Cảm biến tiệm cận điện cảm, điện dung, siêu âm là gì?

Cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận là một kỹ thuật để nhận biết sự có mặt hay không có mặt của một vật thể với cảm biến điện tử không công tắc (không đụng chạm).

Phát hiện vật không cần tiếp xúc.

Tốc độ đáp ứng cao.

Đầu cảm biến nhỏ có thể lắp đặt ở nhiều nơi.

Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt.

Cảm biến tiệm cận điện cảm

Cảm biến tiệm cận điện cảm có nhiều kích thước và hình dạng khác nhau tương ứng với các ứng dụng khác nhau.

Cảm biến tiệm cận điện cảm được dùng để phát hiện các đối tượng là kim loại.

Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện cảm

Gồm có 4 phần chính:

• Cuộn dây và lõi ferit .
• Mạch dao động .
• Mạch phát hiện .
• Mạch đầu ra.

Nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận điện cảm

– Cảm biến tiệm cận điện cảm được thiết kế để tạo ra một vùng điện trường, khi một vật bằng kim loại tiến vào khu vực này, xuất hiện dòng điện xoáy (dòng điện cảm ứng) trong vật thể kim loại này. Dòng điện xoáy gây nên sự tiêu hao năng lượng (do điện trở của kim loại) làm ảnh hưởng đến biên độ sóng dao động, đến một trị số nào đó tín hiệu này được ghi nhận. Mạch phát hiện sẽ phát hiện sự thay đổi tín hiệu và tác động để mạch ra lên mức ON. Khi đối tượng rời khỏi khu vực từ trường, sự dao động được tái lập, cảm biến trở lại trạng thái bình thường.

– Tùy thuộc vào cấu tạo của sản phẩm, dãi đo của cảm biến tiệm cận với khoảng cách phát hiện nhỏ từ 0 đến 50mm.

Phân loại cảm biến tiệm cận điện cảm

Cảm biến tiệm cận điện cảm có thể phân làm 2 loại được bảo vệ và không được bảo vệ. Loại không được bảo vệ thường có tầm phát hiện lớn hơn loại được bảo vệ.

Cảm biến tiệm cận điện cảm loại được bảo vệ có 1 vòng kim loại bao quanh giúp hạn chế vùng điện từ trường ở vùng bên. Vị trí lắp đặt cảm biến có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc.

Cảm biến tiệm cận điện cảm loại không được bảo vệ không có vòng kim loại bao quanh. Không thể lắp đặt cảm biến ngang bằng bề mặt làm việc (bằng kim loại). Xung quanh cảm biến phải có 1 vùng không có chứa kim loại.

Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện cảm

• Kích thước của vật cảm biến: Nếu kích cỡ vật cảm biến nhỏ hơn vật chuẩn, khoảng cách phát hiện của cảm biến sẽ giảm.
• Bề dày của vật cảm biến: Với cảm biến thuộc nhóm kim loại có từ tính (sắt, niken, SUS, …) bề dày của vật chuẩn phải lớn hơn hoặc bằng 1mm. Bề dày của vật cảm biến càng mỏng thì khoảng cách phát hiện càng giảm.
• Vật liệu và kích thước đối tượng: Khoảng cách phát hiện của cảm biến phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu của cảm biến. Các vật liệu có từ tính hoặc kim loại có chứa sắt sẽ có khoảng cách phát hiện xa hơn các vật liệu không từ tính hoặc không chứa sắt.
• Lớp mạ bên ngoài của vật cảm biến: Nếu vật cảm biến được mạ khoảng cách phát hiện cũng sẽ bị ảnh hưởng.
• Nhiệt độ môi trường.

Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện cảm

Ưu điểm cảm biến tiệm cận điện cảm

• Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm, bụi bặm.
• Không có bộ phận chuyển động, không có “khu vực mù” (cảm biến không phát hiện ra đối tượng mặc dù đối tượng ở gần cảm biến), không gây nhiễu cho các sóng điện từ, sóng siêu âm.
• Không phụ thuộc vào màu sắc, ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kỹ thuật khác.
• Phát hiện vật không cần phải tiếp xúc, tốc độ đáp ứng nhanh.
• Có thể sử dụng trong môi trường khắc nghiệt, đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi.

Nhược điểm cảm biến tiệm cận điện cảm

• Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại.
• Bị chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạnh.
• Phạm vi hoạt động ngắn hơn so với các kỹ thuật khác.

Cảm biến tiệm cận điện dung

– Cảm biến tiệm cận điện dung giống về kích thước, hình dáng, cơ sở hoạt động so với cảm biến tiệm cận điện cảm. Điểm khác biệt căn bản giữa chúng là cảm biến tiệm cận điện dung tạo ra vùng điện trường còn cảm biến tiệm cận điện cảm tạo ra vùng điện từ trường.

– Cảm biến tiệm cận điện dung có thể phát hiện đối tượng có chất liệu kim loại cũng như không phải kim loại.

Cấu tạo cảm biến tiệm cận điện dung

Cảm biến tiệm cận điện dung có cấu tạo gồm có 4 phần chính:

• Bộ phận cảm biến (các bản cực hay điện cực cách điện).
• Mạch dao động.
• Mạch phát tín hiệu 28.
• Mạch đầu ra.

Nguyên lý hoạt động

• Tụ điện gồm hai bản cực và chất điện môi ở giữa. Khoảng cách giữa hai điện cực ảnh hưởng đến khả năng tích trữ điện tích của một tụ điện (điện dung là đại lượng đặc trưng cho khả năng tích trữ điện tích của một tụ điện).
• Nguyên tắc hoạt động của cảm biến tiệm cận loại điện dung dựa trên sự thay đổi điện dung khi vật thể xuất hiện trong vùng điện trường. Từ sự thay đổi này trạng thái “On” hay “Off” của tín hiệu ngõ ra được xác định.
• Một bản cực là thành phần của cảm biến, đối tượng cần phát hiện là bản cực còn lại.
• Tùy thuộc vào cấu tạo của sản phẩm, dãi đo của cảm biến tiệm cận với khoảng cách phát hiện nhỏ từ 0 đến 50mm.

Phân loại cảm biến tiệm cận điện dung

• Cảm biến tiệm cận điện dung cũng phân thành 2 loại: Được bảo vệ và không được bảo vệ.
• Cảm biến tiệm cận điện dung loại được bảo vệ: Có vòng kim loại bao quanh giúp hướng vùng điện trường về phía trước và có thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc.
• Cảm biến tiệm cận điện cảm loại không được bảo vệ: Không có vòng kim loại bao quanh và không thể đặt ngang bằng với bề mặt làm việc. Xung quanh cảm biến phải có 1 vùng trống, kích thước vùng trống tùy thuộc vào từng loại cảm biến.

Những yếu tố ảnh hưởng đến tầm phát hiện của cảm biến tiệm cận điện dung

• Kích thước của điện cực của cảm biến.
• Vật liệu và kích thước đối tượng.
• Nhiệt độ môi trường.
• Đối tượng tiêu chuẩn và hằng số điện môi: Đối tượng tiêu chuẩn được chỉ định riêng với từng loại cảm biến tiệm cận điện dung. Thông thường chất liệu của đối tượng tiêu chuẩn được định nghĩa là kim loại hoặc nước.

Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến tiệm cận điện dung

Ưu điểm của cảm biến điện dung

• Có thể cảm nhận vật dẫn điện, không dẫn điện.
• Tính chất tuyến tính và độ nhạy không tùy thuộc vào vật liệu kim loại.
• Nó có thể cảm nhận được vật thể nhỏ, nhẹ.
• Vận tốc hoạt động nhanh.
• Tuổi thọ cao và độ ổn định cũng cao đối với nhiệt độ.
• Đối tượng phát hiện có thể là chất lỏng, vật liệu phi kim.
• Phạm vi cảm nhận lớn.
• Đầu cảm biến nhỏ, có thể lắp đặt ở nhiều nơi.

Nhược điểm của cảm biến điện dung

• Bị ảnh hưởng bởi độ ẩm.
• Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung dây không ảnh hưởng đến bộ cộng hưởng của bộ dao động.

Cảm biến tiệm cận siêu âm

Cảm biến tiệm cận siêu âm tên tiếng anh là ultrasonic proximity sensor có thể phát hiện hầu hết các loại đối tượng kim loại hoặc không phải là kim loại, chất lỏng hoặc chất rắn, vật trong hoặc mờ đục (những vật có hệ số phản xạ sóng âm thanh đủ lớn).

Cấu tạo cảm biến siêu âm

Gồm có 4 phần chính:

• Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm 31.
• Bộ phận so sánh.
• Mạch phát hiện.
• Mạch điện ngõ ra.

Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm phát ra các xung âm thanh tần số ngắn, tần số cao theo khoảng thời gian đều đặn. Chúng lan truyền trong không khí với tốc độ âm thanh. Nếu chúng gặp một vật thể, chúng sẽ phản xạ trở lại dưới dạng tín hiệu phản hồi và tự tính toán khoảng cách tới đích dựa trên khoảng thời gian giữa phát ra tín hiệu và nhận về.

Các cảm biến công nghiệp hoạt động với tần số 25 khz đến 500 Khz. Các cảm biến trong lãnh vực y khoa thì hoạt động với khoảng tần số từ 5MHz trở lên. Tần số hoạt động của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện cảm biến.

Ưu nhược điểm của cảm biến tiệm cận siêu âm

Ưu điểm cảm biến tiệm cận siêu âm

• Khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện vật thể lên tới 15m.
• Sóng phản hồi của cảm biến không phụ thuộc màu sắc của bề mặt đối tượng hay tính chất phản xạ ánh sáng của đối tượng
• Tín hiệu đáp ứng của cảm biến tiệm cận siêu âm analog là tỉ lệ tuyến tính với khoảng cách. Điều này đặc biệt lý tưởng cho các ứng dụng như theo dõi các mức của vật chất, mức độ chuyển động của đối tượng.

Nhược điểm cảm biến tiệm cận siêu âm

• Yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu (giá trị này tùy thuộc vào từng loại cảm biến).
• Chịu ảnh hưởng của các sóng âm thanh tạp âm.
• Yêu cầu một khoảng thời gian sau mỗi lần sóng phát đi để sẵn sàng nhận sóng phản hồi. Kết quả thời gian đáp ứng chậm hơn các cảm biến khác khoảng 0,1 s.
• Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vải (quần áo) rất khó để phát hiện với khoảng cách lớn.
• Bị giới hạn khoảng cách phát hiện nhỏ nhất.
• Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ thuộc vào nhiệt độ), áp suất, sự chuyển không đồng đều của không khí, bụi bẩn bay trong không khí gây ảnh hưởng đến kết quả đo.
• Nhiệt độ bề mặt của đối tượng của ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động của cảm biến.

Kết luận

Qua các thông tin trên, hy vọng giúp bạn biết thêm nhiều loại cảm biến điện dung, điện cảm và siêu âm. Hẹn bạn các bài viết tiếp theo tại Điện Kiên Vương.

Đọc tiếp:

• Cáp quang là gì? Cáp đồng trục, cáp xoắn đôi là gì?
• Cb là gì? Cấu tạo CB và thông số của CB?
• Rơ le là gì? Hoạt động, các bộ phận và phân loại Rơ le?