1. Khái niệm: Cảm biến từ là gì
Cảm biến từ (còn gọi là cảm biến điện từ) là một loại cảm biến tiệm cận, hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Cảm biến phát hiện vật kim loại hoặc vật mang từ tính ở khoảng cách gần, thường từ vài mm đến vài chục mm, mà không cần chạm vào vật. Cảm biến từ tạo ra một từ trường ở mặt cảm biến. Khi có vật kim loại đi vào vùng từ trường này, từ trường bị thay đổi; mạch bên trong nhận ra thay đổi đó và chuyển trạng thái ngõ ra để báo về bộ điều khiển, chẳng hạn PLC hoặc máy tính công nghiệp. Vì không có tiếp xúc cơ khí, cảm biến từ không mòn, đóng cắt nhanh và có tuổi thọ dài hơn công tắc hành trình.
2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến từ
2.1 Cấu tạo của cảm biến từ
Cảm biến từ gồm ba khối chính:- Cuộn cảm và lõi ferrite đặt ở mặt cảm biến, tạo từ trường. Ở cảm biến từ tính, khối này được thay bằng phần tử Hall, GMR hoặc công tắc lưỡi gà (reed switch) để cảm nhận từ trường của nam châm.
- Bộ cảm ứng và xử lý tín hiệu: mạch dao động, mạch tách sóng và mạch so ngưỡng, nhận biết thay đổi của từ trường và quyết định thời điểm chuyển trạng thái.
- Ngõ ra điều khiển: transistor NPN hoặc PNP (loại 3 dây), hoặc ngõ ra 2 dây nối tiếp tải, kiểu thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC), kèm đèn LED báo trạng thái.
2.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ
Khi được cấp nguồn, mạch dao động cho dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn cảm, tạo từ trường biến thiên ở mặt cảm biến. Vật kim loại đi vào vùng từ trường sẽ sinh dòng điện xoáy trên bề mặt vật; dòng xoáy này lấy bớt năng lượng của mạch dao động làm biên độ dao động giảm. Mạch so ngưỡng nhận ra mức giảm này và chuyển trạng thái ngõ ra. Khi vật rời đi, dao động phục hồi và ngõ ra trở về trạng thái ban đầu. Các chất phi kim như nhựa, gỗ, chất lỏng hoặc bụi bẩn không tương tác với từ trường. Vì vậy cảm biến từ làm việc ổn định trong môi trường bụi, dầu mỡ hoặc ẩm ướt, nơi cảm biến quang dễ bị che mờ. Kích thước cuộn cảm và đường kính mặt cảm biến càng lớn thì từ trường phát ra càng mạnh, khoảng cách phát hiện càng xa. Khoảng cách phát hiện danh định trên nhãn thường được đo với tấm thép chuẩn; với nhôm, đồng hoặc inox, khoảng cách thực tế ngắn hơn theo hệ số suy giảm trong tài liệu của hãng.
3. Phân loại cảm biến từ
Các loại cảm biến từ được phân theo ba tiêu chí: hình dáng, cấu tạo mặt cảm biến và đối tượng từ trường cần phát hiện.3.1 Theo hình dáng
Cảm biến từ hình trụ có thân ren theo cỡ M8, M12, M18, M30, lắp bằng hai đai ốc, dễ chỉnh khoảng cách; là loại phổ biến nhất trên máy móc. Cảm biến từ hình hộp có mặt cảm biến lớn hơn, khoảng cách phát hiện xa hơn, lắp bằng vít, thường dùng ở băng tải, cửa máy và vị trí có va chạm.3.2 Theo cấu tạo
Cảm biến từ có bảo vệ (shielded): vòng kim loại bao quanh cuộn cảm nên từ trường chỉ tập trung phía trước mặt cảm biến. Loại này ít bị ảnh hưởng bởi kim loại xung quanh và có thể lắp chìm ngang mặt giá đỡ kim loại, nhưng khoảng cách phát hiện ngắn, thường chỉ vài mm. Cảm biến từ không có bảo vệ (unshielded): từ trường toả cả ra phía bên nên phát hiện được xa hơn. Bù lại, loại này dễ bị nhiễu bởi kim loại xung quanh, phải lắp nhô khỏi giá đỡ và giữ khoảng cách với các cảm biến khác theo hướng dẫn của hãng.
3.3 Theo đối tượng từ trường cần phát hiện
Cảm biến trường thấp: phát hiện những từ trường rất yếu, dùng trong thiết bị y tế, nghiên cứu và đo đạc đòi hỏi độ chính xác cao. Cảm biến từ trường Trái đất: dùng từ trường tự nhiên của Trái đất làm tham chiếu, thường thấy trong la bàn điện tử, phương tiện giao thông và thiết bị định vị. Cảm biến từ trường nam châm: phát hiện từ trường mạnh từ nam châm vĩnh cửu, gồm cảm biến Hall, cảm biến GMR (từ trở khổng lồ) và công tắc lưỡi gà. Đây là nhóm dùng nhiều trong công nghiệp để đọc vị trí piston xy lanh khí nén, tốc độ trục quay và trạng thái đóng mở cửa. Bảng sau tóm tắt các loại cảm biến từ thường gặp:| Loại | Nguyên lý | Đối tượng phát hiện | Ứng dụng điển hình |
|---|---|---|---|
| Cảm biến điện cảm (inductive) | Cuộn dây tạo từ trường, dòng xoáy trên kim loại làm giảm dao động | Mọi kim loại, không cần nam châm | Phát hiện chi tiết máy, đếm sản phẩm kim loại, vị trí cơ cấu |
| Cảm biến Hall | Điện áp Hall sinh ra khi từ trường cắt qua phần tử bán dẫn | Từ trường của nam châm | Vị trí rotor động cơ không chổi than, đo tốc độ, vị trí xy lanh |
| Cảm biến GMR / AMR | Điện trở của màng từ thay đổi theo từ trường | Từ trường yếu đến trung bình | Encoder từ, đo góc, la bàn điện tử |
| Công tắc lưỡi gà (reed) | Hai lá tiếp điểm hút nhau khi có từ trường | Nam châm | Công tắc cửa, báo mức phao từ, xy lanh khí nén |
4. Ứng dụng của cảm biến từ là gì
4.1 Cảm biến từ trong dây chuyền sản xuất
Cảm biến từ là loại cảm biến dùng nhiều nhất trong dây chuyền sản xuất tự động: đếm sản phẩm kim loại trên băng tải, phát hiện chi tiết có mặt tại vị trí gia công, xác nhận kẹp đã đóng, đọc vị trí piston của xy lanh khí nén qua vòng nam châm trên piston, và giám sát vị trí các bộ phận máy để khoá liên động an toàn.4.2 Đo tốc độ và vị trí trục quay
Máy phát điện, động cơ và hộp số dùng cảm biến từ để đo tốc độ quay: một bánh răng kim loại hoặc nam châm gắn trên trục đi qua mặt cảm biến tạo ra chuỗi xung, bộ điều khiển đếm xung để tính vòng quay. Cách đo này không tiếp xúc, chịu được dầu và nhiệt trong khoang máy.
4.3 Đo độ dày tạp chất và phát hiện vật bằng kim loại
Vì khoảng cách phát hiện thay đổi theo lượng kim loại trong vùng từ trường, cảm biến từ dạng analog được dùng để đo độ dày lớp phủ phi kim trên nền kim loại và phát hiện mảnh kim loại lẫn trong nguyên liệu ở ngành thực phẩm, gỗ, nhựa.
4.4 Các thiết bị y tế với cảm biến từ
Cảm biến từ trường thấp có mặt trong nhiều thiết bị y tế hiện đại: định vị dụng cụ trong phẫu thuật, theo dõi vị trí trong máy chụp cộng hưởng từ (MRI) và các thiết bị cấy ghép có điều khiển từ bên ngoài.4.5 Cảm biến từ trong thiết bị gia dụng
Bếp từ dùng mạch cảm ứng để nhận biết có nồi kim loại trên mặt bếp trước khi cấp công suất. Động cơ không chổi than trong máy hút bụi, máy giặt và quạt dùng cảm biến Hall để đọc vị trí rotor và chuyển mạch chính xác, cho hiệu suất cao và chạy êm.4.6 Cảm biến từ trong an ninh
Công tắc từ gắn trên cửa ra vào hoặc cửa sổ gồm một nam châm và một công tắc lưỡi gà; khi cửa mở, hai phần tách nhau và cảm biến báo tín hiệu về trung tâm báo động. Cùng nguyên lý này được dùng cho cửa tủ điện, nắp máy và cửa lồng bảo vệ trong nhà máy.5. Lưu ý khi lắp đặt và đấu nối cảm biến từ
- Chọn đúng kiểu ngõ ra. Cảm biến NPN kéo tín hiệu xuống 0 V, PNP đẩy tín hiệu lên dương nguồn. Cổng vào của PLC hoặc máy tính công nghiệp phải cấu hình đúng kiểu, nếu không cổng vào sẽ không đổi trạng thái.
- Giữ khoảng cách lắp. Loại có bảo vệ được lắp chìm; loại không bảo vệ phải nhô khỏi giá kim loại và cách nhau đủ xa để không nhiễu chéo, theo bảng khoảng cách trong tài liệu hãng.
- Đặt vật ở 70 đến 80 phần trăm khoảng cách danh định. Chừa dự phòng cho rung, lệch cơ khí và suy giảm theo loại kim loại.
- Tách dây tín hiệu khỏi dây động lực. Đi cáp cảm biến trong máng riêng, dùng cáp bọc chống nhiễu khi chạy gần biến tần hoặc động cơ.
- Kiểm tra cấp bảo vệ. Vị trí có nước rửa hoặc dầu cần cảm biến đạt IP67 trở lên và đầu nối M12 có gioăng.