Cảm biến siêu âm là gì? Ứng dụng của cảm biến siêu âm

Các cảm biến siêu âm sử dụng sóng âm vượt qua phạm vi 20 kHz để phát hiện các vật trong phạm vi gần, tương tự như cách con dơi sử dụng công nghệ phản xạ âm thanh để di chuyển mà không va vào chướng ngại vật. Trong lĩnh vực ô tô, các cảm biến siêu âm được sử dụng phổ biến cho các ứng dụng ADAS (Hệ thống Trợ lý Lái xe Tiên tiến), đặc biệt là trong hỗ trợ đỗ xe, nơi sử dụng từ 4-16 cảm biến để phát hiện chướng ngại khi đỗ xe. Trong lĩnh vực công nghiệp, các cảm biến siêu âm được sử dụng trong robot và các ứng dụng khác yêu cầu khả năng phát hiện, phát hiện sự gần mặt hoặc xác định vị trí đáng tin cậy. Bài viết này trình bày về cảm biến siêu âm thời gian bay và các yếu tố cần xem xét trong hệ thống, cũng như các yếu tố bổ sung ảnh hưởng đến việc phát hiện siêu âm.

Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm

Các cảm biến siêu âm có thể đo khoảng cách và phát hiện sự hiện diện của một vật mà không tiếp xúc vật đó. Chúng làm điều này bằng cách tạo và giám sát một âm thanh siêu âm phản xạ. Tùy thuộc vào loại cảm biến và đặc tính của vật, phạm vi hiệu quả trong không khí có thể từ vài centimet đến vài mét. Cảm biến siêu âm (hoặc bộ chuyển đổi) tạo và phát ra những xung siêu âm được phản xạ trở lại cảm biến bởi một vật nằm trong tầm nhìn của cảm biến.

Cảm biến có khả năng ghi lại sự chênh lệch thời gian giữa âm thanh phát ra và âm thanh phản xạ nhận lại. Vì tốc độ âm thanh là một biến số đã biết, thời gian đi lại được ghi lại có thể được sử dụng để tính toán khoảng cách giữa cảm biến và vật thể.

Phương pháp phát hiện siêu âm này dựa trên đo đạc thời gian (Time of Flight / TOF) bay dựa trên thời gian truyền âm thanh. Lưu ý rằng tốc độ của âm thanh qua không khí thay đổi theo nhiệt độ.

Tại sao sử dụng cảm biến siêu âm ?

Các cảm biến siêu âm có thể phát hiện một loạt các vật liệu, bất kể hình dạng, độ trong suốt hay màu sắc. Yêu cầu duy nhất cho việc phát hiện siêu âm là vật liệu mục tiêu phải là chất rắn hoặc chất lỏng. Điều này cho phép phát hiện không tiếp xúc của:

• Kim loại
• Nhựa
• Kính
• Gỗ
• Đá
• Cát
• Dầu
• Nước
• Các vật liệu cứng khác không hấp thụ âm thanh

Những vật liệu này có khả năng phản xạ âm thanh trở lại cảm biến qua không khí. Tuy nhiên, một số vật thể có thể khó phát hiện hơn, chẳng hạn như các bề mặt nghiêng dẫn hướng âm thanh phản xạ đi xa cảm biến, hoặc các mục tiêu có thể thấm qua như bọt biển, bọt xốp và quần áo mềm. Những vật liệu này hấp thụ nhiều năng lượng siêu âm phản xạ hơn.

Sự khác nhau với các công nghệ phát hiện đối tượng khác

Có một số công nghệ khác cũng được sử dụng để phát hiện đối tượng như:

• IR (PIR): Passive Infraed
• Optical TOF
• Radar
• LiDAR
• mmWave

Chi tiết so sánh các công nghệ tại đây

Ứng dụng cảm biến siêu âm

Có 3 loại ứng dụng của cảm biến siêu âm:

• Đo khoảng cách (Ranging Measurement) : Định kỳ ghi lại khoảng cách của một hoặc nhiều vật di chuyển tới hoặc đi xa cảm biến trong mỗi giao dịch thời gian bay. Tốc độ cập nhật khoảng cách phụ thuộc vào thời gian cảm biến chờ ở chế độ lắng nghe âm thanh phản xạ. Càng lâu cảm biến chờ đợi âm thanh phản xạ, khoảng cách phát hiện có thể càng xa.

Tham khảo: Ứng dụng cảm biến siêu âm trong robotic để phát hiện vật cản (Obstacle Detection)

• Phát hiện gần: (Proximity Detection) Sự thay đổi đáng kể trong chữ ký âm thanh phản xạ siêu âm tương ứng với một thay đổi vật lý trong môi trường cảm biến. Phương pháp phát hiện siêu âm nhị phân này ít phụ thuộc vào khoảng cách và nhiều phụ thuộc vào sự ổn định của chữ ký âm thanh phản xạ.

Tham khảo: Ứng dụng cảm biến siêu âm trong việc đỗ xe thông minh (smart parking)

• Phát hiện loại bề mặt (Surface Type Detection): Sử dụng dữ liệu âm thanh phản xạ siêu âm nguyên bản, không phải đo thời gian bay, độ mềm và độ cứng của vật liệu có thể được đo lường gián tiếp bằng các phép đo siêu âm. Sóng âm siêu âm sẽ phản xạ mạnh hơn từ các bề mặt cứng về phía trình chuyển đổi với ít mất mát, do đó tạo ra một phản ứng âm thanh phản xạ mạnh hơn. Các vật liệu mềm như bọt biển và thảm hấp thụ nhiều sóng âm và tạo ra một phản ứng âm thanh phản xạ yếu hơn.

Tham khảo: Ứng dụng cảm biến siêu âm trong robot lau nhà tự động (Automated Vaccum Robot)

Tham khảo: Các yếu tố ảnh hưởng đến cảm biến siêu âm