Cảm biến công nghiệp – Cảm biến điện trong ngành công nghiệp

I. Giới thiệu:

Cảm biến là thiết bị dùng để đo, đếm, cảm nhận…các đại lượng vật lý không điện thành các tín hiệu điện, tín hiệu của cảm biến sẽ được hồi tiếp thường xuyên về hệ thống điều khiển.

Cảm biến bao gồm các loại sau: công tắc hành trình, cảm biến quang, cảm biến cảm ứng từ, cảm biến điện dung, cảm biến siêu âm….

Một số hình ảnh cảm biến công nghiệp

Kí hiệu tiếp điểm của công tắc hành trình

Kí hiệu tiếp điểm của cảm biến

II. Công tắc hành trình (Limit Switches)

1. Công tắc hành trình dạng cơ khí:

Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình dạng này như sau:

Khi con lăn bị tác động, ép lò xo (1) làm tấm lò xo (6) di chuyển xuống phía dưới đến khi tác động lên cần đẩy (3) và nâng trục dẫn hướng (9) lên phía trên. Trên thân (2) có gắn tiếp điểm (4) và (5), trên trục dẫn hướng (9) gắn tiếp điểm(8). Khi trục dẫn hướng bị di chuyển lên phía trên thì tiếp điểm (4) mở sẽ thành tiếp điểm đóng và tiếp điểm đóng(5) thành tiếp điểm mở.

2. Công tắc hành trình nam châm

Cấu tạo công tắc hành trình nam châm gồm một vỏ bằng thủy tinh bên trong có hai cực làm bằng Rhodium, Volfram, bạc…. toàn bộ được chứa trong môi trường khí Nitơ, khí hydro hoặc chân không.

Đây là loại công tắc hành trình không tiếp xúc nghĩa là khi có nam châm di chuyển đến công tắc, sẽ làm cho đóng mạch của công tắc.

3. Ứng dụng:

Công tắc hành trình thường được sử dụng để giới hạn chuyển động, hành trình làm việc của một vật hay một chi tiết trong hệ thống.

Công tắc hành trình nam châm thường được sử dụng trong việc giới hạn hành trình xy lanh (trên cần đẩy của xy lanh có gắn nam châm vĩnh cửu), công tắc cửa của máy giặt, công tắc từ dùng gắn ở cửa của thiết bị báo trộm….

III. Cảm biến tiệm cận cảm ứng từ (Inductive Proximity Sensors)

1. Nguyên lý hoạt động

Cấu tạo cảm biến cảm ứng từ bao gồm 4 phần chính: cuộn dây điện từ, bộ tạo dao động, mạch trigger, khối output.

Bộ tạo dao động sẽ tạo ra tần số cao, thông qua cuộn dây điện từ sẽ tạo ra vùng từ trường biến thiên nằm ở đầu cảm biến, nếu có một vật bằng kim loại nằm trong vùng đường sức của từ trường, trong kim loại sẽ hình thành dòng điện xoáy, dòng điện xoáy này tạo ra từ trường mới ngược với từ trường ban đầu, làm cho biên độ dao động của từ trường giảm. Như vậy năng lượng của bộ dao động sẽ giảm, dòng điện xoáy sẽ tăng khi vật càng gần cuộn dây điện từ.

Mạch trigger có nhiệm vụ giám sát biên độ dao động của từ trường, nếu có sự thay đổi về biên độ từ trường, mạch trigger sẽ tác động đến output, làm thay đổi trạng thái ngõ ra của tải

Một số mẫu thực tế của cảm biến tiệm cận cảm ứng từ

2. Ứng dụng

Cảm biến cảm ứng từ được sử dụng để nhận biết các vật kim loại ở gần

Lưu ý: Khoảng cách tác dụng của cảm biến cảm ứng từ đối với đồng, nhôm, thau sẽ gần hơn so với sắt, thép.

Một số ứng dụng thực tế

IV. Cảm biến tiệm cận điện dung

1. Nguyên lý hoạt động

Cảm biến tiệm cận điện dung có cấu tạo tương tự cảm biến tiệm cận cảm ứng từ nhưng khác nhau ở bề mặt cảm biến.

Bề mặt cảm biến điện dung có cấu tạo bởi ba vòng kim loại đồng tâm. Hai vòng tròn kim loại ở trong cùng là hai điện cực tạo thành tụ điện, vòng tròn thứ ba ngoài cùng gọi là điện cực bù. Điện cực bù có tác dụng làm giảm độ nhạy của cảm biến đối với bụi bẩn, dầu mỡ…giúp cho cảm biến hoạt động chính xác hơn.

Khi một vật đến gần bề mặt của cảm biến, đi vào vùng tĩnh điện của điện cực, sẽ làm cho hệ số điện môi thay đổi, dẫn đến điện dung thay đổi ở bộ tạo dao động. Bộ tạo dao động bắt đầu hoạt động.. Mạch trigger sẽ kiểm tra biên độ dao động cho đến khi đạt bằng ngưỡng biên độ dao động tác động thì trạng thái ngõ ra output sẽ thay đổi. Khi vật đi ra xa bề mặt cảm biến sẽ làm cho biên độ dao động giảm, trạng thái ngõ ra output sẽ trở về trạng thái ban đầu.

Một số mẫu thực tế của cảm biến tiệm cận điện dung

2. Ứng dụng

Cảm biến tiệm cận điện dung có khả năng nhận biết được các vật cản kim loại cũng như là phi kim loại như là giấy, thủy tinh, chất lỏng, và vải….

Lưu ý khi sử dụng:

Do mỗi vật thể có hằng số điện môi khác nhau cho nên khoảng cách tác dụng của cảm biến điện dung đối với mỗi vật thể cũng khác nhau. Để hiểu rõ hơn chúng ta hãy xem xét bản đồ thị sau:

Nhìn đồ thị ta thấy rằng vật thể có điện môi càng cao thì khoảng cách tác dụng của cảm biến càng xa. Bảng sau đây sẽ cung cấp cho ta hằng số điện môi của một số vật liệu:

Ví dụ: Một cảm biến dung có khoảng cách tác dụng tối đa là 10mm, lấy rượu làm vật cản, hằng số điện môi của rượu là 25.8 tra bản đồ thị ta thấy tỉ lệ phần % khoảng cách tác dụng của cảm biến Sr là khoảng 85% tương đương khoảng cách tác dụng 8,5mm.

Một số ứng dụng thực tế:

V. Cảm biến siêu âm

1. Nguyên lý hoạt động

Cảm biến siêu âm gồm có 4 phần chính: bộ phận phát và nhận sóng siêu âm, bộ phận so sánh, mạch phát hiện và mạch ngõ ra.

Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm là gồm một cái đĩa ceramic kiểu áp điện được gắn ở dưới bề mặt của cảm biến. Đĩa này có khả năng phát và thu sóng siêu âm.

Khi có một điện áp với tần số cao được đưa vào thì đĩa sẽ rung động tạo ra sóng siêu âm. Khi sóng siêu âm được phát đi nếu gặp phải một vật cản thì tại đó sẽ dội ngược lại một sóng siêu âm mới có tần số tương tự nhưng có biên độ nhỏ hơn.

Khi cảm biến nhận được sóng phản hồi, bộ phận so sánh sẽ tính toán bằng cách so sánh thời gian phát và nhận tín hiệu sóng siêu âm, vận tốc sóng siêu âm để tính ra quãng đường đi của sóng siêu âm cũng chính là khoảng cách giữa cảm biến và vật cản.

Tín hiệu ngõ ra cảm biến siêu âm có thể là digital hoặc analog. Tín hiệu từ cảm biến digital báo có hay không sự xuất hiện của vật cản trong vùng cảm nhận của cảm biến. Tín hiệu từ cảm biến analog chứa đựng thông tin khoảng cách từ đối tượng đến cảm biến.

Tần số hoạt động: nhìn chung cảm biến siêu âm dùng trong công nghiệp hoạt động với tần số là từ 25KHz đến 500KHz. Các cảm biến siêu âm trong y khoa thì hoạt động với tần số 5MHz trở lên. Tần số của cảm biến tỉ lệ nghịch với khoảng cách phát hiện của cảm biến, với tần số 50KHz thì phạm vi hoạt động của cảm biến có thể lên tới 10m hoặc hơn, với tần số 200KHz thì phạm vi hoạt động của cảm biến giới hạn ở mức 1m.

Một số mẫu thực tế của cảm biến siêu âm

2. Ứng dụng

Trong công nghiệp cảm biến siêu âm dùng để điều khiển mực chất lỏng, phát hiện dây bị đứt, phát hiện người, phát hiện xe ….và nhiều ứng dụng khác trong cuộc sống như súng bắn tốc độ, máy siêu âm, máy tán sỏi thận….

Lưu ý khi sử dụng:

Có một vùng nằm trước cảm biến gọi là vùng mù. Khi vật cản nằm trong vùng này thì cảm biến sẽ không nhận ra được vật cản. Do đó ta phải điều chỉnh vị trí cảm biến khi lắp đặt sao cho khoảng cách từ vật cản cho đến đầu dò cảm biến phải lớn hơn khoảng cách vùng mù.

VI. Cảm biến quang

Cảm biến quang là một loại một thiết bị có khả năng nhận biết được hầu hết các vật ngoại trừ các vật trong suốt như thủy tinh… Chúng có thể nhận biết được vật với khoảng cách ở xa ( ngược với cảm biến điện dung và cảm biến cảm ứng từ), và chúng có thể nhận biết được vật trong môi trường chân không( ngược với cảm biến siêu âm)

Phần điều khiển của cảm biến quang bao gồm phần phát (nguồn sáng), phần thu để nhận ra ánh sáng do bên phát phát ra kết hợp với mạch so sánh và khuếch đại tín hiệu.

Ánh sáng sử dụng trong cảm biến quang là ánh sáng hồng ngoại đã được điều chế và được phát ra bởi diode phát quang (LED) với tần số từ 5 đến 30KHz.

Cảm biến quang được chia làm 3 loại chính:

1. Thru -Beam 

Cảm biến loại Thru – Beam gồm hai đầu riêng biệt được gắn ở hai phía đối diện nhau. Đầu phát sẽ phát ra chùm tia hội tụ thông qua một thấu kính hướng tới bên thu.

Bình thường khi không có vật che tia sáng thì đầu thu sẽ nhận ra ánh sáng do đầu phát phát ra, lúc này ngõ ra của cảm biến sẽ không tác động. Tuy nhiên khi có một vật băng ngang qua giữa đầu phát và đầu thu khi đó tia sáng sẽ bị che làm cho đầu thu không nhận ra ánh sáng do đầu phát phát ra lúc này cảm biến sẽ tác động làm thay đổi trạng thái ngõ ra.

Cảm biến loại này thường được sử dụng ở nơi công cộng như bảo tàng, bãi đỗ xe… nhằm phát hiện ra sự di chuyển của một vật.

Trong công nghiệp hai đầu của cảm biến được gắn hai phía đối diện nhau của băng tải nhằm phát hiện sự di chuyển của vật trên băng tải.

Khoảng cách tối đa mà cảm biến loại này có thể nhận ra được vật cản là khoảng 100m.

2. Diffuse Reflective

Cảm biến Diffuse Reflective là loại cảm biến tiệm cận có phần phát và phần thu được đặt trên cùng một khối. Ánh sáng từ phần phát phát ra đập vào vật và phản xạ lại ánh sáng kiểu khuếch tán. Nếu phần thu nhận đủ lượng ánh sáng phản xạ cần thiết, trạng thái ngõ ra sẽ tác động. Nếu không có vật cản thì không có ánh sáng phản xạ lại, phần thu không nhận đủ lượng ánh sáng phản xạ cần thiết, trạng thái ngõ ra sẽ không tác động.

Cảm biến loại này tiện lợi hơn loại cảm biến Thru – beam bởi vì phần phát và phần thu được đặt chung cùng một vỏ nên đấu dây đơn giản. Tuy nhiên loại cảm biến này không nhận ra những vật cản có bề mặt mờ đục hay vật cản có bề mặt phản xạ ánh sáng kém.

Khoảng cách tối đa mà cảm biến loại này có thể nhận ra được vật cản là khoảng 1m.

3. Retro – reflective

Cảm biến Retro – reflective có phần phát và phần thu được đặt chung cùng một vỏ giống cảm biến loại diffuse reflective nhưng nguyên lý hoạt động giống loại Thru – Beam. Ánh sáng từ phần phát sẽ được chiếu thẳng đến một gương phản xạ và ánh sáng phản xạ về phần thu. Khi có một vật che đường ánh sáng thì ngõ ra của cảm biến sẽ tác động, ngược lại nếu không có vật che đường ánh sáng thì ngõ ra cảm biến sẽ không tác động.

Cảm biến loại này có thể nhận biết được các loại vật cản, tuy nhiên khi sử dụng cảm biến loại này chúng ta cần sử dụng gương phản xạ đồng bộ với cảm biến do nhà sản xuất cung cấp để phát huy hiệu quả của cảm biến.

Khoảng cách tối đa mà cảm biến loại này có thể nhận ra được vật cản là khoảng 10m.

Một số ứng dụng thực tế

VII. Ưu và nhược điểm của mỗi loại cảm biến

VIII. Cách đấu dây cảm biến 

1. Ngõ ra là transiotor

a. Ngõ ra là loại transistor PNP

b. Ngõ ra là loại transistor NPN

2. Ngõ ra là dạng 2 tiếp điểm

a. Loại 2 đầu dây

b. Loại 3 đầu dây

c. Loại 4 đầu dây

Lưu ý: Hiện nay trên thị trường, cảm biến được sản xuất bởi nhiều công ty ở nhiều quốc gia khác nhau do đó chúng rất đa dạng về hình dáng, chủng loại vì vậy khi ta sử dụng một cảm biến cụ thể chúng ta cần tìm hiểu kỹ cách đấu dây và khả năng ứng dụng của cảm biến đó để sử dụng chúng một cách an toàn và hiệu quả.

Cảm biến tiệm cận ngõ ra là transistor thường có hai loại npn và pnp. Cảm biến loại npn còn gọi là cảm biến có ngõ ra kích âm, còn cảm biến loại npn còn gọi là ngõ ra kích dương. Việc xác định ngõ ra kích dương kích âm kích dương rất quan trọng trong việc đấu dây.

Thông thường ba đầu dây của cảm biến tiêm cận có quy luật màu như sau: đỏ + đen – ; trắng ngõ ra dây tín hiệu hoặc nâu +, xanh sẫm – đen ngõ ra dây tín hiệu.

Nguồn: thietbigiatcongnghiep

Bài viết các bạn có thể tham khảo:

• Đọc cảm biến nhiệt độ DS18B20 với Arduino giao tiếp OneWire
• Chống nhiễu cho vi điều khiển – Bộ đệm Opamp
• Thêm bộ đệm cho giao tiếp I2C