Bài giảng Thiết bị cảm ứng sóng siêu âm

Nội dung text: Bài giảng Thiết bị cảm ứng sóng siêu âm

1. Th.s Trần Văn Trinh
2. Siêu âm là gì? ◼ Siêu âm là sóng cơ học có tần số lớn hơn tần số âm nghe thấy (trên 20kHz). Thính giác của con người rất nhạy cảm với dải tần số từ âm trầm (vài chục Hz) đến các âm thanh rất cao (gần 20kHz). Một số loài vật như dơi, ong có thể cảm nhận được siêu âm.
3. Giới thiệu về cảm biến tiệm cận siêu âm ◼ Cảm biến siêu âm là thiết bị dùng để xác định vị trí của các vật thông qua phát sóng siêu âm. ◼ Cảm biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại hoặc không phải kim loại,chất lỏng hoặc chất rắn,vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn)
4. Một số hình ảnh về cảm biến siêu âm ◼
5. Một số hình ảnh về cảm biến siêu âm
6. Một số hình ảnh về cảm biến siêu âm
7. Một số hình ảnh về cảm biến siêu âm
8. . Ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm • Từ lâu, siêu âm đã được ứng dụng trong thực tế như: - Rada siêu âm (Sona) dùng để phát hiện các mục tiêu dưới nước như thăm đò đáy biển, phát hiện tàu ngầm, đàn cá.Ưu điểm của siêu âm là ít bị suy giảm trong môi trường nước. - Phát hiện phóng điện cục bộ trong máy biến áp (MBA). Khi có phóng điện cục bộ trong MBA sẽ phát sinh sóng siêu âm lan truyền trong dầu. Nhờ bộ cảm biến siêu âm gắn trên thùng dầu có thể phân tích sóng tới và sóng phản xạ của nguồn phóng điện và định vị chính xác vị trí dây quấn MBA có phóng điện cục bộ.
9. Ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm -Trong ngành y tế, rada siêu âm giúp các bác sĩ có thể nhìn rõ cấu trúc nội tại của cơ thể, chẩn đoán chính xác khối u, thai nhi- Siêu âm còn được ứng dụng rộng rãi trong kỹ thuật gia công kim loại. Sóng siêu âm là sóng cơ đàn hồi mang năng lượng, có thể làm sạch bề mặt các chi tiết trước khi gia công như mạ, hàn- Trong kĩ thuật đo và kiểm tra công nghiệp, việc đo và phân tích tiếng dội khi chùm siêu âm được chiếu lên bề mặt kiểm tra có thể giúp ta phát hiện được trạng thái bề mặt và các khuyết tật bên trong cấu trúc - Ngoài ra cảm biến siêu âm dùng để điều khiển mực chất lỏng,đo khoảng cách độ cao hay vị trí của phiến gổ trên dây chuyền,dùng để phát hiện ra người,phát hiện dây bị đứt,phát hiện xe,phát hiện chiều cao .và nhiều ứng dụng quan trọng khác trong cuộc sống
10. Ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm Đo lường mức độ chất lỏng
11. Ứng dụng của cảm biến tiệm cận siêu âm
12. Siêu âm
13. Nguyên lý sóng siêu âm
14. Bố trí cảm biến
15. Bố trí cảm biến
16. Bố trí cảm biến
17. Bố trí cảm biến
18. Bố trí cảm biến
19. Cấu tạo của cảm biến tiệm cận siêu âm ◼ Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính 1/Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm 2/bộ phận so sánh 3/mạch phát hiện 4/mạch ngõ ra
20. Cấu tạo của cảm biến tiệm cận siêu âm ◼ Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi,bộ phận so sánh sẽ tính toán khoảng cách,bằng cách so sánh thời gian phát,nhận và vận tốc âm thanh ◼ Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog. Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện của đối tượng trong vùng cảm nhận của cảm biến.tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách của đối tượng đến cảm biến
21. Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận siêu âm ◼ Kĩ thuật cảm thuật cảm biến siêu âm dựa trên đặc điểm vận tốc âm thanh là hằng số.thời gian sóng âm thanh đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ trực tiếp đến độ dài quảng đường.vì vậy cảm biến siêu âm thường được dùng trong các ứng dụng đo khoảng cách ◼ Tần số hoạt động:nhìn chung là cảm biến 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
22. Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận siêu âm
23. Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận siêu âm
24. Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận siêu âm ◼ MẠCH CẢM BIẾN SIÊU ÂM
25. MẠCH CẢM BIẾN SIÊU ÂM
26. Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận siêu âm ◼ Vùng hoạt động:là khu vực giữa 2 giới hạn khoảng cách lớn nhất và khoảng cách nhỏ nhất ◼ Cảm biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sử dụng gần cảm biến gọi là khu vực mù ◼ Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định khoảng cách phát hiện lớn nhất (vật xốp<bìa các tông<kim loại) ◼ Cảm biến siêu âm có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện ◼ Một số dạng cảm biến ngõ ra analog cho phép điều chỉnh khoảng cách phát hiện,sau một khoảng xác định.khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sử dụng ◼ Ngoài ra để cảm biến siêu âm không phát hiện đối tượng dù chúng di chuyển vào vùng hoạt động của cảm biến,người ta có thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu có khả năng không phản xạ lại sóng âm thanh
27. Xác định khoảng cách ◼ Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm.Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF d=v.t/2
28. Nguyên lý TOF ◼ Nguyên lý TOF (time of flight) là nguyên lý đo khoảng cách bằng thời gian truyền của sóng. Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tương đối chậm, và người ta có thể đo được khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s trong không khí). Phương pháp này không được dùng trong các thiết bị thu nhận sóng điệntừ, vì vận tốc sóng điện từ rất cao bằng với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s).Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật được tính bằng vận tốc của sóng trong môi trường tương ứng nhân với một nửa thời gian truyền của sóng
29. Nguyên lý TOF
30. Nguyên lý TOF Khi sóng siêu âm phát ra và thu về, cảm biến siêu âm, một cách gián tiếp cho ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cảm biến. Khi đó, dường như trên quãng đường đi từ cảm biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm không gặp bất cứ vật cản nào, và đâu đó xung quanh vị trí mà thông số cảm biến ghi nhận được, có một chướng ngại vật. Và vì thế, cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó.
31. Nguyên lý TOF
32. Hình ảnh và thông số kỹ thuật của vài cảm biến siêu âm SRF05 Điện áp - 5v Dòng thấp- - 4mA Tần số- - 40khz Phạm vi hoạt động 1cm-4cm - SRF05 Loại- 1 chân cho trig/echo hoặc 2 - chân tương thích SRF04 Đầu vào kích khởi- 1 chân cho trig/echo hoặc 2 - chân tương thích SRF04 Xung va đập Mức tín hiệu TTL dương, bề - rộng đối xứng Kích thước- - 43mm x 20mm x 17mm
33. Hình ảnh và thông số kỹ thuật của vài cảm biến siêu âm SRF10 – Cảm biến siêu âm kích thước bé SRF10 - Giao diện Điện áp- - 5V Dòng- - 15mA Dải tần- - 40KHz Phạm vi làm việc- - 6cm -6m. SRF10 Tín hiệu tương tự - Biến thiên 40- 700 trong 16 bước Đầu nối - Bus tiêu chuẩn I2C. Định thời - Tín hiệu về trong toàn thời gian làm việc, quản lí chức năng tự do. Đơn vị- - uS, mm hoặc inches Kích thước - 32mm x 15mm x 10mm
34. Hình ảnh và thông số kỹ thuật của vài cảm biến siêu âm SRF235 – Cảm biến “đầu bút chì”. SRF235 - Giao diện Điện áp - 5V Dòng - 25mA Dải tần - 235KHz Vùng làm - 10cm -1.2m. việc Đường kính - 15° SRF235 tia siêu âm Đầu nối - Bus tiêu chuẩn I2C Định thời - Tín hiệu liên tục trong toàn thời gian làm việc, quản lí các chức năng tự do Đơn vị - uS, mm, inches. Kích thước - 34mm x 20mm x 19mm
35. Hình ảnh và thông số kỹ thuật của vài cảm biến siêu âm SRF08 – Cảm biến siêu âm vai trò cao. SRF08 Giao diện Điện áp 5V Dòng 15mA. Dải tần 40KHz Phạm vi làm 3cm -6m. SRF08 việc Tín hiệu tương Biến thiên từ 94 - tự 1025 trong 32 bước. Đầu nối Bus tiêu chuẩn I2C. Đơn vị uS, mm, inches. Kích thước 43mm x 20mm x 17mm.
36. ứng dụng
37. ứng dụng
38. ứng dụng
39. ứng dụng
40. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm ◼ ƯU ĐIỂM:khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện lên tới 15m ◼ Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc vào màu sắc của bề mặt đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng ◼ Ví dụ:bề mặt kính trong suốt ,bề mặt gốm màu nâu,bề mặt plastic màu trắng hay bề mặt chất liệu nhôm sáng trắng là như nhau ◼ Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách.Điều này đặc biệt lí tưởng cho các ứng dụng như theo dỏi các mức vật chất,mức độ chuyển động cuả đối tượng
41. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm ◼ Nhược điểm:cảm biến siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu(giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến) ◼ Sóng phản hồi cảm biến nhận được có thể chịu ảnh hưởng của sóng âm thanh tạp âm ◼ Cảm biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi.kết quả cảm biến tiệm cận siêu âm nhìn chung chậm hơn các cảm biến khác ◼ Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp nhưnhư bọt hay vảu quần áo rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn ◼ Cảm biến tiệm cận siêu âm giới hạn bởi khoảng cách phát hiện nhỏ nhất
42. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm ◼ Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ) áp suất,sự chuyển động không đều của không khí,bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo ◼ Nhiệt độ của bề mặt đối tượng ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến,hơi nóng tỏa ra từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng,làm cho khoảng cách phát hiện của đối tượng ngắn lại và giá trị khoảng cách không chính xác ◼ Bề mặt phẳng phản hồi năng lượng của sóng âm thanh tốt hơn bề mặt gồ ghề,tuy nhiên bề mặt trơn phẳng lại có đòi hỏi khắc khe về vị trí góc tạo thành giữa cảm biến và mặt phẳng đối tượng