Học Automation cùng MINATA #17: Cảm biến tiệm cận: cảm ứng từ và điện dung
Một xy-lanh khí đẩy phôi ra vị trí, PLC chờ tín hiệu "phôi đã tới" rồi mới cho bước tiếp. Người lắp máy gắn một cảm biến tiệm cận cảm ứng từ để bắt phôi — nhưng phôi là nhựa. Cảm biến không bao giờ tác động, máy đứng chờ mãi ở một bước. Không có gì hỏng: cảm ứng từ chỉ bắt kim loại, và phôi nhựa thì vô hình với nó.
Cảm biến tiệm cận là "con mắt không cần ánh sáng": nó phát hiện vật ở gần mà không cần chạm và không cần tia sáng thẳng hàng như cảm biến quang. Nhờ kín, bền, chịu bụi dầu tốt, nó là cảm biến vị trí phổ biến nhất trong máy móc. Nhưng có hai họ nguyên lý khác hẳn nhau — cảm ứng từ và điện dung — và chọn nhầm họ là đứng máy như ví dụ trên.
Bài này giải thích nguyên lý hai loại, khác biệt về vật phát hiện được và tầm xa, các thông số vùng phát hiện, cách lắp flush/non-flush, các biến thể chuyên dụng, phần điện NPN/PNP và cách chọn cho đúng ứng dụng. Đây là cảm biến bạn sẽ gặp ở gần như mọi cụm cơ cấu, nên nắm chắc nó tiết kiệm rất nhiều thời gian dò lỗi về sau.
Bài viết trình bày nguyên tắc chọn dùng. Tầm phát hiện, hệ số hiệu chỉnh theo vật liệu, cấp bảo vệ phải theo catalog cảm biến thật và điều kiện lắp đặt.
Cảm biến cảm ứng từ (inductive)
Bên trong có một cuộn dây tạo trường điện từ tần số cao ở mặt cảm biến. Khi một vật kim loại lại gần, dòng xoáy (eddy current) sinh ra trong kim loại hút bớt năng lượng, làm biên độ dao động suy giảm. Mạch bên trong phát hiện sự suy giảm này và tác động ngõ ra.
- Chỉ phát hiện kim loại — đây là đặc điểm quyết định. Vật nhựa, gỗ, nước, thủy tinh đều "vô hình".
- Rất bền và kín: không có phần chuyển động, mặt cảm biến thường bằng nhựa cứng, chịu bụi–dầu–rung tốt. Đây là lý do nó thống trị việc bắt vị trí cơ cấu kim loại, cam, trục.
- Tầm phát hiện phụ thuộc cỡ đầu (đầu to bắt xa hơn) và loại kim loại: thép thường bắt xa nhất; nhôm, đồng, inox bắt gần hơn — có hệ số hiệu chỉnh trong catalog phải nhân vào.
Cảm biến điện dung (capacitive)
Mặt cảm biến hoạt động như một bản tụ điện. Khi bất kỳ vật nào (có hằng số điện môi khác không khí) lại gần, điện dung thay đổi, mạch phát hiện và tác động.
- Phát hiện gần như mọi vật liệu: kim loại, nhựa, gỗ, giấy, hạt, và cả chất lỏng — nên nó hay dùng để báo mức trong bồn/silo (kể cả phát hiện qua thành mỏng phi kim).
- Nhạy môi trường: hơi ẩm, bụi bám, thay đổi vật liệu có thể ảnh hưởng; thường có núm chỉnh độ nhạy để căn đúng vật cần bắt và bỏ qua nền.
- Tầm ngắn hơn cảm ứng từ cùng cỡ, và cần chỉnh cẩn thận hơn.
Nói ngắn: cần bắt phi kim (nhựa, nước, hạt) hoặc báo mức → điện dung; bắt kim loại → cảm ứng từ (bền và ổn định hơn cho việc này).
Một lưu ý khi dùng điện dung báo mức: vì nó nhạy với mọi thứ, bụi bám hoặc màng vật liệu đọng lại trên mặt cảm biến có thể bị hiểu là "vẫn còn vật" dù bồn đã cạn. Với ứng dụng đo mức lâu dài, chọn loại có bù bám dính hoặc bố trí lắp tránh đọng, và kiểm tra định kỳ. Cảm ứng từ không gặp vấn đề này vì nó chỉ phản ứng với kim loại, nên với bồn/khay kim loại có thể cân nhắc phương án khác.
Chọn loại theo vật và việc
| Việc cần làm | Nên chọn |
|---|
| Bắt vị trí cơ cấu/trục/cam kim loại | Cảm ứng từ |
| Đếm/bắt phôi phi kim (nhựa, gỗ, giấy) | Điện dung |
| Báo mức chất lỏng/hạt trong bồn | Điện dung |
| Môi trường nhiều bụi dầu, cần bền | Cảm ứng từ (nếu vật là kim loại) |
| Phát hiện qua thành bồn phi kim mỏng | Điện dung |
Nguyên tắc: nếu vật là kim loại và có thể dùng cảm ứng từ, hãy ưu tiên nó vì bền và ít bị môi trường làm nhiễu; chỉ dùng điện dung khi thực sự cần bắt phi kim hoặc đo mức.
Lắp flush và non-flush
Một chi tiết lắp đặt hay bị bỏ qua nhưng gây lỗi thường xuyên:
- Loại flush (chìm được): có màn chắn từ hai bên, cho phép lắp chìm mặt với bề mặt kim loại xung quanh mà không bị nhiễu. Đổi lại tầm phát hiện ngắn hơn.
- Loại non-flush (không chìm): trường phát ra cả hai bên, tầm xa hơn, nhưng phải chừa khoảng trống kim loại quanh đầu — nếu lắp chìm vào tấm kim loại, chính tấm đó bị "phát hiện" và cảm biến tác động liên tục.
Lắp một cảm biến non-flush chìm vào giá kim loại là lỗi kinh điển khiến cảm biến "luôn báo có vật". Đọc kỹ tài liệu về khoảng cách lắp (mounting) và khoảng cách giữa hai cảm biến gần nhau để tránh chúng nhiễu lẫn nhau.
Vùng phát hiện, độ trễ và độ lặp lại
Ba thông số quyết định cảm biến "báo có vật" chính xác đến đâu:
- Khoảng cách phát hiện định mức (Sn): con số trong catalog, đo với vật chuẩn (thép cỡ chuẩn) ở điều kiện lý tưởng. Với vật khác vật chuẩn hoặc nhỏ hơn, khoảng cách thực ngắn hơn. Vì vậy nên đặt vật cách cảm biến ở khoảng an toàn (thường ~80% Sn), không đặt sát ranh giới.
- Độ trễ (hysteresis): khoảng cách để "bắt" và để "nhả" hơi khác nhau — vật phải lại gần tới một mức mới tác động, và phải ra xa hơn mức đó mới nhả. Độ trễ này có ích: nó chống hiện tượng cảm biến rung 0‑1‑0 liên tục khi vật đứng đúng ngay ranh giới. Nhưng khi canh vị trí chính xác, phải tính đến nó.
- Độ lặp lại (repeatability): khả năng cảm biến tác động đúng cùng một điểm qua nhiều lần. Với ứng dụng canh vị trí, độ lặp lại quan trọng hơn con số tầm xa tuyệt đối.
Hiểu ba thông số này giúp tránh lỗi "thỉnh thoảng báo, thỉnh thoảng không" do đặt vật sát ranh giới phát hiện hoặc do rung động làm khoảng cách dao động quanh ngưỡng.
Các biến thể chuyên dụng
Ngoài loại thường, cảm ứng từ và điện dung còn nhiều biến thể cho môi trường khó:
- Factor 1 (hệ số 1): cảm ứng từ đặc biệt bắt mọi kim loại ở cùng khoảng cách (thép, nhôm, inox như nhau), khỏi phải nhân hệ số hiệu chỉnh — tiện khi vật có thể là nhiều loại kim loại.
- Kháng trường hàn (weld-field immune): dùng gần máy hàn, chống nhiễu từ dòng hàn lớn; vỏ chịu tia lửa.
- Nhiệt độ cao: cho lò, khu vực nóng.
- Ngõ ra analog: một số cảm biến tiệm cận cho tín hiệu tỷ lệ với khoảng cách (không chỉ có/không), dùng để đo khe hở, độ dày, độ đảo.
- NAMUR / loại an toàn cháy nổ: cho khu vực nguy hiểm, đi qua bộ khuếch đại an toàn.
Biết các biến thể này để không cố ép một cảm biến thường làm việc ở môi trường khắc nghiệt — chọn đúng biến thể ngay từ đầu rẻ hơn nhiều lần dừng máy vì cảm biến chết sớm.
Phần điện: 2 dây, 3 dây, NPN/PNP
- Cảm biến 3 dây (phổ biến): có nguồn (+, −) và một dây tín hiệu, ngõ ra transistor NPN (sinking) hoặc PNP (sourcing). Chọn khớp ngõ vào PLC (thường PNP ở Việt Nam) — đấu nhầm thì cảm biến sáng đèn mà PLC không nhận (đúng như đã bàn ở bài #10 và #16).
- Cảm biến 2 dây: đấu nối tiếp như một công tắc, tiện dây nhưng có dòng rò khi tắt và sụt áp khi thông — cần kiểm tra tương thích với ngõ vào PLC.
- NO hay NC: chọn theo logic mong muốn; với tín hiệu an toàn/vị trí quan trọng, cân nhắc NC để "mất tín hiệu = an toàn" (tinh thần fail‑safe bài #10).
- Tần số đáp ứng: với cơ cấu chuyển động nhanh (đếm răng, cam tốc độ cao), chọn cảm biến có tần số đủ lớn.
Tình huống kỹ thuật tham khảo
Minh họa dưới đây là một phương án tham khảo theo tư duy thiết kế MINATA; thông số và cấu hình cuối cùng phải được xác nhận theo hồ sơ, tiêu chuẩn và thiết bị thực tế.
Trên một cụm máy MINATA, các vị trí cơ cấu kim loại (bàn trượt, cam, kẹp) dùng cảm biến cảm ứng từ đưa về ngõ vào Delta AX‑308E (kiểu PNP). Vì các cơ cấu này bằng thép và môi trường có dầu bụi, cảm ứng từ vừa bền vừa ổn định, không bị dầu bám làm sai như cảm biến quang.
Riêng vị trí kiểm tra "có phôi nhựa trong khay" thì cảm ứng từ vô dụng, nên MINATA dùng cảm biến điện dung chỉnh độ nhạy đúng để bắt phôi mà bỏ qua thành khay. PLC đọc các tín hiệu này làm điều kiện chuyển bước; nếu một vị trí báo bất thường (ví dụ báo có phôi quá lâu không được lấy), PLC dừng gọn và cảnh báo — đúng tinh thần "trạng thái lấy từ cảm biến thật" ở bài #09.
Sai lầm thường gặp
- Dùng cảm ứng từ để bắt vật phi kim (nhựa, gỗ) → không bao giờ tác động.
- Lắp cảm biến non-flush chìm vào kim loại → báo có vật liên tục.
- Quên hệ số hiệu chỉnh vật liệu (nhôm/inox) → tầm phát hiện thực ngắn hơn tính toán.
- Đấu nhầm NPN/PNP so với ngõ vào PLC.
- Dùng điện dung ở nơi ẩm/bụi mà không chỉnh lại độ nhạy → báo nhầm.
- Đặt hai cảm biến quá gần nhau gây nhiễu chéo.
Checklist cảm biến tiệm cận
- [ ] Vật kim loại → cảm ứng từ; phi kim/chất lỏng/mức → điện dung.
- [ ] Nhân hệ số hiệu chỉnh vật liệu vào tầm phát hiện.
- [ ] Chọn đúng flush/non-flush theo cách lắp (chìm hay không).
- [ ] Chừa khoảng trống theo tài liệu; tránh nhiễu giữa hai cảm biến.
- [ ] Ngõ ra NPN/PNP (và 2/3 dây) khớp ngõ vào PLC.
- [ ] Cân nhắc NC cho tín hiệu vị trí quan trọng (fail‑safe).
- [ ] Điện dung: chỉnh độ nhạy đúng vật, kiểm tra lại khi môi trường đổi.
- [ ] Đặt vật trong khoảng an toàn (~80% Sn), tính đến độ trễ và độ lặp lại.
- [ ] Môi trường khắc nghiệt: chọn biến thể phù hợp (factor 1, kháng trường hàn, nhiệt độ cao).
Cảm biến tiệm cận đơn giản đến mức dễ bị chọn qua loa, nhưng chọn nhầm họ nguyên lý là lỗi khiến máy đứng chờ một tín hiệu không bao giờ đến. Hỏi trước tiên: vật cần bắt là kim loại hay không — câu trả lời đó quyết định nửa bài toán, và cỡ đầu, cách lắp cùng kiểu ngõ ra quyết định nửa còn lại.
Đọc thêm kiến thức tự động hóa tại MINATA: https://minatavn.com/vi/blog/tu-dong-hoa
Bài liền trước — #16: Cảm biến quang: thu‑phát, phản xạ gương và khuếch tán: https://minatavn.com/vi/blog/hoc-automation-cung-minata-16-cam-bien-quang
Bài tiếp theo — #18: Công tắc hành trình và cảm biến xy‑lanh khí: https://minatavn.com/vi/blog/hoc-automation-cung-minata-18-cong-tac-hanh-trinh-cam-bien-xy-lanh
Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA