Ultrasonic Sensor là gì? Cách hoạt động và ứng dụng

Ultrasonic hay còn được biết đến với tên sóng siêu âm, được định nghĩa là những âm thanh mà con người không thể nghe thấy được và có tần số vượt quá 20 kHz. Hiện nay, sóng âm không nghe được cũng được gọi là sóng siêu âm.

Trong khi đó, Ultrasonic Sensor (cảm biến siêu âm) là một thiết bị đo khoảng cách giữa các vật bằng cách phát ra một thông qua sóng siêu âm và đồng thời sẽ chuyển đổi âm thanh phản xạ thành tín hiệu điện. Ngoài ra, sóng siêu âm trong môi trường được truyền đi cũng sẽ nhanh hơn tốc độ âm thanh.

Cảm biến siêu âm là một công cụ đo khoảng cách đến một vật thể bằng sóng âm siêu âm. Cảm biến siêu âm sử dụng một bộ chuyển đổi để gửi và nhận các xung siêu âm để chuyển tiếp thông tin về độ gần của một vật thể.

Thiết bị hoạt động bằng cách phát ra sóng âm thanh ở tần số cao hơn phạm vi nghe thấy của con người. Đầu dò của cảm biến hoạt động như một micrô để nhận và gửi âm thanh siêu âm. Ngoài ra, bộ phận cảm biến xác định khoảng cách tới mục tiêu bằng cách đo thời gian trôi đi giữa quá trình gửi và nhận xung siêu âm.

Nguyên lý hoạt động của mô-đun này rất đơn giản. Nó gửi một xung siêu âm ra ngoài với tần số 40kHz truyền trong không khí và nếu có chướng ngại vật hoặc vật thể, nó sẽ phản xạ trở lại cảm biến. Bằng cách tính toán thời gian di chuyển và tốc độ âm thanh, khoảng cách có thể được ghi lại.

Cảm biến siêu âm là một giải pháp tuyệt vời để phát hiện các vật thể bất kể màu sắc, bề mặt hoặc vật liệu (trừ vật liệu rất mềm như len).

Ultrasonic Sensor bao gồm 3 thành phần chính là: Bộ phát dùng để truyền đi tín hiệu sóng âm, bộ thu dùng để thu nguồn âm thanh sau khi truyền đến và bộ xử lý sóng âm.

Trong đó, bộ xử lý sóng sẽ được tích hợp bên trong cảm biến sau khi nhận được tín hiệu phản hồi đưa ra. Ngay lập tức bộ này sẽ bắt đầu phân tích, tính toán để đưa ra khoảng cách giữa các điểm phát sóng và điểm sóng chạm vào vật thể thông qua khoảng thời gian sóng phát tới vật thể, cũng như vận tốc truyền đi của sóng siêu âm. Cuối cùng thông tin này sẽ dần được chuyển hóa thành tín hiệu Analog, đồng thời truyền về mạch đọc tín hiệu để có thể chuyển hóa thành tín hiệu logic và hiển thị dưới dạng thông tin cho người sử dụng.

Ngày nay, Ultrasonic Sensor được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và có vai trò vô cùng quan trọng các ngành như y tế, công nghiệp,... Trong đó, hầu hết các loại cảm biến siêu âm đều được áp dụng nguyên lý phát và nhận khi đã biết được vận tốc, cũng như thời gian. Từ đó, có thể dễ dàng tính được quãng đường mà sóng phát và nhận lại. Thông qua đó, bộ xử lý tín hiệu sẽ cho ra được tín hiệu Analog hoặc Relay đối với loại đo cảm biến ON/OFF.

Proximity switches là một trong những loại đo cảm biến ON/OFF được áp dụng nguyên lý siêu âm, có bộ phát và bộ thu đều được tích hợp bên trong cảm biến. Siêu âm sẽ phát ra phản xạ trực tiếp từ vật thể đo được tới bộ thu. Loại cảm biến này được sử dụng chủ yếu để phát hiện vật thể và có chức năng hoạt động giống như cảm biến tiệm cận nhưng có khoảng cách phát hiện vật thể xa hơn.

Proximity switches được sử dụng để đếm sản phẩm và phát hiện các vật cản, phát hiện nước,... và khoảng cách phát hiện là từ vài mm cho đến 5m. Nhờ đó, thiết bị giúp giảm thiểu tối đa mức độ nguy hại cho dây chuyền sản xuất.

Ranging measurement được dùng để tính toán khoảng cách chính xác của một đối tượng di chuyển đến và đi. Từ đó, có thể dễ dàng đo được khoảng thời gian giữa các cụm phát và phản xạ của sóng siêu âm. Cụ thể hơn, việc thay đổi khoảng cách liên tục sẽ được tính toán và xuất ra tín hiệu analog ở đầu ra.

Thông thường, ranging measurement sẽ được ứng dụng để đo mức nước trong các tank chứa nước hoặc các chất lỏng khác.

Cảm biến siêu âm OsiSense XX cho phép phát hiện bất kỳ vật thể nào mà không cần tiếp xúc, bất kể vật thể đó được làm từ vật liệu gì (kim loại, nhựa, gỗ, bìa cứng,...), có bản chất là (rắn, lỏng, bột,...), hay có màu sắc ra sao.

Cảm biến siêu âm với đầu ra rời rạc thể rắn.

• Để giám sát mức.
• Để kiểm soát 2 cấp độ (cấp độ rỗng và cấp độ làm đầy).
• Định dạng hình trụ Ø 18 và Ø 30mm (vỏ nhựa).
• Khoảng cách phát hiện từ 50cm đến 2m (có thể điều chỉnh bằng cách sử dụng chế độ huấn luyện).

Cảm biến siêu âm với đầu ra tương đồng

• Đầu ra tương đồng 4… 20mA hoặc 0… 10V.
• Định dạng hình trụ hoặc phẳng.
• Khoảng cách cảm biến từ 50cm đến 8m (có thể điều chỉnh bằng cách sử dụng chế độ huấn luyện).

• Phát hiện bất kỳ vật liệu nào, không phân biệt màu sắc, môi trường ánh sáng ở cùng một khoảng cách, mà không cần điều chỉnh hoặc hệ số hiệu chỉnh.
• Xác định phạm vi cảm biến hiệu quả, tránh nhiễu loạn phát hiện tiền cảnh hoặc hậu cảnh, chỉ bằng cách nhấn một nút (chế độ huấn luyện).

Các ứng dụng của Ultrasonic sensors XX: Ngành công nghiệp bao bì, ô tô, công nghiệp giấy, máy công cụ, lắp ráp, chế biến thực phẩm và đồ uống, xử lý nước,...