Lượt xem: 110 Tác giả: Grace Thời gian xuất bản: 25-06-2021 Nguồn gốc: Địa điểm
Cảm biến siêu âm là thiết bị sử dụng sóng âm thanh tần số cao để phát hiện vật thể, đo khoảng cách hoặc theo dõi chuyển động. Chúng chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng siêu âm và sau đó chuyển đổi tiếng vang phản xạ thành tín hiệu điện để đo lường và điều khiển.
Sóng siêu âm là sóng âm cơ học có tần số cao hơn 20kHz. Do sóng siêu âm có bước sóng ngắn, tính định hướng tốt và truyền tương đối ổn định trong không khí nên chúng được sử dụng rộng rãi trong đo khoảng cách, phát hiện vật thể, cảm biến mức chất lỏng, cảm biến đỗ xe, robot và tự động hóa công nghiệp.
Một cảm biến khoảng cách siêu âm điển hình sử dụng một máy phát để phát ra sóng âm thanh và một máy thu để thu sóng phản xạ. Bằng cách đo thời gian giữa quá trình truyền và nhận tiếng vang, cảm biến có thể tính toán khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng mục tiêu.
Cảm biến siêu âm là cảm biến không tiếp xúc sử dụng siêu âm để phát hiện sự hiện diện, khoảng cách, vị trí hoặc chuyển động của vật thể. Nó có thể hoạt động như cảm biến khoảng cách siêu âm, cảm biến phát hiện vật thể, cảm biến mức chất lỏng hoặc cảm biến tiệm cận tùy thuộc vào thiết kế và ứng dụng mạch.
Trong nhiều cảm biến siêu âm 40kHz, đầu dò gốm được sử dụng để tạo và nhận sóng siêu âm. Máy phát gửi một xung siêu âm và máy thu phát hiện tiếng vang phản xạ từ mục tiêu. Sau đó, mạch cảm biến sẽ xử lý tín hiệu dội lại và đưa ra dữ liệu về khoảng cách hoặc phát hiện.
Một cặp cảm biến siêu âm có thể được tạo thành từ một bộ phát và bộ thu riêng biệt hoặc cả hai chức năng có thể được nhúng trong một bộ thu phát duy nhất. Hình ảnh dưới đây cho thấy các bộ phận phát và thu siêu âm Manorshi 40kHz. Xem thêm các sản phẩm cảm biến siêu âm tại Cảm biến siêu âm Manorshi.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm dựa trên việc truyền sóng âm, phản xạ và phát hiện tiếng vang. Cảm biến phát ra xung siêu âm hướng tới mục tiêu. Khi sóng âm tới bề mặt vật thể, một phần sóng sẽ phản xạ trở lại máy thu.
Cảm biến đo thời gian di chuyển của tiếng vang, còn được gọi là thời gian bay. Vì đã biết tốc độ của âm thanh trong không khí nên khoảng cách có thể được tính từ thời gian truyền một vòng của sóng siêu âm.
Khoảng cách = Tốc độ âm thanh × Thời gian vang vọng / 2
Kết quả chia cho 2 vì sóng âm truyền từ cảm biến đến vật thể rồi quay trở lại từ vật thể đến cảm biến. Thời gian tiếng vang đo được là thời gian khứ hồi, không phải thời gian một chiều.
| Bước | Điều gì xảy ra |
|---|---|
| 1. Đầu vào tín hiệu điện | Mạch áp dụng tín hiệu điện cho máy phát siêu âm. |
| 2. Phát sóng siêu âm | Đầu dò áp điện rung và phát ra sóng siêu âm. |
| 3. Phản xạ tiếng vang | Sóng phản xạ khi gặp một vật thể, bề mặt chất lỏng hoặc giao diện. |
| 4. Tiếp nhận tiếng vang | Máy thu phát hiện sóng siêu âm phản xạ. |
| 5. Tính toán tín hiệu | Mạch điều khiển tính toán khoảng cách từ thời điểm bay. |
MỘT Máy phát siêu âm thường sử dụng tinh thể gốm áp điện gắn vào tấm rung kim loại hoặc bộ cộng hưởng. Khi một điện áp xoay chiều được đặt vào phần tử áp điện, nó sẽ giãn nở và co lại nhanh chóng.
Sự rung động cơ học này tạo ra sóng siêu âm. Bộ cộng hưởng và vỏ giúp hướng năng lượng âm thanh về phía trước, do đó sóng âm thanh phát ra truyền đi dưới dạng chùm tia định hướng thay vì lan truyền đều theo mọi hướng.
Máy thu siêu âm hoạt động theo cách ngược lại. Khi sóng siêu âm phản xạ tới máy thu, tấm rung sẽ di chuyển. Sự rung động này được truyền tới đĩa gốm áp điện.
Do hiệu ứng áp điện, phần tử gốm tạo ra tín hiệu điện khi nó bị ứng suất cơ học. Mạch cảm biến khuếch đại và xử lý tín hiệu yếu này để xác định xem tiếng vang đã quay trở lại hay chưa và mất bao lâu để tiếng vang đến.
Tóm lại, cảm biến siêu âm có thể vừa truyền vừa thu sóng siêu âm. Khi truyền đi, chúng chuyển đổi năng lượng điện thành rung động siêu âm. Khi nhận được tiếng vang, chúng chuyển đổi rung động siêu âm thành tín hiệu điện. Đây là lý do tại sao chúng còn được gọi là đầu dò siêu âm.
Bởi vì phần tử áp điện thường có hình tròn nên sóng siêu âm phát ra có dạng chùm tia định hướng. Mặt cắt ngang của chùm tia thường tương tự như hình elip, do đó phạm vi phát hiện bị giới hạn bởi góc, tần số, kích thước đầu dò, công suất âm thanh và phản xạ mục tiêu.
Đối với một số thiết kế cảm biến siêu âm, góc phát hiện ngang có thể rộng hơn góc phát hiện dọc. Ví dụ: một cảm biến có thể có góc chùm tia ngang khoảng 120 độ và góc chùm tia dọc khoảng 60 độ, tùy thuộc vào cấu trúc và ứng dụng.
| Yếu tố hiệu suất | ảnh hưởng đến hoạt động của cảm biến |
|---|---|
| Tính thường xuyên | Tần số thấp hơn sẽ truyền đi xa hơn, trong khi tần số cao hơn có thể cung cấp độ phân giải tốt hơn ở phạm vi ngắn hơn. |
| Góc chùm tia | Chùm tia hẹp cải thiện khả năng phát hiện hướng; chùm tia rộng bao phủ nhiều diện tích hơn. |
| Bề mặt mục tiêu | Bề mặt phẳng, cứng phản xạ siêu âm tốt hơn bề mặt mềm, góc cạnh hoặc xốp. |
| Nhiệt độ | Nhiệt độ làm thay đổi tốc độ âm thanh và có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của khoảng cách. |
| Môi trường | Bụi, hơi ẩm, gió, bọt, độ rung và các nguồn siêu âm khác có thể ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu. |
Cấu trúc đơn giản và sản xuất thuận tiện.
Đo khoảng cách không tiếp xúc mà không cần chạm vào đối tượng mục tiêu.
Ít bị ảnh hưởng bởi màu mục tiêu, độ trong suốt hoặc ánh sáng xung quanh so với cảm biến quang học.
Thích hợp để phát hiện các vật thể trong suốt, bề mặt bóng, mức chất lỏng và nhiều vật liệu rắn.
Không dễ bị nhiễu bởi các trường điện từ môi trường thông thường.
Có thể được thiết kế dưới dạng loại mở, loại chống nước, loại tần số cao, máy phát, máy thu hoặc máy thu phát tích hợp.
| Loại | Mô tả | Sử dụng điển hình |
|---|---|---|
| Máy phát siêu âm | Chuyển đổi tín hiệu điện thành sóng siêu âm. | Mô-đun khoảng cách, thiết bị đẩy lùi, hệ thống cảm biến. |
| Máy thu siêu âm | Chuyển đổi tiếng vang siêu âm thành tín hiệu điện. | Mạch phát hiện tiếng vang và nhận tín hiệu. |
| Máy thu phát siêu âm | Kết hợp các chức năng truyền và nhận trong một đơn vị. | Cảm biến khoảng cách nhỏ gọn và mô-đun phát hiện đối tượng. |
| Cảm biến siêu âm chống nước | Sử dụng vỏ kín cho môi trường ẩm ướt, ngoài trời hoặc liên quan đến chất lỏng. | Cảm biến đỗ xe, cảm biến ngoài trời, cảm biến mức bể. |
| Cảm biến siêu âm tần số cao | Sử dụng tần số cao hơn để có độ phân giải tốt hơn ở phạm vi ngắn hơn. | Phát hiện chính xác, y tế, kiểm tra công nghiệp. |
Cảm biến siêu âm được sử dụng ở bất cứ nơi nào cần đo không tiếp xúc. Chúng đặc biệt hữu ích khi cảm biến quang học có thể bị ảnh hưởng bởi màu sắc, ánh sáng, độ trong suốt, bụi hoặc ánh sáng chói.
Cảm biến đỗ xe và radar lùi.
Robot tránh chướng ngại vật và điều hướng.
Đo mức chất lỏng trong bể và thùng chứa.
Tự động hóa công nghiệp và phát hiện đối tượng.
Thùng rác thông minh, cửa tự động và phát hiện sự có mặt.
Đo lưu lượng, phát hiện rò rỉ và kiểm tra không phá hủy trong các hệ thống chuyên dụng.
Mặc dù cảm biến siêu âm đáng tin cậy trong nhiều ứng dụng nhưng chúng không phù hợp với mọi mục tiêu hoặc môi trường. Các vật thể mềm, xốp, góc cạnh, rất nhỏ hoặc hấp thụ âm thanh có thể tạo ra tiếng vang yếu. Bọt, nhiễu loạn, chuyển động không khí mạnh và thay đổi nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo.
Để đo khoảng cách siêu âm chính xác, các kỹ sư nên chọn tần số, góc chùm tia, loại cảm biến, vị trí lắp đặt và phương pháp bù chính xác. Trong môi trường khắc nghiệt, cảm biến siêu âm chống nước hoặc kín thường được ưa chuộng hơn.
Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách truyền sóng âm thanh tần số cao và nhận tiếng vang phản xạ. Khoảng cách được tính từ thời gian tiếng vang và tốc độ âm thanh bằng nguyên lý thời gian bay.
Do cảm biến siêu âm không tiếp xúc, không nhạy cảm với màu sắc và ánh sáng, phù hợp với nhiều mục tiêu rắn và lỏng nên chúng được sử dụng rộng rãi trong đo khoảng cách, phát hiện vật thể, cảm biến mức chất lỏng, hệ thống ô tô và tự động hóa công nghiệp.
Cảm biến siêu âm đo khoảng cách bằng cách phát ra xung âm thanh, nhận tiếng vang phản xạ và tính toán khoảng cách từ thời gian tiếng vang. Công thức cơ bản là khoảng cách = tốc độ âm thanh × thời gian/2.
Một máy phát siêu âm chuyển đổi năng lượng điện thành sóng âm siêu âm. Một máy thu siêu âm chuyển đổi sóng siêu âm phản xạ thành tín hiệu điện. Một số đầu dò siêu âm có thể thực hiện cả hai chức năng trong một thành phần.
Cảm biến siêu âm 40kHz rất phổ biến vì chúng mang lại sự cân bằng thực tế giữa phạm vi, độ nhạy, kích thước thành phần, mức tiêu thụ điện năng và chi phí. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các mô-đun khác nhau, phát hiện đối tượng và hệ thống cảm biến đỗ xe.
Đúng. Vì cảm biến siêu âm sử dụng sóng âm thanh thay vì ánh sáng nên chúng có thể phát hiện nhiều vật thể trong suốt mà cảm biến quang học khó có thể phát hiện được. Kết quả thực tế phụ thuộc vào hình dạng, góc, kích thước và phản xạ âm thanh của vật thể.
Độ chính xác có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm, gió, góc mục tiêu, vật liệu mục tiêu, độ nhám bề mặt, căn chỉnh cảm biến, góc chùm tia, tiếng ồn môi trường và nhiễu tiếng vang từ các vật thể gần đó.
Cảm biến siêu âm thường không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng khả kiến hoặc màu sắc vật thể vì chúng sử dụng sóng âm. Điều này làm cho chúng hữu ích trong môi trường tối, mục tiêu trong suốt, bề mặt sáng bóng và các ứng dụng mà cảm biến quang học có thể không đáng tin cậy.
Cảm biến khoảng cách siêu âm được sử dụng trong radar lùi ô tô, robot tránh chướng ngại vật, đo mức chất lỏng, tự động hóa công nghiệp, thùng rác thông minh, cửa tự động, hệ thống đỗ xe và thiết bị phát hiện không tiếp xúc.
