Cảm biến tiệm cận – Đặc điểm, Nguyên lý hoạt động và ứng dụng cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận dùng phát hiện vật thể kim loại từ tính, kim loại không từ tính (như Nhôm, đồng..) sử dụng cảm biến loại điện cảm (Inductivity Proximity Sensor) và phát hiện vật phi kim sử dụng loại cảm biến tiệm cận kiểu điện dung (Capacitve Proximity Sensor). Hay là dạng cảm biến quen thuộc có trong mỗi chiếc Smartphone, nhưng đến nay vẫn còn rất nhiều người chưa biết cảm biến tiệm cận là gì? Có những loại cảm biến tiệm cận nào? Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng ra sao, nó có vai trò gì trong các thiết bị điện tử hiện đại. Bài viết sau, Thế giới Điện cơ xin tổng hợp đầy đủ nội dung liên quan đến cảm biến tiệm cận như đã nêu nhé!

Bạn đang xem: Cảm biến tiệm cận – Đặc điểm, Nguyên lý hoạt động và ứng dụng cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận là gì?

Cảm biến tiệm cận (còn được gọi là “Công tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là “PROX” tên tiếng anh là Proximity Sensors) phản ứng khi có vật ở gần cảm biến. Trong hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài mm. Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác của máy. Đặc biệt cảm biến này hoạt động tốt ngay cả trong những môi trường khắc nghiệt.

Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện. Có 3 hệ thống phát hiện để thực hiện công việc chuyển đổi này: hệ thống sử dụng dòng điện xoáy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ, hệ thống sử dụng sự thay đổi điện dung khi đến gần vật thể cần phát hiện, hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ.

Đặc điểm cảm biến tiệm cận

• Phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, không tác động lên vật, khoảng cách xa nhất tới 30mm.
• Hoạt động ổn định, chống rung động và chống shock tốt.
• Tốc độ đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn (limit switch).
• Đầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi.
• Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt

Phân loại cảm biến tiệm cận

Có hai loại cảm biến tiệm cận chính có thể kể đến. Đó là loại cảm ứng từ và loại điện dung.

Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ

• Cảm ứng từ loại có bảo vệ (Shielded): Từ trường được tập trung trước mặt sensor nên ít bị nhiễu bởi kim loại xung quanh, tuy nhiên khoảng cách đo ngắn đi.
• Cảm ứng từ loại không có bảo vệ (Un-Shielded): Không có bảo vệ từ trường xung quanh mặt sensor nên khoảng cách đo dài hơn, tuy nhiên dễ bị nhiễu của kim loại xung quanh.

Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng điện dung

Cảm ứng này phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện 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 30mm và gặp vật thể thì nó sẽ phát tín hiệu truyền về bộ xử lý

Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận cảm ứng từ

• Cảm biến từ tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở đầu cảm ứng. Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao động quanh nó. Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát.
• Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòng điện xoáy) trong vật.
• Những dòng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh của từ trường giảm đi.

• Mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đó thay đổi đầu ra. vật đã được phát hiện.
• Vì nguyên tắc vận hành này sử dụng trường điện từ nên cảm biến tiệm cận vượt trội hơn cảm biến quang điện về khả năng chống chịu với môi trường. Ví dụ: dầu hoặc bụi thường không làm ảnh hưởng đến sự vận hành của cảm biến.
• Đầu ra của Cảm biến Cảm ứng
• Ngày nay, hầu hết cảm biến cảm ứng đều có đặc điểm đầu ra tranzito có logic NPN hoặc PNP. Những loại này còn được gọi là kiểu DC-3 dây.
• Trong một số trường hợp cài đặt, người ta sử dụng cảm biến tiệm cận có 2 kết nối (âm và dương). Chúng được gọi là kiểu DC-2 dây (xem sơ đồ bên dưới).

Chế độ hoạt động Thường Mở/Thường Đóng

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

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

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

• Di chuyển chuột (=vật) của bạn qua cảm biến để làm bóng đèn sáng, hãy xem ví dụ minh họa tương tự với đầu ra thường đóng (NC). Bóng đèn tắt ngay khi vật (chuột) di chuyển đến gần cảm biến.
• Cảm biến tiệm cận có cả hai đầu ra NO và NC được gọi là kiểu đối lập.
• Lưu ý: Kiểu NO/NC dùng cho cả cảm biến điện cảm và cảm biến điện dung. Hình này trình bày cảm biến điện dung.
• Cảm biến Cảm ứng Được bảo vệ / Flush / Shielded

• Cảm biến tiệm cận được bảo vệ có cấu tạo gồm một tấm chắn quanh lõi từ. Tấm này có tác dụng dẫn trường điện từ đến trước phần đầu.
• Cảm biến tiệm cận được bảo vệ có thể được lắp chìm bằng mặt trên bề mặt kim loại, nếu không gian chật hẹp. Điều này cũng có lợi là có thể bảo vệ cảm biến về mặt cơ học.
• Tuy nhiên, phạm vi phát hiện bị hạn chế, nhưng có thể lắp cảm biến dễ dàng với các kim loại xung quanh mà không gây ra ảnh hưởng nào.
• Cảm biến Cảm ứng Không được bảo vệ / Non-Flush / UnShielded
• Cảm biến không được bảo vệ, không có lớp bảo vệ quanh lõi từ. Sự khác biệt giữa cảm biến được bảo vệ và không được bảo vệ có thể quan sát được một cách dễ dàng.

Thiết kế này cho khoảng cách phát hiện lớn hơn cảm biến tiệm cận được bảo vệ. Cảm biến không được bảo vệ có khoảng cách phát hiện gần gấp đôi so với loại được bảo vệ có cùng kích thước đường kính.

Không thể lắp Cảm biến tiệm cận không được bảo vệ chìm bằng mặt với bề mặt kim loại Do đó, khả năng bảo vệ về mặt cơ học thấp hơn. Vì từ trường mở rộng ra tới cạnh của cảm biến, nên có thể bị ảnh hưởng của những kim loại trong khu vực này. Cảm biến tiệm cận không được bảo vệ cũng nhạy cảm hơn với giao thoa hỗ tương.

Cảm biến tiệm cận Loại Cảm Ứng Điện Dung

Nguyên Tắc Hoạt Động:

Phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (sự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), có thể phát hiện tất cả vật thể.

Ứng dụng của cảm biến tiệm cận

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

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, có thể phát hiện những vật kim loại nhỏ, đáp ứng cho những ứng dụng cần cảm biến có kích thước nhỏ.

• Kích thước thân: M4, M5, M8, M12, M18, M30.
• Vật liệu thân bên ngoài: inox, nickel-plated brass.
• Kiểu điện áp: 2 hoặc 3 dây DC và 2 dây AC (20-250VAC).
• Phạm vi : 0.8~22mm
• Kết nối cáp có sẵn hoặc jack cắm M8, M12.
• Tần số hoạt động: 1khz đến 2 kHz.
• Nhiệt độ hoạt động: -25 đến 70 độ C.

Cảm biến tiệm cận với thiết kế dạng thân vuông

Cảm biến tiệm cận được thiết kế dưới dạng kích thước nhỏ gọn (compact size). Thân được thiết kế bằng kim loại hoặc bằng nhựa, mặt cảm biến dạng rồi, hoặc dạng phẳng.

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

Cảm biến tiệm cận với thiết kế chịu nhiệt cao

Cảm biến tiệm cận được thiết kế có khả năng làm việc trong môi trường có nhiệt độ cao, với kích thước nhỏ gọn, hoạt động với tần số cao có thể đáp ứng các yêu cầu khắc nghiệt của môi trường cũng như các ứng dụng.

• Tần số hoạt động: 3000 Hz.
• Nhiệt độ hoạt động: -25 – 120 độ C.
• IP: 67
• Điện áp: 10 – 30 VDC.
• Cáp kết nối: Silicon 2 mét.
• Ngõ ra: NPN hoặc PNP

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

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

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

Một số lưu ý khi sử dụng cảm biến tiệm cận

• Ta phải xác định mình đang đo cái gì?
• Tốc độ xử lý của cảm biến nhanh hay chậm; và độ chính xác khu vực đo có cần chính xác cao không?
• Kiểm tra sức ảnh hưởng của môi trường xung quanh khu vực đo xem có lượng từ trường lớn như nam châm không; để tìm biện pháp xử lý vì đây là một trong những nguyên nhân gây sai số trong khi đo của cảm biến
• Khu vực đo rung hay không?
• Nhiệt độ môi trường cao không ?
• Khoảng cách cảm biến đo tới vật cần đo là bao nhiêu ?
• Tuy vào nhu cầu của các nhà máy khác nhau mà chúng ta nên kiểm tra kỹ và chọn mua những loại cảm biến thích hợp đáp ứng tốt nhu cầu cần đo

Chọn Cảm biến tiệm cận

Nếu muốn chọn đúng cảm biến tiệm cận cho một ứng dụng, cần phải lưu ý đến một số điều sau:

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

Đăng bởi: Trường Tiểu học Thủ Lệ

Chuyên mục: Tổng hợp