Cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm dùng để đo khoảng cách, chẩn đoán hình ảnh, đo mực nước,… với độ chính xác gần như tuyệt đối. Đặc biệt trong lĩnh vực ô tô, cảm biến này còn giúp ích cho người điều khiển phát hiện chướng ngại vật và lùi xe một cách an toàn khi lái xe, dừng hoặc đỗ xe.

1. Cảm biến siêu âm là gì?

Cảm biến siêu âm là một thiết bị điện tử đo khoảng cách của đối tượng mục tiêu bằng cách phát ra sóng siêu âm, sau đó âm thanh phản xạ được chuyển thành tín hiệu điện. Do đó, máy phát của cảm biến có khả năng tạo ra âm thanh bằng cách sử dụng các tinh thể áp điện. Còn bộ thu có chức năng thu nhận âm thanh đi và đến ở những nơi khác nhau.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

2.1. Cấu tạo cảm biến siêu âm

Thiết bị cảm biến siêu âm bao gồm một bộ phận đầu dò phát ra tín hiệu. Đầu dò của cảm biến đóng vai trò như một micrô để thu và phát ra âm thanh siêu âm. Chúng được thiết kế dưới nhiều dạng như:

• Đầu dò thẳng (sóng dọc).
• Đầu dò ngang (sóng ngang).
• Đầu dò sóng bề mặt.
• Đầu dò kép (một đầu phát và một đầu nhận tín hiệu).

Tuy thiết kế khác nhau nhưng các đầu dò cảm biến sóng siêu âm này đều có cấu tạo giống nhau, bao gồm: 

• Bộ phát: một bộ phận bằng gốm có đường kính 15mm hoạt động thông qua cơ chế chuyển động với bộ rung để tạo ra sóng siêu âm truyền trong không khí.
• Máy thu: Có chức năng hình thành dao động cơ học tương thích với sóng siêu âm và biến đổi chúng thành năng lượng điện ở đầu ra của máy thu. 
• Bộ điều khiển: Bộ phận sử dụng mạch điện tích hợp để điều khiển quá trình truyền sóng siêu âm từ bộ phát, từ đó đánh giá khả năng thu tín hiệu của bộ phát và kích thước bộ thu.
• Nguồn điện DC: Cấp năng lượng cho thiết bị cảm biến với điện áp PCB ± 10%, 24V ± 10% thông qua mạch ổn áp.

2.2. Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có nguyên lý hoạt động dựa trên quá trình cho và nhận, tức là hệ thống cảm biến liên tục phát ra các sóng âm ngắn ở tần số cao hơn mức con người có thể nghe thấy và có tốc độ lan truyền mạnh. Khi các cảm biến âm thanh này gặp  vật cản dù là chất rắn hay chất lỏng, chúng tạo ra các bước sóng phản hồi. Cuối cùng, thiết bị cảm biến tiếp nhận, phân tích và xác định chính xác khoảng cách từ cảm biến đến vật cản.

3. Ưu, nhược điểm của cảm biến siêu âm

• Ưu điểm: 

Sóng siêu âm cho phép người sử dụng đo khoảng cách từ thiết bị phát sóng đến vật thể mà không cần tiếp xúc, vì vậy thiết bị này rất hữu ích khi được sử dụng để đo các chất lỏng có tính ăn mòn cao có nguy cơ gây hại cho cơ thể.

Ngoài chất lỏng, sóng siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác như không khí, chất rắn,… để phát hiện và đo khoảng cách giữa các vật thể. Các cảm biến siêu âm cũng có độ nhạy cao, thời gian phản hồi nhanh, độ chính xác gần như tuyệt đối khi sai số trung bình chỉ 0,15% trong khoảng cách 2m.

• Nhược điểm: 

Hệ thống cảm biến siêu âm có thể bị nhiễu tín hiệu nếu không được lắp đặt đúng cách. Vì vậy, người dùng cần đọc kỹ hướng dẫn của nhà sản xuất để lắp đặt đúng cách. Ngoài ra, giá thành của thiết bị cảm biến thường khá cao.

4. Các ứng dụng của cảm biến siêu âm

Công nghệ cảm biến siêu âm liên tục được cải tiến và sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và được coi là tiêu chuẩn không thể thiếu trong nền công nghiệp hiện đại.

4.1. Ứng dụng trên xe ô tô

Trong ô tô, thiết bị cảm biến siêu âm được đặt ở phía trước và sau xe để đo khoảng cách và báo hiệu khi xe đến gần chướng ngại vật. Đặc biệt, khi thiết bị này được sử dụng, nó sẽ tạo ra các tia sóng hình nón để đo khoảng cách giữa các phương tiện đang đứng yên hoặc đang di chuyển hoặc chướng ngại vật. Chỉ mất khoảng 1/1000 giây trong thời gian thực, cho phép người dùng nhanh chóng xác định chướng ngại vật xung quanh xe và nhanh chóng xử lý tình huống và tránh va chạm.

Khi phát hiện chướng ngại vật, hệ thống sẽ gửi cho người lái một cảnh báo bằng âm thanh và hình ảnh với các vạch màu xác định khoảng cách và vị trí giữa xe và chướng ngại vật.

4.2. Ứng dụng trên các lĩnh vực khác

Bên cạnh ngành công nghiệp ô tô, thiết bị cảm biến siêu âm còn được sử dụng trong các lĩnh vực khác như:

• Công nghiệp sản xuất: Thiết bị cảm biến được sử dụng trực tiếp trong quá trình phát hiện hư hỏng của sản phẩm hoặc được sử dụng để xác định kích thước và mức nhiên liệu của chất rắn. 
• Cảm biến vân tay: Cảm biến này thu nhận sóng âm thanh phản xạ từ da của người dùng. Đặt tay lên màn hình điện thoại, sóng siêu âm sẽ được phát ra. Con chip thông minh trong điện thoại sử dụng sóng siêu âm được phản xạ để vẽ dấu vân tay bằng hình ảnh 3D.
• Đo mực nước: Người dùng sẽ gắn thiết bị cảm biến siêu âm vào bồn chứa để theo dõi mực nước hoặc cảnh báo khi vượt quá mức cho phép. Nhờ thiết bị này, người dùng có thể tiếp tục đo các loại mực nước và chất lỏng ăn mòn mà không cần tiếp xúc trực tiếp.

Với các dòng ô tô thông minh ở hiện nay thì tính năng cảm biến siêu âm gần như là một trong những công nghệ không thể thiếu. Công nghệ này hỗ trợ người lái trong việc đỗ xe và phòng tránh va chạm để có một chuyến đi an toàn.

Trên đây là những thông tin về cảm biến siêu âm là gì cũng như cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm. Cảm ơn các bạn đã theo dõi bài viết của van bướm chúng tôi. Hẹn gặp lại các bạn ở những bài viết sau nhé!