Cảm biến công nghiệp là một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống tự động hóa và sản xuất hiện đại. Từ các loại cảm biến cơ bản như cảm biến nhiệt độ, áp suất, đến các loại cảm biến tiên tiến như cảm biến MEMS, mỗi loại đều có những ưu điểm và ứng dụng riêng.
1. Cảm biến công nghiệp là gì?
Cảm biến công nghiệp là các thiết bị chuyên dụng được thiết kế để phát hiện và đo lường các thông số vật lý trong môi trường công nghiệp. Các thông số này bao gồm nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, lưu lượng, mức độ, và nhiều đại lượng khác. Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu để theo dõi, kiểm soát và tối ưu hóa các quy trình sản xuất.
Các lợi ích điển hình khi sử dụng cảm biến công nghiệp mà ta có thể kể đến đó là:
- Nâng cao năng suất và hiệu quả công việc
- Cải thiện chất lượng sản phẩm
- Đảm bảo an toàn trong điều kiện làm việc khắc nghiệt
- Giảm đáng kể chi phí
Cảm biến công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, bao gồm:
- Sản xuất
- Chế biến
- Năng lượng
- Hóa chất
- Dầu khí
- Và nhiều lĩnh vực khác.
2. Cấu tạo của cảm biến công nghiệp
Cấu tạo của cảm biến công nghiệp rất đa dạng, tùy thuộc vào loại cảm biến và đại lượng cần đo. Tuy nhiên, hầu hết các cảm biến công nghiệp đều bao gồm các thành phần chính sau:
- Phần tử cảm biến: Đây là bộ phận trực tiếp tiếp xúc với đại lượng cần đo và chuyển đổi nó thành một dạng tín hiệu khác
- Mạch xử lý tín hiệu: Bộ phận này có nhiệm vụ xử lý tín hiệu thô từ phần tử cảm biến.
- Bộ phận bảo vệ: Vỏ bảo vệ cảm biến khỏi các tác động của môi trường như bụi bẩn, độ ẩm, hóa chất, va đập,… Vỏ thường được làm bằng kim loại hoặc nhựa, có cấp bảo vệ IP (Ingress Protection) phù hợp.
- Bộ phận kết nối: Cung cấp giao diện để kết nối cảm biến với hệ thống điều khiển hoặc thiết bị hiển thị.
3. Các loại cảm biến công nghiệp thông dụng nhất hiện nay
3.1. Cảm biến nhiệt độ
Trong sản xuất công nghiệp, nhiệt độ là một trong những thông số vật lý quan trọng nhất và được giám sát liên tục. Để thực hiện việc này, các loại cảm biến nhiệt độ đa dạng được sử dụng để thu thập thông tin về nhiệt độ từ nguồn hoặc môi trường cần đo và chuyển đổi thành các giá trị có thể đọc và xử lý được. Trong số các loại cảm biến nhiệt độ, hai loại được sử dụng rộng rãi nhất trong tự động hóa công nghiệp là:
- Cảm biến nhiệt độ kỹ thuật số: Cung cấp đầu ra là tín hiệu số, dễ dàng tích hợp vào các hệ thống điều khiển và máy tính.
- Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm: Đo đồng thời cả nhiệt độ và độ ẩm, đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng yêu cầu kiểm soát môi trường chặt chẽ.
- Ngoài ra còn nhiều loại cảm biến khác nhau như cặp nhiệt điện, RTD, Thermistor, cảm biến nhiệt hồng ngoại.
Cảm biến nhiệt độ đóng vai trò thiết yếu trong các ngành công nghiệp, điển hình như:
- Công nghiệp thực phẩm và đồ uống: Giám sát nhiệt độ trong quá trình chế biến, bảo quản và vận chuyển thực phẩm để đảm bảo an toàn và chất lượng.
- Y tế và dược phẩm: Kiểm soát nhiệt độ trong sản xuất, bảo quản thuốc, vắc-xin và các thiết bị y tế.
- Năng lượng (thủy điện, nhiệt điện, năng lượng tái tạo): Theo dõi nhiệt độ của các thiết bị, máy móc và quy trình để đảm bảo hiệu suất và an toàn.
- Hóa dầu và hóa chất: Kiểm soát nhiệt độ trong các phản ứng hóa học, quá trình chưng cất và lưu trữ.
- Luyện kim: Giám sát nhiệt độ trong các lò nung, quá trình đúc và xử lý kim loại.
- Công nghiệp in: Đảm bảo nhiệt độ mực in và giấy in phù hợp để đạt chất lượng in tốt nhất.
3.2. Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất là thiết bị điện tử được thiết kế để đo áp lực (áp suất) của chất lỏng, khí hoặc hơi và chuyển đổi giá trị áp suất đó thành tín hiệu điện tương ứng. Cấu tạo của cảm biến áp suất thường bao gồm hai thành phần chính là phần tử cảm biến, bộ phận xử lý và chuyển đổi tín hiệu
Nguyên lý chung: Khi áp suất thay đổi, phần tử cảm biến sẽ thay đổi một đặc tính vật lý nào đó. Sự thay đổi này được bộ phận xử lý tín hiệu chuyển đổi thành tín hiệu điện đầu ra tỉ lệ với áp suất tác động.
Cảm biến áp suất là một trong những loại cảm biến quan trọng và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, bao gồm:
- Thủy lợi và thủy điện: Giám sát áp lực nước trong các đập, đường ống, tua-bin.
- Vận tải đường sắt: Đo áp suất trong hệ thống phanh, hệ thống treo khí nén.
- Tòa nhà thông minh: Kiểm soát áp lực nước, hệ thống HVAC (sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí).
- Tự động hóa sản xuất: Giám sát áp suất trong các máy móc, dây chuyền sản xuất, robot công nghiệp.
- Hàng không vũ trụ và quốc phòng: Đo áp suất trong động cơ, hệ thống thủy lực, buồng lái.
- Hóa dầu và khai thác dầu khí: Kiểm soát áp suất trong các đường ống dẫn, bồn chứa, giếng dầu.
- Điện lực: Giám sát áp suất trong lò hơi, tua-bin hơi, hệ thống làm mát.
3.3. Cảm biến quang
Cảm biến quang, hay còn gọi là cảm biến quang điện, là loại cảm biến sử dụng các linh kiện bán dẫn nhạy sáng (photodiodes, phototransistors) để phát hiện sự hiện diện, vắng mặt, hoặc thay đổi vị trí của vật thể dựa trên sự thay đổi của ánh sáng.
Nguyên lý hoạt động cơ bản:
- Phát ánh sáng: Cảm biến quang thường có một bộ phận phát ánh sáng (thường là LED phát ra ánh sáng nhìn thấy hoặc hồng ngoại, đôi khi là laser).
- Thu ánh sáng: Một bộ phận thu ánh sáng (linh kiện quang điện) sẽ nhận ánh sáng phát ra (hoặc ánh sáng phản xạ từ vật thể).
- Xử lý tín hiệu: Khi có vật thể xuất hiện trong vùng quét của cảm biến, lượng ánh sáng thu được sẽ thay đổi. Mạch điện tử bên trong cảm biến sẽ phát hiện sự thay đổi này và chuyển đổi thành tín hiệu điện đầu ra.
- Chuyển đổi tính hiệu: Quá trình này được tiến hành bằng hiện tượng phát xạ điện tử.
Các ứng dụng phổ biến của cảm biến quang trong ngành công nghiệp:
Sản xuất và lắp ráp:
- Đếm sản phẩm, kiểm tra vị trí, phát hiện sản phẩm lỗi, điều khiển tốc độ băng chuyền.
- Hướng dẫn robot gắp và đặt sản phẩm, kiểm tra vị trí của robot.
- Phát hiện sản phẩm, kiểm tra nhãn mác, kiểm tra nắp chai.
- Phát hiện giấy, kiểm tra vị trí in, kiểm tra chất lượng in.
Ngành thực phẩm và đồ uống:
- Đếm số lượng sản phẩm trên dây chuyền.
- Đảm bảo nắp chai đã được đóng kín.
- Đảm bảo lượng chất lỏng trong chai/lọ đúng quy định.
- Loại bỏ sản phẩm bị lẫn tạp chất.
Ngành dược phẩm:
- Đếm số lượng viên thuốc trong lọ.
- Đảm bảo vỉ thuốc không bị rách hoặc thiếu viên.
- Đảm bảo nhãn mác được in đúng và đầy đủ thông tin.
Ngành logistics và kho bãi:
- Xác định vị trí của kiện hàng trên băng chuyền hoặc trong kho.
- Dẫn đường cho xe tự hành, tránh va chạm.
Ngành ô tô:
- Đảm bảo các linh kiện được lắp ráp đúng vị trí.
- Tìm kiếm các khuyết tật trên bề mặt sản phẩm.
3.4. Cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận là loại cảm biến có khả năng phát hiện sự hiện diện của vật thể ở gần (trong phạm vi vài milimet đến vài centimet) mà không cần tiếp xúc vật lý trực tiếp. Chúng hoạt động dựa trên việc phát hiện sự thay đổi của một trường vật lý (thường là điện trường hoặc từ trường) khi có vật thể xâm nhập vào vùng cảm biến.
Nguyên lý hoạt động (chung):
- Phát trường: Cảm biến tiệm cận tạo ra một trường điện từ (đối với cảm biến điện dung và cảm biến cảm ứng) hoặc trường âm thanh (đối với cảm biến siêu âm).
- Phát hiện sự thay đổi: Khi có vật thể xuất hiện trong vùng cảm biến, trường này sẽ bị ảnh hưởng (ví dụ: thay đổi điện dung, thay đổi độ tự cảm, thay đổi thời gian phản xạ sóng âm).
- Xử lý tín hiệu: Mạch điện tử bên trong cảm biến sẽ phát hiện sự thay đổi này và chuyển đổi thành tín hiệu điện đầu ra (thường là tín hiệu ON/OFF).
Phân loại cảm biến tiệm cận dựa trên nguyên lý hoạt động:
- Cảm biến điện dung
- Cảm biến cảm ứng
- Cảm biến siêu âm
Cảm biến tiệm cận được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa công nghiệp, bao gồm:
- Phát hiện vị trí của chi tiết máy
- Đếm sản phẩm
- Kiểm tra sự hiện diện của vật thể
- Phát hiện mức chất lỏng (với cảm biến điện dung)
- Điều khiển robot
- Hệ thống an toàn
3.5. Cảm biến mức
Cảm biến mức là thiết bị được thiết kế để theo dõi, duy trì và đo lường mức của chất lỏng, hoặc đôi khi là chất rắn dạng hạt hoặc bột, trong một thùng chứa, bể chứa, hoặc hệ thống mở/kín.
Nguyên lý hoạt động chung:
- Phát hiện mức: Cảm biến mức sử dụng các phương pháp vật lý khác nhau để phát hiện vị trí bề mặt của chất lỏng hoặc chất rắn.
- Chuyển đổi thành tín hiệu điện: Khi cảm biến phát hiện được mức, nó sẽ chuyển đổi thông tin này thành tín hiệu điện (tương tự hoặc số). Tín hiệu này có thể được sử dụng để:
- Hiển thị mức trên đồng hồ hoặc màn hình.
- Truyền đến hệ thống điều khiển (ví dụ: PLC) để tự động hóa các quy trình.
- Kích hoạt cảnh báo (ví dụ: khi mức quá cao hoặc quá thấp).
Có nhiều loại cảm biến mức khác nhau, dựa trên nguyên lý hoạt động và ứng dụng:
- Cảm biến mức dạng phao
- Cảm biến mức điện dung
- Cảm biến mức siêu âm
- Cảm biến mức radar
- Cảm biến mức áp suất
- Cảm biến mức quang
- Cảm biến đo mức dạng rung
Cảm biến mức được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp và ứng dụng khác nhau, bao gồm:
Công nghiệp:
- Xử lý nước và nước thải: Giám sát mức nước trong các bể chứa, hồ chứa, trạm bơm.
- Hóa chất và hóa dầu: Kiểm soát mức chất lỏng trong các bồn chứa, lò phản ứng.
- Thực phẩm và đồ uống: Đo mức nguyên liệu, sản phẩm trong các thùng chứa, dây chuyền sản xuất.
- Dược phẩm: Giám sát mức chất lỏng trong quá trình sản xuất thuốc.
Ô tô: Đo mức nhiên liệu, dầu nhớt, nước làm mát.
Thiết bị gia dụng:
- Máy giặt: Kiểm soát mức nước trong lồng giặt.
- Tủ lạnh: Điều khiển máy làm đá.
3.6. Cảm biến MEMS
Cảm biến MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) là một loại cảm biến tiên tiến, được chế tạo bằng công nghệ vi mạch (microfabrication) – công nghệ tương tự như sản xuất chip máy tính. Công nghệ này cho phép tích hợp các thành phần cơ học cực nhỏ cùng với các mạch điện tử trên một chip silicon duy nhất.
So với các loại cảm biến truyền thống, cảm biến MEMS có những ưu điểm nổi bật như:
- Kích thước siêu nhỏ chỉ từ vài micromet đến vài milimet, giúp thu nhỏ kích thước tổng thể của thiết bị.
- Tiêu thụ điện năng thấp
- Ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường và có tuổi thọ cao.
- Khả năng đo lường chính xác các đại lượng vật lý.
- Cảm biến MEMS có thể được sản xuất hàng loạt với chi phí thấp.
Cảm biến MEMS đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, từ các ứng dụng công nghệ cao đến các thiết bị tiêu dùng hàng ngày:
Hàng không vũ trụ:
- Vệ tinh, tàu vũ trụ, phương tiện phóng: Đo gia tốc, vận tốc góc, áp suất, nhiệt độ,… để điều khiển và định hướng.
- Máy bay: Cảm biến con quay hồi chuyển (gyroscope) để ổn định máy bay, cảm biến áp suất để đo độ cao.
Ô tô:
- Túi khí: Cảm biến gia tốc để phát hiện va chạm và kích hoạt túi khí.
- Hệ thống cân bằng điện tử: Cảm biến gia tốc và vận tốc góc để chống trượt và lật xe.
- Hệ thống giám sát áp suất lốp: Cảm biến áp suất để theo dõi áp suất lốp.
Điện tử tiêu dùng:
- Điện thoại thông minh, máy tính bảng: Cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, cảm biến áp suất, cảm biến từ trường, micro,…
- Thiết bị đeo: Theo dõi hoạt động, đo nhịp tim,…
Y tế:
- Thiết bị chẩn đoán: Cảm biến áp suất máu, cảm biến sinh học để phát hiện các chất trong máu hoặc nước tiểu.
- Thiết bị cấy ghép: Cảm biến để theo dõi các thông số sinh lý trong cơ thể.
Công nghiệp:
- Robot công nghiệp: Cảm biến lực, cảm biến mô-men xoắn.
- Giám sát cấu trúc: Phát hiện rung động, độ nghiêng của các công trình xây dựng.
4. Các ứng dụng của cảm biến công nghiệp
Tự động hóa sản xuất:
- Robot công nghiệp: Cảm biến giúp robot cảm nhận môi trường xung quanh, cho phép chúng thực hiện các thao tác chính xác như lắp ráp, hàn, sơn, gắp sản phẩm,… Ví dụ, cảm biến lực/mô-men (force/torque sensor) giúp robot điều chỉnh lực tác động phù hợp, tránh làm hỏng sản phẩm.
- Máy CNC (Computer Numerical Control): Cảm biến vị trí giúp máy CNC xác định chính xác vị trí của dao cắt, đảm bảo độ chính xác gia công.
- Băng chuyền: Cảm biến quang, cảm biến tiệm cận giúp đếm sản phẩm, phát hiện lỗi, kiểm tra vị trí, và điều khiển tốc độ băng chuyền.
- Hệ thống đóng gói: Cảm biến giúp kiểm tra sự hiện diện của sản phẩm, nắp hộp, nhãn mác, và đảm bảo quá trình đóng gói diễn ra chính xác.
Điều khiển quá trình:
- Ngành hóa chất: Cảm biến nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, pH, nồng độ,… giúp giám sát và điều khiển các thông số quan trọng trong quá trình sản xuất hóa chất, đảm bảo chất lượng sản phẩm và an toàn.
- Ngành thực phẩm và đồ uống: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, mức, màu sắc,… giúp kiểm soát quá trình chế biến, bảo quản, và đóng gói thực phẩm, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm.
- Ngành dầu khí: Cảm biến áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức,… được sử dụng trong quá trình khai thác, vận chuyển, và chế biến dầu khí.
- Ngành xử lý nước: Cảm biến pH, độ đục, nồng độ oxy hòa tan, mức,… giúp giám sát chất lượng nước và điều khiển quá trình xử lý nước.
Giám sát tình trạng:
- Động cơ và máy móc: Cảm biến rung động, cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất,… giúp phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng của động cơ và máy móc, cho phép bảo trì dự đoán, tránh dừng máy đột ngột.
- Kết cấu công trình: Cảm biến biến dạng, cảm biến gia tốc,… giúp theo dõi tình trạng của cầu, đường, tòa nhà, đập,…
- Môi trường: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, chất lượng không khí,… giúp giám sát các thông số môi trường.
5. Tiêu chí lựa chọn cảm biến công nghiệp phù hợp
Việc lựa chọn cảm biến công nghiệp phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác, tin cậy và hiệu quả. Dưới đây là các tiêu chí cần xem xét:
- Loại cảm biến: Xác định đại lượng cần đo (nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, vị trí,…) để chọn loại cảm biến phù hợp.
- Dải đo: Chọn cảm biến có dải đo phù hợp với phạm vi giá trị của đại lượng cần đo. Dải đo quá rộng có thể làm giảm độ chính xác, trong khi dải đo quá hẹp có thể không đo được các giá trị cực đại/cực tiểu.
- Độ chính xác: Mức độ sai lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực tế. Độ chính xác càng cao, cảm biến càng đắt tiền.
- Thời gian đáp ứng: Thời gian mà cảm biến cần để phản hồi với sự thay đổi của đại lượng đo. Thời gian đáp ứng nhanh là cần thiết cho các ứng dụng yêu cầu tốc độ cao.
- Môi trường hoạt động:
- Nhiệt độ: Chọn cảm biến có thể hoạt động ổn định trong phạm vi nhiệt độ của môi trường.
- Độ ẩm: Chọn cảm biến có cấp bảo vệ (IP) phù hợp nếu môi trường có độ ẩm cao.
- Hóa chất: Chọn cảm biến có vật liệu tương thích nếu môi trường có hóa chất ăn mòn.
- Rung động: Chọn cảm biến có khả năng chống rung tốt nếu môi trường có rung động mạnh.
- Bụi bẩn: Chọn cảm biến có cấp bảo vệ (IP) phù hợp.
- Tín hiệu đầu ra:
- Analog (tương tự): 4-20mA, 0-10V,… Tín hiệu analog thay đổi liên tục theo đại lượng đo.
- Digital (số): RS485, Modbus, Profibus, Ethernet/IP,… Tín hiệu digital truyền dữ liệu dưới dạng số, cho phép truyền xa hơn và ít bị nhiễu hơn.
- Kích thước và kiểu lắp đặt: Chọn cảm biến có kích thước và kiểu lắp đặt phù hợp với không gian và vị trí lắp đặt.
- Nguồn cấp: Chọn cảm biến có yêu cầu nguồn cấp phù hợp với hệ thống.
- Giá thành: Cân nhắc giữa chi phí và các tính năng, độ chính xác, độ bền của cảm biến.
- Thương hiệu: Ưu tiên lựa chọn cảm biến từ các thương hiệu uy tín, có chế độ bảo hành tốt.
Xem thêm:
- Các loại cảm biến thông minh phổ biến trên thị trường hiện nay
- Cảm biến từ là gì? Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng
- Cảm biến nhiệt độ bán dẫn là gì? Ưu, nhược điểm và ứng dụng
Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn những kiến thức hữu ích về cảm biến công nghiệp. Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc nào khi chọn mua cảm biến hoặc các thiết bị điện Siemens chính hãng, đừng ngần ngại liên hệ với Thanh Thiên Phú qua hotline 08.12.77.88.99 nhé!
Trang chủ