Lượt xem: 352 Tác giả: Site Editor Thời gian xuất bản: 22-05-2020 Nguồn gốc: Địa điểm
Trong sản xuất và đời sống hàng ngày, Cảm biến phạm vi siêu âm được sử dụng rộng rãi cho radar lùi ô tô, robot tránh chướng ngại vật, đo lường xây dựng, phát hiện mức chất lỏng, đo độ sâu giếng, đo chiều dài đường ống và các ứng dụng đo khoảng cách không tiếp xúc khác.
Phương pháp đo phạm vi cảm biến siêu âm cốt lõi là đo thời gian bay. Cảm biến phát ra xung siêu âm, nhận tiếng vang phản xạ từ mục tiêu, đo thời gian khứ hồi và tính toán khoảng cách từ tốc độ âm thanh.
Các hệ thống đo khoảng cách siêu âm thông thường thường dựa trên máy vi tính đơn chip, bộ điều khiển nhúng hoặc CPLD. Cho dù sử dụng nền tảng điều khiển nào, thiết kế cơ bản trước tiên phải hiểu phạm vi tiếng vang siêu âm, tốc độ âm thanh, bù nhiệt độ, vùng mù và các điều kiện phản xạ mục tiêu.
Một cảm biến siêu âm chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng siêu âm và chuyển đổi tiếng vang siêu âm nhận được thành tín hiệu điện. Sóng siêu âm là sóng cơ học có tần số trên 20kHz. Chúng có tính định hướng mạnh, mất năng lượng chậm và khoảng cách truyền tương đối dài trong môi trường không khí, chất lỏng hoặc chất rắn.
Khi sóng siêu âm chạm tới chướng ngại vật, bề mặt chất lỏng hoặc mục tiêu rắn, một phần sóng sẽ bị phản xạ trở lại dưới dạng tiếng vang. Phần tử thu phát hiện tiếng vang này và mạch điều khiển sẽ tính toán khoảng cách từ thời gian di chuyển đo được.
Bởi vì phép đo khoảng cách siêu âm là phương pháp không tiếp xúc, chi phí thấp và thích ứng với nhiều vật liệu nên nó mang lại sự cân bằng hữu ích giữa phản hồi thời gian thực, độ chính xác, độ tin cậy và giá cả.
Phương pháp đo phạm vi siêu âm phổ biến nhất là phương pháp phát hiện thời gian khứ hồi, còn được gọi là đo thời gian bay hoặc đo ToF. Cảm biến sẽ gửi xung siêu âm theo một hướng và bắt đầu tính thời gian. Khi tiếng vang trở lại, hệ thống sẽ dừng tính thời gian và tính toán khoảng cách một chiều.
Nếu s là khoảng cách giữa cảm biến và mục tiêu đo được, t là thời gian khứ hồi đo được và v là tốc độ truyền âm thanh thì công thức khoảng cách là:
s = v×t/2
Việc chia cho 2 là cần thiết vì xung siêu âm truyền từ cảm biến đến mục tiêu và sau đó quay trở lại từ mục tiêu đến cảm biến. Thời gian đo được là tổng thời gian đi lại, không phải thời gian đi một chiều.
Để đo khoảng cách siêu âm có độ chính xác cao, việc bù nhiệt độ rất quan trọng vì tốc độ âm thanh trong không khí thay đổi theo nhiệt độ. Không khí ấm làm tăng tốc độ âm thanh, trong khi không khí lạnh làm giảm tốc độ âm thanh.
Công thức bù nhiệt độ thường được sử dụng là:
v = 331,4 + 0,607T
Trong công thức này, T là nhiệt độ môi trường tính bằng ° C và v là tốc độ âm thanh tính bằng m/s. Việc bổ sung bù nhiệt độ có thể làm giảm sai số đo, đặc biệt là trong môi trường ngoài trời, công nghiệp hoặc nhiệt độ thay đổi.
| Phương | pháp hoạt động | Sử dụng tốt nhất |
|---|---|---|
| Phương pháp thời gian bay | Đo thời gian giữa truyền siêu âm và tiếp nhận tiếng vang. | Đo khoảng cách, phát hiện chướng ngại vật, đo mức chất lỏng. |
| Phương pháp phát hiện pha | Tính khoảng cách từ độ lệch pha giữa sóng phát ra và sóng nhận được. | Hệ thống đo lường tầm ngắn và độ phân giải cao hơn. |
| Phương pháp biên độ tiếng vang | Phân tích cường độ của tín hiệu siêu âm phản xạ. | Phát hiện mục tiêu, phân tích phản xạ vật liệu, đánh giá chất lượng tín hiệu. |
| tố chính xác | Ảnh hưởng đến | mẹo tối ưu hóa phép đo |
|---|---|---|
| Nhiệt độ | Thay đổi tốc độ âm thanh và gây ra lỗi khoảng cách. | Sử dụng bù nhiệt độ trong thuật toán điều khiển. |
| Vùng mù | Các mục tiêu rất gần có thể không được phát hiện chính xác do đầu dò đổ chuông. | Chọn cảm biến siêu âm vùng mù nhỏ để đo tầm ngắn. |
| Góc mục tiêu | Các bề mặt có góc cạnh có thể phản xạ tiếng vang ra xa máy thu. | Giữ cảm biến vuông góc với bề mặt mục tiêu nhất có thể. |
| Vật liệu mục tiêu | Vật liệu mềm, xốp hoặc hấp thụ âm thanh làm giảm cường độ tiếng vang. | Kiểm tra vật liệu mục tiêu thực tế trong quá trình xác nhận sản phẩm. |
| Tiếng ồn môi trường | Các nguồn siêu âm hoặc rung động khác có thể gây ra kết quả sai. | Sử dụng tính năng lọc, che chắn và logic lấy mẫu phù hợp. |
| Nước, bụi và ăn mòn | Môi trường khắc nghiệt có thể làm giảm tuổi thọ cảm biến và chất lượng tín hiệu. | Sử dụng cảm biến siêu âm chống nước và chống ăn mòn khi có yêu cầu. |
Cấu trúc phạm vi siêu âm phổ biến sử dụng một đầu phát và một đầu thu. Máy phát phát ra sóng siêu âm và máy thu phát hiện tiếng vang phản xạ. Cấu trúc này đơn giản và phù hợp với nhiều ứng dụng đo khoảng cách nói chung.
Một số hệ thống sử dụng nhiều đầu phát với một đầu thu hoặc nhiều mô-đun cảm biến được sắp xếp thành một mảng. Thiết kế này có thể cải thiện phạm vi phát hiện, giảm điểm mù và hỗ trợ các tình huống đo lường phức tạp hơn như điều hướng robot hoặc phát hiện mức chất lỏng đa điểm.
Hệ thống radar lùi xe và hỗ trợ đỗ xe.
Robot tránh chướng ngại vật và điều hướng tự động.
Đo mức chất lỏng trong bồn, thùng chứa và thiết bị công nghiệp.
Độ sâu giếng, chiều dài đường ống và đo đạc công trường.
Phát hiện đối tượng trong thiết bị tự động hóa và dây chuyền sản xuất.
Cảm biến khoảng cách không thấm nước trong môi trường ngoài trời hoặc ẩm ướt.
Cảm biến phạm vi siêu âm rất phổ biến vì chúng hỗ trợ phép đo không tiếp xúc, có nguyên lý làm việc đơn giản và có thể phát hiện nhiều mục tiêu rắn và lỏng bất kể màu sắc hay độ trong suốt. Chúng cũng tiết kiệm chi phí so với một số giải pháp đo lường quang học hoặc laser.
Với cảm biến siêu âm góc nhỏ và vùng mù nhỏ, hệ thống có thể đạt được phép đo chính xác hơn trong không gian nhỏ gọn. Thiết kế chống thấm nước và chống ăn mòn cũng làm cho cảm biến siêu âm trở nên hữu ích trong các ứng dụng ở mức chất lỏng, ngoài trời và công nghiệp.
Nguyên lý đo khoảng cách siêu âm là gửi sóng siêu âm về phía mục tiêu, nhận tiếng vang phản xạ, đo thời gian khứ hồi và tính khoảng cách bằng tốc độ âm thanh. Công thức cơ bản là s = v × t/2.
Để có phạm vi siêu âm chính xác hơn, các nhà thiết kế nên xem xét việc bù nhiệt độ, vùng mù, góc mục tiêu, phản xạ vật liệu, tiếng ồn môi trường và lắp đặt cảm biến. Việc lựa chọn cảm biến và xử lý tín hiệu chính xác có thể cải thiện độ ổn định của phép đo trong các ứng dụng thực tế.
Phương pháp đo phạm vi cảm biến siêu âm đo khoảng cách bằng cách gửi xung siêu âm, nhận tiếng vang phản xạ và tính toán khoảng cách từ thời gian truyền âm thanh. Điều này còn được gọi là thời gian bay siêu âm hoặc phạm vi tiếng vang.
Công thức khoảng cách siêu âm cơ bản là s = v × t/2 . Trong công thức này, s là khoảng cách, v là tốc độ âm thanh và t là thời gian truyền khứ hồi đo được của xung siêu âm.
Cảm biến đo tổng thời gian để sóng siêu âm truyền đến vật thể và quay trở lại. Vì đây là hành trình khứ hồi nên kết quả phải chia cho 2 để có được khoảng cách một chiều giữa cảm biến và mục tiêu.
Nhiệt độ làm thay đổi tốc độ truyền âm trong không khí. Nếu nhiệt độ thay đổi nhưng hệ thống vẫn sử dụng tốc độ âm thanh cố định thì khoảng cách tính toán sẽ có sai số. Bù nhiệt độ giúp cải thiện độ chính xác của phạm vi siêu âm.
Vùng mù là khoảng cách tối thiểu mà cảm biến không thể đo lường một cách đáng tin cậy. Nguyên nhân thường là do đầu dò đổ chuông sau khi truyền. Để phát hiện trong phạm vi ngắn, hãy chọn cảm biến siêu âm có vùng mù nhỏ.
Các bề mặt mềm, xốp, hấp thụ âm thanh, rất mỏng hoặc có góc nhọn có thể làm giảm cường độ tiếng vang. Bọt, vải và các vật có góc cạnh có thể khiến kết quả đo khoảng cách siêu âm yếu hoặc không ổn định.
Cảm biến phạm vi siêu âm thường được sử dụng trong cảm biến đỗ xe, robot tránh chướng ngại vật, đo mức chất lỏng, tự động hóa công nghiệp, đo lường xây dựng, phát hiện đường ống và hệ thống đo khoảng cách không tiếp xúc.
