Cảm biến từ: Đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Cảm biến từ, một thiết bị được sử dụng nhiều lĩnh vực công nghệ và công nghiệp, đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường và giám sát. Trong bài viết này, A.I Tech sẽ cùng bạn tìm hiểu về đặc điểm cấu tạo, nguyên lý hoạt động của cảm biến từ và phân loại, cũng như những ứng dụng thực tế của thiết bị này.

Cảm biến từ là gì?

Cảm biến từ, hay còn gọi là inductive sensor trong tiếng Anh, là một loại cảm biến tiệm cận hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Thiết bị này được thiết kế để phát hiện sự hiện diện của các vật thể mang từ tính, chủ yếu là các vật liệu chứa sắt, mà không cần tiếp xúc trực tiếp ở cự ly gần (từ vài mm đến vài chục mm).

Cơ chế hoạt động của cảm biến từ dựa trên việc tạo ra một từ trường riêng. Khi một vật thể từ tính di chuyển vào phạm vi hoạt động của cảm biến, nó sẽ gây ra sự thay đổi trong từ trường này. Sự biến đổi này được cảm biến phát hiện và chuyển đổi thành tín hiệu điện, sau đó được truyền đến trung tâm xử lý để phân tích và đưa ra phản hồi phù hợp.

Đặc điểm cấu tạo của cảm biến điện từ

Cảm biến từ là thiết bị điện tử hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ để phát hiện sự hiện diện của vật thể kim loại ở gần. Cấu tạo của cảm biến điện từ thường bao gồm 4 thành phần chính sau:

1. Cuộn cảm: Là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến, được làm bằng dây dẫn điện quấn quanh một lõi thép. Khi có dòng điện chạy qua cuộn cảm, nó sẽ tạo ra một từ trường xung quanh.
2. Bộ cảm ứng: Bộ cảm ứng thường là một cuộn dây dẫn điện khác hoặc một nam châm vĩnh cửu. Khi có vật thể kim loại trong khu vực từ trường của cuộn cảm, nó sẽ làm thay đổi độ tự cảm của cuộn cảm, từ đó tạo ra tín hiệu điện áp.
3. Bộ xử lý tín hiệu: Bộ xử lý tín hiệu có nhiệm vụ khuếch đại và xử lý tín hiệu điện áp từ bộ cảm ứng. Dựa trên tín hiệu nhận được, bộ xử lý sẽ phân tích tín hiệu và so sánh với giá trị ngưỡng được cài đặt và gửi lệnh bật hoặc tắt ngõ ra của cảm biến
4. Ngõ ra điều khiển:  Ngõ ra của cảm biến điện từ thường là dạng transistor NPN hoặc PNP. Khi có vật thể kim loại được phát hiện, ngõ ra sẽ chuyển sang trạng thái ON hoặc OFF. Dùng để điều khiển các thiết bị khác như đèn, động cơ, van khí nén,… khi có vật liệu dẫn điện di chuyển vào vùng cảm ứng.

Nguyên lý cảm biến từ

Cảm biến từ hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, được mô tả bởi Định luật Faraday. Theo định luật này, khi một vật dẫn điện di chuyển trong một từ trường biến thiên, sẽ xuất hiện một sức điện động (EMF) trong vật đó. Cảm biến điện từ lợi dụng hiện tượng này để phát hiện sự thay đổi trong từ trường gây ra bởi sự hiện diện của vật thể kim loại.

Khi được cấp nguồn điện, cảm biến từ tạo ra một từ trường thông qua dòng điện chạy qua cuộn cảm bên trong nó. Từ trường này có khả năng phát hiện sự hiện diện của các vật thể kim loại trong phạm vi hoạt động của cảm biến. Điều đáng chú ý là từ trường này chỉ tương tác với vật liệu kim loại, trong khi các chất khác như chất lỏng hoặc bụi bẩn không ảnh hưởng đến hoạt động của nó. Đặc tính này làm cho cảm biến từ trở nên đặc biệt hữu ích trong các môi trường khắc nghiệt, nhiều bụi bẩn hoặc ẩm ướt.

Cảm biến từ có những loại nào?

Do nhu cầu đa dạng, cảm biến từ cũng được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau để đáp ứng phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể. Dưới đây là một số cách phân loại phổ biến nhất:

• Phân loại dựa trên hình dáng của cảm biến. Các cảm biến từ thường có hai dạng chính: hình trụ và hình hộp. Mỗi dạng có ưu điểm riêng và phù hợp với các môi trường lắp đặt khác nhau.
• Xét về cấu tạo, cảm biến từ được chia thành hai loại: shield (có vỏ chắn) và un-shield (không có vỏ chắn). Cảm biến shield được bảo vệ bởi một lớp vỏ chắn, giúp giảm thiểu ảnh hưởng từ các tác nhân bên ngoài, trong khi cảm biến un-shield không có lớp bảo vệ này. Sự khác biệt này ảnh hưởng đến độ chính xác và khả năng chống nhiễu của cảm biến trong các môi trường khác nhau.
• Phân loại theo thông số kỹ thuật: Nguồn điện áp, dòng điện, tần số, độ nhạy, phạm vi đo.
• Phân loại theo môi trường sử dụng: Có những loại cảm biến được thiết kế đặc biệt để 

Ngoài ra hiện dựa vào đặc điểm khác biệt của từ tính mà cảm biến từ còn được chia làm 3 loại:

• Cảm biến từ trường thấp: Loại cảm biến này có khả năng phát hiện các giá trị từ trường rất nhỏ, thường được sử dụng trong các ứng dụng khoa học và y tế. 

• Cảm biến từ trường Trái Đất: Loại cảm biến này sử dụng từ trường Trái Đất để xác định hướng và vị trí, thường được sử dụng trong các ứng dụng định vị và la bàn. 

• Cảm biến từ trường nam châm: Loại cảm biến này có khả năng phát hiện từ trường mạnh, thường được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.

Những ứng dụng thực tế của cảm biến từ

Cảm biến từ đã trở thành một công nghệ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực của đời sống và công nghiệp, với các ứng dụng đa dạng và quan trọng. 

• Phát hiện kim loại: Cảm biến từ được sử dụng trong máy quét an ninh để phát hiện kim loại nguy hiểm như dao kéo, súng ống,… đảm bảo an ninh cho các khu vực như sân bay, các tòa nhà chính phủ.
• Ứng dụng đo đạc trong công nghiệp: Cảm biến từ được sử dụng để đo độ dày của các lớp phủ, lớp mạ trên bề mặt kim loại, giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm trong các ngành công nghiệp như ô tô, đóng tàu, sản xuất thép
• Ứng dụng trong thiết bị công nghiệp và dân dụng: Nhờ kích thước nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp, cảm biến từ được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị như máy in, máy tính, điện thoại, máy ảnh,…
• Hệ thống an ninh và điều khiển: Nhờ khả năng phát hiện sự hiện diện hoặc di chuyển của vật thể, cảm biến từ được ứng dụng trong hệ thống cửa tự động, hệ thống an ninh chống trộm,…
• Ứng dụng trong ngành y tế: Cảm biến từ được sử dụng trong máy chụp cộng hưởng từ (MRI) để chẩn đoán hình ảnh các cơ quan nội tạng, hỗ trợ điều trị y khoa.

Lời kết

Qua những chia sẻ trên của A.I Tech, bạn có thể thấy cảm biến từ là một công nghệ quan trọng với cấu tạo đơn giản nhưng hiệu quả, dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Nhờ vào khả năng phát hiện vật thể kim loại chính xác và không cần tiếp xúc với, cảm biến từ đã trở thành một  thiết bị không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống. Nếu còn bất kỳ thắc mắc nào khác, hãy để lại bình luận bên dưới, A.I Tech sẽ giải đáp đến bạn nhé!