Cảm biến khoảng cách là gì? Cách để lựa chọn cảm biến tốt nhất

Cảm biến khoảng cách là gì?

Ở cấp độ cơ bản nhất, cảm biến khoảng cách (Distance Sensor) là bộ chuyển đổi tức là thiết bị chuyển đổi một dạng năng lượng này sang dạng năng lượng khác. Chúng hoạt động bằng cách đưa tín hiệu đến vật thể mục tiêu và đọc sự thay đổi của tín hiệu phản xạ khi phản xạ trở về.

Không giống như các phép đo khoảng cách truyền thống (sử dụng các công cụ như thước dây hoặc thước cặp), cảm biến khoảng cách không bao giờ chạm trực tiếp vào vật mà chúng đang đo.

Những thay đổi có thể được đo lường dưới dạng thời gian tín hiệu phản xạ trở về, cường độ tín hiệu phản xạ hoặc sự thay đổi pha của tín hiệu sau khi bị phản xạ.

Các loại cảm biến khoảng cách khác nhau

Cảm biến khoảng cách có nhiều loại công nghệ đo khác nhau. Một số sử dụng âm thanh, một số khác sử dụng ánh sáng. Dưới đây là tóm tắt về từng loại:

Cảm biến khoảng cách siêu âm

Cảm biến khoảng cách siêu âm phát ra sóng âm tần số cao và ghi lại thời gian mà sóng âm phản xạ trở lại cảm biến.

Khoảng cách được xác định bằng cách tính toán thời gian sóng âm quay trở lại dựa trên vận tốc âm thanh trong điều kiện môi trường xung quanh. Nhờ vậy, cảm biến siêu âm rất phù hợp cho các ứng dụng tiêu thụ ít năng lượng hoặc môi trường có ánh sáng yếu.

Tuy nhiên, phạm vi phát hiện của chúng bị giới hạn và tốc độ làm mới chậm, khiến loại cảm biến này không phù hợp cho việc đo các vật thể di chuyển nhanh.

Cảm biến khoảng cách hồng ngoại (IR)

Cảm biến khoảng cách hồng ngoại xác định khoảng cách dựa trên hiện tượng tam giác hóa của tia sáng hồng ngoại phản xạ. Một đèn LED hồng ngoại phát ra chùm tia, chùm tia này phản xạ lại từ vật thể mục tiêu và được bộ thu hoặc phần tử nhạy sáng ghi nhận.

Cảm biến hồng ngoại thường có kích thước nhỏ gọn và có thể hoạt động cả ban ngày lẫn ban đêm. Ngoài ra, chúng còn có khả năng đo các hình dạng phức tạp của vật thể.

Tuy nhiên, cảm biến loại này có phạm vi đo hạn chế và dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như ánh sáng mặt trời, bụi hoặc khói.

Cảm biến khoảng cách bằng laser

Cảm biến khoảng cách bằng laser – còn được gọi là cảm biến dịch chuyển laser – có thể hoạt động theo nhiều cách khác nhau. Các phương pháp phổ biến bao gồm đo khoảng cách theo thời gian bay (trong đó cảm biến xác định khoảng cách dựa trên thời gian ánh sáng phản xạ) và đo tam giác (trong đó các phép đo khoảng cách được thực hiện bằng cách phân tích góc của chùm tia laser phản xạ).

Cảm biến khoảng cách laser cung cấp kết quả chính xác và ổn định trong nhiều ứng dụng và môi trường vận hành khác nhau. Chúng thường có phạm vi đo xa hơn nhiều. Tuy nhiên, chúng gây nguy hiểm cho mắt của nhân viên vận hành và thường có kích thước lớn.

Cảm biến tiệm cận 

Cảm biến tiệm cận thường được nhắc đến cùng với cảm biến khoảng cách vì có chức năng tương tự, nhưng cần lưu ý rằng chúng không thực sự đo khoảng cách.

Thay vào đó, cảm biến tiệm cận chỉ phát hiện xem có vật thể nằm trong phạm vi cảm biến hay không, chứ không xác định được khoảng cách giữa các vật thể hoặc giữa vật thể với cảm biến.

Ứng dụng của Cảm biến Khoảng cách

Các ứng dụng đo khoảng cách khác nhau đáng kể tùy thuộc vào khả năng của từng cảm biến cụ thể. Ví dụ, cảm biến khoảng cách siêu âm lý tưởng cho ô tô thông minh, máy bay không người lái, máy bay không người lái và robot không yêu cầu độ chính xác cao.

Mặt khác, cảm biến hồng ngoại được sử dụng trong TV, máy tính, hệ thống an ninh và các ứng dụng giám sát và điều khiển. Cảm biến khoảng cách laser hữu ích trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cực cao (như gia công và kỹ thuật) cũng như trong các ngành sản xuất và xây dựng.

Lựa chọn cảm biến khoảng cách tốt nhất

Có một số yếu tố bạn cần cân nhắc khi lựa chọn cảm biến khoảng cách tốt nhất cho ứng dụng của mình.

Độ phân giải

Độ phân giải đề cập đến những thay đổi nhỏ nhất về khoảng cách mà cảm biến có thể phát hiện. Ví dụ, cảm biến hồng ngoại thường có độ phân giải khoảng 5 mm (mặc dù trên thị trường có những cảm biến hồng ngoại chính xác hơn). Cảm biến laser có thể có độ phân giải khoảng 1 mm. Trên thực tế, một số cảm biến laser có thể phát hiện những thay đổi ở mức micron.

Tốc độ lấy mẫu/Tốc độ làm mới

Chỉ số này thường được đo bằng Hz/giây và được sử dụng khi đo khoảng cách giữa các vật thể chuyển động. Số lần đo mà cảm biến nhận được mỗi giây càng cao thì phép đo khoảng cách khi tiếp cận hoặc di chuyển ra xa vật thể quan sát càng chính xác.

Phạm vi đo

Trong bối cảnh cảm biến khoảng cách, phạm vi đề cập đến khoảng cách tối đa mà các loại cảm biến khoảng cách khác nhau có thể trả về kết quả đo chính xác và đáng tin cậy. Ví dụ, máy quét LiDAR có khoảng cách phát hiện lên đến 2000 m với độ chính xác ±2 cm.

Vật liệu mục tiêu

Các bề mặt phản xạ, trong suốt và hấp thụ có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của cảm biến. Hãy đảm bảo chọn cảm biến phù hợp với loại vật liệu mà bạn đang đo khoảng cách.