Cảm biến siêu âm và những điều cần biết

Cảm biến siêu âm được sử dụng để đo mức, phát hiện vật hoặc để phát hiện bên trong vật thể mà không ảnh hưởng đến kết cấu bên ngoài. Ứng dụng trong y tế, ứng dụng trong xe hơi… Vậy nó có cấu tạo ra sao? Ứng dụng thực tế của cảm biến như thế nào?

Trong bài viết ngày hôm nay mình giới thiệu đến các bạn một thiết bị đo sử dụng sóng siêu âm để đo mức? Trước khi biết đến thiết bị đo đấy là gì? Các bạn cần biết một số khái niệm cơ bản như sóng siêu âm là gì? Nào chúng ta cùng bắt đầu thôi!

Sóng siêu âm là gì?

Sóng siêu âm là loại sóng có tần số cao hơn ngương tai người có thể nghe được là 20kHz. Theo định nghĩa này tất cả các loại sóng có tần số cao hơn 20kHz điều được gọi là sóng siêu âm.

Thông tin thêm cho các bạn là những loại sóng có tần số nhỏ hơn ngưỡng tai người có thể nghe (20Hz) được được gọi là sóng hạ âm. Sóng trong ngưỡng tai người nghe được, được gọi là sóng âm. Các loại sóng này đều có tên gọi chung là sóng cơ.

Sóng âm không thể truyền trong môi trường chân không. Vì nó là sóng cơ nên nó cần một môi trường để truyền dẫn. Đây là điểm khác biết lớn nhất giữa sóng âm và sóng điện từ.

Sóng siêu âm có hại đến sức khỏe hay không?

Khác với sóng điện từ sóng âm chỉ là sóng cơ. Nó có tần số cao hơn ngưỡng tai người nghe được thôi nên nó không có ảnh hưởng gì quá lớn đến sức khỏe của con người. Tuy nhiên nó vẫn không tốt nếu như chúng ta sử dụng nó ở tần số quá cao (vài GHz đến vài THz) và tiếp xúc nhiều lần. Nếu làm như thế nó sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe của bạn.

Tuy có ảnh hưởng nhẹ đến sức khỏe nhưng nó được xem là biện pháp an toàn nhất để xác định hình ảnh trong lĩnh vực y tế. Nó an toàn hơn rất nhiều so với sóng điện từ. Vì thế nó được dùng nhiều trong ngành y tế.

Sóng siêu âm chỉ có hại khi và chỉ khi bạn sử dụng ở tần số rất cao (5 GHz trở lên) và tiếp xúc với nó nhiều lần. Nếu bạn chỉ dùng trong tần số cho phép và tiếp xúc không là bao thì sóng siêu âm là vô hại với cơ thể con người.

Ứng dụng của sóng siêu âm

Trong môi trương tự nhiên rất nhiều loại động vật sử dụng sóng siêu âm để kiếm sống, di chuyển và bắt mồi như loài Dơi, cá heo, cá voi…

Sóng siêu âm được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống của chúng ta. Dùng trong y tế sóng siêu âm được sử dụng để chuẩn đoán hình ảnh. Tìm các vị trí ở các mô mềm bị tổn thương và đưa ra phác đồ điều trị.

Dùng trong các công nghệ rửa rau, công nghệ làm sạch thực phẩm. Ngoài ra nó còn được dùng trong các hệ thống xe hơi. Cảnh báo các vị trí mù của xe…

Trong nghành đánh bắt thủy hải sản cũng có công nghệ để xác định cá dưới nước. Công nghệ đó sử dụng sóng siêu âm với tên gọi là sóng Sonar. Sóng Sonar hoạt động giống nguyên lý siêu âm nhưng trong môi trường nước.

Có rất nhiều ứng dụng của sóng siêu âm. Có nhiều như thế trong công nghiệp có một thiết bị cũng sử dụng sóng siêu âm đó chính là cảm biến siêu âm.

Cảm biến siêu âm là gì?

Cảm biến siêu âm hay còn gọi là Ultrasonic Sensor là một thiết bị đo sử dụng công nghệ sóng siêu âm để đo khoảng cách, phát hiện vật, kiểm tra vật thể… Cảm biến này có nhiệm vụ đo lường từ cảm biến đến bề mặt cần đo như nước, chất rắn… Cảm biến này có độ chính xác cao và dùng trong các nghành công nghệp tự động.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến nhìn thì phức tạp nhưng nó khá đơn giản.

Cấu tạo của cảm biến

Cấu tạo của cảm biến bao gồm: bộ phát sóng, bộ thu sóng, bộ nguồn, và bộ xuất tín hiệu.

• Bộ phát sóng: Phát sóng siêu âm đến bề mặt cần đo.
• Bộ thu sóng: Thu sóng siêu âm phản xạ lại từ bề mặt đo
• Bộ nguồn: cấp nguồn 24Vdc hoạt động cho thiết bị
• Bộ xuất tín hiệu: xuất tín hiệu ra các bộ điều khiển hoặc hiển thị mức từ cảm biến đến bề măt đo được. Bộ xuất tín hiệu có thể là NPN, PNP, analog 4-20mA, 0-10V…

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của cảm biến rất đơn giản. Bộ phát tín hiệu sẽ phát sóng siêu âm. Sóng siêu âm đến với bề mặt cần đo thì phản xạ lại. Bộ thu sẽ nhận tín hiệu phản xạ này và tính toán đưa về bộ xuất tín hiệu. Bộ xuất tín hiệu dựa vào tính toán của bộ thu sẽ xuất tín hiệu phù hợp.

Tín hiệu xuất ra từ cảm biến thường có 2 dạng đó là PNP và analog 4-20mA. Với tín hiệu PNP còn được dùng trong việc phát hiện vật có hay không. Với tín hiệu analog 4-20mA dùng để đo mức từ cảm biến đến bề mặt cần đo.

Ưu điểm và nhược điểm

Bất kì một thiết bị nào đều có ưu điểm và nhược điểm của riêng nó. Cảm biến siêu âm cũng thế nó cũng có ưu điểm và nhược điểm riêng. Tùy vào từng trường hợp mà nó phát huy được hiệu quả nhất ưu điểm của mình.

Ưu điểm

Cảm biến siêu âm đo không thiết xúc với vật thể, chất lỏng cần đo. Vì thế nó được dùng nhiều trong các hệ thống sử dụng các chất ăn mòn như Acid, bazo, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp…

Cảm biến sử dụng sóng siêu âm có tần số cao lên đến 150kHz. Việc này làm cho khả năng phản hồi cũng như độ nhạy của cảm biến rất cao.

Sai số của cảm biến này khá thấp. Tùy vào khoảng cách đo sai số có thể thay đổi nhưng nó chỉ khoảng 0,2% toàn dải đo. Nếu bạn đo 10m thì nó chỉ sai số 0,02 m mà thôi. Con số khá nhỏ so với một dải đo lớn. Rất ít cảm biến nào có thể làm được.

Nhược điểm

Cảm biến siêu âm không thể hoạt động trong môi trường có nhiệt độ cao và áp suất cao. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ truyền sóng. Vì thế nó bị sai lệch khi hoạt động ở nhiệt độ cao. Vì thế nó hoạt động tốt nhất trong khoảng 60°C trở xuống. Áp suất hoạt động là 1 bar (áp suất khí quyển).

Cảm biến siêu âm khá dễ bị nhiễu. Nếu bạn lắp đặt không đúng cách sẽ không đo được, thậm chí nó còn sai số và không cho ra tín hiệu. Vì thế khi lắp đặt bạn phải lắp đặt cảm biến đúng theo hướng dẫn đến từ nhà sản xuất.

Cuối cùng chi phí ban đầu cho cảm biến khá là cao. Tùy vào kinh phí mà bạn sở hữu bạn cân nhắc xem có nên dùng nó hay không? Nếu bạn cần có độ chính xác cao thì đây là một lựa chọn rất tốt.

Ứng dụng của cảm biến

Cảm biến siêu âm có nhiều ứng dụng trong công nghiệp. Đặc biệt là ứng dụng đo mức. Người ta dùng để đo mức rất nhiều, và được dùng nhiều nhất trong nhà máy xử lý nước thải. Trong các nhà máy xử lý nước thải, nước thải khá độc hại vì vậy cảm biến đo không tiếp xúc là một biện pháp rất tốt và an toàn.

Phát hiện vật cản cũng là một công dụng của cảm biến dùng sóng siêu âm. Bởi nhờ vào sóng siêu âm nó biết được khoảng cách đo có vật thể này không? Loại này thường xuất tín hiệu ON/OFF. Ứng dụng của nó trong các hệ thống robot như robot phát hiện vật cản…

Cuối cùng cảm biến còn được dùng trong nhà máy sản xuất thực phẩm. Dùng để phát hiện bên trong thực phẩm có chứa thức ăn hoặc đồ ống hay không. Ví dụ như sản xuất sữa tươi. Người ta dùng cảm biến để phát hiện bên trong hộp sữa tươi có sữa hay là không có. Nếu không có thì loại bỏ hôp sữa đó ra.

Các loại cảm biến siêu âm phổ biến

Có nhiều loại cảm biến khác nhau. Mỗi loại được dùng vào những mục đích khác nhau. Tùy vào mục đích sử dụng của bạn. Bạn lựa chọn cảm biến mà bạn cảm thấy hợp lý nhất. Sau đây là một vài loại cảm biến siêu âm được sử dụng rộng rãi nhất.

Cảm biến siêu âm mạch điện arduino HC-SR04

Đây là loại cảm biến được dùng trong các mô hình điện tử của sinh viên. Ngoài ra nó còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác. Tuy nhiên nó được sử dụng để nghiên cứu là chính. Bởi vì nó khá dễ bị nhiễu trong môi trường công nghiệp.

Với giá thành rẻ độ chính xác đáng tín cậy. Nó được dùng trong các thí nghiệm Arduino như robot phát hiện vật cản,…

Ưu điểm của cảm biến là giá siêu rẻ. Nhược điểm là khoảng cách đo của nó không cao từ 2cm đến 450cm. Sử dụng khá phức tạp, phù hợp cho các bạn nào thích nghiên cứu về các loại cảm biến hơn.

Ultrasonic Sensor Ormron

Ormron là một hãng đến từ Nhật Bản. Cảm biến đến từ hãng đạt các tiêu chuẩn cao về chất lượng. Nên chất lượng cảm biến các bạn có thể yêm tâm. Cảm biến siêu âm của Ormron được dùng để phát hiện vật. Cảm biến này cho tín hiệu ON/OFF phát hiện xem có vật cản hay không.

Ưu điểm của cảm biến Ormron đó chính là giá thành cạnh tranh, độ chính xác và độ nhạy cao. Nhược điểm là chỉ có dòng sản phẩm xuất tín hiệu ON/OFF, không quá chuyên về cảm biến.

Cảm biến siêu âm HAWK

HAWK là một thương hiệu đến từ Mỹ. Cảm biến của HAW được dùng nhiều trong các ngành công nghiệp đo lường của Mỹ. Độ tin cậy của loại cảm biến của hãng khá cao. Cảm biến siêu âm của HAWK có phạm vi đo lên đến 40ft (tương đương với 12m)

Cảm biến đo liên tục cho ra tín hiệu 4-20mA hoặc truyền thông HART. Cảm biến có màn hình hiển thị. Giá thành cạnh tranh so với nhiều loại cảm biến khác.

Ultrasonic sensor carlo gavazzi

Carlo Gavazzi là một thương hiệu đến từ Italia – G7. Vì thế chất lượng của sản phẩm đạt chuẩn các tiêu chuẩn đến từ châu Âu. Cho nên chất lượng của cảm biến đến từ hãng này khá tốt.

Cảm biến có phạm vi đo từ 0,35 đến 6m. Độ chính xác của cảm biến này khá cao. Có biến thể xuất tín hiệu analog 4-20mA, 0-10V. Cũng có biến thể xuất tín hiệu PNP, loại này dùng để phát hiện vật.

Cảm biến siêu âm DINEL

DINEL là một hãng sản xuất thiết bị đo mức đến từ Italia. Hãng DINEL chuyên về các giải pháp đo mức trong nhiều môi trường khác nhau. Vì thế các bạn có thể yên tâm về chất lượng của cảm biến đến từ Dinel.

Cảm biến siêu âm của Dinel có độ chính xác rất cao, độ nhạy cao. Có thể điều chỉnh được ở bất kì dải đo nào. Sai số của cảm biến chỉ khoảng 0,2% cho khoảng cách đo là 20m. Với khoảng cách đo nhỏ hơn thì cảm biến có độ chính xác cao hơn.

Có nhiều loại cảm biến khác nhau phù hợp với từng môi trường đo khác nhau.

Lựa chọn Ultrasonic Sensor như thế nào?

Nếu bạn đang có nhu cầu về cảm biến siêu âm. Thì sau đây là những lời khuyên nhỏ của mình để các bạn có thể chọn đúng theo những gì bạn mong muốn.

Thang đo của cảm biến

Mọi thứ đều liên quan đến thang đo. Thang đo càng thấp thì độ chính xác càng cao. Lấy ví dụ bạn đo khoảng 2m độ chính xác của nó là 0,1%, rất thấp. Tuy nhiên nếu bạn có bồn cao, tank cao lên đến 10m, 20m. Thì độ chính xác 0,2% cao hơn nhưng vẫn khá nhỏ so với thang đo là 10m.

Cảm biến siêu âm có thể thay đổi thang đo để phù hợp với khoảng cách bạn cần đo. Vì thế khi mua cảm biến việc đầu tiên bạn xác định đó là bạn cần đo bao nhiêu m. Từ đó lựa chọn thang đo cho cảm biến một cách hợp lý.

Vùng mù của cảm biến

Bạn có để ý không thang đo của tất cả cảm biến sử dụng sóng siêu âm không bao giờ là 0. Mà thường là 0,1m đến 1m hoặc 0,2m đến 6m… Tại sao lại như vậy? bởi vì cảm biến siêu âm không thể nào đo được trong khoảng cách từ 0m đến 0,4m tùy vào thang đo. Ở vị trí đó được gọi là vùng mù của cảm biến.

Vùng mù của cảm biến được định nghĩa là vùng cảm biến không thể đo được trong phạm vi ngắn. Vùng mù được tính từ mặt phát sóng của cảm biến đến khoảng 100mm đến 400mm tùy vào thang đo của cảm biến.

Giá thành cảm biến

Nếu bạn có kinh phí không cao. Bạn nên đầu tư một phương pháp đo mức khác. Các bạn hãy dùng một phương pháp đo mức khác như sử dụng điện dung, phao báo mức, báo mức ON/OFF… có nhiều phương pháp báo mức khác nữa.

Nếu bạn có kinh phí lớn hoặc theo qui trình buộc phải biết được mức nước bên trong tank chưa, bồn chứa thì cảm biến siêu âm là lựa chọn hợp lý. Nó đem lại độ chính xác cao, độ nhạy cao, đo không tiếp xúc.

Bạn có thể tham khảo thêm: các phương pháp đo mức.

Báo giá cảm biến siêu âm.

Có nhiều loại cảm biến siêu âm khác nhau. Mỗi loại sinh ra với một mục đích khác nhau. Tùy vào ứng dụng của bạn bạn chọn một cảm biến phù hợp với bản thân của bạn. Bạn cần một cảm biến siêu âm hãy đến nhưng đại diện phân phối cảm biến ở Việt Nam. Hiện nay có rất nhiều nhà phân phối. Hãy tìm một nhà phân phối chính hãng để có được mặt hàng tốt nhất.

Công ty Hưng phát là một đại diện của hãng Dinel, chuyên về các loại cảm biến đo mức. Công ty cung cấp và phân phối các mặt hàng đến từ hãng Dinel. Cung cấp các chứng chỉ CO/CQ từ nhà máy đến cho các bạn. Mọi chi tiết về cảm biến đo mức xin vui lòng liên hệ với mình theo thông tin sau:

Liên hệ

Kỹ Sư Cơ – Điện Tử

Mr. Trọng

Mobi/Zalo: 0975 116 329

Mail: trongle@huphaco.vn