1. Cảm biến tiệm cận là gì?
- Cảm biến tiệm cận có tên tiếng Anh là Proximity Sensors, nó còn được gọi với nhiều tên gọi khác như công tắc tiệm cận, sensor tiệm cận, PROX. Đây là một loại cảm biến có khả năng phản ứng khi có vật ở gần nó, thường sẽ là vài milimet. Nó thường được lắp đặt ở vị trí cuối của chi tiết máy, tín hiệu đầu ra của nó đóng vai trò khởi động một chức năng khác của máy. Loại cảm biến này có một ưu điểm nổi bật đó chính là vận hành tốt ngay cả trong điều kiện khắc nghiệt nhất.
2. Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động của Cảm biến tiệm cận như thế nào?
a. Cấu tạo
- Bộ phận cảm biến (Sensing element): Đây là trái tim của cảm biến tiệm cận, thực hiện chức năng phát hiện sự hiện diện của vật thể mục tiêu. Bộ phận cảm biến có thể dựa trên nhiều nguyên lý vật lý khác nhau, như từ trường, điện dung, ánh sáng, âm thanh, hoặc bức xạ hồng ngoại. Tùy thuộc vào nguyên lý hoạt động, bộ phận cảm biến sẽ có cấu trúc và vật liệu khác nhau. Ví dụ, trong cảm biến tiệm cận điện từ, bộ phận cảm biến là một cuộn dây điện từ; trong cảm biến tiệm cận quang, bộ phận cảm biến là một diode phát quang (LED) và một phototransistor.
- Mạch xử lý tín hiệu (Signal processing circuit): Mạch xử lý tín hiệu có nhiệm vụ khuếch đại, lọc, và chuyển đổi tín hiệu từ bộ phận cảm biến thành tín hiệu điện có thể sử dụng được. Tín hiệu từ bộ phận cảm biến thường rất yếu và nhiễu, mạch xử lý tín hiệu giúp làm sạch và tăng cường tín hiệu, đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến. Mạch xử lý tín hiệu thường bao gồm các linh kiện điện tử như транзистор (transistor), диод (diode), резистор (resistor), tụ điện, và IC (integrated circuit).
- Mạch đầu ra (Output circuit): Mạch đầu ra có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điện đã được xử lý thành dạng tín hiệu đầu ra phù hợp với hệ thống điều khiển hoặc thiết bị ngoại vi. Tín hiệu đầu ra có thể là tín hiệu số (ví dụ tín hiệu ON/OFF, tín hiệu xung) hoặc tín hiệu analog (ví dụ tín hiệu điện áp, tín hiệu dòng điện). Mạch đầu ra thường sử dụng các linh kiện như транзистор (transistor), оптокуплер (optocoupler), hoặc rơ le để cách ly và bảo vệ mạch điều khiển.
- Vỏ bảo vệ (Housing): Vỏ bảo vệ có vai trò bảo vệ các bộ phận bên trong cảm biến khỏi tác động của môi trường bên ngoài như bụi bẩn, độ ẩm, nhiệt độ, và các tác động cơ học. Vỏ bảo vệ thường được làm từ vật liệu nhựa hoặc kim loại, có khả năng chống thấm nước, chống bụi, chịu nhiệt, và chống va đập. Vỏ bảo vệ cũng có thể có các ren hoặc lỗ bắt vít để dễ dàng lắp đặt và cố định cảm biến.
- Đèn chỉ thị (Indicator LED): Một số cảm biến tiệm cận có đèn LED chỉ thị trạng thái hoạt động. Đèn LED này giúp người dùng dễ dàng nhận biết trạng thái của cảm biến (ví dụ phát hiện vật thể, không phát hiện vật thể, nguồn điện). Đèn LED chỉ thị thường có màu sắc khác nhau để biểu thị các trạng thái khác nhau (ví dụ đèn xanh lá cây báo trạng thái bình thường, đèn đỏ báo trạng thái phát hiện vật thể).
b. Nguyên lý hoạt động
- 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
- Phân loại: 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.
3. Phân loại cảm biến tiệm cận
- Cảm biến tiệm cận có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, bao gồm nguyên tắc hoạt động, phạm vi hoạt động, loại đầu ra và ứng dụng cụ thể.
* Dựa trên nguyên tắc hoạt động
+ Cảm biến tiệm cận dựa trên nguyên tắc cảm ứng điện từ: Loại cảm biến này sử dụng nguyên tắc cảm ứng điện từ để phát hiện sự hiện diện của các vật thể. Cảm biến này tạo ra một trường điện từ hoặc từ trường từ chính cảm biến và theo dõi sự thay đổi trong trường này khi có vật thể xuất hiện.
+ Cảm biến tiệm cận dựa trên nguyên tắc cảm ứng quang: Loại cảm biến này sử dụng ánh sáng để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Cảm biến có thể phát ra tia ánh sáng và đo lường sự phản xạ hoặc sự hấp thụ của tia này khi chúng gặp vật thể.
+ Cảm biến tiệm cận dựa trên nguyên tắc cơ học: Loại cảm biến này có thể sử dụng cơ học để phát hiện sự tiếp xúc hoặc sự cách ly giữa cảm biến và vật thể. Ví dụ, cảm biến tiệm cận có thể sử dụng cơ học để phát hiện sự nén hoặc sự tách rời khi vật thể tiếp cận cảm biến.
* Dựa trên phạm vi hoạt động
+ Cảm biến tiệm cận cận đo (proximity sensors): Phát hiện sự hiện diện của các vật thể trong phạm vi ngắn, thường là vài centimet hoặc vài decimet.
+ Cảm biến tiệm cận khoảng cách (distance sensors): Đo lường khoảng cách chính xác hơn và thường có phạm vi hoạt động lớn hơn so với cảm biến cận đo.
* Dựa trên loại đầu ra
+ Cảm biến tiệm cận kỹ thuật số: Đầu ra là một tín hiệu số như bit 0 hoặc 1, thường thể hiện sự hiện diện hoặc vắng mặt của vật thể.
+ Cảm biến tiệm cận tương tự: Đầu ra là một tín hiệu liên tục, thường thể hiện một giá trị đo lường của khoảng cách hoặc độ phân giải.
* Dựa trên ứng dụng cụ thể
+ Cảm biến tiệm cận công nghiệp: Sử dụng trong các ứng dụng tự động hóa và quản lý quá trình sản xuất.
+ Cảm biến tiệm cận ô tô: Sử dụng để hỗ trợ hệ thống đỗ xe tự động và các tính năng an toàn khác trên ô tô.
+ Cảm biến tiệm cận điện thoại di động: Sử dụng để tắt màn hình khi đưa điện thoại gần tai hoặc nhận diện khi một người đang gọi điện.
5. Ứng dụng của cảm biến tiệm cận
- Phát hiện mức chất lỏng:
+ Cảm biến tiệm cận loại điện dung có thể phát hiện mức chất lỏng trong bồn chứa, ngay cả khi có bọt. Một ví dụ điển hình là cảm biến Omron E2K-L với nút điều chỉnh độ nhạy, giúp triệt tiêu tác động của bọt khí.
- Đếm sản phẩm trong dây chuyền sản xuất
+ Cảm biến tiệm cận loại cảm ứng từ như E2E và E2B của Omron được sử dụng để phát hiện các lon nhôm trong dây chuyền sản xuất. Các tín hiệu từ cảm biến sẽ được gửi đến bộ đếm (counter), hiển thị chính xác số lượng lon bia sản xuất trong mỗi ca.
- 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.
- Giám sát tốc độ động cơ
+ Cảm biến tiệm cận kết hợp với bộ chuyển đổi xung sang tín hiệu analog (4-20mA Z111) có thể giúp giám sát và điều khiển tốc độ động cơ trong các ứng dụng tự động hóa.
- Phát hiện gãy mũi khoan
+ Cảm biến tiệm cận cũng có thể được sử dụng để phát hiện gãy mũi khoan. Trong trường hợp này, cảm biến với bộ khuếch đại rời sẽ phát hiện sự thay đổi nhỏ, đảm bảo an toàn trong quá trình gia công.
- Ứng dụng phát hiện vật kim loại
+ Cảm biến E2EV có thể được sử dụng trong các ứng dụng chỉ cần phát hiện sự hiện diện của vật kim loại mà không cần phân biệt loại kim loại.
- Phát hiện mức nước trong ống nghiệm
+ Cảm biến tiệm cận loại điện dung là giải pháp lý tưởng để phát hiện mức nước trong ống nghiệm hoặc các chất lỏng khác, đảm bảo an toàn và hiệu quả.
- Một số ứng dụng khác:
+ Phát hiện palette đi ngang qua: Cảm biến tiệm cận có thể phát hiện sản phẩm trong các pallet sắt, thường được sử dụng trong các ứng dụng phân loại vật kim loại.
+ Phân loại lon nhôm: Cảm biến tiệm cận giúp phân loại giữa lon nhôm và các vật liệu kim loại khác trong dây chuyền sản xuất.