Cảm biến siêu âm là một loại cảm biến được sử dụng để đo khoảng cách bằng cách phát ra sóng siêu âm và nhận lại sóng phản xạ từ các đối tượng trong phạm vi đo.
Sóng siêu âm có tần số cao hơn âm thanh mà tai người có thể nghe được, dao động từ 20 kHz đến 70 kHz. Đây là một công nghệ phổ biến và được áp dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau do tính chính xác và độ tin cậy của nó.
Ứng dụng
Cảm biến siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như:
- Công nghiệp: Đo mức chất lỏng, kiểm tra kích thước sản phẩm, phát hiện lỗi sản phẩm, v.v.
- Y tế: Chẩn đoán hình ảnh (siêu âm), điều trị (phá sỏi thận, trị liệu), v.v.
- An ninh: Hệ thống báo trộm, kiểm soát ra vào, v.v.
- Giao thông: Cảm biến hỗ trợ đỗ xe, hệ thống cảnh báo va chạm, v.v.
- Gia dụng: Robot hút bụi, máy đo khoảng cách, v.v.
Nguyên lý hoạt động
Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc phát và thu sóng siêu âm. Quy trình diễn ra như sau:
-
Phát sóng: Bộ phận phát trong cảm biến tạo ra sóng siêu âm với tần số cao (thường từ 20 kHz đến 40 kHz).
-
Truyền sóng: Sóng siêu âm được truyền đi trong môi trường. Khi gặp vật cản, sóng sẽ phản xạ lại cảm biến.
-
Nhận sóng: Bộ phận thu trong cảm biến thu nhận sóng siêu âm phản xạ.
-
Xác định khoảng cách: Dựa vào thời gian từ khi phát sóng đến khi nhận được sóng phản xạ, cảm biến tính toán được khoảng cách từ cảm biến đến vật cản.
Cấu tạo
Cảm biến siêu âm cơ bản bao gồm các bộ phận chính:
- Bộ phát: Tạo ra sóng siêu âm.
- Bộ thu: Nhận sóng siêu âm phản xạ.
- Mạch điện tử: Xử lý tín hiệu thu được, tính toán khoảng cách và cung cấp tín hiệu ra.
- Vỏ bọc: Bảo vệ các bộ phận bên trong.
Ngoài ra, một số cảm biến siêu âm có thể có thêm các bộ phận khác như:
- Bộ khuếch đại: Tăng cường tín hiệu thu được.
- Bộ lọc: Loại bỏ nhiễu trong tín hiệu.
- Mạch điều chỉnh: Điều chỉnh độ nhạy và thời gian xung của cảm biến.
Ưu điểm
- Khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt: Không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường.
- Độ chính xác cao và độ tin cậy: Cho kết quả đo lường chính xác.
- Đo được trong nhiều điều kiện khác nhau: Không bị ảnh hưởng bởi màu sắc hay tính chất vật liệu của vật thể.
Phân loại
Cảm biến siêu âm có thể được phân loại thành hai loại chính dựa trên tính năng và ứng dụng của chúng:
1. Cảm biến siêu âm đơn bước (Single-Step Ultrasonic Sensor):
- Ứng dụng chính: Được sử dụng chủ yếu cho các nhiệm vụ đơn giản như đo khoảng cách.
- Nguyên lý hoạt động: Cảm biến phát ra một tín hiệu siêu âm và đo thời gian để tín hiệu này trở lại sau khi phản xạ từ vật thể. Khoảng cách được tính dựa trên thời gian này và tốc độ lan truyền của sóng siêu âm trong không khí.
- Ưu điểm: Đơn giản, giá thành thấp, phù hợp cho các ứng dụng cơ bản và không yêu cầu tính phức tạp cao.
2. Cảm biến siêu âm đa bước (Multi-Step Ultrasonic Sensor):
- Ứng dụng chính: Có khả năng phân biệt và phản ứng với các vật thể ở các khoảng cách khác nhau, thường được sử dụng trong các hệ thống tự động phức tạp hơn.
- Nguyên lý hoạt động: Cảm biến này có khả năng gửi và nhận nhiều tín hiệu siêu âm khác nhau. Từ đó, nó có thể phân biệt và đo khoảng cách đến nhiều vật thể khác nhau hoặc theo các vùng cụ thể. Điều này giúp trong việc phát hiện và tránh các vật thể trong không gian 3 chiều.
- Ưu điểm: Phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu tính toán và phản ứng nhanh, đa dạng hóa các kịch bản phát hiện và phản ứng.
Cảm biến siêu âm đa bước thường có các tính năng nâng cao hơn và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống nhận dạng và điều khiển tự động, trong khi cảm biến siêu âm đơn bước thường được áp dụng trong các ứng dụng đo khoảng cách cơ bản và giám sát.
