Cảm biến tiệm cận là gì? Cấu tạo, Phân loại và Ứng dụng

Cảm biến tiệm cận là thiết bị điện tử phát hiện sự hiện diện của vật thể mà không cần tiếp xúc. Tùy thuộc vào cấu tạo và nguyên lý hoạt động cho từng tiêu chí và ứng dụng khác nhau mà cảm biến tiệm cận có rất nhiều loại. Ở bài viết này, hãy cùng Chanko tìm hiểu về các loại cảm biến tiệm cận, cấu tạo cảm biến tiệm cận cũng như các đặc điểm nổi bật và ứng dụng của chúng nhé!

Cảm biến tiệm cận là gì?

Khái niệm cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận (tên Tiếng Anh là Proximity sensor) là cảm biến điện tử có khả năng phát hiện sự hiện diện của các vật thể trong khoảng cách gần mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Cảm biến thường hoạt động dựa trên các nguyên lý như dòng điện xoay chiều, sóng siêu âm hoặc tia hồng ngoại để nhận diện các vật thể xung quanh. 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.

Cấu tạo của cảm biến tiệm cận

Thông thường, các cảm biến này sẽ được thiết kế với 4 phần chính cùng các vai trò như sau:

• Trường cảm biến: Là phần cơ học hoặc điện tử của cảm biến, có chức năng nhận diện và phát hiện sự hiện diện của vật thể, tín hiệu hoặc tín hiệu vật lý.
• Mạch dao động: Mạch dao động giúp cảm biến tạo ra tín hiệu dao động để tương tác với vật thể. Nó thường được cấu tạo từ một dao động tần số cao như cảm ứng, xoay, hoặc điện từ.
• Bộ cảm nhận: Bộ cảm nhận chịu trách nhiệm đọc tín hiệu từ phần cảm biến và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện tử.
• Bộ mạch điều khiển tín hiệu đầu ra: Bộ mạch tín hiệu đầu ra xử lý tín hiệu điện tử từ bộ cảm nhận và chuyển đổi chúng thành tín hiệu tương tự hoặc kỹ thuật số dễ dàng đọc được bởi các thiết bị khác như vi xử lý hoặc đầu hiển thị.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

Hầu hết các loại cảm biến tiệm cận đều hoạt động dựa trên nguyên lý trường điện từ. Tức là chúng dựa trên trường điện từ phát ra xung quanh cảm biến với khoảng cách tối đa là 30mm. Khi một đối tượng được phát hiện, nó sẽ gửi tín hiệu trở lại bộ xử lý.

Cảm biến bao gồm một cuộn dây quấn quanh lõi ở cuối cảm biến. Khi sóng cao tần đi qua lõi, một trường điện từ dao động xung quanh nó.

Khi một vật kim loại di chuyển về phía trường này, dòng điện xoáy sẽ được tạo ra trong vật thể và hoạt động giống như một máy biến áp, làm cho năng lượng trong cuộn dây giảm, dao động giảm và cường độ từ trường giảm. Mạch giám sát phát hiện sự giảm dao động và thay đổi đầu ra để phát hiện đối tượng.

Do nguyên lý hoạt động sử dụng trường điện từ nên cảm biến tiệm cận vượt trội hơn cảm biến quang điện về khả năng chống chọi với môi trường.

Ngày nay, hầu hết các loại cảm biến tiệm cận đều có ngõ ra transistor NPN hoặc PNP, loại dây DC-3. Ngoài ra, trong một số trường hợp, cảm biến tiệm cận có 2 đầu nối là âm và dương, loại dây DC-2.

Các loại cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận có thể được phân loại theo những tiêu chí và ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, cảm biến tiệm cận thường được phân loại dựa trên nguyên lý, vật liệu nhận diện, khoảng cách nhận diện, hình dạng.

Phân loại dựa theo nguyên lý

Dựa theo nguyên lý hoạt động, cảm biến tiệm cận bao gồm các loại sau

Cảm biến tiệm cận điện dung

Một trong những loại cảm biến tiệm cận phổ biến hiện nay là cảm biến tiệm cận điện dung. Như tên gọi của nó, cảm biến tiệm cận điện dung hoạt động theo nguyên lý thay đổi điện dung để phát hiện sự hiện diện của một vật thể.

Nói một cách đơn giản, khi một vật thể tiếp cận gần cảm biến, cảm biến sẽ làm thay đổi trường điện điện của cảm biến, từ đó làm thay đổi điện dung của một tụ điện bên trong cảm biến. Sự thay đổi này sẽ được mạch điện tử bên trong phát hiện và chuyển đổi thành một tín hiệu điện.

Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ

Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ hay Cảm biến tiệm cận điện cảm (hay tiếng Anh là Inductive Proximity Sensor) là một loại cảm biến phát hiện vật thể kim loại có mặt bên cạnh mặt hoạt động của nó. Cảm biến này hoạt động theo nguyên lý điện cảm, trong đó dòng điện dao động tạo ra lực điện động (EMF) trong vật thể mục tiêu. Các cảm biến không tiếp xúc này phát hiện mục tiêu bằng sắt, lý tưởng nhất là thép mềm dày hơn một milimét.

>> Xem thêm: Các loại cảm biến tiệm cận cảm ứng từ – Autonics, OMRON, CHANKO

Cảm biến tiệm cận hồng ngoại

Cảm biến tiệm cận hồng ngoại (hay tiếng Anh là Infrared Proximity Sensor) là loại cảm biến sử dụng tia hồng ngoại để phát hiện các vật thể trong khoảng cách gần. Cảm biến này gửi một tín hiệu hồng ngoại và sau đó đo lượng phản chiếu của tín hiệu đó từ vật thể để tính toán khoảng cách.

Cảm biến tiệm cận quang

Cảm biến tiệm cận quang là một loại cảm biến sử dụng ánh sáng để phát hiện sự hiện diện của một vật thể. Khi một vật thể đi vào vùng quét của cảm biến, cảm biến sẽ làm thay đổi lượng ánh sáng thu được bởi cảm biến, từ đó tạo ra một tín hiệu điện.

Cảm biến tiệm cận siêu âm

Cảm biến tiệm cận siêu âm là một loại cảm biến phổ biến được sử dụng trong nhiều ứng dụng sản xuất và tự động hóa. Cảm biến siêu âm hoạt động bằng cách sử dụng tần số âm thanh cao hơn giới hạn có thể nghe được của thính giác con người (khoảng 20 kHz), thường nằm trong khoảng từ 25 đến 50 kHz.

Nguyên lý cơ bản của cảm biến siêu âm là cảm biến phát ra một xung siêu âm và nhận lại một xung. Sử dụng chênh lệch thời gian giữa tín hiệu được gửi và nhận được, có thể xác định khoảng cách đến đối tượng.

>> Xem thêm: Các loại cảm biến tiệm cận – Điện dung, Điện cảm, Hồng ngoại

Phân loại theo hình dạng

Cảm biến tiệm cận vuông

Cảm biến tiệm cận vuông là một loại cảm biến có phần đầu cảm biến được thiết kế theo hình vuông. Hình dạng đặc biệt này mang lại những ưu điểm nhất định so với các loại cảm biến có hình dạng tròn truyền thống, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và khả năng phát hiện vật thể ở các góc cạnh.

Cảm biến tiệm cận hình trụ

Cảm biến tiệm cận hình trụ là một loại cảm biến tiệm cận có phần đầu cảm biến được thiết kế theo hình trụ. Hình dạng này mang lại nhiều ưu điểm so với các loại cảm biến có hình dạng khác, đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi độ linh hoạt cao và khả năng phát hiện vật thể từ nhiều hướng nhờ vào bề mặt cong.

Cảm biến tiệm cận chữ U

Cảm biến tiệm cận chữ U là một loại cảm biến đặc biệt, được thiết kế với phần đầu cảm biến có hình dạng chữ U. Hình chữ U cho phép cảm biến tiếp cận và phát hiện vật thể trong các khe hẹp, các vị trí khó tiếp cận. Ngoài ra, cấu trúc chữ U còn giúp xác định vị trí của vật thể một cách chính xác hơn, đặc biệt khi cần phát hiện các cạnh hoặc góc của vật thể.

Phân loại dựa theo số dây

Cảm biến tiệm cận 2 dây DC

Cảm biến tiệm cận 2 dây DC được cấu tạo gồm hai dây kết nối với nguồn điện, trong đó dòng điện chạy qua cuộn dây cảm biến và tạo ra từ trường. Khi có vật thể kim loại tiếp cận, từ trường này sẽ bị biến đổi, dẫn đến sự thay đổi dòng điện và kích hoạt mạch ra. Nhờ vào thiết kế đơn giản và hiệu suất đáng tin cậy, cảm biến tiệm cận 2 dây DC thường được sử dụng trong các ứng dụng tự động hóa và kiểm soát quy trình sản xuất.

Cảm biến tiệm cận 3 dây DC

Cảm biến tiệm cận 3 dây DC được cấu tạo gồm ba dây: hai dây nguồn và một dây tín hiệu. Dây tín hiệu này không chỉ cung cấp điện cho mạch logic bên trong cảm biến mà còn cho phép thực hiện các chức năng phức tạp hơn so với các loại cảm biến khác. Nhờ vào thiết kế này, cảm biến tiệm cận 3 dây DC có khả năng hoạt động linh hoạt và chính xác hơn, thường được ứng dụng trong các hệ thống tự động hóa yêu cầu độ nhạy cao và tính năng điều khiển phức tạp.

Phân loại dựa theo đầu ra

Cảm biến tiệm cận NPN

Cảm biến tiệm cận NPN (Sinking Sensor) là dòng cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý hoạt động khá đặc biệt. Khi cảm biến phát hiện mục tiêu, đầu ra của nó sẽ nối đất (kích hoạt dòng điện âm). Dòng điện sẽ đi từ nguồn dương qua tải, vào đầu ra của cảm biến, và sau đó nối đất.

Cảm biến tiệm cận PNP

Cảm biến tiệm cận PNP (Sourcing Sensor) có nguyên lý hoạt động ngược lại với cảm biến tiệm cận NPN. Khi cảm biến phát hiện mục tiêu, đầu ra của nó sẽ nối với nguồn dương (kích hoạt dòng điện dương). Dòng điện sẽ đi từ nguồn dương qua đầu ra của cảm biến, qua tải, và sau đó xuống đất.

Ứng dụng cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng của chúng: