Cảm biến dây rút là gì? Khái niệm, phân loại, ứng dụng

Trong lĩnh vực công nghệ và tự động hóa, cảm biến dây rút là một công nghệ cảm biến đặc biệt được sử dụng để đo lường và ghi nhận các thông số về vị trí, khoảng cách và độ dịch chuyển tuyến tính. (Nó thường bị nhầm lẫn với "cảm biến công suất" hay cảm biến đo tải trọng, nhưng chức năng chính của nó là đo quãng đường).

Cảm biến dây rút (tên tiếng Anh là Draw-wire Sensor hoặc String Potentiometer) cung cấp khả năng theo dõi vị trí một cách chính xác và đáng tin cậy trong một loạt các ứng dụng công nghiệp và khoa học. Bài viết này sẽ giới thiệu về khái niệm cảm biến dây rút, cấu tạo, nguyên lý và các ứng dụng tiềm năng của chúng.

Cảm biến dây rút là gì?

Cảm biến dây rút là một thiết bị cơ-điện, dùng để đo lường sự dịch chuyển tuyến tính (vị trí hoặc khoảng cách) của một vật thể. Nó hoạt động bằng cách chuyển đổi chuyển động cơ học tuyến tính này thành tín hiệu điện.

Nó thường bị nhầm với việc đo "độ căng" hay "tải trọng". Thực tế, cảm biến dây rút không đo lực kéo, mà nó chỉ đo xem sợi dây đã bị kéo ra bao xa.

Cấu tạo và Nguyên lý hoạt động của cảm biến dây rút

Cấu tạo cơ bản

Một cảm biến dây rút điển hình bao gồm 4 bộ phận chính:

1. Dây cáp (Wire Rope): Là một sợi dây kim loại (thường là thép không gỉ) có độ bền cao, linh hoạt, chống giãn. Một đầu dây được gắn vào vật thể cần đo.
2. Tang trống (Spool/Drum): Là một cuộn rulo mà dây cáp được quấn quanh. Bên trong tang trống có một lò xo (giống như lò xo trong thước dây) luôn có xu hướng kéo dây cáp thu vào, đảm bảo dây luôn căng.
3. Bộ chuyển đổi (Sensor Element): Đây là "trái tim" của cảm biến, được gắn đồng trục với tang trống. Nó là một bộ mã hóa quay (Rotary Encoder) hoặc một biến trở quay (Potentiometer).
4. Vỏ bảo vệ (Housing): Bao bọc toàn bộ cơ cấu bên trong, bảo vệ khỏi bụi bẩn và va đập.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến dây rút rất trực quan:

1. Thân cảm biến được gắn cố định tại một điểm mốc.
2. Đầu dây cáp được kéo ra và gắn vào vật thể đang chuyển động.
3. Khi vật thể di chuyển tuyến tính (đi ra xa hoặc lại gần), nó sẽ kéo dây cáp ra hoặc lò xo sẽ thu dây cáp vào.
4. Sự di chuyển ra/vào của dây cáp làm cho tang trống quay.
5. Bộ chuyển đổi (Encoder/Potentiometer) được gắn trên trục của tang trống sẽ đo chính xác góc quay này.
6. Mạch điện tử bên trong cảm biến sẽ chuyển đổi góc quay này thành một tín hiệu điện (như 4-20mA, 0-10V, hoặc tín hiệu xung số) tỉ lệ thuận với quãng đường mà dây đã được kéo ra.

Ví dụ: Kéo dây ra 0mm thì tín hiệu là 4mA, kéo dây ra 1000mm (phạm vi tối đa) thì tín hiệu là 20mA. Từ đó, PLC hoặc bộ điều khiển có thể biết chính xác vật thể đang ở vị trí nào.

Ứng dụng của cảm biến dây rút

Cảm biến dây rút được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cần đo lường vị trí tuyến tính, đặc biệt là các khoảng cách dài (từ vài cm đến vài chục mét):

Đo độ dài và vị trí (Ứng dụng chính)

Đây là ứng dụng cốt lõi. Cảm biến dây rút được sử dụng để đo độ dài và xác định vị trí tuyệt đối hoặc tương đối của vật thể trong các ứng dụng như máy cắt dây, máy cắt ống, hệ thống đo đạc, máy in công nghiệp, và các hệ thống kiểm tra KCS.

Điều khiển và định vị

Cảm biến cung cấp tín hiệu phản hồi (feedback) về vị trí cho các hệ thống điều khiển. Nó được dùng trong robot công nghiệp (đo vị trí khớp), máy gia công chính xác (CNC), hệ thống vận chuyển tự động (AGV), và các hệ thống cơ khí chính xác.

Định vị và giám sát trong máy móc hạng nặng

Cảm biến dây rút rất lý tưởng cho các máy móc lớn do có dải đo dài:

• Xe cẩu, xe cứu hỏa: Đo độ vươn dài của cần cẩu, thang cứu hỏa.
• Máy móc xây dựng: Đo vị trí của gầu xúc, cần khoan.
• Cửa tự động công nghiệp: Đo vị trí đóng/mở của các cửa lò, cửa kho lớn.

Đo lực và tải trọng (Ứng dụng gián tiếp)

Như đã nói, bản thân cảm biến dây rút không đo lực. Tuy nhiên, nó thường được kết hợp với một Loadcell (cảm biến tải) hoặc được dùng để đo độ biến dạng (độ võng, độ giãn) của vật thể khi chịu tải. Từ độ biến dạng đo được (là một đơn vị chiều dài), người ta có thể nội suy ra lực hoặc tải trọng đang tác động lên hệ thống.

Đo lực căng (Ứng dụng gián tiếp)

Tương tự, cảm biến dây rút được sử dụng để đo sự thay đổi về độ dài hoặc độ võng của dây cáp, dây xích khi chúng bị căng. Từ đó, tính toán ra lực căng tương ứng.

Cách chọn cảm biến dây rút phù hợp

Để chọn được cảm biến dây rút phù hợp, anh em cần xét các yếu tố sau:

• Phạm vi đo (Measuring Range): Yếu tố quan trọng nhất. Anh em cần đo quãng đường dài tối đa là bao nhiêu? (Ví dụ: 100mm, 1000mm, 5000mm, hay 10m). Hãy chọn cảm biến có phạm vi đo lớn hơn một chút so với yêu cầu thực tế.

• Độ chính xác (Accuracy / Linearity): Xem xét mức độ chính xác mà ứng dụng của anh em yêu cầu. Cảm biến có độ chính xác càng cao (ví dụ: sai số 0.1% trên toàn dải đo) thì giá càng cao.

• Loại tín hiệu đầu ra (Output Signal): Anh em cần tín hiệu ra là gì để kết nối với PLC hoặc bộ điều khiển?

  • Analog: Biến trở (Potentiometer), 0-10VDC, hoặc 4-20mA (phổ biến nhất trong công nghiệp vì khả năng chống nhiễu tốt khi đi dây xa).
  • Digital (Số): Encoder (Incremental hoặc Absolute) để cho ra tín hiệu xung số với độ phân giải rất cao.

   

• Môi trường làm việc: Xem xét các yếu tố môi trường. Cảm biến có cần làm việc ngoài trời, trong môi trường bụi bẩn, ẩm ướt? Nếu có, cần chọn cảm biến có cấp bảo vệ IP cao (ví dụ: IP65, IP67).

• Độ bền và độ tin cậy: Xem xét tuổi thọ cơ học của cảm biến (số lần kéo ra/thu vào tối đa) và chất liệu của dây cáp, vỏ hộp để đảm bảo hiệu suất và độ ổn định lâu dài.

MUA NGAY HÀNG CÔNG NGHIỆP GIÁ TỐT TẠI MECSU

Tham khảo thêm tại Mecsu

Trong bài viết của Mecsu, chúng ta đã làm rõ cảm biến dây rút thực chất là một thiết bị đo vị trí và quãng đường, khác với các cảm biến đo lực. Từ cấu tạo, nguyên lý đến ứng dụng, anh em sẽ có cái nhìn toàn diện về một thành phần quan trọng của nhiều hệ thống tự động hóa và công nghiệp hiện đại.

Mời anh em đọc thêm các bài viết liên quan:

• Cảm biến lưu lượng dòng chảy là gì? Cấu tạo, phân loại, ứng dụng (2024)
• Cảm biến âm thanh là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng