proximituy sensor (cảm biến tiêm cận)

Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

-

PROXIMITY SENSOR (CẢM BIẾN TIỆM CẬN)
 INDUCTIVE PROXIMITY SENSOR:
 Cảm biến tiệm cận điện cảm (inductive proximity sensor) là loại cảm

biến dùng để phát hiện sự có mặt của một vật thể mà không cần tiếp
xúc trực tiếp với vật thể đó, cảm biến tiệm cận đa dạng về kích cỡ và
hình dáng, được ứng dụng trong nhiều mục đích và lĩnh vực khác nhau.
 Loại cảm biến này gồm có một cuộn dây điện từ được sử dụng để phát

hiện sự có mặt của một vật thể kim loại, nó không thể phát hiện một
vật thể phi kim.
1.Cấu tạo nguyên lý hoạt động của Inductive Pro Sensor:
a. Cấu tạo:gồm có 4 thành phần chính:



Coil: Cuộn dây cảm biến.



Oscillator: Bộ tạo dao động gồm một tụ điện và một cuộn dây
mắc song song.



Trigger Circuit: Mạch ghi nhận tín hiệu.



Output Circuit: Mạch điện ngõ ra.

b. Nguyên lý hoạt động:

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 1


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8


-

Khi một vật thể kim loại tiến vào vùng từ trường ( sinh ra bởi
bề mặt xuyên qua cuộn dây dến bề mặt của cảm biến) (khoảng
cách từ 0÷20 cm), từ trường này phản hồi lại giữ cho mạch dao
động tiếp tục hoạt động. Khi một vật thể kim loại tiến vào vùng
từ trường, một dòng điện xoáy sinh ra trên bề mặt vật thể kim
loại. Dòng điện xoáy này tạo nên tải của cảm biến, làm giảm biên
độ của vùng điện từ. Khi vật thể càng đến gần cảm biến thì dòng
điện xoáy càng tăng lên làm tăng tải của mạch dao động và hơn
nữa làm giảm biên độ của từ trường (từ trở tăng lên). Đến một trị
số nào đó sẽ không tăng nữa và bộ tạo dao động sẽ không dao
động nữa, tín hiệu này sẽ được ghi nhận (bởi mạch Trigger), xử
lý và đưa ra ngõ ra.



Khi vật thể đi ra khỏi vùng cảm biến, biên độ tần số của mạch
dao động tăng lên đến một giá trị định trước thì mạch Trigger thay
đổi trạng thái ngõ ra của cảm biến và trạng thái ban đầu của nó.

2. Phân loại : Gồm 5 loại chính


Cylindrical : Loại hình trụ.



Rectangular: Loại hình chữ nhật.



Miniature : Loại dẹt – mỏng.

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 2


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

-



Harsh enviroment : Loại dùng trong môi trường khắc nghiệt.



Special purpose: Loại dùng cho mục đích đặc biệt.

3. Đặc tính kĩ thuật:

Ưu điểm:


Phát hiện được những khoảng cách nhỏ (≤1 inch)



Phát hiện được những kim loại có tính chất sắt từ hay không
sắt từ, cấu trúc bé, không ảnh hưởng bởi bụi bẩn, dầu, độ ẩm…



Độ chính xác cao.



Điện áp đầu vào 10 ÷ 30 VDC (cho từng loại)



Tuổi thọ cao 100.000 hours.



Dễ lắp đặt.



Chịu nhiệt độ từ 400C -> 850C.

Nhược điểm:


Biên độ tín hiệu và sự tuyến tính bị ảnh hưởng bởi tính chất
điện từ của vật liệu cần đo.



Chiều dài dây nối sensor bị hạn chế khoảng 12÷18mm vì tần số
dao động cao.

b. Target (đối tượng cảm biến):

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 3


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8



-

Target đúng tiêu chuẩn thường là thép, có bề dày 1mm, chiều
dài cũng như chiều rộng bằng đường kính của đầu cảm biến
sensor (Active Face), hướng vuông góc với cảm biến.



Đối với cảm biến có vòng chắn thì Target chuẩn có kích thước
bằng với đường kính của bề mặt tác động của cảm biến. Target
chuẩn đối với cảm biến không có vòng chắn là vật có bề mặt
bằng với đường kính của bề mặt tác động của cảm biến hoặc
bằng 3 lần vùng tác động của cảm biến và có thể lớn hơn.



Để khoảng cách cảm biến với Target đạt chuẩn theo quy định
của nhà sản xuất thì Target ≥ d. Tuy nhiên, nếu Target < Standard
Target hoặc có hình dạng không đều thì khoảng tác động của cảm
biến (Sn) giảm xuống. Do đó phải đạt gần hơn thì cảm biến mới
có thể nhận thấy được.

c. Hệ số chỉnh sửa kích thước vật thể:


Một hệ số chỉnh sửa chấp nhận được khi vật thể nhỏ hơn vật
chuẩn. Để xác định vùng cảm ứng cho vật thể nhỏ hơn vật chuẩn
(Snew), ta nhân khoảng cách vùng tác động của cảm biến (Srated)

với hệ số chỉnh sửa (T). Ví dụ: Như một cảm biến có vòng chắn
có khoảng cách vùng tác động là 1mm và vật thể cần phát hiện có
kích thước bằng một nửa vật chuẩn, ta tính được khoảng cách tác
động mới là 0.83 mm (1mm x 0.83).


Snew = Srated x T

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 4


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8


Snew = 1mm x 0.83



Snew = 0.83 mm

-

d. Bảng thông số về độ chính xác cho mỗi loại Target:

e. Độ dày của vật thể:


Độ dày của vật thể là một hệ số khác cần được xem xét.
Khoảng cách vùng tác động thì không đổi đối với vật chuẩn. Tuy
nhiên đối với vật thể không có sắt trong thành phần như đồng thau
(brass), nhôm (aluminum), và đồng đỏ(copper) thì sẽ xảy ra hiện
tượng “hiệu ứng bề mặt” (skin effect). Khoảng cách vùng cảm
ứng sẽ giảm khi độ dày của vật thể tăng lên. Nếu độ dày của vật
thể khác so với vật chuẩn thì một hệ số chỉnh sửa sẽ được dung
để điều chỉnh lại.

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 5


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

-

f. Kim loại của vật thể:


Kim loại cấu tạo nên vật thể củng ảnh hưởng đến khoảng cách
vùng tác động. Khi một kim loại nào đó khác thép thì một hệ số
chỉnh sửa được sử dụng để hiệu chỉnh.

4. Vùng tác động của cảm biến:


Khoảng cách tác động (Sn) (the rated sensing distance) là một giá

trị lý thuyết mà nó không phụ thuộc vào tính toán như là sai số của
quá trình sản xuất, nhiệt độ hoạt động và điện áp cung cấp. Trong
một vài trường hợp cảm biến có thể phát hiện ra vật thể nằm

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 6


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

-

ngoài khoảng cách tác động này. Hoặc có trường hợp vật thể
không được phát hiện cho đến khi nó đến gần hơn khoảng cách
tác động. Có một vài giới hạn phải được xem xét khi ước lượng
khoảng cách tác động trong mỗi trường hợp cụ thể.


Khoảng cách hoạt động hiệu quả (Sr) (the effective operating
distance) ở điều kiện nguồn điện cung cấp ổn định với nhiệt độ
dao động trong khoảng từ 230C ± 0.50C. Nó dựa vào việc tính toán
sai số trong quá trình sản xuất. Khoảng cách hoạt động hiệu quả
khoảng ± 100C của khoảng cách tác động (Sn). Điều này có nghĩa
là vật thể sẽ được phát hiện trong khoảng từ 0 đến 90% của
khoảng cách tác động. Tùy thuộc vào mỗi thiết bị, tuy nhiên,
khoảng cách tác động hiệu quả (Sr) có thể xa hơn 110% của
khoảng cách tác động (Sn).



Khoảng cách chuyển mạch hữu ích (Su) (the useful switching
distance) là khoảng cách chuyển mạch được tính toán theo điều
kiện điện áp và nhiệt độ lý thuyết. Khoảng cách chuyển mạch
hữu ích (Su) thì bằng khoảng 10% của khoảng cách hoạt động
hiệu quả (Sr).



Khoảng cách hoạt động chắc chắn (Sa) (the guaranteed
operating distance) là khoảng cách chuyển mạch cho sự hoạt động
của cảm biến tiệm cận trong phạm vi điều kiện hoạt động cụ có
thể chấp nhận được đảm bảo. Khoảng cách hoạt động chắc chắn
(Sa) nằm trong khoảng 0 ÷ 81% của khoảng cách hoạt động (Sn).

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 7


Ti ểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8



-

Các chuyển mạch của cảm biến tiệm cận chỉ đáp ứng lại với
vật thể khi vật thể đó nằm trong khu vực xác định đằng trước bề

mặt của cảm biến. Điểm mà cảm biến tiệm cận nhận ra được
một vật thể mang đến gọi là điểm tác động (operating point). Và
điểm mà khi vật thể đi ra làm thiết bị chuyển lại trạng thái ban
đầu gọi là điểm thoát (release point). Khoảng cách giữa 2 điểm
này gọi là vùng trễ (hysteretis zone).

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 8


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8



-

Kích thước và hình dạng của đường cong đáp ứng thì tùy thuộc
vào từng loại cảm biến cụ thể. Đáp ứng dưới đây miêu tả cụ thể
một loại cảm biến tiếp cận cụ thể.



Hysteresis là khoảng cách giữa điểm hoạt động và khoảng hoạt
động của sensor. Biên độ dao động phải bé hơn dải Hysteresis để
tránh tạo ra các xung chuyển mạch khi sensor ON/OFF.



Tốc độ lớn nhất mà sensor có thể đọc riêng lẻ từng tín hiệu
xung (đối với Target quay) khi vật ở trong hay ở ngoài vùng cảm
biếnvật. Giá trị này phụ thuộc vào kích thước vật cảm biến
(mXm), khoảng cách từ bề mặt cảm biến đến bề mặt đối tượng
Sn/2, tốc độ chuyển động của Target. Các yếu tố trên sẽ cho ta
biết khả năng lớn nhất về hoạt động của cảm biến trên một đơn
vị thời gian.

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 9


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8



d:đường kính Active Face



Sn: khoảng cách tối thiểu có thể của cảm

-

5. Vòng chắn( Sheilding)


Shielded Inductive Pro Sensor: Cấu tạo tương tự như IPS nhưng

có thêm miếng kim loại mỏng bao quanh lõi ferrit và cuộn dây, lõi
ferrit tập trung từ trường phân tán vào hướng sử dụng (hướng mà
vật thể cần phát hiện sẽ đi qua). Cảm biến tiếp cận có vòng chắn
gồm có vòng kim loại bao quang lõi để giới hạn từ trường tỏa ra ở
phần bên. Loại cảm biến này có thể đặt lên giá bằng kim loại, có
một khoảng trống không cảm ứng được, kim loại ở trên và trước
bề mặt tác động của cảm biến. Mỗi cảm biến sẽ có hướng dẫn
kèm theo cho mỗi ứng dụng. Nếu có bề mặt kim loại đặt đối diện
với cảm biến thì nó phải được đặt xa hơn tối thiểu 3 lần khoảng
tác động của cảm biến.

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 10


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

-

Trang 11


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8



-

Unshielded Inductive Pro Sensor (không có màng chắn): Có thị
trường tác động rộng hơn loại có màn chắn. Lõi ferrit tập trung từ
trường phân tán vào hướng sử dụng (hướng mà vật thể cần phát
hiện sẽ đi qua).

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 12


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

-

Trang 13


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

-

Trang 14


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

-

6. Khoảng cách giữa các cảm biến:


Cần phải chú ý khi sử dụng nhiều cảm, khi có hai hay nhiều
hơn cảm biến đặt kế nhau hay đối diện nhau có thể xảy ra nhiễu
hoặc sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa chúng dẫn đến sai tín hiệu đầu
ra. Những nguyên dưới đây tắc nhìn chung có thể làm thấp nhất
sự tác động lẫn nhau của các cảm biến:



Các loại cảm biến có vòng chắn đặt đối diện nhau phải cách ít
nhất 4 lần vùng tác động của cảm biến.



Các loại cảm biến không có vòng chắn đặt đối diện nhau
phải cách ít nhất 6 lần vùng tác động của cảm biến.



Các loại cảm biến có vòng chắn đặt cạnh nhau phải cách

ít nhất 2 lần đường kính bề mặt tác động của cảm biến.

 Các loại cảm biến không có vòng chắn đặt cạnh nhau phải cách ít
nhất 3 lần đường kính bề mặt tác động của cảm biến.

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 15


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

-

7. Các loại ngõ ra:


Loại cảm biến tiệm cận điện cảm có 3 dây đầu ra (sử dụng
điện áp DC) có thể có ngõ ra là PNP hoặc là NPN. Điều này phụ
thuộc vào loại transistor được sử dụng trong chuyển mạch ngõ ra
của cảm biến.



Hình vẽ dưới đây minh họa cho loại cảm biến có ngõ ra là PNP.
Thiết bị tải được mắc giữa ngõ ra (ký hiệu A) và dây(-) của
nguồn điện (ký hiệu L-). Một transistor loại PNP được mắc giữa
ngõ ra (A) và dây (+) (ký hiệu L+) của nguồn điện. Khi transistor
hoạt động ở chế độ ON,có một dòng điện đi từ dây (L+) qua tải

đến dây (L-). Trong trường hợp này, dòng điện này được gọi là
dòng điện nguồn(dòng điện quy ước), nó đi từ chiều(+) đến
chiều(-) của nguồn điện và đi qua tải. Thuật ngữ này gây khó khăn
cho những người mới sử dụng cảm biến, vì dong electron(dòng
điện thực) đi từ chiều(-), qua tải và sau đó đến chiều (+) của
nguồn khi transistor PNP hoạt động ở chế độ ON.



Hình vẽ dưới đây minh họa cho loại cảm biến có ngõ ra là loại
NPN. Thiết bị tải được mắc giữa ngõ ra(ký hiệu A) và dây (+) của
nguồn(kí hiệu L+). Một loại transistor loại NPN được mắc giữa
ngõ ra(A) và dây (+) (kí hiệu L+) của nguồn điện. Khi transistor
hoạt động ở chế độ ON, dòng điện đi qua tải gọi là dòng điện mát

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 16


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

-

(dòng điện quy ước). Dòng điện này có chiều ngược lại so với
dòng electron (dòng điện thực).



Ngõ ra được gọi là thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC)
tùy thuộc vào trạng thái của transistor khi chưa phát hiện ra vật
thể. Ví dụ, ngõ ra PNP là OFF khi chưa phát hiện ra vật thể, khi đó
nó là một thiết bị thường mở. Ngược lại nếu ngõ ra PNP là ON
khi chưa phát hiện ra vật thể, khi đó nó là một thiết bị thường
đóng.



Ngoài ra còn có loại cảm biến có ngõ ra bổ sung (có 4 dây ở ngõ
ra). Ngõ ra bổ sung là loại ngõ ra có cả tiếp điểm thường đóng và
thường mở trên cùng một cảm biến.

8. Các dạng kết nối cảm biến với tải:

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 17


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

-

Trong một vài ưng dụng có thể phải sử dụng nhiều cảm biến



để điều khiển một quá trình công tác.những cảm biến này có thể

được kết nối với nhau theo kiểu song song hoặc nối tiếp. Đối với
kiểu kết nối nối tiếp tất cả cảm biến đều ON thì ngõ ra mới ON.
Còn đối với kiểu kết nối song song thì một trong các cảm biến
ON thì ngõ ra sẽ ON.
Có một vấn đề phải được xem xét khi kết nối các cảm biến



theo kiểu kết nối song song. Chẳng hạn vấn đề sụt áp trên mỗi
cảm biến khi có nhiều cảm biến mắc nối tiếp với nhau.
a. Nối nối tiếp: Ở trường hợp này để cho cảm biến hoạt động bình thường thì

điện áp rơi trên tải phải bé hơn hoặc bằng điện áp nguồn trừ đi điện áp rơi trên
các cảm biến.

Vload ≤ Vsoure -Vsensor

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 18


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

-

b. Kết nối song song: Điều khiển tổng các dòng rò trên cảm biến phải bé hơn

dòng điện tĩnh lớn nhất của tải:

Iroø ≤ Istatic load
*Chú ý: Khi kết nối song song nếu dòng rò chạy qua tải quá lớn thì có thể
do công tắc bán dẫn thay đổi trạng thái.

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 19


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

-

Trang 20


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

-

*Điện trở R* để ổn định điện áp bé nhất khi cảm biến đang hoạt động
9. Ứng dụng trong công nghiệp và sản xuất:


Điều khiển lưu lượng bằng phao.



Điều khiển máy tiện, máy cắt.



Điều khiển quy trình nấu chảy chất dẻo của máy đúc chất dẻo
(giữ cho nhiệt độ ổn định).

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

Trang 21


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

-

Trang 22


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

-

Trang 23


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

-

Trang 24


Tiểu luận bộ môn : Cơ Điện Tử Ứng Dụng
Nhóm 8

GVHD: TS.Đào Thế Diệu

-

Trang 25