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

Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor) là một trong những loại cảm biến dùng để đo khoảng cách của các vật thể và thường được sử dụng và áp dụng trong công nghiệp để đo các vật thể rắn, lỏng thông qua dạng sóng tín hiệu siêu âm truyền đi. Để hiểu hơn về cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo, phân loại,  nguyên lý hoạt động và ứng dụng trong thực tế hãy cùng chúng tôi đi tìm hiểu thông tin trong bài viết này. 

Cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo và phân loại

Cảm biến siêu âm được biết đến là một trong những thiết bị đo khoảng cách của các vật thể bằng cách phát ra một sóng siêu âm và chuyển đổi âm thanh phản xạ thành tín hiệu điện. Sóng siêu âm trong môi trường được truyền đi nhanh hơn tốc độ âm thanh (tức là âm thanh mà con người có thể nghe thấy được). 

Cấu tạo của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm gồm 3 thành phần chính: Bộ phát (truyền đi tín hiệu sóng âm), bộ thu (Thu nguồn âm thanh sau khi truyền đến), bộ xử lý sóng âm. 

Bộ xử lý sóng được tích hợp bên trong cảm biến sau khi nhận được tín hiệu phản hồi đưa về, lập tức bộ này sẽ phân tích, tính toán để đưa ra khoảng cách giữa các điểm phát sóng và điểm sóng chạm vào vật thể thông qua khoảng thời gian sóng phát tới vật thể và vận tốc truyền đi của sóng siêu âm. Cuối cùng thông tin này sẽ được chuyển hóa thành tín hiệu Analog và truyền về một mạch đọc tín hiệu chuyển hóa thành tín hiệu logic và hiển thị thông tin cho người sử dụng. 

Phân loại cảm biến siêu âm

Trên thị trường hiện nay, có 2 loại cảm biến siêu âm thường được dùng nhất đó là: Cảm biến tiệm cận ( Proximity Sensors) và cảm biến mức (Level Sensors). 

1. Cảm biến tiệm cận ( Proximity Sensors)

Chúng thường được tìm thấy trong một số công nghệ đỗ xe ô tô tự động và hệ thống an toàn chống va chạm. Cảm biến siêu âm này cũng được sử dụng trong một số hệ thống phát hiện chướng ngại vật trên robot, cũng như một số máy móc trong dây chuyền sản xuất.

So với cảm biến hồng ngoại (IR) trong các ứng dụng thì cảm biến tiệm cận sẽ không dễ dàng bị nhiễu sóng bởi khói, khí và một số hạt trong không khí khác. Mặc dù, thành phần vật lý vẫn có thể bị ảnh hưởng bởi các biến như nhiệt độ. 

2. Cảm biến siêu âm – cảm biến mức (Level Sensors)

Cảm biến mức dùng để phát hiện, giám sát và điều chỉnh các mức chất lỏng trong các thùng chứa kín, ví dụ như các thùng hóa chất trong các nhà máy. 

Một điều cũng rất đáng để lưu ý là công nghệ siêu âm đã cho phép ngành y tế có thể nhìn được các cơ quan nội tạng, giúp bác sĩ có thể xác định được các khối u và có thể theo dõi sự phát triển của em bé trong bụng mẹ. 

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm phát ra các nguồn xung âm thanh có tần số ngắn, tần số cao theo khoảng thời gian đều đặn. Chúng lan truyền trong không khí với tốc độ nhanh hơn tốc độ âm thanh. 

Trong quá trình lan truyền trong không khi, chúng gặp vật thể, chúng sẽ phản xạ ngược trở lại dưới một dạng tín hiệu phản hồi và đồng thời bộ xử lý sóng âm sẽ tự động tính toán khoảng cách dựa trên khoảng thời gian sóng được phát ra và tín hiệu trả về

Để có thể tính được khoảng cách giữa cảm biến và đối tượng, cảm biến sẽ đo thời gian cần thiết giữa khoảng thời gian phát ra âm thanh của bộ phát đến tiếp xúc với bộ thu. 

Công thức tính khoảng cách như sau: D = T x C (Trong đó D là khoảng cách, T là thời gian, C là tốc độ âm thanh). Tốc độ âm thanh C ≈ 343 mét/ giây. 

Một số ứng dụng của cảm biến siêu âm

Hầu hết các loại cảm biến siêu âm đều được áp dụng nguyên lý phát và nhận khi đã biết được vận tốc và thời gian thì từ đó có thể tính được quãng đường mà sóng phát và nhận lại. Thông qua bộ xử lý tín hiệu sẽ cho ra được tín hiệu Analog hoặc Relay đối với do ON/OFF.

1. Proximity switches

Đây là một trong những loại đo cảm biến ON/OFF áp dụng nguyên lý siêu âm, với bộ phát và thu đều được tích hợp bên trong cảm biến. Siêu âm phát ra phản xạ trực tiếp từ vật thể đo được tới bộ thu. Dòng này sử dụng chủ yếu để phát hiện vật thể và có chức năng hoạt động giống cảm biến tiệm cận nhưng khoảng cách phát hiện vật thể sẽ xa hơn. 

Khoảng cách phát hiện từ vài mm cho đến 5m và thường được ứng dụng để đếm sản phẩm và phát hiện vật cản, phát hiện nước,… Để giúp giảm thiểu tối đa mức độ nguy cơ cho dây chuyền sản xuất. 

2. Ranging Measurement

Dùng để tính toán khoảng cách chính xác của một đối tượng di chuyển đến và đi từ đó có thể đo được khoảng thời gian giữa các cụm phát và phản xạ của sóng siêu âm. 

Thay đổi khoảng cách liên tục được tính toán và xuất ra tín hiệu Analog ở đầu ra. Thường được áp dụng trong các tank chứa và silo. Ứng dụng thường để đo mức nước trong các tank chứa nước hoặc các chất lỏng khác.

Trên đây là một số thông tin về cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo, phân loại,  nguyên lý hoạt động và ứng dụng mà bạn có thể tham khảo. Hy vọng rằng, với những thông tin trên sẽ giúp ích cho bạn trong công việc và trong học tập.