Cảm biến siêu âm

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính: bộ phận phát và nhận sóng siêu âm, bộ phận so sánh, mạch phát hiện và mạch ngõ ra.

Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm là gồm một cái đĩa ceramic kiểu áp điện được gắn ở dưới bề mặt của cảm biến. Đĩa này có khả năng phát và thu sóng siêu âm.

Khi có một điện áp với tần số cao được đưa vào thì đĩa sẽ rung động tạo ra sóng siêu âm. Khi sóng siêu âm được phát đi nếu gặp phải một vật cản thì tại đó sẽ dội ngược lại một sóng siêu âm mới có tần số tương tự nhưng có biên độ nhỏ hơn.

Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ phận so sánh sẽ tính toán bằng cách so sánh thời gian phát và nhận tín hiệu sóng siêu âm, vận tốc sóng siêu âm để tính ra quãng đường đi của sóng siêu âm cũng chính là khoảng cách giữa cảm biến và vật cản.

Tín hiệu ngõ ra cảm biến siêu âm có thể là digital hoặc analog. Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện của vật cản trong vùng cảm nhận của cảm biến. Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách từ đối tượng đến cảm biến.

Tần số hoạt động: nhìn chung cảm biến siêu âm dùng trong công nghiệp hoạt động với tần số là từ 25KHz đến 500KHz. Các cảm biến siêu âm trong y khoa thì hoạt động với tần số 5MHz trở lên. Tần số của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện của cảm biến, với tần số 50KHz thì phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10m hoặc hơn, với tần số 200KHz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở mức 1m.

Một số mẫu thực tế của cảm biến siêu âm

Ứng dụng

Trong công nghiệp cảm biến siêu âm dùng để điều khiển mực chất lỏng, phát hiện dây bị đứt, phát hiện người, phát hiện xe ….và nhiều ứng dụng khác trong cuộc sống như súng bắn tốc độ, máy siêu âm, máy tán sỏi thận….

Lưu ý khi sử dụng:

Có một vùng nằm trước cảm biến gọi là vùng mù. Khi vật cản nằm trong vùng này thì cảm biến sẽ không nhận ra được vật cản. Do đó ta phải điều chỉnh vị trí cảm biến khi lắp đặt sao cho khoảng cách từ vật cản cho đến đầu dò cảm biến phải lớn hơn khoảng cách vùng mù.

CẢM BIẾN KHOẢNG CÁCCảm biến biến siêu âm làm việc như thế nào?

Cảm biến siêu âm sử dụng âm thanh để xác định khoảng cách giữa cảm biến và đối tượng gần nhất trong đường dẫn của nó. Làm thế nào để cảm biến siêu âm làm điều này? Cảm biến siêu âm cơ bản là cảm biến âm thanh, nhưng chúng hoạt động ở tần số trên thính giác của con người.

Cảm biến sẽ phát ra sóng âm ở tần số cụ thể. Sau đó nó lắng nghe sóng âm cụ thể đó thoát ra khỏi vật thể và quay trở lại (Hình trên). Cảm biến theo dõi thời gian giữa việc gửi sóng âm và sóng âm thanh trở lại. Nếu bạn biết cái gì đó đi với vận tốc báo nhiều và thời gian đi thì bạn sẽ tính được khoảng cách với công thức: d = t/v

Các cảm biến siêu âm có dạng hình nón, góc của nón này thay đổi theo khoảng cách. Hình trên cho thấy mối quan hệ này. Khả năng phát hiện đối tượng của cảm biến cũng phụ thuộc vào hướng đối tượng đến cảm biến. Nếu một vật không có bề mặt phẳng với cảm biến thì có thể sóng âm thanh sẽ bật ra khỏi vật thể và không quay trở lại cảm biến.

Cảm biến khoảng cách HC-SR04

Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 được sử dụng rất phổ biến để xác định khoảng cách vì RẺ và CHÍNH XÁC. Cảm biến sử dụng sóng siêu âm và có thể đo khoảng cách trong khoảng từ 2 -> 300 cm, với độ chính xác gần như chỉ phụ thuộc vào cách lập trình.

Sơ đồ chân HC-SR04

HC-SR04 gồm: VCC, Trig, Echo, GND. Trong đó:

VCC –> Nguồn cung cấp (thường +5V)

Trig –> chân digital (OUTPUT), đây là chân sẽ phát tín hiệu từ cảm biến.

Echo –> chân digital (INPUT), đây là chân sẽ nhận lại tín hiệu được phản xạ từ vật cản.

GND —> GND

Cách thức đo khoảng cách HC-SR04

Để đo khoảng cách, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds – ú) từ chân Trig. Sau đó, cảm biến sẽ tạo ra 1 xung HIGH ở chân Echo đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở pin này. Chiều rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biển và quay trở lại. Tốc độ của âm thanh trong không khí trong điều kiện phòng là 330 m/s (hằng số vật lý), tương đương với 29,1 microSeconds/cm (10⁶ / (330*100)). Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho 29,1 để nhận được khoảng cách.

Kết nối HC-SR04 với Arduino

Sơ đồ kết nối chân

HC-SR04	Arduino
VCC	5V
Trig	D11
Echo	D12
GND	GND