Cảm biến khoảng cách là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Cảm biến khoảng cách là một trong những loại cảm biến được ứng dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau. Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khoảng cách và vị trí của các vật thể một cách chính xác. Bên cạnh đó, cảm biến khoảng cách còn được sử dụng để đo mực nước trong các bình chứa hoặc bồn chứa chất lỏng. Vậy cảm biến khoảng cách là gì? Nó hoạt động dựa trên nguyên lý nào? Hãy cùng SmartSimon tìm hiểu chi tiết về loại cảm biến này qua bài viết dưới đây nhé!

Cảm biến khoảng cách là gì?

Cảm biến khoảng cách (Distance Sensor) hay còn được gọi với tên cảm biến li độ là thiết bị điện tử dùng để đo khoảng cách giữa cảm biến và một vật thể bất kỳ trong phạm vi hoạt động của nó. Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như tự động hóa, sản xuất, robot, và xe tự hành. Cảm biến hoạt động bằng cách phát ra một tín hiệu (ánh sáng, sóng âm, sóng điện từ…) và đo thời gian phản hồi từ vật thể để xác định khoảng cách.

Cảm biến khoảng cách dùng để đo khoảng cách giữa cảm biến với một vật thể bất kỳ trong phạm vi hoạt động của nó

Phân loại các loại cảm biến khoảng cách

Cảm biến khoảng cách được phân thành nhiều loại dựa trên nguyên lý hoạt động và ứng dụng cụ thể:

• Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor): Phát hiện vật thể ở khoảng cách rất gần, không cần tiếp xúc vật lý.

• Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor): Sử dụng sóng âm tần số cao để đo khoảng cách, thường dùng để đo mức chất lỏng, phát hiện vật thể.

• Cảm biến laser (Laser Distance Sensor): Dùng tia laser để đo khoảng cách với độ chính xác cao, phù hợp cho công nghiệp và đo lường chi tiết.

• Cảm biến hồng ngoại (IR Sensor): Dễ lắp đặt, hoạt động ổn định trong phạm vi ngắn.

• Cảm biến Encoder: Không đo khoảng cách trực tiếp nhưng dùng để tính toán vị trí và chuyển động dựa trên vòng quay.

• Cảm biến Lidar: Ứng dụng phổ biến trong xe tự lái, hoạt động bằng việc quét tia laser để tạo bản đồ 3D khoảng cách.

Đặc điểm của cảm biến đo khoảng cách

• Chính xác và nhạy: Có thể phát hiện những thay đổi nhỏ về vị trí của vật thể.

• Hoạt động không tiếp xúc: Giảm hao mòn cơ khí và an toàn cho người sử dụng.

• Đa dạng môi trường làm việc: Một số loại cảm biến có thể hoạt động trong môi trường bụi bẩn, ẩm ướt, hoặc nhiệt độ cao.

• Tín hiệu đầu ra linh hoạt: Có thể là tín hiệu analog (0-10V, 4-20mA) hoặc digital (PNP, NPN), dễ kết nối với các thiết bị điều khiển PLC, vi điều khiển...

Nguyên lý hoạt động của cảm biến khoảng cách

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ hoặc điện dung. Khi vật thể đến gần, từ trường hoặc điện trường thay đổi và cảm biến phát hiện sự thay đổi này để xác định có vật thể hiện diện.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến Laser

Laser được phát ra từ cảm biến, phản xạ lại khi gặp vật thể, và thiết bị tính toán thời gian ánh sáng quay trở lại để xác định khoảng cách. Ưu điểm là độ chính xác cực cao và tốc độ phản hồi nhanh.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến siêu âm

Cảm biến siêu âm phát sóng âm thanh tần số cao (trên 20kHz), đo thời gian sóng phản xạ quay về để tính khoảng cách theo công thức: Khoảng cách = (Tốc độ âm thanh × Thời gian) / 2

Nguyên lý hoạt động của cảm biến Encoder 

Encoder không đo khoảng cách tuyến tính trực tiếp mà ghi nhận chuyển động quay để suy ra vị trí. Ứng dụng nhiều trong cơ cấu truyền động, băng chuyền và robot.

Cảm biến khoảng cách có sai số không?

Có. Sai số phụ thuộc vào:

• Loại cảm biến sử dụng

• Môi trường làm việc (nhiệt độ, độ ẩm, vật cản)

• Tốc độ phản hồi tín hiệu

• Độ phản xạ của vật thể cần đo

Cảm biến laser có độ chính xác cao nhất (sai số ±1 mm hoặc nhỏ hơn), trong khi cảm biến siêu âm có sai số lớn hơn (±1% đến ±3%).

Ứng dụng của cảm biến khoảng cách là gì?

Cảm biến đo khoảng cách có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Thiết bị này được sử dụng phổ biến ở cảng biển hoặc khu công nghiệp, cụ thể:

Đo khoảng cách

Ứng dụng trong công nghiệp, xây dựng, cơ khí chính xác... để xác định vị trí vật thể, kiểm soát chất lượng sản phẩm, căn chỉnh linh kiện.

Thông tin vị trí các hệ thống di chuyển

Trong robot tự hành, xe AGV, hoặc dây chuyền sản xuất thông minh, cảm biến giúp xác định vị trí chính xác để điều hướng.

Đo mực hóa chất

Cảm biến siêu âm hoặc cảm biến điện dung thường được dùng để đo mức nước, chất lỏng, hoặc hóa chất trong bồn chứa mà không cần tiếp xúc.

Phát hiện vị trí các bộ phận, chi tiết máy

Giúp xác định các giai đoạn của quá trình sản xuất, đảm bảo chu trình hoạt động máy móc đúng trình tự.

Định vị container

Trong cảng biển hoặc kho bãi, cảm biến giúp xác định vị trí container để tự động hóa quá trình xếp dỡ, vận chuyển.

Cảm biến khoảng cách có dễ sử dụng không?

Cảm biến khoảng cách rất dễ sử dụng nếu chọn đúng loại và hiểu rõ mục đích ứng dụng. Nhiều thiết bị có hỗ trợ giao tiếp tiêu chuẩn như RS-485, CAN, hoặc Modbus RTU, giúp kết nối nhanh với hệ thống điều khiển.

Ngoài ra, một số dòng cảm biến hiện đại tích hợp màn hình LCD hoặc cổng cấu hình giúp cài đặt nhanh chóng thông qua phần mềm.

Lưu ý cách chọn cảm biến khoảng cách

• Khoảng cách đo: Xác định phạm vi đo cần thiết (vài mm đến hàng trăm mét).
• Loại tín hiệu đầu ra: Analog, Digital, hoặc giao tiếp truyền thông.
• Môi trường làm việc: Có bụi, nước, rung động không?
• Vật liệu vật thể cần đo: Có phản xạ tốt với laser hoặc âm thanh không?
• Độ chính xác cần thiết: Ứng dụng có yêu cầu sai số nhỏ không?

Cách kết nối cảm biến với bộ điều khiển một cách an toàn

Để đảm bảo cảm biến khoảng cách hoạt động ổn định và chính xác khi kết nối với bộ điều khiển (như PLC, vi điều khiển, hoặc bộ thu tín hiệu), bạn cần tuân thủ một số nguyên tắc kỹ thuật sau:

• Kiểm tra điện áp nguồn: Xác định rõ mức điện áp mà cảm biến yêu cầu (thường là 5V, 12V hoặc 24V) và cấp nguồn phù hợp để tránh hư hỏng thiết bị.

• Sử dụng điện trở kéo (pull-up hoặc pull-down): Đối với cảm biến có tín hiệu đầu ra dạng digital, việc dùng điện trở kéo sẽ giúp ổn định mức logic và tránh nhiễu tín hiệu.

• Chống nhiễu tín hiệu: Nên sử dụng cáp tín hiệu có lớp chống nhiễu (shielded cable) hoặc trang bị thêm bộ cách ly (optocoupler) để hạn chế nhiễu từ môi trường xung quanh

• Bảo vệ quá áp: Trong môi trường có nguy cơ cao xảy ra xung điện hoặc sét lan truyền, nên sử dụng rơ-le, diode bảo vệ, hoặc mạch chống quá áp để bảo vệ cảm biến và bộ điều khiển.

• Gắn cảm biến chắc chắn: Cố định cảm biến tại vị trí phù hợp để tránh rung động, đảm bảo tín hiệu đo được luôn ổn định và chính xác.

Việc tuân thủ đúng các bước kết nối không chỉ giúp tăng tuổi thọ cho thiết bị mà còn đảm bảo hệ thống vận hành an toàn, hiệu quả.

Giá của cảm biến khoảng cách có đắt không?

Giá cảm biến khoảng cách dao động rất lớn tùy theo loại và độ chính xác:

• Cảm biến tiệm cận: ~50.000 – 300.000 VNĐ

• Cảm biến siêu âm: ~200.000 – 2.000.000 VNĐ

• Cảm biến laser: ~1.000.000 – 10.000.000 VNĐ

• Cảm biến Lidar công nghiệp: có thể lên tới hàng chục triệu VNĐ

Lưu ý: Nên chọn cảm biến theo nhu cầu thực tế để tiết kiệm chi phí nhưng vẫn đảm bảo hiệu quả hoạt động.

Có thể thấy, thiết bị cảm biến khoảng cách đang nắm giữ một vai trò quan trọng trong nền công nghiệp thông minh, tự động hóa hiện nay. Việc nắm rõ được cách thức hoạt động, phân loại các dòng sản phẩm sẽ giúp người dùng tự tin khi chọn mua và sử dụng. Nếu còn thắc mắc về cảm biến hay các thiết bị tương tự, hãy để lại thông tin liên hệ với chúng tôi, đội ngũ nhân viên tư vấn của SmartSimon luôn sẵn sàng hỗ trợ bạn!