Cảm biến siêu âm là gì? Ứng dụng trong công nghiệp

Với ưu điểm có thể lan truyền rộng và dễ dàng trong các môi trường khác nhau, sóng siêu âm được ứng dụng tạo thành nhiều thiết bị có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp, y tế và đời sống. 

Thiết bị cảm biến siêu âm vận dụng tính chất của sóng siêu âm mang đến nhiều chức năng quan trọng, hãy cùng CNSG tìm hiểu về thiết bị ngay trong bài viết này.

Cảm biến siêu âm là gì? 

• Siêu âm nói về một dạng âm thanh có tần số cao hơn nhiều so với tầng số mà tai người bình thường có thể nghe được. Tai người có thể nghe được ngưỡng 20000 Hz. Tần số thấp hơn tần số mà tai người nghe được thường được gọi là hạ âm, thông thường hạ âm rơi vào khoảng 20Hz .
• Các sóng siêu âm với đặc điểm tính ứng dụng cao vì có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác nhau như: chất lỏng, không khí, chất rắn…Trong cùng một môi trường lan truyền như nhau với mức tần số cao hơn thì bước sóng sẽ ngắn hơn bước sóng của âm thanh. Chính vì bước sóng ngắn đó, độ phân giải sóng siêu âm tiếp xúc vật thể cần đo đạt được mức độ chính xác cao với sai số chỉ vài milimet.
• Cảm biến siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hoặc trong y khoa để có thể đo khoảng cách các loại chất lỏng, máy hàn siêu âm, làm sạch bằng sóng siêu âm, chèn vật liệu bằng sóng siêu âm …

Cấu tạo của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm được chế tạo bao gồm những chi tiết, bộ phận có thể phát ra sóng siêu âm bởi một đầu dò công suất nhỏ. Đầu dò này có khả năng phát ra tín hiệu. 

Đầu dò siêu âm này cũng có nhiều dạng khác nhau được chia thành đầu dò thẳng dạng sóng dọc và đầu dò ngang sóng ngang, đầu dò sóng bề mặt, đầu dò kép (1 cái phát tín hiệu – 1 cái nhận tín hiệu),…

Tuy nhiên, tuỳ vào những mục đích sử dụng khác nhau người ta cũng sẽ chọn đầu dò cảm biến siêu âm phù hợp nhất. Tất cả đầu dò siêu âm trong cảm biến siêu âm đều có chung như sau:

• Máy phát: đây là chi tiết thường được làm từ chất liệu gốm có đường kính khoảng 15 mm, chi tiết này sẽ rung bằng máy rung để tạo sóng siêu âm từ đó lan truyền vào không khí.
• Máy thu: khi máy rung nhận được tín hiệu từ sóng siêu âm, nó sẽ tạo ra rung động cơ học tương ứng theo sóng siêu âm sau đó được chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của máy thu.
• Điều khiển: điều khiển có khả năng truyền siêu âm của máy phát bằng cách sử dụng mạch tích hợp và đánh giá xem máy thu có nhận được tín hiệu (sóng siêu âm) và kích thước của tín hiệu thu được hay không.
• Nguồn điện: Cảm biến siêu âm thường được cung cấp bởi nguồn điện DC bên ngoài với điện áp là PCB ± 10% hoặc 24 V ± 10% và được cung cấp cho cảm biến thông qua mạch ổn áp bên trong.

Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là thiết bị cảm biến điển hình sẽ có cơ chế hoạt động dựa trên nguyên tắc cho và nhận. 

Bản thân cảm biến sẽ phát ra sóng liên tục với tốc độ của sóng siêu âm. Khi bước sóng này gặp vật cản sẽ phản hồi lại bước sóng, từ đó cảm biến siêu âm sẽ nhận lại bước sóng phản hồi.

Sau quá trình nhận bước sóng phản hồi, cảm biến siêu âm cũng đồng thời phân tích thời gian phát sáng và nhận sóng để biết được khoảng cách từ vật cản tới cảm biến.

Chính vì điều này mà người điều khiển biết được khoảng cách từ cảm biến cho tới mức chất lỏng hoặc chất rắn một cách an toàn và đảm bảo độ chính xác.

Cách thức mà cảm biến siêu âm hoạt động thì cảm biến sẽ phát liên tục các tia sóng từ đầu cảm biến. Sóng âm sẽ gặp chất lỏng và phản hồi lại. Thời gian phát sóng và nhận sóng được cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu Analog 4-20mA hoặc 0-10V.

Chỉ số để xác định hiệu suất của cảm biến siêu âm

Đầu dò siêu âm hoạt động đi kèm với khả năng phát ra tần số bên trong kết hợp với vỏ bọc bằng nhựa bên ngoài có khả năng chống ăn mòn. Kích thước và chất liệu cấu thành đầu dò cảm biến cũng khá đa dạng nên hiệu suất của mỗi đầu đò khác nhau. 

Người dùng cần biết trước khoảng cách đo và các chỉ số trước khi sử dụng để chọn đầu dò đạt hiệu quả tốt nhất. Các chỉ số đầu dò của cảm biến siêu âm bao gồm :

Nhiệt độ

Khi thực hiện quá trình chuẩn đoán, nhiệt độ của đầu dò cảm biến siêu âm sẽ tăng.

Do có công suất nhỏ, do đó các cảm biến siêu âm đo mức nước có nhiệt độ tương đối thấp và có thể hoạt động trong thời gian dài mà không bị ảnh hưởng.

Đối với các đầu dò siêu âm trong y tế thì ngược lại cần phải có thiết bị làm lạnh riêng để đảm bảo hoạt động chính xác.

Độ nhạy

Độ nhạy của cảm biến siêu âm này sẽ phụ thuộc rất nhiều vào tần số của cảm biến. Tần số cảm biến ở mức càng cao thì độ nhạy càng cao và ngược lại.

Tần số

Tần số hoạt động của cảm biến siêu âm là tần số cộng hưởng của đầu dò cảm biến. Độ nhạy của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào tần số phát ra của cảm biến, tần số này cũng tỉ lệ thuận với tốc độ phản hồi, tần số càng lớn thì tốc độ phản hồi càng nhanh.

Hiển thị

Cảm biến siêu âm có tích hợp hiển thị rất thông minh để người xem dễ dàng biết được khoảng cách đo là bao nhiêu mét ngay trên cảm biến. 

Ngoài ra, một số cảm biến siêu âm đo mức nước giá rẻ thường loại bỏ hiển thị mà chỉ đưa tín hiệu Analog 4-20mA về trung tâm điều khiển để tiết kiệm chi phí.

Ưu nhược điểm của cảm biến siêu âm

Ưu điểm của cảm biến siêu âm

• Lắp đặt đơn giản
• Độ chính xác cao
• Thời gian đáp ứng nhanh
• Giá thành cạnh tranh

Nhược điểm của cảm biến siêu âm

• Để đạt độ chính xác cao cần phải có kỹ sư chuyên môn cài đặt 
• Không lắp đặt được thiết bị này trong những môi trường có bọt vì độ chính xác thấp, cảm biến dễ báo sai
• Không sử dụng được môi trường có cánh khuấy
• Dễ bị sai số nếu có nhiều bụi

Ứng dụng cảm biến siêu âm trong công nghiệp

Đo mực nước bằng cảm biến siêu âm

• Cảm biến siêu âm đo đo mức nước thường cho ra tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V được đưa về màn hình PLC để thực hiện cơ chế đóng ngắt bơm hoặc điều khiển biến tần để ổn định mức nước trong các tank chứa. 
• Độ chính xác của cảm biến siêu âm phụ thuộc rất nhiều vào người lắp đặt và cài đặt bởi khoảng cách càng lớn thì sai số càng lớn.
• Chính vì điều này mà người dùng phải nắm rõ được khoảng cách cần đo để điều chỉnh trên cảm biến chính xác nhất.
• Độ chính xác của cảm biến siêu âm lên đến từng milimet, ngoài ra còn phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm và cách cài đặt của người lắp đặt.

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách

• Ứng dụng cảm biến siêu âm cũng được dùng rất nhiều trong các cảnh báo một hệ thống hay một dây chuyền đang có nguy cơ hoặc đang bị sự cố. Ứng dụng này góp phần quan trọng vào việc giảm thiểu thiệt hại cho các nhà máy. 
• Khoảng cách phát hiện của cảm biến siêu âm dùng để cảnh báo rất chính xác, sai số chỉ từ vài milimet, do đó người dùng hoàn toàn có thể linh động lựa chọn nhiều loại khác nhau để đáp ứng nhu cầu giám sát của nhà máy.

Đo chiều dày vật liệu

• Cảm biến siêu âm có thể đo được độ dày của vật liệu bằng cách phát ra sóng siêu âm và đo thời gian cần để sóng phản xạ quay trở lại từ bề mặt vật liệu. Điều này rất hữu ích trong các quy trình sản xuất, nơi cần đảm bảo độ chính xác của chiều dày vật liệu.

Kiểm tra độ bền của vật liệu

• Cảm biến siêu âm có thể được sử dụng để đánh giá độ bền của vật liệu bằng cách đo tốc độ sóng siêu âm khi đi qua vật liệu. Điều này cho phép đánh giá được tính đồng nhất và độ bền của vật liệu, giúp các nhà sản xuất tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Phát hiện sự có mặt của đối tượng

• Cảm biến siêu âm cũng có thể được sử dụng để phát hiện sự có mặt của đối tượng trong các quy trình sản xuất. Cảm biến phát ra sóng siêu âm và nhận lại sóng phản xạ từ đối tượng, từ đó xác định được vị trí của đối tượng.

Kiểm tra độ chính xác của máy móc

• Cảm biến siêu âm cũng có thể được sử dụng để kiểm tra độ chính xác của máy móc bằng cách đo khoảng cách giữa các bộ phận và xác định sự sai lệch. Điều này giúp đảm bảo rằng máy móc hoạt động chính xác và đúng cách, giảm thiểu sự cố và tăng hiệu suất sản xuất.