Ultrasonic sensorsUltrasonic sensors

ĐoĐoààn Hin Hiệệpp

NNộội dungi dung

Cơ sCơ sởở vvậật lý siêu âmt lý siêu âmCơ sCơ sởở thithiếết bt bịị siêu âmsiêu âmCCảảm bim biếến siêu âm đo khon siêu âm đo khoảảng cng cááchchMMộột st sốố loloạại ci cảảm bim biếến siêu âmn siêu âm

Cơ sCơ sởở vvậật lý siêu âmt lý siêu âm

SSóóng âmng âmMôi trưMôi trườờng truyng truyềền sn sóóngngTTầần sn sốố, , bưbướớc sc sóóng vng vàà ttốốc đc độộTương tTương táác cc củủa siêu âma siêu âmCưCườờng đng độộTTíính tonh toáán suy gin suy giảảmmĐo khoĐo khoảảng cng cááchch

TTầần sn sốố, , bưbướớc sc sóóng vng vàà vvậận tn tốốcc

m 01.0000.40

/343

1.

≈=

===

=

Hz

sm

kfc

f

c

khongkhiλ

ρβ

ρλ

λ

Tương tTương táác cc củủa siêu âma siêu âm

PhPhảản xn xạạTTáán xn xạạKhKhúúc xc xạạNhiNhiễễu xu xạạGiao thoaGiao thoaSSựự hhấấp thp thụụĐĐộộ suy gisuy giảảmm

PhPhảản xn xạạ

TrTrởở khkhááng âmng âmHHệệ ssốố phphảản xn xạạSSựự ccấấu thu thàành mnh mặặt phân ct phân cááchchTTíín hin hiệệu phu phảản xn xạạPhPhảản xn xạạ khukhuếếch tch táánn

TrTrởở khkhááng âmng âm

ρβ

ρ

ρ

==

=

kc

cZ

1

. NNếếu tru trởở khkhááng âm cng âm củủa a mmộột môi trưt môi trườờng ging giốống ng như trong môi trưnhư trong môi trườờng ng khkháác, âm sc, âm sẽẽ đư đượợc c truytruyềền tn từừ môi trư môi trườờng ng nnàày sang môi trưy sang môi trườờng ng kia. Skia. Sựự khkháác nhau cc nhau củủa a trtrởở khkhááng âm hai môi ng âm hai môi trưtrườờng gây ra hing gây ra hiệện n tưtượợng mng mộột pht phầần âm n âm thanh bthanh bịị phphảản xn xạạ ttạại i mmặặt phân ct phân cááchch

HHệệ ssốố phphảản xn xạạ

HHệệ ssốố phphảản xn xạạ

HHệệ ssốố truytruyềền quan qua

100)(

)(%

)(

)(

212

212

212

212

R

ZZ

ZZR

ZZ

ZZa

+−

=

+−

=

100)(

4%

)(

4

212

12

212

12T

ZZ

ZZT

ZZ

ZZa

+=

+=

Đầu dò

%R

%T

SSựự ccấấu thu thàành mnh mặặt phân ct phân cááchch

PhPhầần trăm phn trăm phảản xn xạạ khi skhi sóóng âm đi tng âm đi từừ môi trưmôi trườờng cng cóó trtrởở khkhááng cao sang ng cao sang môi trưmôi trườờng cng cóó trtrởở khkhááng thng thấấp vp vàà ngưngượợc lc lạại li làà như nhau như nhau..PhPhầần trăm phn trăm phảản xn xạạ ttỉỉ llệệ vvớới bi bìình nh phương hiphương hiệệu tru trởở khkhááng âm hai môi ng âm hai môi trưtrườờngng

TTíín hin hiệệu phu phảản xn xạạ

SSóóng âm cng âm cóó ththểể bbịịphphảản xn xạạ nhinhiềều lu lầần n khi môi trưkhi môi trườờng ng không đkhông đồồng nhng nhấất, t, hohoặặc đi qua nhic đi qua nhiềều u llớớp phân cp phân cáách môi ch môi trưtrườờngng

Đầu dò

Môi trường 1Mt 2

Mt3

PhPhảản xn xạạ khukhuếếch tch táánn

Đầu dò

TTáán xn xạạ

SSựự ttáán xn xạạ hay còn ghay còn gọọi i llàà ssựự phphảản xn xạạ không không chchíính xnh xáác.c.SSựự ttáán xn xạạ xxảảy ra do y ra do bbềề mmặặt phân ct phân cáách ch nhnhỏỏ, nh, nhỏỏ hơn v hơn vàài bưi bướớc c ssóóngngMMỗỗi mi mặặt phân ct phân cáách ch hohoạạt đt độộng như mng như mộột t ngunguồồn âm mn âm mớới, vi, vàà âm âm đưđượợc phc phảản xn xạạ theo ttheo tấất t ccảả ccáác hưc hướớng.ng.

SSựự ttáán xn xạạ do cdo cáác phc phầần n ttửử nhnhỏỏ, c, cóó kkíích thưch thướớc c ththẳẳng nhng nhỏỏ hơn bư hơn bướớc c ssóóng gng gọọi li làà ttáán xn xạạRayleigh.Rayleigh.SSựự ttáán xn xạạ phphụụ thuthuộộc c mmạạnh vnh vàào to tầần sn sốố theo theo hhààm mm mũũ 2, t2, tớới 6.i 6.

Nguồn âm

SSựự hhấấp thp thụụ

TTầần sn sốố chchùùm tiam tiaTTíính nhnh nhớớt vt vàà ththờời i gian hgian hồồi phi phụục cc củủa a môi trưmôi trườờngng

).exp(0 zAA α−=

Áp s

uất

Khoảng cách

ρπ

ρ

fc

ps

c

pu

2=

=Tốc độ phân tử cực đại

Sự chiếm chỗ phần tử cực đại

ĐĐộộ suy gisuy giảảmm

))(exp(0 zaAA s α+−=

αsa hệ số tán xạ

hệ số hấp thụHệ số suy giảm

CưCườờng đng độộ

Công thCông thứức cưc cườờng đng độộSuy giSuy giảảm cưm cườờng đng độộCông suCông suấấttLLớớp np nửửa gia giáá trtrịị (HVL)(HVL)Decibel vDecibel vàà HVLHVL

Công thCông thứức cưc cườờng đng độộ

c

pi i

ρ

2

=c

pI

ρ2

2

=

Cường độ tức thời Cường độ trung bình

Suy giSuy giảảm cưm cườờng đng độộ

).exp(0 zII μ−=a2=μ

Công suCông suấấtt

W=cường độ x diện tích

Decibel vDecibel vàà HVLHVL

0)( lg10

I

II dB =

DecibelDecibel Half Value LayerHalf Value LayerĐĐộộ ddàày cy củủa va vậật lit liệệu lu lààm m cho ycho yếếu tu tốố khkhảảo so sáát git giảảm m đi mđi mộột nt nửửa gia giáá trtrịị

Suy giSuy giảảm, suy hao vm, suy hao vàà phphảản xn xạạ

Suy hao = suy giảm + phản xạ

RdB %

100lg10haosuy )( =

Đo khoĐo khoảảng cng cááchch

c

zt

tcz

=

= .Đầu dò

Thời gian 0

Thời gian ½t

Thời gian t

Cơ sCơ sởở thithiếết bt bịị siêu âmsiêu âm

TTầần sn sốốChChấất t ááp đip điệệnnCCấấu tru trúúc đc đầầu dòu dòTTầần sn sốố llặặp xungp xungĐĐộộ ddàài xungi xungHHệệ ssốố đ đầầu dòu dòĐĐộộ nhnhạạyyChChỉỉ ssốố Q QĐĐộộ phân giphân giảải di dọọccDDảải thôngi thông

BBềề rrộộng chng chùùm tia vm tia vàà đđộộ phân giphân giảải ngangi ngangTrưTrườờng siêu âm: ng siêu âm: trưtrườờng gng gầần, n, trưtrườờng xang xaBBúúp hưp hướớngngHHộội ti tụụThu tThu tíín hin hiệệu siêu âmu siêu âmXXửử lý tlý tíín hin hiệệuuDDảải đi độộngngNhiNhiễễuu

SSửử ddụụng tng tầần sn sốố nnàào?o?

VVịị trtríí bbấất kt kỳỳ ccủủa va vậật tht thểể trong không trong không gian đgian đềều đưu đượợc xc xáác đc địịnh vnh vớới đi độộ chchíính nh xxáác 1c 1 bư bướớc sc sóóngngNgoNgoạại tri trừừ nhnhữững thing thiếết bt bịị đ đặặc bic biệệt ct cóóththểể đo đư đo đượợc c ¼¼ bư bướớc sc sóóng nhng nhờờ vvàào o viviệệc phân bic phân biệệt đit điểểm m ááp sup suấất cao vt cao vàà điđiểểm m ááp sup suấất tht thấấppVVớới ngui nguồồn âm 20 Hz, chn âm 20 Hz, chỉỉ ccóó ththểể xxáác c đđịịnh đưnh đượợc mc mộột tt tààu sân bay !!!u sân bay !!!

Robot, Robot, dơi vdơi vàà thithiếết bt bịị y ty tếế

f

c=λ Robot,Robot,

f = 30 KHz f = 30 KHz –– 80 KHz80 KHz

DơiDơi,c,cáá voi, chuvoi, chuộột t chchũũi, châu chi, châu chấấuu

f = 100 KHzf = 100 KHz

ThiThiếết bt bịị y ty tếế,,f = 1 MHz f = 1 MHz –– 50 MHz50 MHzmm

Hz

sm

cmHz

sm

mmHz

sm

doi

cavoi

robot

4.3000,100

/343

54.1000,100

/1540

8.6000,50

/343

==

==

==

λ

λ

λ

ChChấất t ááp đip điệệnn

Pierre vPierre vàà Marie Curie tMarie Curie tììm ra him ra hiệệu u ứứng ng ááp p điđiệệnnHiHiệệu u ứứng nng nàày thưy thườờng thng thấấy y ởở ccáác vc vậật lit liệệu u kkếết tinh ct tinh cóó hai chai cựực c ởở mmỗỗi phi phầần tn tửửĐĐểể thay đ thay đổổi ti tầần sn sốố đ đầầu dò, phu dò, phảải thay đi thay đổổi i bbảản thân đn thân đầầu dòu dòMMộột đt đầầu dò tu dò tầần sn sốố cao, tcao, tạạo ra bưo ra bướớc sc sóóng ng ngngắắn cn cóó mmộột tinh tht tinh thểể mmỏỏng vng vàà bbằằng phng phẳẳngngMMộột st sốố vvậật lit liệệu du dùùng lng lààm đm đầầu dò: PZT, u dò: PZT, Bari chBari chìì titan, Bari chtitan, Bari chìì ziriconi, chziriconi, chììmetaniobat, sulphat lithimetaniobat, sulphat lithi……

SSựự ssắắp xp xếếp ngp ngẫẫu nhiênu nhiên

+

_Phần tử lưỡng cực

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -+

-

+ -

NNạạp ngưp ngượợcc

+ -+ -+ -

+ -+ -+ -

+-+ -+ -

+ -+ -+ -

+ -+ -+ -

+ -+ -+ -

+-+ -+ -

+ -+ -+ -

Điệ

n cực

sắp xếp

-

+

+ -+ -+ -

+ -+ -+ -

+-+ -+ -

+ -+ -+ -

+ -+ -+ -

+ -+ -+ -

+-+ -+ -

+ -+ -+ -

-

+Điện cực kích thích

ĐĐộộ ddàày tinh thy tinh thểể

L

smcluongcuc /4000=

CCảảm bim biếến siêu âm đo khon siêu âm đo khoảảng cng cááchch

Nguyên lý TOFNguyên lý TOFSai sSai sốố vvàà hihiệệu chu chỉỉnh cnh cảảm bim biếếnnTTíính tonh toáán gn góóc đc đặặt ct cảảm bim biếếnnCCảảm bim biếến siêu âm Polaroidn siêu âm Polaroid•• CCấấu tu tạạoo•• ĐiĐiềều khiu khiểểnn

Nguyên lý TOFNguyên lý TOF

c

zt

tcz

=

= .Đầu dò

Thời gian 0

Thời gian ½t

Thời gian t

Sơ đSơ đồồ nguyên lý TOFnguyên lý TOF

SSóóng siêu âm đưng siêu âm đượợc tc tạạo rao ra-- 8 8--16 da16 dao đo độộngng-- TTầần sn sốố 40 KHz 40 KHz

BBắắt đt đầầu tu tíính thnh thờời giani gianĐĐầầu thu chưa cu thu chưa cóóTTíín hin hiệệu vu vềề đư đượợc khuyc khuyếếch ch đđạại theo hi theo hààm mm mũũ ccủủa tha thờời i giangianMMộột mt mạạch chch chặặn chn chờờ gigiáá trtrịịttíín hin hiệệu đưu đượợc khuyc khuyếếch đch đạại i đđóóBBộộ đ địịnh thnh thìì ddừừngngQuãng đưQuãng đườờng sng sóóng đi đưng đi đượợc c bbằằng hai lng hai lầần khon khoảảng cng cáách ch ttừừ ccảảm bim biếến đn đếến vn vậậtt

TransmitWaveformGenerator

ReceiverAmplifier

ThresholdCircuit

Transducer Target

TIMER

Tra

nsm

itte

dw

avef

orm

Received Echo

Am

plif

ied e

cho

Time of transmition

Time of reception

Time of flight

Sai sSai sốố vvàà hihiệệu chu chỉỉnh cnh cảảm bim biếếnn

Sai lSai lệệch thông tinch thông tin

a

b

SSửửa la lỗỗii

Không giao với cảm biến khác

Giao hai cảm biến

Giao nhiều cảm biến

BBốố trtríí ccảảm bim biếếnn

21 θθ > ổn định hơn

2θ

Không tốt1θTốt

TTíính tonh toáán gn góóc đc đặặt ct cảảm bim biếếnn

][392180

5.221000)1000( cmcmArc ≈×= π

10

1

)1000(

)30(<

°cmArc

Len

][180

5.22)( cmddArc π×=

][)tan(

10

)sin(

10)( cmLen

θθθ +=

θ

)sin(

10

θ

)tan(

10

θ

θ10 [cm]

d

10 [cm]

θ

][3.37)30tan(

10

)30sin(

10)30( cmLen ≈

°+

°=°

CrosstalkCrosstalk

CCảảm bim biếến siêu âm Polaroidn siêu âm Polaroid

CCấấu tu tạạoo•• ĐĐầầu dòu dò•• BBúúp hưp hướớng ng •• MMạạch đich điềều khiu khiểểnn

ĐiĐiềều khiu khiểểnn•• PIC 16F877PIC 16F877

ĐĐầầu dò 6500 vu dò 6500 vàà 70007000

BBúúp hưp hướớngng

MMạạch đich điềều khiu khiểểnn

SN28784SN28784

TL851TL851

ĐiĐiềều khiu khiểển cn cảảm bim biếến n đo khođo khoảảng cng cáách, gich, giốống ng vvớới SN28827i SN28827HoHoạạt đt độộng vng vớới 1 ngui 1 nguồồn n ccấấpp4 b4 bit điit điềều khiu khiểển ngõ ra n ngõ ra đđồồng bng bộộMMứức c ááp np nộội 1.2 V cho i 1.2 V cho bbộộ thu thuTương thTương thíích TTLch TTL

BBảảng ngõ ra đing ngõ ra điềều khiu khiểểnn

INITINIT1111

38.0438.041010

32.5532.5599

27.0727.0788

21.5821.5877

18.8418.8466

16.0916.0955

13.3513.3544

10.6110.6133

7.877.8722

5.125.1211

2.382.38L L L LL L L LL L L HL L L HL L H LL L H LL L H HL L H HL H L LL H L LL H L HL H L HL H H LL H H LL H H HL H H HH L L LH L L LH L L HH L L HH L H LH L H LH L H HH L H H

00

Time (ms)Time (ms)From InitiateFrom Initiate

GCD GCC GCB GCAGCD GCC GCB GCAStep Step numbernumber

Sơ đSơ đồồ nguyên lýnguyên lý

DDạạng sng sóóng đing điềều khiu khiểểnn

ĐiĐiềều khiu khiểển bn bằằng P16F877ng P16F877

ns

mx

s

m 910343343 −

=

ns200

mm

mmxnsxns

mx

μμ

μ

3.342

6.68

6.68106.6820010343 6

9

=

== −−

Vận tốc sóng âm trong không khí

Chu kỳ máy của P16F877

Giới hạn đo nhỏ nhất

Khoảng cách đo xa nhất (nếu dùng 2 byte counter)

m

mmx

25.2

224785034.3 counter 65535

== μμ

ĐiĐiềều khiu khiểển bn bằằng P16F877ng P16F877

MMộột st sốố loloạại ci cảảm bim biếến siêu âmn siêu âm

Polaroid seriesPolaroid seriesSRFxxSRFxxMassa EMassa E--220B220BURSxxURSxxRPS x00RPS x00--x PVCx PVC

TTàài lii liệệu tham khu tham khảảoo

NGUYNGUYỄỄN ĐN ĐỨỨC THUC THUẬẬN, NGUYN, NGUYỄỄN VN VŨŨ SƠN SƠN, TR, TRẦẦN N ANH VANH VŨŨ, , ““Cơ sCơ sởở kkỹỹ thuthuậật siêu âmt siêu âm””, NXB Khoa h, NXB Khoa họọc c vvàà kkỹỹ thuthuậật, 2003.t, 2003.www.acroname.com/robotics/parts/R11www.acroname.com/robotics/parts/R11--6500.html6500.htmlBRIAN EVANLEGISTA, ANTONY GRANT, JAMES BRIAN EVANLEGISTA, ANTONY GRANT, JAMES QUESENBERRY, MATTHEWS MOLINETS, Final QUESENBERRY, MATTHEWS MOLINETS, Final report on report on ““Intelligent Automotive Obstacle Intelligent Automotive Obstacle Detection SystemDetection System””, Michigan State University, , Michigan State University, 2001.2001.J. BORENSTEIN, H. R. EVERETT, and L. FENG, J. BORENSTEIN, H. R. EVERETT, and L. FENG, ““Where am I? Where am I? –– Sensors and Methods for Mobile Sensors and Methods for Mobile Robot PositioningRobot Positioning””, Technical report, Michigan , Technical report, Michigan University, 1996.University, 1996.

mail@falleaf.netmail@falleaf.net