Cảm biến siêu âm - cấu tạo & nguyên lý hoạt động (2025)

Đôi khi trong công việc và cuộc sống chúng ta đã từng được nghe nhắc đến cảm biến siêu âm. Vậy đó là gì, có cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao? Đừng bỏ qua bài chia sẻ dưới đây của Mecsu để có cho mình câu trả lời chính xác nhất anh em nhé.

1. Cảm biến siêu âm là gì?

Trước hết, hãy cùng tìm hiểu về "siêu âm". Siêu âm được biết đến là một thuật ngữ được dùng để chỉ một dạng âm thanh có tần số cao hơn rất nhiều lần với tần số mà tai chúng ta có thể nghe thấy được.

Từ đó, ta có thể hiểu Cảm biến siêu âm là một thiết bị điện tử dùng để đo khoảng cách của một đối tượng mục tiêu nào đó thông qua cách phát ra sóng siêu âm, sau đó thì âm thanh phản xạ được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Cùng với đó, bộ phát của cảm biến có khả năng tạo ra âm thanh dựa vào việc sử dụng tinh thể điện áp.

2. Khám phá Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động của Cảm biến siêu âm

→ Cấu tạo chi tiết của cảm biến siêu âm

Cảm biến sẽ gồm có bộ phận đảm nhận chức năng phát ra sóng siêu âm bằng một đầu dò công suất nhỏ có thể phát ra tín hiệu.

Đầu dò siêu âm có nhiều loại khác nhau như đầu dò thẳng (sóng dọc), đầu dò ngang (sóng ngang), đầu dò kép (1 đầu dùng để dò tín hiệu, 1 đầu dùng để phát tín hiệu), đầu dò sóng bề mặt,... Tất cả những đầu dò này đều có chung cấu tạo cảm biến siêu âm như sau:

• Máy phát: Có chức năng tạo sóng siêu âm và thực hiện lan truyền vào không khí. Máy được rung bằng máy rung (làm từ chất liệu gốm, sở hữu đường kính 15mm).
• Bộ máy thu: Lúc máy rung nhận sóng siêu âm sẽ tạo ra rung động cơ học tương ứng với sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện tại đầu ra của máy thu.
• Bộ phận điều khiển: Bộ phận này sẽ truyền siêu âm của máy phát bằng cách sử dụng mạch tích hợp và cũng thực hiện đánh giá xem máy thu có nhận được tín hiệu và kích thước của tín hiệu thu hay không.
• Nguồn điện: Cung cấp thường xuyên cho cảm biến siêu âm là nguồn điện DC bên ngoài với điện áp là PCB ± 10% hoặc 24 V ± 10%, được cung cấp thông qua mạch ổn áp bên trong.

→ Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa theo nguyên tắc "cho và nhận". Cụ thể, chính bản thân cảm biến sẽ liên tục phát ra sóng với tốc độ của sóng siêu âm. Lúc bước sóng gặp phải vật cản sẽ phản hồi ngược trở lại. Khi đó, cảm biến siêu âm sẽ nhận lại bước sóng phản hồi này và đồng thời phân tích để biết được khoảng cách từ vật cản đến cảm biến.

Dựa theo hình ảnh mô tả nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm phía trên, anh em thấy cảm biến sẽ liên tục phát các tia sóng từ đầu cảm biến. Sóng sẽ phản hồi trở lại khi gặp môi trường chất lỏng hoặc vật cản.

→ Các chỉ số quan trọng của cảm biến siêu âm

Dưới đây sẽ là những chỉ số mà anh em cần nắm khi muốn tìm hiểu kỹ về cảm biến siêu âm:

• Tần số: Là tần số cộng hưởng của chính đầu dò cảm biến. Độ nhạy của cảm biến sẽ phụ thuộc rất nhiều vào tần số phát ra, đồng nghĩa với việc khi tần số càng lớn sẽ cho tốc độ phản hồi càng nhanh.
• Nhiệt độ: Trong quá trình chuẩn đoán, nhiệt độ của đầu dò cảm biến siêu âm sẽ tăng lên. Vì có công suất nhỏ nên các cảm biến đo mức nước có nhiệt độ tương đối thấp và hoạt động trong suốt thời gian dài mà không lo bị ảnh hưởng. Tuy nhiên với các đầu dò siêu âm trong ngành y tế sẽ ngược lại, cần phải có thiết bị làm lạnh riêng.

• Độ nhạy: Sẽ phụ thuộc rất nhiều vào tần số của cảm biến. Tương tự, tần số càng cao thì độ nhạy càng cao và ngược lại.
• Hiển thị: Một số loại cảm biến được tích hợp màn hình hiển thị để giúp người dùng biết được khoảng cách đo là bao nhiêu mét ngay trên cảm biến.

3. Đánh giá Ưu và Nhược điểm của Cảm biến siêu âm

Bất kỳ thiết bị nào cũng có những ưu điểm, nhược điểm riêng. Anh em cần tham khảo để có thể áp dụng cho công việc của mình một cách thật hiệu quả:

→ Ưu điểm nổi bật

• Đo lường từ xa: Cảm biến siêu âm giúp chúng ta có thể đo khoảng cách từ điểm xuất phát cố định đến vật mà không cần phải tốn thời gian và công sức di chuyển trực tiếp. Điều này rất hiệu quả khi được dùng để đo chất lỏng có tính ăn mòn, gây hại đến sức khỏe.
• Linh hoạt trong nhiều môi trường: Sóng siêu âm cũng có thể lan truyền trong nhiều môi trường khác nhau như: chất rắn, không khí,... để đo khoảng cách của các vật.
• Phản hồi nhanh và chính xác: Dựa vào độ nhạy cao, chúng ta hoàn toàn nhận được phản hồi nhanh chóng cùng với tính chính xác cao.

→ Nhược điểm cần lưu ý

Trong quá trình thực hiện, cảm biến siêu âm có thể bị nhiễu tín hiệu nếu không được lắp đặt đúng. Vậy nên, anh em cần phải nắm vững hướng dẫn lắp đặt để đảm bảo thiết bị hoạt động chính xác nhất.

4. Ứng dụng của Cảm biến siêu âm trong cuộc sống

→ Ứng dụng trên xe ô tô

Đối với ô tô, thiết bị cảm biến siêu âm sẽ được gắn vào đầu và đuôi xe để đo khoảng cách và báo hiệu lúc xe có di chuyển đến gần các vật cản. Chi tiết thì thiết bị này sẽ phát ra các tia sóng hình nón để đo khoảng cách giữa các phương tiện với nhau hoặc các vật cản đang trong trạng thái đứng yên hoặc di chuyển.

Quá trình phát hiện và cảnh báo chỉ mất khoảng 1/1000 giây nên đảm bảo được sự an toàn. Khi phát hiện ra các vật cản hoặc gần tiếp xúc với phương tiện khác, hệ thống sẽ gửi cảnh báo đến cho người lái bằng hình ảnh, âm thanh.

→ Ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Bên cạnh ứng dụng trong ngành sản xuất ô tô, cảm biến siêu âm còn được áp dụng vào nhiều ngành nghề khác như:

• Công nghiệp sản xuất: Ứng dụng trực tiếp trong việc phát hiện ra các lỗi sai của sản phẩm hay áp dụng để xác định kích thước hoặc đo mức nhiên liệu của vật liệu.

• Cảm biến vân tay: Bằng cách thu lại sóng âm được phản hồi từ làn da của người thực hiện. Khi đặt tay lên màn hình điện thoại, sóng siêu âm sẽ phát ra, lúc này con chip thông minh của điện thoại sẽ dựa vào sóng siêu âm phản xạ ngược trở lại để mở khóa.

• Đo mức nước: Thường thiết bị cảm biến siêu âm sẽ được đặt trên bồn chứa nước để điều khiển hoặc báo động mức nước khi vượt quá mức cho phép, hoặc để đo các chất lỏng có độ ăn mòn cao.

Mời anh em xem thêm nhé:

• Sóng siêu âm: Nguyên lý hoạt động & ứng dụng sóng
• Lỗi & Cách sửa ấm siêu tốc đơn giản, hiệu quả
• Sóng điện từ: Đặc điểm & phân loại bước sóng

Mong rằng qua những thông tin được chia sẻ ở bài viết trên của Mecsu sẽ giúp anh em có được đầy đủ các thông tin về cảm biến siêu âm. Nếu anh em cần được tư vấn hoặc hỗ trợ tìm hiểu thêm về loại cảm biến này thì hãy liên hệ ngay với Mecsu tại địa chỉ mecsu.vn nha.