Ngày nay, cảm biến siêu âm đang trở thành một trong những thiết bị quan trọng trong các ứng dụng tự động hóa và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ. Sự linh hoạt, chính xác và khả năng hoạt động tốt trong nhiều môi trường khác nhau đã làm cho cảm biến siêu âm trở thành lựa chọn ưu tiên cho nhiều ứng dụng quan trọng. Vậy cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo cảm biến siêu âm thế nào? Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm ra sao? Và làm thế nào để sử dụng
cảm biến siêu âm đo mực nước? Hãy cùng
Bảo An tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.
1. Cảm biến siêu âm là gì?
Cảm biến siêu âm là gì? Cảm biến siêu âm (tên gọi tiếng Anh là Ultrasonic sensors) hay còn gọi là cảm biến phát hiện vật cản. Đây là một loại cảm biến sử dụng sóng siêu âm để phát hiện và đo khoảng cách tới các vật thể, sau đó âm thanh phản xạ lại được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Theo đó, bộ phát của cảm biến siêu âm có khả năng tạo ra âm thanh nhờ việc sử dụng tinh thể áp điện, còn bộ thu có khả năng nhận âm thanh đến và đi từ các vị trí khác nhau.
Cảm biến siêu âm là gì?
Để hiểu thêm về cảm biến siêu âm là gì? Mời bạn tham khảo hình ảnh cũng như thông số kỹ thuật của sản phẩm Cảm biến dịch chuyển siêu âm OMRON E4PA-LS600-M1-N hiện được phân phối ở Bảo An
tại đây.
2. Cấu tạo cảm biến siêu âm
- Cảm biến siêu âm được cấu tạo bởi bộ phận thu và phát ra tín hiệu. Đầu dò của cảm biến hoạt động như một microphone để nhận và phát ra siêu âm. Cảm biến siêu âm được thiết kế với nhiều hình dạng khác nhau như: đầu dò thẳng, đầu dò ngang, đầu dò sóng bề mặt và đầu dò kép,...
- Về cơ bản, cấu tạo cảm biến siêu âm sẽ bao gồm 3 bộ phận chính là: bộ phát (với chức năng truyền đi tín hiệu sóng âm), bộ thu (có chức năng thu âm thanh khi truyền đến) và bộ điều khiển. Mặc dù, có rất nhiều loại cảm biến siêu âm khác nhau với thiết kế khác nhau, tuy nhiên, cấu tạo cảm biến siêu âm nói chung vẫn sẽ gồm 3 bộ phận cơ bản nói trên. Cụ thể như sau:
+ Bộ phát: Trong cấu tạo cảm biến siêu âm, bộ phát là bộ phận được chế tạo từ vật liệu gốm, có đường kính khoảng 15mm, hoạt động dựa trên cơ chế chuyển động bằng máy rung để tạo ra các sóng siêu âm truyền vào trong không khí.
+ Bộ thu: Bộ thu của cảm biến siêu âm 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.
+ Bộ điều khiển: Trong cấu tạo cảm biến siêu âm, bộ 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.
3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm
Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm dựa trên việc sử dụng sóng âm tần số cao để đo khoảng cách hoặc phát hiện vật thể. Dưới đây là các bước chi tiết trong nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm:
- Phát sóng siêu âm: Cảm biến siêu âm bao gồm một bộ phát (transmitter) tạo ra và phát sóng siêu âm (âm thanh có tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người, thường là từ 20 kHz trở lên) ra môi trường xung quanh.
- Lan truyền sóng âm: Sóng siêu âm phát ra sẽ lan truyền trong không khí (hoặc môi trường khác) với vận tốc xác định (khoảng 330 m/s trong không khí ở điều kiện thường).
- Phản xạ sóng âm: Khi sóng siêu âm gặp một vật cản, nó sẽ bị phản xạ trở lại phía cảm biến. Vật thể phản xạ có thể là bất kỳ vật cản nào có khả năng phản hồi sóng âm, từ bề mặt cứng như kim loại, tường, đến các bề mặt mềm hơn như vải, da.
- Thu sóng phản xạ: Bộ thu (receiver) trong cảm biến siêu âm sẽ nhận sóng siêu âm đã phản xạ trở lại từ vật cản.
- Tính toán khoảng cách: Cảm biến sẽ đo thời gian từ khi sóng siêu âm được phát ra cho đến khi nó được nhận lại. Dựa vào thời gian này và vận tốc lan truyền của sóng âm trong môi trường, cảm biến sẽ tính toán được khoảng cách từ cảm biến đến vật thể theo công thức.
Nhờ nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm dựa trên sự phát và thu sóng âm mà cảm biến siêu âm thường được dùng trong các ứng dụng như đo khoảng cách, phát hiện vật cản trong xe tự lái, kiểm soát mức chất lỏng, và nhiều ứng dụng công nghiệp khác. Cảm biến siêu âm có ưu điểm là có thể hoạt động tốt trong môi trường bụi bẩn, ánh sáng kém và có thể phát hiện cả các vật thể trong suốt mà các loại cảm biến khác khó phát hiện.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm
4. Ứng dụng cảm biến siêu âm.
Cảm biến siêu âm có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau nhờ vào khả năng đo khoảng cách chính xác, phát hiện vật cản và khả năng hoạt động trong các điều kiện môi trường khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến:
• Ứng dụng trong việc đo khoảng cách và phát hiện vật cản
• Ứng dụng trong xe tự lái và robot: Cảm biến siêu âm được sử dụng để phát hiện vật cản và đo khoảng cách tới các đối tượng xung quanh, giúp xe hoặc robot tránh va chạm.
• Trong hệ thống đỗ xe tự động: Các xe ô tô sử dụng cảm biến siêu âm để đo khoảng cách với các vật thể xung quanh trong quá trình đỗ xe, cảnh báo cho người lái khi có nguy cơ va chạm.
• Ứng dụng trong các bồn chứa: Cảm biến siêu âm có thể được sử dụng để đo mức chất lỏng hoặc chất rắn trong các bồn chứa, từ đó giúp kiểm soát lượng nguyên liệu tồn kho trong các quy trình công nghiệp.
• Ứng dụng đo mực nước trong các sông, hồ hoặc hệ thống tưới tiêu, giúp dự đoán và quản lý lũ lụt.
• Hệ thống báo động chống trộm: Cảm biến siêu âm có thể phát hiện chuyển động trong khu vực giám sát và kích hoạt báo động nếu phát hiện sự hiện diện của người lạ.
• Kiểm soát ra vào: Được dùng trong các hệ thống kiểm soát ra vào để phát hiện người hoặc vật thể di chuyển qua các cửa ra vào.
• Ứng dụng trong các hệ thống kiểm tra và điều khiển chất lượng
• Kiểm tra sản phẩm: Trong sản xuất công nghiệp, cảm biến siêu âm được sử dụng để kiểm tra độ dày, phát hiện các khuyết tật như lỗ hổng, nứt trong các sản phẩm, từ đó đảm bảo chất lượng sản phẩm.
• Điều khiển tự động: Cảm biến siêu âm giúp điều khiển các quy trình sản xuất tự động bằng cách phát hiện sự hiện diện của các vật liệu hoặc sản phẩm trên băng chuyền.
• Ứng dụng trong máy rửa chén và máy giặt: Trong máy rửa chén và máy giặt, cảm biến siêu âm được sử dụng để kiểm soát mức nước và điều chỉnh quy trình làm sạch dựa trên tải trọng thực tế.
• Máy phát hiện chất lượng không khí: Có thể sử dụng cảm biến siêu âm để đo mật độ của các hạt bụi trong không khí, giúp theo dõi và cải thiện chất lượng không khí trong nhà.
Ứng dụng của cảm biến siêu âm
5. Cách sử dụng cảm biến siêu âm đo mực nước
- Sử dụng cảm biến siêu âm đo mực nước là một phương pháp phổ biến và hiệu quả trong các hệ thống quản lý nước, bồn chứa, và các ứng dụng thủy lợi. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm đo mực nước dựa trên việc sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách từ cảm biến đến bề mặt nước, từ đó xác định mực nước hiện tại. Dưới đây ví dụ về cách hoạt động của hệ thống đo mực nước bằng cảm biến siêu âm HC SR04
- Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một trong những cảm biến siêu âm phổ biến nhất, được sử dụng rộng rãi trong các dự án Arduino và các ứng dụng đo khoảng cách. Dưới đây là cấu tạo và nguyên lý hoạt động chi tiết của cảm biến siêu âm HC-SR04:
a. Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04
Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 bao gồm các bộ phận chính như sau:
- Bộ phát sóng siêu âm (Ultrasonic Transmitter - Trig): Đây là bộ phận phát ra sóng siêu âm khi cảm biến nhận được tín hiệu kích hoạt (trigger) từ mạch điều khiển. Sóng siêu âm của cảm biến này thường có tần số khoảng 40 kHz.
- Bộ thu sóng siêu âm (Ultrasonic Receiver - Echo): Bộ phận này nhận sóng siêu âm phản xạ từ vật thể trở về. Dựa vào thời gian từ lúc sóng được phát ra đến lúc nhận lại, khoảng cách đến vật thể có thể được tính toán.
- Mạch điều khiển: Đây là mạch tích hợp trên cảm biến, có nhiệm vụ xử lý tín hiệu và tính toán thời gian giữa việc phát và nhận sóng siêu âm, sau đó chuyển đổi thời gian này thành tín hiệu điện áp hoặc xung để gửi về bộ vi điều khiển (như Arduino, Raspberry Pi).
- Chân kết nối: Cảm biến siêu âm HC-SR04 có 4 chân kết nối như sau:
+ VCC: Chân cấp nguồn cho cảm biến (thường có điện áp là 5VDC).
+ GND: Chân nối đất (Ground).
+ Trig: Chân kích hoạt phát sóng siêu âm. Để kích hoạt, cần cấp một xung điện áp cao (thường là 5VDC) trong thời gian ngắn (ít nhất 10 micro giây).
+ Echo: Chân phát ra xung phản hồi, chiều dài của xung này tỉ lệ thuận với khoảng cách từ cảm biến đến vật thể.
Cảm biến siêu âm HC-SR04
b. Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HC-SR04
Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm HC-SR04 như sau:
- Khi chân Trig của cảm biến nhận được một xung điện áp từ mạch điều khiển, bộ phát sóng siêu âm sẽ phát ra sóng siêu âm.
- Sau đó, sóng siêu âm lan truyền trong không khí và nếu gặp vật cản, nó sẽ phản xạ trở lại.
- Bộ thu sóng siêu âm nhận sóng phản xạ này và mạch điều khiển tính toán thời gian giữa hai lần phát sóng và thu sóng siêu âm.
- Từ thời gian đo được, cảm biến tính toán khoảng cách đến vật thể và gửi kết quả qua chân Echo.
Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HC-SR04
Kết luận: Qua bài viết trên, Bảo An đã giúp các bạn hiểu rõ hơn về cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo cảm biến siêu âm? nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm đến ứng dụng sử dụng cảm biến siêu âm đo mực nước. Sử dụng cảm biến siêu âm đo mực là một phương pháp hiệu quả và đáng tin cậy, giúp theo dõi và quản lý mực nước trong bồn chứa, sông, hồ, và các hệ thống thủy lợi với độ chính xác cao mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nước. Hy vọng rằng thông tin trong bài viết sẽ hữu ích cho công việc của bạn.
