Lượt xem: 585 Tác giả: Site Editor Thời gian xuất bản: 21-05-2020 Nguồn gốc: Địa điểm
Cảm biến siêu âm là cảm biến không tiếp xúc sử dụng sóng âm thanh tần số cao để phát hiện vật thể, đo khoảng cách, theo dõi mức chất lỏng và xác định vị trí vật liệu. Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất, hệ thống điện, luyện kim, vật liệu xây dựng, hóa chất, chế biến thực phẩm, ô tô, kho bãi, tàu thủy, dệt may, vận tải, robot, giám sát mức chất lỏng, phát hiện dòng chảy kênh mở và tự động hóa công nghiệp.
Ưu điểm chính của cảm biến siêu âm là độ chính xác đo cao, hoạt động ổn định, phát hiện không tiếp xúc, định hướng mạnh và khả năng làm việc với nhiều vật liệu lỏng và rắn. Tuy nhiên, cảm biến siêu âm cũng có những hạn chế, chẳng hạn như dải tần cố định, điện áp truyền động tương đối cao, vùng mù, phạm vi hạn chế và độ nhạy với nhiệt độ, vật liệu mềm, luồng không khí và điều kiện lắp đặt.
Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách truyền sóng siêu âm và nhận tiếng vang phản xạ. Cảm biến sẽ gửi xung âm thanh tần số cao tới mục tiêu. Khi sóng âm tới bề mặt vật thể, một phần sóng sẽ bị phản xạ trở lại máy thu. Sau đó, cảm biến sẽ tính toán khoảng cách hoặc vị trí dựa trên thời gian giữa quá trình truyền và nhận.
Đầu dò siêu âm thường dựa trên các phần tử gốm áp điện. Các phần tử áp điện này có thể chuyển đổi năng lượng điện thành rung động cơ học để truyền sóng siêu âm và chúng cũng có thể chuyển đổi rung động nhận được thành tín hiệu điện.
Khi tín hiệu xung ứng dụng phù hợp với tần số cộng hưởng tự nhiên của phần tử áp điện, phần tử sẽ rung mạnh và tạo ra sóng siêu âm. Khi sóng phản xạ quay trở lại đầu dò, phần tử áp điện sẽ nhận rung động và chuyển nó thành tín hiệu điện để phân tích.
| Ưu điểm | Tại sao nó quan trọng |
|---|---|
| Đo không tiếp xúc | Cảm biến có thể phát hiện các vật thể mà không cần chạm vào chúng, điều này rất hữu ích đối với các vật liệu dễ vỡ, di chuyển, nóng hoặc ăn mòn. |
| Làm việc với nhiều vật liệu | Cảm biến siêu âm có thể đo được nhiều chất lỏng và chất rắn, kể cả những vật liệu mờ đục mà cảm biến quang học khó có thể đo được. |
| Không bị ảnh hưởng bởi màu sắc hoặc độ trong suốt | Vì việc phát hiện dựa trên sự phản xạ âm thanh nên màu sắc và độ trong suốt của mục tiêu thường ít ảnh hưởng đến phép đo. |
| Tính định hướng tốt | Sóng siêu âm có bước sóng ngắn và tính định hướng mạnh nên thích hợp cho việc đo khoảng cách và đo mức. |
| Có thể làm việc trong môi trường tối | Không giống như cảm biến quang học, cảm biến siêu âm không phụ thuộc vào ánh sáng khả kiến. |
| Hữu ích trong bụi, khói hoặc sương mù | Nhiều cảm biến siêu âm có thể hoạt động tốt hơn cảm biến quang học trong môi trường bụi bặm, nhiều khói hoặc ánh sáng yếu. |
| Nhược | điểm Ảnh hưởng đến ứng dụng |
|---|---|
| Dải tần số cố định | Cảm biến 40 kHz thường chỉ hoạt động ở gần dải tần được thiết kế của nó, chẳng hạn như khoảng 38-42 kHz. |
| Điện áp lái xe cao hơn | Một số đầu dò siêu âm yêu cầu điện áp từ đỉnh đến đỉnh cao, vì vậy mạch điện áp thấp có thể cần mạch tăng áp hoặc máy biến áp. |
| Ảnh hưởng nhiệt độ | Tốc độ của âm thanh thay đổi theo nhiệt độ không khí, điều này có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo khoảng cách. |
| Chất liệu mềm hấp thụ âm thanh | Bọt, vải và các bề mặt mềm khác có thể hấp thụ sóng siêu âm và làm giảm cường độ tiếng vang. |
| Vùng mù | Các vật thể quá gần cảm biến có thể nằm trong khoảng cách phát hiện tối thiểu và không thể đo chính xác. |
| Phạm vi giới hạn | Sóng siêu âm suy giảm theo khoảng cách, do đó phạm vi cảm biến bị giới hạn bởi tần số, công suất, bề mặt mục tiêu và môi trường. |
Sóng siêu âm có tần số cao, bước sóng ngắn, nhiễu xạ nhỏ, tính định hướng mạnh, khả năng xuyên thấu tốt trong nhiều chất lỏng và chất rắn. Khi sóng siêu âm gặp bề mặt tạp chất, ranh giới hoặc vật liệu, chúng tạo ra tiếng vang phản xạ có thể được phát hiện và phân tích.
Cảm biến siêu âm cũng có thể hỗ trợ phát hiện dựa trên Doppler đối với các vật thể chuyển động. Điều này làm cho công nghệ siêu âm trở nên hữu ích trong đo khoảng cách, đo mức chất lỏng, phát hiện vật thể, giám sát dòng chảy, phát hiện khuyết tật, robot, hỗ trợ đỗ xe, tự động hóa công nghiệp và thiết bị y tế.
Đầu dò siêu âm công suất thấp thường được sử dụng để phát hiện và đo lường. Tùy thuộc vào loại và cấu trúc sóng, đầu dò siêu âm có thể bao gồm đầu dò thẳng cho sóng dọc, đầu dò xiên cho sóng ngang, đầu dò sóng bề mặt, đầu dò sóng Lamb và đầu dò kép trong đó một phần tử truyền và phần tử khác nhận.
Đối với các ứng dụng công nghiệp và tiêu dùng, các sản phẩm phổ biến bao gồm cảm biến siêu âm loại mở, cảm biến siêu âm chống thấm nước, cảm biến siêu âm tần số cao, cảm biến đỗ xe và cảm biến mức độ. Sự lựa chọn chính xác phụ thuộc vào phạm vi, tần số, vỏ, mức chống thấm nước, vật liệu mục tiêu và môi trường lắp đặt.
Độ chính xác của cảm biến siêu âm phụ thuộc vào tần số, độ nhạy, điện áp truyền động, bề mặt mục tiêu, nhiệt độ không khí, độ ẩm, luồng không khí, góc lắp đặt và xử lý tín hiệu tiếng vang. Cảm biến có bù nhiệt độ có thể giảm lỗi do thay đổi tốc độ âm thanh.
Độ nhạy chủ yếu phụ thuộc vào phần tử áp điện. Hệ số ghép điện cơ lớn hơn thường có nghĩa là độ nhạy cao hơn. Độ nhạy cao hơn giúp cảm biến nhận được tiếng vang yếu hơn, nhưng hiệu suất cuối cùng vẫn phụ thuộc vào thiết kế mạch đầy đủ và môi trường ứng dụng.
Cảm biến siêu âm được sử dụng trong đo lường công nghiệp, nông nghiệp, công nghiệp nhẹ, thiết bị y tế, hệ thống đỗ xe, robot, hệ thống an ninh, giám sát mức độ, phát hiện vật thể và kiểm tra không phá hủy. Họ có thể phát hiện âm thanh và tiếng vang mà tai con người không thể nghe thấy, sau đó chuyển đổi thông tin thành dữ liệu khoảng cách, vị trí hoặc vật chất hữu ích.
Trong các ứng dụng thực tế, phạm vi siêu âm có thể được sử dụng để tránh chướng ngại vật, đo mức bể, phát hiện dòng chảy kênh mở, hỗ trợ lùi xe, điều hướng robot, định vị vật liệu và phát hiện lỗ hổng trong kết cấu kim loại hoặc rắn.
Khi chọn cảm biến siêu âm, trước tiên hãy xác nhận khoảng cách phát hiện, vùng mù, vật liệu mục tiêu, độ chính xác cần thiết, tần số hoạt động, điện áp truyền động, góc chùm tia, thời gian đáp ứng, yêu cầu chống nước và phạm vi nhiệt độ làm việc.
Đối với môi trường ngoài trời hoặc ẩm ướt, cảm biến siêu âm chống thấm nước thường được ưu tiên hơn. Để phát hiện phạm vi ngắn chính xác, cảm biến tần số cao hơn có thể cung cấp độ phân giải tốt hơn. Để phát hiện tầm xa, tần số thấp hơn và công suất phát mạnh hơn có thể phù hợp hơn.
Trước khi sản xuất hàng loạt, hãy kiểm tra cảm biến ở vị trí và môi trường lắp đặt thực tế. Góc lắp, độ mở của vỏ, hình dạng mục tiêu, chướng ngại vật gần đó, sự thay đổi nhiệt độ và nhiễu điện đều có thể ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế.
Cảm biến siêu âm cung cấp phép đo chính xác, ổn định và không tiếp xúc cho nhiều vật liệu lỏng và rắn. Chúng đặc biệt hữu ích khi phát hiện quang học bị ảnh hưởng bởi màu sắc, độ trong suốt, bóng tối, bụi, khói hoặc phản xạ bề mặt.
Đồng thời, cảm biến siêu âm không phù hợp với mọi tình huống. Các kỹ sư nên xem xét tần số, điện áp, độ nhạy, bù nhiệt độ, vùng mù, phạm vi, vật liệu mục tiêu và điều kiện lắp đặt trước khi chọn cảm biến.
Cảm biến siêu âm đo khoảng cách bằng cách gửi xung âm thanh tần số cao và nhận tiếng vang phản xạ. Khoảng cách được tính từ thời gian sóng âm truyền đến mục tiêu và quay trở lại.
Cảm biến siêu âm có thể có độ chính xác cao trong điều kiện phù hợp, đặc biệt là đo khoảng cách và mức không tiếp xúc. Độ chính xác phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm, bề mặt mục tiêu, tần số cảm biến, góc lắp đặt và xử lý tín hiệu.
Nhiệt độ làm thay đổi tốc độ âm thanh trong không khí. Khi nhiệt độ thay đổi, khoảng cách đo được có thể thay đổi trừ khi cảm biến sử dụng bù nhiệt độ hoặc hệ thống hiệu chỉnh số đọc.
Chọn cảm biến siêu âm loại mở cho môi trường trong nhà sạch sẽ và thiết bị nhỏ gọn. Chọn cảm biến siêu âm chống thấm nước cho môi trường ngoài trời, ẩm ướt, bụi bặm hoặc dễ bị bắn nước.
Sử dụng tần số chính xác, giữ cho cảm biến thẳng hàng với mục tiêu, tránh chướng ngại vật gần đó, cung cấp điện áp truyền động ổn định, sử dụng bù nhiệt độ và kiểm tra cảm biến trong môi trường lắp đặt cuối cùng.
