Các loại cảm biến siêu âm nói chung và các loại cảm biến siêu âm chuyên dùng trong công nghiệp nói riêng bao gồm những loại nào? Chúng được dùng vào mục đích gì? Ứng dụng hiệu quả vào những hoạt động nào?
Chắc hẳn sẽ rất thú vị khi các bạn biết được những thông tin này!
Còn chờ gì nữa! Hãy đọc tiếp nào!
Sóng siêu âm là gì?
Sóng siêu âm được định nghĩa là một loại sóng có tần số cao mà con người không thể nghe thấy được. Trong tự nhiên, sóng siêu âm được tìm thấy ở các loài động vật như dơi, cá heo … Chúng dùng sóng siêu âm để định hướng đi, liên lạc với đồng loại, hay để săn mồi…
Khi nghiên cứu về các loài động vật này, các nhà khoa học tìm hiểu được nguyên tắc mà chúng sử dụng sóng âm để định hướng khá đơn giản và thú vị. Cơ bản gồm:
- Đối tượng phát ra sóng âm
- Sóng âm va chạm với vật cản và phản xạ lại
- Khoảng cách được xác định dựa trên thời gian phát / thu.
Tuy nhiên, quá trình xác định khoảng cách phụ thuộc rất nhiều vào môi trường truyền dẫn.
Cụ thể, sóng âm truyền trong mỗi môi trường khác nhau sẽ có thời gian phản hồi khác nhau. Ví dụ: Sóng âm truyền trong môi trường chất lỏng hay rắn sẽ nhanh hơn rất nhiều so với sóng âm được truyền trong môi trường không khí. Điểm hạn chế lớn là sóng âm không thể truyền được trong môi trường chân không.
Dựa nguyên tắc này, và cùng với sự tiến bộ của khoa học công nghệ hiện đại, các nhà khoa học đã cung cấp ra thị trường rất nhiều các ứng dụng như: thiết bị định hướng cho tàu ngầm, các hệ thống đo khoảng cách trong công nghiệp, trong môi trường như: đo độ sâu của hồ nước, đo khoảng cách các vật thể trên dây chuyền, đo mức chất lỏng… từ các loại cảm biến siêu âm…
Sóng siêu âm có an toàn không?
Như định nghĩa ở mục trên, sóng siêu âm đơn thuần chỉ là sóng âm thanh có tần số cao, ngoài khả năng cảm nhận âm thanh của tai con người. Chính vì thế, sóng siêu âm không gây hại cho sức khoẻ của con người cũng như môi trường sống.
Vì là sóng an toàn, sóng siêu âm còn được ứng dụng trong các ngành như: chuẩn đoán hình ảnh siêu âm trong y khoa, kiểm tra không phá huỷ các kết cấu cơ khí, ứng dụng trong ngành quan trắc môi trường, hoá học, sinh học,… qua các loại cảm biến siêu âm.
Cảm biến siêu âm là gì?
Sau khi đã đọc qua các danh mục ở trên, chắc hẳn chúng ta dễ dàng định nghĩa được “cảm biến siêu âm” là gì rồi phải không nào?
Vâng,
Hiểu đơn giản, cảm biến siêu âm chính là một dạng cảm biến dùng nguyên lý sóng siêu âm để hoạt động phát hiện đối tượng. Cảm biến này sẽ có nhiệm vụ phát ra những sóng âm có tần số cao, sóng này phát tán tới đối tượng cần đo như: chất lỏng, rắn…sau đó sẽ bi phản xạ lại, về đầu dò cảm biến. Bộ phận xử lý vi mạch điện tử bên trong thiết bị sẽ tính toán thời gian phản hồi và truyền về bộ hiển thị hay hệ thống điều khiển. Từ đó, chúng ta có kết quả đo từ cảm biến.
Các loại cảm biến siêu âm trong công nghiệp
Các loại cảm biến siêu âm trong công nghiệp mà chúng ta thường thấy như:
- Cảm biến siêu âm đo khoảng cách
- Cảm biến siêu âm đo mức nước
- Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản
- Cảm biến siêu âm dạng module
Cụ thể từng dòng như thế nào? Chúng ta cùng theo dõi tiếp để nắm được những thông tin cơ bản của cảm biến nhé!
Các loại cảm biến siêu âm dạng module
Nói về các loại cảm biến siêu âm dạng module, thì nếu bạn là dân chuyên nghiên cứu về dòng này, các bạn sẽ biết được một số tên tiêu biểu như: cảm biến siêu âm SRF04, cảm biến siêu âm SRF05, cảm biến siêu âm HC-SR04, cảm biến siêu âm HC-SR05, …
Các loại cảm biến này chuyên dùng để nghiên cứu, học tập và làm những mô hình phát hiện khoảng cách trong phạm vi nhỏ, có độ chính xác cao, nhưng không tuyệt đối do vẫn có nhiễu.
Các loại cảm biến này khá dễ dàng để kết nối với các bộ kit MCU như: DSP, AVR, ARM, PIC, Arduino…
Đặc điểm chung của các loại cảm biến này là có giá rất rẻ, chỉ vài chục ngàn đến hơn trăm ngàn đồng. Rất thích hợp cho các bạn sinh viên ngành cơ điện tử nghiên cứu vọc vạch với các bộ code và thư viện có sẵn đồ sộ trên các cộng đồng Arduino.
Khoảng cách phát hiện của các loại cảm biến siêu âm này thì trong phạm vi khoảng 2…400cm. Khoảng cách càng xa thì độ chính xác sẽ giảm đi khá nhiều. Cho nên chúng ít được sử dụng trong môi trường công nghiệp sản xuất.
Các loại cảm biến siêu âm đo khoảng cách
Các loại cảm biến siêu âm đo khoảng cách cũng tương tự như trường hợp đo mức nước. Nguyên lý chung đều dựa vào thời gian thu phát sóng siêu âm đến đối tượng cần đo. Nhưng điểm khác biệt ở chỗ là môi trường đo.
Các loại cảm biến siêu âm đo khoảng cách thường đo trong môi trường không khí.
Ví dụ: Một cảm biến siêu âm đo khoảng cách các vật thể trên băng chuyền, báo cáo giám sát đến hệ thống điều khiển cho thao tác tiếp theo. Cánh tay robot gắp vật chẳng hạn, hay sản xuất các bánh răng, khớp cơ khí,…
Các loại cảm biến siêu âm phát hiện vật cản
Các loại cảm biến siêu âm dùng để phát hiện vật cản dùng tín hiệu sóng siêu âm phát đến vật, đối tượng di chuyển trên băng chuyền để theo dõi, phát hiện khi có vật, đối tượng di chuyển đến, từ đó xác định khoảng cách, và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển cho hành động kế tiếp như dừng băng tải, hay phân loại sản phẩm trên băng tải…
Ứng dụng thường thấy nhất có lẽ là trên các phương tiện không người lái như: xe mô hình thăm dò những khu vực nguy hiểm. Cảm biến siêu âm giúp xe xác định được hướng di chuyển, tránh được các vật cản trên địa hình làm việc…
Các loại cảm biến siêu âm đo mức nước
Các loại cảm biến siêu âm đo mức nước trong công nghiệp thường phổ biến là dạng cảm biến đo mức liên tục. Với dòng cảm biến này, chúng được ứng dụng để theo dõi liên tục các đối tượng trong bồn chứa, hồ, bể chứa, kênh,…
Nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến đo mức nước liên tục có thể hiểu như sau: Vẫn dựa theo nguyên lý của cảm biến siêu âm là phát liên tục các tia sóng âm thanh cao tần đến vật thể cần đo. Tín hiệu phản hồi về cảm biến liên tục và từ đó khoảng cách hay mức nước cũng được phản hồi đến người giám sát một cách liên tục.
Các loại cảm biến siêu âm đo mức nước dạng liên tục này thướng có 2 dòng model
- Cảm biến siêu âm đo mức nước liên tục không hiển thị
- Và cảm biến siêu âm đo mức nước, chất lỏng liên tục có hiển thị
Chúng khác biệt nhau ở những điểm nào?
Với dòng cảm biến siêu âm có hiển thị thì chúng có:
- Màn hình hiển thị dạng LCD,
- Phần mềm tích hợp nhiều thông số và tính năng,
- Tích hợp nút nhấn
- Có thể thao tác chọn và cài đặt thông số ngay trên màn hình,
- Có khả năng copy các thông số cài đặt qua một thiết bị cảm biến cùng dòng khác.
- Giá đắt
Còn dòng cảm biến siêu âm đo mức nước không hiển thị
- Cấu tạo, ngoại hình nhỏ gọn
- Không có màn hình hiển thị
- Tuỳ chỉnh chức năng bằng bút từ
- Phần mềm đơn giản, ít thông số và tính năng
- Giá tốt hơn dòng trên
Ưu nhược điểm của các loại cảm biến siêu âm công nghiệp
Tuỳ vào từng trường hợp; hay ứng dụng cụ thể mà các loại cảm biến siêu âm sẽ có những mặt ưu điểm và mặt hạn chế riêng. Vì là có cơ cấu hoạt động giống như nhau, cho nên mình sẽ lấy một ví dụ về cảm biến siêu âm được dùng phổ biến nhất. Đó chính là cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng.
Ví dụ:
Các loại cảm biến siêu âm đo mức nước sẽ có ưu điểm là đo chính xác cao, không cần tiếp xúc với các đối tượng đo. Vì vậy cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng sẽ được dùng để đo những chất lỏng dạng như hoá chất, dầu mỏ, thực phẩm…Ngoài ra, cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng có tín hiệu ra dạng 4…20mA rất dễ dàng truyền tải và điều khiển trong hệ thống công nghiệp.
Nhưng về hạn chế thì cảm biến siêu âm đo mức nước cũng có nhược điểm như: Không chịu được nhiệt độ cao, áp suất cao. Nhiệt độ làm việc thường chỉ tầm dưới 65C thôi. Vì trên nhiệt độ này, co khả năng bốc hơi nước gây nhiễu tín hiệu sóng siêu âm, khiến cho kết quả đo bị sai lệch. Hay cảm biến siêu âm còn bị ảnh hưởng bởi sóng gợn trên bề mặt chất lỏng, trong bồn có cánh khuấy, có các vật cản, thành bồn không trơn nhẵn…
Vì thế, tốt nhất là nên lắp cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng ở các bồn hở, mặt nước tĩnh, không có nhiệt độ cao cũng như áp suất,…thì hoạt động đo đạc của các loại cảm biến áp suất sẽ chính xác hơn.
Ứng dụng của các loại cảm biến siêu âm trong công nghiệp
Ứng dụng của các loại cảm biến siêu âm trong công nghiệp thường gắn liền với các ứng dụng đo mức, đo khoảng cách, phát hiện vật, thăm dò độ sâu, xác định vị trí,…
Ví dụ:
- Các loại cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng: sữa, hoá chất, mỹ phẩm, dầu gội đầu, nước giải khác, dung dịch tẩy rửa,…trên các silo nguyên liệu để theo dõi lượng nhiên liệu sản xuất
- Các loại cảm biến siêu âm đo độ sâu: Phát hiện lỗi trên chi tiết máy, phát hiện mặt phẳng không đồng nhất, đo độ sâu của hồ chứa,…
- Cảm biến siêu âm phát hiện sự hiện diện của vật trên dây chuyền sản xuất: Dây chuyền đóng gói sản phẩm, dây chuyền phân loại sản phẩm, đóng nắp chai,…
- Cảm biến siêu âm phát hiện mặt giấy
- Phát hiện đường kính vật
- Kiểm tra kích thước hộp
- Phát hiện vết nứt
- Phát hiện mối nối bằng cảm biến siêu âm
- Cảm biến siêu âm phát hiện nhãn dán, vật liệu trong suốt
- Cảm biến siêu âm phát hiện người,…
Nhưng phổ biến hơn cả, các loại cảm biến siêu âm thường thấy nhiều nhất là ở ứng dụng đo mức chất lỏng; rắn,…vì với ứng dụng này thì phát huy hết khả năng làm việc của cảm biến: không cần tiếp xúc vật, độ chính xác cao,…
Cần lưu ý gì khi chọn các loại cảm biến siêu âm nói chung?
Một số lưu ý khi chọn lựa các loại cảm biến siêu âm nói chung mà các bạn cần biết như:
- Biết được loại đối tượng cần đo là gì? Là dạng chất rắn hay lỏng
- Xác định loại bồn chứa, silo lắp đặt: hình dáng, kích thước, chiều cao…
- Bên trong bồn chứa có vật cản, có cánh khuấy hay không? Để xác định được vị trí lắp đặt cảm biến siêu âm tối ưu nhất
- Chọn loại cảm biến có dải làm việc phù hợp
- Loại trừ điểm mù, vùng chết của cảm biến cho phù hợp với bể chứa
- Nắm rõ nhiệt độ và áp suất hoạt động trong bồn chứa, silo: Cảm biến siêu âm chỉ hoạt động chính xác với nhiệt độ dưới 65C và áp suất dưới 3 bar
- Yêu cầu của tín hiệu đầu ra là gì? Cảm biến siêu âm có tín hiệu ra dạng dòng 4-20mA hoặc áp 0-10V
- Xác định ren lắp đặt…
Với việc lựa chọn sử dụng cảm biến siêu âm; tuy phải đòi hỏi nhiều yêu cầu kỹ thuật, nhưng bù lại; khi chúng ta giải quyết được những vấn đề trên thì việc sử dụng một cảm biến siêu âm đem lại rất nhiều hiệu quả cho chúng ta trong việc đo đạc, giám sát và điều khiển.
Chi phí đầu tư cho các loại cảm biến siêu âm có đắt không?
Hiện nay, cảm biến siêu âm các loại đã có mức giá tốt hơn nhiều so với 2-3 năm về trước. Lý do là vì; công nghệ ngày càng phát triển, nhiều hãng tìm ra công thức phát triển sản phẩm tối ưu hơn; từ đó giảm chi phí đầu tư nghiên cứu,…sẽ đem đến một mức giá tốt hơn cho người tiêu dùng.
Giá của các loại cảm biến siêu âm hiện tại chỉ nhỉnh hơn cảm biến điện dung một chút thôi; và khá là rẻ so với các loại cảm biến công nghệ cao như: cảm biến radar…
Nếu hệ thống của các bạn đang làm; cần một cảm biến không được tiếp xúc với đối tượng đo mà các dòng cảm biến như, quang, hồng ngoại, điện cảm không đáp ứng được yêu cầu của hệ thống; thì mình khuyên bạn hãy mạnh dạn chọn dòng cảm biến siêu âm để sử dụng. Vì hiệu quả của nó sẽ nhanh chóng đem lại lợi nhuận cho bạn!
Bảo trì cho các loại cảm biến siêu âm như thế nào?
Việc bảo trì bảo dưỡng thường xuyên cho các thiết bị công nghiệp nói chung; và các loại cảm biến siêu âm nói riêng là một điều đáng làm; và nên có lịch thực hiền định kỳ thường xuyên. Vì sao?
Vì trong quá trình hoạt động, các cảm biến siêu âm sẽ bị bám chất bẩn; bên ngoài và cả bên trong cảm biến. Vì thế, chúng ta cần định kỳ vệ sinh nhằm đảm bảo cho thiết bị hoạt động ổn định; cũng như tăng độ bền của thiết bị hơn.
Ngoài ra, trong quá trình bảo trì; chúng ta sẽ kịp thời phát hiện ra những hỏng hóc gây ra trên cảm biến như: vỏ bị hỏng; nứt, dây điện bị chảy, nứt hư hỏng; đứt dây, mái che không đảm bảo che chắn cho cảm biến,…từ đó chúng ta sẽ có cách điều chỉnh lại tốt hơn; đồng thời cũng phát hiện được cảm biến siêu âm đang đo sai mà hiệu chỉnh lại cho đúng hơn.
Lời kết,
Với bài viết chia sẻ này, tuy rằng là một bài viết tổng hợp khá dài. Nhưng mình tin rằng, những kiến thức này sẽ giúp cho các bạn kỹ thuật; các bạn sinh viên có thêm những hiểu biết về các loại cảm biến siêu âm hiện có trên thị trường; cũng như hiểu rõ được những ứng dụng của chúng.
Kiến thức chia sẻ, luôn không tránh khỏi những thiếu sót; mong rằng mình cũng nhưng web Huphaco sẽ nhận được những đóng góp kiến thức của các bạn; mục tiêu đem đến những kiến thức chuẩn cho cộng đồng điện công nghiệp của chúng ta!
