Lựa chọn công nghệ cảm biến khoảng cách và vị trí thuận lợi

Các cảm biến này được chế tạo bằng nhiều công nghệ khác nhau, bao gồm quang điện, laser, cảm ứng, điện dung, từ tính và siêu âm. Khi lựa chọn loại cảm biến phù hợp nhất cho một ứng dụng cụ thể, cần xem xét các yếu tố như phạm vi, kích thước, độ chính xác, độ nhạy, độ phân giải và chi phí.

Trong nhiều ứng dụng, vật liệu của đối tượng cần phát hiện là một yếu tố quan trọng. Một số cảm biến hoạt động khác nhau với bề mặt cứng so với bề mặt dạng sợi, và các cảm biến khác có thể bị ảnh hưởng bởi màu sắc hoặc độ phản xạ của vật thể.

Bài viết này đánh giá các công nghệ cảm biến tiệm cận không tiếp xúc phổ biến hiện nay, xem xét cách thức chúng hoạt động, các đặc tính hiệu suất cơ bản và các cảm biến tiêu biểu, cùng với một số ứng dụng.

Cảm biến quang điện

Các cảm biến quang điện, như cảm biến tiệm cận quang điện W10 của SICK, rất dễ sử dụng và lắp đặt, đồng thời có nhiều tính năng phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau. Thiết kế chắc chắn của cảm biến W10 giúp chúng phù hợp cho việc phát hiện vật thể chính xác trong môi trường khắc nghiệt. Màn hình cảm ứng tích hợp giúp tăng tốc độ thiết lập thông số và triển khai cảm biến (Hình 1).

Màn hình cảm ứng trên các cảm biến quang điện này có thể giúp tăng tốc quá trình vận hành và triển khai. (Nguồn ảnh: SICK)

Các cài đặt sẵn có cho phép các nhà thiết kế điều chỉnh các cảm biến này cho phù hợp với các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Ngoài ra, các chức năng tích hợp như cài đặt tốc độ, chế độ đo tiêu chuẩn và chính xác, và khả năng loại bỏ nhiễu nền và tiền cảnh có nghĩa là một cảm biến duy nhất có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Dòng cảm biến này bao gồm bốn biến thể, khác nhau về khoảng cách hoạt động và tùy chọn lắp đặt.

Cảm biến loại bỏ nền

Cảm biến tiệm cận quang điện với chức năng triệt tiêu nhiễu nền (BGS) sử dụng phương pháp tam giác hóa giữa bộ phận phát và bộ phận thu. Tín hiệu từ các vật thể nằm ngoài phạm vi cảm biến đã thiết lập sẽ bị triệt tiêu. Ngoài ra, công nghệ BGS của SICK bỏ qua các vật thể có độ phản xạ cao trong nền và có thể xử lý tốt các điều kiện ánh sáng môi trường khó khăn.

Việc triệt tiêu nhiễu nền đặc biệt hữu ích khi vật thể cần quan sát và nền (như băng chuyền) có độ phản xạ tương tự nhau hoặc nếu độ phản xạ của nền thay đổi và có thể gây nhiễu quá trình phát hiện.

Cảm biến loại bỏ tiền cảnh

Cảm biến tiệm cận quang điện với chức năng triệt tiêu vật thể phía trước (FGS) có thể phát hiện các vật thể ở một khoảng cách xác định. Tất cả các vật thể nằm giữa cảm biến và khoảng cách cảm biến (được thiết lập là nền) đều được phát hiện. Để đảm bảo khả năng cảm biến đáng tin cậy, nền cần phải tương đối sáng và chiều cao không được thay đổi.

Khi các vật thể nằm trên bề mặt phản chiếu như băng chuyền màu trắng hoặc sáng màu, việc triệt tiêu tiền cảnh có thể cải thiện khả năng phát hiện. Thay vì phát hiện ánh sáng phản xạ từ vật thể, cảm biến phát hiện vật thể bằng cách nhận biết sự vắng mặt của ánh sáng phản xạ từ băng chuyền.

Cảm biến phản quang

Trong cảm biến phản quang, ánh sáng phát ra chiếu vào một gương phản xạ, và ánh sáng phản xạ được cảm biến đánh giá. Sai số có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng các bộ lọc phân cực. Màng co và màng bọc nhựa trong suốt có thể gây nhiễu cho các cảm biến này. Việc giảm độ nhạy của cảm biến có thể giúp khắc phục những thách thức đó. Ngoài ra, việc thay thế các bộ phát ánh sáng hồng ngoại tiêu chuẩn bằng laser có thể cho phép phạm vi cảm biến xa hơn và độ phân giải cao hơn.

Hiệu suất của cảm biến phản quang có thể được cải thiện bằng cách sử dụng độ trễ chuyển mạch thấp hơn bình thường. Trong các thiết kế này, ngay cả sự suy giảm ánh sáng tối thiểu giữa cảm biến và gương phản xạ, ví dụ như do chai thủy tinh gây ra, cũng có thể được phát hiện một cách đáng tin cậy. SICK cũng cung cấp một hệ thống giám sát có tên AutoAdapt, liên tục điều chỉnh và thích ứng ngưỡng chuyển mạch để đáp ứng với sự tích tụ dần dần của chất gây ô nhiễm có thể dẫn đến hỏng hệ thống cảm biến.

Cảm biến quang

Trái ngược với cảm biến phản xạ ngược, cảm biến quang sử dụng hai thiết bị hoạt động: một bộ phát và một bộ thu. Cảm biến quang cho phép phạm vi cảm biến xa hơn. Việc thay thế các bộ phát hồng ngoại bằng điốt laser có thể tăng cường hơn nữa khoảng cách cảm biến trong khi vẫn duy trì độ phân giải cao và độ chính xác cao.

Cảm biến sợi quang

Cảm biến sợi quang là một biến thể của thiết kế cảm biến quang. Trong cảm biến sợi quang, bộ phát và bộ thu được đóng gói chung trong một vỏ duy nhất. Bộ phát và bộ thu sử dụng các cáp quang riêng biệt. Các cảm biến này đặc biệt thích hợp để sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao và trong môi trường nguy hiểm và khắc nghiệt.

Mảng cảm biến quang điện

Dòng cảm biến quang điện RAY26 Reflex Array, như mẫu 1221950, cho phép phát hiện vật thể phẳng một cách đáng tin cậy cũng như thiết lập nhanh chóng. Khi kết hợp với gương phản xạ, các cảm biến quang điện này cũng phát hiện các vật thể nhỏ, phẳng, trong suốt hoặc không đều có kích thước nhỏ đến 3 mm. Trong một mảng ánh sáng đồng nhất cao 55 mm, các cảm biến phát hiện cạnh trước của vật thể. Điều này có nghĩa là ngay cả các vật thể có lỗ cũng có thể được phát hiện một cách đáng tin cậy mà không cần chuyển mạch phức tạp (Hình 2).

Hình 2: Mảng cảm biến quang điện có thể phát hiện các vật thể nhỏ tới 3 mm trong vùng quan sát cao 55 mm. (Nguồn ảnh: SICK)

Cảm biến khoảng cách laser

Các nhà thiết kế ứng dụng như giám sát mức chất lỏng trong thùng chứa, phát hiện vị trí vật thể trên băng tải, vị trí XY của trục trong hệ thống xe nâng tự động, định vị thẳng đứng của cần cẩu trong nhà kho và băng tải trên cao, và giám sát đường kính trong quá trình quấn cuộn dây có thể sử dụng cảm biến khoảng cách laser DT50. Các cảm biến này hỗ trợ đo khoảng cách thời gian bay (ToF) lên đến vài mét bằng cách sử dụng ánh sáng laser phản xạ để loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng môi trường, đồng thời đảm bảo hoạt động chính xác và đáng tin cậy.

Ví dụ, DT50-2B215252 có phạm vi hoạt động từ 200 đến 30.000 mm và một số tính năng đặc biệt, bao gồm:

-Vỏ máy chắc chắn với xếp hạng bảo vệ IP65 và IP67.

-Có thể cung cấp tối đa 3.000 phép đo khoảng cách mỗi giây.

-Có thời gian phản hồi tối thiểu là 0,83 ms

-Thiết kế nhỏ gọn hỗ trợ nhiều ứng dụng, từ robot công nghiệp đến đo chiều cao mực nước trong các thùng chứa.

Các phép đo độ phân giải cao sử dụng thống kê

Công nghệ đo khoảng cách độ phân giải cao cộng (HDDM+) là một công nghệ đo ToF có độ phân giải cao, có thể được sử dụng trong các cảm biến đo khoảng cách bằng laser và cảm biến phát hiện và đo khoảng cách bằng ánh sáng (LiDAR). Khác với các công nghệ cảm biến xung đơn hoặc tương quan pha, HDDM+ là một quy trình đo lường thống kê.

Phần mềm cảm biến đánh giá thống kê các tín hiệu phản xạ từ nhiều xung laser để lọc bỏ nhiễu từ các nguồn như kính, sương mù, mưa, bụi, tuyết, lá cây, hàng rào và các vật thể khác nhằm tính toán khoảng cách đến mục tiêu dự định. Kết quả đo khoảng cách có thể đạt độ chính xác cao ngay cả trong điều kiện môi trường khắc nghiệt (Hình 3).

Hình 3: Phần mềm HDDM+ của SICK sử dụng quy trình đánh giá thống kê để loại bỏ “nhiễu” từ các yếu tố như kính, sương mù, mưa, bụi, tuyết, lá cây và hàng rào. (Nguồn ảnh: SICK)

Các ứng dụng điển hình của công nghệ HDDM+ bao gồm đo khoảng cách để kiểm soát chất lượng trong sản xuất điện tử, phát hiện vật thể đa chiều bằng LiDAR và xác định vị trí trong kỹ thuật cơ khí và nhà máy, cũng như xác định vị trí của cần cẩu hoặc phương tiện công nghiệp.

Phạm vi cảm biến của các cảm biến HDDM+ lên đến 1,5 km trên băng phản quang. Ví dụ, model DT1000-S11101 có phạm vi lên đến 460 m với độ chính xác đo điển hình là ±15 mm đối với các vật thể tự nhiên và độ phân giải có thể điều chỉnh từ 0,001 đến 100 mm.

Cảm biến tiệm cận

Các cảm biến tiệm cận như dòng IME của SICK có thể phát hiện các vật thể kim loại chứa sắt và không chứa sắt. Các cảm biến này bao gồm một mạch cộng hưởng cuộn cảm-tụ điện (LC) tạo ra trường điện từ xoay chiều tần số cao. Trường này bị suy giảm khi một vật thể kim loại đi vào phạm vi phát hiện. Sự suy giảm này được phát hiện bởi mạch đánh giá tín hiệu và một bộ khuếch đại tạo ra tín hiệu đầu ra (Hình 4).

Hình 4: Một cảm biến tiệm cận cảm ứng cơ bản bao gồm mạch LC tạo ra trường xoay chiều, bộ đánh giá tín hiệu và bộ khuếch đại. (Nguồn ảnh: SICK)

Hai thông số kỹ thuật quan trọng đối với khoảng cách cảm biến của một số công nghệ cảm biến tiệm cận là khoảng cách cảm biến được thiết kế (Sn) và khoảng cách cảm biến an toàn (Sa). Sn không tính đến dung sai sản xuất hoặc các ảnh hưởng bên ngoài như nhiệt độ hoạt động. Sa tính đến cả dung sai sản xuất và sự thay đổi trong điều kiện hoạt động. Sa thường bằng khoảng 81% giá trị của Sn. Ví dụ, đối với cảm biến cảm ứng IME08-02BPSZT0S, Sn là 2 mm và Sa là 1,62 mm.

Cảm biến điện dung

Giống như cảm biến tiệm cận, cảm biến điện dung cũng sử dụng mạch dao động. Trong trường hợp này, một tụ điện hở được sử dụng, trong đó điện cực hoạt động trong cảm biến tạo ra một trường tĩnh điện so với mặt đất. Các cảm biến này có thể phát hiện sự hiện diện của nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm cả vật thể kim loại và phi kim loại.

Khi một vật thể đi vào trường tĩnh điện, biên độ dao động trong mạch cộng hưởng sẽ thay đổi dựa trên tính chất điện môi của vật liệu. Bộ đánh giá tín hiệu phát hiện sự thay đổi này, và bộ khuếch đại sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra (Hình 5).

Hình 5: Trong cảm biến tiệm cận điện dung, mạch dao động tạo ra trường tĩnh điện có đặc tính thay đổi khi vật thể cần cảm nhận đi vào trường đó. (Nguồn ảnh: SICK)

Tương tự như cảm biến tiệm cận, cảm biến điện dung cũng có một số thông số kỹ thuật liên quan đến khoảng cách cảm biến, bao gồm Sn, Sa và hệ số giảm. Ví dụ, model CM12-08EBP-KC1 có Sn là 8 mm và Sa danh nghĩa là 5,76 mm.

Vật thể cần cảm biến phải có kích thước ít nhất bằng bề mặt cảm biến và khoảng cách cảm biến thay đổi theo hệ số suy giảm của vật liệu. Hệ số suy giảm liên quan đến hằng số điện môi của vật liệu và có thể dao động từ 1 đối với kim loại và nước đến 0,4 đối với polyvinyl clorua (PVC), 0,6 đối với thủy tinh và 0,5 đối với gốm sứ.

Cảm biến từ tính

Cảm biến tiệm cận từ tính phản ứng với sự hiện diện của nam châm. Cảm biến tiệm cận từ tính của SICK sử dụng hai công nghệ phát hiện:

Cảm biến từ trở khổng lồ (GMR) dựa trên các điện trở thay đổi giá trị khi có từ trường. Mạch cầu Wheatstone được sử dụng để phát hiện sự thay đổi điện trở và tạo ra tín hiệu đầu ra. Các cảm biến xi lanh MZT7, như MZT7-03VPS-KP0 được thiết kế để sử dụng với xi lanh rãnh chữ T, sử dụng công nghệ GMR để phát hiện vị trí piston trong các hệ thống truyền động khí nén và các ứng dụng tương tự.

Công nghệ LC sử dụng mạch cộng hưởng dao động với biên độ nhỏ. Nếu có từ trường bên ngoài tác động, biên độ cộng hưởng sẽ tăng lên. Sự tăng này được phát hiện bởi bộ đánh giá tín hiệu và bộ khuếch đại sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra (Hình 6). MM08-60APO-ZUA có Sn là 60 mm và Sa là 48,6 mm.

Hình 6: Trong cảm biến tiệm cận từ tính, đầu dò trường có thể sử dụng công nghệ GMR hoặc LC. (Nguồn ảnh: SICK)

Cảm biến siêu âm

Đối với các vật thể ở khoảng cách lên đến 8 m, các nhà thiết kế có thể sử dụng cảm biến siêu âm như dòng UM30 của SICK. Các cảm biến này tích hợp tính năng bù nhiệt độ để cải thiện độ chính xác đo lường và cung cấp khả năng phát hiện vật thể không phụ thuộc vào màu sắc, chống bụi và hoạt động ở nhiệt độ lên đến +70°C. Chúng đo khoảng cách dựa trên công nghệ thời gian bay, trong đó khoảng cách bằng tốc độ âm thanh nhân với tổng thời gian bay âm thanh (t2) rồi chia cho 2 (Hình 7).

Hình 7: Cảm biến siêu âm có thể đo khoảng cách dựa trên tổng thời gian truyền sóng (t2) của sóng âm. (Nguồn ảnh: SICK)

Cảm biến siêu âm như model UM30-212111 thích hợp cho các ứng dụng như giám sát thùng chứa rỗng. Bộ phận giám sát nhiệt độ bên trong cho độ chính xác đo ±1%. Các cảm biến không phụ thuộc màu sắc này có thể phát hiện các vật thể khó phân biệt ngay cả khi có bụi bẩn.

Kết luận

Hiện nay có rất nhiều lựa chọn công nghệ cảm biến khoảng cách và tiệm cận. Điều đó có nghĩa là luôn có giải pháp cho mọi yêu cầu ứng dụng. Thách thức nằm ở việc lựa chọn giữa vô số các giải pháp và tìm ra giải pháp tối ưu để phát hiện các vật liệu cụ thể trong điều kiện ứng dụng và vận hành thực tế.

Minh Trí (theo By Jeff Shepard, Digikey.com)