1. Cảm biến tiệm cận là gì?
Cảm biến tiệm cận (còn gọi là công tắc tiệm cận, viết tắt PROX từ Proximity Sensor) là cảm biến phản ứng khi có vật ở gần mặt cảm biến. Khoảng cách phát hiện thường chỉ từ vài mm đến vài chục mm tuỳ loại và kích cỡ.Cảm biến tiệm cận thường được dùng để phát hiện vị trí cuối hành trình của chi tiết máy. Tín hiệu ngõ ra của cảm biến khởi động một chức năng khác trên máy: dừng xy lanh, đếm sản phẩm, mở kẹp. Vì không có tiếp điểm cơ khí, cảm biến làm việc ổn định trong môi trường bụi, dầu và rung.
- Cảm ứng điện từ: cuộn dây trong cảm biến tạo từ trường; vật kim loại tới gần sinh dòng điện xoáy làm biên độ dao động giảm và cảm biến chuyển trạng thái.
- Điện dung: mặt cảm biến là một bản cực; vật tới gần làm điện dung thay đổi, mạch dao động nhận ra thay đổi này.
- Từ tính: nam châm gắn trên vật chuyển động tác động lên công tắc lưỡi gà hoặc phần tử Hall trong cảm biến.
2. Đặc điểm của cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận phát hiện vật mà không cần chạm hay tác động lực lên vật, nên không làm xước, biến dạng vật và bản thân cảm biến không mòn. Cảm biến hoạt động ổn định, chịu rung và chịu va đập tốt nhờ toàn bộ mạch được đúc kín trong thân. Tốc độ đáp ứng của cảm biến tiệm cận nhanh, phù hợp với máy dập, máy đóng gói và băng tải tốc độ cao. Tuổi thọ cao hơn công tắc hành trình (limit switch) vì không có bộ phận cơ khí chuyển động. Đầu cảm biến nhỏ gọn, thân ren M8 đến M30 hoặc dạng hộp, lắp được ở nhiều vị trí chật hẹp trên máy. Khoảng cách phát hiện danh định trên nhãn được đo với vật chuẩn của hãng. Với vật liệu khác hoặc vật nhỏ hơn, khoảng cách thực tế ngắn hơn, nên khi lắp cần chừa dự phòng.
3. Phân loại cảm biến tiệm cận
3.1 Cảm biến tiệm cận từ
Cảm biến tiệm cận điện cảm, thường gọi là cảm biến từ, hoạt động bằng cách tạo từ trường từ cuộn dây ở mặt cảm biến. Từ trường này thay đổi khi có vật kim loại đi vào, nên loại này chỉ phát hiện được kim loại. Theo cấu tạo mặt cảm biến, có hai loại:- Có bảo vệ (shielded): vòng kim loại bao quanh cuộn dây, từ trường tập trung ra phía trước. Ít bị nhiễu bởi kim loại xung quanh, lắp chìm được trong giá đỡ kim loại, nhưng khoảng cách phát hiện ngắn hơn.
- Không bảo vệ (unshielded): từ trường toả cả sang bên, khoảng cách phát hiện xa hơn. Bù lại dễ bị nhiễu bởi kim loại xung quanh và phải lắp nhô khỏi giá đỡ.
3.2 Cảm biến tiệm cận điện dung
Cảm biến tiệm cận điện dung hoạt động theo nguyên lý tĩnh điện: mặt cảm biến và vật cần phát hiện tạo thành hai bản của một tụ điện. Vật tới gần làm điện dung tăng, mạch dao động thay đổi và ngõ ra chuyển trạng thái. Loại này phát hiện được hầu hết vật liệu, gồm kim loại, nhựa, gỗ, giấy, chất lỏng và bột. So với loại điện cảm, cảm biến điện dung có khoảng cách phát hiện xa hơn với cùng cỡ thân nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, bụi bám và vật lạ tới gần. Nhiều model có núm chỉnh độ nhạy để bỏ qua thành bồn hoặc ống nhựa mà chỉ phát hiện chất lỏng bên trong. Bảng sau so sánh ba loại cảm biến tiệm cận thường gặp:| Tiêu chí | Điện cảm (từ) | Điện dung | Từ tính (nam châm) |
|---|---|---|---|
| Vật phát hiện được | Chỉ kim loại | Hầu hết vật liệu, kể cả chất lỏng | Nam châm gắn trên vật |
| Khoảng cách phát hiện | Ngắn, vài mm đến vài chục mm | Xa hơn loại điện cảm cùng cỡ | Xa hơn, tuỳ độ mạnh nam châm |
| Chịu bụi, dầu, ẩm | Tốt | Bị ảnh hưởng bởi ẩm và bụi bám | Tốt |
| Ứng dụng điển hình | Vị trí chi tiết máy, đếm vật kim loại, khuôn dập | Mức chất lỏng, bột trong bồn, vật phi kim trên băng tải | Vị trí piston xy lanh khí nén, cửa tủ, cửa lồng bảo vệ |
4. Ứng dụng của cảm biến tiệm cận
4.1 Cảm biến tiệm cận trên điện thoại
Trên điện thoại thông minh, cảm biến tiệm cận (thường là loại hồng ngoại) nằm cạnh loa thoại để nhận biết người dùng đang áp tai vào máy. Khi đó màn hình tắt để tránh chạm nhầm và tiết kiệm pin, rồi sáng lại khi máy rời khỏi tai. Đây là ứng dụng quen thuộc nhất, dù trong công nghiệp cảm biến tiệm cận chủ yếu là loại điện cảm và điện dung.
4.2 Phát hiện mực chất lỏng và chất lỏng trong bồn có bọt
Cảm biến tiệm cận điện dung có núm chỉnh độ nhạy được dùng để phát hiện mực chất lỏng trong bồn mà không bị bọt đánh lừa. Cách lắp thường gặp: nối một ống nhựa thông với bồn, gắn cảm biến ngoài ống; mực nước trong ống bằng mực nước trong bồn và cảm biến xuất tín hiệu khi nước đầy hoặc cạn. Cảm biến không chạm chất lỏng nên dùng được với hoá chất.4.3 Đếm lon bia - nước giải khát sản xuất trong ngày
Cảm biến tiệm cận điện cảm lắp cạnh băng tải phát hiện từng lon nhôm đi qua. Tín hiệu đưa về bộ đếm hoặc cổng đếm xung của máy tính công nghiệp, hiển thị chính xác số lon sản xuất trong mỗi ca và tổng hợp theo ngày.
4.4 Phát hiện/đếm vật kim loại
Cảm biến điện cảm loại phát hiện mọi kim loại được dùng để xác nhận có hoặc không có vật kim loại tại vị trí, không cần phân biệt sắt, nhôm hay đồng. Ứng dụng thường gặp: xác nhận chi tiết đã nằm trong đồ gá trước khi máy chạy, đếm chi tiết ra khỏi máy.4.5 Giám sát hoạt động của khuôn dập
Cảm biến tiệm cận điện cảm gắn trên máy dập phát hiện mỗi lần khuôn đóng, cho phép đếm số lần dập trong ngày và tính năng suất máy. Khi cần theo dõi tốc độ động cơ, xung từ cảm biến được đưa qua bộ chuyển đổi xung sang analog 4-20 mA hoặc đưa thẳng vào cổng đếm xung tốc độ cao của mô-đun DI.
4.6 Kiểm tra gãy mũi khoan
Cảm biến tiệm cận, nhất là loại đầu cảm biến rời nối với bộ khuếch đại, được đặt ngay dưới mũi khoan để xuất tín hiệu báo khi mũi khoan bị gãy. Đây là cách phù hợp với mũi khoan đường kính nhỏ, nơi camera hoặc cảm biến quang khó bắt được.4.7 Phát hiện mức nước chất lỏng trong ống nghiệm
Cảm biến tiệm cận điện dung cỡ nhỏ phát hiện mức chất lỏng như nước, hoá chất trong ống nghiệm qua thành ống mà không chạm vào mẫu. Cách này an toàn cho người vận hành và không làm nhiễm bẩn mẫu.5. Lưu ý khi sử dụng cảm biến tiệm cận
Trước khi chọn và lắp cảm biến tiệm cận, cần trả lời các câu hỏi sau:- Đo cái gì? Vật cần phát hiện là kim loại, phi kim hay chất lỏng; kích thước vật so với mặt cảm biến ra sao. Điều này quyết định chọn loại điện cảm, điện dung hay từ tính.
- Tốc độ và độ chính xác. Vật đi qua nhanh hay chậm, cần bắt đúng vị trí tới mm hay chỉ cần biết có mặt. Tần số đáp ứng của cảm biến phải cao hơn tốc độ vật đi qua.
- Nhiễu từ môi trường. Gần khu vực đo có nam châm, động cơ lớn hay biến tần không. Từ trường mạnh là một nguyên nhân gây sai số và tác động nhầm, cần đổi vị trí lắp hoặc chọn loại chịu từ trường.
- Rung và nhiệt độ. Khu vực đo có rung mạnh, nhiệt độ cao không. Nhiệt độ ngoài dải làm việc làm khoảng cách phát hiện trôi, rung mạnh làm lỏng đai ốc lắp.
- Khoảng cách lắp. Đặt vật ở khoảng 70 đến 80 phần trăm khoảng cách danh định để có dự phòng cho sai lệch cơ khí và suy giảm theo vật liệu.
6. Đấu nối cảm biến tiệm cận về PLC và máy tính công nghiệp
Ngõ ra của cảm biến tiệm cận công nghiệp phổ biến nhất là loại 3 dây: dây nguồn dương, dây 0 V và dây tín hiệu, với kiểu NPN (kéo tín hiệu xuống 0 V khi phát hiện) hoặc PNP (đẩy tín hiệu lên mức nguồn khi phát hiện). Loại 2 dây nối tiếp với tải như một công tắc. Trạng thái thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC) chọn theo logic an toàn của máy. Tín hiệu này đi về cổng vào số (DI) của PLC hoặc máy tính công nghiệp. Ba điểm cần khớp nhau:- Kiểu ngõ ra và kiểu cổng vào. Cổng DI kiểu sink nhận cảm biến PNP, cổng kiểu source nhận cảm biến NPN. Nối sai kiểu thì cổng vào không đổi trạng thái dù LED cảm biến sáng.
- Mức điện áp. Cổng DI công nghiệp thường nhận mức 10 đến 30 VDC (wet contact) hoặc tiếp điểm khô (dry contact); cảm biến cấp nguồn 12 đến 24 VDC là khớp.
- Cách ly. Cổng DI có cách ly quang tránh nhiễu từ dây tín hiệu dài truyền vào bộ điều khiển.