Để có thể thực hiện tự động hóa trong các dây chuyền, máy móc sản xuất con người cần phải sử dụng cảm biến xi lanh khí nén và xi lanh thủy lực. Đây là một thiết bị còn khá mới mẻ nên rất nhiều khách hàng đã gửi câu hỏi liên quan nguyên lý, phân loại, ưu và nhược điểm của cảm biến. Hôm nay, chúng tôi dành toàn bộ dung lượng bài viết để giới thiệu và cung cấp thông tin tìm hiểu về nó nhất là trong cơ cấu chấp hành tịnh tiến công nghiệp. Mời các bạn đón đọc.

Cảm biến trong công nghiệp

Cảm biến dùng nhiều trong các dây chuyền sản xuất, máy móc của nhà máy công nghiệp như: Đóng gói thực phẩm, may mặc, lắp ráp linh kiện điện tử, sản xuất ô tô, lắp ráp xe cơ giới, sản xuất xi măng, cơ khí chế tạo, sản xuất giấy…

Cảm biến trong công nghiệp là gì?

Cảm biến có tên trong tiếng anh đó là sensor. Đây là một thiết bị công nghiệp có chức năng nhận biết được sự thay đổi hay sự có mặt của các vật thể trong môi trường nơi nó được gắn. Sau đó, nó sẽ truyền tín hiệu nhằm có thể thông báo sự có mặt hay thay đổi đó. Đầu vào có thể là: Các chuyển động, áp suất, ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm…

Tuy không phải là thiết bị cơ cấu hay chấp hành quan trọng nhưng sự có mặt của thiết bị này sẽ giúp xi lanh làm việc chính xác, tiết kiệm thời gian, điện năng và tạo thành một hệ thống tự động hóa.

Có nhiều người lại hiểu đơn giản đó là: Cảm biến là thiết bị chuyển đổi tín hiệu từ miền năng lượng sang miền điện.

Để có thể dễ hiểu nhất thì chúng tôi sẽ nói về cảm biến nhiệt độ. Khi sử dụng điều hòa không khí và khách hàng cài đặt mức 25 độ C. Khi sử dụng cảm biến nhiệt, nó sẽ nhận biết khi nhiệt cao hơn 25 độ hoặc thấp hơn 25 độ. Điều hòa sẽ tự động bật để hạ nhiệt độ cao xuống 25 độ C. Nếu nhiệt độ trong phòng thấp hơn 25 độ C thì điều hòa sẽ off.

Hay như là chính giác quan của con người: Vị giác, khứu giác, xúc giác, thính giác, thị giác… tiếp nhận sự thay đổi và xuất tín hiệu về não bộ để điều khiển hoạt động tiếp theo.

Hoặc cảm biến điện trở phụ thuộc vào cường độ ánh sáng, khi ánh sáng rơi vào cảm biến nhiều hơn thì điện trở giảm và ánh sáng yếu đi thì điện trở tăng. Nếu cảm biến được kết nối với các thiết bị chia điện áp thì điện áp lúc này sẽ được điều chỉnh theo cường độ ánh sáng.

Các loại cảm biến trong công nghiệp

Việc sử dụng cảm biến trong công nghiệp đã và đang mang lại hiệu quả rất lớn, giúp con người điều khiển và kiểm soát hoạt động của dây chuyền máy móc. Chính vì thế mà trên thị trường, nếu chúng ta tìm kiếm thì sẽ có rất nhiều loại cảm biến với kiểu dáng, màu sắc, kích thước, cách thức hoạt động khác nhau.

Hiện nay có 3 loại cảm biến được dùng rất nhiều trong công nghiệp, đó là: tiệm cận, quang và áp suất.

Cảm biến tiệm cận – Proximity sensor

Đây là loại cảm biến được sử dụng rất nhiều cho xi lanh khí nén, xi lanh thủy lực. Tên của nó cũng đã một phần cung cấp thông tin đó là sự tiến đến gần hơn. Chính vì khả năng nhận biết nhanh, nhạy sự thay đổi từ trường khi xuất hiện một vật thể mang từ trường tiến đến gần. Loại cảm biến hành trình xi lanh thủy lực tiệm cận này được ứng dụng trong hệ thống ép, dập khuôn hay chấn… Để biết chi tiết hơn về loại cảm biến này, khách hàng có thể đọc kỹ ở phần tiếp theo.

Cảm biến quang – Optical sensor

Cảm biến quang là một thiết bị mà hoạt động cảm biến dựa trên tín hiệu ánh sáng được thu về để xuất tín hiệu xử lý. Người ta sử dụng để có thể phát hiện ra vật thể khi đi qua mắt quang tín hiệu của cảm biến.

Khi vật thể đi qua, tín hiệu phản quang từ vật xuất hiện khiến cảm biến sẽ xuất tín hiệu. Một số cảm biến quang sẽ nhận biết được ánh sáng, tia cực tím hoặc hồng ngoại.

Cảm biến áp suất – Pressure sensor

Thực chất của cảm biến áp suất là công tắc. Nếu áp suất khí nén hoặc áp suất nước, dầu vượt quá thông số đã cài đặt sẵn tại công tắc thì cảm biến sẽ nhanh chóng đóng mở.

Cảm biến áp suất được chia thành 2 loại chính đó là: công tắc áp và đầu dò áp. Công tắc áp thường ứng dụng trong: Áp suất bánh xe, máy pha cà phê, bình oxi, bộ lọc khí.

Đầu dò áp suất thì chuyên sử dụng hệ thống thủy lực, phanh thủy lực, động cơ khí đốt.

Ngoài 3 loại trên thì trong một số ứng dụng của cuộc sống, chúng ta vẫn thường bắt gặp các thiết bị cảm biến nhiệt độ. Sự thay đổi về nhiệt độ sẽ tương ứng với sự thay đổi của các tính chất vật lý, đó có thể là điện áp hoặc điện trở.

Cảm biến xi lanh khí nén và thủy lực

Cảm biến chuyên dùng cho xi lanh dầu, khí nén sẽ thực hiện việc chuyển đổi vị trí của cần xi lanh thành tín hiệu điện. Trong hệ thống sử dụng xi lanh khí hay dầu thì loại cảm biến vị trí xi lanh được dùng nhiều nhất và được chuyên gia khuyên dùng nhiều nhất là cảm biến tiệm cận.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận

Trong tiếng anh, proximity sensor là cảm biến tiệm cận. Thiết bị này có thể phát hiện ra vật thể với 2 loại tín hiệu khác nhau: Một là dung kháng do tụ điện sản sinh, hai là từ trường do nam châm sinh ra.

Cảm biến điện dung là một tụ điện, được đánh giá là hoàn chỉnh. Bộ phận chính của cảm biến này đó là hai bản cực. Khi có một vật thể lạ bất kỳ đi vào giữa vùng không gian được giới hạn bởi hai bản cực cảm biến thi giá trị điện dung sẽ bị thay đổi, cảm biến xuất tín hiệu.

Cụ thể hơn đó là khi có vật thể mới xuất hiện, chiều dày lớp cách điện và chỉ số điện môi sẽ thay đổi làm cho điện dung thay đổi. Lúc này, cảm biến có thể nhận diện được tín hiệu và xuất tín hiệu.

Vậy cảm biến điện dung được dùng nhiều ở đâu? Nó dùng để phát hiện các vật phi kim trong đồ vật là thủy tinh, sành sứ, bình pha lê… được sử dụng trong dây chuyền tự động hóa.

Còn đối với cảm biến từ thì thực chất nó là một cuộn dây và được quấn quanh một lõi sắt. Đặc điểm là nó có độ từ thẩm cao. Nguyên lý cảm biến từ xi lanh đó là: Khi chúng ta cấp một nguồn điện vào thì nó sẽ tạo ra một từ trường, dao động xung quanh hình thành nên nam châm điện. Khi vật thể là vật liệu từ hoặc nam châm vĩnh cửu đi qua thì từ trường sẽ bị thay đổi. Tín hiệu cảm biến lúc này được xuất ra. Do đặc tính hoạt động có tính ổn định cao mà loại cảm biến này được sử dụng rất nhiều trong công nghiệp.

Cảm biến hiệu ứng Hall

Trong loại cảm biến tiếp điểm hiệu ứng Hall sẽ có một bản chất bán dẫn để dòng điện chạy qua. Khi nam châm vĩnh cửu gắn trên đầu của piston đang đi tới, xuất hiện từ trường vuông góc với tấm chất bán dẫn có dòng điện đi qua. Lúc này, những hạt mang điện năng sẽ tách ra làm 2 và có sự chênh lệch điện áp và dẫn đến cảm biến có tín hiệu.

Nếu như cảm biến tiếp điểm dựa vào sự dịch chuyển vật lý của các tiếp điểm thì cảm biến hiệu ứng Hall lại hoạt động dựa trên sự hình thành hiệu điện thế. Và loại cảm biến này sẽ khắc phục được tình trạng dễ hư hại bề.

Nhược điểm của loại cảm biến hiệu ứng Hall này đó là độ nhạy kém. Khi từ trường yếu thì kéo theo khả năng cảm biến phát ra tín hiệu cũng kém. Những xi lanh khí nén hay xi lanh thủy lực có đường kính lớn, độ dày ống xi lanh lớn thì cảm biến hiệu ứng Hall không phải là một lựa chọn hoàn hảo.

Bố trí cảm biến trong xi lanh khí nén thủy lực

Bạn có biết, bên trong xi lanh khí hay dầu ngoài bộ phận dẫn hướng, gioăng phớt chắn dầu làm kín thì còn có 1 vòng xi lanh vĩnh cửu.

Các xi lanh có gắn cảm biến bên ngoài sẽ thu tín hiệu nếu piston di chuyển và đến vị trí cài đặt cảm biến. Dựa vào đó, con người có thể lập trình và điều khiển xi lanh làm việc một cách tự động.

Các cảm biến tiệm cận sẽ lắp bên ngoài thân xi lanh. Thông thường, người ta thường lắp ở đầu và cuối để có thể nhận biết nhanh từ trường của nam châm khi piston xi lanh đi đến. Bởi vì xi lanh khí nén có tốc độ tịnh tiến nhanh nên người ta ít chọn lắp cảm biến tại vị trí giữa mà thường lắp đầu hoặc cuối.

Một số loại xi lanh dầu, xi lanh khí không có tích hợp vòng nam châm ở bên trong vỏ nhưng nếu người sử dụng có nhu cầu thì có thể lắp đặt nam châm tại đầu cần xi lanh.

Nếu xi lanh hoạt động trong môi trường không khí, người dùng phải gá cảm biến ở cao hơn để thích ứng được với môi trường.

Không giống với xi lanh dầu, xi lanh khí nén được sản xuất theo tiêu chuẩn chung với xi lanh tròn, xi lanh vuông. Tùy thuộc vào loại xi lanh mà cách gá đặt sẽ theo quy định của hãng.

Các loại xi lanh tròn ISO 6342 thì cảm biến sẽ được móc vào một lá thép nhỏ, mỏng có dây thít cố định để khi nới lỏng có thể di chuyển dọc thân xi lanh và thít chặt ở vị trí mong muốn.

Xi lanh vuông đạt ISO 15552 thì cảm biến tiệm cận sẽ được lắp đặt tại các khe rãnh trên thân.

Cảm biến tiếp điểm

So với các loại cảm biến thân xi lanh khác thì cảm biến tiếp điểm được sử dụng rộng rãi nhất. Nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh nhất ở hai mép và giảm dần khi tiến vào phía giữa. Hai mép tiến dần đến giữa sẽ là 2 cực nam châm.

Cảm biến tiếp điểm này khá giống với tiếp điểm trong aptomat, công tắc, tuy cấu tạo đơn giản nhưng hoạt động mang lại hiệu quả lớn.

Khi ở trạng thái bình thường, cảm biến này sẽ gồm 2 tiếp điểm thường hở nằm bên trong 1 ống thủy tinh. Vì chúng tách biệt nhau nên hở mạch và lúc này nên không xuất tín hiệu điện.

Khi nam châm vĩnh cửu trong xi lanh xuất hiện từ trường, từ trường này sẽ sinh ra lực từ. Đầu piston của xi lanh sẽ tiến gần đến tiếp điểm. Sau đó, lực từ trường sẽ hút hai tiếp điểm lại với nhau và mạch được nối liền. Ban đầu, tiếp điểm có trạng thái off, sau khi mạch được nối liền, tiếp điểm chuyển sang on và xuất tín hiệu ra bên ngoài.

Điểm nổi bật của cảm biến tiếp điểm đó là: Có thể hoạt động dòng điện DC và AC, ít tiêu tốn điện năng, tiết kiệm chi phí. Nhược điểm của nó đó là: Với những ứng dụng có tần suất tín hiệu lớn thì số lần các tiếp điểm va đập vào nhau lớn dẫn đến hư hỏng.

Muốn tiếp điểm bền bỉ và nhạy cao thì phải đảm bảo 2 yếu tố sau:

+ Khả năng đàn hồi tốt là điều cần thiết nhất là khi tần suất các tiếp điểm dính nhau lớn. Nếu cảm biến không có độ mềm dẻo thì chắc chắn tiếp điểm sẽ bị hư hại bề mặt.

Thông thường, các hãng sản xuất cảm biến sẽ phủ lên 2 đầu tiếp điểm một lớp bạc hoặc đồng mỏng. Chức năng của 2 lớp này đó là mềm dẻo để bảo vệ tiếp điểm và dẫn điện tốt.

+ Khả năng dẫn điện tốt sẽ tác động đến thời gian nối liền mạch và tín hiệu xuất hiện. Bởi nếu 2 tiếp điểm không dẫn điện tốt, không có xuất tín hiệu thì hoạt động xi lanh sẽ bị ảnh hưởng, không thay đổi trạng thái.

Cảm biến tiếp điểm dùng cho các xi lanh sẽ được thay thế định kỳ, phụ thuộc vào tần suất làm việc mà thông thường là 1 năm 2 lần.

Khi sử dụng loại cảm biến này, khách hàng cần lưu ý đó là: Nó không phù hợp với môi trường có độ rung, sóc, chấn động lớn. Do khoảng cách của 2 tiếp điểm rất nhỏ để đảm bảo thời gian nối mạch nhanh nhưng nếu có rung sóc thì khả năng tách dính sẽ bị ảnh hưởng.

Cảm biến từ khổng lồ

Cảm biến hành trình xi lanh thủy lực, khí nén khổng lồ có cấu tạo gồm 3 lớp xếp chồng lên nhau: Lớp dẫn từ, lớp không dẫn từ, lớp dẫn từ. Nguyên lý của cảm biến này khá giống với cảm biến từ tính dị hướng. Khi xuất hiện từ trường, điện trở giảm xuống, hiệu điện thế tăng lên và cảm biến sẽ xuất tín hiệu ON.

Ưu điểm của loại cảm biến tiệm cận xi lanh khổng lồ này đó là: Độ nhạy rất cao. Nó có thể phát hiện từ trường rất yếu hoặc ở khoảng cách rất xa. Tuy nhiên, độ nhạy cũng chính là nhược điểm duy nhất của thiết bị này. Nó sẽ tác động nhầm nhất là khi từ trường của động cơ điện khi động cơ và xi lanh đặt gần nhau.

Cảm biến từ tính dị hướng

Loại cảm biến này dùng cho những xi lanh thủy lực, khí nén tiệm cận mà có các điện trở nối thành mạch hình cầu. Từ trường được sinh ra từ nam châm vĩnh cửu ở bên trong của xi lanh sẽ làm giảm giá trị của điện trở. Điều này làm giá trị điện áp của mạch cầu lớn hơn giá trị bình thường và tín hiệu của cảm biến sẽ chuyển từ off sang on, từ tắt sang mở.

Ưu điểm của cảm biến từ xi lanh dị hướng đó là: Do không hoạt động phụ thuộc vào yếu tố dịch chuyển vật lý nên không có lực tách nhả, phù hợp với đa số các loại xi lanh khí nén, xi lanh thủy lực có tần suất hoạt động lớn liên tục.

Nếu sử dụng cảm biến từ tính dị hướng thì khả năng hư hỏng các tiếp điểm làm việc là rất thấp. So sánh với cảm biến hiệu ứng Hall thì chúng có điểm nổi bật đó là: nhạy bén hơn, phát hiện được từ trường yếu hơn hoặc các từ trường ở xa.

So với các cảm biến tiếp điểm thì cảm biến xi lanh khí nén từ tính dị hướng có kích thước nhỏ gọn hơn, giá thành phải chăng hơn.

Bên cạnh các ưu điểm thì nhược điểm của nó đó là: Người dùng phải cung cấp nguồn điện năng theo yêu cầu một cách liên tục cho mạch cầu.Vì thế mà khi lựa chọn cảm biến từ xi lanh airtac hay cảm biến xi lanh festo thì khách hàng cần phải cân nhắc bởi một số hệ thống cần phải thực hiện việc tiết kiệm điện năng, giảm chi phí.

Chúng tôi đã tổng hợp và giới thiệu một cách cơ bản các thiết bị cảm biến chuyên dùng trong công nghiệp nói chung và dùng cho xi lanh thủy lực, khí nén nói riêng. Hy vọng có thể giải đáp được một phần nào thắc mắc.

Để có thể xác định được đâu là loại cảm biến phù hợp với xi lanh thủy lực hay xi lanh khí nén của bạn thì cần phải biết: Đường kính xi lanh, độ dày vỏ, chất liệu xi lanh, hành trình, đường kính ngoài, điện áp hoạt động, tần suất và tải trọng làm việc xi lanh, chiều dài dây sensor…

Với đội ngũ kỹ sư trẻ, trình độ cao, kinh nghiệm làm việc nhiều năm chắc chắn, chúng tôi sẽ mang lại những thiết bị tốt nhất, những giải pháp tiết kiệm, hiệu quả nhất cho các bạn. Chúng tôi đang có sẵn các cảm biến xi lanh Festo, SMC, STNC, Airtac, cảm biến xi lanh Parker, TPM… hàng chính hãng 100%, chất lượng được cam kết. Gọi ngay: 0982.434.694 và 0344.88.08.99 để được tư vấn, hỗ trợ và báo giá.