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

Cảm biến siêu âm được sử dụng khá rộng rãi trong đời sống hiện nay từ các ứng dụng hàng ngày đến các ứng dụng trong công nghiệp. Đơn giản nhất mà bạn có thể thấy chính là khi đi khám bệnh, người ta kêu bạn “đi siêu âm”. Thì đó chính là ứng dụng của cảm biến siêu âm. Vậy thì cảm biến siêu âm là gì? Ứng dụng của cảm biến siêu âm ra sao?

Hãy cùng mình tìm hiểu trong bài viết sau!

Cảm biến siêu âm là gì?

Đầu tiên ta cần biết, 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.
Vậy thì cảm biến siêu âm chính là 1 loại cảm biến hoạt động dựa trên sóng siêu âm. Ta có thể hiểu đơn giản là vậy.

Cảm biến siêu âm công nghiệp:

Đối với các loại cảm biến siêu âm dùng trong công nghiệp, nó thường được dùng để kiểm tra khoảng cách chất lỏng, dùng trong các máy hàn siêu âm, kiểm tra phát hiện dị tật của sản phẩm,…

Cảm biến siêu âm trong đời sống hàng ngày:

Đơn giản nhất và thường thấy nhất là khi bạn có em bé, bác sĩ sẽ yêu cầu bạn “đi siêu âm”. Đó chính là ứng dụng của cảm biến siêu âm trong đời sống.

Ngoài ra thì cảm biến siêu âm còn có một số ứng dụng khác: cảm biến siêu âm dùng để phát hiện có người trong phòng, cảm biến siêu âm dùng để định vị xe ô tô,

Ứng dụng của cảm biến siêu âm:

Nói về những ứng dụng của cảm biến siêu âm ở trên rồi, giờ ta sẽ đi vào ứng dụng chính của cảm biến siêu âm trong công nghiệp. Có 2 ứng dụng cơ bản nhất của cảm biến siêu âm công nghiệp sau:

Cảm biến siêu âm đo mức nước:

Là phương pháp dùng để giám sát mức chất lỏng trong bồn chứa, silo, tank chứa…. bằng cảm biến siêu âm đo mức.
Ví dụ bạn có 1 bồn nước cao 6m bằng inox. Và bài toán đặt ra là bạn muốn giám sát xem trong bồn nước đó có bao nhiêu lít nước chẳng hạn. Với cách làm thông thường thì ta sẽ chọn các loại phao đo mức để giám sát. Nhưng loại phao thường có nhược điểm là độ sai số cao và chi phí bảo trì thường xuyên.

Cách giải quyết đơn giản nhất và kinh tế nhất là bạn sẽ gắn 1 cảm biến siêu âm ở phía trên bồn chứa.
Tín hiệu output của loại cảm biến siêu âm là dạng 4-20mA hoặc 0-10V. Sau đó ta sẽ đưa tín hiệu này về PLC để xử lý tín hiệu và hiển thị giá trị số lít trong bồn.
Bạn có thể tham khảo thêm về cảm biến siêu âm đo mức nước tại địa chỉ:

Cảm biến siêu âm đo mức nước Dinel

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách:

Là một ứng dụng khác của cảm biến siêu âm mà ta rất thường gặp trong nhà máy. Ứng dụng nhiều nhất là sử dụng để kiểm tra xem trên dây chuyền có sản phẩm chưa, hoặc kiểm tra xem các sản phẩm có bị nứt, đổ, ngã hay không?

Cảm biến vân tay siêu âm dùng trên điện thoại Samsung S10:

Một ứng dụng khác của cảm biến siêu âm trong sản xuất điện thoại mà gần đây bạn đã nghe đến. Đó là cảm biến vân tay siêu âm được dùng trên điện thoại Samsung Galaxy S10.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến này thay vì sử dụng hình ảnh hoặc điện dung; công nghệ này sẽ sử dụng sóng siêu âm.

Hệ thống cảm biến sẽ bao gồm 1 máy thu và phát tín hiệu, khi một xung siêu âm được truyền từ màn hình đến ngón tay lúc bạn đặt lên cảm biến, áp lực từ các xung này sẽ bị ngón tay hấp thụ và một số chúng phản hồi trở lại cảm biến.
Tùy theo khoảng cách từ vân tay đến màn hình mà cảm biến sẽ vẽ ra được đường vân tay của bạn.

Nguyên lý cảm biến siêu âm:

Có rất nhiều các loại cảm biến siêu âm trên thị trường. Tuy khác nhau về hình dạng, nhưng đều chung một nguyên lý hoạt động.
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phát sóng và phản xạ sóng. Nguyên lý này tương tự như ở loài dơi. Khi tìm mồi trong đêm, dơi thường phát ra các dạng sóng siêu âm và khi các sóng siêu âm này gặp các vật cản sẽ phản xạ lại sóng và giúp dơi xác định được chướng ngại vật trước mặt.

Đối với cảm biến siêu âm cũng vậy; khi ta cấp nguồn hoạt động, cảm biến sẽ phát ra 1 chùm sóng siêu âm liên tục. Khi các chùm sóng này chạm đến bề mặt vật cản sẽ phản xạ ngược lại cảm biến. Lúc này cảm biến sẽ thu lại các chùm sóng và tính toán khoảng cách từ cảm biến đến vật cản dựa trên thời gian phản xạ và vận tốc của sóng.

Ưu nhược điểm của cảm biến siêu âm:

Tiếp theo ta sẽ cùng tìm hiểu về những ưu điểm cũng như nhược điểm của cảm biến siêu âm:
Ưu điểm:

• Độ chính xác cao, đo được khoảng cách xa. Đối với cảm biến siêu âm đo mức nước Dinel thì đo được tới 20m.
• Không cần tiếp xúc mà vẫn cảm biến được nên được dùng nhiều trong nhà máy.

Nhược điểm:

• Các loại cảm biến này thường có khả năng chịu được nhiệt độ và áp suất không cao.
• Có 1 khoảng cách mà thông thường cảm biến siêu âm không đo được; được gọi là vùng mù của cảm biến siêu âm. Khoảng cách này thường nằm phía dưới bộ phận phát sóng. Khoảng cách xa hay gần là tùy thuộc vào nhà sản xuất.
• Giá thành khá cao.

Một số lưu ý khi chọn mua cảm biến siêu âm:

Khi chọn mua bất kỳ một loại cảm biến nào, ta cũng nên đọc qua một số lưu ý. Thứ nhất là để đảm bảo độ chính xác cho cảm biến. Thứ hai là để giúp người dùng sử dụng được 100% công suất của thiết bị.
Cùng mình tham khảo những lưu ý khi chọn mua cảm biến siêu âm nha.

Khoảng cách đo của cảm biến siêu âm:

Đây là yếu tố quan trọng nhất bởi vì nó quyết định đến độ chính xác khi đo. Đối với các loại cảm biến siêu âm đo mức nước Dinel thì có thể đo khoảng cách tối đa 20m. Còn đối với các loại cảm biến siêu âm nhỏ nhỏ có thể đo khoảng cách vài mét trở lại thì được dùng chủ yếu để thí nghiệm hoặc dùng trong không gian nhỏ.
Trên mạng internet hiện nay cũng có một số diễn đàn có trao đổi code cảm biến siêu âm để bạn có thể tự chế tạo cảm biến siêu âm tại nhà.

Vùng mù của cảm biến siêu âm:

Cảm biến siêu âm có 1 nhược điểm là có 1 khoảng cách mà cảm biến không đo được. Đó được gọi là vùng mù của cảm biến siêu âm hay là “dead zone”.

Thông thường thì vùng mù này nằm ở phía dưới bộ phận thu/phát sóng siêu âm. Khi vật cản nằm trong vùng này thì cảm biến sẽ không đo được.
Đơn cử như loại cảm biến siêu âm đo mức nước Dinel ULM-70N-06 có vùng mù là 250mm tính từ bộ phận thu/phát sóng.

Thương hiệu sản xuất cảm biến siêu âm:

Hiện nay có rất nhiều các thương hiệu sản xuất cảm biến siêu âm như cảm biến siêu âm omron của Hàn Quốc; cảm biến siêu âm carlo gavazzi của Italy; cảm biến siêu âm Dinel của Cộng hòa Séc…
Trên đây là những chia sẻ của mình về cảm biến siêu âm là gì? Hy vọng bài viết có thể cung cấp cho bạn những thông tin bổ ích. Nếu thấy hay, hãy like & chia sẻ để giúp mọi người hiểu rõ hơn về cảm biến siêu âm bạn nhé.