[Kiến thức] Cảm biến siêu âm là gì? Ứng dụng cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm được ứng dụng nhiều trong nhiều lĩnh vực. Điển hình như là phương tiện, y khoa, đo mức nước trong các nhà máy… Chắc hẳn, bạn đã từng nghe tới sóng siêu âm từ một số loài còn vật như là cá voi, cá heo, dơi…chúng dùng những loại sóng ấy dùng để giao tiếp, để săn mồi, để di chuyển…Vậy tóm lại sóng âm là gì? Cách thức hoạt động của cảm biến siêu âm như thế nào? Chúng ta hãy tham khảo qua bài viết hôm nay nhé!

Cảm biến siêu âm

Trước hết mình muốn các bạn xem một đoạn ngắn video tư liệu của loài dơi về sóng âm

Sóng âm là gì?

Sóng âm, chắc hẳn là các bạn nghe được cụm từ này rất nhiều ngoài đời sống của các bạn. Đặc biệt là trong trường học.

Thông thường, tần số âm thanh của con người chúng ta nghe được trong phạm vi từ 16Hz – 20kHz. Nếu những loại âm thanh này thấp hơn hoặc cao hơn thì tai người không thể nghe được.

Dạng sóng âm < 16Hz thì chúng ta gọi là sóng hạ âm. Còn sóng âm >20kHz, thì chúng ta gọi nó là sóng siêu âm.

Vậy theo các bạn sóng âm là gì?

Sóng âm là những dạng sóng cơ học lan truyền trong không khí, chất lỏng, chất rắn. Trong một số môi trường thì sóng âm sẽ tồn tại ở sóng dọc hoặc sóng ngang.

Sóng hạ âm

Sóng hạ âm được nhà khoa học người Pháp Vladimir Gavreau tìm ra. Ông và các đồng nghiệp của ông tìm hiểu vào những năm 1960. Những loại sóng hạ âm này thường được biết từ một số loài động vật: voi, cá voi, hà mã… Hoặc chúng đến từ sóng biển, thời tiết cực đoan, sao băng…

Hình ảnh trên tôi chỉ minh họa ở giải đo tần số mà tai người có thể nghe được. Nhưng điều chú ý ở đây chính là biểu đồ sóng của nó. Ở tần số 45Hz những dạng sóng âm của nó rất thưa thớt, vậy thì nếu nhỏ hơn nữa thì các bạn có thể hình dung ra nó sẽ thưa như thế nào rồi chứ? Nghĩa là giữa các đỉnh sóng nó ra giãn ra như 1 đường thẳng.

Sóng siêu âm

Thực ra khó có định nghĩa nào cho sóng siêu âm. Cơ bản sóng siêu âm cũng là sóng âm như tôi đã đưa ra cách hiểu của tôi ở phía trên. Và điểm khác biệt thêm là sóng siêu âm có tần số cao hơn âm thanh  con người nghe được mà thôi.

Hình ảnh mang tính chất minh họa trên tôi chỉ ví dụ cho các bạn hình dung, tần số càng cao thì biểu đồ sóng của nó càng dày. Thì các bạn nhìn nhận được rằng, loại sóng có tần số khoảng 18kHz đã có các đỉnh sóng nằm gần như sát nhau. Thế nên nếu những dạng sóng siêu âm đó thì nó sẽ càng sát nhau nữa và tai người không thể nghe được.

Loại sóng này được dùng phổ biến trong y khoa như là siêu âm bụng, siêu âm 3D, siêu âm 4D…

Cảm biến siêu âm là gì?

Từ những kiến thức cơ bản trên, thì bạn hẳn đã hình dung ra được sóng âm là như thế nào rồi. Thế nên cảm biến siêu âm, đơn giản là thiết bị phát ra sóng siêu âm và chuyển đổi chúng thành những dạng tín hiệu điện như analog, digital…

Cũng giống như con dơi, hay cá heo… mà video tôi đã chiếu trên đầu trang. Loài dơi dùng sóng siêu âm, chúng sẽ phát ra dạng sóng. Nếu sóng phản hồi lại nghĩa là đang có vật cản phía trước. Tương tự với những loại cảm biến siêu âm.

Đây là dạng thiết bị sử dụng nguyên lý thu và phát sóng siêu âm được ứng dụng nhiều lĩnh vực trong cuộc sống.

Cấu tạo cảm biến siêu âm

Mỗi loại cảm biến siêu âm trên thị trường Việt Nam, đều có những cấu tạo riêng biệt. Điều đấy để làm thể hiện sự đặc trưng của thiết bị đó so với những thiết bị khác.

Nhưng nhìn chung, chúng sẽ gồm những bộ phận cơ bản như sau:

– Bộ phận phát sóng: đây là bộ phận dùng để phát ra sóng tới (dạng sóng siêu âm). Dùng để phát hiện vật cản, bề mặt…

– Bộ phận thu sóng: Cũng là cùng bộ phận phát sóng trên cảm biến. Một số loại sẽ có riêng phần thu sóng, điển hình như HC – SR04.

– Bộ phận vi xử lý: là bộ phận dùng để xử lý tín hiệu sóng phát ra và thu vào. Bộ phận này nằm trong cảm biến, ngoài ra nhiệm vụ nó dùng để chuyển đổi tín hiệu thu được thành dạng tín hiệu điện.

– Nguồn cấp: Đây là phần dùng để cung cấp, nuôi cảm biến siêu âm.

Nguyên lý cảm biến siêu âm

Như tôi đã nói ở phần ban đầu, cách thức hoạt động của cảm biến siêu âm tương tự như loài dơi. Tuy thế, tôi cũng sẽ mô tả thêm phần nguyên lý này cho các bạn.

Đầu tiên, cảm biến siêu âm sẽ phát ra sóng âm (sóng tới). Khi loại sóng tới này, gặp vật cản. Thì tại vị trí này, sóng sẽ bị phản xạ ngược lại. Phương truyền của sóng về ngày có cùng phương nhưng ngược chiều với sóng tới.

Sau khi thu được tín hiệu của sóng về. Thì bộ phận xử lý thông tin sẽ làm việc. Nghĩa là, nó sẽ phân tích dựa vào tốc độ sóng và thời gian phản hồi. Sau nó nó sẽ chuyển đổi tín hiệu mà nó đo được thành các dạng tín hiệu tiêu chuẩn như là 4…20mA. Hoặc, chúng được kết nối với một số thiêt bị đọc tín hiệu PLC, ATR144, ATR244…

Dùng để hiển thị kết quả đo được, đo khoảng cách, đo chiều cao…

Những loại cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm HC-SR04

Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một dạng cảm biến module. Chúng được sử dụng phổ biến cùng với các mạch Arduino Uno5, Arduino Mega… Đây là loại cảm biến siêu âm được nhiều học sinh, sinh viên dùng nhiều nhất trong các việc học tập và nghiên cứu.

Có thể nói rằng, đây là loại cảm biến rẻ trên thị trường. Do đó, loại cảm biến này được dùng nhiều trong các cuộc thi robocon, đề tài tốt nghiệp của sinh viên…

Đặc điểm của con này, là chúng sử dụng 2 chiếc loa cao tần. Như tôi đã phân tích bên trên. Một đầu dùng để phát ra sóng, còn một đầu còn lại dùng để thu sóng.

Ví dụ đoạn code tham khảo:

1. constint trig =8;// chân trig của HC-SR04
2. constint echo =7;// chân echo của HC-SR04
4. void setup()
5. {
6. Serial.begin(9600);// giao tiếp Serial với baudrate 9600
7. pinMode(trig,OUTPUT);// chân trig sẽ phát tín hiệu
8. pinMode(echo,INPUT);// chân echo sẽ nhận tín hiệu
9. }
11. void loop()
12. {
13. unsignedlong duration;// biến đo thời gian
14. int distance;// biến lưu khoảng cách
16. /* Phát xung từ chân trig */
17. digitalWrite(trig,0);// tắt chân trig
18. delayMicroseconds(2);
19. digitalWrite(trig,1);// phát xung từ chân trig
20. delayMicroseconds(5);// xung có độ dài 5 microSeconds
21. digitalWrite(trig,0);// tắt chân trig
23. /* Tính toán thời gian */
24. // Đo độ rộng xung HIGH ở chân echo.
25. duration = pulseIn(echo,HIGH);
26. // Tính khoảng cách đến vật.
27. distance =int(duration/2/412);
29. /* In kết quả ra Serial Monitor */
30. Serial.print(distance);
31. Serial.println(“cm”);
32. delay(200);
33. }

Cảm biến siêu âm SRF05

SRF05, là loại cảm biến có nguyên lý hoạt động tương tự với HC-SR04. Nhưng có nó được cải tiến hơn là tầm hoạt động của nó lên tới 5m.

Gồm có 5 chân, mỗi chân có chức năng sau đây:

• Vcc: Cấp nguồn để nuôi cảm biến
• Trigger: kích hoạt quá trình phát sóng âm, quá trình kích hoạt sẽ diễn ra khi có một chu kỳ điện cao/thấp.
• Echo: Xung hình vuông, ở mức xung thấp thì có giá trị là 0v, còn mức cao là 5v
• Gnd: Nối với cực âm
• OUT: Không sử dụng

Đoạn code dùng để tham khảo cho SRF05 khi lập trình Arduino:

1. #define TRIG_PIN 8
2. #define ECHO_PIN 7
3. #define TIME_OUT 5000
5. float getDistance()
6. {
7. long duration, distanceCm;
9. digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
10. delayMicroseconds(2);
11. digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
12. delayMicroseconds(10);
13. digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
15. duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, TIME_OUT);
17. // convert to distance
18. distanceCm = duration / 29.1 / 2;
20. return distanceCm;
21. }
23. void setup() {
24. Serial.begin(9600);
25. pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
26. pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
27. }
29. void loop() {
30. long distance = getDistance();
32. if (distance <= 0)
33. {
34. Serial.println(“Echo time out !!”);
35. }
36. else
37. {
38. Serial.print(“Distance to nearest obstacle (cm): “);
39. Serial.println(distance);
40. }
41. delay(1000);
42. }

Cảm biến siêu âm Omron

Hãng Omron có nguồn gốc từ Nhật Bản, công ty mẹ nằm ở Keihanna Innovation Center – Kyoto. OMRON được coi là một trong những hãng điện tử hàng  đầu thế giới về công nghệ tự động hóa. Được thành lập vào năm 1933, chuyên cung cấp những dạng thiết bị như là:

• Rơ le
• Bộ định giờ
• Cảm biến siêu âm
• Cảm biến nhiệt độ
• …

Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi

Carlo Gavazzi là một tập đoàn quốc tế hoạt động trong lĩnh vực thiết kế, sản xuất và tiếp thị thiết bị điện tử.

Những lĩnh vực mà hãng thường cung cấp trên thị trường như là:

• Cảm biến
• Rơ-le giám sát
• Hệ thống quản lý năng lượng
• Rơ le trạng thái rắn
• …

Cảm biến siêu âm đo hãng  Dinel

Công ty Dinel, được thành lập vào năm 1995 từ một công ty tư nhân nhỏ đã từng sản xuất cảm biến điện dung từ năm 1991. Cho tới thời điểm hiện tại, thì Dinel đang là nhà sản xuất hàng đầu về hệ thống đo lường và lưu lượng tại Cộn Hòa Séc.

Một trong những sản phẩm mà bên chi nhánh công ty chúng tôi đang thương mại đó là cảm biến siêu âm đo khoảng cách.

Đây là dạng cảm biến siêu âm hay được dùng trong công nghiệp. Chúng dùng để đo khoảng cách, đo chiều cao của bể nước, bồn chứa, bình chứa… Sau đó sẽ chuyển nó thành tín hiệu điện tiêu chuẩn 4…20mA.

Cảm biến siêu âm bên hãng Dinel gồm có hai dạng. Một dạng là cảm biến siêu âm không hiển thị. Dạng còn lại là cảm biến siêu âm có hiển thị. Với mỗi loại đều có một đặc điểm riêng biệt.

Ứng dụng trong thực tiễn

Ứng dụng trong Y khoa

Trong y khoa, thì máy siêu âm dùng để siêu âm xuyên qua cơ thể vật lý của con người. Nó giúp chúng ta nhận biết được hình thái bên trong như thế nào, bị triệu chứng gì. Loại máy dùng để phát ra sóng siêu âm này được chế tạo đặc biệt hơn, vì chúng giúp chúng ta biết được hình thù bên trong.

Với tần số của sóng siêu âm này lớn hơn 2MHZ, nhưng mà nó vô hại với cơ thể người.

Dùng trong công nghiệp

Vì cảm biến siêu âm khi đo sẽ không tiếp xúc với môi trường cần đo. Thế nên nó được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp như dầu, xăng, nước thải, acid ăn mòn…

Bên cạnh đó, thì sự sai số trong quá trình là rất nhỏ, chỉ 0,1% tới 0,3% (tùy từng loại cảm biến). Ngoài ra, vì nó xuất dạng tín hiệu từ 4…20mA. Đây là dạng tín hiệu công nghiệp mà nhiều thiết bị chỉ nhận dạng tín hiệu tiêu chuẩn này như là PLC, K109S, Z109REG2-1…

Dùng trong đo khoảng cách

Đối mỗi loại cảm biến sẽ có thang đo khác nhau. Có thể là từ 0,2-2 (m), 0,2-6 (m)… và xuất nó sang dạng tín hiệu 4…20mA

Nghĩa là tương ứng với 4 mA sẽ là 0,2 m, 20mA tương ứng với 2 hoặc 6 (m).

Dựa vào cách ứng dụng trên thì người ta hay dùng nó để đo chiều cao của thể tích chất lỏng trong bình là bao nhiêu. Để tránh trường hợp, bơm đầy tràn vào bể chứa. Do đó, cảm biến siêu âm được dùng để tránh trường hợp trên. Hoặc giả dùng để điều khiển động cơ bơm vào khi trong bể ít nước và ngắt bơm khi trong bể gần đầy.

Dùng trong phát hiện vật cản

Dùng cảm biến siêu âm để phát hiện vật cản, ứng dụng này đang được rất nhiễu hãng xe oto dùng như là Vinfast, Honda, BWM… Đây là thiết bị dùng để đảm bảo an toàn cho người lái xe khi có phát hiện ra vật cản.

Ưu và nhược điểm cảm biến siêu âm

Ưu điểm

• Độ chính xác cao
• Tránh được sự ăn mòn của các loại môi trường đo vì nó không tiếp xúc.
• Đo được nhiều loại môi trường
• Thời gian phải hồi tín hiệu nhanh
• Dễ dàng lắp đặt

Nhược điểm

• Có điểm chết. Một số loại cảm biến sẽ có khoảng vùng chết, đây là vùng mà cảm biến không thể đo đúng giá trị hoặc sẽ hiển thị lỗi.
• Bề mặt tiếp xúc liên tục thay đổi (như là sóng nước, mặt phẳng bị nghiêng, có bọt nước…). Sẽ dẫn tới việc đo đạc ra kết quả không chính xác.
• Dễ bị sai số đo nếu có dị vật trên phương truyền vuông gốc của sóng (như là thanh sắt, cánh quạt dùng để trộn…)

Tổng kết

Ở bài viết này, các bạn được hiểu ra những vấn đề sau:

• Sóng âm là dạng sóng cơ học được lan truyền trong môi trường chất khí, chất lỏng.
• Cấu tạo cơ bản của cảm biến siêu âm gồm 3 phần chính: bộ phận thu và phát sóng, bộ phận xử lý tín hiệu, bộ phận cấp nguồn
• Cảm biến siêu âm chủ yếu dùng nguyên lý phát sóng và thu nhận lại. Nghĩa là khi sóng tới bị cản bởi một vật. Thì tại đó sẽ sản sinh ra một loại sóng về (sóng thu). Nhờ vào quá trình này, cảm biến siêu âm mới biết được khoảng cách dựa vào thời gian phải hồi và tốc độ của sóng tới và sóng thu.
• Có rất nhiêu loại cảm biến. Điển hình như là cảm biến siêu âm HC-SR04, SRF05, Omron, Carlo Gavazzi, Dinel…
• Cảm biến siêu âm được ứng dụng nhiều trong đời sống của con người. Chúng dùng để siêu âm, đo khoảng cách, phát hiện vật cản và còn nhiêu loại ứng dụng khác nữa.

Một số bài viết khác các bạn có thể tham khảo:

Cảm biến áp suất là gì?

Đồng hồ áp suất là gì?

Cảm biến nhiệt độ PT100 là gì?

TOP3 loại cảm biến áp suất hay gặp

Cảm ơn các bạn đã đọc bài viết của tôi. Chúc các bạn một ngày tốt lành!

SALES ENGINEER: Nguyễn Thành Đạt
SĐT: 0342962936