Cảm biến siêu âm là một trong những công nghệ được ứng dụng rộng rãi nhất bởi tính chính xác, ổn định và khả năng hoạt động trong nhiều điều kiện khác nhau. Vậy cảm biến siêu âm là gì, chúng hoạt động như thế nào, cấu tạo ra sao và ứng dụng trong thực tế nằm ở những đâu? Hãy cùng Vina Good Tech tìm hiểu chi tiết về cảm biến siêu âm ngay dưới đây.
Cảm biến siêu âm là gì?
Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor) là thiết bị đo khoảng cách hoặc phát hiện vật thể bằng sóng siêu âm có tần số trên 20 kHz. Đây là mức siêu âm mà tai người không thể nghe thấy. Cảm biến sẽ phát ra xung âm, sau đó nhận lại sóng phản xạ (echo) để tính khoảng cách giữa nó và vật thể phía trước. Nhờ khả năng đo không tiếp xúc, cảm biến siêu âm được ứng dụng trong hầu hết các ngành công nghiệp, từ robot, băng tải, đo mức nước cho đến các thiết bị ô tô hoặc y tế.
>> Xem thêm:
Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm
Trước khi đi vào nguyên lý, hãy xem sóng siêu âm thực chất là gì. Sóng siêu âm là dạng sóng cơ học có tần số cao hơn 20.000 Hz, vượt ngưỡng nghe của con người. Sóng này lan truyền tốt trong không khí, chất lỏng và chất rắn, đồng thời phản xạ mạnh khi gặp vật thể – đây chính là nền tảng để cảm biến đo khoảng cách.
Để đo được vị trí của vật, cảm biến siêu âm sử dụng nguyên lý Time-of-Flight (thời gian truyền sóng). Quy trình hoạt động gồm 4 bước:
- Cảm biến phát một xung âm ra môi trường.
- Xung âm va chạm vào vật thể phía trước.
- Sóng phản xạ trở lại bộ thu.
- Vi xử lý tính khoảng cách dựa trên thời gian đi – về của sóng âm.
Khoảng cách được tính theo công thức sau:
- KHOẢNG CÁCH = 1/2 x THỜI GIAN x TỐC ĐỘ ÂM THANH
Tốc độ âm thanh trung bình trong không khí ở 20°C là 343 m/s nhưng có thể thay đổi tùy nhiệt độ và độ ẩm nên nhiều cảm biến cao cấp sẽ có bù nhiệt để tăng độ chính xác. Để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, cảm biến siêu âm có một số chế độ vận hành:
- Chế độ phản xạ (Reflex Mode)
Trong chế độ này, bộ phát và bộ thu nằm trong cùng một thân cảm biến. Cảm biến phát sóng → nhận sóng phản xạ → tính khoảng cách.
- Chế độ thu – phát tách rời (Through-beam Mode)
Ở chế độ này, một thiết bị chỉ phát, một thiết bị chỉ thu, đặt đối diện nhau.
Khi vật thể đi qua và chặn sóng, cảm biến phát hiện được sự hiện diện của vật.
- Chế độ Multiplex hoặc đồng bộ (Synchronous Mode)
Dùng khi có nhiều cảm biến đặt gần nhau, giúp tránh nhiễu sóng giữa các thiết bị.
Cấu tạo của cảm biến siêu âm
Để cảm biến hoạt động ổn định và chính xác, nó gồm nhiều bộ phận phối hợp với nhau dưới đây:
Bộ phát sóng siêu âm (Transmitter)
Bộ phát sử dụng tinh thể piezoelectric, khi được kích điện sẽ dao động và tạo ra sóng siêu âm có tần số xác định.
Bộ thu sóng siêu âm (Receiver)
Bộ thu làm nhiệm vụ ngược lại: nhận sóng phản xạ và chuyển chúng thành tín hiệu điện. Tín hiệu này sẽ được gửi vào vi xử lý để phân tích.
Mạch xử lý tín hiệu (Signal Processing Circuit)
Để đảm bảo tín hiệu echo không bị nhiễu, mạch xử lý sẽ:
- Khuếch đại tín hiệu yếu
- Lọc nhiễu
- Xác định thời điểm chính xác sóng được nhận lại.
Vi xử lý tính toán khoảng cách
Phần vi xử lý đóng vai trò trung tâm, tính toán thời gian truyền sóng và đưa ra kết quả đo.
Vỏ bảo vệ và tiêu chuẩn chống nước (IP)
Các cảm biến công nghiệp thường có tiêu chuẩn IP65-IP68, giúp chống bụi, dầu, hơi ẩm và hoạt động bền trong môi trường nhà máy.
>> Xem thêm:
Các loại cảm biến siêu âm thông dụng
Cảm biến siêu âm được thiết kế với nhiều mục đích sử dụng khác nhau. Dưới đây là những loại phổ biến nhất:
- Cảm biến đo khoảng cách: Loại này tập trung vào đo khoảng cách từ cảm biến đến vật thể phía trước, thường có sai số nhỏ và độ phân giải cao.
- Cảm biến đo mức (Level Sensor): Được dùng để đo mực chất lỏng trong bể nước, silo, thùng hóa chất – đặc biệt hữu ích khi cần đo không tiếp xúc.
- Cảm biến phát hiện vật thể (Proximity): Loại này chỉ cần phát hiện vật có hay không, thường dùng trên băng tải để kiểm tra sự tồn tại của sản phẩm.
- Cảm biến siêu âm công nghiệp: Có vỏ chắc chắn, chống nước, chịu rung tốt, hỗ trợ tín hiệu công nghiệp.
Ứng dụng của cảm biến siêu âm
Nhờ đặc tính đo không tiếp xúc và độ ổn định cao, cảm biến siêu âm được dùng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như:
- Robot, xe AGV: Cảm biến giúp robot phát hiện vật cản và tránh va chạm.
- Đo mức chất lỏng: Sử dụng trong bể xử lý nước, thùng hóa chất.
- Dây chuyền công nghiệp, băng tải: Giúp đếm sản phẩm, phát hiện vật trên băng tải.
- Hệ thống ô tô: Cảm biến lùi, cảnh báo va chạm đều dựa trên sóng siêu âm.
- Y tế, thiết bị nghiên cứu: Một số thiết bị đo đạc hoặc phân tích sử dụng nguyên lý tương tự.
Cảm biến siêu âm là công nghệ đo không tiếp xúc mang lại độ bền, độ ổn định và tính linh hoạt cao trong nhiều môi trường khác nhau. Với nhiều ứng dụng khác nhau, thiết bị này sẽ nâng cao hiệu suất và độ chính xác của toàn bộ dây chuyền hoạt động. Hiểu rõ cảm biến siêu âm là gì, cách hoạt động, các loại cảm biến,… được Vina Good Tech trình bày sẽ giúp doanh nghiệp chọn được thiết bị phù hợp nhất cho nhu cầu thực tế, tránh lãng phí và tối ưu hiệu quả sản xuất.
