Xi lanh là thiết bị chấp hành không thể thiếu của các dây chuyền máy móc vận hành bằng khí hay dầu. Để hỗ trợ hoạt động được năng suất, chính xác, hiệu quả thì chúng ta cần các cảm biến xi lanh khí nén, cảm biến xi lanh thủy lực. Trong quá trình làm việc tự động hóa, thiết bị này đóng vai trò rất quan trọng. Không ít khách hàng quan tâm đến thiết bị này đã đặt câu hỏi cho chúng tôi. Và bài viết hôm nay, chúng tôi xin lần lượt giới thiệu và giải đáp từng thắc mắc về thiết bị cảm biến trong hệ thống khí, dầu đang được sử dụng hiện nay.

Cảm biến trong công nghiệp

Ngày nay, không chỉ sử dụng khí nén, thủy lực vào sản xuất mà con người còn nghiên cứu và chế tạo những hệ thống tự động nhằm mang lại năng suất cao, sản lượng lớn, tiết kiệm chi phí cho người sử dụng. Trong các nhà máy, xưởng sản xuất công nghiệp nhẹ, công nghiệp nặng, tiểu thủ công nghiệp, lắp ráp thì cảm biến xuất hiện nhiều và rất đa dạng. Đặc biệt, trong các cơ cấu, hệ thống máy tự động không thể thiếu cảm biến xi lanh.

Cảm biến trong công nghiệp là gì?

Cảm biến có tên gọi tiếng anh là Sensoir. Nhiệm vụ cơ bản của nó là biến và chuyển đổi tín hiệu của cần xi lanh thành tín hiệu điện. Đây là thiết bị quen thuộc đối với các kỹ sư, nhân viên kỹ thuật khi nó có mặt ở mọi nơi, mọi hệ thống quy mô lớn nhỏ khác nhau.

Nó tương tự với 5 giác quan của cơ thể con người như vị giác, thính giác, khứu giác, xúc giác, thị giác. Nó sẽ nhận biết và trả các tín hiệu về não bộ để xử lý

Cụ thể cảm biến là thiết bị được chế tạo ra nhằm nhận biết được sự thay đổi, có mặt trong môi trường nơi gắn nó và sẽ truyền tín hiệu nhận biết về nhằm thông báo cho con người biết sự có mặt hay sự thay đổi đó.

Chắc chắn đến đây, không ít bạn vẫn mơ hồ về thiết bị này. Chúng tôi xin lấy 1 ví dụ đơn giản như sau:

Cảm biến nhiệt độ rất thông dụng khi nó lắp đặt cho tất cả các thiết bị. Trong máy điều hòa, cảm biến nhiệt độ được sử dụng. Khi cài đặt 25 độ C và bật điều hòa không khí lạnh. Nếu nhiệt độ môi trường cao hơn 25 độ C thì cảm biến sẽ nhận biết và hạ nhiệt độ môi trường đến mức 25 độ C. Nếu thấp hơn 25 độ C thì điều hòa sẽ tắt.

Với hệ thống tự động hóa thì cảm biến từ xi lanh dùng để truyền tín hiệu từ xi lanh để điều khiển các thiết bị khác hoặc là dùng để điều khiển chính xi lanh khí nén, dầu.

Các loại cảm biến trong công nghiệp

Nhu cầu sử dụng cảm biến nhằm phát hiện sự thay đổi của các yếu tố như: nhiệt độ, vòng quay, độ ẩm, vị trí, ánh sáng, áp suất… là rất lớn. Chính vì thế, khi chúng ta làm một phép tìm kiếm “cảm biến” trên thị trường thì có thể có hàng trăm kết quả.

Nhìn chung, người ta phân chia cảm biến trong công nghiệp thành 3 loại chính để tiện cho việc chọn và lắp đặt theo mục đích: Cảm biến quang, cảm biến tiệm cận, cảm biến áp suất.

Cảm biến quang (Optical sensor)

Quang chính là ánh sáng. Cảm biến quang có tên tiếng Anh là Optical sensor đó là cảm biến hoạt động dựa trên tín hiệu ánh sáng thu được và sau đó sẽ xuất tín hiệu về bộ xử lý.

Trong một số trường hợp cần phát hiện vật một cách chính xác, nhanh chóng khi nó đi qua mắt quang tín hiệu thì người ta dùng cảm biến quang.

Ví dụ như: Sau khi lắp đặt hoàn chỉnh cảm biến quang, có một vật hoặc một người di chuyển đi qua mắt quang. Cảm biến sẽ xuất tín hiệu ngay: Có vật thể đi qua. Nguyên do là có tín hiệu phản quang trở lại phát ra từ vật.

Cảm biến áp suất (Pressure sensor)

Cảm biến áp suất còn được gọi với một tên khác đó là công tắc áp suất. Chúng ta sẽ cài đặt một mức áp suất nhất định. Khi áp suất dầu, áp suất chất lỏng hay áp suất khí nén vượt quá giá trị, mức đã được cài đặt sẵn thì cảm biến sẽ tự động mở hoặc đóng công tắc.

Cảm biến tiệm cận (Proximity sensor)

Đây chính là loại cảm biến được dùng nhiều nhất hiện nay trong công nghiệp. Tên tiếng Anh của nó là Proximity sensor. Nó chuyên được lắp kèm với các xi lanh dầu, xi lanh khí nên còn gọi là cảm biến hành trình xi lanh, cảm biến từ xi lanh.

Cảm biến tiệm cận đặc biệt hơn khi nó phát hiện sự thay đổi của từ trường trong vùng khi xuất hiện vật thể mang từ tiến đến gần. Tiệm cận chính là sự tiến đến dần dần.

Ngoài ra, chúng ta còn có cảm biến nhiệt độ – một dạng tương tự mà chúng tôi đã giới thiệu ở trên. Nó hoạt động trong các máy điều hòa nhiệt.

Cảm biến xi lanh khí nén và thủy lực

Trong hệ thống khí nén có các loại xi lanh: Xi lanh vuông, xi lanh tròn, xi lanh 2 ty, xi lanh xoay, xi lanh 3 ty, xi lanh compact… Xi lanh dầu cũng chia thành các loại tròn, vuông, loại áp suất cao, thấp khác nhau. Cảm biến dùng cho xi lanh khí nén, xi lanh thủy lực chính là cảm biến tiệm cận. Đây là một điều mà khách hàng cần ghi nhớ để tránh nhầm lẫn.

Xi lanh khí hay xi lanh dầu đều là cơ cấu chấp hành. Chuyển động của chúng tạo ra là chuyển động tịnh tiến nên rất thích hợp với loại cảm biến tiệm cận.

Tại sao hầu hết khách hàng đều khuyên nên sử dụng cảm biến cho xi lanh vì: khi cần piston dịch chuyển, tín hiệu sẽ từ cảm biến mà trả về. Thông qua đó, chúng ta điều khiển xi lanh một cách dễ dàng hơn.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

Tên tiếng anh của cảm biến tiệm cận là poximity sensor. Với cảm biến này, nó có thể phát ra tín hiệu ở cả hai trường hợp đó là:

+ Dung kháng do tụ điện sinh ra.

+ Từ trường do nam châm sinh ra.

Trước hết là cảm biến điện dung, thực chất của nó là một tụ điện hoàn chỉnh. Bộ phận chính của cảm biến đó chính là hai bản cực. Khi vật lạ xuất hiện và đi vào vùng của hai bản cực cảm biến thì giá trị điện dung sẽ thay đổi. Cảm biến phát hiện và xuất ra tín hiệu. Vì khi đó, hằng số điện môi, chiều dày lớp cách điện thay đổi khiến cảm biến nhận diện ngay và xuất tín hiệu.

Vậy loại cảm biến này được sử dụng nhiều ở đâu? Nó dùng trong các ngành công nghiệp mà hệ thống tự động cần nhận biết, phát hiện vật liệu phi kim loại: sành sứ, thủy tinh.

Nguyên lý cảm biến từ xi lanh đơn giản: Nó chính là 1 cuộn dây được cuốn quanh một lõi sắt. Đặc điểm của lõi này là có độ từ thẩm cao. Khi chúng ta mở điện, nguồn điện sẽ đi đến cảm biến và tạo ra một từ trường dao động quanh tổ hợp. Người ta gọi đó là nam châm điện. Ưu điểm của loại này đó là tính ổn định cao do dòng điện cung cấp.

Khi vật thể là vật liệu từ qua hoặc nam châm vĩnh cửu, tín hiệu cảm biến sẽ được xuất ra.

Bố trí cảm biến trong xi lanh khí nén thủy lực

Để có thể bố trí cảm biến xi lanh khí nén, cảm biến hành trình xi lanh thủy lực thì khách hàng cần nắm rõ cấu tạo của loại xi lanh đang sử dụng. Vì sao?

Vì ngoài các phớt, gioăng để làm kín giữa các khoang xi lanh thì còn có các vòng nam châm vĩnh cữu được hãng sản xuất tích hợp bên trong. Vì sao họ lại làm như vậy? Mục đích của việc này chính là tạo điều kiện thuận lợi để có thể gắn cảm biến, giúp nó có thể thu tín hiệu khi cần xi lanh (piston) dịch chuyển.

Nếu có nhiều cảm biến tiệm cận thì người ta thường lắp ở hai đầu xi lanh hoặc dọc theo thân của xi lanh giúp nhận biết từ trường của xi lanh khi piston di chuyển đến. Với xi lanh khí nén thì do chuyển động với tốc độ nhanh nên cảm biến thường gắn ở đầu cuối xi lanh, hạn chế gắn ở thân xi lanh.

Với những xi lanh dầu, xi lanh khí không được gắn vòng nam châm tích hợp sẵn trong piston thì khách hàng có thể gắn ở đầu cần xi lanh. Tuy nhiên cần chú ý là lắp cảm biến ở đầu xi lanh sao cho phù hợp nhất. Trừ môi trường khí, còn tất cả môi trường còn lại, khách cần lắp đặt xi lanh sao cho cao hơn để thích ứng môi trường.

Xi lanh khí nén thì thường được các hãng sản xuất có tiêu chuẩn, có sẵn còn xi lanh thủy lực thường được gia công. Với xi lanh tròn thì cảm biến thường được gắn vào một lá thép mỏng có dây cố định. Nó sẽ di chuyển dọc theo thân xi lanh khi lỏng và cố định tại vị trí mong muốn. Với loại xi lanh vuông, cảm biến thân xi lanh sẽ được gá trên các khe rãnh dọc thân.

Cảm biến tiếp điểm trong xi lanh khí nén thủy lực

Trong xi lanh khí nén, thủy lực thì cảm biến tiếp điểm có cấu tạo đơn giản nhưng đem lại hiệu quả làm việc cao.

Nam châm trong xi lanh tương tự như phớt. Hai bên mép tiến về phía giữa sẽ là 2 cực của nam châm. Từ trường Nam Bắc sẽ mạnh ở hai đầu, giảm dần cho đến khi ở chính giữa là bằng 0.

Thực chất cảm biến tiếp điểm là hai tiếp điểm tương đương với tiếp điểm trong aptomat hay tiếp điểm trong công tắc.

Trong cảm biến tiếp điểm thì người ta hay dùng tiếp điểm hở. Nguyên lý của cảm biến này như sau:

Khi xi lanh ở trạng thái bình thường, cảm biến bình thường thì các tiếp điểm thường mở sẽ được đặt trong ống thủy tinh kín. Chúng bị tách nhau ra nên hở mạch, tín hiệu điện không xuất ra được.

Khi xuất hiện từ trường do nam châm vĩnh cữu trong xi lanh khí nén, xi lanh từ tạo ra thì từ trường sẽ sinh ra lực từ. Đầu piston dịch chuyển đến gần cảm biến tiếp điểm thì sẽ được nối liên mạch do từ trường hút hai tiếp điểm lại với nhau.

Trước khi xuất hiện piston thì cảm biến ở trạng thái OFF, sau khi xuất hiện piston thì mạch được nối và cảm biến ở trạng thái ON.

Những ưu điểm của loại cảm biến này đó là: Nó có thể dùng ở cả điện xoay chiều, điện một chiều DC hay AC. Tiết kiệm được chi phí khi nó có thể tiết kiệm được điện năng.

Khi sử dụng thiết bị nay cần chú ý đến đầu bề mặt tiếp xúc của các tiếp điểm vì nó ảnh hưởng đến độ bền cảm biến và độ nhạy khi làm việc. Chúng cần có 2 khả năng:

+ Khả năng dẫn điện tốt sẽ giúp việc nối liền mạch, xuất tín hiệu được nhanh chóng hơn. Đặc biệt, với hệ thống mở khẩn cấp, hệ thống phòng mổ thì việc này cần được lưu ý hơn cả.

+ Khả năng đàn hồi tốt vì khi tiếp điểm va đập mạnh, nhiều lần thì độ dẻo sẽ giúp chúng tránh hư hại tiếp điểm, tăng độ bền cho cảm biến.

Nhược điểm của cảm biến tiếp điểm đó là: Khi xi lanh hoạt động với tần số lớn thì các tiếp điểm va đập vào nhau nhiều lần nên sẽ dẫn đến hư hỏng tiếp điểm.

Thiết bị này không phải là lựa chọn khi cần sử dụng trong môi trường rung động. Nguyên nhân là bởi vì khoảng cách tiếp điểm rất nhỏ vì muốn thông mạch nhanh. Nếu xảy ra, rung động thì khả năng dính tách của 2 tiếp điểm sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều. Dù thiết bị có nhược điểm nhưng chính vì khả năng tiết kiệm kinh tế cũng như ứng dụng trong AC, DC tốt nhưng cảm biến tiếp điểm vẫn được nhiều người tin tưởng sử dụng.

Cảm biến hiệu ứng Hall trong xi lanh khí nén thủy lực

Tới đây, không ít khách hàng sẽ thắc mắc hiệu ứng Hall là gì? Đó là khi chúng ta tạo nên một từ trường vuông góc lên bảng làm bằng kim loại. Chất bán dẫn hay một bản làm bằng vật liệu dẫn điện cao. Khi có điện chạy ngang qua bản, từ trường sẽ tác động lên các hạt mang điện chuyển động. Hạt mang điện sẽ bị tách đẩy sang 2 phía: 1 phía là hạt mang điện tích âm, 1 phía là hạt mang điện tích dương. Chúng ta sẽ có hiệu điện thế ở hai bên của bản.

Khi nam châm vĩnh cữu được gắn ở đầu piston, dịch chuyển đi tới thì từ trường vuông góc với bản có chất bán dẫn có dòng điện đi qua. Lúc này các hạt mang điện sẽ tách ra làm 2 bên như đã nói ở trên. Xuất hiện điện áp chệch lệch nên từ đó có tín hiệu cảm biến.

Nếu như các cảm biến ở trên hoạt động dựa vào sự di chuyển vật lý thì cảm biến hiệu ứng Hall dựa trên việc tạo ra hiệu điện thế.

Ưu điểm của loại cảm biến này đó là khắc phục được tình trạng: Khi tác động tần số lớn, hư hại bề mặt tiếp điểm. Nó có khả năng chính xác cao dù ở trong môi trường làm việc rung lắc.

Nhược điểm lớn nhất của loại cảm biến này đó là độ nhạy kém. Chính vì từ trường tạo ra sự chênh lệch hiệu điện thế nên từ trường yếu thì tín hiệu cũng yếu. Những xi lanh có đường kính nòng ống quá dày thì sẽ tạo nên từ trường yếu và không thích hợp cho việc dùng cảm biến này.

Cảm biến xi lanh khí nén thủy lực từ tính dị hướng

Loại cảm biến từ tính dị hướng chuyên dùng cho xi lanh khí nén, thủy lực tiệm cận mà các điện trở nối thành hình mạch cầu.

Từ trường được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu bên trong của xi lanh khí, dầu. Nó sẽ làm giảm giá trị điện trở của cảm biến. Cũng từ đó, điện áp của mạch cầu sẽ cao hơn so với lúc ở điều kiện bình thường. Tín hiệu cảm biến sẽ chuyển từ tắt sang mở, OFF sang ON.

Loại cảm biến từ tính dị hướng này được sử dụng nhiều vì có ưu điểm nổi bật đó là: Lực quán tính tách nhả không có. Bởi vì cảm biến này không hoạt động dựa trên sự di chuyển vật lý đơn thuần. Nó rất thích hợp dùng cho xi lanh khí, xi lanh dầu đang hoạt động với công suất, tần số lớn. Khi sử dụng loại cảm biến này, khả năng hư hỏng của các tiếp điểm được loại trừ.

So với cảm biến hiệu ứng Hall thì cảm biến từ tính dị hướng có thể phát hiện từ trường yếu hơn, ở vị trí xa hơn. Tuy nhiên, nhược điểm của nó là phải luôn luôn cung cấp điện năng cho mạch cầu.

Tuy nhiên, khi lựa chọn loại cảm biến này, khách hàng cần cân nhắc kỹ lưỡng bởi nhiều hệ thống cần tiết kiệm năng lượng, tiết kiệm điện năng.

Cảm biến từ khổng lồ trong xi lanh khí nén thủy lực

Cuối cùng, chúng tôi xin giới thiệu cảm biến từ khổng lồ. Cấu tạo của cảm biến này đó là gồm 3 lớp: Lớp có dẫn từ, không dẫn từ, dẫn từ. Nguyên lý hoạt động của cảm biến này tương tự với cảm biến từ tính dị hướng.

Ưu điểm của loại cảm biến này đó là khả năng nhạy. Nó có thể phát hiện ra từ trường ở khoảng cách xa và yếu. Đặc biệt, kết cấu của loại cảm biến này có thể nhỏ đi.

Tuy nhiên, ưu điểm cũng chính là nhược điểm khi nó quá nhạy với từ trường nhất là từ trường động cơ điện khi được bố trí gần xi lanh.

Để lựa chọn một cảm biến dùng cho xi lanh khí nén hay xi lanh thủy lực thì khách hàng cần phải quan tâm đến các thông số kỹ thuật như: tên thiết bị, hãng sản xuất, loại cảm biến, điện áp hoạt động, tần số, tốc độ, độ bền cơ học, nhiệt độ, chiều dài dây, vật liệu vỏ… Hiện nay, cảm biến xi lanh Festo, cảm biến từ xi lanh Airtac, cảm biến xi lanh STNC, Paker… được nhiều khách hàng quan tâm.

Hơi phức tạp với các bạn đúng không? Nếu bạn đang phân vân chọn lựa thì hãy liên lạc với chúng tôi ngay. Đội ngũ kỹ sư với kinh nghiệm nhiều năm liền trong lĩnh vực khí nén, thủy lực, điện tự động hóa sẽ đem đến cho bạn thiết bị cảm biến thân xi lanh tốt nhất.