Cảm biến tiệm cận (proximity sensor) phát hiện sự có mặt của vật thể khi vật tiến vào một khoảng cách nhất định, không cần tiếp xúc cơ khí. Bốn loại phổ biến trong công nghiệp — cảm ứng từ, điện dung, quang điện, siêu âm — khác nhau ở nguyên lý phát hiện và loại vật liệu phát hiện được. Cảm biến tiệm cận cảm ứng và điện dung (loại công tắc tiệm cận) theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 60947-5-2:2019.
Nội dung thuộc chuyên trang Tự động hóa & robot của cokhi.net — ở góc nguyên lý và phân loại chung, không tư vấn chọn model/hãng cảm biến cho ứng dụng cụ thể; khi cần chọn cảm biến cho hệ thống thật, tham khảo catalogue nhà sản xuất hoặc đơn vị tích hợp hệ thống chuyên trách.
Bốn loại cảm biến tiệm cận
- Cảm ứng từ (inductive): chỉ phát hiện vật liệu kim loại, dựa trên hiện tượng dòng điện xoáy (eddy current). Bền, ổn định, không bị ảnh hưởng bởi bụi/dầu — loại phổ biến nhất trong dây chuyền cơ khí.
- Điện dung (capacitive): phát hiện được cả kim loại lẫn phi kim loại (nhựa, gỗ, chất lỏng, bột...), dựa trên sự thay đổi hằng số điện môi khi vật tiến vào vùng cảm ứng. Linh hoạt hơn cảm ứng từ nhưng nhạy với độ ẩm/bụi bám.
- Quang điện (photoelectric): phát hiện qua việc vật thể làm ngắt hoặc phản xạ chùm ánh sáng (thường là hồng ngoại/laser). Tầm phát hiện xa nhất trong bốn loại, không giới hạn vật liệu, nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi bụi, khói, hoặc vật trong suốt.
- Siêu âm (ultrasonic): đo thời gian sóng âm phản hồi sau khi phát ra và chạm vật thể. Hoạt động tốt trong môi trường bụi bẩn, phát hiện được cả vật trong suốt (kính) — điều mà cảm biến quang khó làm.
Cơ chế cảm biến tiệm cận cảm ứng: dòng điện xoáy
Cảm biến tiệm cận cảm ứng có một mạch dao động LC (cuộn dây quấn quanh lõi ferrite) tạo ra từ trường cao tần ở mặt cảm biến. Khi một vật kim loại tiến vào vùng từ trường này:
- Từ trường cảm ứng sinh ra dòng điện xoáy (eddy current) trên bề mặt vật kim loại.
- Dòng điện xoáy này hút bớt năng lượng từ mạch dao động của cảm biến.
- Biên độ dao động của mạch suy giảm tương ứng với khoảng cách vật đến gần.
- Một mạch ngưỡng (Schmitt trigger) bên trong cảm biến phát hiện độ suy giảm vượt mức đã cài đặt, và đổi trạng thái tín hiệu ngõ ra.
Đây là lý do cảm biến cảm ứng chỉ phát hiện được kim loại — vật liệu phi kim (nhựa, gỗ, thủy tinh) không dẫn điện đủ để sinh dòng điện xoáy đáng kể.
Khoảng cách phát hiện danh định theo tiêu chuẩn
IEC 60947-5-2:2019 quy định khoảng cách phát hiện danh định (Sn — rated operating distance) cho cảm biến tiệm cận dạng trụ tiêu chuẩn, phụ thuộc đường kính vỏ và kiểu lắp:
| Đường kính vỏ | Sn — có che (flush/shielded) | Sn — không che (non-flush) |
|---|---|---|
| M8 | 1,5 mm | 2,5 mm |
| M12 | 2,0 mm | 4,0 mm |
| M18 | 5,0 mm | 7–8 mm |
| M30 | 10,0 mm | 14–15 mm |
Đọc bảng: kiểu "có che" (flush) có thể lắp ngang bằng mặt kim loại xung quanh mà không ảnh hưởng cảm biến, nhưng khoảng cách phát hiện ngắn hơn; kiểu "không che" (non-flush) cần khoảng trống quanh đầu cảm biến nhưng phát hiện xa hơn. Số liệu trong bảng đối chiếu từ 2 nguồn kỹ thuật độc lập, có sai lệch nhỏ ở một số kích thước — dùng để hình dung bậc độ lớn, tra chính xác theo datasheet từng model khi thiết kế thật.
Vật liệu kim loại khác nhau cũng làm thay đổi khoảng cách phát hiện thực tế so với khoảng cách danh định (vốn được chuẩn hóa trên thép mềm). Đồng và nhôm cho hệ số hiệu chỉnh thấp nhất (khoảng 0,1–0,5 lần), trong khi thép không gỉ gần tương đương thép thường (khoảng 0,4–1,0 lần) — đối chiếu nhất quán giữa 2 nguồn kỹ thuật hãng cảm biến độc lập.
Thuật ngữ
- Eddy current (dòng điện xoáy): dòng điện cảm ứng sinh ra trên bề mặt vật dẫn điện khi đặt trong từ trường biến thiên — cơ chế cốt lõi của cảm biến cảm ứng từ.
- Sn (rated operating distance — khoảng cách phát hiện danh định): khoảng cách phát hiện chuẩn hóa theo IEC 60947-5-2, đo trên vật liệu/kích thước tham chiếu chuẩn.
- Flush / non-flush (có che / không che): kiểu lắp đặt cảm biến — có che cho phép lắp ngang bằng bề mặt kim loại xung quanh, không che cần khoảng trống quanh đầu cảm biến.
- Schmitt trigger (mạch ngưỡng): mạch điện tử chuyển đổi tín hiệu tương tự (biên độ dao động suy giảm dần) thành tín hiệu số rõ ràng (có/không phát hiện vật).
Tài liệu tham khảo
- IEC, IEC 60947-5-2:2019 — Low-voltage switchgear and controlgear, Part 5-2: Control circuit devices and switching elements — Proximity switches: https://webstore.iec.ch/en/publication/32517
- AutomationDirect, Proximity Sensor Selection Guide & Terminology: https://www.automationdirect.com/microsites/proximity-sensors/pdf/proximity-sensor-terminology.pdf
- Turck, Operating Distance Considerations for Inductive Sensors: https://www.turck.us/en/operating-distance-considerations-114.php