Cảm biến siêu âm là gì?

1. Cảm biến 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 20000 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.

Do đó, siêu âm được sử dụng rộng rãi trong y khoa hoặc đo khoảng cách các loại chất lỏng, làm sạch bằng sóng siêu âm, máy hàn siêu âm, chèn vật liệu bằng sóng siêu âm…

Hình 1. Cảm biến siêu âm

Đối với các khoảng cách ngắn thì cảm biến siêu âm được dùng để phát hiện các chất lỏng hoặc các vật thể có kích thước nhỏ để xuất tín hiệu về điều khiển đồng thời giám sát mức chất lỏng hoặc chất rắn.

2. Nguyên lý hoạt động 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. Khi bước sóng này gặp vật cản sẽ phản hồi lại bước sóng này, cảm biến siêu âm sẽ nhận lại bước sóng phản hồi này đồng thời phân tích để biết được khoảng cách từ vật cản tới cảm biến. Chính vì điều này mà chúng ta biết được khoảng cách từ cảm biến cho tới mức chất lỏng hoặc chất rắn.

Hình 2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

Như hình mô tả cách thức mà cảm biến siêu âm hoạt động thì cảm biến sẽ phát liên tục các tia sóng từ đầu cảm biến. Sóng sẽ gặp chất lỏng và phản hồi lại. Sự thay đổi của bước sóng chính là chìa khoá của nguyên lý đo cảm biến siêu âm.

3. Cấu tạo của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm bao gồm bộ phận có thể phát ra sóng siêu âm bởi một đầu dò công suất nhỏ có khả năng phát ra tín hiệu. Đầu dò siêu âm có nhiều dạng khác nhau được chia thành đầu dò thẳng (sóng dọc) và đầu dò ngang (sóng ngang), đầu dò sóng bề mặt, đầu dò kép (1 cái phát tín hiệu – 1 cái nhận tín hiệu) …Tuỳ vào mục đích sử dụng người ta chọn đầu dò cảm biến siêu ậm phù hợp nhất. Tất cả đều có chung cấu tạo cảm biến siêu âm như sau:

– Máy phát: Rung bằng máy rung (thường được làm từ chất liệu gốm có đường kính khoảng 15 mm) để tạo sóng siêu âm và lan truyền vào không khí.

– Máy thu: Khi máy rung nhận sóng siêu âm, nó tạo ra rung động cơ học tương ứng theo sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của máy thu.

– Điều khiển: Điều khiển truyền siêu âm của máy phát bằng cách sử dụng mạch tích hợp và đánh giá xem máy thu có nhận được tín hiệu (sóng siêu âm) và kích thước của tín hiệu thu được hay không.

– Nguồn điện: Cảm biến siêu âm thường được cung cấp bởi nguồn điện DC bên ngoài với điện áp là PCB ± 10% hoặc 24 V ± 10% và được cung cấp cho cảm biến thông qua mạch ổn áp bên trong.

4. Chỉ số hiệu xuất của cảm biến siêu âm

Cốt lõi của đầu dò siêu âm là khả năng phát ra tần số bên trong với vỏ bọc bằng nhựa bên ngoài khả năng chống ăn mòn. Có nhiều vật liệu cấu thành đầu dò cảm biến & kích thước cũng khá đa dạng cho nên hiệu suất của mổi đầu đò khác nhau. Cần biết trước khoảng cách đo trước khi sử dụng để chọn đầu dò đạt hiệu quả tốt nhất. Các chỉ số đầu dò của cảm biến siêu âm bao gồm:

4.1 Tần số

Tần số hoạt động của cảm biến siêu âm là tần số cộng hưởng của đầu dò cảm biến. Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào tần số phát ra của cảm biến, tất nhiên rằng tần số càng lớn thì tốc độ phản hồi càng nhanh.

4.2 Nhiệt độ

Nhiệt độ của đầu dò cảm biến siêu âm sẽ tăng khi thực hiện quá trình chuẩn đoán. Do có công suất nhỏ, do đó các cảm biến siêu âm đo mức nước có nhiệt độ tương đối thấp và có thể hoạt động trong thời gian dài mà không bị ảnh hưởng. Đối với các đầu dò siêu âm trong y tế thì ngược lại cần phải có thiết bị làm lạnh riêng để đảm bảo hoạt động chính xác.

4.3 Độ nhạy

Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào tần số của cảm biến. Tần số càng cao thì độ nhạy càng cao và ngược lại.

4.4 Hiển thị

Cảm biến siêu âm có tích hợp hiển thị để biết được khoảng cách đo là bao nhiêu mét ngay trên cảm biến. Ngoài ra, một số cảm biến siêu âm đo mức nước giá rẻ thường loại bỏ hiển thị mà chỉ đưa tín hiệu Analog 4-20mA về trung tâm điều khiển để tiết kiệm chi phí.

5. Ứng dụng của cảm biến siêu âm trong công nghiệp

Với sự đa dạng trong công nghiệp với muôn vàn yêu cầu về giám sát, đo lường, điều khiển cần tới công nghệ đo mức bằng sóng siêu âm. Có hai ứng dụng lớn đối với cảm biến siêu âm.

5.1 Cảm biến siêu âm dùng để cảnh báo

Việc cảnh báo một hệ thống hay một dây chuyền đang có nguy cơ hoặc đang bị sự cố góp phần quan trọng vào việc giảm thiểu thiệt hại cho các nhà máy. Việc cảnh báo chính xác hay không tuỳ thuộc vào công nghệ và con người.

Hình 3. Cảm biến siêu âm cảnh báo Label bị đứt

Hình 4. Cảm biến siêu âm dùng để phát hiện dị tật sản phẩm

Ứng dụng cảm biến siêu âm phát hiện kích thướt hộp

Hình 5. Ứng dụng cảm biến siêu âm phát hiện kích thước hộp

Hình 6. Cảm biến siêu âm phát hiện hai mặt giấy

Hình 7. Cảm biến siêu âm phát hiện người

Hình 8. Loại cảm biến siêu âm phát hiện hết label

Hình 9. Cảm biến siêu âm phát hiện bị nứt gãy

Hình 10. Cảm biến siêu âm phát hiện bị ngã đổ

Hình 11. Ứng dụng cảm biến siêu âm để phát hiện đứt label

Tất cả các dạng cảm biến siêu âm dùng để cảnh báo đều cho ngõ ra dạng PNP hoặc NPN. Ở trạng thái bình thường thì cảm biến luôn OFF, khi có sự thay đổi của vật cản thì tín hiệu có trạng thái ON để cảnh báo. Chúng ta cũng có thể điều chỉnh ngược lại nếu muốn trên bản thân thiết bị.

Khoảng cách phát hiện của cảm biến siêu âm dùng để cảnh báo từ vài milimet cho tới vài mét tuỳ theo chức năng & yêu cầu kỹ thuật của từng ứng dụng khác nhau. Chúng ta có thể linh động lựa chọn nhiều loại khác nhau để đáp ứng nhu cầu giám sát của nhà máy.

5.2 Cảm biến siêu âm dùng để giám sát liên tục

Hình 12. Cảm biến siêu âm giám sát mức trong ống nghiệm

Hình 13. Ứng dụng Cảm biến siêu âm giám sát mức nhiên liệu

Cảm biến siêu âm đo liên tục cho ra tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V được đưa về PLC để đóng ngắt bơm hoặc điều khiển biến tần để ổn định mức nước trong các tank chứa. Độ chính xác của cảm biến siêu âm phụ thuộc rất nhiều vào người lắp đặt và cài đặt bởi khoảng cách càng lớn thì sai số càng lớn.

Chính vì điều này mà chúng ta phải biết rõ được khoảng cách cần đo để điều chỉnh trên cảm biến chính xác nhất. Độ chính xác của cảm biến siêu âm tới từng milimet nó phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm và cách cài đặt của người lắp đặt.

Hãy đến với Bảo An, chúng tôi luôn sẵn sàng mang đến cho Khách hàng:

- Trải nghiệm và cảm nhận về dịch vụ hoàn hảo

- Chắc chắn sẽ không làm bạn thất vọng

- Liên hệ để được hỗ trợ chi tiết: 0936.985.256

9.299 10/07/2019