Cảm biến khoảng cách là gì? Nguyên lý hoạt động và phân loại cảm biến khoảng cách

Cảm biến khoảng cách có tính ứng dụng cao trong đời sống và sản xuất. Thực tế, bạn đã tiếp xúc rất nhiều với các thiết bị được tích hợp cảm biến khoảng cách nhưng vẫn chưa biến đến sự hiện diện của công nghệ này. Hãy cùng FPT Shop tìm hiểu về cảm biến khoảng cách qua bài viết sau đây.

Tìm hiểu về cảm biến khoảng cách

Cảm biến khoảng cách là gì?

Cảm biến khoảng cách hay còn gọi là cảm biến tiếp xúc hoặc cảm biến xa hay cảm biến li độ. Đây là một loại cảm biến được thiết kế để đo khoảng cách từ cảm biến đến một đối tượng mục tiêu. Các thiết bị được tích hợp cảm biến khoảng cách hoạt động bằng cách phát ra một tín hiệu (thường là sóng âm, sóng siêu âm, hoặc tia laser) và đo thời gian mà tín hiệu đó mất để đi từ cảm biến đến đối tượng và quay lại. Dựa vào thời gian này, cảm biến có thể tính toán được khoảng cách giữa điểm xét và đối tượng.

Phân loại cảm biến khoảng cách

Cảm biến khoảng cách hoạt động rất chính xác, có tính ứng dụng cao, được tích hợp vào nhiều thiết bị và xuất hiện trong nhiều lĩnh vực. Dựa theo nguyên lý hoạt động cảm biến khoảng cách có thể được phân loại như sau:

• Cảm biến hồng ngoại: dùng tia hồng ngoại phản xạ để đo.
• Cảm biến siêu âm: đo khoảng cách dựa trên thời gian lan truyền sóng siêu âm.
• Cảm biến laser (Lidar): sử dụng tia laser.
• Cảm biến Radar: phát tín hiệu vô tuyến, đo thời gian phản xạ.

Nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến khoảng cách

Cảm biến khoảng cách hồng ngoại

Cảm biến khoảng cách hồng ngoại hoạt động dựa trên nguyên lý phát tia hồng ngoại và đo thời gian cho đến khi tia phản xạ trở lại từ vật thể gần nhất. Cụ thể, cảm biến có một đèn phát và một máy thu hồng ngoại. Khi hoạt động, đèn phát sẽ phát ra tia hồng ngoại về phía vật thể.

Khi gặp vật thể, tia sẽ phản xạ ngược trở lại và được máy thu nhận. Thiết bị sẽ tính toán khoảng cách dựa trên thời gian từ lúc phát tia đến lúc nhận tia phản xạ, với tốc độ truyền của ánh sáng là đại lượng cố định. Nhờ đó, cảm biến hồng ngoại có thể xác định khoảng cách một cách chính xác.

Cảm biến khoảng cách hồng ngoại thường có thể hoạt động trong nhiều điều kiện môi trường khác nhau và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng như thiết bị đo khoảng cách, thiết bị chống va chạm, cảm biến đo độ cao, và trong ngành công nghiệp tự động hóa. Tùy thuộc vào mô hình và thiết kế cụ thể, cảm biến khoảng cách hồng ngoại có thể có độ chính xác khác nhau.

Cảm biến khoảng cách siêu âm

Cảm biến khoảng cách siêu âm hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng sóng siêu âm để xác định khoảng cách đến vật thể. Cảm biến sẽ phát ra sóng siêu âm đến vật thể và quay lại. Dựa trên thời gian này cảm biến có thể tính toán được khoảng cách giữa đến vật thể. Cảm biến khoảng cách siêu âm có tính ứng dụng cao, phổ biến nhất là các thiết bị đo khoảng cách trong xe ô tô đến cảm biến chống va chạm trong robot và các hệ thống tự động hóa công nghiệp.

Cảm biến khoảng cách Laser

Cảm biến khoảng cách laser, hay còn gọi là Lidar, hoạt động dựa trên nguyên lý phát ra tia laser về phía vật thể và đo thời gian cho đến khi tia phản xạ quay trở lại cảm biến. Thiết bị sử dụng tốc độ ánh sáng (300.000 km/s) để tính toán khoảng cách dựa trên thời gian chạy của tia laser.

Cảm biến laser cho độ chính xác rất cao, có thể đo khoảng cách xa hàng trăm mét và chính xác đến mức milimet. Vì vậy, thường được dùng trong đo đạc, lập bản đồ 3D, xe tự hành, robot di động, hệ thống cảnh báo va chạm ô tô,..

Cảm biến khoảng cách Radar

Cảm biến Radar hoạt động bằng cách phát ra sóng vô tuyến điện tần số cực cao (tần số radio) về phía vật thể cần đo khoảng cách. Khi gặp vật thể, sóng Radar sẽ phản xạ ngược trở lại và được thu bởi máy thu radar. Thiết bị đo thời gian từ lúc phát đến lúc nhận sóng phản xạ để tính toán khoảng cách đến vật thể, dựa trên tốc độ truyền sóng radio. Radar có thể đo khoảng cách xa hàng chục cây số và được ứng dụng trong hàng không, định vị vệ tinh, tàu thuyền, cảnh báo va chạm giao thông, quân sự.

Cảm biến khoảng cách có sai số không?

Dù ứng dụng các công nghệ hiện đại nhưng các thiết bị cảm biến khoảng cách vẫn có thể tồn tại một sai số nhất định. Sai số của cảm biến khoảng cách phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nguyên lý hoạt động, độ chính xác cố hữu của cảm biến, điều kiện môi trường, bề mặt phản xạ của vật thể, góc đo, khoảng cách đo,...

Một số loại cảm biến có sai số rất thấp, chỉ vài mm như cảm biến laser. Cảm biến siêu âm và hồng ngoại cũng cho sai số thấp dưới 1 cm. Trong khi đó, sai số của radar và camera có thể có sai số lớn hơn. Do đó, cần hiểu rõ độ chính xác và các giới hạn của cảm biến, lựa chọn loại phù hợp với yêu cầu đo và kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng để giảm sai số. Việc hiểu sai số và cách giảm sai số là rất quan trọng để nâng cao độ chính xác của hệ thống sử dụng cảm biến khoảng cách.

Phạm vi đo của cảm biến khoảng cách

Cảm biến khoảng cách có thể đo khoảng cách từ vài mm đến hàng trăm mét tùy theo nguyên lý hoạt động và ứng dụng. Phạm vi đo là một thông số quan trọng cần xem xét khi chọn lựa loại cảm biến.

Các cảm biến phổ biến như hồng ngoại, siêu âm thường có phạm vi đo ngắn, khoảng 10m trở xuống. Chúng thích hợp với các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao ở khoảng cách gần.

Cảm biến laser (Lidar) có thể đo xa hàng trăm mét và rất chính xác. Radar có phạm vi đo xa nhất, lên đến vài cây số, nhưng độ sai số có thể cao hơn. Ngoài ra, các yếu tố như góc đo, bề mặt vật thể, môi trường cũng ảnh hưởng đến phạm vi đo của cảm biến. Vì vậy cần nghiên cứu kỹ trước khi lựa chọn loại phù hợp với ứng dụng.

Ứng dụng của cảm biến khoảng cách

Cảm biến khoảng cách có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, từ công nghiệp đến điện tử tiêu dùng. Các thiết bị tích hợp cảm biến khoảng cách thực tế được sử dụng rất phổ biến. Dưới đây là những ứng dụng thường gặp của công nghệ hiện đại này:

Đo khoảng cách: Đây là ứng dụng cơ bản nhất, cho phép đo chính xác khoảng cách giữa cảm biến và vật thể, rất hữu ích trong nhiều hoạt động như đo đạc, lập bản đồ, khảo sát.

Xác định thông tin các hệ thống di chuyển: Trong các hệ thống di chuyển tự động như robot và xe ô tô tự lái, cảm biến khoảng cách giúp cung cấp thông tin vị trí để tránh xảy ra va chạm với môi trường xung quanh.

Đo mực hóa chất: Trong ngành công nghiệp hóa chất, cảm biến khoảng cách có thể được sử dụng để đo mực chất lỏng trong các bể chứa, giúp quản lý và kiểm soát lượng hóa chất một cách an toàn và hiệu quả.

Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp: Trong môi trường sản xuất công nghiệp, cảm biến khoảng cách giúp kiểm soát vị trí của các vật thể, đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra chính xác. Các thiết bị đo khoảng cách cũng được sử dụng trong hệ thống cân bằng tải và quản lý kho để tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Những lưu ý khi chọn cảm biến khoảng cách

Với rất nhiều lựa chọn cảm biến khoảng cách, người dùng không khỏi phân vân khi không biết chọn cảm biến nào cho phù hợp. Khi chọn cảm biến khoảng cách, có một số lưu ý quan trọng mà bạn cần xem xét để đảm bảo rằng thiết bị đáp ứng được yêu cầu sử dụng:

• Hãy xác định phương thức đo khoảng cách phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng, bao gồm cả cảm biến siêu âm, hồng ngoại, laser, hoặc các công nghệ khác.
• Xác định khoảng cách cần đo và chọn cảm biến có dải đo phù hợp. Lưu ý rằng dải đo thực tế có thể bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường.
• Đối với ứng dụng yêu cầu việc đo lường chính xác, bạn nên chọn cảm biến có độ chính xác cao.
• Xem xét điều kiện môi trường làm việc, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, và ánh sáng. Chọn cảm biến chống nước, chống bụi hoặc có khả năng làm việc trong điều kiện khắc nghiệt nếu cần thiết.
• Đối với các ứng dụng có không gian hạn chế cần chọn cảm biến có kích thước và trọng lượng phù hợp.

Chi phí đầu tư cảm biến khoảng cách

Giá của cảm biến khoảng cách có thể thay đổi đáng kể tùy thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm loại cảm biến, thương hiệu, đặc tính kỹ thuật, và các tính năng bổ sung. Cảm biến khoảng cách cũng có nhiều loại, bao gồm cảm biến siêu âm, hồng ngoại, laser, quang học,... và giá cảm biến sẽ thay đổi dựa trên loại cảm biến bạn chọn.

Các cảm biến có dải khoảng cách đo lường lớn hoặc độ chính xác cao thường có giá cao hơn so với các cảm biến có hiệu suất thấp hơn. Các tính năng bổ sung như chống nước, khả năng làm việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, hoặc các tính năng đặc biệt khác có thể tăng giá của cảm biến.

Cảm biến khoảng cách thường được thiết kế để sử dụng dễ dàng và linh hoạt trong nhiều ứng dụng khác nhau vì vậy mà giá cảm biến cũng phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể mà bạn đang sử dụng. Các ứng dụng đặc biệt hoặc yêu cầu đặc tính kỹ thuật cao sẽ yêu cầu cảm biến cao cấp với giá cao hơn.

Tạm kết

Trên đây là những thông tin liên quan đến phân loại, nguyên lý hoạt động, ứng dụng cũng như lưu ý khi lựa chọn cảm biến khoảng cách. Hy vọng những thông tin trên đây sẽ giúp bạn có một cái nhìn tổng quát về loại cảm biến này để ứng dụng sao cho phù hợp.

Ngoài ra, các thiết bị robot hút bụi thông minh được tích hợp cảm biến khoảng cách giúp bạn tiết kiệm rất nhiều thời gian và công sức trong việc vệ sinh nhà cửa. Tham khảo ngay các sản phẩm robot hút bụi tại FPT Shop để lựa chọn cho gia đình mình một thiết bị phù hợp.

Tham khảo robot hút bụi tại đây

Robot hút bụi

Xem thêm:

• Cảm biến nhiệt độ là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến nhiệt
• Cảm biến chuyển động là gì? Có bao nhiêu loại và ứng dụng ra sao?