Cảm biến tiệm cận là gì?

Cảm biến tiệm cận (thường được gọi tắt là prox) là một loại cảm biến có khả năng phát hiện sự hiện diện của vật thể ở gần mà không cần tiếp xúc vật lý trực tiếp với vật thể đó.

Thông thường, cảm biến tiệm cận sẽ phát ra một trường điện từ hoặc một chùm bức xạ điện từ (ví dụ như tia hồng ngoại), sau đó theo dõi sự thay đổi của trường hoặc tín hiệu phản hồi để xác định xem có vật thể nào đang ở gần hay không.

Vật thể được phát hiện được gọi là mục tiêu của cảm biến tiệm cận (proximity sensor’s target).

Tùy thuộc vào loại vật liệu của mục tiêu, sẽ cần dùng loại cảm biến phù hợp:

Ví dụ, nếu mục tiêu là nhựa, thì có thể sử dụng cảm biến điện dung (capacitive) hoặc cảm biến quang điện (photoelectric).

Trong khi đó, cảm biến tiệm cận cảm ứng (inductive proximity sensor) chỉ hoạt động chính xác khi mục tiêu là kim loại, vì nó dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ.

Sử dụng với điện thoại và máy tính bảng

Khi mục tiêu nằm trong phạm vi phát hiện tiêu chuẩn (nominal range), giao diện khóa màn hình của thiết bị sẽ xuất hiện – điều này đồng nghĩa với việc thiết bị đã thoát khỏi trạng thái “ngủ” (sleep mode).

Sau khi thiết bị đã được đánh thức khỏi chế độ ngủ, nếu mục tiêu của cảm biến tiệm cận vẫn đứng yên trong một khoảng thời gian dài, cảm biến sẽ bỏ qua tín hiệu này và thiết bị sẽ tự động chuyển về lại chế độ ngủ sau đó.

Cảm biến tiệm cận còn có thể được sử dụng để nhận diện cử chỉ trong không khí (air gestures) và tương tác dạng lơ lửng (hover-manipulations) – ví dụ như vẫy tay để điều khiển mà không chạm vào thiết bị.

Một mảng nhiều phần tử cảm biến tiệm cận có thể được sử dụng để thay thế cho các giải pháp sử dụng camera thị giác hoặc camera đo chiều sâu trong việc nhận dạng cử chỉ bàn tay.

Tính năng của cảm biến tiệm cận

• Phát hiện không tiếp xúc: Cảm biến tiệm cận phát hiện vật thể mà không cần chạm vào, do đó không gây ra mài mòn hoặc hư hại cho vật thể được phát hiện.
• Không sử dụng tiếp điểm cơ học: Do đầu ra không sử dụng tiếp điểm vật lý nên cảm biến có tuổi thọ hoạt động cao (ngoại trừ một số loại sử dụng nam châm).
• Chống nước và dầu: Khác với các phương pháp phát hiện quang học, cảm biến tiệm cận có thể hoạt động tốt trong môi trường có nước hoặc dầu, nên rất phù hợp với các ứng dụng công nghiệp.
• Tốc độ phản hồi cao: So với các công tắc thông thường cần tiếp xúc cơ học, cảm biến tiệm cận cung cấp tốc độ phản hồi nhanh hơn nhiều.
• Dải nhiệt độ hoạt động rộng: Cảm biến tiệm cận có thể hoạt động ổn định trong nhiệt độ môi trường rất rộng, phù hợp với các ứng dụng ngoài trời hoặc môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
• Không bị ảnh hưởng bởi màu sắc: Cảm biến tiệm cận không bị ảnh hưởng bởi màu sắc của vật thể, điều này khác biệt với nhiều loại cảm biến quang học vốn dễ bị nhiễu bởi màu bề mặt.
• Bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh: Tuy không yêu cầu tiếp xúc vật lý như công tắc, nhưng cảm biến tiệm cận có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường, vật thể xung quanh và sự hiện diện của các cảm biến khác nếu không được lắp đặt đúng cách.

Các loại cảm biến

• Cảm biến điện dung (Capacitive)
• Cảm biến dịch chuyển điện dung (Capacitive displacement sensor)
• Cảm biến hiệu ứng Doppler (Doppler effect sensor)
• Cảm biến cảm ứng (Inductive)
• Cảm biến từ (Magnetic), bao gồm cả ngòi nổ tiệm cận từ (magnetic proximity fuse)
• Cảm biến quang học (Optical)
• Cảm biến radar (Radar)
• Cảm biến phản xạ bức xạ ion hóa (Reflection of ionizing radiation)
• Cảm biến sonar (chủ động hoặc bị động) (Sonar – active or passive)
• Cảm biến siêu âm (Ultrasonic sensor)
• Cảm biến sợi quang (Fiber optics sensor)
• Cảm biến hiệu ứng Hall (Hall effect sensor)

Cảm biến quang học (Optical) là nền tảng quan trọng trong nhiều ứng dụng hiện đại và được chia thành các loại sau:

• Cảm biến quang điện (Photoelectric)
• Tế bào quang điện phản xạ (Photocell – reflective)
• Máy đo khoảng cách bằng laser (Laser rangefinder)
• Cảm biến thụ động (Passive) 
• Cảm biến hồng ngoại nhiệt thụ động (Passive thermal infrared)

Nguyên lý hoạt động

• Nguyên lý phát hiện của cảm biến tiệm cận cảm ứng (Inductive Proximity Sensors): Cảm biến tiệm cận cảm ứng phát hiện tổn hao từ gây ra bởi các dòng điện xoáy (eddy current) được sinh ra trên bề mặt vật liệu dẫn điện, khi nó nằm trong trường điện từ do cảm biến tạo ra.
• Nguyên lý phát hiện của cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensors): Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện sự thay đổi điện dung giữa vật thể cần phát hiện và đầu dò của cảm biến. Biến thiên điện dung này xảy ra khi vật thể tiến lại gần phạm vi hoạt động của cảm biến.
• Nguyên lý phát hiện của cảm biến tiệm cận từ (Magnetic Proximity Sensors): Đầu công tắc dạng reed (công tắc lá) sẽ được kích hoạt bởi từ trường phát ra từ một nam châm vĩnh cửu.

Ứng dụng cảm biến

• Cảm biến lùi xe (Parking sensors): Được gắn trên cản xe để phát hiện khoảng cách tới các xe hoặc vật cản xung quanh, hỗ trợ đỗ xe an toàn.
• Cảm biến cảm ứng (Inductive sensors): Dùng để phát hiện vật thể bằng kim loại, ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất và giám sát cơ khí.
• Hệ thống cảnh báo tiếp đất sớm trong hàng không (Ground proximity warning system): Cảnh báo khi máy bay đến quá gần mặt đất, giúp ngăn ngừa tai nạn do tiếp đất không kiểm soát.
  
• Đo rung của trục quay trong máy móc (Vibration measurements of rotating shafts): Giúp giám sát tình trạng vận hành và phát hiện hỏng hóc sớm trong động cơ, máy nén, turbine, v.v.
  
• Cảm biến điểm chết trên / cảm biến trục cam trong động cơ piston (TDC / camshaft sensor): Xác định vị trí piston hoặc trục cam, đóng vai trò quan trọng trong điều khiển đánh lửa và phun nhiên liệu.
  
• Phát hiện đứt giấy trong máy làm giấy (Sheet break sensing): Dùng trong ngành công nghiệp giấy để phát hiện khi tấm giấy bị rách hoặc đứt trên dây chuyền sản xuất.
  
• Hệ thống phòng không (Anti-aircraft warfare): Cảm biến tiệm cận được dùng trong ngòi nổ tiệm cận để kích hoạt đầu đạn khi đến gần mục tiêu.
  
• Tàu lượn siêu tốc (Roller coasters): Phát hiện vị trí hoặc tốc độ của toa xe, đảm bảo an toàn và đồng bộ điều khiển hệ thống.
  
• Hệ thống băng tải (Conveyor systems): Cảm biến giúp xác định vị trí vật thể, kiểm soát dừng/khởi động và phân loại sản phẩm.
  
• Dây chuyền sản xuất Ion thực phẩm và đồ uống (Beverage and food can making lines): Giúp đếm, kiểm tra vị trí, phát hiện đầy thiếu trong quy trình đóng gói lon.
  
• Thiết bị di động (Mobile devices): Cảm biến tiệm cận giúp tắt màn hình khi đưa điện thoại lên tai, tiết kiệm pin và tránh cảm ứng nhầm.
  
• Màn hình cảm ứng gần mặt (Touch screens near the face): Phát hiện khi mặt người dùng ở gần, giúp thiết bị tự động thay đổi giao diện hoặc chế độ hoạt động.
  
• Giảm công suất phát sóng khi ở gần cơ thể (Attenuating radio power): Dùng để giảm công suất phát RF khi thiết bị ở gần cơ thể, hạn chế phơi nhiễm bức xạ cho người dùng.
  
• Vòi nước tự động (Automatic faucets): Kích hoạt nước chảy khi tay người dùng tiếp cận vùng cảm biến, ứng dụng trong nhà vệ sinh công cộng và các khu vực vệ sinh tự động.

Cảm biến tiệm cận là gì không chỉ là câu hỏi về mặt lý thuyết mà còn là tiêu chí thực tiễn, quyết định hiệu quả vận hành và an toàn trong nhiều hệ thống công nghiệp hiện đại. Việc ứng dụng cảm biến tiệm cận giúp phát hiện vật thể chính xác, tăng hiệu suất sản xuất, giảm rủi ro hỏng hóc thiết bị, đồng thời nâng cao giá trị thương hiệu và khả năng cạnh tranh cho doanh nghiệp.