Các loại cảm biến từ xi lanh khí nén và thủy lực

Cảm biến từ xi lanh dễ dàng được bắt gặp trong các hệ thống thủy lực, khí nén, các nhà máy hóa chất, giấy, cơ khí chế tạo, chế biến gỗ, luyện kim, lắp ráp… Nó giúp sức rất nhiều khi tiết kiệm nguồn chi phí, nhân công cho người dùng nhưng vẫn đảm bảo năng suất, sản lượng cao.

Cùng CNSG tìm hiểu về các loại cảm biến từ xi lanh, những ứng dụng, ưu nhược điểm và nguyên lý hoạt động để dễ dàng hơn trong việc lựa chọn cảm biến xi lanh nhé!

Cảm biến từ xi lanh là gì?

Cảm biến từ xilanh là một thiết bị thủy lực có chức năng nhận biết được sự thay đổi, sự có mặt trong môi trường gắn nó. Sau khi nhận biết những thay đổi, thiết bị này sẽ truyền tín hiệu nhận biết để thông báo cho con người biết về sự thay đổi, có mặt đó.

Dựa trên sự thay đổi về: ánh sáng, nhiệt độ, vị trí, vòng quay, áp suất, độ ẩm…trong công nghiệp, người ta sẽ linh hoạt để chế tạo rất nhiều loại cảm biến.

Tùy theo đặc điểm công việc, nhu cầu và loại thiết bị mà con người có thể lựa chọn những loại cảm biến khác nhau như: áp suất, cảm biến quang, tiệm cận, vị trí xi lanh…

Cảm biến từ xilanh cũng là phụ tùng xe nâng được dùng phổ biến cho những chế độ làm việc khắc nghiệt, trong môi trường độc hại hoặc với những hệ thống hoạt động liên tục. Khi cần piston dịch chuyển tịnh tiến, tín hiệu sẽ được cảm biến trả về. 

Xem thêm: Các lỗi xilanh thủy lực và cách xử lý

Nguyên lý cảm biến từ xi lanh (tiệm cận)

Xilanh thủy lực là chấp hành trong hệ thống động cơ hoạt động để tạo nên những chuyển động tịnh tiến nhằm tác động lực ra bên ngoài để nén ép. Xi lanh dầu, xi lanh khí thường thích hợp với cảm biến từ xilanh tiệm cận.

Cảm biến tiệm cận thường được phân chia thành 2 loại phổ biến: 

Cảm biến điện dung

• Đối với loại cảm biến điện dung này, bộ phận chính được thiết lập là 2 bản cực. Khi xuất hiện 1 vật ở vị trí vùng giữa 2 bản cực, giá trị điện dung cũng sẽ thay đổi. Ngay lập tức cảm biến phát hiện ra và xuất tín hiệu.
• Nguyên lý hoạt động khi vật xuất hiện cũng là lúc làm cho hằng số điện môi thay đổi, từ đó chiều dài của lớp cách điện cũng thay đổi theo. Cuối cùng là điện dung của tụ điện thay đổi khiến cảm biến nhận ra. 
• Loại cảm biến điện dung này dùng khi con người muốn phát hiện các vật là sành, sứ, phi kim, thủy tinh,…chuyển động vào vùng cần nhận biết.

Cảm biến từ trường

• Loại này có tính ổn định nhất bởi vì nó sẽ luôn hoạt động khi được cấp điện.

Bố trí cảm biến từ trong xilanh

• Nếu thợ kỹ thuật tiến hành tháo rời các chi tiết xi lanh khí nén hay xi lanh dầu sẽ thấy ngoài các vòng gioăng phớt với nhiệm vụ làm kín thì còn có các vòng nam châm vĩnh cửu. Nó được tích hợp sẵn vào xi lanh.
• Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghiệp hóa, các hãng sản xuất đã tiến hành cải tiến sản phẩm với mong muốn các xi lanh có vòng nam châm này sẽ được kết hợp với các cảm biến từ xilanh gắn ở bên ngoài để thu tín hiệu khi piston của xi lanh di chuyển đến vị trí cài đặt cảm biến. Hệ thống sẽ tự động làm việc mà không cần đến sự điều khiển trực tiếp của con người.
• Các cảm biến từ xi lanh sẽ được bố trí tại vị trí đầu hoặc cuối hành trình để nhận biết nhanh khi piston bắt đầu tịnh tiến. Một số hệ thống sẽ bố trí các cảm biến hành trình xi lanh thủy lực dọc theo thân xi lanh. Tùy theo yêu cầu mà số lượng cảm biến sử dụng có thể là 1, 2 hoặc nhiều hơn. Với những hệ thống xi lanh cần di chuyển với tốc độ nhanh sẽ ưu tiên gắn cảm biến tại đầu cuối mà ít gắn ở vị trí giữa.
• Đối với những xi lanh thủy lực không được tích hợp vòng nam châm vĩnh cửu, thợ kỹ thuật có thể tiến hành gia công và gắn vào đầu cần xi lanh. Khi đó, các kỹ sư phải tính toán cẩn thận các vị trí để đặt cảm biến. Đối với các xi lanh làm việc trong môi trường hóa chất, ngoài không khí ra thì nên chú ý nâng cao hơn để tăng sự thích ứng với không gian, môi trường.
• Đối với loại xi lanh tròn được sản xuất theo tiêu chuẩn ISO 6342, cảm biến xi lanh sẽ được móc vào lá thép có dây thít. Khi thít chặt, nó sẽ cố định tại vị trí yêu cầu. Khi nới lỏng, nó sẽ di chuyển dọc theo xi lanh. 
• Đối với các xi lanh vuông theo tiêu chuẩn ISO 15552, các cảm biến xi lanh tiệm cận sẽ được gán vào bất kỳ các vị trí nào trên các đường rãnh dọc theo thân.
• Xem thêm: Đồng hồ đo áp suất khí nén và thủy lực

Các loại cảm biến xi lanh

Cảm biến hiệu ứng Hall

Loại cảm biến tiệm cận đầu tiên thường được biết đến là loại cảm ứng hiệu ứng Hall.

Cơ chế của hiệu ứng Hall	Cơ chế của hiệu ứng Hall này sẽ có 1 bản làm bằng vật liệu là kim loại, chất bán dẫn hay các vật liệu có khả năng dẫn điện và sẽ tạo 1 từ trường vuông góc lên tấm đó. Khi dòng điện đi qua, từ trường tác dụng lên các hạt mang điện 1 lực ngang. Chúng sẽ có các hạt điện tích dương, điện tích âm được đẩy sang 2 bên và hình thành nên 2 cực.
Cấu tạo của cảm biến từ xilanh hiệu ứng Hall	Trong cấu tạo của cảm biến hiệu ứng Hall sẽ có 1 tấm bán dẫn, 1 dòng điện đi qua. Khi nam châm vĩnh cửu của piston tịnh tiến đến tạo ra một từ trường vuông góc với tấm bán dẫn đang có dòng điện qua. Lập tức các hạt mang điện sẽ phân tách về 2 đầu và điện áp chênh lệch. Tín hiệu được tạo ra.
Ưu điểm	Cảm biến từ xilanh hiệu ứng Hall với cảm biến tiếp điểm có khả năng tạo ra sự chênh lệch hiệu điện thế thay vì sự va đập của các tiếp điểm, khả năng biến đổi vật lý dựa trên vị trí duy chuyển có lực quán tính cản trở. Cảm biến từ xilanh hiệu ứng Hall thích hợp sử dụng hơn loại tiếp điểm cho những hệ thống tần suất lớn nhưng chu kỳ nhỏ.
Nhược điểm	Nhược điểm lớn nhất của cảm biến từ xilanh hiệu ứng Hall chính là độ nhạy. Việc tạo ra các tín hiệu nhờ vào từ trường tạo nên sự chênh lệch hiệu điện thế nên khi từ trường yếu đi thì sẽ kéo theo khả năng phát tín hiệu của cảm biến cũng yếu. Để hạn chế được hiện tượng này thì người dùng nên chọn xi lanh có độ dày của ống xi lanh và đường kính ống phù hợp. Những xi lanh có độ dày lớn thì nên sử dụng loại khác.

Cảm biến tiếp điểm

Cấu tạo cảm biến tiếp điểm	Cấu tạo bên trong của tiếp điểm sẽ có 1 nam châm vĩnh cửu, có hình dạng tương tự với phớt thủy lực. Nó có 2 mép mà tiến dần đến vị trí giữa nam châm gọi là 2 cực. Từ trường giảm về 0 ở vị trí chính giữa và mạnh lên dần khi tiến về 2 mép. Tuy chúng thẳng hàng nhau nhưng lại phân cực rất mạnh ở 2 đầu. Cảm biến tiếp điểm được nhận biết với cấu tạo là 2 tiếp điểm tương ứng với 2 tiếp điểm đóng – mở có trong aptomat, công tắc hay trong các công tắc tơ. Tuy nó khá đơn giản về mặt cấu tạo nhưng hiệu quả đem lại khi sử dụng rất tốt.
Nguyên lý làm việc	Ở trạng thái chưa kích thích, 2 tiếp điểm thường mở đặt tách nhau trong 1 ống thủy tinh kín có tác dụng làm hở mạch. Các tín hiệu điện không thể xuất ra ngoài. Khi nam châm vĩnh cửu trong xi lanh có từ trường thì do nam châm có 2 cực đặt trên 1 mặt phẳng nên sẽ sinh ra lực từ trường. Đầu piston sẽ chuyển động tịnh tiến đến gần tiếp điểm hơn và khi đó lực từ sẽ hút 2 tiếp điểm lại với nhau để tạo nên sự kết nối liên mạch. Cảm biến từ xi lanh dạng này sẽ luôn ở trạng thái đóng nếu chưa xuất hiện piston mang nam châm vĩnh cửu. Khi nam châm xuất hiện thì dưới tác động của lực từ trường, mạch được nối liền. Trạng thái on được kích hoạt và mạch xuất tín hiệu truyền ra bên ngoài.
Ưu điểm của cảm biến tiếp điểm	Mang đến hiệu quả sử dụng cao nhưng tiêu tốn rất ít điện năng vì thế giúp tiết kiệm được nguồn chi phí cho khách hàng. Giá thành phân phối cảm biến từ xilanh tiếp điểm phải chăng, có thể làm việc trong hệ thống điện xoay chiều AC và điện 1 chiều DC.
Nhược điểm	Đối với tiếp điểm thì bề mặt bền và nhạy rất quan trọng. Với hệ thống có tần suất hoạt động lớn thì các tiếp điểm sẽ liên tục va đập với nhau nên bề mặt tiếp xúc rất nhanh hỏng.
Lưu ý khi lựa chọn cảm biến tiếp điểm	Khả năng dẫn điện: để lựa chọn được cảm biến tiếp điểm chuẩn cần chú ý khi nó dẫn điện tốt. Thiết bị cảm biến tiếp điểm tốt sẽ thực hiện được chức năng nối mạch liền lại để xuất tín hiệu điều khiển ra bên ngoài. Nếu như sử dụng cảm biến tiếp điểm cho hệ thống xi lanh khí phục vụ trong các hệ thống mở khẩn thì yếu tố cần chú trọng. Vì lúc này, mạch không được đóng, tín hiệu không được xuất ra dẫn đến trạng thái xi lanh không thể chuyển đổi kịp theo yêu cầu. Khả năng đàn hồi: Yếu tố liên quan đến bề mặt tiếp điểm có mềm dẻo, đàn hồi hay không cũng rất quan trọng. Đây là tính năng liên quan trực tiếp đến độ bền của thiết bị. Trong trường hợp, các tiếp điểm va đập liên tục nhưng khả năng đàn hồi kém sẽ dẫn đến sự cố hỏng hóc.
Thay thế các cảm biến tiếp điểm	Việc thay thế các cảm biến tiếp điểm sẽ phụ thuộc vào: tần số hoạt động, chất lượng của sản phẩm, môi trường làm việc. Trung bình thời gian bảo dưỡng, thay thế cảm biến tiếp điểm khoảng 1-2 năm nên thay 1 lần để đảm bảo cho hệ thống xi lanh hoạt động chính xác.

Cảm biến từ khổng lồ

Cấu trúc của cảm biến từ xi lanh khổng lồ	Gồm 3 lớp: Lớp dẫn từ, lớp không dẫn từ, lớp dẫn từ được sắp xếp xen kẽ và chồng lên nhau.
Nguyên lý hoạt động	Khi từ trường xuất hiện, hiệu điện thế tăng và điện trở giảm giúp cảm biến xuất tín hiệu ON ra bên ngoài.
Ưu điểm của cảm biến từ khổng lồ	So với cảm biến từ tính dị hướng thì loại cảm biến từ xi lanh khổng lồ này có độ nhạy hơn. Thiết bị khá nhỏ gọn, có thể phát hiện từ trường ở khoảng cách xa.
Nhược điểm	Khi sử dụng, khách hàng cần cân nhắc bởi khi vị trí lắp của xi lanh gần động cơ điện, sự nhạy của cảm biến sẽ làm nó tác động nhầm, không theo yêu cầu của người dùng.

Cảm biến từ tính dị hướng

Dấu hiệu phân biệt	Cảm biến từ tính dị hướng chính là một cảm biến tiệm cận dùng cho xi lanh khí hoặc xi lanh dầu. Cấu tạo dễ nhận biết với các điện trở kết nối với nhau thành hình mạch cầu.
Nguyên lý hoạt động	Hoạt động của cảm biến này rất đơn giản: Khi từ trường của nam châm trong xi lanh được tạo ra sẽ làm giá trị điện trở của cảm biến giảm đi. Lúc này, điện áp của mạch cầu sẽ lớn hơn so với khi ở trạng thái bình thường. Tín hiệu của cảm biến sẽ chuyển từ off sang on.
Ưu điểm	So với cảm biến hiệu ứng Hall, nó có thể phát hiện từ trường nhạy bén dù ở khoảng cách xa và từ trường yếu. So với cảm biến tiếp điểm thì cảm biến từ dị hướng có cấu trúc nhỏ gọn và giá thành rẻ hơn. Do nó không có lực quán tính tách nhả nên phù hợp với những hệ thống có xi lanh làm việc liên tục, công suất lớn, ít bị hỏng bề mặt tiếp điểm.
Nhược điểm	Cung cấp điện năng cho mạch cầu liên tục để cảm biến hoạt động cũng là một nhược điểm lớn vì nó không thể tiết kiệm điện gây tiêu tốn nhiều chi phí cho người dùng.

Các loại cảm biến từ được ứng dụng nhiều

Các loại cảm biến điện từ rất cần thiết với các loại máy móc như máy ép nhựa, máy chấn tôn, máy cắt nhôm, máy ép cọc thủy lực,…

Cảm biến tiệm cận – Proximity sensor

Cảm biến tiệm cận là loại cảm biến từ thường được ứng dụng dùng trong công nghiệp nhiều nhất. 

Với khả năng nhạy khi phát hiện sự thay đổi từ trường trong vùng khi có vật thể đang tiến đến và xuất tín hiệu ra bên ngoài.

Cảm biến quang – Optical sensor

Loại cảm biến quang này có thể hoạt động dựa trên tín hiệu của ánh sáng thu được để xuất tín hiệu chuyển về bộ xử lý.

Thiết bị cảm biến quang này sau khi được lắp đặt và đi vào hoạt động sẽ phát hiện các vật di chuyển qua mắt quang của nó. 

Tín hiệu này chính là sự phản quang phát ra từ vật. Khi đó, cảm biến sẽ ngay lập tức xuất tín hiệu thông báo truyền ra bên ngoài.

Cảm biến áp suất – Pressure sensor

Cảm biến áp suất còn được biết đến là công tắc áp suất. 

Thiết bị cảm biến từ xi lanh này được lắp trong các hệ thống khí nén hoặc dầu để khi áp suất của dòng lưu chất tăng cao, vượt quá giá trị đã được cài đặt ban đầu thì nó sẽ chuyển trạng thái mở hoặc đóng theo yêu cầu của người dùng.