Các Loại Cảm Biến Siêu Âm Và Làm Sao Để Sử Dụng Đúng Loại

I. Sóng siêu âm là gì?

Siêu Âm là thuật ngữ nói về một dạng âm thanh có tần số cao hơn nhiều so với tầng số mà tai người có thể nghe được bởi tai người có thể nghe được ngưỡng 20.000 Hz. Tần số thấp hơn tần số mà tai người nghe được thường được gọi là hạ âm, thông thường hạ âm rơi vào khoảng 20Hz .

Các sóng siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác nhau như: không khí , chất lỏng , chất rắn … Trong cùng một môi trường lan truyền như nhau thì tần số cao hơn thì bước sóng sẽ ngắn hơn bước sóng của âm thanh. Chính vì bước sóng ngắn đó , độ phân giải sóng siêu âm tiếp xúc vật thể  đủ để đạt độ chính xác cao tới vài milimet.

Khi nói đến siêu âm thì ta liền nghỉ đến ngay 2 con vật quen thuộc, đó là con dơi và cá heo. 2 con vật này có thể phát ra âm thanh với tần số cao vượt mức 20.000Hz để nhận dạng con mồi và di chuyển trong môi trường khắc nghiệt.

Dãi tần số âm thanh

Do đó, cảm biến siêu âm được ra đời và sử dụng rộng rãi trong:

• Y khoa như chuẩn đoán hình ảnh, làm sạch dụng cụ y khoa, . . .
• Trong công nghiệp như đo khoảng cách các loại chất lỏng, máy hàn siêu âm. . . .
• Đời sống hằng ngày của con người: Cảm biến người, nghiên cứu học tập, khoản cách đuôi xe oto, cảm biến vân tay trên điện thoại, . . .
• Quân sự: Tàu ngầm, máy bay, rà boom, . . .

II. Cảm biến siêu âm là gì?

Nói một cách đơn giản, cảm biến siêu âm là một thiết bị cảm biến điện tử hoạt động dựa trên sóng siêu âm. Cũng giống như các loại cảm biến áp suất hay cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu âm được dùng chủ yếu là để đo khoảng cách hoặc vận tốc. Sóng siêu âm là sóng an toàn cho con người và môi trường vì vậy, nó còn được sử dụng trong các ứng dụng như làm sạch bằng sóng siêu âm hoặc dùng trong siêu âm y khoa (siêu âm chuẩn đoán hình ảnh).

III. Nguyên lý hoạt động và cấu tạo của cảm biến siêu âm?

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc cho và nhận tức là bản thân cảm biến sẽ phát ra sóng liên tục với tốc độ của sóng siêu âm (343m/s trong không khí), nếu có chướng ngại vật trên đường đi của sóng thì sóng siêu âm sẽ phản xạ lại và tác động lên module nhận sóng.

Đo thời gian lúc truyền sóng đến khi nhận lại sóng ta sẽ tính được khoảng cách từ cảm biến đến vật cần đo.

Cấu tạo bao gồm phần truyền sóng(Receiver), phần nhận sóng(Transmitter) và phần giải mã tín hiệu (Control circuit).

Nguyên lý hoạt động của sóng siêu âm

IV. Ứng dụng cảm biến siêu âm?

• Trong công nghiệp người sử dụng hay chọn những loại cảm biến có điện áp cao, chống nhiễu tốt và độ bền trong môi trường khắc nhiệt như đo độ sâu, quét địa hình đáy biển, đo độ dày của bê tông trong xây dựng, . . .

Ứng dụng cảm biến siêu âm trong sản xuất

• Trong nghiên cứu học tập và đời sống: Cảm biến siêu âm sử dụng để đo khoảng cách, robot, mô hình xe né vật cản và thực tế lên ô tô, cảm biến cho người mù. . . .

Xe robot ứng dụng cảm biến siêu âm trong trường học

Cảm biến siêu âm ứng dụng lên xe oto

• Trong y tế: Cảm biến siêu âm sử dụng để chuẩn đoán hình ảnh như siêu âm thai nhi, siêu âm ung thư, . . .

Cảm biến vân tay bằng sóng siêu âm trên SamSungS10

• Trong quân sự, cảm biến siêu âm  ứng dụng trong việc phát hiện kẻ địch, phát hiện bom, mìn ở trong lòng lất và ở trên không.

V. Các loại cảm biến siêu âm

1. Cảm biến siêu âm chống nước

Các loại cảm biến siêu âm thông thường được lắp ở những vị trí trên cao như phía trên băng chuyền; hoặc lắp trong board mạch. Vì thế nó không đòi hỏi phải có tiêu chuẩn chống nước. Nhưng đối với các loại cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng; thông thường phải có chuẩn chống nước ở mức IP67 hoặc cao hơn. Lý do là vì các loại cảm biến này thường được lắp đặt ngoài trời; nên cần phải có chuẩn chống nước để bảo vệ trước thời tiết nắng, mưa.

2. Cảm biến siêu âm arduino

Thực ra thì arduino không phải là tên của 1 loại cảm biến siêu âm. Mà arduino là một nền tảng mã nguồn mở được sử dụng để xây dựng các ứng dụng điện tử tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn.

Cảm biến siêu âm gắn trên mạch arduino

Có thể ví arduino giống như một máy tính nhỏ. Trên đó, người dùng có thể lập trình và thực hiện các dự án điện tử mà không cần phải có các công cụ chuyên biệt để phục vụ việc nạp code. Để tìm hiểu sâu hơn về Arduino là gì thì chắc chúng ta sẽ tìm hiểu trong 1 bài viết khác. Có các loại cảm biến siêu âm Arduino thông dụng là:

• Cảm biến siêu âm HC-SR04: Loại cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì RẺ và CHÍNH XÁC.

Cảm biến siêu âm HC-SR04

Nó có khả năng đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300 cm. Độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình. Cùng với dòng SRF05, nó được dùng trong các board mạch thiết kế robot, mạch arduino.

• Cảm biến siêu âm SRF05: Là dòng cảm biến siêu âm chuyên dùng để đo khoảng cách, đo mức chất lỏng, hoặc dùng trong cách mạch điện của robot dò đường; phát hiện các vết đứt gãy trong dây cáp…. Ưu điểm của dòng này là kích thước nhỏ gọn; khả năng kết nối dễ dàng với các MCU (Arduino, DSP, AVR, PIC, ARM…).

Cảm biến siêu âm SRF-05

Tuy nhiên thì nhược điểm của loại này là có độ nhiễu khá lớn và khoảng cách đo chỉ từ 2 cm --> 450cm. Một lưu ý nhỏ là cảm biến siêu âm khi hoạt động sẽ phát 1 chùm sóng hình nón; nên khoảng cách càng xa, cảm biến sẽ càng bị sai số nhiều. 

• Cảm biến siêu âm GY-US42: Là một cảm biến chất lượng cao. Điện áp làm việc 3-5V, điện năng tiêu thụ, kích thước nhỏ, dễ dàng lắp đặt. Module có 3 cách đọc dữ liệu: Nối Tiếp UART (mức TTL), IIC, xung PWM chế độ. Các cổng nối tiếp tốc độ Baud 9600bps và 115200bps, cấu hình, liên tục, đề nghị cho đầu ra hai cách. Giống như SR04. Module có thể thích nghi với KHÁC NHAU môi trường làm việc, liên kết trực tiếp với vi điều khiển. Kết nối máy tính khi bạn cần USB để TTL module, kết nối trực tiếp. IIC chế độ có thể được trực tiếp, APM, Pixhawk và các chuyến bay điều khiển liên kết. dao động mù phạm vi khoảng 20cm, dao động trong vòng 20cm là không hợp lệ.

Cảm biến siêu âm GY-US42 

• Cảm biến siêu âm chống thấm nước JSN-SR04T: là module hiệu suất và độ ổn định cao, đo khoảng cách chính xác. Module có độ chính xác cao, mù (25cm), ổn định phạm vi là sự thành công của sản phẩm này đến thị trường mạnh mẽ cơ sở. Chiều dài dây dẫn 2.5M Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng sử dụng, điện áp thấp, tiêu thụ điện năng thấp, cao độ chính xác đo lường, mạnh mẽ chống nhiễu, tích hợp chống nước với môi trường hoạt động thăm dò ẩm ướt và khắc nghiệt.

Cảm biến siêu âm chống nước JSN-SR04T

3. Cảm biến siêu âm công nghiệp

• Cảm biến siêu âm Omron là một thương hiệu lớn của Nhật Bản, nước duy nhất ở Châu Á nằm trong nhóm G7. Vì thế về chất lượng của thương hiệu này thì ta không có gì để bài cãi rồi.

Cảm biến siêu âm Omron

Ưu điểm lớn nhất của dòng sản phẩm cảm biến từ Omron là giá thành cực kỳ cạnh tranh bởi vì Omron có nhà máy sản xuất ngay tại Trung Quốc. Chính vì thế nên nó làm giảm giá thành của sản phẩm, giúp sản phẩm tiếp cận đến nhiều người hơn.

• Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi: Là dòng cảm biến của hãng Carlo Gavazzi đến từ Italy; cũng trong nhóm G7 nên về chất lượng của sản phẩm, ta cũng không cần phải bàn cãi nhiều. Có phạm vi đo là 350mm đến 6000mm, nhưng chúng ta có thể cài đặt bất cứ thang đo nào; miễn là trong giới hạn 6000mm là được.

Cảm biến siêu âm Carlo Gavazzi

Tín hiệu output của cảm biến cũng là dạng analog 4-20mA hoặc 0-10V. Dạng tín hiệu này đa số các thiết bị trên thị trường đều có thể đọc được cũng như các loại PLC đều nhận được tín hiệu dạng này.

• Cảm biến siêu âm đo mức nước Dinel: Dinel là một thương hiệu lớn của Cộng hòa Séc chuyên về các loại cảm biến đo mức; báo mức chất lỏng, chất rắn…. Với đầy đủ các giải pháp đo mức cho các loại môi trường khác nhau như nước, dầu; xăng, socola, rượu, xi măng,…. nên đáp ứng được hầu hết những yêu cầu của người dùng.

Cảm biến siêu âm đo mức hãng Dinel

Một ưu điểm khác của cảm biến đo mức Dinel là mức giá tốt hơn rất nhiều so với các thương hiệu lớn như Endress hauser, Rosemount,….mà vẫn đảm bảo độ chính xác và độ bền.

IV. Mua cảm biến siêu âm lưu ý gì?

Ứng dụng của cảm biến nhiều là vậy đó, nhưng khi mua; bạn nên tìm hiểu kỹ về tính năng cũng mục đích để mua được loại phù hợp. Những thông số sau đây bạn có thể tham khảo:

1. Khoảng cách cần đo:

Như mình đã đề cập phía trên; mỗi loại cảm biến siêu âm có một thang đo cụ thể, từ vài trăm cm đến vài chục mét. Và khoảng cách đo này ảnh hưởng nhiều đến độ chính xác của cảm biến. Bởi vì khi hoạt động; cảm biến sẽ phát 1 chùm sóng siêu âm hình nón xuống bề mặt vật chất cần đo. Và nếu như đo càng xa, thì phần tia sóng sẽ càng rộng ra, dễ dẫn đến sai số. Đối với các ứng dụng như lắp trên các bản mạch robot hoặc trên xe ô tô thì khoảng cách đo lớn nhất chỉ tầm khoảng vài mét trở lại. Còn đối với các ứng dụng đo mức chất lỏng trong công nghiệp; khoảng cách có thể đo được có thể lên đến vài chục mét. Hiện nay; đối với dòng cảm biến siêu âm Dinel thì khoảng cách tối đa mà nó có thể đo được là 20m.

2. Vùng mù của cảm biến siêu âm:

Mỗi một loại cảm biến siêu âm đều có 1 khoảng cách được gọi là vùng mù của cảm biến siêu âm. Đây là khoảng cách từ bộ phát của cảm biến tính xuống phía dưới.

Vùng mù của cảm biến siêu âm

Ví dụ như khoảng cách đo của con cảm biến siêu âm SRF05 là 2cm --> 450cm thì 2cm chính là vùng mù của cảm biến. Khi vật chất nằm trong vùng mù thì cảm biến sẽ không nhận diện được. Vì thế, khi ta chọn mua cảm biến; ta cần hỏi rõ người bán xem vùng mù của cảm biến đó là bao nhiêu.

3. Nhiệt độ và áp suất môi trường đo:

Bởi vì cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc thu/phát sóng siêu âm. Vì thế nên khi nhiệt độ và áp suất trong bồn quá cao sẽ làm lệch hướng sóng. Thông thường thì các loại cảm biến siêu âm đo mức nước có nhiệt độ chịu được vào khoảng 60 độ C và áp suất tối đa là 1 bar. Nên nếu môi trường đo của bạn có nhiệt độ và áp suất cao thì không nên chọn phương pháp đo mức bằng siêu âm.