Cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Ngày nay, cảm biến siêu âm có mặt ở khắp mọi nơi, không chỉ trong các ứng dụng công nghiệp mà nó còn xuất hiện quanh đời sống hàng ngày. Bài viết này MC&TT sẽ cùng các bạn tìm hiểu những thông tin cơ bản về cảm biến siêu âm: khái niệm, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng nhé!

Cảm biến siêu âm là gì?

Siêu âm là một loại âm thanh mà vượt qua khỏi giới hạn nghe của tai người. Thông thường tai người có thể nghe được tần số trong giới hạn 20.000 Hz trở xuống. Còn siêu âm thì thường có tần số từ 20.000Hz trở lên. Ngoài siêu âm thì ta còn có 1 khái niệm khác là hạ âm. Hạ âm là loại âm thanh có tần số rất thấp, chỉ vào khoảng dưới 20 Hz.

Thiết bị cảm biến siêu âm là thiết bị đo nhỏ gọn chứa máy phát siêu âm và mô-đun điện tử dùng để đo liên tục hoặc cảm nhận mức giới hạn của chất lỏng, nước thải, bùn, chất kết dính, nhựa trong các mạch đóng và mở khác nhau,… Thông thường cảm biến siêu âm được dùng để đo mức chất lỏng là chủ yếu ngoài ra còn có thể dùng để đo chất rắn

Cấu tạo cảm biến siêu âm

Thiết bị cảm biến siêu âm được cấu tạo bởi một bộ phận đầu dò phát ra tín hiệu. Đầu dò của cảm biến hoạt động như một microphone để nhận và phát âm thanh siêu âm. Chúng được thiết kế với nhiều hình dạng như:

• Đầu dò thẳng (sóng dọc).
• Đầu dò ngang (sóng ngang).
• Đầu dò sóng bề mặt.
• Đầu dò kép (một đầu phát và một đầu nhận tín hiệu).

Mặc dù thiết kế khác nhau nhưng các thiết bị đầu dò cảm biến sóng siêu âm này đều có chung cấu tạo gồm:

• Bộ phát: Là bộ phận được cấu tạo từ gốm, với đường kính rộng 15mm, hoạt động nhờ cơ chế chuyển động bằng máy rung để tạo ra các sóng siêu âm truyền vào không khí.
• Bộ thu: Có chức năng hình thành các rung động cơ học tương thích với sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của bộ thu.
• Điều khiển: Là bộ phận sử dụng mạch điện tích hợp để điều khiển sự truyền sóng siêu âm của bộ phát, từ đó đánh giá được khả năng nhận tín hiệu và kích thước của bộ thu.
• Nguồn điện DC: Cung cấp năng lượng cho thiết bị cảm biến thông qua mạch ổn áp, với mức điện áp PCB ± 10%, 24V ± 10%.

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa theo nguyên lý cho và nhận, tức là cảm biến sẽ phát ra 1 nguồn sóng liên tục với tốc độ của sóng siêu âm. Khi bước sóng này gặp vật cản thì sẽ phản hồi lại, cảm biến siêu âm sẽ nhận được bước sóng phản hồi này đồng thời sẽ tiến hành phân tích để biết được khoảng cách từ vật cản đến cảm biến. Nhờ đó, chúng ta sẽ biết được khoảng cách từ cảm biến cho tới mức chất lỏng hoặc chất rắn.

Phân loại cảm biến siêu âm

Trên thị trường hiện nay, có 2 loại cảm biến siêu âm thường được dùng nhất đó là: Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors) và cảm biến mức (Level Sensors).

Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors)

Chúng thường được tìm thấy trong một số công nghệ đỗ xe ô tô tự động và hệ thống an toàn chống va chạm. Cảm biến siêu âm này cũng được sử dụng trong một số hệ thống phát hiện chướng ngại vật trên robot, cũng như một số máy móc trong dây chuyền sản xuất.

So với cảm biến hồng ngoại (IR) trong các ứng dụng thì cảm biến tiệm cận sẽ không dễ dàng bị nhiễu sóng bởi khói, khí và một số hạt trong không khí khác. Mặc dù, thành phần vật lý vẫn có thể bị ảnh hưởng bởi các biến như nhiệt độ.

Cảm biến siêu âm – cảm biến mức (Level Sensors)

Cảm biến mức dùng để phát hiện, giám sát và điều chỉnh các mức chất lỏng trong các thùng chứa kín, ví dụ như các thùng hóa chất trong các nhà máy.

Một điều cũng rất đáng để lưu ý là công nghệ siêu âm đã cho phép ngành y tế có thể nhìn được các cơ quan nội tạng, giúp bác sĩ có thể xác định được các khối u và có thể theo dõi sự phát triển của em bé trong bụng mẹ.

Ưu điểm của cảm biến sóng siêu âm

• Sử dụng sóng siêu âm nên có thể đo khoảng cách mà không cần tiếp xúc với vật chất cần đo. Vì thế, cảm biến siêu âm thường được dùng để đo mức chất lỏng có độ ăn mòn cao như acid hoặc xăng, dầu,…
• Sóng siêu âm là một loại âm thanh có tần số cao nên độ nhạy của cảm biến rất cao, thời gian đáp ứng nhanh.
• Độ chính xác của cảm biến siêu âm gần như là tuyệt đối, sai số trung bình khoảng 0,15% đối với khoảng cách 2m trở lại.

Nhược điểm của cảm biến sóng siêu âm

• Cảm biến siêu âm chịu ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ và áp suất. Vì thế nó chỉ hoạt động tốt nhất ở môi trường có nhiệt độ từ 60 độ C trở xuống và áp suất khoảng 1 bar trở lại.
• Các loại cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng có chi phí đầu tư ban đầu là khá cao so với các loại cảm biến đo mức chất lỏng khác.
• Một nhược điểm khác là cảm biến siêu âm rất dễ bị nhiễu tín hiệu nên khi lắp đặt, bạn cần phải lắp theo đúng hướng dẫn của nhà sản xuất.

Ứng dụng

• Sử dụng cảm biến siêu âm đo mức nước hồ chứa thủy điện, bể chứa nước thải, bể chứa nước sinh hoạt,…do cảm biến siêu âm đo được các khoảng cách lớn đến 20 mét. Sai số chỉ 0.15% đáp ứng các tiêu chuẩn khắc khe về sai số, cũng như vị trí lắp đặt ngoài trời,…
• Đối với các bồn chứa nhiên liệu như dầu diesel, dầu thủy lực,…(trừ xăng). Cảm biến siêu âm đáp ứng tốt các tiêu chuẩn phòng nổ. Nên việc sử dụng cảm biến siêu âm đo mức dầu cho kết quả rất tốt.
• Cảm biến siêu âm ngoài đo mức chất lỏng liên tục, còn được áp dụng đo mức chất rắn, nhưng khoảng cách đo bị giảm đi so với đo chất lỏng, vì tùy thuộc vào độ phản xạ của vật liệu.
• Mở rộng ứng dụng cảm biến siêu âm còn được dùng để phát hiện ra vật thể như: phát hiện chướng ngại vật xung quanh của xe hơi, đo độ dài của cuộn vải trong sản xuất công nghiệp,…