Phân loại, nguyên lý hoạt động cảm biến tiệm cận

Trên các thiết bị smartphone hiện đại ngày nay thường được thiết kế với khả năng nhận diện khuôn mặt, đây là ứng dụng quan trọng của cảm biến tiệm cận. 

Cùng CNSG tìm hiểu về loại cảm biến tiệm cận, cách thức phân loại, nguyên lý và chức năng quan trọng của nó trong bài viết này nhé!

Cảm biến tiệm cận là gì?

Thiết bị cảm biến tiệm cận là loại cảm biến có khả năng phát hiện vật khi không tiếp xúc với nó. Cảm biến này sẽ được thiết kế để chuyển thông tin về dạng chuyển động hay tín hiệu điện. 

Trên thị trường hiện nay có 3 loại cảm biến tiệm cận phổ biến nhất đó là:

• Cảm biến sử dụng dòng điện xoáy trong vật thể cần cảm ứng bằng chất liệu kim loại
• Cảm ứng có thể phát hiện ra vật thể có sự thay đổi công suất điện khi đến gần cảm biến.
• Cảm biến dùng nam châm kết hợp công tắc sậy

Theo đó, cảm biến tiệm cận sẽ sử dụng từ trường động cơ DC để cảm biến được đa dạng các vật thể kim loại, phi kim loại.

Đặc trưng, chức năng của cảm biến tiệm cận

Khả năng phát hiện vật không cần chạm vào nó

Cảm biến tiệm cận có khả năng phát hiện vật kể cả khi không cần chạm vào nó. Nhờ ưu điểm này, phần cảm biến sẽ không làm mòn hay hư hỏng vật cần phát hiện.

Điều này có được nhờ tính năng cảm biến bằng điện của cảm biến tiệm cận. Có chức năng khác hẳn với các công tắc hành trình cần phải tiếp xúc với vật mới có thể cảm biến được nó.

Xem thêm:

• Cảm biến áp suất là gì? Cách chọn mua CHUẨN NHẤT
• Cảm biến hồng ngoại là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
• Cảm biến nhiệt là gì? Lưu ý khi lắp đặt cảm biến nhiệt

Độ bền lâu hơn vì đầu ra không có tiếp điểm

Đầu ra không có tiếp điểm nên độ bền của cảm biến thường lâu hơn. Tuy nhiên, tính năng này không bao gồm cảm biến tiệm cận sử dụng nam châm.

Thiết kế của cảm biến tiệm cận sử dụng đầu ra bán dẫn. Đây cũng là lý do cảm biến sẽ không có tiếp điểm gây ảnh hưởng đến tuổi thọ.

Dùng được trong môi trường nước

Cảm biến cũng có ưu điểm là có thể dùng cho các vị trí môi trường có dầu hay nước.

Khả năng phát hiện vật của cảm biến tiệm cận không chịu ảnh hưởng của dầu, nước hay bụi bẩn. Đây là ưu điểm rất lớn mà các loại cảm biến khác trên thị trường khó có thể làm được. 

Ưu điểm này xuất phát từ việc thiết kế phần vỏ của cảm biến có sẵn tính năng kháng khuẩn và kháng hóa chất rất vượt trội.

Tốc độ cảm biến cực cao

Cảm biến tiệm cận có khả năng cảm nhận vật trong thời gian nhanh với độ chính xác rất cao theo đánh giá từ phía các chuyên gia, 

Khả năng cảm biến trong phạm vi nhiệt độ rộng

Cảm biến tiệm cận có thể phát huy được hết các tính năng một cách hiệu quả nhất trong khoảng nhiệt độ từ – 40 độ C – 200 độ C.

Không chịu sự ảnh hưởng từ màu sắc của vật

Hoạt động của cảm biến tiệm cận có thể phát hiện mọi đặc tính vật lý của vật, kể cả màu sắc. 

Dù bề mặt đối tượng mong muốn cảm biến phát hiện có màu sắc như thế nào thì cũng không ảnh hưởng đến khả năng phát hiện của cảm biến.

Cảm biến có hai dây

Thiết kế của cảm biến tiệm cận có kết hợp đường dây tín hiệu và dây nguồn. Việc thiết kế này cũng giúp hạn chế tối đa tình trạng hư hỏng các phần tử bên trong một cách tối ưu.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

Đối với cảm biến tiệm cận quy nạp

Tình trạng quy nạp ở cảm biến tiệm cận sẽ có khả năng phát hiện mất từ khi dòng điện xoáy được tạo ra ở trên bề mặt dẫn điện xuất phát từ trường ở bên ngoài. 

Tại cuộn dây phát hiện sẽ xuất hiện từ trường xoay chiều. Đồng thời, trở kháng sẽ thay đổi do trên vật thể kim loại phát hiện ra dòng điện xoáy.

Với nguyên tắc cảm biến này sẽ có nhiều phương pháp cảm biến khác nhau. Cụ thể như: phát hiện thành phần pha ở tần số, phát hiện nhôm, phát hiện toàn kim loại…

Bên cạnh đó, cảm biến tiệm cận còn có cảm biến đáp ứng xung, nó sẽ tạo ra dòng điện xoáy đi theo xung để phát hiện ra sự thay đổi thời gian ở dòng điện xoáy đối với điện áp đã được cuộn dây tạo ra.

Nguyên tắc phát hiện của cảm biến điện dung

Hoạt động của cảm biến tiệm cận theo nguyên tắc điện dung chính là cảm nhận ra sự thay đổi về điện dung giữa cảm biến và vật cần cảm biến. 

Kích thước và khoảng cách của vật cần cảm biến sẽ quyết định đến sự thay đổi điện dung. 

Cấu tạo của cảm biến tiệm cận sẽ có nét giống như một tụ điện với 2 bản song song nhau. Theo đó, 1 bản là vật thể được đo còn bản còn lại là bề mặt của bộ cảm biến. Tùy vào hằng số điện môi của vật cần cảm biến để thiết bị có thể phát hiện ra chúng.

Nguyên tắc phát hiện của cảm biến tiệm cận từ tính

Theo nguyên tắc này, đầu sậy của cảm biến tiệm cận sẽ được vận hành thông qua nam châm. Khi công tắc Bật thì cảm biến cũng được Bật và ngược lại.

Phân loại cảm biến tiệm cận

	Cảm biến tiệm cận cảm ứng	Cảm biến tiệm cận điện dung	Cảm biến tiệm cận từ tính
Đối tượng cảm biến	Các vật làm từ chất liệu kim loại như: sắt, nhôm, đồng…
Nhiễu điện	Khả năng cảm biến sẽ bị ảnh hưởng bởi mối quan hệ về vị trí của các yếu tố như đường tín hiệu, đường dây điện hay đường nối đất của tủ… Đa dạng vật liệu bao phủ xung quanh cảm biến như: kim loại, nhựa… Dễ bị nhiễu khi độ dài của cáp lớn.		Hầu như không xảy ra hiện tượng này.
Nguồn cấp điện áp	Đa dạng các nguồn khác nhau như: DC, AC, AC / DC và cả nguồn DC không phân cực…
Khoảng cách cảm biến	Thiết kế khoảng cách cảm biến cần phải chú ý đến nhiều yếu tố ảnh hưởng khác nhau như: vật cần cảm ứng, nhiệt độ, khoảng cách ở giữa gắn cảm biến và đối tượng xung quanh. Trường hợp cần phải đảm bảo độ cảm biến chính xác thì người dùng cần sử dụng kèm thêm bộ khuếch đại riêng biệt.
Mức tiêu thụ hiện tại	Cảm biến có sự phụ thuộc vào đặc điểm của nguồn điện. Thiết kế kiểu DC 2 dây giúp triệt tiêu dòng điện.
Môi trường	Cảm biến tiệm cận có thể sử dụng được trong môi trường nhiệt độ, độ ẩm. Thậm chí các dòng này đều dùng cho cả môi trường chứa nước, dầu hay hóa chất…
Chi tiếp lắp ráp	Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của cảm biến tiệm cận như: vật thể xung quanh, mômen siết, số bước đấu dây, khoảng cách giữa những cảm biến, kích thước, chiều dài của cáp,… Cần phải kiểm tra kỹ những ảnh hưởng của vật thể kim loại cũng như các vật thể khác xung quanh. Đặc biệt, các thông số kỹ thuật đối với tình trạng giao thoa lẫn nhau giữa những cảm biến.
Rung động vật lý, rung sốc	Khi lắp đặt cần chú ý đến tình trạng sốc hay rung động của môi trường để chọn khoảng cách cảm biến phù hợp. Điều này tránh tình trạng cảm biến bị lỏng gây ảnh hưởng đến tuổi thọ và quá trình sử dụng.

10 Ứng dụng của cảm biến tiệm cận trong thực tế 

1. Điều khiển tự động trong dây chuyền sản xuất: Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để xác định vị trí và chuyển động của các đối tượng trong quá trình sản xuất, từ đó giúp điều khiển tự động các máy móc và thiết bị.
2. Điều khiển an toàn trong robot hợp tác: Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của con người hoặc các đối tượng xung quanh robot, từ đó giúp đảm bảo an toàn cho các hoạt động hợp tác giữa người và robot.
3. Điều khiển đèn tự động: Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của người hoặc phương tiện trong môi trường, từ đó kích hoạt việc bật/tắt đèn tự động để tiết kiệm năng lượng.
4. Điều khiển cửa tự động: Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để phát hiện sự tiếp cận của người hoặc các đối tượng gần cửa, từ đó kích hoạt cơ chế mở/closed cửa tự động.
5. Đo mức chất lỏng: Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để đo mức chất lỏng trong các bồn, thùng chứa hoặc hệ thống cấp nước, đảm bảo việc kiểm soát và theo dõi chất lượng chất lỏng.
6. Đo khoảng cách: Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để đo khoảng cách đến các đối tượng trong ứng dụng đo lường và kiểm tra, ví dụ như trong công nghiệp ô tô để xác định khoảng cách đến các vật cản.
7. Điều khiển máy móc gia đình: Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng trong các thiết bị gia đình như máy rửa chén, máy giặt để xác định tải trọng và điều chỉnh quy trình làm việc.
8. Điều khiển và định vị robot di động: Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để phát hiện và tránh các vật cản trong quá trình di chuyển của robot, đồng thời giúp định vị robot trong không gian.
9. Điều khiển và định vị trong ô tô tự động: Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để phát hiện và định vị các vật thể xung quanh ô tô tự động, giúp hệ thống tự lái phát hiện và tránh va chạm.
10. Bảo vệ an toàn trong cổng:Cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để bảo vệ an toàn trong cổng, bao gồm các ứng dụng như:phát hiện sự tiếp cận trái phép, kiểm soát người ra/vào, giám sát cửa tự động, phát hiện vật lạ,…