Sóng siêu âm là gì ? Ultrasound và Ultrasonic sensor là gì

Cảm biến siêu âm là gì ? Nguyên lý và ứng dụng của các loại cảm biến siêu âm trong thực tế

Chia sẻ tất cả cho anh em các kiến thức liên quan đến cảm biến siêu âm để anh em hình dung được tổng quan về các loại cảm biến siêu âm ứng dụng trong công nghiệp và đời sống thực tế.

Ví dụ như cảm biến siêu âm sử dụng để đo mức chất lỏng để biết được lượng chất lỏng đó gần đầy hay sắp hết; liệu có đủ cung cấp cho dây chuyền sản xuất hay không ?

Hoặc ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm kiểm tra đồ vật trên các dây chuyền sản xuất như có quên dán tem; nhãn mác, chưa đóng gói kỹ sản phẩm, hay lỗi ……

Tại sao người ta lại sử dụng cảm biến sóng siêu âm nhiều đến thế và tầm quan trọng của vấn đề sử dụng siêu âm trong cách mạng hoá công nghiệp hiện nay !

Ví dụ ứng dụng trong y học người ta sử dụng sóng siêu âm chuyên dò các loại bệnh như sỏi thận, kiểm tra sự phát triển thai nhi theo chu kỳ….

Cảm biến siêu âm là gì (ultrasonic sensor)

Cảm biến siêu âm tiếng anh gọi ultrasonic sensor là loại cảm biến phát sóng âm truyền nhiều môi trường khác nhau như đo mức chất lỏng, đo lưu lượng nước thải, siêu âm thai nhi, siêu âm thận…

Ngoài ra; siêu âm còn là một thiết bị điện tử đo khoảng ngắn nên còn được gọi là cảm biến siêu âm tiệm cận nhằm phát hiện vật cản theo từng công nghệ nhất định

Để tìm hiểu chi tiết về cấu tạo và nguyên lý cảm biến sóng siêu âm là gì ? Anh em nên xem qua sự hình thành bước sóng của nó

Sóng siêu âm là gì (ultrasonic waves )

Thực ra về việc tìm hiểu thuật ngữ

Đối với siêu âm tiếng anh người ta gọi Ultrasound

Còn sóng siêu âm được gọi ultrasonic waves

Còn về định nghĩa thì:

Sóng siêu âm là một loại sóng tàng hình và nó có thể truyền đi bất cứ môi trường nào đó với một tần số siêu âm nhất định. Đặc biệt; loại sóng âm này chúng ta hoàn toàn không nghe được nếu tần số dưới 16Khz mà phải giám sát các tất cả các thiết bị đo

Ví dụ: Sóng siêu âm phát ra từ con dơi, Sóng siêu âm truyền vào mặt nước, truyền vào cơ thể con người, sóng siêu âm của cá voi….. Chúng đều có tần số phát khác nhau

Một loại sóng âm mà tai con người cảm nhận được là loại có tần số nằm dao động trong khoảng 20hz đến 20Khz

Ví dụ:

Đang ngồi trong nhà thấy xe oto chạy qua. Lúc này âm thanh phát ra từ chiếc xe chính là sóng âm truyền tới tai mình

Đối với các loại sóng siêu âm mà tai con người không nghe được nhưng sinh vật có thể nghe được và phản xạ tránh né

Tốc độ truyền sóng âm

Câu hỏi đặt ra:

Trong các môi trường không khí – lỏng – rắn kim loại thì đâu là môi trường sóng siêu âm truyền nhanh nhất ?

Tôi chắc chắn với anh em một điều:

Khi sóng âm truyền đi trong các môi trường chất lỏng và chất rắn bằng kim loại thì tốc độ truyền khi nào cũng nhanh hơn trong không khí rất nhiều

Lý do:

Đối với môi trường lỏng hoặc kim loại có các phần tử liên kết với nhau một cách chặt chẽ thống nhất giúp tăng tốc độ di chuyển của sóng siêu âm

Sóng siêu âm truyền trong chân không ?

Nói về sóng siêu âm thì nó rất đa dạng về các đường truyền. Tuy nhiên; xét về hướng loại sóng này chỉ đi theo 2 hướng:

Phát sóng theo hướng dọc

Di chuyển theo hướng ngang

Câu hỏi đặt ra:

Sóng siêu âm có truyền được trong môi trường chân không hay không ?

Có rất nhiều anh em đang mông lung vấn đề này !

Và tôi khẳng định với các bạn:

Sóng siêu âm chắc chắn 100% không truyền được trong môi trường chân không

Vì môi trường chân không là một môi trường tinh khiết nơi mà không xảy ra sử di chuyển của các hạt phân tử vậy chất.

Mà trong khi việc truyền âm luôn có tính chất bắc cầu truyền từ phân tử vật chất này sang phân tử vật chất khác ( gọi là sự dẫn truyền âm )

Đấy là về vấn đề sóng âm. Còn bàn về vấn đề cảm biến phát ra loại sóng này nó là cả một quá trình phát triển công nghệ

Vậy

Cấu tạo cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có cấu tạo gồm 3 thành phần chính:

• Đầu cảm biến
• Phần kết nối ren và nơi để mỏ lết cố định thiết bị
• Đầu thu phát sóng tín hiệu

Phần đầu cảm biến siêu âm đường kính độ 71mm chiều cao thiết kế 62mm trong đó:

Phần chứa boar mạch và nắp cảm biến siêu âm được thiết kế bằng hợp kim nhôm tích hợp sơn một lớp sơn tĩnh điện

Bên trong boar mạch là sơ đồ mạch + 2 cực âm dương chính là đầu ra output tín hiệu từ cảm biến

Phần kính hiển thị được thiết kế nhựa polycarbonate

Phần thân + đầu thu phát thiết kế nhựa PP

Khu vực chuyển đổi tín hiệu sóng truyền về thành tín hiệu analog hoặc rs485 của cảm biến sóng siêu âm được tích hợp lớp nhựa PVDF

Đối với loại đo mức siêu âm tích hợp cáp nối thì phần cáp thiết kế bằng nhựa PA

Đây chính là những thành phần căn bản hình thành nên cấu tạo của cảm biến siêu âm đo mức nước. Ngoài ra; đối với môi trường đo là axit hoá chất thì lớp nhựa PP phần thân được thay bằng nhựa ptfe

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

Đối với sóng âm từ các con vật thì nó hoạt động theo nguyên lý thu phát dạng giao thoa

Ví dụ:

Con dơi sẽ phát sóng âm để cảm nhận sóng âm phát ra từ con ong chẳng hạn. Từ việc cảm nhận sóng âm từ con ong phát ra thì dơi sẽ đuổi theo để săn con mồi

Hoặc dơi phát sóng gặp các vật cản như cây cối, nhà…. Thì thông tin phản ngược lại báo hiệu cho nó tránh

Còn riêng cảm biến siêu âm nó sẽ hoạt động theo nguyên lý như thế nào ?

Đối với ngành công nghiệp thì mục đích sử dụng cảm biến dạng sóng âm là để đo mức và báo mức các loại chất lỏng chất rắn

Do vậy; nguyên lý cảm biến siêu âm sẽ hoạt động theo quá trình thu phát sóng do chính nó tạo ra. Cụ thể; khi ta lắp đặt cảm biến vào một bồn chứa nước thải khoảng 10 hay12m và cấp nguồn 24v cho thiết bị đo

Lúc này; ngay phần đầu dò sẽ toả một sóng bắn dạng hình chữ V hướng xuống chạm bề mặt nước thải; sau khi chạm sẽ có một sóng chữ V phản hồi ngược lại về đầu dò sau đó theo dây tín hiệu đi về boar mạch output theo 2 dây ra dòng analog hoặc rs485

Đấy chính là nguyên lý vận hành thu phát mà mọi con cảm biến siêu âm bắt buộc phải tích hợp vào trong khi sản xuất; để đảm bảo thiết bị đo mức có độ chính xác cao nhất

Ứng dụng của cảm biến siêu âm

Đối với siêu âm thì ứng dụng vô vàn. Chúng được sử dụng nhiều trong công nghiệp để giám sát chất lỏng và trong đời sống hằng ngày

Trong đời sống cảm biến siêu âm được ứng dụng trong y học như kiểm tra thai nhi, kiểm tra sỏi thận; ứng dụng trong thiết kế nhà cửa

Cảm biến siêu âm trong công nghiệp được ứng dụng giám sát chất lỏng; chất rắn – khí, thiết kế chế tạo robot dò đường tránh vật cản

Dưới đây là một vài công dụng thực tế của cảm biến siêu âm giúp chúng ta mô phỏng hình dung được chức năng tối ưu của dòng thiết bị đo này

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách

Cảm biến siêu âm được ứng dụng đo khoảng cách tiệm cận ( gần ) một vật dịch chuyển thống qua sóng để đảm bảo không có sự va chạm nhau; giữ 1 khoảng cách nhất định nên được gọi là cảm biến tiệm cận siêu âm hoặc cảm biến siêu âm đo khoảng cách

Ví dụ:

Tại các tàu đều gắn siêu âm tạo khoảng cách giữa tàu và cảng ví dụ 1km. Thì khi tàu về cách cảng 1km cảm biến sẽ báo động để nhân viên thông báo tàu giảm tốc độ khi cập cảng để tránh va chạm cảng

Hoặc sử dụng cảm biến đo khoảng cách gắn cửa tại siêu thị; khi con người tới gần cửa 1 khoảng cách nhất định cửa sẽ mở ra; con người đi qua cửa sẽ tự đóng lại

Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản

Phát hiện vật cản thông qua sóng siêu âm cực kỳ tối ưu nhằm tránh các va chạm không dáng có. Ứng dụng trong tàu ngầm quân sự, máy bay, xe tránh được các vật cản bên ngoài cũng nhờ vào việc sử dụng cảm biến siêu âm,…..

Ví dụ:

Tích hợp cảm biến phát hiện khoảng cách bằng siêu âm ở đầu và đuôi xe ô tô giúp tài xế khi lùi về sau hoặc rẽ nếu có vật cản gần đó nó sẽ báo thông qua hình ảnh để chúng ta tránh va chạm các vật cản đó

Hoặc cảm biến siêu âm được thiết kế trên tàu ngầm; giúp tàu khi di chuyển dưới biển phát hiện các loại đá ngầm tránh va chạm

Máy siêu âm điều trị trong y học

Cảm biến siêu âm là thiết bị điện tử ứng dụng trong y tế y học như: Siêu âm thai nhi theo chu kỳ, siêu âm kiểm tra các vật lạ trong cơ thể như sỏi mật, sỏi thật, sỏi tiết niệu…Thông qua việc chuẩn đoán hình ảnh

Ví dụ:

Người bị đau phần hông, đi tiểu buốt và ra máu nhưng không biết bệnh gì họ sẽ đến viện để siêu âm vùng bụng để xem có bị sỏi đóng cục hay không

Cảm biến siêu âm đo mức nước

Đo mức nước bằng cảm biến siêu âm cũng là một ứng dụng công nghiệp cực hiệu quả. Là thiết bị điện tử thay thế con người giám sát chất lỏng trong nhà máy sản xuất

Ví dụ:

Một bồn chứa nước thải cao 6m, người dùng cần theo dõi lượng nước tăng giảm trong bồn quy ra đơn vị lít nước.

Trường hợp này sử dụng cảm biến siêu âm bắn sóng xuống mặt nước lấy tín hiệu 4-20ma về đồng hồ hiển thị mức nước tuyến tính theo tín hiệu mà con cảm biến output truyền tới

Cảm biến siêu âm đo lưu lượng

Đo lưu lượng bằng cách tích hợp cảm biến siêu âm giúp cho dòng chảy trên đường ống luôn ổn định với độ chính xác rất cao. Đây là một ứng dụng giám sát lưu lượng cực kỳ mới mẻ

Ví dụ:

Lượng nước thải chảy trong đường ống DN50 và nhà máy họ cần lượng nước chảy luôn nằm trong phạm vi 15m3/ h chẳng hạn. Thì loại đồng hồ đo lưu lượng tích hợp cảm biến phát sóng âm luôn là phương án chuẩn

Cảm biến siêu âm công nghiệp

Là một loại cảm biến siêu âm được thiết kế chỉ chuyên sử dụng giám sát xăng dầu; chất lỏng, chất rắn như xi măng, cát, đá trong các ngành công nghiệp hiện nay

Ví dụ như:

Cảm biến tiệm cận siêu âm; cảm biến phát sóng siêu âm, cảm biến siêu âm dạng radar….

Cảm biến siêu âm vân tay

Ứng dụng tích hợp trên các thiết bị di động android, tay cầm đóng mở trên các cánh cửa, làm máy chấm công…. Bằng cách sử dụng vân ngón tay con người để quét

Ví dụ:

Cảm biến siêu âm vân tay tích hợp trên tay cầm cửa. Anh A cài đặt vân tay trên đó thì chỉ có anh A chạm vân tay của mình vào thì mới đóng mở được cửa; ngoài ra không ai mở được

Tích hợp cảm biến siêu âm vân tay trên máy chấm công cho phép cài đặt 1000 vân tay trên đó. Nhiệm vụ của người làm việc là xác nhận vân tay của bản thân

Khi người công nhân đến công ty làm việc phải ấn tay vào đó và khi về cũng ấn tay vào. Cảm biến sẽ ghi nhận giờ đến giờ về; tổng số giờ làm việc của công nhân trong tháng để tính tiền lương

Ưu nhược điểm các loại cảm biến siêu âm

Hiện nay; với đa dạng ngành nghề ứng dụng siêu âm nên các dòng cảm biến siêu âm sử dụng khá phổ biến thông dụng

Tuy nhiên; chúng vẫn cần được hoàn thiện hơn nữa bởi loại cảm biến siêu âm nào cũng có những ưu và nhược điểm riêng biệt

Cảm biến siêu âm chống nước

Là một loại thiết bị điện tử sử dụng trong đó mức có khả năng chống sự xâm nhập hơi nước làm hưng hỏng thiết bị trong thời gian hoạt động lâu dài

Có 2 loại cảm biến siêu âm chống nước: Loại thả hẳn xuống dưới nước để đo và loại lắp cảm biến siêu âm đặt khu vực tránh nước nhưng tích hợp tiêu chuẩn chống sự xâm nhập của nước ip68

Sensor siêu âm chống nước được thiết kế theo tiêu chuẩn ip68 sử dụng kín hoàn toàn trong thiết kế ngay cả đầu dây output tín hiệu đầu ra

Thậm chí có những thiết kế ứng dụng cần loại cảm biến có khả năng phát sóng siêu âm thả chìm đo dưới nước để đo mức hoặc phát hiện vật cản

Nhược điểm của của biến siêu âm chống nước là sự mặc định dải đo chúng ta không linh động cài đặt được bằng tay mà chỉ cài được trên hệ thống plc hoặc scada

Cảm biến siêu âm analog

Cảm biến siêu âm analog là một cải tiến mới sử dụng trong việc giám sát các lưu chất trong nhà máy hoặc khoảng cách giữa các vật từ đó output tín hiệu analog để giám sát điều khiển

Ưu điểm của loại cảm biến này là sự đa dạng ngõ ra analog như 4-20ma, 0-10v, 0-5v, 0-1v….. Luôn có độ chính xác cao trong vấn đề đo đạc

Nhược điểm hay bị nhiễu gây mất đi sự chính xác trong khi giám sát bởi các nhân tố bên ngoài như biến tần, ảnh hưởng bởi công suất lớn từ các động cơ….

Cảm biến siêu âm ultrasonic hy-srf05 arduino

Cảm biến siêu âm arduino Là một mạch cảm biến được thiết kế dạng điện tử loại giá rẻ được ứng dụng rất nhiều trong việc đo khoảng cách vật và trả về kết quả bằng cách hiển thị thông số trên LCD

Ưu điểm dòng siêu âm arduino là khả năng thu phát sóng phản hồi về cho giá trị đo thực tế cực nhanh

Nhược điểm của loại cảm biến siêu âm hy-srf05 chính là khoảng cách đo của nó rất ngắn nên trong quá trình đo rất hạn chế

Cảm biến siêu âm omron E4PA-N

Loại cảm biến siêu âm này được thiết kế với nhiều dải đo đa dạng khác nhau sử dụng đo rắn – lỏng – khí, khoảng cách vật. Có xuất xứ từ hãng omron theo công nghệ nhật bản

Trong đó; model omron e4pa-n được sử dụng dụng rất phổ biến cho phép cài đặt nhiều dải đo với khoảng cách max 6m

Ưu điểm cảm biến siêu âm e4pa-n của omron là không bị ảnh hưởng bởi màu sắc vật thể đo; nguồn cấp nhiều sự lựa chọn; thiết kế nhiều tần số khác nhau; có đèn báo hiệu, ta có thể điều chỉnh được vấn đề thu phát

Nhược điểm độ chính xác không cao; nhiều môi trường không ứng dụng được

Cảm biến siêu âm Turkey

Là loại siêu âm có xuất xứ thổ nhĩ kì ứng dụng trong các môi trường đo mức chất lỏng. Cảm biến này khá mới mẻ ở việt

Ưu điểm con này không nhiều lắm chỉ là đa dạng các dải đo mức

Còn nhược điểm là độ chính khác thấp. Xuất xứ thổ nhĩ kì thì anh em biết rồi chỉ sử dụng trong các môi trường đo mức không cần độ chuẩn xác

Cảm biến siêu âm Dinel

Cảm biến siêu âm dinel thì ta khỏi bàn vì thương hiệu dòng đo mức nước dạng sóng âm này quá lâu đời và phổ biến rất nhiều tại việt nam

Ưu điểm đầu đo mức siêu âm hãng dinel độ bền cao – linh động trong cài đặt các dải đo mức – nhà phân phối uy tín và luôn trữ sẵn hàng  – độ chính xác chuẩn và mức giá khá rẻ

Nhược điểm của siêu âm dinel cần được cải tiến chính là khả năng chịu nhiệt của cảm biến nó chỉ ở mức tối đa 70 oC – và nên tích hợp phủ thêm lớp ptfe bên ngoài để ứng dụng rộng trong môi trường axit

Cảm biến siêu âm ifm

Con siêu âm hãng ifm đa phần sử dụng trong các môi trường đo khoảng cách phát hiện vật còn về chất lỏng thì cũng không thông dụng lắm

Điểm đặc biệt của cảm biến siêu âm ifm khoảng cách ngắn dài gì nó cũng đo được hết – tín hiệu đầu ra đa dạng như analog, on/off – về giá cũng rất rẻ

Nhược điểm của loại siêu âm này độ chính xác không cao – thiết kế cấu tạo hình dáng còn hoang sơ – khả năng chịu nhiệt độ khá thấp 

Thế thì tóm gọn lại để chọn cảm biến siêu âm đo mức thì chúng ta cần phải lưu ý những vần đề gì ?

5 lưu ý chọn cảm biến siêu âm giá rẻ

Việc tìm hiệu và chọn cảm biến siêu âm có mức giá chỉ rẻ khi chúng ta chọn đúng loại; và sử dụng hết được các công năng của nó với độ bền tối ưu nhất

Vì đối với dòng siêu âm đo mức chất lỏng thì nó có rất nhiều options sử dụng trong rất nhiều môi trường đo khác nhau. Mỗi options tích hợp vào đều có một mức giá nhất định

Vậy như thế nào là chọn cảm biến siêu âm giá rẻ ?

Xác định chính xác chất lỏng cần đo là gì ? Và phạm vi đo mức bồn cao bao nhiêu mét

Kiểm tra nhiệt độ chất lỏng + nhiệt độ khu vực cần đo

Xem trong bồn chứa chất lỏng có thiết kế các thanh inox hay có vật cản gì bên trong hay không. Vì đối với cảm biến siêu âm thì sóng luôn phát ra hình chữ V có góc phát nên đụng vật cản sẽ gây sai số

Ngoài ra; xem tín hiệu output mình cần là gì, khu vực đo nếu dải thấp thì nên sử dụng loại que đo mức để có giải pháp tối ưu nhất

Bên cạnh đó; nhà cung cấp uy tín và chế độ hỗ trợ bảo hành sau khi mua cảm biến siêu âm là một điều đáng lưu ý để đỡ mất thời gian khi có sự cố xảy ra

Tham khảo thêm các loại cảm biến báo mức khác tại:

https://huphaco-pro.vn/cam-bien-do-muc-nuoc

Tư Vấn Giải Pháp Kỹ Thuật

0972 56 05 06 – Mr Thành

Mail: thanh.nguyen@huphaco.vn