Cảm biến dịch chuyển là gì?

Cảm biến dịch chuyển là thiết bị đo khoảng cách giữa cảm biến và vật thể bằng cách phát hiện lượng dịch chuyển qua nhiều thành phần khác nhau và chuyển đổi thành khoảng cách. Tùy thuộc vào thành phần được sử dụng, có một số loại cảm biến, chẳng hạn như cảm biến dịch chuyển quang học, cảm biến tiệm cận tuyến tính và cảm biến dịch chuyển siêu âm.

Đặc trưng

• Phạm vi đo (Range): Khoảng cách lớn nhất mà cảm biến có thể đo được.

• Độ phân giải (Resolution): Khả năng cảm biến phân biệt các vị trí khác nhau một cách chi tiết nhất. Độ phân giải càng cao, cảm biến càng nhạy bén với những thay đổi nhỏ.

• Độ chính xác (Accuracy): Mức độ chính xác của cảm biến trong việc đo đạc vị trí thực tế so với giá trị đo được.

• Tuyến tính (Linearity): Đặc trưng cho khả năng của cảm biến trong việc duy trì mối quan hệ tuyến tính giữa đầu vào và đầu ra trong toàn bộ phạm vi đo.

• Tốc độ phản hồi (Response Time): Thời gian cảm biến cần để phản ứng với sự thay đổi vị trí của đối tượng.

• Độ lặp lại (Repeatability): Khả năng của cảm biến để cung cấp các kết quả đo giống nhau khi cùng một vị trí được đo nhiều lần trong cùng điều kiện.

• Độ bền (Durability): Khả năng của cảm biến chịu đựng các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn, và rung động mà không bị ảnh hưởng đến hiệu suất đo.

• Tín hiệu đầu ra (Output Signal): Loại tín hiệu mà cảm biến tạo ra để đại diện cho sự dịch chuyển, có thể là tín hiệu analog (như điện áp hoặc dòng điện) hoặc tín hiệu số

Nguyên lý hoạt động và phân loại

Cảm biến dịch chuyển

1. Cảm biến dịch chuyển quang học

Phương pháp đo tam giác

Các cảm biến này sử dụng hệ thống đo lường tam giác.
Một số cảm biến sử dụng PSD, một số khác sử dụng Thiết bị hình ảnh (CCD và CMOS) làm thành phần thu ánh sáng.

• Phương pháp PSD

Ánh sáng từ nguồn sáng được ngưng tụ bởi thấu kính và hướng vào vật thể.
Ánh sáng phản xạ từ vật thể được ngưng tụ vào thiết bị cảm biến vị trí một chiều (PSD)* bởi thấu kính thu. Nếu vị trí của vật thể (khoảng cách đến thiết bị đo) thay đổi, các vị trí hình thành ảnh trên PSD sẽ khác nhau và sự cân bằng của hai đầu ra PSD sẽ thay đổi.
Nếu hai đầu ra là A và B, hãy tính A/(A + B) và sử dụng các giá trị thích hợp cho hệ số khoảng cách “k” và độ lệch “C” như minh họa bên dưới.

* PSD: Thiết bị cảm biến vị trí

• Phương pháp thiết bị hình ảnh (Phương pháp CCD và Phương pháp CMOS)

So với cảm biến sử dụng phương pháp PSD, cảm biến sử dụng CMOS (CCD) làm phần tử tiếp nhận ánh sáng cung cấp phép đo chính xác hơn về độ dịch chuyển mà không bị ảnh hưởng bởi màu sắc bề mặt và kết cấu của vật thể.
Cảm biến phát hiện lượng ánh sáng trên từng điểm ảnh trong CMOS (CCD) và chuyển đổi chúng thành khoảng cách khi chùm tia điểm phản xạ từ bề mặt vật thể được chiếu vào phần tử tiếp nhận ánh sáng.

Sự khác biệt giữa CMOS và CCD
CCD là viết tắt của Charge Coupled Device (Thiết bị ghép điện tích), và CMOS là viết tắt của Complementary Metal Oxide Semiconductor (Bán dẫn kim loại oxit bổ sung).

• Mô hình phản xạ đều đặn và mô hình phản xạ khuếch tán

Sự phản ánh thường xuyên

Sự phản chiếu dạng gương được tạo ra, chẳng hạn như từ bề mặt gương hoặc vật thể bóng.

Phản xạ khuếch tán

Một chùm tia phản xạ theo mọi hướng từ một vật có bề mặt chuẩn.

Mô hình phản xạ thường xuyên

Ánh sáng từ vật thể được tiếp nhận trực tiếp thông qua phản xạ đều đặn và có thể đo ổn định kim loại và các vật thể khác có bề mặt bóng.

Mô hình phản xạ khuếch tán

Một chùm sáng được chiếu vuông góc vào bề mặt của vật thể và ánh sáng khuếch tán phản xạ trở lại được tiếp nhận để đo một vùng rộng.

Đầu cảm biến phản xạ đều nhận ánh sáng trực tiếp từ phản xạ đều từ vật thể. Có thể đạt được các phép đo ổn định đối với các vật thể làm bằng kim loại hoặc các vật liệu khác có bề mặt bóng, nhưng có phạm vi đo hẹp hơn so với Cảm biến phản xạ khuếch tán.
Cảm biến phản xạ khuếch tán sử dụng Đầu cảm biến nghiêng một góc để nhận ánh sáng phản xạ đều. Điều này cho phép Đầu cảm biến được đặt ở khoảng cách xa vật thể.

• Dầm thẳng và Dầm điểm

Mô hình chùm tia thẳng

Mô hình này đo độ dịch chuyển trung bình trong một chùm tia thẳng. Tùy thuộc vào điều kiện đo lường, mô hình này cung cấp các phép đo ổn định mà không bị ảnh hưởng bởi các va chạm hoặc không bằng phẳng trên bề mặt vật thể.

Mô hình chùm tia điểm

Mô hình này dễ bị ảnh hưởng bởi sự va chạm hoặc độ không bằng phẳng trên bề mặt vật thể.

Nguyên lý Confocal

Dựa trên nguyên lý cộng hưởng, ánh sáng phát ra và ánh sáng nhận được được định vị dọc theo cùng một trục. Ánh sáng chỉ được nhận khi nó được tập trung vào đối tượng đo, cho phép tính toán chiều cao.
Dạng sóng ánh sáng nhận được không bị gián đoạn bởi vật liệu hoặc độ nghiêng của đối tượng đo. Dạng sóng ánh sáng nhận được luôn ổn định, cho phép đo độ phân giải cao.

•Nguyên lý cộng hưởng ánh sáng trắng

Ánh sáng trắng từ đèn LED được hội tụ tại các điểm khác nhau cho mỗi màu (tức là bước sóng) do một bộ thấu kính đặc biệt trong mô-đun OCFL trong Đầu cảm biến. Do đó, chỉ có màu của ánh sáng được hội tụ trên đối tượng đo được trả về, cho phép tính toán khoảng cách từ Đầu cảm biến đến đối tượng đo dựa trên màu của ánh sáng phản xạ. Đầu cảm biến chứa bộ thấu kính đặc biệt phân tách ánh sáng trắng thành các màu khác nhau và Bộ điều khiển chứa nguồn sáng LED trắng, máy quang phổ và bộ xử lý chuyển đổi màu của ánh sáng phản xạ thành khoảng cách. Đầu cảm biến không cần cơ chế truyền động thấu kính hoặc các bộ phận điện tử, mặc dù chúng được coi là tiêu chuẩn trong các mẫu confocal trước đây. Điều này đạt được thiết kế nhỏ gọn hơn nhiều và khả năng chống nhiễu tốt hơn nhiều so với các mẫu tam giác hóa và/hoặc các mẫu confocal trước đây.

Chiều cao được phát hiện dựa trên bước sóng.
Ánh sáng phản xạ của bước sóng được tập trung vào bề mặt của vật thể đo đi qua sợi quang và máy quang phổ trong Bộ điều khiển chuyển đổi bước sóng thành khoảng cách.

Mô-đun OCFL chứa một bộ thấu kính đặc biệt do OMRON phát triển, có thể thay đổi tiêu điểm cho mỗi màu (tức là bước sóng) của ánh sáng trắng. Đường kính điểm là như nhau ở bất kỳ vị trí nào trong phạm vi đo. Nó không thay đổi theo cách mà nó thay đổi đối với phép tam giác hóa. Công nghệ sản xuất thấu kính có độ chính xác cao đã cho phép chúng tôi đạt được cấu trúc thấu kính cực kỳ nhỏ và cũng không yêu cầu cơ chế truyền động.

Lưu ý: OCFL: Ống kính lấy nét màu Omron

Phương pháp cắt ánh sáng

Chùm tia laser trải rộng được chiếu lên vật thể đo để đo hình dạng mặt cắt ngang của nó.
Chùm tia laser dạng dải được chiếu lên vật thể đo và phản xạ từ vật thể được CCD thu nhận. Hồ sơ hình dạng của vật thể đo được được hình thành dựa trên nguyên tắc đo khoảng cách tam giác.
Vì dữ liệu 2D của trục X và Z được đo đồng thời nên không cần phải di chuyển cảm biến hoặc vật thể đo.

2. Cảm biến tiệm cận tuyến tính

Khi dòng điện xoay chiều chạy qua một cuộn dây, từ thông xuất hiện trong cuộn dây. Khi từ thông đi qua một vật kim loại, nó tạo ra dòng điện xoáy tạo ra từ trường có xu hướng chống lại những thay đổi trong dòng điện. Kết quả là, độ tự cảm của cuộn dây thay đổi. Hàm giữa khoảng cách từ cuộn dây đến vật thể được xác định theo sự thay đổi của độ tự cảm và khoảng cách dịch chuyển có thể được tính toán.

Khi khoảng cách giữa vật kim loại và Đầu cảm biến giảm, dòng điện xoáy tăng và biên độ dao động của mạch dao động giảm.
Ngược lại, khi khoảng cách giữa vật kim loại và Đầu cảm biến tăng, dòng điện xoáy giảm và biên độ dao động của mạch dao động tăng.
Biên độ dao động của mạch dao động thay đổi khi vị trí của vật kim loại thay đổi, do đó các phép đo được thực hiện bằng cách phát hiện những thay đổi này trong biên độ dao động.

3. Cảm biến dịch chuyển siêu âm

Máy phát gửi sóng siêu âm về phía vật thể và máy thu nhận sóng phản xạ từ vật thể đó. Loại cảm biến này xác định khoảng cách bằng cách tính toán mối quan hệ giữa thời gian cần thiết để sóng siêu âm được gửi và nhận và tốc độ âm thanh.

4. Cảm biến dịch chuyển tiếp xúc

Loại cảm biến này đo độ dịch chuyển thông qua tiếp xúc trực tiếp của vật thể được đo với cảm biến.
Nó cung cấp độ chính xác đo lường vượt trội so với cảm biến không tiếp xúc.

Phương pháp biến áp vi sai

Khi Đầu cảm biến chạm vào vật thể, nó sẽ ấn lõi chuyển động và tâm của lõi di chuyển ra xa tâm cuộn dây tạo ra một khoảng hở. Khi cả hai đầu của hai cuộn dây được kết nối được kích thích bằng dòng điện xoay chiều, trở kháng của cả hai cuộn dây thay đổi tùy thuộc vào khoảng hở giữa tâm cuộn dây và tâm lõi. Khoảng hở này (độ dịch chuyển) được đưa ra theo đường thẳng dưới dạng điện áp vi sai của các cuộn dây, và do đó độ dịch chuyển của vật thể có thể được xác định bằng cách phát hiện điện áp vi sai này.

Mẫu điển hình: ZX-T

Phương pháp cảm biến từ

Khi Đầu cảm biến chạm vào vật thể, một thang đo từ tính với các cực bắc và nam xen kẽ được định vị ở một bước nhỏ bên trong Cảm biến sẽ di chuyển.
Sự thay đổi từ thông xảy ra tại thời điểm này được phát hiện bằng cảm biến điện trở từ để xác định độ dịch chuyển.

Mẫu điển hình: E9NC-T