Nguyên lý hoạt động
Cảm biến siêu âm (ultrasonic sensor) phát ra xung sóng âm tần số siêu âm (thường 40–200 kHz, ngoài dải nghe của người), xung này lan truyền trong không khí, đập vào vật và phản xạ ngược lại. Cảm biến đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận (Time of Flight — ToF) và tính khoảng cách:
d = (t × v_sound) / 2
Trong đó: d = khoảng cách (m), t = thời gian ToF (s), v_sound = vận tốc âm trong không khí ≈ 343 m/s ở 20°C.
Lưu ý: vận tốc âm thay đổi theo nhiệt độ (~0,6 m/s mỗi °C). Cảm biến chính xác tích hợp cảm biến nhiệt độ để bù trừ tự động.
Đặc điểm kỹ thuật quan trọng
- Dải đo: 0,2–10 m (thông dụng 0,2–3 m cho phát hiện vật; 0,3–10 m cho đo mức bồn)
- Vùng mù (blind zone): 30–200 mm ngay trước đầu cảm biến — trong vùng này, cảm biến không phân biệt được echo phản hồi và tín hiệu phát. Không lắp vật trong vùng mù.
- Góc chùm tia: thường 5–15° — cảm biến “nhìn” theo hình nón. Vật nhỏ, gồ ghề có thể phân tán tín hiệu.
- Tần số lấy mẫu: 10–50 Hz (phụ thuộc khoảng cách — khoảng cách càng xa, cần thời gian đợi echo càng lâu)
- Không phụ thuộc màu sắc, vật liệu: phát hiện nhựa, kim loại, gỗ, chất lỏng, bột, xốp — miễn là bề mặt đủ cứng để phản xạ sóng âm
Tín hiệu đầu ra
- Analog 4–20 mA: tỷ lệ tuyến tính với khoảng cách — phổ biến cho đo mức bồn kết nối PLC
- Analog 0–10 V: tương tự 4–20 mA nhưng dùng cho khoảng cách ngắn hơn
- ON/OFF (switching): khi khoảng cách nhỏ hơn ngưỡng cài đặt → kích đầu ra. Dùng như cảm biến tiệm cận nhưng khoảng cách xa hơn nhiều.
- Xung / RS-232 / RS-485: module siêu âm chuyên dụng (HC-SR04 cho Arduino, MaxSonar series)
Ứng dụng phổ biến tại Việt Nam
- Đo mức bồn chứa: lắp trên nắp bồn, đo khoảng cách từ cảm biến xuống mặt thoáng chất lỏng → tính mức. Dùng cho nước, hóa chất, dầu, hạt nông sản. Không tiếp xúc chất lỏng.
- Phát hiện vật trên băng tải: phát hiện kiện hàng, thùng carton kích thước lớn khi cảm biến quang gặp khó khăn (vật đen, bề mặt không đều)
- Cảm biến lùi xe: nguyên lý tương tự, tần số 40 kHz, phát hiện chướng ngại vật phía sau xe
- Robot AGV: phát hiện chướng ngại vật, dẫn hướng trong kho hàng tự động
- Máy đo chiều cao người: tại các trạm y tế, trường học
So sánh với cảm biến quang và laser
| Tiêu chí | Siêu âm | Quang (diffuse) | Laser |
|---|---|---|---|
| Ảnh hưởng màu sắc | Không | Có (đen phản xạ kém) | Không (ToF) hoặc có (triangulation) |
| Vật trong suốt | Khó (sóng xuyên qua) | Khó | Tốt |
| Độ chính xác | ±1–3 mm | ±0,5–2 mm | ±0,1–1 mm |
| Ảnh hưởng bụi/sương mù | Ít bị ảnh hưởng | Bị ảnh hưởng nhiều | Bị ảnh hưởng nhiều |
| Khoảng cách tối đa | 10 m | 2 m | 50–100 m (laser ToF) |
| Giá | Trung bình | Thấp | Cao |
Lưu ý lắp đặt
- Bề mặt vật đo nên vuông góc với trục cảm biến (góc nghiêng >15° làm echo phân tán, mất tín hiệu)
- Tránh lắp gần nguồn nhiệt lớn hoặc luồng khí mạnh (gió, quạt thổi) — ảnh hưởng vận tốc âm
- Không dùng đo bề mặt hấp thụ âm như xốp mềm, vải, bông — echo rất yếu hoặc không có
- Khi đo mức trong bồn: tránh đặt cảm biến trên ống dẫn vào bồn, tránh bọt khí trên mặt thoáng