Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận là gì?

Cảm biến tiệm cận là thiết bị được dùng để phát hiện vật thể kim loại từ tính, kim loại không từ tính. Ngày nay cảm biến tiệm cận ngày càng trở nên phổ biến. Chúng được ứng dụng phổ biến trong hầu hết mọi lĩnh vực. Vậy cảm biến tiệm cận là gì? Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận như thế nào? Theo dõi bài viết dưới đây để tìm hiểu thêm về cảm biến tiệm cận là gì nhé!

Cảm biến tiệm cận là gì?

Cảm biến tiệm cận hay tên tiếng anh còn gọi là Proximity Sensors. Chúng còn có tên gọi khác là công tắc tiệm cận hoặc chỉ đơn giản là “PROX. Là phản ứng khi có vật ở gần cảm biến. Trong hầu hết các trường hợp thì khoảng cách này chỉ có khoảng vài mm. Cảm biến tiệm cận có thể hoạt động tốt được ngay cả ở trong môi trường khắc nghiệt nhất. Chúng thường được dùng để phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động.

Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc sự xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện. Có 3 hệ thống phát hiện để có thể thực hiện được công việc này là:

• Hệ thống sử dụng dòng điện xoáy được phát ra ở trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ.
• Hệ thống sử dụng sự thay đổi điện dung khi đến gần với vật thể cần phát hiện.
• Hệ thống sử dụng nam châm
• Ngoài ra còn có cả hệ thống chuyển mạch cộng từ.

Đặc điểm của cảm biến tiệm cận

Như ở trên chúng ta đã phần nào hiểu được khái niệm cảm biến tiệm cận là gì? Vậy đặc điểm của cảm biến tiệm cận như thế nào? Dưới đây là một số đặc điểm của cảm biến tiệm cận mà chúng tôi muốn chia sẻ tới bạn đọc:

• Phát hiện vật thể mà không cần tiếp xúc, tác động lên vật trong một khoảng cách xa nhất lên tới 30mm.
• Hoạt động ổn định, chống rung và chống shock vô cùng tốt.
• Tốc độ đáp ứng yêu cầu nhanh. Ngoài ra, độ bền, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn (limit switch).
• Đầu sensor nhỏ có thể lắp đặt ở nhiều nơi.
• Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Phân loại cảm biến tiệm cận

Hiện nay có rất nhiều loại cảm biến tiệm cận khác nhau. Tuy nhiên có hai loại cảm biến tiệm cận chính là: Cảm ứng từ và loại điện dung.

Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ

Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ có 2 loại chính là: 

• Cảm ứng từ có bảo vệ (Shielded): Từ trường được tập trung ở trước mặt sensor. Chính vì vậy nên ít bị nhiễu bởi các kim loại xung quanh. Tuy nhiên nhược điểm của nó là khoảng cách đo ngắn đi.
• Cảm ứng từ không có bảo vệ (Un-Shielded): Không có bảo vệ từ trường xung quanh mặt sensor. Ưu điểm của nó là khoảng cách đo dài hơn. Tuy nhiên nhược điểm của nó là dễ bị nhiễu bởi các kim loại xung quanh.

Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung

Loại cảm ứng điện dung phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện, có nghĩa là sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor. Loại cảm biến có thể phát hiện ra tất cả vật thể.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận hoạt động theo nguyên lý trường điện từ phát ra xung quanh cảm biến với khoảng cách tối đa là 30mm. Nếu gặp vật thể thì nó sẽ phát tín hiệu truyền về bộ xử lý.

Cách vận hành của cảm biến điện cảm/điện từ

• Cảm biến từ tiệm cận bao gồm 1 cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm ứng. Sóng cao tần khi đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động xung quanh nó. Trường điện từ này sẽ được một mạch bên trong kiểm soát.
• Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này thì sẽ tạo ra một dòng điện trong vật.
• Những dòng điện này gây ra tác động tương tự như máy biến thế. Chính vì thế mà năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động sẽ từ đó giảm xuống. Độ mạnh của từ trường cũng vì thế mà giảm đi.
• Vật được phát hiện khi mạch giám sát phát hiện ra mức dao động bị giảm đi và sau đó thay đổi đầu ra.
• Vì nguyên tắc vận hành này sử dụng trường điện từ là chính nên cảm biến tiệm cận sẽ vượt trội hơn cảm biến quang điện về khả năng chống chịu với môi trường khắc nghiệt nhất. Ví dụ như: Dầu hoặc bụi sẽ thường không làm ảnh hưởng đến sự vận hành của loại cảm biến.
• Ngày nay, hầu hết cảm biến cảm ứng đều có đặc điểm chính là đầu ra tranzito có logic NPN hoặc PNP. Những loại này còn được gọi với tên gọi khác là kiểu DC-3 dây.
• Trong một số trường hợp cài đặt, người ta sử dụng cảm biến tiệm cận có 2 kết nối là âm và dương. Chúng được gọi là kiểu DC-2 dây, bạn có thể xem sơ đồ bên dưới.

Chế độ hoạt động thường mở/thường đóng

Nếu được chia theo chế độ hoạt động thì cảm biến tiệm cận có hai loại là thường mở (NO) và thường đóng (NC) để mô tả tình trạng có tín hiệu đầu ra của cảm biến sau khi có hoặc không phát hiện được ra vật.

• Thường mở: Tín hiệu điện áp cao khi phát hiện được ra vật. Và tín hiệu điện áp thấp khi không có vật.
• Thường đóng: Tín hiệu điện áp cao khi không có vật. Và tín hiệu điện áp thấp khi phát hiện ra vật.

Ví dụ minh họa ở bên dưới trình bày cảm biến tiệm cận DC-2 dây có đầu ra thường mở (NO). Đầu ra sẽ hoạt động khi vật di chuyển gần cảm biến.

• Di chuyển chuột của bạn qua cảm biến để làm bóng đèn sáng lên. Bạn hãy xem ví dụ minh họa tương tự với đầu ra thường đóng (NC). Bóng đèn sẽ tắt ngay khi vật (chuột) di chuyển đến gần với cảm biến.
• Cảm biến tiệm cận có cả hai đầu ra là NO và NC được gọi là kiểu đối lập.
• Cảm biến tiệm cận được bảo vệ có cấu tạo bao gồm một tấm chắn quanh lõi từ. Tấm này có tác dụng chính là dẫn trường điện từ đến trước phần đầu.

• Nếu không gian chật hẹp thì cảm biến tiệm cận được bảo vệ có thể được lắp chìm bằng mặt trên bề mặt của kim loại. Ưu điểm của cách này là có thể bảo vệ cảm biến về mặt cơ học. Tuy nhiên, phạm vi phát hiện sẽ bị hạn chế.
• Cảm biến tiệm cận không được bảo vệ là loại cảm biến không có lớp bảo vệ quanh lõi từ.
• Sự khác biệt lớn nhất giữa cảm biến được bảo vệ và không được bảo vệ có thể quan sát được một cách vô cùng dễ dàng.

Ứng dụng của cảm biến tiệm cận

• Kiểm tra gãy mũi khoan: Cảm biến tiệm cận sẽ xuất tín hiệu báo khi khoan bị gãy mũi. Trong trường hợp này vì mũi khoan là khá nhỏ nên việc sử dụng sensor có bộ khuếch đại rời là phù hợp nhất.
• Phát hiện Palette đi ngang qua: Trong các ứng dụng phát hiện có hoặc không có vật kim loại sắt từ thì cảm biến tiệm cận loại E2E, E2B của Omron là sự lựa chọn hoàn hảo nhất.
• Phát hiện lon nhôm: Trong một số ứng dụng cần phân loại và phát hiện giữa nhôm và các kim loại khác thì loại cảm biến chỉ phát hiện nhôm/đồng là sự lựa chọn phù hợp nhất.
• Đếm lon bia sản xuất trong ngày: Sử dụng sensor tiệm cận loại cảm ứng từ E2E, E2B của thương hiệu Omron để phát hiện lon bia nhôm sản xuất trong ngày. Tín hiệu từ sensor xuất ra khi phát hiện lon nhôm sẽ được đưa về bộ đếm counter. Sau đó counter sẽ hiển thị chính xác số lượng lon bia sản xuất trong từng ca, từng ngày.
• Phát hiện hoặc đếm vật kim loại: Loại cảm biến E2EV được dùng trong các ứng dụng chỉ cần phát hiện có hoặc không có vật kim loại mà không cần phân biệt kim loại nào.
• Giám sát hoạt động của khuôn dập: Sử dụng sensor tiệm cận loại cảm ứng từ E2E,E2B của thương hiệu Omron để phát hiện và đếm số lần khuôn dập trong ngày là một lựa chọn hoàn hảo nhất.

Một số dạng cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận với thân thiết kế dạng trụ M4, M5, M8

Với kích thước siêu nhỏ, loại cảm biến tiệm cận này có thể dùng để phát hiện những vật kim loại nhỏ. Nó có thể đáp ứng được cho những ứng dụng cần cảm biến có kích thước nhỏ.

• Kích thước thân: M4, M5, M8, M12, M18 hay M30.
• Vật liệu thân bên ngoài được làm bằng inox, nickel-plated brass.
• Kiểu điện áp là: 2 hoặc 3 dây DC và 2 dây AC (20-250VAC).
• Phạm vi trung bình là: 0.8~22mm.
• Kết nối bằng cáp có sẵn hoặc jack cắm M8, M12.
• Tần số hoạt động: 1khz – 2 kHz.
• Nhiệt độ hoạt động: -25 – 70⁰C.

Cảm biến tiệm cận với thiết kế dạng thân vuông

Cảm biến tiệm cận loại này được thiết kế dưới dạng kích thước nhỏ gọn hay còn được gọi là compact size. Thân cảm biến tiệm cận loại này được thiết kế bằng kim loại hoặc bằng nhựa. Mặt cảm biến có dạng rồi, hoặc dạng phẳng.

• Sử dụng điện áp DC 2 dây 20-250VAC/DC, 3 hay là 4 dây.
• Khoảng cách hoạt động trung bình: 30mm.
• Khả năng chống nước với IP67.
• Tần số hoạt động trung bình từ 25 – 40 Hz.

Cảm biến tiệm cận với thiết kế chịu nhiệt cao

Cảm biến tiệm cận loại này được thiết kế với khả năng làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao. Kích thước vô cùng nhỏ gọn. Chúng hoạt động với tần số cao nên có thể đáp ứng được các yêu cầu khắc nghiệt nhất của môi trường cũng như các ứng dụng.

• Tần số hoạt động là: 3000 Hz.
• Nhiệt độ hoạt động trung bình là: -25 – 120⁰C.
• IP: 67.
• Điện áp là: 10 – 30 VDC.
• Cáp kết nối: Silicon 2 mét.
• Ngõ ra là: NPN hoặc PNP.

Cảm biến tiệm cận với ngõ ra analog 4-20mA hoặc 0-10VDC

Cảm biến tiệm cận loại này được thiết kế sử dụng trong việc đo khoảng cách tiếp xúc các cơ cấu máy móc với một khoảng cách gần và có tần số thay đổi khoảng cách cao.

• Ngõ ra 3 dây đối với 0-10VDC và còn 2 dây đối với 4-20mA.
• Nguồn cấp chính là: 12-24VDC.
• Kích thước đường kính là: M18, M30.
• Ngõ ra là: 0-10mA, 4-20mA hoặc 0-10VDC.
• Khoảng cách hoạt động: Trung bình 0.8-8mm đối với M18 và 1.5-15mm đối với M30.

Một số lưu ý khi sử dụng cảm biến tiệm cận

Khi sử dụng cảm biến tiệm cận, bạn nên đặt ra một số câu hỏi và tìm cho mình những câu trả lời riêng như: 

• Bạn phải xác định được mình đang đo cái gì?
• Tốc độ xử lý của cảm biến thuộc loại nhanh hay chậm?
• Độ chính xác khu vực đo có cần độ chính xác cao hay không?
• Kiểm tra xem sức ảnh hưởng của môi trường xung quanh khu vực. Bạn nên đo xem có lượng từ trường lớn như nam châm hay không. Vì đây là một trong những nguyên nhân chính gây sai số trong khi đo của cảm biến.
• Khu vực đo có rung hay không?
• Nhiệt độ môi trường cao hay thấp?
• Khoảng cách giữa cảm biến đo tới vật cần đo là khoảng bao nhiêu?

Tùy thuộc vào nhu cầu của các nhà máy  mà chúng ta nên kiểm tra kỹ và chọn mua những loại cảm biến phù hợp để đáp ứng tốt nhu cầu cần đo.

Chọn cảm biến tiệm cận

Khi chọn mua cảm biến tiệm cận, bạn cần phải lưu ý đến một số điều như sau:

• Nguồn cấp;
• Kích thước và đường kính cảm biến;
• Tín hiệu ra (PNP, NPN, NC, NO);
• Dạng được bảo vệ hay không có bảo vệ đầu dò;
• Kết nối dạng dây hay là plug M12;
• Hiện tại ở trên thị trường có nhiều hãng cung cấp dạng cảm biến tiệm cận điển hình như: Omron, Autonics, Keyence, Steute, Rechner, Xecro, Astech…

Trên đây là toàn bộ thông tin về cảm biến tiệm cận là gì mà thietbikythuat muốn chia sẻ tới bạn đọc. Hy vọng qua bài viết giúp bạn có thêm được cho bản thân nhiều thông tin bổ ích.