báo cáo tìm hiểu về cảm biến siêu âm hc sr04

Các kiến thức liên quan đến cảm biếnHC-SR04 bao gồm nguyên lý sóng siêu âm, cách cảm biến phát và thu sóng đểđo khoảng cách, và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu thu được

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

~~~~o0o~~~~~

BÁO CÁO Tìm hiểu về cảm biến siêu âm HC-SR04

Môn học : Kỹ thuật đo lường và cảm biến

Giảng viên hướng dẫn : Đinh Trần HiệpSinh viên thực hiện : Nguyễn Ngọc Thái - 21021367

Nguyễn Cảnh Quân - 21021357Trần Đức Thành - 21021369Nguyễn Đức Thắng - 21021371

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU: 1

Tổng quan về sóng âm: 1

 Ưu điểm và hạn chế của cảm biến sóng siêu âm: 2

 Cảm biến siêu âm công nghiệp: 4

 Cảm biến siêu âm trong đời sống hàng ngày: 4

Giới thiệu về cảm biến HC- SR04: 6

 Ưu nhược điểm của module cảm biến siêu âm HC-SR04: 6

Thông số kỹ thuật của cảm biến: 7

 Chi tiết cấu tạo và chức năng của 4 chân kết nối 8

 Nguyên lý hoạt động của HC- SR04: 9

 Các yếu tố dẫn đến lỗi và sai số cho cảm biến 10

THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM ĐO KHOẢNG CÁCH TRÊN CẢM BIẾN 11

Quy trình thiết kế thực nghiệm 11

 Xác định góc mở của cảm biến siêu âm: 12

 Xác định khoảng cách làm việc tối đa và tối thiểu của cảm biến: 14

 Xác định vùng mù của cảm biến siêu âm: 16

 Kiểm tra sự hội tụ của phép đo khi ở cùng một khoảng cách: 17

 Xác định sai số của cảm biến: 20

 Kiểm tra sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến kết quả đo: 22

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:

Tại môn học này, chúng em tập trung nghiên cứu về cảm biến, đặc biệt làkhía cạnh về kiến thức, cách sử dụng, và áp dụng nó trong đo đạc Đối tượngnghiên cứu là cảm biến siêu âm HC-SR04, một thiết bị quan trọng trong lĩnhvực tự động hóa và kỹ thuật đo lường Các kiến thức liên quan đến cảm biếnHC-SR04 bao gồm nguyên lý sóng siêu âm, cách cảm biến phát và thu sóng đểđo khoảng cách, và các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của dữ liệu thu được(nhiệt độ) Bên cạnh đó, chúng em cũng có tìm hiểu quy trình thực nghiệm cảmbiến Quy trình này bao gồm cả thiết lập, hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xácvà đáng tin cậy, cũng như việc tích hợp cảm biến vào các ứng dụng cụ thể nhưxe tự động hoặc thùng rác tự động

Tiêu chí đặt ra:

Khi đặt ra tiêu chí, chúng em đã xác định những yếu tố quan trọng nhấtđể đảm bảo hiệu suất và ứng dụng hiệu quả của nó trong thực tế Một số tiêu chíquan trọng có thể đề cập đến như: độ chính xác, độ ổn định và hiệu năng trêngiá thành Về độ chính xác, yêu cầu một mức độ chính xác cao nhất định trongviệc đo đạc khoảng cách, giúp đảm bảo rằng dữ liệu thu được là đáng tin cậy.Về độ ổn định, yêu cầu cảm biến giữ vững và ổn định trong nhiều điều kiện môitrường khác nhau, bao gồm cả sự biến động của nhiệt độ và đảm bảo khả nănglàm việc đồng bộ và tin cậy, đặc biệt là khi tích hợp vào các hệ thống thời gianthực Cuối cùng, về giá thành, xác định giá trị chi phí của cảm biến, đảm bảorằng nó cung cấp hiệu suất tốt trong mức giá hợp lý

Mục tiêu nghiên cứu:

Sau môn học này, bọn em đã nghiên cứu và tiếp nhận thêm nhiều kiếnthức về cảm biến cũng như cách ứng dụng vào thực tế Ở đây có thể kể đến như

kiến thức từ các môn như phương pháp tính để phân tích số liệu đã thu đượcqua thực nghiệm, đồng thời cũng tạo cơ hội cho chúng em sử dụng các phầnmềm như Matlab hay Excel để biểu diễn các kết quả đo một cách chi tiết cũngnhư bao quát được thông tin nhất.

MỞ ĐẦU:

Hiện nay sóng siêu âm đang được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực đời sốngvà sản xuất Trong lĩnh vực công nghiệp, sóng siêu âm được sử dụng trong kiểm trachiều dày, độ đồng đều hay phát hiện khuyết tật nằm trong các khối vật liệu Tronglĩnh vực y học, sóng siêu âm được sử dụng trong siêu chẩn đoán và một số ứng dụngkhác Sóng siêu âm với các đặc điểm riêng biệt có thể được sử dụng trong ứng dụngđo khoảng cách một cách chính xác Trong một số ứng dụng thuộc lĩnh vực điều khiểntự động, cảm biến siêu âm được sử dụng để đo khoảng cách từ cảm biến đến vật cản,qua đó vi xử lý trung tâm có thêm thông tin để đưa ra các quyết định phù hợp tiếptheo Nguyên lý hoạt động dựa trên nguyên lý thu và phát sóng siêu âm: khoảng cáchtừ cảm biến đến vật chắn được xác định căn cứ vào khoảng thời gian giữa hai thờiđiểm phát và thu sóng siêu âm phản xạ Đây là nền tảng cho các ứng dụng như đo tốcđộ chuyển động, đo chiều dài vật hay cảnh báo va chạm trong cự ly không quá xa

Tổng quan về sóng âm:

Trong vật lý, sóng âm là những dao động được lan truyền trong môi trường vậtchất theo thời gian Cụ thể, trong quá trình dao động, các phân tử thuộc môi trườngbao quanh sẽ được nhận một phần năng lượng từ nguồn gây ra dao động và bắt đầulệch khỏi vị trí cân bằng; dưới tác dụng của lực liên kết đàn hồi giữa các phần tử,chúng sẽ quay trở lại vị trí cân bằng ban đầu nhưng sau đó tiếp tục chuyển động theoquán tính Nói cách khác, sự dịch chuyển của mỗi phần tử làm cho những phân tửbên cạnh lệch khỏi vị trí cân bằng và thực hiện dao động Kết quả của hiện tượng nàyđó là dao động đã được truyền lan từ nguồn phát dao động cho đến các phần tử ở xa.Quá trình lan truyền sóng của sóng âm và sóng điện từ đó là hoàn toàn khác nhau: sựtruyền sóng âm chỉ thực hiện được trong môi trường có xuất hiện lực liên kết đàn hồihay nói cách khác môi trường lan truyền là môi trường vật chât đàn hồi trong khi sóngđiện từ có thể truyền được trong chân không Căn cứ vào tần số sóng âm phát ra, sóngâm được chia làm ba loại như hạ âm, sóng âm gây cảm giác âm và siêu âm Sóng siêu

MHz đối với chất lỏng hay chất rắn Trong thực tế, sóng siêu âm được chia ra thànhsóng siêu âm tần số thấp, năng lượng cao (20kHz-100kHz) và sóng siêu âm tần số cao,năng lượng thấp (2MHz-10MHz).

Siêu âm là một loại âm thanh mà vượt qua khỏi giới hạn nghe của tai người Thôngthường tai người có thể nghe được tần số trong giới hạn 20.000 Hz trở xuống Cònsiêu âm thì thường có tần số từ 20.000Hz trở lên

Ngoài siêu âm thì ta còn có 1 khái niệm khác là hạ âm Hạ âm là loại âm thanh có tần số rất thấp, chỉ vào khoảng dưới 20 Hz Vậy thì cảm biến siêu âm chính là 1 loại cảm biến hoạt động dựa trên sóng siêu âm Ta có thể hiểu đơn giản là vậy

 Ưu điểm và hạn chế của cảm biến sóng siêu âm:

Cảm biến sóng siêu âm có những ưu - nhược điểm riêng mà người dùng cần tìmhiểu kỹ Cụ thể như sau:

Ưu điểm cảm biến sóng siêu âm:

 Giúp đo khoảng cách, xác định tốc độ vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp Do vậy, loại cảm ứng này linh hoạt đo được nhiều loại vật chất khác

nhau, môi trường khắc nghiệt mà con người không thể làm việc. Cảm biến sóng siêu âm có độ nhạy cao, phản hồi tín hiệu trong vài giây,

từ đó giúp con người hoặc hệ thống xử lý tình huống hiệu quả Sai số trung bình của loại cảm biến này khá thấp, chỉ 0.15%, trong phạm vi 2m

Hạn chế của cảm biến sóng siêu âm:

 Cảm biến sóng siêu âm sẽ dễ bị nhiễu tín hiệu nếu không lắp đặt đúng cách.

 Chi phí cho cảm biến sóng siêu âm thường khá cao, cao hơn so với mặt bằng chung các loại cảm biến cùng chức năng

 Có 1 khoảng cách mà thông thường cảm biến siêu âm không đo được; được gọi là vùng mù của cảm biến siêu âm Khoảng cách này thường nằm phía dưới bộ phận phát sóng Khoảng cách xa hay gần là tùy thuộc vào nhà sản xuất

Ứng dụng của cảm biến sóng siêu âm:

Ứng dụng trong điều khiển, lái xe ô tô an toàn, với cảm biến sóng siêu âm đượcgắn vào đầu hoặc đuôi xe để xác định vật thể, cảnh báo người điều khiển Cảmbiến giúp xác định vật cản, cảnh báo va chạm cho người lái xe ô tô

 Ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp: Xác định lỗi linh kiện, sản phẩm, đo mức nhiên liệu

 Cảm biến vân tay trên màn hình điện thoại ứng dụng cảm biến sóng siêu âm

 Cảm biến đo mức nước trong các bồn chứa để cảnh báo tràn, kiểm soát mực chất lỏng an toàn

 Cảm biến siêu âm công nghiệp:

Đối với các loại cảm biến siêu âm dùng trong công nghiệp, nó thườngđược dùng để kiểm tra khoảng cách chất lỏng, dùng trong các máy hàn siêu âm,kiểm tra phát hiện dị tật của sản phẩm, …

Ứng dụng cảm biến siêu âm trong công nghiệp

 Cảm biến siêu âm trong đời sống hàng ngày:

Đơn giản nhất và thường thấy nhất là khi bạn có em bé, bác sĩ sẽ yêu cầu bạn“đi siêu âm” Đó chính là ứng dụng của cảm biến siêu âm trong đời sống

Cảm biến siêu âm phát hiện vật cản trên xe ô tô

Ngoài ra thì cảm biến siêu âm còn có một số ứng dụng khác: cảm biến siêu âm dùng để phát hiện có người trong phòng, cảm biến siêu âm dùng để định vị xe ô tô

Giới thiệu về cảm biến HC- SR04:

Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một dạng cảm biến module Cảm biến này thường chỉ là một bản mạch, hoạt động theo nguyên lý thu phát sóng siêu âm bởi 2 chiếc loa cao tần HC-SR04 thường được kết hợp với các bộ arduino, PIC, AVR,… đểchạy một số ứng dụng như : phát hiện vật cản trên xe robot, đo khoảng cách vật, sạc không dây, máy tạo độ ẩm, siêu âm y tế, sóng siêu âm, báo trống trộm,…

 Ưu nhược điểm của module cảm biến siêu âm HC-SR04: Ưu điểm:

 Nhỏ gọn

 Giá thành rẻ

 Dễ tìm mua

 Dễ dàng lắp đặt, kết hợp với các bộ kit arduino

 Phát sóng siêu âm, có độ chính xác cao

 Phạm vi đo rộng 2-400cm

Nhược điểm:

 Hiệu suất làm việc liên tục không cao

 Không thích hợp sử dụng trong môi trường công nghiệp

 Dễ bị nhiễu tác động

Với phương trình 1, tốc độ sóng v ở đây sẽ có giá trị là 340m/s hay 0.034cm/μs, Ta cũng có thể tính khoảng cách giữa cảm biến và vật cần xác định bằngcách áp dụng phương trình 2 như sau, khi ta đã biết giá trị của biến (theo đơn vị

µs)

Giản đồ định thời của HC-SR04

 Các yếu tố dẫn đến lỗi và sai số cho cảm biến

Sóng âm là những dao động được lan truyền trong môi trường vật chấttheo thời gian, vì vậy các kết quả cho ra bởi cảm biến sẽ bị ảnh hưởng bởinhững yếu tố ngoại quan Yếu tố đầu tiên là môi trường Nhiệt độ không khí cóảnh hưởng lớn nhất đến độ chính xác đo của cảm biến siêu âm Sau khi đã đođược thời gian truyền của xung siêu âm phản xạ, cảm biến sẽ tính toán khoảngcách đến vật thể bằng cách sử dụng tốc độ của âm thanh Tuy nhiên, khi nhiệtđộ không khí thay đổi Kết quả đo cũng phụ thuộc nhiều vào đối tượng đượcthực nghiệm Với những vật có kích thước bề mặt nhỏ hơn 0.5m2 hoặc phản xạkhông tốt, cảm biến sẽ cho ra kết quả không ổn định và chính xác

Khi xảy ra vấn đề nhiệt độ cao thì lượng hơi nước bay lên bám vào đầuphát sóng gây ảnh hưởng đến kết quả đo; độ chính xác

THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM ĐO KHOẢNG CÁCH TRÊN CẢM BIẾN Quy trình thiết kế thực nghiệm:

Để tra các đặc tính của cảm biến ta thực hiện lần lượt những thí nghiệm cụ thể để kiểm định và đưa ra những thông số kĩ thuật, những yếu tố ảnh hưởng đến sự hoạt động bình thường của cảm biên siêu âm SR04 Gồm các đặc trưng về nhiệt độ môi trường, đặc trưng vật lý của cảm biến, từ đó đưa ra các sai số của phép đo, các cách hiệu chỉnh cảm biến để hướng đến kết quả đo gần giá trị chuẩn nhất Quy trình thiết kế và phân tích thực nghiệm gồm các bước:

Bước 1: Chọn lựa kế hoạch thực nghiệm Bước 2: Thực hiện thực nghiệm Bước 3: Phân tích thống kê dữ liệu thực nghiệm.

Thực hiện thực nghiệm

Kiểm tra các đặc trưng vật lý của cảm biến HC SR04:

 Xác định góc mở của cảm biến siêu âm:

Đầu tiên ta để cảm biến trên một giá đỡ và đặt trên một mặt phẳng có chiagóc như trong hình bên dưới Sau đó ta đưa 1 vật có kích thước vừa đủ đi từđiểm chính giữa so với cảm biến dần ra xa về hai phía rồi thu lại kết quả đo vàobảng

Bảng 1: Xác định góc mở của cảm biến:

Giá trị đo được

11.9611.9611.8712.0411.9712.0011.7312.1012.0011.97

12.0712.1012.1011.8312.0712.1412.2111.9712.1412.14

12.3812.0411.9312.3812.3811.7011.9312.0412.0412.38

12.9913.1212.9913.0913.1912.7512.7213.0912.5812.55

13.4013.813.8414.6914.0113.9414.6914.6913.8413.84

14.282263.432263.33251.09

16.0515.8817.20354.18Giá trị

trung bình

11.963 12.077 12.12 12.907 14,074 522.703

Sai số tuyệt đối trung bình

 Xác định khoảng cách làm việc tối đa và tối thiểu của cảm biến:

Bảng 2: kiểm tra khoảng cách làm việc của cảm biến:

1cm 2cm 3 cm 4 cm 100cm 200cm 250cm 300cm 400cm 410cmGiá

trị đo được

2265.22265.22265.22266.22265.62267.72265.42265.72266.82266.12265.82266.82265.92266.32267.4

6.63.604.284.593.093.23.203.203.093.603.603.133.432.963.13

3.213.213.142.863.243.243.213.243.542.602.942.843.643.203.33

4.114.114.084.084.053.764.053.644.054.054.053.943.643.943.76

99.4599.8998.9198.9198.94100.198.91100.1699.8999.0198.9499.4299.8699.7698.94

199.48197.91200.19197.67198.93197.95198.05199.41197.91199.88198.42199.03198.08198.46199.88

245.95245.24245.34245.34246.2245.27245.4245.68245.48245.89245.41245.95245.44245.51246.43

293.11293.86293.86293.4294.2294.06293.59293.55294.10294.40293.93294.37293.4293.52293.86

392.15392.32393.17392.42392.42391.91392.87392.80394.06391.95393.65393.72394.12392.91392.42

2248.02247.9404.902248.9403.64403.152248.72248.62250.52249.62250.62251.22250.22249.12249.2

Giá trị trung bình

2266.0 3.65 3.16 3.954 99.406 198.75 245.64 293.81 392.86 1880.2

Sai sốtuyệt đối trung

2265 1.65 0.16 0.046 0.594 1.25 4.365 6.19 7.14 1470.2

Kết luận:

Dựa vào dữ liệu bảng trên ta có thể thấy: Trong khoảng từ (0; 2cm) và 400 cm trở lên thì cảm biến đưa ra kết quả

đo sai. Từ 3cm đến 200cm, cảm biến đưa ra kết quả tương đối chính xác với sai

số nhỏ. Từ 200cm đến 400cm, cảm biến đưa ra kết quả với sai số khá lớn

Hình ảnh đo vật ở khoảng cách 4cm.

 Xác định vùng mù của cảm biến siêu âm:

Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một cảm biến khoảng cách sử dụng sóngsiêu âm để đo khoảng cách từ cảm biến đến vật thể Tuy nhiên, như mọi cảm

biến, nó cũng có một số hạn chế, trong đó có khái niệm vùng mù hay được gọilà “dead zone”.

Vùng mù của cảm biến siêu âm HC-SR04 là khoảng không gian gần cảmbiến mà nó không thể đo được đúng khoảng cách Điều này xảy ra do thời gianmà sóng siêu âm mất để đi và trở lại từ vật thể Cảm biến HC-SR04 sử dụngnguyên lý đo khoảng cách bằng cách gửi một tín hiệu siêu âm và theo dõi thờigian mà sóng siêu âm mất để quay trở lại Tuy nhiên, trong thời gian này, cảmbiến không thể nhận biết được những sóng siêu âm phản xạ từ vật thể nằm trongvùng mù



hiệu quả Trong một hệ thống máy móc khi bắt đầu vận hành khoảng thời giankhông hiệu quả đó người ta gọi là khoảng thời gian không ổn định, máy móc sẽhoạt động với những sai số rất lớn đạt độ chính xác không cao Tuy nhiên, hầuhết các hệ thống sau một khoảng thời gian nhất định thì các sai số sẽ giảm dầnvà đạt độ ổn định nhất định khi đến ngưỡng thời gian đó Thời gian đó gọi làthời gian để hệ thống hoạt động ổn định Vây thời gian ổn định đó được xác địnhnhư thế nào Trong toán học có một khái niệm về độ lệch chuẩn và nó là một đạilượng thống kê dùng để đo mức độ phân tán của một tập dữ liệu

Độ lệch chuẩn của một tập dữ liệu tính theo công thức:

Trong đó:S: Độ lệch chuẩn của mẫuX: Trung bình của mẫuXi: Thành phần thứ i của mẫun: Tổng số thành phần của mẫu

Để minh hoạ cho điều đó, dưới đây là bảng dữ liệu (150 giá trị) về khoảng cách10 cm khi đo cùng một điều kiện:

Bảng 3: dữ liệu về đo khoảng cách 10cm:

9.839.839.939.939.839.839.939.939.799.839.939.939.8

9.8310.279.799.899.939.839.839.939.9310.279.869.869.9

9.939.839.869.839.9310.379.869.8610.3710.379.969.8610

10.2710.2710.2710.3710.3710.2710.2710.2710.2710.3710.3710.2710

10.379.939.839.839.939.939.839.839.939.939.839.839.8

9.839.939.869.839.839.939.939.839.839.899.939.839.8

9.839.939.939.839.839.869.939.839.839.839.939.839.8

9.839.839.939.939.839.839.939.939.839.76

99.799.799.939.839.839.83

379.969.869.869.869.9610.27

2710.379.9610.2710.2710.2710.27

39.799.839.799.939.839.83

39.939.839.839.939.939.83

39.939.93

9.939.839.839.93

Dữ liệu bảng trên, được chúng em thể hiện qua hai biểu đồ bên dưới, để mọi người có cái nhìn khái quát nhất về dữ liệu

Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi của độ lệch chuẩn

Ta có thể thấy được, khoảng 70 giá trị đầu, độ lệch chuẩn của dữ liệu có sự thayđổi rõ rệt, đó cũng chính là khoảng thời gian làm việc không ổn định của cảm