Phân loại và ứng dụng của cảm biến tiệm cận

Các ứng dụng khác nhau yêu cầu các loại cảm biến tiệm cận khác nhau , với mỗi cảm biến được thiết kế để phục vụ một mục đích cụ thể. Các yếu tố khác, chẳng hạn như loại mục tiêu và phạm vi hoạt động hoặc thời gian phản hồi, cũng quyết định loại cảm biến cần sử dụng. Với lưu ý đó, thông tin trong bài viết này sẽ giúp bạn tìm ra loại cảm biến tiệm cận phù hợp nhất cho dự án của mình.

Giới thiệu về cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận là loại cảm biến không tiếp xúc phát ra trường năng lượng để phát hiện sự hiện diện—hoặc vắng mặt—của vật thể. Đây có thể là cảm biến tiệm cận cho thiết bị di động, cảm biến tiệm cận cho hệ thống an ninh hoặc các loại cảm biến tiệm cận khác nhau được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp.

Do bản chất không tiếp xúc của chúng, cảm biến tiệm cận có nhiều ưu điểm hơn cảm biến tiếp xúc. Chúng đáng tin cậy, bền và ít cần bảo trì. Chúng cũng không tạo ra bất kỳ chuyển động vật lý hoặc truyền nhiệt nào đến vật thể mục tiêu và có thể được sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Cảm biến tiệm cận có thể sử dụng sóng điện từ, ánh sáng hoặc siêu âm để phát hiện vật thể. Một số chỉ phát hiện kim loại, trong khi một số khác có thể phát hiện cả mục tiêu kim loại và không phải kim loại.

Tuy nhiên, một số loại cảm biến tiệm cận có phạm vi phát hiện xa hơn những loại khác, v.v. Cảm biến tiệm cận và các loại cảm biến này trên thế giới ngày nay sẽ được thảo luận trong phần tiếp theo.

Phân loại cảm biến tiệm cận

Dựa trên các dạng công nghệ phát hiện khác nhau, cảm biến tiệm cận được phân loại thành năm loại: Cảm biến tiệm cận cảm ứng; Cảm biến tiệm cận điện dung; Cảm biến tiệm cận siêu âm; Cảm biến tiệm cận từ tính; và Cảm biến tiệm cận quang học. Tìm hiểu về các loại cảm biến tiệm cận này, bao gồm các mục đích sử dụng khác nhau của chúng, bên dưới.

Cảm biến tiệm cận cảm ứng

Cảm biến tiệm cận cảm ứng được gọi như vậy vì sử dụng các nguyên lý cảm ứng để phát hiện sự hiện diện của mục tiêu kim loại mà không cần tiếp xúc vật lý. Một trong những loại cảm biến phổ biến nhất là cảm biến tiệm cận dòng điện xoáy.

Các cảm biến này chủ yếu bao gồm một bộ dao động, một cuộn dây quanh lõi ferit và một bộ kích hoạt Schmitt. Sau đây là cách hoạt động của cảm biến tiệm cận cảm ứng:

• Trong quá trình hoạt động, bộ dao động tạo ra dòng điện xoay chiều tạo ra từ trường điện từ xoay chiều xung quanh cuộn dây.
• Trường này phát ra từ cuộn dây để tạo thành vùng phát hiện.
• Nếu một vật kim loại đi vào vùng phát hiện này, từ trường dao động sẽ tạo ra dòng điện trong vật đó. Chúng được gọi là dòng điện xoáy.
• Dòng điện xoáy sau đó bắt đầu tạo ra từ trường xoay chiều, làm nhiễu từ trường dao động ban đầu từ cảm biến và làm thay đổi các đặc tính của nó.
• Thay đổi này kích hoạt bộ kích hoạt Schmitt và cảm biến có thể phát hiện.
• Lưu ý rằng các loại cảm biến tiệm cận này không thể phát hiện các vật thể không phải kim loại vì những vật liệu như vậy sẽ không tạo ra dòng điện xoáy.

Ứng dụng: Một trong những lợi ích của cảm biến cảm ứng là khả năng hoạt động trong môi trường ô nhiễm: chúng chống lại sự hiện diện của dầu, bụi bẩn và thậm chí là hơi ẩm. Do đó, cảm biến tiệm cận cảm ứng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, ô tô và máy công cụ.

Cảm biến tiệm cận điện dung

Cảm biến tiệm cận điện dung sử dụng trường điện để phát hiện sự hiện diện của vật thể mục tiêu. Về cơ bản, nó là một tụ điện hở có tấm khác được thay thế bằng mục tiêu, trong khi không khí giữa tấm cảm biến và mục tiêu tạo thành chất điện môi. Sau đây là cách cảm biến tiệm cận điện dung hoạt động:

• Khi mục tiêu đi vào phạm vi cảm biến, nó sẽ tạo thành điện dung với tấm cảm biến, điện dung này sẽ tăng lên khi vật thể đến gần.
• Hành động này làm thay đổi giá trị điện dung của mạch, từ đó tạo ra tín hiệu điện dùng để phát hiện sự hiện diện.
• Cảm biến điện dung có thể phát hiện cả kim loại và phi kim loại. Chúng có thể là bột, hạt và chất lỏng hoặc thậm chí là vật rắn.
• Do nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung dựa trên sự tăng dần của điện dung nên tốc độ phát hiện của nó thường thấp hơn so với cảm biến cảm ứng.

Ứng dụng: Cảm biến tiệm cận điện dung được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm quy trình sản xuất thực phẩm và đồ uống, phát hiện mức, xử lý vật liệu, hệ thống điều khiển tự động hóa và các môi trường công nghiệp khác. Trong thế giới điện tử, đây là loại cảm biến tiệm cận dành cho ứng dụng cảm biến điện thoại di động hoặc máy tính bảng.

Cảm biến tiệm cận siêu âm

Cảm biến siêu âm có phần khác với cảm biến cảm ứng và cảm biến điện dung. Các loại cảm biến tiệm cận này hoạt động bằng cách phát ra sóng siêu âm—hoặc sóng âm có tần số cao hơn giới hạn trên của thính giác con người, khoảng 20 kHz. Hoạt động của cảm biến tiệm cận siêu âm được mô tả dưới đây:

• Cảm biến siêu âm bao gồm các bộ phận sau: máy phát, máy thu, bộ xử lý tín hiệu, bộ khuếch đại và mô-đun cung cấp điện và hoạt động bằng cách phát ra các xung âm thanh tần số cao.
• Khi sóng âm gặp vật cản, chúng sẽ phản xạ trở lại máy thu.
• Sau đó, máy thu sẽ sử dụng thông tin này để xác định sự hiện diện cũng như khoảng cách giữa vật thể và cảm biến.
• Cảm biến tiệm cận siêu âm cung cấp tốc độ phát hiện nhanh, ngay cả đối với các vật thể nhỏ và có phạm vi cảm biến rộng. Chúng cũng có thể phát hiện cả mục tiêu rắn và lỏng trong vùng cảm biến của chúng.

Ứng dụng: Cảm biến tiệm cận siêu âm chủ yếu được sử dụng trong robot, hệ thống phát hiện và tránh chướng ngại vật, tự động hóa công nghiệp, cảm biến đỗ xe, v.v. Ngoài ra, các loại cảm biến này cũng có thể phát hiện rung động, do đó phù hợp cho các ứng dụng theo dõi rung động.

Cảm biến tiệm cận quang học

Cảm biến tiệm cận quang học hoạt động theo nguyên lý phản xạ ánh sáng. Ánh sáng là quang phổ khả kiến ​​hoặc hồng ngoại. Cảm biến phát ra ánh sáng hướng tới vật thể mục tiêu và đo lượng ánh sáng phản xạ trở lại vật thể đó.

• Trong hầu hết các trường hợp, cảm biến tiệm cận quang học được sử dụng kết hợp với đèn LED hồng ngoại hoặc diode laser. Khi vật thể mục tiêu đủ gần cảm biến, nó sẽ phản xạ một phần năng lượng ánh sáng trở lại máy dò.
• Tín hiệu này sau đó sẽ được khuếch đại và sử dụng như tín hiệu điện để phát hiện sự hiện diện của vật thể.
• Các cảm biến tiệm cận quang học thường không bị ảnh hưởng bởi bụi, bẩn hoặc độ ẩm.
• Chúng cũng có độ phân giải cao và có thể dễ dàng phát hiện ngay cả những vật thể rất nhỏ trong phạm vi cảm biến của chúng.

Ứng dụng: Cảm biến tiệm cận quang học được sử dụng rộng rãi để phát hiện mức chất lỏng, cảm biến vị trí trong máy móc và quy trình tự động hóa. Chúng cũng được sử dụng làm máy dò kim loại trong hệ thống an ninh và thiết bị kiểm soát ra vào. Các loại cảm biến tiệm cận này cũng được ứng dụng trong hệ thống dẫn đường cho ô tô hoặc máy bay không người lái.

Cảm biến tiệm cận từ tính

Cảm biến tiệm cận từ tính hoạt động bằng cách sử dụng lực hút giữa nam châm và vật thể mục tiêu để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Một trong những ưu điểm của các cảm biến này là chúng có thể phát hiện mục tiêu từ tính thông qua các vật liệu không phải kim loại, chẳng hạn như nhựa và gỗ. Chúng cũng có phạm vi cảm biến khá dài.

Vậy, cảm biến tiệm cận từ hoạt động như thế nào? Cảm biến này có thể có nhiều loại khác nhau và hoạt động của nó dựa trên loại công nghệ được sử dụng. Các loại cảm biến tiệm cận từ bao gồm: dựa trên từ trở, loại công tắc lưỡi gà, cảm biến từ trở, cảm biến hiệu ứng Hall và GMR (từ trở khổng lồ).

Cảm biến từ trở thay đổi: cảm biến này bao gồm một nam châm vĩnh cửu và một cuộn dây thu xung quanh một cực từ và hoạt động bằng cách đo các biến thể của từ trở.

• Cảm biến công tắc lưỡi gà: cảm biến tiệm cận lưỡi gà từ bao gồm hai tiếp điểm sắt từ được đặt trong một lớp vỏ thủy tinh kín. Khi một nam châm được đưa lại gần cảm biến, nó sẽ khiến lưỡi gà khép lại và hoàn thành một mạch điện.
• Cảm biến hiệu ứng Hall: loại cảm biến này hoạt động bằng cách đo sự thay đổi điện trở trong vật liệu sắt từ khi có từ trường tác dụng vào vật liệu đó.
• Cảm biến từ trở: loại cảm biến này hoạt động bằng cách cảm nhận sự thay đổi điện trở do sự hiện diện của nam châm gần nó.
• Cảm biến GMR (điện trở từ khổng lồ): loại cảm biến này chủ yếu bao gồm các tấm sắt từ được ngăn cách bởi một miếng đệm phi từ tính. Khi một nam châm được đưa lại gần cảm biến, nó sẽ gây ra sự thay đổi điện trở kích hoạt một mạch điện.

Ứng dụng: Cảm biến tiệm cận từ thường được sử dụng làm thiết bị cảm biến vị trí trong máy móc công nghiệp, các bộ phận ô tô như trục khuỷu và các máy móc khác. Các ứng dụng khác bao gồm robot và hệ thống an toàn. Các loại cảm biến tiệm cận này dễ vận hành và có thể sử dụng trong các môi trường khắc nghiệt như ô nhiễm hoặc rung động cao.

Làm thế nào để chọn cảm biến tiệm cận phù hợp?

Để lựa chọn công tắc tiệm cận phù hợp, cần phải làm rõ các yêu cầu ứng dụng tương ứng:

Mục tiêu phát hiện

Chất liệu của vật thể mà bạn đang cố gắng phát hiện rất quan trọng.

• Kim loại: Nếu bạn cần phát hiện kim loại, cảm biến cảm ứng là lựa chọn đáng tin cậy và tiết kiệm chi phí. Cảm biến điện dung cũng có thể phát hiện kim loại, linh hoạt hơn nếu bạn cần phát hiện cả vật thể kim loại và không phải kim loại.
• Phi kim loại: Đối với các vật thể không phải kim loại, cảm biến tốt nhất phụ thuộc vào vật liệu cụ thể và môi trường làm việc của bạn:
  • Điện dung: Thích hợp cho chất lỏng, bột và vật liệu có mật độ khác nhau.
  • Siêu âm: Hoạt động tốt với nhiều loại vật liệu, bao gồm cả vật liệu trong suốt hoặc hấp thụ âm thanh.
  • Quang điện: Lý tưởng để phát hiện các vật thể rất nhỏ hoặc các vật thể có nhiều màu sắc và bề mặt hoàn thiện khác nhau.

Khoảng cách cảm biến

Khi bạn đã biết mình đang phát hiện điều gì, hãy cân nhắc xem vật thể sẽ ở cách xa bao nhiêu:

• Khoảng cách ngắn (vài milimét): Cảm biến cảm ứng hoặc điện dung cung cấp khả năng phát hiện chính xác ở cự ly gần.
• Khoảng cách trung bình (vài cm): Cảm biến siêu âm và cảm biến quang điện là lựa chọn đáng tin cậy cho phạm vi này.
• Khoảng cách xa (trên hàng chục cm):
  • Cảm biến quang điện tầm xa: Sử dụng chùm ánh sáng tập trung để phát hiện ở khoảng cách xa.
  • Cảm biến khoảng cách bằng laser: Cung cấp phép đo có độ chính xác cao trên khoảng cách xa.

Thời gian phản hồi

Ứng dụng của bạn cần tốc độ phản hồi nhanh đến mức nào?

• Phản hồi nhanh (vài mili giây): Cảm biến cảm ứng có thời gian phản hồi ngắn nhất
• Phản hồi trung bình (hàng chục mili giây): Cảm biến điện dung và quang điện có thể đáp ứng hầu hết các tình huống ứng dụng
• Phản ứng chậm (vài trăm mili giây trở lên): Thời gian phản ứng của cảm biến siêu âm chậm, phù hợp với một số tình huống không yêu cầu phản ứng nhanh

Điều kiện môi trường

Cảm biến tiệm cận hoạt động trong môi trường nào?

• Nhiệt độ: Cần đảm bảo nhiệt độ sử dụng của bạn nằm trong phạm vi nhiệt độ làm việc của cảm biến
• Độ ẩm: Chọn cảm biến có mức độ bảo vệ phù hợp để tránh công tắc tiệm cận bị ảnh hưởng bởi môi trường ẩm ướt.
• Bụi, rung động và va đập: Chọn cảm biến có mức độ bảo vệ phù hợp dựa trên mức độ nghiêm trọng của môi trường.

Tín hiệu đầu ra

Hệ thống điều khiển của bạn yêu cầu loại tín hiệu đầu ra nào?

• Đầu ra kỹ thuật số: Cung cấp tín hiệu BẬT/TẮT, phù hợp với các tình huống phát hiện đơn giản.
• Đầu ra tương tự: cung cấp tín hiệu liên tục tỷ lệ thuận với khoảng cách đến mục tiêu, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu thông tin khoảng cách

Ngân sách chi phí

Bạn có bao nhiêu ngân sách cho cảm biến?

• Cảm biến cảm ứng: thường là lựa chọn tiết kiệm chi phí nhất.
• Cảm biến điện dung: giá cả phải chăng và chức năng đa dạng hơn.
• Cảm biến siêu âm và quang điện: thường đắt hơn.

Sau đây là bảng tóm tắt ngắn gọn ưu điểm và nhược điểm của các loại cảm biến tiệm cận khác nhau:

Ứng dụng của cảm biến tiệm cận

Sau đây là một số trường hợp ứng dụng thực tế của cảm biến tiệm cận:

Tự động hóa công nghiệp

• Đếm chính xác các vật thể trên dây chuyền sản xuất: Cảm biến theo dõi các vật phẩm đi qua, hỗ trợ giám sát đầu ra và kiểm soát chất lượng.
• Chuyển động chính xác của cánh tay robot: Cảm biến hướng dẫn cánh tay robot để nắm, đặt và hàn chính xác.
• Theo dõi mức chất lỏng theo thời gian thực: Các cảm biến trong bể chứa cho phép tự động nạp/xả và ngăn ngừa tràn.
• Nâng cao an toàn tại nơi làm việc: Cảm biến tạo ra “màn chắn ánh sáng an toàn” giúp phát hiện xâm nhập và dừng thiết bị, bảo vệ nhân viên.

Ngành công nghiệp ô tô

• Hỗ trợ đỗ xe: Cảm biến siêu âm trong cản xe đo khoảng cách đến chướng ngại vật, hỗ trợ người lái xe đỗ xe.
• Theo dõi tốc độ động cơ: Cảm biến từ theo dõi tốc độ động cơ cho hệ thống điều khiển và đồng hồ đo tốc độ.
• Phát hiện trạng thái cửa: Cảm biến trên cửa kiểm soát ánh sáng bên trong và tăng cường hệ thống chống trộm.

Đồ điện tử tiêu dùng

• Kích hoạt các tính năng của điện thoại thông minh: Cảm biến sẽ tắt màn hình trong khi gọi, giúp tiết kiệm điện năng và ngăn ngừa việc chạm nhầm.
• Cung cấp năng lượng cho ngôi nhà thông minh: Cảm biến tự động khóa cửa, đèn, rèm cửa, v.v., tạo nên trải nghiệm sống liền mạch.
• Dẫn hướng robot hút bụi: Cảm biến giúp robot hút bụi di chuyển qua chướng ngại vật, đảm bảo vệ sinh hiệu quả.

Các lĩnh vực khác

• Chăm sóc sức khỏe: Các cảm biến trong thiết bị y tế theo dõi các dấu hiệu sinh tồn như nhịp thở và nhịp tim, hỗ trợ chẩn đoán và điều trị.
• Hàng không vũ trụ: Cảm biến đảm bảo an toàn chuyến bay bằng cách theo dõi mức nhiên liệu, trạng thái cửa, bánh đáp và các thông số quan trọng khác.
• Chế biến thực phẩm: Cảm biến tối ưu hóa sản xuất bằng cách phát hiện chính xác các vật thể để thực hiện các nhiệm vụ như đóng gói và cắt.

Các loại cảm biến tiệm cận khác nhau được chế tạo để phù hợp với các ứng dụng khác nhau. Việc lựa chọn loại cảm biến tiệm cận phụ thuộc vào các yêu cầu cụ thể của dự án. Dựa trên ứng dụng, người ta có thể chọn cảm biến phù hợp với độ chính xác và phạm vi phù hợp. Cảm biến cảm ứng và cảm biến điện dung là những loại được sử dụng nhiều nhất, vì vậy lựa chọn của bạn rất có thể sẽ là một trong những loại này.

Nếu bạn cần thiết bị đo điện chính hãng, uy tín

Lidinco là công ty cung cấp các loại thiết bị do điện uy tín nhập khẩu trực tiếp với giá cạnh tranh. Các sản phẩm đều được bảo hành theo chính sách hãng, tư vấn kỹ thuật tận tình.

Ngoài ra, Lidinco còn cung cấp các loại thiết bị phân tích, đo lường viễn thông, vật tư nhà máy, công nghiệp, thiết bị giáo dục, thiết bị SMT và các loại thiết bị chuyên dụng khác.

Công Ty TNHH Đầu Tư Phát Triển Cuộc Sống
Địa chỉ: 487 Cộng Hòa, Phường 15, Quận Tân Bình, TPHCM, Việt Nam
Điện thoại: 028 3977 8269 / 028 3601 6797
Di động: 0906 988 447
Email: sales@lidinco.com

Xem thêm: Bơm ly tâm: nguyên lý hoạt động và ứng dụng