Cảm biến khoảng cách là gì? Nguyên lý hoạt động ra sao?

Cảm biến khoảng cách là thiết bị điện tử đóng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và cuộc sống hàng ngày. Chúng có khả năng phát hiện và đo lường khoảng cách giữa đối tượng với độ chính xác cao. Vậy chính xác thì cảm biến khoảng cách là gì? Nó hoạt động ra sao và có những ứng dụng nào trong thực tế? Cùng A.I Tech tìm hiểu thêm nhé!

Cảm biến (sensor) khoảng cách là gì?

Cảm biến khoảng cách (Distance sensors), hay còn được gọi là cảm biến tiếp xúc, cảm biến xa hoặc cảm biến li độ. Đây là một thiết bị điện tử dùng để để đo khoảng cách từ vị trí của cảm biến đến một đối tượng cần đo. Nguyên lý hoạt động chính của cảm biến khoảng cách là phát ra một tín hiệu (thường là  sóng siêu âm,  sóng âm, hoặc tia laser) và đo thời gian tín hiệu này đi từ cảm biến đến đối tượng và quay trở lại. Dựa vào thời gian đo được, cảm biến có thể tính toán khoảng cách chính xác giữa nó và đối tượng được đo.

Để hiểu hơn về các thiết bị cảm biến bạn có thể tham khảo thêm bài viết Sensor (cảm biến) là gì? Phân loại, ứng dụng và các loại sensor trong công nghiệp.

Có những loại cảm biến đo khoảng cách nào?

Cảm biến khoảng cách hoạt động rất chính xác và có tính ứng dụng cao trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chúng được tích hợp vào nhiều thiết bị trong công nghiệp và đồ gia dụng. Dựa vào nguyên lý hoạt động ta có thể chia ra thành 5 loại:

1. Cảm biến khoảng cách hồng ngoại.
2. Cảm biến đo khoảng cách bằng sóng siêu âm.
3. Cảm biến khoảng cách laser (Lidar).
4. Cảm biến khoảng cách Radar.
5. Cảm biến đo khoảng cách tiệm cận.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến khoảng cách

Dù là loại cảm biến sensor khoảng cách nào, thì nguyên lý hoạt động chính vẫn là đo thời gian tín hiệu được truyền từ cảm biến đến vật thể cần đo và quay trở lại. Điểm khác biệt của các loại cảm biến đo khoảng cách chính là tín hiệu. Vậy cụ thể ra sao?

Cảm biến laser đo khoảng cách

Cảm biến Laser (hay còn gọi là Lidar – Light Detection and Ranging) là một trong những loại cảm biến khoảng cách phổ biến nhất hiện nay. Thiết bị sẽ phát ra một chùm tia laser mảnh về phía đối tượng cần đo khoảng cách. Tia laser này sẽ bị phản xạ khi va chạm với bề mặt của vật thể và quay trở lại. Cảm biến sẽ đo thời gian từ lúc phát tia laser đến lúc thu được tia laser phản xạ.

Nguyên lý phát xạ laser này giúp cảm biến đạt được độ chính xác cao với khoảng đo xa hàng trăm mét với tốc độ cao (300.000 km/s). Nhờ khả năng đo khoảng cách chính xác và phạm vi rộng, cảm biến Laser được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như robot, xe tự lái, khảo sát địa hình, đo đạc xây dựng,… với các điều kiện môi trường khác nhau.

Cảm biến khoảng cách hồng ngoại

Cảm biến khoảng cách hồng ngoại sử dụng nguồn bức xạ hồng ngoại để đo khoảng cách đến vật thể. Nguyên lý hoạt động của cảm biến này dựa trên việc phát ra tia hồng ngoại và đo thời gian cho đến khi tia này phản xạ trở lại từ vật thể gần nhất. Cấu tạo cơ bản của cảm biến gồm có một đèn phát hồng ngoại và một máy thu hồng ngoại.

Nhờ nguyên lý hoạt động đơn giản và chi phí rẻ, cảm biến hồng ngoại được sử dụng rộng rãi. Mặc dù phạm vi đo có hạn nhưng cảm biến này có ưu điểm là khả năng chống nhiễu tốt và độ chính xác cao trong khoảng cách ngắn.

Cảm biến đo khoảng cách tiệm cận

Cảm biến tiệm cận đo khoảng cách hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường. Chúng được thiết kế để phát hiện vật thể ở khoảng cách rất gần. Nguyên lý cơ bản là cảm biến sẽ tạo ra một từ trường điện từ phía trước mình. Khi có vật thể kim loại đi vào từ trường này, nó sẽ gây nhiễu và làm thay đổi tính chất của từ trường. 

Cảm biến tiệm cận sẽ phát hiện được sự thay đổi này của từ trường và biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng xác định khoảng cách. Tuy nhiên, một hạn chế lớn của loại cảm biến này là phạm vi đo rất hẹp, thường chỉ vài milimet.

Cảm biến đo khoảng cách siêu âm

Cấu tạo của cảm biến siêu âm bao gồm một loa phát sóng siêu âm, một micro thu sóng và một mạch điều khiển xử lý tín hiệu. Quá trình phát và thu sóng siêu âm được lặp đi lặp lại liên tục giúp cảm biến liên tục cập nhật dữ liệu về khoảng cách. Nhờ nguyên lý hoạt động này, cảm biến siêu âm có thể đo khoảng cách một cách chính xác

Cảm biến đo khoảng cách radar

Cảm biến khoảng cách Radar sử dụng sóng vô tuyến tần số cao để đo khoảng cách đến vật thể. Nguyên lý hoạt động của cảm biến này dựa trên việc phát ra sóng vô tuyến điện tần số cực cao về phía vật thể cần đo. Khi sóng Radar này va chạm vào bề mặt vật thể, nó sẽ bị phản xạ ngược trở lại và được máy thu radar bên trong thiết bị thu nhận. Cảm biến Radar sẽ đo thời gian từ lúc phát đi cho đến khi thu được sóng phản xạ để tính toán khoảng cách.

Một trong những ưu điểm lớn nhất của cảm biến Radar là phạm vi đo xa, có thể lên tới hàng chục cây số. Nhờ vậy, Radar được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực quan trọng như hàng không để điều khiển không lưu, trong quân sự để phát hiện mục tiêu, trên tàu thuyền để định hướng.

Ứng dụng của cảm biến khoảng cách

Cảm biến khoảng cách được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng khác nhau như hỗ trợ đỗ xe trong ô tô, hệ thống an ninh, robot công nghiệp, máy bay không người lái và nhiều hệ thống tự động khác. Chúng giúp thiết bị có khả năng nhận biết khoảng cách với các vật cản để tránh va chạm hoặc điều khiển chính xác hơn. Với khả năng đo khoảng cách chính xác, cảm biến khoảng cách đóng vai trò quan trọng trong việc mang lại sự an toàn, hiệu quả và tự động hóa trong nhiều lĩnh vực ứng dụng công nghệ hiện đại.

Tận dụng được tối đa những ứng dụng này, đội ngũ chuyên gia của A.I Tech đã nghiên cứu và phát triển giải pháp chuyển đổi số IoT, giúp các doanh nghiệp: Nâng cao hiệu quả hoạt động, tiết kiệm chi phí, tối ưu doanh thu. Với đội ngũ chuyên gia dày dặn kinh nghiệm và công nghệ tiên tiến, A.I Tech cam kết:

• Cung cấp giải pháp phù hợp với nhu cầu và ngân sách của từng doanh nghiệp.
• Triển khai nhanh chóng, hiệu quả và đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
• Hỗ trợ tư vấn tận tình để khách hàng có thể sử dụng giải pháp một cách hiệu quả nhất.

Một số ứng dụng sử dụng cảm biến khoảng cách kết hợp cùng giải pháp chuyển đổi số IoT A.I Tech đã triển khai tiêu biểu như:

Hãy liên hệ ngay với A.I Tech qua số HOTLINE 0949491355 để được tư vấn chi tiết!

Những lưu ý để chọn cảm biến đo khoảng cách phù hợp

Để chọn được cảm biến đo khoảng cách phù hợp bạn cần lưu ý một số yếu tố quan trọng sau:

• Cần xem xét khoảng cách hoạt động của cảm biến: Một số cảm biến chỉ có thể đo khoảng cách ngắn trong khi những loại khác có thể đo khoảng cách lên đến hàng trăm mét. Nên lựa chọn cảm biến phù hợp với nhu cầu của bạn.
• Cần quan tâm đến độ chính xác của cảm biến: Nên lựa chọn cảm biến có độ chính xác phù hợp với yêu cầu của ứng dụng. Sai số đo càng nhỏ, độ chính xác của cảm biến càng cao.
• Cần xem xét môi trường hoạt động của cảm biến: Một số yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến. Bạn nên lựa chọn cảm biến phù hợp với điều kiện môi trường làm việc để đảm bảo độ chính xác
• Cần xem xét ngân sách của bạn để lựa chọn cảm biến có mức giá phù hợp.
• Lựa chọn cảm biến có kích thước và kiểu dáng phù hợp với không gian lắp đặt

Các câu hỏi thường gặp

Phạm vi đo của cảm biến khoảng cách là bao xa?

Phạm vi đo khoảng cách của các loại cảm biến khác nhau dao động từ vài mm đến hàng nghìn mét, tùy thuộc vào loại cảm biến và môi trường, điều kiện hoạt động:

• Cảm biến tiệm cận: Từ vài mm đến 30mm.
• Cảm biến siêu âm: 3cm đến 200cm.
• Cảm biến laser: Lên đến 1000m
• Cảm biến radar: 1m – 100km tùy vào tần số vô tuyến được sử dụng.
• Cảm biến hồng ngoại: 20cm – 150cm

Sai số của cảm biến đo khoảng cách là bao nhiêu?

Mỗi loại cảm biến đo khoảng cách hoạt động dựa trên một nguyên lý khác nhau, do đó độ sai số cũng khác nhau:

• Cảm biến laser: Sai số thường chỉ vài mm.
• Cảm biến siêu âm: Sai số từ 1cm đến vài cm.
• Cảm biến hồng ngoại: Sai số từ 1cm đến vài cm.
• Cảm biến radar: Sai số thường từ vài cm đến vài mét.

Tuy nhiên mức sai số sẽ còn phụ thuộc vào điều kiện môi trường, góc đo, bề mặt bật thể cần đo.

Lời kết

Qua những thông tin trên của A.I Tech, hy vọng rằng bạn đã có cái nhìn rõ ràng hơn về cảm biến khoảng cách và nguyên lý hoạt động của chúng. Hiểu được cơ chế hoạt động của các loại cảm biến khác nhau như siêu âm, hồng ngoại, và laser sẽ giúp bạn lựa chọn và áp dụng chúng một cách hiệu quả nhất cho từng mục đích cụ thể.