GIỚI THIỆU
Tổng quan về sóng siêu âm
Sóng âm là dao động lan truyền trong môi trường vật chất theo thời gian, nơi các phân tử nhận năng lượng từ nguồn dao động và lệch khỏi vị trí cân bằng Dưới tác dụng của lực liên kết đàn hồi, chúng trở lại vị trí ban đầu nhưng tiếp tục chuyển động theo quán tính, tạo ra dao động cho các phân tử bên cạnh Quá trình này cho phép dao động được truyền từ nguồn phát đến các phần tử xa hơn Tuy nhiên, sự lan truyền sóng âm khác với sóng điện từ; sóng âm chỉ có thể truyền trong môi trường vật chất đàn hồi, trong khi sóng điện từ có thể truyền trong chân không.
Sóng âm được phân loại thành ba loại dựa trên tần số phát ra: hạ âm, sóng âm gây cảm giác âm và siêu âm Sóng siêu âm có tần số từ 16KHz trở lên, vượt quá khả năng nghe của tai người Đối với chất khí, giới hạn tần số trên của sóng siêu âm thường là 5 MHz.
Sóng siêu âm được phân loại thành hai loại chính: sóng siêu âm tần số thấp với năng lượng cao (20kHz-100kHz) và sóng siêu âm tần số cao với năng lượng thấp (2MHz-10MHz) Tần số 500 MHz được áp dụng cho cả chất lỏng và chất rắn.
Giới thiệu về cảm biến
SRF05 là phiên bản nâng cấp của SRF04, mang lại tính linh hoạt cao hơn, phạm vi hoạt động rộng hơn và giảm chi phí Sản phẩm này hoàn toàn tương thích với SRF04, với khoảng cách được cải thiện từ 3 mét lên 4 mét Một chế độ hoạt động mới cho phép sử dụng một chân duy nhất cho cả kích hoạt và phản hồi, giúp tiết kiệm chân điều khiển Khi chân chế độ không kết nối, SRF05 sẽ hoạt động giống như SRF04 với các chân kích hoạt và hồi tiếp riêng biệt Ngoài ra, SRF05 còn tích hợp thời gian trễ trước khi xung phản hồi, phù hợp cho việc điều khiển chậm hơn với các bộ điều khiển thời gian cơ bản như Stamps và Picaxe.
Ưu ,nhược điểm
-Ưu điểm: kích thước nhỏ gọn; khả năng kết nối dễ dàng với các MCU
(Arduino, DSP, AVR, PIC, ARM…)
-Nhược điểm: có độ nhiễu khá lớn và khoảng cách đo chỉ từ 2 cm > 450cmm.
THÔNG TIN CỦA CẢM BIẾN
Quy trình thiết kế thực nghiệm
Để xác định các đặc tính của cảm biến siêu âm SRF05, chúng ta thực hiện một loạt thí nghiệm nhằm kiểm định và thu thập các thông số kỹ thuật cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của cảm biến Các đặc trưng cần xem xét bao gồm nhiệt độ môi trường và các đặc điểm vật lý của cảm biến, từ đó xác định sai số trong phép đo và đưa ra các phương pháp hiệu chỉnh để đạt được kết quả đo chính xác nhất Quy trình thiết kế và phân tích thực nghiệm bao gồm các bước như lựa chọn kế hoạch thí nghiệm, thực hiện thí nghiệm và phân tích thống kê dữ liệu thu thập được.
2 Thực hiện thực nghiệm a Kiểm tra các đặc trưng vật lý của cảm biến SRF05
Để kiểm tra góc mở nhận tín hiệu của cảm biến SRF05, ta tiến hành một thí nghiệm Cảm biến này có một đầu phát tín hiệu và một đầu thu tín hiệu Đầu tiên, đặt cảm biến trên một giá đỡ và trên một mặt phẳng có chia góc Sau đó, di chuyển một vật cản có kích thước phù hợp từ điểm chính giữa của cảm biến ra xa về hai phía và ghi lại kết quả đo vào bảng 1.
Hình 8: Hình ảnh minh họa cho thí nghiệm đo góc mở
Bảng 1: Kết quả đo kiểm tra góc mở của cảm biến
Sai số tuyệt đối trung binh
Kết luận: Khi đặt vật trong khoảng từ 5°C đến 15°C, cảm biến cho kết quả đo ổn định với sai số nhỏ Tuy nhiên, từ 15,5°C trở đi, bắt đầu xuất hiện sự chênh lệch đáng kể, và đặc biệt, khi vật ở 16°C, cảm biến không còn đo chính xác nữa.
Trong quá trình kiểm tra sự hội tụ của phép đo ở cùng một khoảng cách và điều kiện, cần lưu ý rằng máy móc, giống như con người, cũng có thời gian khởi động và giai đoạn không hiệu quả khi mới bật nguồn Khoảng thời gian này, được gọi là thời gian không ổn định, là lúc máy móc hoạt động với sai số lớn và độ chính xác thấp Tuy nhiên, sau một thời gian nhất định, các sai số sẽ giảm dần, và máy móc sẽ đạt được độ ổn định nhất định Thời gian này, hay còn gọi là thời gian ổn định của hệ thống, có thể được xác định thông qua khái niệm độ lệch chuẩn, một đại lượng thống kê dùng để đo mức độ phân tán của dữ liệu Công thức tính độ lệch chuẩn của một tập dữ liệu sẽ giúp xác định mức độ ổn định của hệ thống sau khi hoạt động.
S: Độ lệch chuẩn của mẫu 𝑋̅: Trung bình của mẫu
Xi : Thành phần thứ i của mẫu
Độ lệch chuẩn của mẫu không chỉ phản ánh sự phân tán của dữ liệu mà còn chỉ ra mức độ ổn định của nó so với giá trị trung bình Một độ lệch chuẩn cao và không đồng nhất cho thấy dữ liệu thiếu ổn định, trong khi độ lệch chuẩn thấp cho thấy sự hội tụ tốt hơn Điều này cũng áp dụng cho cảm biến siêu âm HY-SRF05 Việc xác định khoảng làm việc ổn định của cảm biến giúp cải thiện độ chính xác trong đo đạc, vì sai số trong khoảng này có thể được tính toán và định lượng, trái ngược với các sai số ngẫu nhiên khi cảm biến hoạt động không ổn định Bảng 2 dưới đây cung cấp dữ liệu về khoảng cách 15 cm với 150 giá trị đo được trong cùng một điều kiện.
Để kiểm tra tính hội tụ và ổn định của dữ liệu, chúng ta sử dụng Excel để tính độ lệch chuẩn cho tập dữ liệu từ 2 đến 150 số Sau đó, chúng ta sử dụng Matlab để vẽ biểu đồ đường cho các giá trị độ lệch chuẩn đã tính.
Biểu đồ 1: sự thay đổi của độ lệch chuẩn với mỗi tập dữ liệu
Cảm biến siêu âm trải qua giai đoạn khởi động không ổn định trước khi đạt trạng thái ổn định, như thể hiện trong hình xx Biểu đồ phân chia thành hai giai đoạn: giai đoạn tăng và giai đoạn đi ngang Xu hướng tăng rõ rệt trong khoảng 10 giá trị đầu tiên, cho thấy thời gian không ổn định của cảm biến Sau khi đạt đỉnh vào khoảng 10 giá trị, cảm biến chuyển sang giai đoạn 2 với xu hướng đi ngang Tại giai đoạn này, độ lệch chuẩn có sự giao động nhẹ, gần như ổn định khi số giá trị đạt khoảng 90, cho thấy các giá trị khoảng cách thu được từ cảm biến có độ chính xác cao và sai số rất nhỏ, đánh dấu thời điểm ổn định cần tìm.
Các thí nghiệm tiếp theo sẽ tập trung vào việc đo lường khảo sát hiệu quả hoạt động của cảm biến siêu âm Để đảm bảo độ ổn định của cảm biến, các giá trị thu được trong các kiểm tra sẽ được lấy từ các giá trị 90 trở đi Đồng thời, cũng sẽ kiểm tra ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả đo.
Tiếp theo ta phải quan tâm đến sự tác động của nhiệt độ môi trường tới kết quả đo của cảm biến siêu âm
Vận tốc truyền âm trong không khí ở từng mức nhiệt độ khác nhau thì khác nhau Bảng 3 dưới đây cho ta 1 ví dụ cụ thể về điều này
Nhiệt độ đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cảm biến hoạt động chính xác Công thức dưới đây thể hiện mối liên hệ giữa nhiệt độ không khí và vận tốc truyền âm, cho thấy sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến các giá trị đo lường.
Nhiệt độ môi trường (t) được đo ở mức 0°C, trong khi tốc độ truyền sóng siêu âm trong không khí (V) phụ thuộc vào nhiệt độ và được tính bằng mét trên giây (m/s) Để chuyển đổi đơn vị từ m/s sang microsecond/cm, công thức được sử dụng là v = 10^6 / (V * 100) Để xác định sai số của cảm biến trong các điều kiện khác nhau, cần thực hiện thí nghiệm đo khoảng cách ở điều kiện nhiệt độ thường (27°C) với nhiều lần đo khác nhau Qua đó, chúng ta có thể phân tích sự biến thiên của sai số và độ lệch chuẩn khi số lần thực hiện phép đo tăng lên Kết quả thực nghiệm được trình bày trong bảng 3.
Bảng 3: Bảng dữ liệu kết quả đo của cảm biến ở trong điều kiện thường với số lần đo khác nhau
Số giá trị đo được
Độ lệch chuẩn của phép đo giảm khi số lần đo tăng, và ngược lại, có xu hướng tăng khi số lần đo giảm Đặc biệt, độ tin cậy của phép đo với 30 lần đo khoảng cách 15cm cao hơn Ngoài ra, các phép đo lặp lại khoảng cách 15cm được thực hiện ở nhiệt độ 28°C.
Bảng 4 : Kết quả đo khoảng cách tại 28 o C ở 15cm
Sai số tuyệt đối trung bình
Khi nhiệt độ thay đổi, sai số cũng tăng dần, điều này xuất phát từ việc cảm biến siêu âm SRF05 hoạt động dựa trên sự truyền sóng âm trong không khí Ở mỗi nhiệt độ khác nhau, với cùng một điều kiện áp suất, vận tốc truyền âm trong không khí cũng khác nhau, dẫn đến sự biến thiên sai số khi nhiệt độ thay đổi.
Việc hiệu chỉnh cảm biến để đo trong các điều kiện môi trường có nhiệt độ thay đổi là rất cần thiết Để thực hiện điều này, ta sử dụng cảm biến nhiệt độ để xác định nhiệt độ môi trường xung quanh Sau đó, giá trị đầu ra của cảm biến nhiệt độ được thay vào phương trình thể hiện mối quan hệ giữa vận tốc truyền âm và nhiệt độ, từ đó cho ra kết quả về vận tốc truyền âm trong điều kiện nhiệt độ cụ thể Đồng thời, cảm biến nhiệt độ cũng được sử dụng để tối ưu hóa kết quả đo khoảng cách của cảm biến siêu âm và hiển thị kết quả trên màn hình LCD.
( Hình ảnh thực nghiệm với giá trị true value trên thước đo)
Từ đó ta tiến hành hiệu chỉnh cho cảm biến SRF05 và tiến hành đo thì thu được kết quả như bảng 5
Bảng 5: Giá trị đo được sau khi hiệu chỉnh nhiệt độ
Giá trị trung bình ở nhiệt độ nhất định
Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ truyền sóng âm trong không khí, dẫn đến sai lệch trong kết quả đo Sau khi điều chỉnh các thông số cho phù hợp với điều kiện môi trường, kết quả đo đã đạt độ chính xác cao, sát với sai số trong datasheet và phù hợp với giá trị thực Các bộ số liệu đo ở từng khoảng cách được trình bày trực quan qua biểu đồ.
Biểu đồ 2: Biểu đồ các giá trị đo thực tế ở 5cm sau khi hiệu chỉnh
Biểu đồ 3: Biểu đồ các giá trị đo thực tế ở 15cm sau khi hiệu chỉnh
Biểu đồ 4: Biểu đồ các giá trị đo thực tế ở 20cm sau khi hiệu chỉnh
Biểu đồ 5: Giá trị đo thực tế ở 60cm sau khi hiệu chỉnh
Dựa trên giá trị đo đã được hiệu chỉnh trong bảng 14, chúng tôi đã tạo ra 4 biểu đồ đặc trưng thể hiện sự phân bố kết quả đo Các biểu đồ 2, 3, 4 và 5 cho thấy sự phân tán của các kết quả đo lường Những giá trị sau quá trình hiệu chỉnh phản ánh sự phân tán phù hợp với các giá trị thực đã được xác định trước.
Thực hiện thực nghiệm
Sẽ tối ưu nhất khi sử dụng phương trình bậc hai
Sử dụng phương trình bậc 2 để tính toán xấp xỉ các giá trị từ tập dữ liệu trên là phương pháp hiệu quả nhất, mang lại sai số nhỏ Phương pháp này cũng cho kết quả chính xác hơn khi có tập dữ liệu lớn.
Bảng 10: So sánh sai số giữa giá trị đo ban đầu với giá trị sau khi xấp xỉ
Giá trị trung bình mười lần đo 8.036 13.097 16.494
Giá trị nội suy của trung bình mười lần đo
→ Giá trị sau khi nội suy thì sai số nhỏ hơn sai số trung bình với sai số trong mỗi lần đo khoảng ± 0.172264.
ỨNG DỤNG
Trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng và quy mô sản xuất ngày càng lớn, các doanh nghiệp cần áp dụng công nghệ và máy móc tiên tiến để đáp ứng nhu cầu sản xuất lớn với chất lượng sản phẩm đảm bảo Tuy nhiên, việc đóng gói sản phẩm để đưa tới tay người tiêu dùng cũng là một thách thức quan trọng Đối với một công ty sản xuất giấy, việc xử lý các tấm giấy lớn thành những cuộn giấy nhỏ hơn hoặc cuốn chúng thành những cuộn đều nhau là cần thiết để thuận tiện cho các công đoạn tiếp theo trong quy trình sản xuất.
Trong bài báo cáo này, chúng tôi đề xuất giải pháp sử dụng cảm biến siêu âm để đo chính xác độ dày cuộn giấy khi cuốn vào lõi Cảm biến siêu âm không phân biệt màu sắc, có phạm vi đo từ 2cm đến 450cm với sai số ±0.3, và sử dụng cơ chế phát-nhận xung siêu âm với tốc độ phản hồi cao Những đặc tính này làm cho cảm biến siêu âm trở thành lựa chọn lý tưởng để tích hợp vào quy trình sản xuất.
Máy cuộn giấy tự động hoạt động dựa trên cơ chế đo lường và so sánh với giá trị đã được thiết lập sẵn Sử dụng DC motor để cuộn giấy vào lõi, máy được thiết kế với khoảng cách cố định so với cảm biến siêu âm, đóng vai trò như một thước đo Cảm biến sẽ liên tục theo dõi khoảng cách từ cảm biến đến lõi giấy, và khi độ dày của giấy tăng lên, khoảng cách này sẽ giảm dần Khi đạt đến độ dày nhất định, DC motor sẽ nhận tín hiệu và tự động dừng lại.
Chúng tôi đã tích hợp một module cảm biến nhiệt độ vào sản phẩm, cho phép hệ thống tự động điều chỉnh tốc độ âm thanh trong quá trình vận hành Để cải thiện độ chính xác của kết quả đo khoảng cách, chúng tôi áp dụng phương pháp bình phương tối thiểu, nhằm giảm sai số Qua nghiên cứu thiết kế thực nghiệm, chúng tôi xác định rằng phương trình bậc 2 là phù hợp nhất cho khoảng cách từ 2cm đến 100cm trong cơ chế hoạt động của hệ thống.
4 Thiết bi sử dụng và hình ảnh sản phẩm
Cảm biến siêu âm HY-SRF05 Đo khoảng cách từ cảm biến tới lõi giấy
Module điều khiển động cơ L298 Điều khiển tốc độ của động cơ
Bo mạch arduino R3 Xử lý , tính toán các tín hiệu được gửi tới từ các cảm biến và điều khiển toàn bộ hệ thống
Module cảm biến nhiệt độ DHT11 Đo nhiệt độ môi trường với tín hiệu ra là tín hiệu số
Màn hình LCD hiển thị kết quả và thông số của động cơ DC, điều khiển chuyển động quay cuộn giấy vào lõi Sản phẩm của nhóm chúng em đã tích hợp các bộ phận và hiện tại hoạt động đúng yêu cầu với khoảng cách thiết lập ban đầu tới lõi là 6.7 cm Động cơ DC sẽ dừng lại khi cảm biến đo được khoảng cách 5.7 cm, tương ứng với độ dày của giấy cuộn là 1 cm.
Sản phẩm hiện tại của chúng em đang trong giai đoạn hoàn thiện cuối cùng và cố gắng đưa ra sản phẩm trong thời gian sớm nhất.