tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị

Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý phát và thu tín hiệu của cảm biến siêu âm.Trong y học ngày nay, siêu âm đã và đang được ứng dụng khá rộng rãi như: Chuẩn đoán bằng siêu âm, siêu âm

KHOA SƯ PHẠM

BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ

TÌM HIỂU SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ

Luận văn tốt nghiệp Ngành: SƯ PHẠM VẬT LÝ – CÔNG NGHỆ

Mã số SV: 1117585 Lớp: Sư phạm Vật lý- Công nghệ Khoá: 37

Cần Thơ, năm 2015

Hoàn thành luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy (cô) trong Khoa Sư phạm và Bộ môn Sư phạm Vật lý đã cung cấp cho tôi những kiến thức và những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường

Đặc biệt tôi gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy Hồ Hữu Hậu đã tận tình chỉ bảo và định hướng và hướng dẫn tôi thực hiện thành công đề tài luận văn này

Và tôi cũng muốn gửi lời biết ơn đến gia đình, bạn bè và những người thân đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã có nhiều cố gắng nhưng còn hạn chế về kiến thức nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Kính mong sự đóng góp ý kiến của quý thầy (cô) và các bạn

Xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Thị Tuyết Giao

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu, kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Cần Thơ, ngày 16 tháng 4 năm 2015

Tác giả

Nguyễn Thị Tuyết Giao

PHẦN MỞ ĐẦU

1.Lý do chọn đề tài 1

2.Mục đích của đề tài 1

3.Giới hạn của đề tài 1

4.Phương pháp nghiên cứu 1

5.Các bước thực hiện 2

PHẦN NỘI DUNG Chương 1: ÂM THANH VÀ SIÊU ÂM 3

1.1 Sóng âm 3

1.1.1 Khái niệm về sóng âm 3

1.1.2 Sự hình thành của sóng âm trong môi trường 4

1.1.3 Các đại lượng đặc trưng của sóng âm 5

1.2 Các đặc trưng của sóng âm 6

1.2.1 Đặc trưng vật lý 6

1.2.2 Đặc trưng sinh lý 6

1.3 Tính chất của sóng âm 7

1.4 Một số tương tác của siêu âm đối với môi trường 8

1.4.1 Phản xạ và khúc xạ 8

1.4.2 Tán xạ 9

1.4.3 Nhiễu xạ 9

1.4.4 Sự giao thoa 9

1.4.5 Sự hấp thụ và độ suy giảm 10

1.5 Kết luận 10

Chương 2: CẢM BIẾN SIÊU ÂM 11

2.1 Giới thiệu chung về cảm biến siêu âm 11

2.2 Hiệu ứng áp điện và hiện tượng từ giảo 11

2.2.1 Hiệu ứng áp điện 11

2.2.2 Hiện tượng từ giảo 15

2.3 Nguyên lý hoạt động 16

2.3.1 Nguồn phát sóng siêu âm 16

2.3.2 Nguồn thu sóng siêu âm 17

2.4 Tầm quét của cảm biến siêu âm và nguyên lý TOF (Time Of Flight) 18

2.4.1 Tầm quét của cảm biến siêu âm 18

2.4.2 Nguyên lý TOF (Time Of Flight) 18

2.5 Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến 19

2.6 Cảm biến siêu âm MA40B8R/S 19

2.7 Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF 21

2.8.1 Sai số lặp 21

2.8.2 Hiện tượng Forecasting 21

2.8.3 Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) 22

2.8.4 Ảnh hưởng của trường gần và trường xa 23

2.9 Kết luận 24

Chương 3: KHIẾM THỊ 25

3.1 Giới thiệu 25

3.2 Nguyên nhân dẫn đến khiếm thị Người khiếm thị cần gì? 26

3.3 Tình hình khiếm thị trên thế giới và Việt Nam 26

3.4 Kết luận 27

Chương 4: MẠCH ĐO KHOẢNG CÁCH DÙNG CẢM BIẾN SRF05 VỚI VI ĐIỀU KHIỂN 89C51 28

4.1 Sơ đồ khối cho hệ thống 28

4.2 Mô tả nguyên lý hoạt động cho thiết bị 28

4.3 Vi điều khiển 89C51 28

4.4 Mạch tạo nguồn 5V cung cấp cho VĐK 31

4.5 LED đơn 31

4.6 LED 7 thanh 3 chữ số chung anốt 32

4.7 Tranzitor NPN C1815 33

4.8 Module đo khoảng cách SRF05 34

4.8.1 Giới thiệu 34

4.8.2 Hoạt động phát và nhận phản hồi sóng âm cơ bản của SRF05 34

4.8.3 Bảng thông số kỹ thuật 36

4.8.4 Miêu tả chân theo chế độ hoạt động 36

4.9 Kết luận 40

Chương 5: THIẾT BỊ SỬ DỤNG SIÊU ÂM DÒ ĐƯỜNG CHO NGƯỜI KHIẾM THỊ 41

5.1 Ý tưởng về thiết bị sử dụng siêu âm dò đường cho người khiếm thị 41

5.2 Thực trạng về các thiết bị đang được nghiên cứu và sử dụng trên toàn thế giới 42

5.2.1 Thiết bị siêu âm dò đường dùng cảm biến Sona Swich TM 1700 của David T.Batarseh, Đại học bang Mississippi (được nghiên cứu và sử dụng năm 1997) 42

5.2.2 Thiết bị chống va chạm vật cản của Timothy S.Lane và Martyn J.C.Berry, Đại học bang New York ở Buffalo 44

5.2.3 Gậy BAT ‘K’ sonar 45

5.2.4 Gậy BATOONG MAGIC-WATERS 45

5.2.5 Nhẫn EYERING 46

5.2.6 Một số thiết bị khác đã được nghiên cứu và sử dụng 47

5.3 Kết luận 47

PHẦN KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHẦN MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, khoa học công nghệ càng tiến bộ thì đời sống con người càng được nâng cao Khoa học công nghệ phát triển không ngừng là để phục vụ cho nhu cầu của con người: những người bình thường, những người khuyết tật trong đó có người khiếm thị

Sự phát triển của khoa học công nghệ đã trợ giúp người khiếm thị rất nhiều trong các công việc thường ngày: các phần mềm trình đọc màn hình giúp cho người khiếm thị có thể sử dụng máy vi tính truy cập internet, thiết bị đeo đọc chữ nổi giúp họ đọc được sách báo, xây dựng các thư viện sách nói phục vụ về nhu cầu thông tin và giải trí cho họ,…và đặc biệt là việc tìm đường đi cho người khiếm thị

Thiết bị siêu âm dò đường cho người khiếm thị thì không quá mới, nó đã được nghiên cứu và đưa vào sử dụng khá nhiều ở một số nước trên thế giới Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý phát và thu tín hiệu của cảm biến siêu âm.Trong y học ngày nay, siêu âm

đã và đang được ứng dụng khá rộng rãi như: Chuẩn đoán bằng siêu âm, siêu âm trị liệu, dao mổ siêu âm,…và ngoài y học siêu âm đươc ứng dụng khá nhiều trong các lĩnh vực khác trong công nghiệp Trong đề tài này, cảm biến siêu âm được dùng với mục đích nhận biết vật cản và khoảng cách vật cản Trên thế giời đã có một số thiết bị hỗ trợ người khiếm thị được sản xuất và hầu hết đều áp dụng ứng dụng của công nghệ siêu âm dò tìm vật cản

Hiện nay, tỉ lệ người khiếm thị nước ta chiếm khoảng 5%, họ gặp khó khăn rất lớn trong việc đi lại hằng ngày Vì vậy, thiết bị dò đường cho người khiếm thị nước ta là rất cần thiết Chính vì điều đó, là sinh viên chuyên ngành sư phạm Vật lí – Công nghệ, tôi đã nhận thức rõ tầm quan trọng và muốn nâng cao những kiến thức đã học nên tôi đã quyết

định chọn đề tài: “Tìm hiểu siêu âm dò đường cho người khiếm thị”

3 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Do giới hạn về thời gian,nguồn tài liệu và kiến thức nên tôi chỉ nghiên cứu về:

- Âm thanh và siêu âm

- Cảm biến siêu âm

- Khiếm thị

- Mạch đo khoảng cách dùng cảm biến SRF05 với vi điều khiển 89C51

- Thiết bị sử dụng siêu âm dò đường cho người khiếm thị

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

5 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN

Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài

Bước 2: Xây dựng đề cương

Bước 3: Thu thập, tìm kiếm các tài liệu có liên quan đến đề tài

Bước 4: Tổng hợp tài liệu, tiến hành viết đề tài

Bước 5: Nộp cho giáo viên hướng dẫn, tham khảo ý kiến và chỉnh sửa

Bước 6: Hoàn chỉnh luận văn và báo cáo

PHẦN NỘI DUNG

Chương 1: ÂM THANH VÀ SIÊU ÂM

1.1 SÓNG ÂM

1.1.1 Khái niệm về sóng âm

Âm thanh là các dao động cơ học (biến đổi vị trí qua lại) của các phân tử, nguyên

tử hay các hạt làm nên vật chất và lan truyền trong vật chất như các sóng Âm thanh, giống như nhiều sóng, được đặc trưng bởi tần số, bước sóng, chu kỳ, biên độ và vận tốc lan truyền (tốc độ âm thanh) Đối với thính giác của người, âm thanh thường là sự dao động trong dải tần số từ khoảng 20 Hz đến khoảng 20 kHz của các phân tử không khí

và lan truyền trong không khí, va đập vào màng nhĩ, làm rung màng nhĩ và kích thích bộ

các tần số cao hơn hay thấp hơn tần số mà tai người có thể nghe thấy, và không chỉ lan truyền trong không khí, mà trong bất cứ vật liệu nào Trong định nghĩa rộng này, âm thanh là sóng cơ học và theo lưỡng tính sóng hạtcủa vật chất, sóng này cũng có thể coi là dòng lan truyền của các hạt phonon, các hạt lượng tử của âm thanh [8]

Siêu âm là âm thanh có tần số cao hơn tần số tối đa mà tai người nghe thấy được Tần số tối đa này tuỳ vào từng người, nhưng thông thường nó vào cỡ 20000 Hz Ngược lại với siêu âm, các âm thanh có tần số thấp hơn ngưỡng nghe được bởi tai người (thường vào khoảng 20 Hz) là hạ âm Siêu âm có thể lan truyền trong nhiều môi trường tương tự như môi trường lan truyền của âm thanh, như không khí, các chất lỏng và rắn, và với tốc

độ bằng tốc độ âm thanh Do cùng tốc độ lan truyền, trong khi có tần số cao hơn, bước sóng của siêu âm ngắn hơn bước sóng của âm thanh Nhờ bước sóng ngắn, độ phân giải của ảnh chụp siêu âm thường đủ để phân biệt các vật thể ở kích thước

cỡ centimét hoặc milimét [5] Do đó siêu âm được ứng dụng trong chẩn đoán hình ảnh y khoa (siêu âm y khoa) hoặc chụp ảnh bên trong các cấu trúc cơ khí trong kiểm tra không phá hủy [16]

Siêu âm có thể được tạo ra từ một số loại loa, từ dao động của tinh thể áp điện Trong tự nhiên, nhiều loài động vật có thể tạo ra hoặc cảm nhận được siêu âm, ví dụ như dơi là loài có thị giác kém phát triển nhưng tạo ra và cảm nhận siêu âm để xác định các vật thể trong không gian xung quanh [16]

Cá voi, cá heo dùng siêu âm để liên lạc và định vị đối tượng xung quanh Một số loài như cá voi trắng vùng Amazon tự chỉnh cường độ phát, khi bắt mồi thì dùng siêu âm mạnh để gây tê liệt cá [16]

Âm thanh, siêu âm, hạ âm có cùng thuộc tính là sóng âm

Hình 1.1: Dải tần số ứng với siêu âm và ứng dụng [16]

Về phương diện vật lý, âm nghe được hay không nghe được không có gì khác nhau

Âm truyền theo những tia gọi là tia âm Thực nghiệm chứng tỏ tia âm cũng có thể

bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ và hấp thụ như tia sáng Khi tia âm truyền qua hai môi trường có vận tốc truyền âm khác nhau thì ở mặt phân cách hai môi trường, một phần tia

âm bị phản xạ, một phần bị khúc xạ (Hình 1.2) Góc phản xạ bằng góc tới Còn góc khúc

xạ lớn hơn hay nhỏ hơn góc tới là tùy thuộc vào vận tốc truyền âm trong hai môi trường Khi tia âm truyền từ môi trường có vận tốc lớn sang môi trường có vận tốc nhỏ thì góc khúc xạ nhỏ hơn góc tới (n1 < n2 ) (Hình 1.2a) và ngược lại (Hình 1.2b) [9]

Hình 1.2: Sự phản xạ và khúc xạ âm

1.1.2 Sự hình thành của sóng âm trong môi trường

Trong các môi trường rắn, lỏng, khí các phần tử trong môi trường liên kết chặt chẽ với nhau tạo thành các môi trường đàn hồi, mỗi phần tử trong môi trường đều có một vị trí cân bằng bền Khi ta tác động một lực lên một phần tử nào đó trong môi trường thì do lực liên kết mà các phần tử chung quanh, một mặt kéo phần tử đó về vị trí cân bằng, mặt khác cũng chịu lực tác động và cũng thực hiện dao động [5] Hiện tượng này tiếp tục xảy ra đối với các phần tử khác trong môi trường Những dao động cơ lan truyền trong môi trường đàn hồi tạo thành sóng đàn hồi (hay sóng cơ)

Do mỗi vị trí trong môi trường ở trạng thái bình thường đều có một mật độ phân

tử ρ và một áp suất P cố định Khi có một phần tử trong một môi trường dao động thì mật độ và áp suất tại vị trí đó sẽ thay đổi Như vậy bản chất của sự lan truyền dao động

là sự lan truyền của mật độ khối và áp suất P [5]

Hình 1.3: Sự hình thành sóng âm trong môi trường [5]

Bản chất của sóng âm là sóng cơ học do đó tuân theo mọi quy luật đối với sóng

 Sóng ngang: là sóng mà phương dao động của các phần tử trong môi trường vuông góc với tia sóng, sóng này chỉ xuất hiện trong môi trường có tính đàn hồi về hình dạng, chỉ có ở vật rắn [5]

Hình 1.4: Sóng ngang [5]

tia sóng, sóng này xuất hiện trong các môi trường chịu biến dạng về thể tích,

do đó sóng này truyền được trong các môi trường rắn, lỏng và khí [5]

Hình 1.5: Sóng dọc [5]

1.1.3 Các đại lượng đặc trưng của sóng âm

Hình 1.6: Biểu diễn sóng âm theo thời gian [5]

dãn hay còn gọi là một dao động [5]

T = 1/f = v/λ (1.1) Sóng âm được chia thành 3 vùng tần số chính

Ví dụ: sóng địa chấn

 Sóng siêu âm (ultrasound) có f > 20kHz Ví dụ: sóng âm phát ra từ con dơi

gọi là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm có dao động cùng pha

to Tuy nhiên độ to của âm không tỉ lệ thuận với cường độ âm [5]

0

lg ) (

I

I B

I

I B

L 

Mức cường độ âm của một số âm thường gặp có trị số trong khoảng từ 20 dB đến

100 dB Chẳng hạn tiếng nói chuyện bình thường có mức cường độ âm bằng 40 dB

1.2.2 Đặc trưng sinh lý

1.2.2.1 Độ cao của âm

Độ cao của âm do tần số của âm quyết định Tần số càng lớn, âm càng cao Ví dụ

1va 

P

- Độ to của âm đặc trưng cho độ mạnh của âm về phương diện sinh lý Vì tai người chỉ nghe được những âm có tần số từ 20 Hz đến 20.000 Hz nên độ to của

(1.3)

âm chỉ có ý nghĩa trong khoảng tần số đó Vebe Phesne đã tìm ra định luật xác định độ to của âm theo công thức:

0

log

I

I k

I 0 = 10-12 W/m2 là cường độ âm cơ sở

k là hệ số tỉ lệ

Nếu đo L bằng đơn vị Bel thì k = 1

1.3 TÍNH CHẤT CỦA SÓNG ÂM

Sóng âm trong thiết bị dò đường cho người khiếm thị là sóng dọc

Vận tốc âm (v): tốc độ sóng truyền trong môi trường gọi là vận tốc âm thanh Thực nghiệm chứng tỏ trong một môi trường đồng chất và đẳng hướng thì âm thanh truyền với

năng nén (k – hệ số đàn hồi) của môi trường:

tỷ lệ với nhiệt độ, do nhiệt độ tăng thì thể tích của khối khí tăng và khối lượng riêng giảm, ta có công thức:



273

1 1

0 

v

v (1.7) Với: v0 là vận tốc truyền sóng ở 00

v là vận tốc truyền sóng ở 0C

Trong không khí, ta có công thức tính vận tốc truyền sóng ở 0C gần đúng như sau:

v = 331,4 + (0,6 ) (1.9) Trở kháng âm (rayls): là đại lượng tỷ lệ với động lượng Đại lượng này là đơn vị

đo sự hạn chế của âm thanh truyền qua môi trường

Z=.c (1.10)

Vật liệu có tỷ khối cao làm tăng tốc độ sóng âm và do đó nâng cao trở kháng âm Tương tự, vật liệu có tỷ khối thấp như các khí có trở kháng âm thấp nên vận tốc truyền

âm trong môi trường nhỏ hơn [5]

1.4 MỘT SỐ TƯƠNG TÁC CỦA SIÊU ÂM ĐỐI VỚI MÔI TRƯỜNG

1.4.1 Phản xạ và khúc xạ

Tương tác chính được quan tâm trong siêu âm dò đường là phản xạ Khi gặp mặt phân cách đủ lớn (>> λ) giữa hai môi trường có trở kháng âm khác nhau, tia âm sẽ tuân theo định luật phản xạ và khúc xạ [14] Một phần năng lượng của sóng âm sẽ phản xạ ngược trở lại và phần còn lại sẽ truyền tiếp vào môi trường thứ hai [14]

Độ lớn của năng lượng phản xạ phụ thuộc vào sự khác biệt của trở kháng âm Δz giữa hai môi trường Hệ số phản xạ K được tính theo công thức:

K = Pr/Pi = [(Z2 cos θt – Z1 cos θi)2/( Z2 cos θt + Z1 cos θi)]2

Trong đó: θi: góc tới; θr: góc phản xạ; θt: góc khúc xạ

Pi: Biên độ áp lực của sóng tới

Z1,Z2 : Trở kháng âm của hai môi trường

Có hai trường hợp sẽ xảy ra:

hướng với sóng tới Khi đó hệ số phản xạ:

K = [(Z2- Z1)/( Z2+ Z1)]2 (1.12)

– Th2: góc tới θi ≠ 0 Theo định luật phản xạ θi = θr Sóng truyền qua lúc này

hiện tượng khúc xạ, góc khúc xạ θt phụ thuộc vào vận tốc truyền âm trong hai môi trường và được xác định bởi công thức:

Sin θt = (v2/v1) sin θi (1.13)

(Do theo định luật khúc xạ:

n1sin θi = n2sin θt => c/v1 sin θi = c/v2 sin θt => Sin θt = (v2/v1) sin θi

Với c là vận tốc ánh sáng, n1 và n2 là chiết suất của hai môi trường)

Phản xạ khuếch tán: Khi một chùm siêu âm được chiếu tới một bề mặt phân cách không phẳng, nó bị phản xạ ra nhiều hướng [14] Bề mặt phẳng lớn của mặt phản xạ tạo nên chùm định hướng chính xác, còn bề mặt gồ ghề lớn làm chệch hướng chùm siêu âm theo nhiều hướng Do mặt phân cách không phẳng, chùm siêu âm tới mặt phân cách với các góc tới khác nhau, tạo ra các góc phản xạ khác nhau Điều này sẽ làm mất sự kết hợp các chùm tia phản xạ, làm cho tín hiệu dội về đầu dò yếu đi [14]

Hình 1.7: Phản xạ khuếch tán [14]

(1.11)

1.4.2 Tán xạ:

Hiện tượng này xảy ra khi chùm tia siêu âm gặp các cấu trúc nhỏ (có kích thước

<<) hoặc với bề mặt không đồng đều, khi đó tia siêu âm bị tán xạ theo mọi hướng và chỉ

có 1 phần nhỏ tới được đầu dò Việc ghi nhận các tia tán xạ rất khó khăn nhưng chúng có một lợi thế là không phụ thuộc vào góc tới của tia siêu âm [5]

Hình 1.8: Hiện tượng nhiễu xạ và giao thoa sóng [13]

Một sóng phẳng đi qua hai khe và bị nhiễu xạ, tạo ra sóng lan toả ra mọi phía từ hai khe, hai luồng sóng lan từ hai khe lại giao thoa tiếp với nhau (Hình 1.8)

1.4.4 Sự giao thoa

Giao thoa là một khái niệm trong vật lý chỉ sự chồng chập của hai hoặc nhiều sóng

mà tạo ra một hình ảnh sóng mới [1] Sự giao thoa của các sóng trên thực chất tuân theo nguyên lý chồng chập sóng mà ở đây chính là sự cộng gộp của các dao động Tại mỗi điểm trong không gian nơi có sự gặp nhau của các sóng, dao động của môi trường sẽ chính là dao động tổng hợp của các dao động thành phần từ các sóng tới riêng biệt [1] Nhờ sự tổng cộng dao động này mà trong không gian có thể tạo ra các điểm có dao động được tăng cường hoặc bị dập tắt tùy thuộc vào tương quan pha giữa các sóng Điều này tạo ra một hình ảnh giao thoa khác với hình ảnh của từng sóng thành phần, được tạo

ra bởi chính tập hợp các điểm có sự giao thoa tăng cường hoặc dập tắt [17]

– Giao thoa tăng cường khi   0 hay một số nguyên lần 2 :  n2 (n  0 , 1 , 2 )

thì giao thoa là hoàn toàn tăng cường

– Giao thoa dập tắt khi bằng số lẽ lần  :  )2

2

1

 m (m 0 , 1 , 2 )thì giao thoa hoàn toàn dập tắt

Hình 1.9: Giao thoa tăng cường và giao thoa triệt tiêu [17]

Sự giao thoa này rất quan trọng trong thiết kế đầu dò siêu âm bởi nó ảnh hưởng đến tính đồng nhất của cường độ chùm tia qua trường siêu âm

1.4.5 Sự hấp thụ và độ suy giảm

Là quá trình mà năng lượng âm bị tiêu tán trong môi trường, nghĩa là chuyển sang dạng năng lượng khác, chủ yếu là nhiệt Sự hấp thụ chùm siêu âm liên quan đến tần số chùm tia, tính nhớt và thời gian hồi phục của môi trường [5]

Sự hấp thụ phụ thuộc vào độ dày các môi trường siêu âm truyền qua, tần số siêu

âm và hệ số hấp thụ của môi trường Sự hấp thụ biểu hiện ở cường độ siêu âm càng thấp dần

f là hệ số hấp thụ của môi trường

x là chiều dày của môi trường siêu âm đi qua [5]

Nguyên nhân gây ra sự suy giảm năng lượng của tia siêu âm:

CHƯƠNG 2: CẢM BIẾN SIÊU ÂM

2.1 GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN 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 siêu âm có nhiều loại, tuỳ theo công dụng như để nhận biết trong khoảng cách gần hay xa, nhận biết các vật có tính chất khác nhau và trong những điều kiện hoạt động khác nhau mà người ta chế tạo các loại cảm biến siêu âm cũng khác nhau

Hình 2.1 :Một số hình ảnh về cảm biến siêu âm [8]

2.2 HIỆU ỨNG ÁP ĐIỆN VÀ HIỆN TƯỢNG TỪ GIẢO

2.2.1 Hiệu ứng áp điện

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện Hiệu ứng áp điện là hiện tượng xuất hiện phân cực điện hoặc thay đổi phân cực điện đã có trong một số chất điện môi tự nhiên (thạch anh, tuamalin, .) hoặc nhân tạo (sulfat liti, thạch anh tổng hợp) khi chúng bị biến dạng dưới tác dụng của một lực có chiều nhất định Hiệu ứng áp điện là hiệu ứng thuận nghịch Dưới tác dụng của lực điện trường có chiều thích hợp, vật liệu áp điện bị biến dạng Đặc biệt vật liệu áp điện có thể đạt tới trạng thái cộng hưởng rất cao Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại Nếu như theo chiều hướng thuận,

có nghĩa là tác dụng lực lên vật thì sẽ sinh ra điện và ngược lại là áp điện nghịch: tác động hiệu thế vào vật thì sẽ sinh ra c ô n g bi ế n d ạ n g là m b i ế n đ ổ i l ự c

M ộ t v ậ t đ ư ợ c c ấ u t ạ o b ở i b a y ế u t ố P Z T ( c h ì P b , zorconi, titan) sẽ có tính chất áp điện [5]

Hình2.2 : Hiệu ứng áp điện [5]

Vật liệu Độ

thẩm thấu

Điện trở suất (.m)

ModunYoung

)

Ứng lực cực đại (107N.m 2)

Nhiệt độ làm việc

)(0max C T

Bảng 2.1: Đặc trưng vật lý của một số vật liệu áp điện [5]

Dưới tác dụng của lực cơ học, tấm áp điện bị biến dạng, làm xuất hiện trên hai bản cực các điện tích trái dấu Các biến dạng cơ bản xác định chế độ làm việc của bản áp điện Trên hình 2.2 Biểu diễn các biến dạng cơ bản của bản áp điện

Hình 2.3: Các dạng biến dạng cơ bản [5]

Trong nhiều trường hợp các bản áp điện được ghép thành bộ theo cách ghép nối tiếp hoặc song song

Hình 2.4 : Cách ghép các phần tử áp điện [5]

a) Hai phần tử song song b) Hai phần tử nối tiếp c) Nhiều phần tử song song

Trường hợp ghép song song hai bản áp điện (hình 2.4a), điện dung của cảm biến tăng gấp đôi so với trường hợp một bản áp điện Khi ghép nối tiếp (hình 2.4b) điện áp hở mạch và trở kháng trong tăng gấp đôi nhưng điện dung giảm xuống còn một nửa Những nguyên tắc trên áp dụng cho cả trường hợp ghép nhiều bản áp điện với nhau như biểu diễn trên hình 2.4c

Cảm biến áp điện là một loại thiết bị được áp dụng hiệu ứng này để xác định lực hoặc các đại lượng gây nên lực tác dụng vào vật áp điện (như áp suất, gia tốc, ) thông qua việc đo điện áp trên hai bản cực của vật liệu Vật liệu áp điện thuận có cấu trúc đối xứng tinh thể [5]

Hình 2.5 Hướng của sự phân cực [5]

Hình 2.6 : Cảm biến áp điện [5]

Trong tất cả các chất điện môi, điện trường tác dụng sẽ gây nên sự dịch chuyển điện tích liên kết ra khỏi vị trí cân bằng của chúng Sự xuất hiện hoặc thay đổi momen lưỡng cực xảy ra đồng thời với sự thay đổi kích thước [8] Ví dụ với tinh thể thạch anh Hình trên

là mạng tinh thể thạch anh: Khi không có ứng lực, các trọng tâm G+ và G- c ủ a

c á c đ i ệ n tí c h â m và dư ơ n g t rù n g n ha u c h o n ê n mo me n l ư ỡn g c ự c b ằ n g không Nếu có tác dụng lực lên cấu trúc, thì cấu trúc trên bị biến dạng các trọng tâm G+ của các điện tích dương và G- của các điện tích âm sẽ không trùng nhau nữa dẫn tới xuất hiện momen lưỡng cực và các điện tích trên bề mặt, đó là hiệu ứng áp điện Công thức liên hệ: giả sử tiếng ồn sinh ra một lực F tác dụng vào diện tích S Khi đó: điện tích do lực F sinh ra là [5]:

Q U





Vật liệu áp điện có thể là thạch anh, họ gốm PZT có công thức chung là PbTi1-xZrxO3, giá trị x thường sấp xỉ 0.5, quyết định tính chất vật lý, tính chất nhiệt của

vật liệu

Hình 2.7 :Cấu trúc của vật liệu áp điện [5]

Hình 2.8 :Tinh thể thạch anh áp điện [5]

Khi đặt vào tinh thể áp điện một điện thế xoay chiều, các phân tử lưỡng cực bị vặn

để sắp xếp lại chúng trong trường điện thế, nên tinh thể áp điện sẽ bị nén và giãn liên tục theo chu kỳ sẽ tạo ra dao động cơ, chính là sóng siêu âm và được lan truyền trong môi

trường Vậy, một áp điện được đặt vào tinh thể áp điện sẽ tạo ra sóng siêu âm được gọi là

hiệu ứng áp điện nghịch [5] Khi các sóng siêu âm phản hồi về, quay trở lại tinh thể và

tạo ra các tín hiệu điện, để từ đó ta có thể thu nhận và xử lý, thì được gọi là hiệu ứng áp

điện thuận

2.2.2 Hiện tượng từ giảo

Hình 2.9: Hiện tượng từ giảo [5]

Từ giảo (Magnetostriction) là hiện tượng hình dạng, kích thước của các vật từ (thường là sắt từ) bị thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài (từ giảo thuận) hoặc ngược lại, tính chất từ của vật từ bị thay đổi khi có sự thay đổi về hình dạng và kích thước (từ giảo nghịch)

Người ta định nghĩa hệ số từ giảo (hay từ giảo Joule) là tỉ lệ phần trăm sự thay đổi về chiều dài hoặc thể tích [5]:

0 0

) ( ) (

l

l H l



0 0

) ( ) (

V

V H V



Với l(H), l 0 , V(H), V 0 lần lượt là chiều dài (hay thể tích) của vật thể trong từ trường

(H) và khi không có từ trường Hệ số từ giảo là đại lượng không có thứ nguyên

Theo định nghĩa này, nếu λ > 0 ta có từ giảo dương, λ < 0 ta sẽ có từ giảo âm [5]

Hiện tượng từ giảo dẫn đến sự thay đổi về chiều dài gọi là từ giảo dài, còn hiện tượng dẫn đến sự thay đổi toàn thể tích gọi là từ giảo khối

Trong các nghiên cứu về từ học và kỹ thuật, người ta còn quan tâm đến đại lượng

độ cảm từ giảo, được định nghĩa bởi sự biến thiên của hệ số từ giảo theo từ trường:

* Cơ chế hiện tượng từ giảo:

Bản chất của hiện tượng từ giảo là do tương tác spin-quỹ đạo trong các điện tử trong vật liệu sắt từ Hiện tượng từ giảo chỉ có thể xảy ra khi đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu và có tương tác spin-quỹ đạo mạnh Dưới tác dụng của từ trường ngoài, sự phân bố của các điện tử (ở đây là mômen quỹ đạo) sẽ quay theo sự quay của mômen từ (mômen spin) từ hướng này sang hướng khác và từ giảo được tạo ra do sự thay đổi tương ứng của tương tác tĩnh điện giữa điện tử từ và điện tích của môi trường [5]

Khi đám mây điện tử có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là momen quỹ đạo bằng 0),

sự tác động của từ trường ngoài, mômen spin tuy có quay đi, nhưng sự phân bố không gian của điện tử hoàn toàn không thay đổi nên khoảng cách giữa các điện tử vẫn giữ nguyên (không dẫn đến sự thay đổi về kích thước cũng như hình dạng mẫu Nếu đám mây điện tử không có dạng đối xứng cầu (có nghĩa là momen quỹ đạo khác 0), lúc này các vị trí phân bố xung quanh không còn tính chất đối xứng, sự quay của mômen spin khi

có từ trường ngoài dẫn đến sự thay đổi đám mây điện tử, do đó dẫn đến sự thay đổi về kích thước cũng như hình dạng mẫu [5] Hay nói một cách đơn giản, từ giảo phản ánh tính chất đối xứng của mạng tinh thể

Từ giảo mang tính chất của đối xứng tinh thể nên nó phụ thuộc vào phương của từ trường, vector từ độ và hướng của tinh thể Người ta thường sử dụng đại lượng từ giảo

hòa là một hàm (liên hợp tuyến tính) của các hệ số từ giảo đo theo các phương khác nhau của tinh thể

2.3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Cấu tạo chính của cảm biến siêu âm là tinh thể áp điện với các điện cực ở mặt đối diện Khi tác động một xung điện áp vào đầu phát, các sóng siêu âm sẽ phát ra với tần số tương ứng Sau đó chúng được truyền đi trong không khí Khi gặp vật cản, một phần năng lượng sẽ bị phản xạ lại và được đầu thu nhận lại, biến đổi thành các tín hiệu điện Các tín hiệu điện này sẽ qua bộ khuếch đại, rồi tới vi xử lý sẽ đếm thời gian để xác định khoảng cách vật

Các đầu phát và đầu thu của cảm biến có thể ở dạng rời hay kết hợp chung lại thành một Thông thường các thiết bị dạng này, đã nghiên cứu và sử dụng, dung loại cảm biến có đầu thu và phát riêng biệt

2.3.1 Nguồn phát sóng siêu âm

Hình 2.10 Mạch phát siêu âm [5]

Nguyên lý chung để tạo ra sóng siêu âm là làm cho một vật rắn hay một dây căng dao động đàn hồi Nhưng để tạo ra sóng siêu âm, dao động đàn hồi phải có tần số trên 20.000 Hz nhờ vào nguồn dao động đặc biệt như dao động của tinh thể thạch anh, tinh thể niken, …

Nguyên lý hoạt động của mạch phát siêu âm: Dùng mạch dao động đa hài để tạo

ra tín hiệu có tần số khoảng 40 kHz để cấp cho bộ cảm biến phát ra sóng siêu âm [5] Vậy mỗi khi nhấn nút S, mạch dao động được cấp nguồn, nó sẽ tạo ra tín hiệu đa hài có tần số khoảng 40KHz, tín hiệu này sẽ được B chuyển đổi ra sóng siêu âm và phát ra ngoài (dĩ nhiên, chúng ta sẽ không nghe thấy sóng âm này)

 Nguồn phát siêu âm dựa vào hiện tượng áp điện nghịch

Một bản thạch anh được đặt song song với trục lục giác và vuông góc với quang trục tạo thành một bản thạch anh áp điện Người ta mạ hai mặt của bản để tạo thành một

tụ điện hoặc kẹp nó vào giữa hai bản của một tụ điện phẳng

Khi nối hai bản điện cực với nguồn điện một chiều bản thạch anh sẽ bị biến dạng cong về một bên, khi đổi chiều dòng điện thì bản thạch anh bị cong ngược lại Khi ta thay đổi nguồn một chiều bằng nguồn xoay chiều có tần số lớn thì bản thạch anh sẽ liên tục biến dạng theo tần số của dòng điện và phát ra siêu âm khi tần số trên 20.000 Hz Siêu

âm phát ra có cường độ mạnh nhất khi tần số dao động điện tác dụng vào bản thạch anh phù hợp với tần số dao động riêng của bản thạch anh Ở đây năng lượng của nguồn điện

đã biến thành năng lượng cơ học dưới dạng siêu âm lan truyền vào môi trường xung quanh với tần số có thể lên đến 50 MHz

Một thanh sắt từ hoặc một thanh kền khi bị từ hóa thì độ dài của nó sẽ ngắn đi chút

ít, đó là hiện tượng từ giảo [5]

Đặt thanh sắt từ vào trong lòng một cuộn dây đã nối với nguồn điện một chiều Do hiện tượng từ giảo làm độ dài của thanh sắt từ ngắn đi một ít Khi ngắt dòng điện, từ trường trong lòng cuộn dây không còn làm chiều dài thanh sắt trở lại bình thường Khi nối cuộn dây với nguồn điện xoay chiều có tần số cao [5] Từ trường trong lòng cuộn dây biến thiên liên tục với tần số bằng tần số của dòng điện xoay chiều Do hiện tượng từ giảo, thanh sắt từ có chiều dài dao động gấp đôi tần số dao động của dòng điện và sẽ phát

ra siêu âm khi tần số trên 20.000 Hz Siêu âm phát ra có cường độ mạnh nhất khi dao động của dòng điện phù hợp với dao động riêng của thanh sắt từ Nguồn phát siêu âm loại này có thể lên đến 1000 MHz [5]

2.3.2 Nguồn thu sóng siêu âm

Dựa vào hiện tượng áp điện thuận, người ta tìm được một loại chất có tính chất

hóa học gần giống gốm (ceramic) và nó có hai hiệu ứng thuận và nghịch nhưng khi áp

vào nó một trường điện thì nó biến đổi hình dạng và ngược lại khi dùng lực cơ học tác động vào nó thì nó tạo ra dòng điện Nó như một máy biến đổi trực tiếp từ năng lượng điện sang năng lượng cơ học và ngược lại

Hình 2.11 Mạch thu sóng siêu âm [5]

Nguyên lý hoạt động của mạch thu sóng siêu âm: Người ta dùng bộ cảm biến thu sóng siêu âm B, tín hiệu được thu vào, mạch dùng transistor FET (VT1) để phối hợp trở kháng cao của bộ cảm biến Tín hiệu được cho khuếch đại với VT2 và dùng 2 diode VD1, VD2 để nắn dòng tạo ra mức áp DC trên tụ C4, mức áp DC trên tụ C4 sẽ làm cho transistor VT3 bảo hòa, điện áp trên chân C của VT3 xuống mức thấp sẽ làm lật mạch Flip Flop với CD4072, IC này sẽ đóng mở relay K

2.4 TẦM QUÉT CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ NGUYÊN LÝ TOF (TIME

OF FLIGHT)

2.4.1 Tầm quét của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hoá 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

Hình 2.12: Tầm quét của cảm biến siêu âm [2]

2.4.2 Nguyên lý TOF (Time Of Flight)

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 điện từ, 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:

v là vận tốc truyền sóng trong không khí ở 0C

Hình 2.13 : Nguyên lý TOF [2]

(2.6)

2.5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA CẢM BIẾN

Ưu điểm của cảm biến:

Nhược điểm của cảm biến:

Sai sót trong quá trình thu nhận dữ liệu của cảm biến là một vấn đề cố hữu, nó xuất phát

từ việc chế tạo cảm biến và bản chất của chính cảm biến siêu âm

– Tầm phát hiện của cảm biến:

Hình 2.15 : Tầm phát hiện của cảm biến siêu âm MA40B8R/S [2]

Dựa vào tầm phát hiện của cảm biến, ta thấy sóng âm phát đi mạnh nhất ở vùng gần trục chính, và cường độ giảm dần khi ra xa trục chính Nói cách khác khả năng sóng

âm dội về khi gặp vật cản phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó yếu tố quan trọng là: góc hợp giữa vật cản và trục chính, khoảng cách giữa vật cản với cảm biến và độ nhẵn của vật cản Vì vậy nếu vật cản nhẵn đặt vuông góc với trục chính thì khả năng phản hồi cao nhưng đặt nghiêng một góc nào đó thì sóng âm sẽ phản xạ đi nơi khác mà không về cảm biến, và góc nghiêng càng lớn thì khả năng phản hồi về càng nhỏ Theo bảng thông số kỹ

sẽ làm ảnh hưởng tín hiệu nhận về, có lẫn tín hiệu nhiễu [2]

Hình 2.16: Phổ tần số cảm biến siêu âm MA40B8R/S [2]

2.7 Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF

Bảng 2.3: Thông số một số loại cảm biến siêu âm SRF [3]

*: Ước tính góc của hình nón cảm biến ở ½ cảm biến

**: Số vang ghi lại bởi cảm biến Đây là những tiếng vọng ghi từ đọc gần đây nhất, và được ghi đè mới bằng mỗi lần khác nhau

A: Những cảm biến nhỏ hơn điển hình (SRF 05/04/08) kích thước

B: Phạm vi thời gian có thể được điều chỉnh xuống bằng cách điều chỉnh được

C: Cảm biến này cũng bao gồm một photocell ở mặt trước để phát hiện ánh sáng

D: Hoạt động ở một tần số 235kHz cao hơn

2.8 CÁC SAI SỐ NHIỄU PHỔ BIẾN ĐỐI VỚI CẢM BIẾN SIÊU ÂM

2.8.1 Sai số lặp

Sai số lặp là sai số luôn xảy ra với tất cả các thiết bị đo lường nào, trong đó có

cả cảm biến siêu âm Cảm biến siêu âm Polaroid 6500 được nhà sản xuất cung cấp sai số lặp là 3% so với khoảng cách trả về của cảm biến [7]

2.8.2 Hiện tượng Forecasting

Hiện tượng Forecasting là hiện tượng phản xạ góc sai lệch của cảm biến Do nguyên lý TOF, để có khoảng cách đúng, cảm biến siêu âm phải hướng vuông góc với bề mặt chướng ngại vật cần đo [7] Tuy nhiên, các chướng ngại vật không bao giờ là phẳng, mịn, nên tia phản xạ có thể không tương ứng với góc tới Các chùm tia phản xạ này có năng lượng phản xạ thấp hơn Tuy vậy, ở một khoảng cách nào đó, cảm biến siêu âm vẫn có thể ghi nhận được những tín hiệu phản xạ này Kết quả, thông số đọc về của cảm biến siêu âm bị lệch do góc mở của cảm biến siêu âm lớn Hình ảnh về hiện tượng Forecasting như sau:

Hình 2.17: Sự phản xạ của sóng siêu âm trên bề mặt vật liệu [7]

Hình 2.18: Hiện tượng Forecasting [7]

Ngoài ra, vì góc mở rộng, nên không chỉ sai về nhận dạng vị trí chướng ngại vật, mà khoảng cách ghi nhận cũng bị sai lệch Tuy vậy, sai số này không đáng kể như sai số do hiện tượng đọc chéo gây ra

2.8.3 Hiện tượng đọc chéo (crosstalk)

Hiện tượng đọc chéo (crosstalk) là hiện tượng mà cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu phản xạ hoặc trực tiếp từ cảm biến siêu âm khác, hoặc sau quá trình sóng siêu âm truyền đi và phản xạ qua các bề mặt quay lại cảm biến một cách không mong muốn

Hiện tượng đọc chéo có thể phân loại thành hai loại chính:

Loại 1 là hiện tượng nhiều thiết bị hoạt động trong cùng một môi trường, và cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm kia một cách trực tiếp hoặc gián tiếp, hoặc do sóng siêu âm di chuyển trong không gian sau một thời gian ngẫu nhiên nào đó quay trở lại cảm biến [7]

Loại 2 là hiện tượng cảm biến siêu âm này ghi nhận tín hiệu của cảm biến siêu âm kia trên cùng thiết bị sau quá trình phản xạ [7]