Cảm biến tiệm cận là gì? nguyên lý và ứng dụng

Cảm biến tiệm cận được dùng để phát hiện các vật thể dựa vào cảm biến phát hiện kim loại từ tính, kim loại không từ tính cụ thể như nhôm, đồng… sử dụng cảm biến loại điện cảm (Inductivity Proximity Sensor). Cũng như phát hiện vật phi kim sử dụng loại cảm biến tiệm cận kiểu điện dung Capacitve Proximity Sensor.

Các loại này thường khá phổ biến trong mỗi chiếc điện thoại cảm ứng hiện nay, nhưng hầu hết mọi người điều không biết cảm biến tiệm cận là gì?. Và có bao nhiêu loại cảm biến? Nguyên lý, cấu tạo hoạt động của nó ra sao trong các thiết bị. Với những câu hỏi trên, bài viết này sẽ giải đáp cho bạn cũng như đem lại kiến thức cho bạn vè loại cảm biến đặc biệt này.

Mục lục

Cảm biến tiệm cận là gì?

Công tắc tiệm cận hoặc có thể là PROX tiếng anh gọi là Proximity Sensors sẽ phản ứng khi có vật ở gần cảm biến. Hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ là vài milimet thì mới có tác dụng. Cảm biến tiệm cận sẽ phát hiên vị trí cuối cùng của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác của máy. Đặc điểm, nó sẽ hoạt động tốt ngay cả trong những môi trường khác nghiệt để có thể duy trì trạng thái.

Đối với cảm biển tiệm cận việc chuyển đổi tín hiệu động hoặc xuất hiện vật thể chuyển đổi tín hiệu điện. Hiện có 3 hệ thống phát hiện để thực hiện công việc chuyển đổi này:

Sử dụng dòng điện xoáy được phát ra trong vật thẻ kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ
Sự đụng hệ thống thay đổi điện dung khi đến gần vật thể cần phát hiện
Sử dụng nam châm và hệ thống chuyển động mạch cảm biến tiệm cận công từ.

Đặc điểm cảm biến tiệm cận

Có thể phát hiện vật thể không cần tiếp xúc, cũng như không tác động lên vật, khoảng cách xa nhất đạt được có thể tới 30mm.
Quá trình hoạt động ổn định, khả năng chống rung động và chống shock tốt.
Tốc độ thực hiện đáp ứng nhanh, tuổi thọ cao so với công tắc giới hạn (limit switch).
Thiết kế dầu sensor nhỏ có thể lắp ở nhiều nơi.
Dùng được trong môi trường khắc nghiệt

Các loại cảm biến tiệm cận

Có hai loại cấu tạo cảm biến tiệm cận chính loại cảm ứng từ và loại điện dung.

Cảm biến cận cảm ứng từ

Loại có bảo vệ gọi là Shielded: từ trường sẽ được tập trung trước mặt sensor; do đó nó ít bị nhiễu bởi kim loại xung quanh, nhưng nó có khoảng cách đo ngắn đi.
Loại không có bảo vệ gọi là Un-Shielded: sẽ không có bảo vệ từ trường xung quanh mặt sensor cho nên khoảng cách đo dài hơn; nó dễ bị nhiễu hơn bởi các kim loại xung quanh.

Cảm biến cảm ứng điện dung

Cảm ứng này được phát hiện theo nguyên tắc tĩnh điện (nó cósự thay đổi điện dung giữa vật cảm biến và đầu sensor), cũng như có thể phát hiện tất cả vật thể khi hoạt động.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

Hoạt động dựa nguyên lý trường điện từ phát ra xung quanh cảm biến và khoảng cách tối đa 30mm có thể hoạt động. Tuy nhiên, các vật thể thì nó sẽ phát tín hiệu truyền về bộ xử lý để trả kết quả.

Nguyên lý hoạt động tiệm cận cảm ứng từ

Cảm biến tiệm cận ứng từ hoạt động được sẽ gồm có:

1 cuộn dây dẫn được cuốn quanh lõi từ ở đầu cảm ứng. Khi sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo trường điện từ trường điện dao động quanh nó. Trường điện từ này sẽ được mạch bên trong hệ thống kiểm soát.
Khi vật bằng kim loại chuyển động về phía trường nay sẽ tạo được dòng điện trong vật.
Dòng diện này sẽ gây tác động như máy biến thế được tạo ra năng lượng từ cuộn phát hiện giảm đi và gao động giảm xuống; và độ mạch của từ trường do đó cũng giảm đi.
Với mạch giám sát phát hiện ra mức dao động giảm đi và sau đó sẽ thay đổi đầu ra và vật sẽ được tìm thấy.

phân loại cảm biến tiệm cận — Số đồ mạch cảm biến tiệm cận

Dựa trên nguyên tắc này sự vận hành của một thiết bị có sử dụng cảm biến tiệm cận vượt trội hơn cảm biến quang điện với khả năng chống chịu với tác động môi trường.

Đầu ra của cảm biến cảm ứng

Trong các thiết bị được sử dụng rộng rãi ở đây thì việc các cảm ứng đều có đặc điểm đầu ra tranzito có logic NPN hoặc PNP hay còn gọi là kiểu DC-3 dây. Ở một số trường hợp thì sẽ sử dụng cảm biến tiệm cần có 2 kết nối ( âm và dương ) được coi là kiểu DC-2 dây

Chế độ hoạt động Thường Mở/Thường Đóng

Chế độ hoạt động của nó thường mở (NO) và thường đóng (NC) để mô tả tình trạng có tín hiệu đầu ra nhằm thông báo có phát hiện được vật hay không.

Mở: Tín hiệu điện áp cao khi phát hiện ra vật; tín hiệu điện áp thấp khi không có vật
Thưng đóng: Tín hiệu cao khi không có vật; tín hiệu thấp khi phát hiện ra vật.

Ví dụ:

Khi DC-2 dây sẽ có đầu ra sẽ là mở (NO) hoạt động khi vật di chuyern đến cảm biến.

Việc di chuyển chuột qua cả biến để làm bóng đèn điện sáng tương đương với đầu ra thường đóng ( NC ). Điều này làm bóng đèn tắt ngay khi vật di chuyển đến gầm thiết bị cảm biến. Với các thiết bị cảm biến hiện nay thì điều có 2 đầu ra NO và NC kiểu đối lập.

Lưu ý:

Kiểu NO/NC dùng cho cả các thiết bị cảm biến tiệm cận điện cảm và các loại cảm biến điện dung

Được bảo vệ / Flush / Shielded

– Được bảo vệ bởi một tấm chắn quanh lõi từ, có tác dụng dẫn trường điện từ đến trước phần đầu

– Cũng có thể được lắp chìm bằng mặt trên bề mặt kim loại, nếu không gian chật hẹn có lợi cho việc bảo vệ cảm biến về mặt cơ học

Tuy nhiên, với phạm vi có thể phát hiện bị hạn chế có thể lắp cảm biến dễ dàng với các kim loại xung quanh mà không gây ảnh hưởng đến các hoạt động khác.

Không được bảo vệ / Non-Flush / UnShielded

– Với cảm biến cảm ứng không được bảo vệ sẽ không có lớp bảo vệ lõi từ và có thể quàn sát một cách dễ dàng.

– Thiết kế này sẽ giúp thiết bị hoạt động được chính xác hơn và có thể nói là khả năng phát hiện lớn hơn cảm biến tiện cận được bảo vệ. Chúng có thể phát hiện gần gấp đôi so với loại có cùng kích thước đường kính.

Tuy nhiên, không thể lắp cảm biến tiệm cận không được bảo vệ chìm bằng mặt với bề mặt kim loại. Bởi khả năng bảo vệ thấp về mặt cơ học sẽ ảnh hưởng trong quá trình hoạt động. Khi từ trường mở rộng hơn tới các của cảm biến có thể bị ảnh hưởng của nhưng kim loại trong khu vực. Đối với cảm biến tiệm cận không được bảo vệ sẽ khá là nhạy cảm hơn với nơi kết nối.

Loại cảm biến tiệm cận điện dung

Nguyên tắc hoạt động:

Dựa trên nguyên tắc tĩnh điện thì 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 mũi khoan: Thông báo cũng như xuất tín hiệu khi khoan bị gãy mũi ở các trường hợp mũi khoảng nhỏ việc sử sụng sensor có bộ khuếch đại rời sẽ là thích hợp nhất.

– Khả năng phát hiện Palette đi qua ngang qua: Phát hiện các sản phẩm trong palette sắt có/ không có vật kim loại sắt từ, cảm biến tiện cần E2E, E2B của Omron là sẽ là sự chọn lựa tốt nhất.

– Khả năng phát hiên lon nhôm: các lon nhôm sẽ được loại bỏ ra khoải bằng chuyền tải trong một số ứng dụng cần phân loại giữa nhôm và các kim loại khác.

– Đế sản phẩm: Sensor tiện cận loại cảm ứng từ E2E, E2B một trong những thiết bị dùng để phát hiện lon nhôm. Và tín hiệu này sẽ được chuyển đến bộ đếm counter sẽ hiện thị chính xác số lượng lon đã đi qua cảm biến tiện cận cảm ứng.

Các dạng cảm biến tiệm cận

– Với thân thiết kế dạng trụ M4, M5, M8: kích thước siêu nhỏ có thể phát hiện các vật kim loại nhỏ. Đáp ứng cần cho những ứng dụng cảm biến có kích thước nhỏ có hiện này.

– Loại có kích thước M4, M5, M8, M12, M18, M30.

Vật liệu thân bên ngoài: inox, nickel-plated brass.
Kiểu điện áp: 2 hoặc 3 dây DC và cảm biến tiệm cận 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 với thiết kế dạng thân vuông

Đối với thiết kế dạng thân vuông nhỏ loại compact size bằng kim loại hoặc nhựa, mặt cảm biến dạng lồi hoặc dạng phẳng.

Sẽ sử dụng điện áp DC 2 dây 20-250VAC/DC, 3 hay 4 dây.

Khoảng cách: 30mm.
Chống nước với IP67.
Tần số: 25 – 40 Hz.

Cảm biến thiết kế chịu nhiệt cao (cảm biến tiệm cận npn)

Khả năng làm việc được trong môi trường có nhiệt độ cao, có kích thước nhỏ gọn, đem lại hoạt động với tần số cao. Đặt biệt có thể đáp ứng các yêu cầu khắc nghiệt của môi trường.

Tần số: 3000 Hz.
Nhiệt độ: -25 – 120 độ C.
IP: 67
Điện áp: 10 – 30 VDC.
Cáp kết nối: Silicon 2 mét.
Ngõ ra: cảm biến NPN hoặc PNP
Cảm biến tiệm cận với ngõ ra analog 4-20mA hoặc 0-10VDC

Sử dụng trong việc đo khoảng cách tiếp xúc các cơ cấu máy móc ở khoảng cách gần. Và để đo tần số thay đổi khoảng cách cao.

Đầu ra cảm biến tiệm cận 3 dây đối với 0-10VDC, 2 dây đối với 4-20mA.
Nguồn cấp: 12-24VDC.
Đường kính: M18, M30.
Đầu ra: 0-10mA, 4-20mA, 0-10VDC.
Khoảng cách: 0.8-8mm đối với M18, 1.5-15mm đối với M30.

Một số lưu ý khi cài đặt cảm biến tiệm cận

Hãy chắc chắn mình đang cần đo cái gì và dùng trong việc gì?

Cần thiết bị cảm biến nhanh hay chậm, khu vực cần đo cao đem đảm bảo độ chính xác?

Chắc chắn khu vực sử dụng không có nam châm hoặc từ trường lớn đa ở đó không?.

Khu vực đo rung hay không? Nhiệt độ môi trường có cao không?

Khoảng cách cảm biến đo tới vật cần đo tối đa là bao nhiêu?

Do đo, tùy vào môi trường mà cần có cách kiểm tra sensor và cũng như lựa chọn nơi mua thiết bị sao cho phù hợp nhất để đem lại kết quả chính xác nhất.

Chọn mua các loại cảm biến tiệm cận sao cho phù hợp?

Nếu bạn muốn chọn đúng cảm biến tiệm cận cho ứng dụng của mình, 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 khá nhiều nhãn hãng cung cấp dạng cảm biến tiệm cận như Omron, Autonics, Keyence, Astech, Steute, Rechner, Xecro,… Hy vọng, bạn có thể lựa chọn cho mình sản phẩm tốt nhất cho công việc của mình. Nội dung bài tiếp theo: ký hiệu cảm biến tiệm cận

Nội dung liên quan:

Tim hiểu sóng điện từ là gì?

Điện từ trường và sóng điện từ là gì?