nghiên cứu lý thuyết về cảm biến siêu âm và cảm biến chuyển động xây dựng mô hình vật lý ứng dụng cảm biến siêu âm và cảm biến chuyển động vào mô hình hệ thống phát hiện vật thể

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM Khoa Điện - ĐTVT

BÀI TẬP NHÓM ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẢMBIẾN SIÊU ÂM VÀ CẢM BIẾN CHUYỂN

ĐỘNG XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝỨNG DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀCẢM BIẾN CHUYỂN ĐỘNG VÀO MÔ

HÌNH HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VẬTTHỂ.

Môn: KỸ THUẬT ĐO

Giảng viên hướng dẫn: NGUYỄN THỊ BÍCH NGỌC

NHÓM : 2

Trần Thanh Lộc – 2251040098 - TD22BLý Trần Quý – 2251040108 - TD22B

Trần Vũ Trung Nguyên – 2251040102 - TD22B

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng ,năm 2024

MỤC LỤCLời nói đầu:

Phần 1: NGUYÊN LÝ LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM, CHUYỂN ĐỘNG

1.1 Lý thuyết chung về cảm biến

1.1.1 Cấu tạo chung

1.1.2 Phân loại

1.1.3 Vai trò của cảm biến trong công nghiệp

1.2 Cảm biến siêu âm

1.2.1 Khái niệm cảm biến siêu âm

1.2.2 Đặc trưng cơ bản của cảm biến siêu âm

1.2.3 Cấu tạo cảm biến

1.2.4 Phân loại cảm biến

1.3.1 Khái niệm cảm biến chuyển động

1.3.2 Đặc trưng cơ bản của cảm biến chuyển động

1.3.3 Cấu tạo cảm biến

1.3.4 Phân loại cảm biến

2.2 Lựa chọn linh kiện và thông số kĩ thuật

2.2.1 Cảm biến HC-SRO4 và cảm biến hồng ngoại

2.2.7 Còi buzzer 5V và led .

Trong thời đại ngày nay, công nghệ ngày càng phát triển với tốc độ chóngmặt, mở ra những cơ hội vô hạn cho việc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khácnhau Trong đó, nghiên cứu và ứng dụng các loại cảm biến đang trở thành mộttrong những lĩnh vực được quan tâm và đầu tư.

Đứng trước sự phát triển đó, chúng tôi rất vinh dự được trình bày báo cáonghiên cứu về việc tích hợp hai loại cảm biến quan là cảm biến siêu âm vàcảm biến hồng ngoại vào mô hình phát hiện vật thể.

Trong báo cáo này, chúng tôi sẽ trình bày về cách chúng tôi đã tiếp cận vàthiết kế mô hình kết hợp giữa cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại đểphát hiện vật thể Chúng tôi sẽ giới thiệu về nguyên lý hoạt động của từng loạicảm biến, cũng như cách chúng tương tác với nhau trong mô hình của chúngtôi Đồng thời, chúng tôi cũng sẽ thảo luận về ưu điểm, hạn chế và tiềm năngứng dụng của mô hình này trong các lĩnh vực khác nhau như an ninh, y tế, vàtự động hóa.

Chúng tôi hi vọng rằng báo cáo này sẽ mang lại cái nhìn tổng quan và sâusắc về sự kết hợp đầy tiềm năng giữa cảm biến siêu âm và cảm biến hồngngoại trong việc phát hiện vật thể Chúng tôi cũng mong muốn rằng nghiêncứu của chúng tôi sẽ góp phần vào việc khai thác tối đa tiềm năng của côngnghệ cảm biến, từ đó tạo ra những ứng dụng thực tiễn và hữu ích cho xã hội Chân thành cảm ơn sự quan tâm và ủng hộ của quý vị đối với báo cáo này.

Phần 1: NGUYÊN LÝ LÝ THUYẾT VỀ CẢM BIẾN SIÊU ÂM, CHUYỂN ĐỘNG

1.1 Lý thuyết chung về cảm biến

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái, quá trình vật

lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụtrong truyền và xử lý thông tin hay trong điều khiển các quá trình khác

1.1.1 Cấu tạo chung

Cấu tạo của cảm biến thường bao gồm các phần tử mạch điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh được đóng gói nhỏ gọn Các tín hiệu phát ra được quy chuẩn theo mức điện áp và dòng điện thông dụng phù hợp nhất với bộ điều khiển

1.1.2 Phân loại

Trên thực tế có vô vàn những loại cảm biến khác nhau và chúng ta có thể chia các cảm biến thành hai nhóm chính:

• Cảm biến vật lí: có thể kể đến một vài ví dụ dễ hình dung như sóng

điện từ, ánh sáng, hồng ngoại, tia X, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh,từ trường, gia tốc,…

• Cảm biến hóa học: thường thấy như độ ẩm, độ PH, ion, khói,….Ngoài ra ta cũng có một số hình thức phân chia khác:

Cảm biến chủ động và bị động

Cảm biến chủ động: không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện Điển hình là cảm biến áp điện 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 Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược.

Phân loại theo nguyên lí hoạt động

Theo nguyên lí hoạt động ta có thể kể đến những loại cảm biến nổi bật như:• Cảm biến điện trở: hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc

quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.• Cảm biến cảm ứng: cảm biến biến áp vi phân, cảm biến cảm ứng

điện từ, cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điệndung,….

• Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện,…

• Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ,…

1.1.3 Vai trò của cảm biến trong công nghiệp

Với các bài toán điều khiển hệ thống tự động hóa nói chung và điều khiển quá

trình nói riêng thì cảm biến có vai trò vô cùng quan trọng.• Cảm biến giúp "cảm nhận" các tín hiệu điều khiển vào ra• Cảm biến giúp đo đạc các giá trị

• Cảm biến giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lí cần đo.

1.2 Cảm biến siêu âm

1.2.1 Khái niệm cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm là một công cụ đo khoảng cách đến một vật thể bằng sóng âm siêu âm Cảm biến siêu âm sử dụng một bộ chuyển đổi để gửi

và nhận các xung siêu âm để chuyển tiếp thông tin về độ gần của một vậtthể.

1.2.2Đặc trưng cơ bản của cảm biến siêu âm

Đặc trưng cơ bản của cảm biến siêu âm bao gồm:

 Phát sóng và thu sóng siêu âm: Cảm biến siêu âm thường được

thiết kế với một bộ phát sóng để tạo ra sóng siêu âm và một bộ thusóng để nhận và xử lý tín hiệu phản xạ từ các vật thể.

 Tần số và khoảng cách hoạt động: Cảm biến siêu âm có thể hoạt

động ở các tần số khác nhau, từ vài kHz đến hàng trăm MHz, tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể Khoảng cách hoạt động của cảm biến siêu âm thường phụ thuộc vào cấu hình và thiết kế của nó, nhưng có thể từ vài centimet đến hàng chục mét.

 Độ chính xác và độ phân giải: Cảm biến siêu âm thường cung

cấp độ chính xác cao trong việc đo khoảng cách và vị trí của các vật thể Độ phân giải của cảm biến này có thể được điều chỉnh tùythuộc vào nhu cầu cụ thể của ứng dụng.

 Khả năng hoạt động trong môi trường khác nhau: Cảm biến

siêu âm thường có khả năng hoạt động tốt trong nhiều môi trường khác nhau, bao gồm cả môi trường có nhiễu và môi trường có độ ẩm cao.

 Ứng dụng đa dạng: Cảm biến siêu âm được sử dụng rộng rãi

trong nhiều lĩnh vực như trong công nghiệp (đo khoảng cách, kiểm soát chất lượng), y tế (siêu âm hình ảnh), ô tô (hỗ trợ lái xe tự động), và nhiều ứng dụng khác.

1.2.3 Cấu tạo cảm biến

- Cảm biến siêu âm gồm 3 thành phần chính là: bộ phát, bộ thu và bộ điều khiển.

 Bộ phát: Là bộ phận được cấu tạo từ gốm, với đường kính rộngkhoảng 15mm, hoạt động nhờ cơ chế chuyển động bằng máyrung để tạo ra các sóng siêu âm truyền vào không khí.

 Bộ thu: Có chức năng hình thành các rung động cơ học tương thích với sóng siêu âm và chuyển đổi thành năng lượng điện ở đầu ra của bộ thu.

Điều khiển: Là bộ phận sử dụng mạch điện tích hợp để điều khiển sự truyền sóng siêu âm của bộ phát, từ đó đánh giá được khả năng nhận tín hiệu và kích thước của bộ thu.

1.2.4 Phân loại cảm biến

Cảm biến siêu âm có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm nguyên tắc hoạt động, cấu trúc vật lý, hoặc ứng dụng cụ thể:

 Theo nguyên tắc hoạt động:

 Cảm biến siêu âm phản xạ (Reflective ultrasonic sensor):

Cảm biến này gửi ra một tín hiệu siêu âm và đo khoảng cách dựa trên thời gian mà tín hiệu phản xạ từ vật thể quay trở lại cảm biến.

 Cảm biến siêu âm truyền (Transmit ultrasonic sensor): Cảm

biến này sử dụng hai phần tử: một để gửi tín hiệu siêu âm và một để nhận tín hiệu phản xạ từ vật thể Khoảng cách được đo dựa trên thời gian mà tín hiệu đi và tín hiệu về di chuyển qua không gian.

 Theo cấu trúc vật lý:

 Cảm biến siêu âm đơn:

 Cảm biến piezoelectric (Piezoelectric sensor): Sử dụng

hiệu ứng piezoelectric để chuyển đổi giữa tín hiệu điện vàsóng siêu âm.

 Cảm biến capacitance (Capacitance sensor): Sử dụng

hiệu ứng thay đổi điện dung để đo khoảng cách.

 Cảm biến siêu âm đa phát và đa thu: Bao gồm nhiều phần tử

phát và thu được sắp xếp một cách phức tạp hơn để cải thiện độ chính xác và độ phân giải.

 Theo ứng dụng:

 Cảm biến siêu âm trong y tế: Sử dụng để tạo hình ảnh siêu âm

và đo khoảng cách trong y học.

 Cảm biến siêu âm trong công nghiệp: Được sử dụng để đo

khoảng cách, kiểm soát chất lượng, và điều khiển trong các ứng dụng công nghiệp.

 Cảm biến siêu âm trong ô tô: Sử dụng để hỗ trợ lái xe tự động,

cảnh báo va chạm, và các ứng dụng liên quan đến an toàn giao thông.

a Cảm biến khoảng cách Cảm biến khoảng cách là một loại cảm biến được sử dụng để đo lường khoảng cách từ cảm biến đến một vật thể nào đó Có nhiềuloại cảm biến khoảng cách khác nhau

b.Cảm biến mực nước Cảm biến mực nước là một loại cảm biến được sử dụng để đo mức độ nước trong một bể chứa, hồ hoặc hệ thống cung cấp nước Cảm biến này cung cấp thông tin về mức độ nước hiện tại trong bể chứa, giúp theo dõi và kiểm soát lượng nước một cách hiệu quả

c.Cảm biến hình dạng

Cảm biến hình dạng là một loại cảm biến được thiết kế để phát hiện, nhận dạng và đo lường hình dạng hoặc dạng hình của các vật thể Có nhiều phương pháp và công nghệ khác nhau được sử dụng để tạo ra các cảm biến hình dạng, tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

d.Cảm biến đo tốc độ Cảm biến đo tốc độ là một loại cảm biến được sử dụng để đo lường và ghi lại tốc độ của một vật thể, chuyển động, hoặc sự thay đổi vận tốc.

1.2.5 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý phát sóng và phản xạ sóng Nguyên lý này tương tự như ở loài dơi Khi tìm mồi trong đêm, dơi thường phát ra các dạng sóng siêu âm và khi các sóng siêu âm này gặp các vật cản sẽ phản xạ lại sóng và giúp dơi xác định được chướng ngại vật trước mặt.

1.3 Cảm biến chuyển động

1.3.1 Khái niệm cảm biến chuyển động Cảm biến chuyển động hay máy dò chuyển động là thiết bị điện tử đặc biệt có khả năng phát hiện chuyển động trong phạm vi giám sát Ngoài ra, loại cảm biến này còn có khả năng nắm bắt được các chuyển động vật lý trong thời gian thực.

1.3.2 Đặc trưng cơ bản của cảm biến chuyển động

Đặc trưng cơ bản của cảm biến chuyển động bao gồm:

Dò tín hiệu: Cảm biến chuyển động có khả năng dò tín hiệu từ các

vật thể hoặc hệ thống và chuyển đổi chúng thành dữ liệu điện hoặc số.

Phát hiện chuyển động: Cảm biến này có khả năng phát hiện sự

thay đổi trong vị trí, tốc độ hoặc gia tốc của vật thể Điều này có thể xảy ra thông qua việc phát hiện sự thay đổi trong dòng điện, áp suất, sóng âm hoặc các phương pháp cảm biến khác.

Đo lường vị trí hoặc tốc độ: Cảm biến chuyển động có thể cung cấp

thông tin về vị trí tương đối hoặc tuyệt đối của vật thể, cũng như tốc độ hoặc gia tốc của nó.

Độ chính xác: Đối với các ứng dụng cần độ chính xác cao, cảm biến

chuyển động thường được thiết kế để cung cấp dữ liệu với độ chính xác cao và độ tin cậy.

Độ nhạy: Cảm biến chuyển động có thể được điều chỉnh để cảm nhận

các thay đổi nhỏ trong vị trí hoặc tốc độ, phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Khả năng tương thích: Cảm biến chuyển động thường được thiết kế

để tương thích với các hệ thống điều khiển, vi xử lý hoặc giao diện người dùng khác.

1.3.3 Cấu tạo cảm biến

Cấu tạo của cảm biến chuyển động có thể khá đa dạng tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động và ứng dụng cụ thể của nó bao gồm:

Bộ cảm biến: Đây là phần cơ bản của cảm biến chuyển động, được thiết

kế để nhận biết và ghi nhận các sự thay đổi trong vị trí, tốc độ hoặc gia tốc của vật thể hoặc môi trường.

Bộ xử lý: Cảm biến chuyển động thường đi kèm với một bộ xử lý hoặc

vi mạch điện tử nhằm xử lý dữ liệu đầu vào từ bộ cảm biến và chuyển đổi nó thành dạng tín hiệu hoặc dữ liệu có ý nghĩa.

Nguồn cung cấp năng lượng: Để hoạt động, cảm biến chuyển động cần

một nguồn cung cấp năng lượng, ví dụ như pin hoặc nguồn điện từ một nguồn năng lượng bên ngoài.

Giao diện người dùng hoặc giao tiếp: Một số cảm biến chuyển động

có thể đi kèm với các giao diện người dùng như màn hình hiển thị hoặc nút bấm để cài đặt và điều chỉnh cấu hình Ngoài ra, chúng cũng có thể có các cổng giao tiếp như UART, SPI, I2C để truyền dữ liệu đến các thiết bị ngoại vi khác.

Bộ bảo vệ và vỏ bọc: Để bảo vệ các thành phần nội tại khỏi tác động

bên ngoài, cảm biến chuyển động thường được đóng gói trong vỏ bọc hoặc bộ bảo vệ chống nước, chống bụi, chống va đập.

Anten hoặc các bộ thu sóng: Trong trường hợp cảm biến sử dụng sóng

radio hoặc sóng siêu âm, chúng có thể đi kèm với anten hoặc các bộ thu sóng để thu nhận và truyền tín hiệu.

Các thành phần khác: Ngoài các thành phần cơ bản đã đề cập, cảm

biến chuyển động cũng có thể đi kèm với các linh kiện điện tử như điện trở, tụ, điện tụ, các cảm biến khác như cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, để cải thiện chức năng và chính xác của nó.

1.3.4 Phân loại cảm biến

Cảm biến chuyển động có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khácnhau, bao gồm nguyên lý hoạt động, phạm vi hoạt động, phản ứng vớichuyển động, và ứng dụng cụ thể

Theo nguyên lý hoạt động:

 Cảm biến hồng ngoại: Sử dụng các tia hồng ngoại để phát hiện sựchuyển động của vật thể.

 Cảm biến siêu âm: Sử dụng sóng siêu âm để phát hiện sự thay đổitrong khoảng cách.

 Cảm biến gia tốc: Đo lường gia tốc của vật thể.

 Cảm biến điện dung: Sử dụng sự thay đổi trong điện dung để pháthiện sự chuyển động.

Theo phản ứng với chuyển động:

 Cảm biến hoạt động liên tục: Liên tục ghi nhận và phản ứng với sựchuyển động một cách liên tục.

 Cảm biến hoạt động đơn lập: Chỉ phản ứng khi có sự chuyển độngxảy ra và sau đó ngưng hoạt động.

 Cảm biến chuyển động trong robot: Được sử dụng để theo dõi vàđiều khiển chuyển động của robot.

a.Cảm biến hồng ngoại Cảm biến hồng ngoại (IR sensor) được hiểu là thiết bị điện tự động hoạt động dựa trên nguyên tắc điện tử điện dung Thiết bị này sử dụng để đo và phát hiện các bức xạ hồng ngoại Trong đó,bức xạ hồng ngoại là các nguồn sáng mà mắt người không thể nhìn thấy được, do bước sóng hồng ngoại rộng hơn với ánh sáng khả biến.

b.Cảm biến lực Cảm biến lực là một thiết bị hoặc sensor được sử dụng để đo lực tác động lên nó Chúng thường được áp dụng trong nhiều lĩnh vực, từ công nghiệp đến y tế và khoa học Cảm biến lực là một phần quan trọng của hệ thống đo lường và kiểm tra, giúp ghi nhận và chuyển đổi lực thành tín hiệu điện tử có thể đo và xử lý.c.Cảm biến laze

Cảm biến laser là một thiết bị cảm biến sử dụng tia laser để đo lường các đại lượng vật lý như độ dài, lưu lượng, tốc độ… Được thiết kế bộ chuyển đổi quang điện bên trong, các tín hiệu quang thu được từ cảm biến sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện và xử lý.

1.3.5 Nguyên lý hoạt động

Cảm biến chuyển động, như cảm biến hồng ngoại hoặc sóng siêu âm, phát ra tia tín hiệu trong phạm vi hoạt động của nó Khi một vật thể xuất hiện trong khu vực đó, các tia tín hiệu này sẽ bị tán xạ và bị ngắt Sau đó, cảm biến sẽ gửi một tín hiệu báo động tới trung tâm điều khiển đã được cài đặt trước đó.

Phần 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ SỬ DỤNG CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ KHOẢNG CÁCH VÀO MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VẬT THỂ.

2.1 Ý tưởng

Nhóm chúng em dùng cảm biến siêu âm và cảm biến hồng ngoại để xây dựng một cái mô hình về hệ thống radar phát hiện vật thể và đặt biệt nếu vật thể chuyển động có nhiệt thì sẽ đc cảnh báo về hệ thống để giúp phát hiện những cáivật thể nguy hiểm để phòng bị kịp thời để ứng dụng vào mô hình phát hiện vật thể trong quân sự

2.2 Lựa chọn linh kiện và thông số kĩ thuật.

2.2.1 Cảm biến HC-SRO4 và cảm biến hồng ngoại

Cảm biến siêu âm HC-SRO4

• Điện áp hoạt động: + 5V

• Khoảng cách đo lý thuyết: 2cm đến450cm

• Khoảng cách đo thực tế: 2cm đến80cm

• Độ chính xác: 3mm

• Góc đo được bao phủ: <15 °• Dòng điện hoạt động: <15mA• Tần số hoạt động: 40Hz