Bài Báo Cáo Giới Thiệu Cảm Biến Siêu Âm Hy Srf05.Pdf

Ứng dụng của cảm biến Thiết bị cảm ứng là một sản phẩm công nghệ tiên tiến được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như: trong sinh hoạt, trong kinh doanh thương mại, trong

KĨ THUẬT ĐO LƯỜNG VÀ CẢM BIẾN

BÀI BÁO CÁO

GIỚ I THI U C M BI N SIÊU ÂM HY SRF05 Ệ Ả Ế

• Giảng viên hướng dẫn

➢ TS Đinh Tr n Hiầ ệp

Mục Lục

Lời nói đầ 4 u

A- TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN 5

1 Cảm biến là gì? 5

2 Phân lo i c m bi n ạ ả ế 5

Phân loại cảm biến theo hình thái 5

Phân loại cảm biến theo nguyên lý hoạt động 5

Phân loại cảm biến theo phạm vi sử dụng 5

3 Ứng dụng của cảm biến 6

4 Tìm hi u v c m bi ể ề ả ến đo khoả ng cách 6

Có mấy loại cảm biến khoảng cách? 6

Khoảng cách xa nhất đo được 7

5- Đo khoả ng cách b ng c m bi n siêu âm ằ ả ế 7

Sóng siêu âm là gì? 7

Cảm biến siêu âm là gì? 7

Cấu tạo của cảm biến siêu âm 7

Nguyên lý cảm biến siêu âm: 7

Ưu và nhược điểm của cảm biến sóng siêu âm 8

Ứng dụng 9

B- GIỚI THIỆU C M BI N HY SRF05Ả Ế 10

1 Giớ i thi u chung 10 ệ 2 Nguyên lý hoạt độ 11 ng 3 Thông số kỹ thuật 14

4 Thiết kế c m bi n ả ế 14

5 Ứng d ng c a c m bi n trong th c ti n ụ ủ ả ế ự ễ 14

C- KIỂM NGHIỆM THỰC TẾ 15

1 Mục tiêu,quy trình và không gian th c nghi ự ệm 15

2 Các ph n m m ầ ề đã sử dụng trong khi làm báo cáo 15

3 Thống kê và phân tích k t qu ế ả đo .15

a) Phạm vi đo 18

b) Sai số khi đo 22

c) Thời gian thu phát sóng siêu âm của cảm biến so với thực tế 30

D- Ứng dụng th c tiự ễn: Vòi nước tự động 32

2) Cơ chế ạ ộ ho t đ ng 34 3) Phỏng đoán 34 4) Hướ ng gi i quy t 34 ả ế 5) Kết Quả 34

Lời nói đầu

trưng bởi các biến tr ng thái Các bi n trạ ế ạng thái này thường là các đại lượng

hiện các quá trình đo lường và điều khi n c n ph i thu thể ầ ả ập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên c a các bi n tr ng thái c a quá trình th c hi n chủ ế ạ ủ ự ệ ức năng trên là các thiết bị c m bi n C m bi n là các ph n tả ế ả ế ầ ử nhạy cảm dùng để ến đổ bi i

thuận tiện hơn cho việc tác động c a các ph n t khác C m bi n là m t thi t b ủ ầ ử ả ế ộ ế ị

rộng rãi trong tự động hóa các quá trình s n xuả ất và điều khi n tể ự động các h ệ

sự thay i cđổ ủa các đại lượng đầu ra là đại lượng điện, ví dụ: điện trở, điện dung, điện kháng, dòng điện, tần số, điện áp rơi, góc pha,

Một lo i c m biạ ả ến mà chúng ta b t g p r t nhi u trong cu c s ng hàng ngày và ắ ặ ấ ề ộ ố

không có người thì đèn sẽ ắt… hay khi bạ ái xe ô tô, khi phía đầ t n l u xe hoặc đuôi

xe c a b n s p va ch m thì s có hủ ạ ắ ạ ẽ ệ thống báo động cho b n bi ạ ế

Cảm bi n siêu âm có ng d ng vô cùng r ng rãi và phế ứ ụ ộ ổ biến

Chính vì v y nhóm chúng tôi quyậ ết định th c hiự ện đề tài giới thiệu về cảm bi n ếsiêu âm HYSRF05 có thđể ể hiểu hơn về cảm biến và nh ng l i ích to l n c a nó ữ ợ ớ ủtrong th c ti n ự ễ

Do ki n th c còn hế ứ ạn ch và th i gian tìm hi u ế ờ ể chưa được nhiều nên bài ti u luể ận này còn nhi u thi u xót B n mình hi v ng sề ế ọ ọ ẽ nhận được nhiều ý ki n t ế ừthầy

2 Phân loại cảm biến

Tùy theo các đặc trưng, cảm biến có thể được chia thành nhiều loại khác nhau

để chuyển sang tín hiệu điện Tiêu biểu là loại cảm biến áp điện được làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt

Cảm biến bị động: có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Tiêu biểu là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của

Phân loại cảm biến theo phạm vi sử dụng

công nghi p, C m bi n dùng cho nghiên c u khoa h c, C m bi n dùng cho môi ệ ả ế ứ ọ ả ếtrường, khí tượng, Cảm biến dùng cho thông tin, viễn thông, Cảm biến dùng

cho nông nghi p, C m bi n dùng cho dân d ng, C m bi n dùng cho giao ệ ả ế ụ ả ếthông, C m biả ến dùng cho vũ trụ, Cảm biến dùng cho quân sự

3 Ứng dụng của cảm biến

Thiết bị cảm ứng là một sản phẩm công nghệ tiên tiến được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như: trong sinh hoạt, trong kinh doanh thương mại, trong bảo mật, trong vận tải hàng không,

Cảm biến là thiết bị có thể nhận biết được vật ở cự li nhất định theo lập trình của

nó mà không phải chạm vào vật

Chúng ta có rất nhiều loại cảm biến như: cảm biến nhiệt, cảm biến không khí, cảm biến âm thanh, cảm biến màu sắc, cảm biến tần số, cảm biến từ trường… Mỗi loại cảm biến có những ứng dụng khác nhau

Sau đây là một số ứng dụng phổ biến của cảm biến:

Trong sinh hoạt thiết bị cảm biến chúng ta thường thấy là như cảm biến âm thanh ( vỗ tay tắt đèn), cảm biến từ trường ( ra khỏi phòng đèn tự tắt),cảm biến ánh sáng (điều hòa)

Trong sản xuất công nghiệp thì thiết bị cảm biến chủ yếu để ngắt dòng điện khi quá tải, nóng hoặc bị ẩm để bảo vệ thiết bị điện an toàn

Trong tự động hóa, cảm biến có vai trò quan trọng trong quá trình nói riêng

và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung

4 Tìm hi ểu về ả c m bi ến đo khoả ng cách

Như tên gọi của thiết bị, cảm biến khoảng cách chuyên dùng để đo khoảng cách

từ một điểm tham chiếu đến vật thể Đây là một loại cảm biến dùng phổ biến trong môi trường công nghiệp, kho bãi,…

Có mấy loại cảm biến khoảng cách?

Cảm biến dùng để đo khoảng cách được phân làm những loại sau:

• Cảm bi n kho ng cách b ng tia laser ế ả ằ

• Đo khoảng cách b ng c m bi n siêu âm ằ ả ế

Cảm bi n tiế ệm c n ậ đo khoảng cách

Khoảng cách xa nhất đo được

Khoảng cách xa nhất đo được thuộc về dòng cảm biến laser, cảm biến đo khoảng cách dòng này có thể đo được vật thể cách xa đến 3000m

5- Đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm

Sóng siêu âm là gì?

Sóng siêu âm được định nghĩa là một loại sóng có tần số cao mà con người không thể nghe thấy được

Cảm biến siêu âm là gì?

Cảm biến siêu âm là một thiết bị cảm biến hoạt động dựa trên sóng siêu âm Cũng giống như các loại cảm biến áp suất hay cảm biến nhiệt độ, cảm biến siêu

âm được dùng chủ yếu là để đo khoảng cách hoặc vận tốc Ngoài ra thì còn được

sử dụng trong các ứng dụng như làm sạch bằng sóng siêu âm hoặc dùng trong siêu âm y khoa (siêu âm chuẩn đoán hình ảnh)

Cấu tạo của cảm biến siêu âm

Phần phát tín hiệu:Phát sóng siêu âm

Phần thu tín hiệu:Chờ nhận sóng ph n hả ồi

Phần xử lý, điều khiển: thường sử dụng một vi điều làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính toán thời gian từ khi phát đến khi thu được sóng siêu âm do nó phát ra nếu nhận được tín hiệu TRIG

Nguyên lý cảm biến siêu âm:

Đầu tiên, đầu cảm biến sẽ phát ra 1 chùm sóng siêu âm xuống bề mặt cần đo khoảng cách Khi sóng siêu âm gặp bề mặt vật cản sẽ phản xạ ngược lại Khi đó cảm biến sẽ thu lại các chùm sóng siêu âm này

Dựa vào thời gian phản xạ và vận tốc của sóng, cảm biến sẽ tính ra được khoảng cách từ cảm biến xuống bề mặt chất lỏng

Ưu và nhược điểm của cảm biến sóng siêu âm

*Ưu điểm

Sử dụng sóng siêu âm nên có thể đo khoảng cách mà không cần tiếp xúc với vật chất cần đo Vì thế, cảm biến siêu âm thường được dùng để đo mức chất lỏng

có độ ăn mòn cao như acid hoặc xăng, dầu,…

Sóng siêu âm là một loại âm thanh có tần số cao nên độ nhạy của cảm biến rất cao, thời gian đáp ứng nhanh

Độ chính xác của cảm biến siêu âm gần như là tuyệt đối, sai số trung bình khoảng 0,15% đối với khoảng cách 2m trở lại

*Nhược điểm

Cảm biến siêu âm chịu ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ và áp suất Vì thế nó chỉ hoạt động tốt nhất ở môi trường có nhiệt độ từ 60 độ C trở xuống và áp suất khoảng 1 bar trở lại

Các loại cảm biến siêu âm đo mức chất lỏng có chi phí đầu tư ban đầu là khá cao so với các loại cảm biến đo mức chất lỏng khác

Một nhược điểm khác là cảm biến siêu âm rất dễ bị nhiễu tín hiệu nên khi lắp đặt, bạn cần phải lắp theo đúng hướng dẫn của nhà sản xuất

Ứng dụng

Cảm bi n siêu âm có r t nhiế ấ ều ứng dụng như: Đo khoảng cách phát hiện vật

chấ ỏt l ng, phát hiện v t c n giúpậ ả robot dò đường hoặc tìm các vết đứt gãy trong dây cáp hay bề mặt của vật…

B- GIỚ I THI U C M BI N HY SRF05 Ệ Ả Ế

1 Giới thiệu chung

C m bi n siêu âm kh c phả ế ắ ục nhiều điểm y u c a c m bi n IR - chúng cung ế ủ ả ế

hơn để đảm bảo rằng các chướng ng i v t không bạ ậ ịtrượ ởt b i một chùm c m biả ến hẹp

C m bi n này là b n nâng c p t ả ế ả ấ ừHC-SRO4 có độ chính xác thấp hơn Cảm

cần thiết để các xung di chuyển đến chướng ng i v t và quay l i ạ ậ ạ

Mô-đun dao động siêu âm HY-SRF05 cung cấp chức năng đo không tiếp xúc

phát, máy thu và mạch điều khi n ể

SRF05 là một bước tiến hóa từ SRF04 và được thi t kế ế để tăng tính linh hoạt, tăng phạm vi, và để giảm chi phí vẫn còn hơn nữa Do đó, SRF05 hoàn toàn

cho c b kích ho t và ti ng vả ộ ạ ế ọng, do đó tiết kiệm được các chân có giá tr trên b ị ộđiều khi n c a b n Khi pin chể ủ ạ ế độ không được kết nối, SRF05 hoạt động với các

độ ễ tr nh ỏ trước xung tiếng vang để cung c p cho các b ấ ộ điều khi n chể ậm hơn

được thể hiện qua Hình 1 và Hình 2 dưới đây

Chế độ 2:Ta s dử ụng 1 chân để ả c m bi n v a phát ra xung r i v a nh n xung ế ừ ồ ừ ậphản x v , chân chạ ề ế độ thì nối đất Tín hiệu h i ti p s ồ ế ẽxuất hi n trên cùng mệ ộchân v i tín ớ hiệu kích ho t C m bi n s ạ ả ế ẽ không tăng dòng phản hồi cho đến 700microSeconds sau khi k t thúc các tín hi u kích ho t và bế ệ ạ ạn đã có thời gian để

3 Thông số kỹ thuật

- Điện áp làm việc : 5V(DC)

- Dòng tĩnh: Ít hơn 2mA

- Tín hiệu đầu ra : Tín hiệu tần số điện, mức cao 5V, mức thấp 0V

- Góc cảm biến : Không quá 15 độ

- Phạm vi đo : 2cm-450cm

- Tín hiệu trigger đầu vào : 10us TTL impulse

- Tín hiệu echo : Tín hiệu đầu ra TTL PWL

- Trigger: Kích hoạt quá trình phát sóng âm Quá trình kích hoạt khi một chu

kì điện áp cao/thấp diễn ra

- Echo: Bình thường sẽ ở trạng thái 0V, được kích hoạt lên 5V ngay sau khi

có tín hiệu trả về, sau đó trở về 0V

- OUT: Không sử dụng

- GND: Chân cấp nguồn GND

5 Ứng dụng của cảm biến trong thực tiễn

từ v t thậ ể đến c m bi n nh sóng siêu âm, c m bi n có thả ế ờ ả ế ời gian ph n h i nhanh, ả ồ

độ chính xác cao, phù h p cho các ng d ng phát hi n v t cợ ứ ụ ệ ậ ản, đo khoảng cách bằng sóng siêu âm

Trong thực tiễn, c m bi n siêu âm UltraSonic HY-SRF05 có r t nhiả ế ấ ều ứng dụng

C- KIỂ M NGHI M TH C T Ệ Ự Ế

Mục tiêu 1: Th c hành lự ắp đặ ảt c m biến và đo khoảng cách theo 2 chế độ trong nguyên lý hoạt động, ki m nghi m xem ể ệ sơ đồ mô ph ng c m dây 2 chỏ ắ ở ế độ dung không

được nêu trong thông s ố kĩ thuật, Th i gian phát thu sóng siêu âm c a c m biờ ủ ả ến

so v i thớ ực tế

Để ế k t qu phân tích dả ữ liệu 1 cách chính xác và tối ưu thời gian, chúng em đã sử dụng một số công c giúp thu n lụ ậ ợi cho vi c trình bày, tính toán và x lý sệ ử ố liệu

quả thu được 1 cách chi tiết đầy đủ , Microsoft Excel: Công c giúp th ng kê, x ụ ố ử

lý số liệu, tính toán k t quế ả và vẽ đồ thị t k t quừ ế ả thu được

dung không

Ta th c hi n l p mự ệ ắ ạch theo 2 chế độ trong phần nguyên lý hoạt động và đo khoảng cách

* Ở chế độ 1, ta th c hi n n i dây ự ệ ố như hình 1

Kết nối như trong sơ đồ ta thu được k t qu ế ảthực tế minh họa qua Hình 5 sau đây

Tiếp theo, ta th c hiự ện đo thử khoảng cách t i 1 s v trí trong kho ng cách ạ ố ị ả

quả như hình 6

⟹Từ k t qu ế ả thu được ở hình 6, ta có th k t lu n r ng: Cể ế ậ ằ ảm biến đo được

⟹ T k t qu ừ ế ả thu được ở hình 7, ta có th k t lu n r ng: C m biể ế ậ ằ ả ến đo được

cắm dây ở chế độ ở 2 hình 3 là đúng

âm c a c m bi n so v i th c t ủ ả ế ớ ự ế

a) Phạm vi đo

nghiệm điều này sau đây, ta tiến hành đo và ghi chép kết quả đo tại các v trí tị ại khoảng cách gần 2cm và khoảng cách xa nhất 450cm

Tại v trí 2cm, tị a thiế ế ựt k th c nghiệm như hình 8a và thu được kết quá đo như hình 8

Thông qua các giá tr ịđo trong hình 8 ta thấy r ng: Các giá trằ ị đo được trong

20 lần đo có sự sai l ch r t l n so v i giá trệ ấ ớ ớ ị 2cm ( hơn 4 lần).Do đo, ta có thể kết luận r ng t i kho ng cách 2cm, c m bi n không nh n diằ ạ ả ả ế ậ ện được v t,2cm chính là ậvùng mù c a c m bi n ủ ả ế

Để tìm được kho ng cách gả ần nhất mà c m bi n có thả ế ể đo được, ta tiến hành di chuy n vể ật ra xa kh i c m bi n t v trí 2cm và quan sát k t qu trên ỏ ả ế ừ ị ế ả

⟹Từ k t qu ế ả đo trong hình 9, ta có thể kết luận rằng: Kho ng cách g n nhả ầ ất mà cảm biến đo được là 3cm hay c m bi n bả ế ắt đầu nh n diậ ện được v t cách cậ ảm biến 3cm

Tiếp theo, ta ti p tế ục xác định khoảng cách xa nh t mà c m biấ ả ến đo được thông qua th c nghiự ệm đo khoảng cách t i v trí 450cm, Ta ti n hành thi t kạ ị ế ế ế thực

T k t quừ ế ả đo trong hình 10, ta thấy rằng 450cm là kho ng cách mà cả ảm

hành r i v t ra xa c m bi n t v trí 450cm và quan sát k t qu trên Serial Monitor ờ ậ ả ế ừ ị ế ả

N u ti p tế ế ục đưa vật ra xa, ta sẽ thu được các giá trị ảo như khi ta đo ở 2cm

⟹Từ k t qu ế ả đo trong hình 11a, ta có thể kết luận rằng: Kho ng cách xa ả nhất mà

b) Sai số khi đo

Ở ph n kh o sát sai số đo, ta chi làm 2 phần khảo sát sai số đó là: Sai số ầ ảgiữa các lần đo tại cùng 1 true value và sai s ốgiữa kho ng true value và giá trả ị đo thự ếc t

Khi đo khoảng cách b ng c m bi n HY SRF05, t i cùng 1 true value ta s ằ ả ế ạ ẽthu được 1 t p h p các giá trậ ợ ị ngẫu nhiên v i chênh lớ ệch khác nhau Để có được

1 giá tr chính xác nhị ất ta tiến hành tính giá tr trung bình c a t p h p trên.V y cị ủ ậ ợ ậ ần thực hi n bao nhiêu lần đo là đủ để tính giá tr ịtrung bình? Đểệ biết số lần đo ta cần dựa vào độ lệch chu n c a t p hẩ ủ ậ ợp đo Độ lệch là một đại lượng th ng kê mô t ố ảdùng để đo mức độ phân tán c a m t t p dủ ộ ậ ữ liệu so v i giá tr trung bình cớ ị ủa chúng Độ ệ l ch chuẩn c a 1 t p giá tr càng thấp nghĩa là giá trị đó càng gầủ ậ ị n với giá tr trung bình c a t p hị ủ ậ ợp.Nếu độ lệch chuẩn không đổi thì mức độ phân tán của t p giá tr ậ ị không đổ Như vậi y, ta cần đo đến số lần mà ở đó ta tính được độ lệch chuẩn không thay đổi nhiều Từ đó tìm cách lấy được 1 giá tr trung bình ịchính xác nh t có th t t p hấ ể ừ ậ ợp trên để phục v cho mụ ục đích tính toán khác Sau đây, ta bắt đầu tiến hành đo thực nghiệm tại 1 s vố ị trị trong phạm vi đo như: 3cm, 20cm, 50cm và tìm được s lố ần đo mà tạ ố ần đo đó độ ệch chuẩn i s l lkhông thay đổi nhiều T ừ đó, rút ra nhận xét về độ ệch chuẩn cũng như số ần đo l ltối thiểu để độ l ch chuệ ẩn ít thay đổi

Đầu tiên, ta tiến hành đo ở vị trí 3cm, ta có k t quế ả đo như hình 11

T k t quừ ế ả đo của hình 11, ta tiến hành tính độ lệch chu n c a 10 lẩ ủ ần đo đầu tiên, 15 lần đo đầu tiên,…, 50 lần đo đầu tiên Sau khi tính toán ta thu được kết quả như hình 11a

Ta có biểu đồ 1 thể hiện sự thay đổi của của độ lệch chuẩn qua 50 lần đo tại

⟹Qua biểu đồ 1 ta thấy độ chênh l ch cệ ủa độ ệch chu n không có s l ẩ ự thay đổi quá l n (<0.004) t 10 lớ ừ ần đo trở đi Do đó, tại khoảng cách 3cm, ta cần đo ít 10 lần để thu được độ lệch chuẩn ít đổi

Tiếp theo, ta ti p tế ục đo tại vị trí 20cm ta thu được kết quả như hình 12

Ta ti p tế ục tính độ l ch chuệ ẩn của độ lệch chu n c a 10 lẩ ủ ần đo đầu tiên, 15 lần đo đầu tiên,…, 50 lần đo đầu tiên và thu được kết quả như hình 12a

Ta có biểu đồ 2 thể hiện sự thay đổi của của độ lệch chu n qua 50 lẩ ần đo tại khoảng cách 20cm như sau

⟹Qua biểu đồ 2 ta thấy độ ệ l ch chu n không có sẩ ự thay đổi quá lớn (<0,0 ) t 02 ừ

40 lần đo trở đi Do đó, tại khoảng cách cm, ta ch c20 ỉ ần đo ít 40 lần để thu được

độ ệ l ch chu n ít thay i ẩ đổ

50cm và thu được kết quả đo độ lệch chuẩn như hình 13 và biểu đồthể ệ hi n s ự