Chọn thiết bị #01 — Cảm biến quang, tiệm cận hay siêu âm: chọn theo vật liệu và bề mặt phôi

Câu trả lời ngắn: chọn cảm biến tiệm cận (proximity) khi vật cần phát hiện là kim loại ở khoảng cách gần và môi trường bẩn; chọn cảm biến quang (photoelectric) khi cần tầm phát hiện xa, phát hiện vật thể bất kỳ màu hoặc vật nhỏ; chọn cảm biến siêu âm (ultrasonic) khi vật trong suốt, bề mặt bóng loáng, chất lỏng, hoặc khi màu sắc và độ trong của vật làm cảm biến quang bị đánh lừa. Ba loại cảm biến này cùng trả lời câu hỏi "có vật ở đây không / vật cách bao xa", nhưng mỗi loại dựa trên một nguyên lý vật lý khác nhau, nên vật liệu và bề mặt của phôi mới là thứ quyết định chọn loại nào. Bài này giúp bạn nhìn phôi và môi trường là chọn đúng cảm biến, tránh mua nhầm rồi phát hiện chập chờn ngoài hiện trường.

Bảng so sánh nhanh ba loại cảm biến

Tiêu chí	Tiệm cận (Proximity)	Quang (Photoelectric)	Siêu âm (Ultrasonic)
Nguyên lý	Trường điện từ / điện dung	Chùm sáng (hồng ngoại/laser)	Sóng âm phản xạ
Vật phát hiện được	Kim loại (loại cảm ứng từ); mọi vật (loại điện dung)	Hầu như mọi vật rắn	Mọi vật phản xạ âm, kể cả trong suốt/lỏng
Tầm phát hiện điển hình	1–40 mm	Vài cm đến vài chục mét	3 cm đến vài mét
Vật trong suốt/bóng	Điện dung được; cảm ứng từ không	Khó, dễ bị đánh lừa	Tốt
Ảnh hưởng bụi, dầu, hơi nước	Ít ảnh hưởng	Nhạy, cần vệ sinh kính	Ít ảnh hưởng bụi; nhạy gió mạnh, hơi nóng
Ảnh hưởng màu sắc bề mặt	Không	Có (vật đen hấp thụ sáng)	Không
Tốc độ đáp ứng	Rất nhanh	Rất nhanh	Chậm hơn
Giá tương đối	Thấp	Trung bình	Cao hơn

Sơ đồ chọn cảm biến theo vật liệu và bề mặt phôi

Cảm biến tiệm cận: gần, bền, chỉ hợp một số vật

Cảm biến tiệm cận phát hiện vật mà không cần tiếp xúc, dựa trên sự thay đổi của một trường vật lý khi vật lại gần. Có hai họ chính:

Cảm ứng từ (inductive): chỉ phát hiện kim loại. Đây là loại phổ biến nhất trong nhà máy vì bền, rẻ, chống bụi dầu tốt, đáp ứng nhanh. Dùng để phát hiện chi tiết kim loại, vị trí xy lanh (qua vòng từ), đếm sản phẩm kim loại, giới hạn hành trình.
Điện dung (capacitive): phát hiện gần như mọi vật (kim loại, nhựa, gỗ, chất lỏng, hạt) qua thay đổi điện dung. Bù lại nhạy với độ ẩm và khó chỉnh, nên thường dùng để phát hiện mức trong bồn, vật phi kim.

Điểm mạnh chung của tiệm cận là độ bền và khả năng chịu môi trường bẩn: không có thấu kính để bám bụi, không bị màu sắc đánh lừa, đáp ứng cực nhanh. Điểm yếu là tầm phát hiện ngắn (thường vài milimet đến vài chục milimet). Nếu cần phát hiện vật ở xa, tiệm cận không hợp.

Một lưu ý thực tế: tầm phát hiện của cảm ứng từ phụ thuộc loại kim loại. Chuẩn ghi trên catalog là cho thép; với nhôm, đồng, inox thì tầm giảm đáng kể (có hệ số hiệu chỉnh trong tài liệu). Chọn tầm phải trừ hao theo vật liệu thật của phôi.

Cảm biến quang: xa, linh hoạt, sợ bẩn và màu

Cảm biến quang phát một chùm sáng (hồng ngoại, đỏ, hoặc laser) và phát hiện vật qua sự thay đổi lượng sáng nhận về. Đây là loại linh hoạt nhất về tầm và kiểu vật, chia thành ba kiểu bố trí:

Thu-phát riêng (through-beam): bộ phát và bộ thu đặt đối diện; vật cắt chùm sáng thì báo. Tầm xa nhất (đến vài chục mét), tin cậy nhất, nhưng phải lắp hai đầu và căn chỉnh.
Phản xạ gương (retro-reflective): một đầu phát và thu, dùng gương phản xạ đối diện. Tầm trung bình, lắp một phía.
Phản xạ khuếch tán (diffuse): một đầu, dùng chính vật làm bề mặt phản xạ. Lắp gọn nhất nhưng tầm ngắn nhất và phụ thuộc màu, độ bóng của vật — vật đen hấp thụ sáng nên khó phát hiện, vật bóng phản xạ loạn.

Điểm mạnh của quang là tầm xa, phát hiện vật nhỏ (loại laser), và tốc độ cao. Điểm yếu là nhạy với môi trường: bụi, dầu, hơi nước bám thấu kính làm sai; và loại khuếch tán bị màu sắc, độ bóng đánh lừa. Trong môi trường sạch, cần tầm xa hoặc phát hiện vật đa dạng, quang là lựa chọn tốt.

Cảm biến siêu âm: cho vật mà ánh sáng bó tay

Cảm biến siêu âm phát sóng âm tần số cao và đo thời gian sóng phản xạ về để biết có vật và khoảng cách. Vì dựa trên âm chứ không dựa trên ánh sáng, nó xử lý được đúng những trường hợp làm cảm biến quang thất bại:

Vật trong suốt: chai lọ thủy tinh, màng nhựa trong, tấm mica — ánh sáng xuyên qua nên quang khó, nhưng âm phản xạ tốt.
Bề mặt bóng loáng, gương: phản xạ ánh sáng loạn xạ nhưng phản xạ âm ổn định.
Chất lỏng và bề mặt thay đổi màu: đo mức chất lỏng, phát hiện vật đổi màu liên tục.

Siêu âm cũng ít bị bụi ảnh hưởng. Đổi lại, nó chậm hơn (phải chờ sóng đi và về), nhạy với gió mạnh, luồng khí nóng và bề mặt xốp hút âm (mút, bông), và có vùng mù ngay sát đầu cảm biến. Giá thường cao hơn hai loại kia. Vì thế siêu âm là lựa chọn khi vật liệu/bề mặt loại bỏ hai phương án rẻ hơn, chứ không phải mặc định.

Chọn cái nào: đọc phôi và môi trường

Quy trình chọn:

Vật là gì? Kim loại gần → tiệm cận cảm ứng từ (rẻ, bền nhất). Vật trong suốt/bóng/lỏng → siêu âm. Vật rắn đa dạng, cần tầm xa → quang.
Khoảng cách bao xa? Vài mm → tiệm cận. Vài cm đến chục mét → quang. Vài cm đến vài mét cho vật khó → siêu âm.
Môi trường thế nào? Nhiều bụi dầu → tiệm cận hoặc siêu âm (tránh quang khuếch tán). Sạch, cần tầm → quang.
Bề mặt vật có gây khó không? Đen, bóng, trong suốt → tránh quang, dùng siêu âm hoặc tiệm cận điện dung.

Ví dụ nhanh: phát hiện lon nhôm trên băng tải ở khoảng 10 mm → tiệm cận cảm ứng từ (nhớ trừ hao tầm cho nhôm). Phát hiện hộp carton đủ màu ở 2 mét → quang thu-phát hoặc phản xạ gương. Phát hiện chai nước trong suốt → siêu âm. Đếm chi tiết đen mờ nhỏ ở tốc độ cao → quang laser thu-phát.

Đấu nối: PNP hay NPN, NO hay NC

Chọn đúng loại cảm biến mới là một nửa; nửa còn lại là đấu nối đúng với bộ điều khiển. Cảm biến số thường có ngõ ra PNP (nguồn dương) hoặc NPN (nối mát), và tiếp điểm thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC). PLC của Nhật hay dùng ngõ vào kiểu sink, hợp với cảm biến PNP; nhưng phải kiểm tra tài liệu PLC trước khi mua. Chọn sai PNP/NPN thì cảm biến tốt vẫn không đọc được tín hiệu. Về NO/NC, chọn theo nguyên tắc an toàn: mạch quan trọng nên dùng sao cho khi cảm biến hỏng hoặc đứt dây thì hệ về trạng thái an toàn.

Cấp bảo vệ IP và độ bền môi trường

Chọn đúng nguyên lý cảm biến rồi vẫn phải chọn đúng độ bền cho môi trường lắp. Cấp bảo vệ IP (ví dụ IP67, IP69K) cho biết cảm biến chịu được bụi và nước tới mức nào. Trạm rửa, khu vực xịt nước áp lực cần IP69K; nơi có dầu cắt bắn tung tóe cần vỏ chịu dầu; môi trường hàn cần loại chống văng xỉ hàn (weld-field immune) cho tiệm cận, vì hồ quang hàn tạo trường điện từ mạnh gây báo sai. Bỏ qua yếu tố này thì cảm biến đúng loại vẫn hỏng sớm hoặc báo sai giữa dây chuyền.

Nhiệt độ cũng quan trọng: khu vực gần lò, khuôn nóng cần cảm biến chịu nhiệt cao; kho lạnh cần loại chịu lạnh và không đọng sương trên thấu kính (với loại quang). Đọc dải nhiệt độ làm việc trong catalog và trừ hao cho điều kiện xấu nhất tại vị trí lắp.

Khoảng cách chuyển mạch, độ trễ và độ lặp lại

Với ứng dụng đo vị trí hoặc phát hiện chính xác, ba thông số cần nhìn kỹ:

Khoảng cách chuyển mạch (Sn): giá trị danh định trong catalog; khoảng cách làm việc thực tế nên đặt trong khoảng 70–80% Sn để chừa dự phòng cho dung sai lắp, nhiệt độ và vật liệu.
Độ trễ (hysteresis): khoảng chênh giữa điểm bật và điểm tắt, chống rung tín hiệu khi vật ở đúng ranh giới. Cần thiết cho ổn định nhưng phải tính vào khi cần độ chính xác vị trí.
Độ lặp lại (repeatability): mức dao động của điểm chuyển mạch giữa các lần; với ứng dụng định vị chính xác, độ lặp lại quan trọng hơn cả tầm.

Nếu bài toán thực chất là đo khoảng cách liên tục chứ không chỉ có/không, thì cần cảm biến ngõ ra analog (siêu âm analog, cảm biến laser đo khoảng cách) thay vì cảm biến số bật/tắt. Đây là chỗ hay chọn nhầm: mua cảm biến số cho bài toán vốn cần đo liên tục.

Ví dụ đọc một trạm thật

Một trạm cấp phôi có bốn vị trí cần phát hiện:

Phôi thép trong ổ chứa, cách 8 mm, môi trường có dầu: tiệm cận cảm ứng từ, IP67, đặt làm việc ở ~6 mm (75% tầm). Rẻ, bền, không sợ dầu.
Xy lanh kẹp đã đóng chưa: cảm biến từ gắn rãnh xy lanh (một dạng tiệm cận), đọc vị trí piston.
Hộp thành phẩm đủ màu chạy trên băng tải, cách 1,5 m: quang phản xạ gương, lắp một phía, tầm đủ dư.
Mức keo lỏng trong bồn trong suốt: siêu âm analog đo mức, vì chất lỏng và thành bồn trong suốt loại bỏ phương án quang.

Bốn vị trí, ba nguyên lý khác nhau — vì vật liệu, khoảng cách và bề mặt ở mỗi chỗ khác nhau. Đây là cách tư duy đúng: chọn cảm biến theo từng điểm phát hiện, không áp một loại cho cả trạm.

Sai lầm thường gặp

Dùng quang khuếch tán cho vật đen hoặc bóng. Vật hấp thụ hoặc phản xạ loạn ánh sáng, phát hiện chập chờn; đổi sang siêu âm hoặc thu-phát.
Không trừ hao tầm tiệm cận theo vật liệu. Catalog ghi tầm cho thép; nhôm, inox có tầm ngắn hơn.
Dùng quang trong môi trường nhiều bụi dầu mà không có phương án vệ sinh. Thấu kính bám bẩn gây báo sai.
Đặt siêu âm sát vật trong vùng mù hoặc nơi có luồng khí nóng, gió mạnh.
Mua đúng cảm biến nhưng sai ngõ ra PNP/NPN so với PLC.

Tiêu chí chọn nhanh (checklist)

[ ] Vật cần phát hiện làm bằng gì (kim loại / phi kim / trong suốt / lỏng)?
[ ] Khoảng cách phát hiện cần bao xa?
[ ] Bề mặt vật có đen, bóng, trong suốt gây khó cho ánh sáng không?
[ ] Môi trường có nhiều bụi, dầu, hơi nước không?
[ ] Tốc độ đáp ứng có cần rất nhanh không (loại siêu âm chậm hơn)?
[ ] Đã kiểm ngõ ra PNP/NPN, NO/NC khớp với bộ điều khiển chưa?
[ ] Đã trừ hao tầm phát hiện theo vật liệu và điều kiện thật chưa?

Nếu bạn đang thiết kế một trạm tự động và chưa chắc chọn cảm biến nào cho từng vị trí phát hiện, MINATA có thể tư vấn chọn thiết bị theo phôi và môi trường thật của dây chuyền. Xem dịch vụ Kỹ thuật & Sản xuất của MINATA.

Nguồn tham khảo: chương センサ・スイッチ và bảng cấp bảo vệ "位置決めスイッチのIPコード" trong catalog kỹ thuật MISUMI. Tầm phát hiện, ngõ ra và cấp IP cụ thể tra theo tài liệu từng dòng cảm biến của nhà cung cấp.

Đọc thêm trong chuỗi Chọn thiết bị

Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA