November 3, 2025
Trong các dây chuyền sản xuất tự động, vô số cảm biến tiệm cận hoạt động như các điểm cuối thần kinh, phát hiện chính xác sự hiện diện và khoảng cách của các vật kim loại đồng thời chuyển đổi thông tin này thành các tín hiệu có thể nhận biết được bởi các hệ thống điều khiển. Các tín hiệu này có nhiều loại khác nhau, xác định cách các cảm biến giao tiếp với các hệ thống điều khiển. Các kỹ sư nên chọn loại đầu ra phù hợp cho các ứng dụng cụ thể như thế nào? Bài viết này cung cấp một phân tích chuyên sâu về các cấu hình đầu ra của cảm biến tiệm cận.
Cảm biến tiệm cận có thể được phân loại thành ba loại đầu ra chính dựa trên các đặc tính tín hiệu: loại chuyển mạch (đầu ra nhị phân), loại tương tự và loại truyền dữ liệu (đo lường). Cảm biến chuyển mạch cung cấp hai trạng thái riêng biệt để điều khiển bật/tắt đơn giản, cảm biến tương tự cung cấp đầu ra liên tục để đo lường chính xác, trong khi các loại truyền dữ liệu có thể truyền đạt các bộ dữ liệu phong phú hơn.
Lưu ý: Để biết chi tiết về kết nối điện về các loại đầu ra khác nhau, hãy tham khảo tài liệu kỹ thuật về kết nối cảm biến.
Cảm biến tiệm cận loại chuyển mạch, còn được gọi là cảm biến đầu ra nhị phân, đại diện cho loại phổ biến nhất. Chúng về cơ bản hoạt động như các công tắc bật/tắt đơn giản, chuyển đổi giữa hai trạng thái đầu ra được xác định trước dựa trên việc phát hiện đối tượng mục tiêu. Được sử dụng rộng rãi để điều khiển van, nắp, đèn tín hiệu và các bộ truyền động khác, chúng kết nối trực tiếp với các đầu vào kỹ thuật số của bộ điều khiển logic khả trình (PLC).
Cảm biến đầu ra NPN kết nối đầu cuối đầu ra với đất (0V) khi được kích hoạt. Tải kết nối giữa nguồn điện (+UB) và đầu ra NPN của cảm biến. Khi phát hiện một đối tượng mục tiêu, bóng bán dẫn NPN dẫn điện, hoàn thành mạch tải.
Ví dụ ứng dụng: Trong các hệ thống băng tải, cảm biến NPN phát hiện các sản phẩm đạt đến các vị trí được chỉ định. Khi phát hiện, tín hiệu đầu ra mức thấp sẽ kích hoạt PLC để dừng hoạt động của băng tải.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Cảm biến đầu ra PNP kết nối đầu cuối đầu ra với nguồn điện (+UB) khi được kích hoạt. Tải kết nối giữa đầu ra PNP và đất (L-). Việc phát hiện mục tiêu sẽ kích hoạt bóng bán dẫn PNP để hoàn thành mạch tải.
Lưu ý: Đầu ra PNP chiếm ưu thế trong các ứng dụng công nghiệp để ngăn ngừa đoản mạch đất.
Ví dụ ứng dụng: Trong các dây chuyền lắp ráp tự động, cảm biến PNP xác minh việc lắp đặt các bộ phận thích hợp. Vị trí chính xác tạo ra tín hiệu mức cao, nhắc PLC bắt đầu các bước lắp ráp tiếp theo.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Việc lựa chọn giữa đầu ra NPN và PNP phụ thuộc vào thiết kế hệ thống điều khiển và môi trường hoạt động. Các ứng dụng ở châu Âu thường ưa chuộng cảm biến PNP, trong khi các thị trường châu Á thường sử dụng các loại NPN hơn. Các cân nhắc lựa chọn bao gồm:
Cảm biến tiệm cận hai dây đại diện cho một loại chuyển mạch chuyên dụng kết hợp nguồn điện và truyền tín hiệu thông qua chỉ hai dây dẫn. Việc nối dây đơn giản này làm giảm chi phí lắp đặt cho một số ứng dụng nhất định.
Cảm biến và tải kết nối nối tiếp, với thứ tự sắp xếp không liên quan. Là các thiết bị đang hoạt động, cảm biến hai dây liên tục tiêu thụ điện năng trong khi truyền tín hiệu trạng thái thông qua cùng một dây dẫn.
Không giống như các công tắc cơ học hoàn toàn mở hoặc đóng mạch, cảm biến hai dây luôn duy trì một số sụt áp khi "đóng" và dòng rò tối thiểu khi "mở". Đặc điểm này đòi hỏi phải xem xét khi kết nối với các đầu vào kỹ thuật số PLC theo tiêu chuẩn EN 61131-2.
Ví dụ ứng dụng: Trong việc kiểm soát mức chất lỏng cơ bản, cảm biến hai dây được gắn trên đỉnh bể phát hiện giới hạn trên, báo hiệu cho PLC đóng van đầu vào khi đạt đến giới hạn đó.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Các cảm biến này có đầu ra nhị phân điều khiển rơ le điện cơ thông qua các mạch điều khiển riêng biệt thay vì các mạch điện.
Yêu cầu ít nhất bốn kết nối (hai cho thiết bị điện tử cảm biến, hai cho tiếp điểm rơ le thụ động), đầu ra rơ le cung cấp khả năng mang dòng điện cao hơn so với công tắc điện tử nhưng bị hao mòn cơ học, điều này giới hạn tần số chuyển mạch ở một vài thao tác mỗi giây.
Ví dụ ứng dụng: Trong các hệ thống điều khiển động cơ, cảm biến đầu ra rơ le phát hiện các điều kiện quá tải, mở các tiếp điểm để cắt điện khi cần thiết.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Các cảm biến chuyên dụng này tạo ra các tín hiệu đầu ra tuân thủ các tiêu chuẩn NAMUR để tăng cường an toàn, phù hợp với cảm biến tiệm cận hoặc bộ mã hóa ở những vị trí nguy hiểm.
Cảm biến NAMUR truyền các giá trị dòng điện được xác định theo EN 60947-5-6 đến các bộ khuếch đại chuyển mạch cách ly, chuyển đổi chúng thành các đầu ra rời rạc đồng thời cung cấp khả năng phát hiện đoản mạch và đứt dây. Các phiên bản truyền thống có các đặc tính đầu ra không đổi, trong khi các loại chuyển mạch nhị phân cung cấp hoạt động thường mở (N1) hoặc đóng (N0).
Ví dụ ứng dụng: Các nhà máy hóa chất sử dụng cảm biến NAMUR để giám sát vị trí van an toàn nội tại.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Các cảm biến nhị phân thông thường này truyền trạng thái chuyển đổi dưới dạng các giá trị dòng điện rời rạc (thường là 5mA khi không phát hiện, 10mA đối với các đối tượng được phát hiện).
Ví dụ ứng dụng: Các hệ thống đếm sử dụng các cảm biến này để đếm các đối tượng trên băng tải, tăng bộ đếm khi nhận được tín hiệu 10mA.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Cảm biến tiệm cận loại đo lường phát hiện và truyền nhiều tín hiệu hoặc thông tin trạng thái dưới dạng các giá trị dòng điện hoặc điện áp tương tự.
Các cảm biến này chuyển đổi các biến vật lý được đo (như khoảng cách đến các vật kim loại) thành các tín hiệu dòng điện 4-20mA tỷ lệ.
Ví dụ ứng dụng: Các hệ thống robot sử dụng cảm biến 4-20mA để định vị bộ phận cuối chính xác so với phôi.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Tương tự như các loại đầu ra dòng điện nhưng chuyển đổi các phép đo thành tín hiệu điện áp thay thế.
Ví dụ ứng dụng: Các hệ thống điều khiển áp suất sử dụng cảm biến 0-10V để đo hành trình xi lanh chính xác.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Việc lựa chọn giữa các định dạng tương tự phụ thuộc vào:
Các cảm biến này giao tiếp thông qua bus trường công nghiệp AS-Interface, truyền trạng thái chuyển đổi và dữ liệu bổ sung trên các mạng hai dây bằng công nghệ kẹp xuyên để đơn giản hóa việc lắp đặt.
Ví dụ ứng dụng: Các dây chuyền sản xuất tự động triển khai nhiều cảm biến AS-Interface để giám sát trạm phân tán thông qua điều khiển tập trung.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Sử dụng các đầu nối M8/M12 được tiêu chuẩn hóa, cảm biến IO-Link cho phép giao tiếp điểm-điểm thông minh cho các ứng dụng Công nghiệp 4.0 trong khi vẫn duy trì khả năng tương thích hoạt động SIO (Đầu vào/Đầu ra tiêu chuẩn) truyền thống.
Ví dụ ứng dụng: Các nhà máy thông minh tận dụng cảm biến IO-Link để giám sát thiết bị theo thời gian thực và phân tích dựa trên đám mây.
Ưu điểm:
Nhược điểm:
Việc lựa chọn cảm biến cũng phải tính đến logic đầu ra — trạng thái tín hiệu khi phát hiện các mục tiêu. Các cấu hình phổ biến bao gồm:
Các hệ thống an toàn thường sử dụng logic NC để kích hoạt báo động trong trường hợp cảm biến bị lỗi.
Cảm biến tiệm cận cung cấp nhiều loại đầu ra, mỗi loại có các đặc điểm riêng cho các ứng dụng cụ thể. Việc lựa chọn tối ưu yêu cầu đánh giá các yêu cầu vận hành, khả năng tương thích của hệ thống điều khiển, điều kiện môi trường và các yếu tố chi phí để đảm bảo hiệu suất hệ thống đáng tin cậy. Phân tích toàn diện này cung cấp cho các kỹ sư hướng dẫn cần thiết để đưa ra các quyết định thông số kỹ thuật cảm biến sáng suốt.
