Tài liệu Siêu âm pptx

 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

Th.s Trần Văn Trinh

Siêu âm là gì?

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.

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)

Một số hình ảnh về cảm biến

siêu âm



Một số hình ảnh về cảm biến

siêu âm

Một số hình ảnh về cảm biến

siêu âm

Một số hình ảnh về cảm biến

siêu âm

Ứng dụng của cảm biến tiệm

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.

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

Đo lường mức độ chất lỏng

Ứng dụng của cảm biến tiệm cận

siêu âm

Ứng dụng của cảm biến tiệm cận

siêu âm

Siêu âm

Nguyên lý sóng siêu âm

Bố trí cảm biến

Bố trí cảm biến

Cấu tạo của cảm biến tiệm cận

siêu âm

chính

1/Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm 2/bộ phận so sánh

3/mạch phát hiện

4/mạch ngõ ra

 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

Cấu tạo của cảm biến tiệm cận

siêu âm

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

Nguyên lý hoạt động của cảm

biến tiệm cận siêu âm

Nguyên lý hoạt động của cảm

biến tiệm cận siêu âm

Nguyên lý hoạt động của cảm

biến tiệm cận siêu âm

 MẠCH CẢM BIẾN SIÊU ÂM

MẠCH CẢM BIẾN SIÊU ÂM

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

Xác định khoảng cách

 Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vậntốc 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 dichuyển trong không gian Quãng đường di chuyển củasóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướngngoại 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

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

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

Nguyên lý TOF

chân tương thích SRF04 Xung va đập - Mức tín hiệu TTL dương, bề

rộng đối xứng Kích thước- - 43mm x 20mm x 17mm

SRF05

Hình ảnh và thông số kỹ thuật

của vài cảm biến siêu âm

SRF10 – Cảm biến siêu âm kích thước bé

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

SRF10

tia siêu âm - 15°

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

SRF235

Hình ảnh và thông số kỹ thuật

của vài cảm biến siêu âm

SRF08 – Cảm biến siêu âm vai trò cao .

17mm

SRF08

ứng dụng

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

Ưu điểm và nhược điểm của cảm

biến tiệm cận siêu âm

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

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