thương hiệu lớn tới từ Nhật Bản, chuyên cung cấp các dòng cảm biến chất lượng. Cảm biến siêu âm từ hãng được người dùng đánh giá tốt cả về chất lượng cũng như giá thành. 

Cảm biến siêu âm mực nước Omron

Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi 

Với thương hiệu tới từ Italy, cảm biến siêu âm từ hãng được nhiều người dùng phản hồi tốt. Thiết bị cảm biến này thường có phạm vi đo là 350mm đến 6000mm, được tùy chỉnh thang đo trong giới hạn 6000mm.

Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi UA18CAD22PKTI

Cảm biến siêu âm đo mức Dinel 

Dinel là một thương hiệu khá  lớn của Cộng hòa Séc chuyên về các loại cảm biến đo lường, báo mức chất lỏng, chất rắn…. Cảm biến siêu âm của Dinel cho phép đo mức cho các loại môi trường khác nhau như nước, dầu; xăng, socola, rượu, xi măng,…. nên đáp ứng được trong nhiều ứng dụng.

Xem thêm: Cảm Biến Vân Tay Là Gì? Ứng Dụng Của Cảm Biến Vân Tay

Lời Kết:

Với nhu cầu sử dụng các cảm biến siêu âm ngày càng cao, trên thị trường cho ra mắt rất nhiều loại cảm biến khác nhau, điều này đôi khi gây khó khăn cho người dùng khi lựa chọn. Do vậy, bài viết này đã cung cấp cho người đọc những thông tin chi tiết về các loại cảm biến siêu âm cũng như những lưu ý trước khi chọn mua. Hy vọng sẽ giúp ích cho bạn trong quá trình lựa chọn và sử dụng. Nếu còn băn khoăn về cảm biến, hãy liên hệ ngay với Hunonic để được hỗ trợ trực tiếp nhé!