{KIẾN THỨC} Cảm Biến Điện Dung Là Gì? Cấu tạo – Nguyên lý hoạt động cảm biến điện dung

Ắt hẳn, thiết bị cảm biến đã không còn là quá xa lạ với nhiều người. Chúng đã trở thành những thiết bị chuyên dụng ngay xung quanh chúng ta. Điển hình có thể như là cảm biến nhiệt ở cửa ra vào tự động ở các siêu thị, cảm biến ánh sáng dùng cho việc mở đèn điện đường tự động… Một trong những loại cảm biến phổ biến trên thì chúng ta không thể kể đến cảm biến điện dung. Ngoài ra, trong công việc cá nhân mình thường được nghe hỏi về cảm biến điện dung là gì?

Vậy, chủ đề và cũng như mục đích vài viết ngày hôm nay mình sẽ chia sẽ kiến thức về cảm biến điện dung là gì? Không dừng lại ở đó, mình cũng đã tìm hiểu thêm một số kiến thức về cảm biến. Điển hình là về phần cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng của nó trong thực tiễn. Thế nên, bài viết này sẽ cho các bạn hiểu rõ và chi tiết về cảm biến điện dung.

Cảm biến điện dung là gì?

Hẳn các bạn đã biết, cảm biến là một dạng thiết bị dùng để cảm nhận môi trường. Tín hiệu nhận sẽ được truyền các thiết bị điều khiển hay nhận tín hiệu…Đấy là kiến thức cơ bản để cho các bạn hiểu về cảm biến là gì.

Cảm biến điện dung là loại cảm biến chuyên dùng để nhận biết sự thay đổi của điện dung môi trường. Các bạn nên biết rằng, trong vật lý, đối với mỗi một môi trường sẽ có và tồn tại một hằng số điện môi riêng biệt. Hằng số này sẽ ám chỉ điện môi của môi trường đấy là bao nhiêu. Ví dụ như không khí có hằng số điện môi gần như bằng 1.

Tuy nhiên, hằng số điện môi còn có một tên gọi khác là độ điện thẩm tương đối. Đối với tên gọi như thế này thường được chủ yếu bắt gặp ở một số tài liệu chuyên ngành vật lý hoặc hóa học.

Tóm lại, cảm biến điện dung được sử dụng phổ biến đo hoặc báo hiệu chất lỏng. Đây là ứng dụng phổ biến hầu hết của các loại điện dung. Trong số đó, cũng sẽ có một vài loại cảm biến dùng để đo cho môi trường như hạt nhữa, xi măng, bùn… hay được hiểu là môi trường có tĩnh dẫn điện hoặc không dẫn điện.

Cấu tạo cảm biến điện dung là gì?

Về cơ bản, cảm biến điện dung thường sẽ có hai loại cảm biến phổ biến. Một là loại cảm biến điện dung dạng hình trụ.¸hai là cảm biến điện dung dạng que. Tuy nhiên chúng đều sẽ có những bộ phận cơ bản như sau:

• Bộ phận cảm biến (Các bản cực – điện cực cách điện): phần cảm biến dùng để phát ra các dạng sóng điện từ. Hễ khi điện dung trong môi trường này của cảm biến thay đổi thì dẫn đến giá trị của cảm biến thay đổi.
• Mạch dao động là đoạn mạch thu nhận tín hiệu từ phần bộ phận cảm biến. Đây là đoạn dùng để mô tả trạng thái mà cảm biến điện dung nhận được.
• Mạch ghi nhận tín hiệu hiệu là đoạn mạch dùng để xử lý tín hiệu từ mạch dao động. Chúng sẽ chuyển đổi tín hiệu thành các tín hiệu ON – OFF hoặc tuyến tính.
• Mạch điện ngõ ra là phần mạch truyền để truyền tín hiệu từ mạch ghi nhận tín hiệu đến các thiết bị bên ngoài.

Đó là những bộ phận cơ bản của một cảm biến điện dung. Hiện nay, những thông tin trên chủ yếu thường chỉ được có trong một số bài viết khoa học, tài liệu tiếng anh chuyên ngành hoặc một số lĩnh vực như cơ điện tử, cơ khí mới nêu rõ thông tin trên.

Ngoài về những kiến thức về bộ phận của một cảm biến, chúng ta cũng nên hiểu rõ thêm về cấu tạo của nó. Thông thường, trung bình để chế tạo ra một con cảm biến sẽ có cấu tạo như sau:

• Vùng cảm nhận
• Bề mặt tác động / que dò
• Đèn led chỉ báo
• Nút điều chỉnh
• Cáp kết nối

Nguyên lý cảm biến điện dung là gì?

Về nguyên tắc, cảm biến điện dung sẽ sử dụng nguyên tăc tĩnh điện. Tức là khi có sự thay đổi điện dung/hằng số điện môi giữa chất lưu và không khí. Vậy điều kiện cần thiết để áp dụng nguyên tắc trên là hằng số của chất lưu phải lớn hơn hằng số điện môi của không khí, thường nên là gấp đôi giá trị.

Đối với không khí thì nó sẽ có giá trị hằng số điện môi bằng 1, dầu sẽ khoảng từ 1,8  đến 5 và nước có giá trị từ 50 đến 80. Ngoài ra, để nhận biết được giá trị hằng số điện môi thì bạn có thể tìm kiếm trên các nền tảng thư viện mở để biết rõ hơn.

Để cho dễ hiểu về phần nguyên lý cảm biến điện dung, mình sẽ lấy mẫu các loại cảm biến tiệm cận điện dung để mô tả cho các bạn dễ hiểu. Về cơ bản vùng cảm nhận của cảm biến sẽ nằm ở ngay phần đầu của cảm biến.

Bên trong đó sẽ tồn tại bai bản cực (A+, B-). Khi cảm biến được cấp nguồn, thì các dạng sóng điến tích sẽ đi từ A về B và tạo thành một hình nửa bán cầu. Chưa hết, khi trong phạm vi điện tích này có sự thay đổi về điện môi.

Chính vì thế, các loại cảm biến điện dung nói chung và loại cảm biến điện dung que dò nói riêng được dùng để phát hiện cho bất cứ loại đối tượng nào. Miễn là có hằng số điện môi lớn hơn không khí (1).      

Hiện nay, đối với các loại cảm biến điện dung chúng sẽ được lập trình và tính toán dựa theo công thức tính điện dung như sau:

    Trong đó:  Eo là hằng số điện môi chân không ( = 8,854187.(10 mũ -12) F/m).

                     Er là hằng số điện môi giữa hai bản cực.

                     A, d là tiết diện và khoảng cách giữa hai bản cực cảm biến. Thông số này sẽ tùy thuộc vô từng loại cảm biến và do   nhà sản xuất quy định.     

Ưu nhược điểm cảm biến điện dung là gì?

Về ưu điểm

• Dùng để cảm nhận vật dẫn điện và không dẫn điện
• Tính chất tuyến tính và độ nhạy không tùy thuộc vào vật liệu kim loại
• Nó có thể cảm nhận được vật thể nhỏ, nhẹ.
• Tốc đô phản hồi tín hiệu nhanh.
• Tuổi thọ cao và độ ổn định cũng tương đối cao với nhiệt độ.

Về nhược điểm

• Bị ảnh hưởng bởi độ ẩm
• Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung không ảnh hưởng đến tín hiệu đường truyền.
• Về phần lắp đặt, thì có yêu cầu về khoảng cách và vị trí lắp đặp để. Bởi vì nó sẽ dễ bị ảnh hưởng tới phần “Vùng cảm nhận” của cảm biến dẫn đến việc đo lường bị sai lệch.

Các loại cảm biến điện dung

Đối với trong lĩnh vực của cảm biến điện dung, thì hiện nay có rất nhiều loại cảm biến điện dung được thiết kế ra nhiều khuôn mẫu. Vậy đó là những dạng cảm biến như thế nào? Mình xin liệt kê một vài cảm biến điện dung được thường xuyên sử dụng cũng như bắt gặp ở đây nhé.

Cảm biến tiệm cận điện dung

Loại đầu tiên trong tất cả các loại cảm biến điện dung, đó là cảm biến tiệm cận điện dung. Đây là loại cảm biến được sử dụng phổ biến rộng rãi cũng như có nhiều biến thể liên quan đến loại cảm biến này.

Đối với loại cảm biến tiệm cận điện dung, chúng thường được hay sử dụng với cái tên tiếng anh là “Capacitive proximity sensor”. Chúng được dùng với mục đích để phát hiện lưu chất có trong một vật chứa nào đấy. Chủ yếu tín hiệu của các dạng cảm biến điện dung nói chung và loại tiệm cận nói riêng là dạng ON-OFF.

Tín hiệu ON-OFF này sẽ truyền về các loại thiêt bị điện tử điển hình là PLC. Vì vây, trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất chế tạo các ngành công nghiệp, đóng gói hàng hóa, chiết rót. Thì loại cảm biến tiệm cận điện dung này được sử dụng rộng rãi bởi lẽ sự tiện lợi và giá thành phải chăng mà nó mang lại.

Ắt hẳn, ngoài loại cảm biến có mẫu hình như ảnh trên. Chắc các bạn cũng ít biến đến loại cảm biến điện dung dạng que dò. Đây là loại cảm biến hay dùng để báo đầu báo cạn hay dùng để phát hiện rự rò rỉ trong ngành công nghiệp.

Theo như lý thuyết mà nói, thì loại cảm biến tiệm cận điện dung dạng que dò cũng hoạt động tương tự như bao loại khác. Với tên gọi khác biệt như vậy bởi vì chúng có hình dáng khác biệt.

Cảm biến điện dung đo mức nước liên tục

Cảm biến điện dung đo mức nước liên tục là loại cảm biến thường được dùng để đo chiều cao hoặc chiều cao sâu của một bình đựng lưu chất nào đó. Chúng cũng sử dụng nguyên  lý trên để làm việc.

Tuy nhiên, thay vì ngõ ra là dạng tín hiệu ON-OFF như cảm biến tiệm cận điện dung. Thì đối với nó sẽ là dạng tín hiệu tuyến tính (Linearization). Thông thường, chắc hẳn các bạn cũng biết rằng, hiện nay tín hiệu tuyến tính 4-20mA hoặc 0-10V là dạng tín hiệu được tiêu chuẩn hóa từ những thập kỷ 19 cho đến nay.

Nó đã được cho là dạng tín hiệu tiêu chuẩn trên thế thới. Chính vì thế mà loại tín hiệu cảm biến điện dung đo mức nước liên tục cũng vậy. Đối với loại cảm biến này, chúng thì lại không được ưa dùng trên các băng truyền là mấy. Bởi lẽ thế, chúng thường sử dụng cho mục đích là đo mức liên tục tại các bể chứa nhỏ, bình chứa nhỏ…

Ngoài ra, không những chỉ đo các loại nước sạch bình thường. Mà nó thậm chí dùng để đo các loại chất lỏng mang tính hóa học. Đôi khi một số chất lỏng lại có tồn tại chất ăn mòn điện hóa cao. Vì thế mà loại cảm biến điện dung này lại được ưu dùng hơn so với nhiều loại cảm biến dùng để đo mức liên tực khác.

Cảm biến vân tay điện dung

Các dòng điện thoại thông minh hiện nay, cũng như nhiều loại thiết bị điện thông minh đã và đang phát triển mạnh mẽ. Vì thế mà, nó đã được tích hợp cảm biến vô trong đó để tăng thêm tính bảo mật thông tin người dùng.

Một trong những thiết bị cảm biến đó cũng chính là cảm biến vân tay điện dung. Chắc hẳn, điện thoại bạn cầm trên tay đều có chế độ chạm ngón tay vào để mở khóa. Chính xác là nó, tuy vậy về lý mà nói thì nó cũng sẽ hoạt động tương tự như các loại cảm biến điện dung thông thường.

Tuy nhiên, có một điểm khác lớn là tiêu cự của nó rất là nhỏ. Vì thế mà nó được thiết kế kèm theo dùng để cảm nhận vân tay. Chắc hẳn, bạn nào cũng biết rằng trên ngón tay chúng ta có những đường vân chỉ tay. Những đường vân chỉ tay này sẽ tiết ra những giọt li ti mồ hôi. Đấy chính là bài toán cho cảm biến. Là cảm biến chỉ nhận biết sự thay đổi điện môi theo các đường chỉ vân tay như vậy.

Cảm biến này nó chỉ dùng để cạm nhận rõ những đường vân tay như vậy và lưu trữ nó vào bên trong hệ thống. Tiếp đến khi người dùng có kiểu vân tay sẽ ON, còn không thì sẽ OFF.

Cảm biến độ ẩm đất điện dung

Cảm biến độ ẩm đất điện dung sẽ được phân chia ra hai dạng như sau:

• Cảm biến độ ẩm tương đối (RH): Loại này thường được dùng ở dạng cảm biến độ ẩm dạng điện dung hoặc điện trở.
• Cảm biến độ ẩm tuyệt đối (AH): Chủ yếu là cảm biến độ ẩm nhiệt.

Loại cảm biến độ ẩm đất điện dung có một cơ chế hoạt động tương đối khác so với các loại còn loại. Thay vì chúng sử dụng môi trường không khí để tính toán thì chúng sẽ dựa vô độ ẩm không khí làm tiêu chuẩn. Tiếp đến, khi tiếp xúc vô môi trường có độ ẩm khá như đất chẳng hạn. Thì giá trị của chúng nhận được sẽ được dùng để so sánh với giá trị độ ẩm không khí mặc định được thiết lập sẵn.

Vì vậy nếu dùng để độ ẩm đất thì một số loại này thường được dùng cũng khá là phổ biến.

Ứng dụng của cảm biến điện dung

Vậy đến đây, có bạn nào thắc mắc mọi loại cảm biến điện dung trên được dùng cho những bài toán thực tế nào chưa nhỉ?

Cảm biến báo đầy

Cảm biến báo đầy điện dung là dùng để ám chỉ các loại cảm biến chuyên dùng để để báo mức nước. Loại cảm biến này thường được lắp đặt tại các bể chứa nước, bình chứa…dùng để mức báo đầy. Chủ yếu chúng hay dùng cho mục đích là điều khiển các loại đông cơ bơm nước. Hay thậm chí là các loại van. Tuy nhiên tín hiệu dùng để kích chủ yếu là dạng ON-OFF.

Ngoài ra, chúng còn dùng để báo đèn hiệu hoặc còi  biết rằng bể nước đang đầy. Còn thêm một đặc điểm khác là chúng còn được dùng để báo mức cho các lưu chất. Mà nó có tính ăn mòn hóa họa hay điện hóa.

Cảm biến báo cạn nước

Loại cảm biến báo cạn nước điện dung hoạt động tương tự như với loại cảm biến báo đầy. Tuy nhiên, cơ chế hoạt động của loại cảm biến nó hoàn toàn khác với cảm biến báo đầy.

Hiểu đơn giản cho các loại báo cạn nước này.  Hễ khi cảm biến tiếp xúc với nước thì nó sẽ báo mức OFF. Còn khi không có nước thì nó sẽ báo trạng thái mức ON.

Tuy nhiên, chúng có một nhược điểm khi sử dụng. Chúng ta chỉ được lắp đặt phía ngang (vuông góc với bình chứa…). Không thể lắp đặt thằng đứng như nhiều loại cảm biến báo đầy. Ngoài ra, chúng bắt buộc phải tiếp xúc với lưu chất. Như thế mới hoạt động dùng để báo mức được.

Cảm biến đo mức nước liên tục

Cũng dựa vào nguyên lý cảm nhận của điện dung. Những, loại này thường dùng để đo mức nước liên tục phát hiện chiều cao hay độ sâu mực nước. Ngoài ra, thì nó còn dùng cho một số môi trường có tính ăn mòn. Hoặc cần bảm bảo vệ sinh.

Tín hiệu của một số loại cảm biến đo mức này thường là dạng tín hiệu tuyến tính. Ắt hẳn, các bạn cũng biêt rằng đó là những dạng tín hiệu 4-20mA hoặc 0-10V. Bởi vì đây là những dạng tín hiệu có thể dùng để truyền đi xa khoảng 1000m.  Ít bị ảnh hưởng của sự nhiễu tín hiệu đường truyền.

Nhưng thực tế thì khi làm như vậy thì tín hiệu nhận vào sẽ không được đảm bảo. Cần phải dùng các thiết bị có khả năng chống nhiễu tín hiệu hoặc hiệu chỉnh tín hiệu.

Cảm biến phát hiện chất lỏng

Phát hiện chất lỏng, đây là trường hợp hay được ứng dụng nhiều đối với các nhà máy. Chủ yếu là nhà máy chuyên sản xuất đồ ăn thức uống. Điển hình như là sữa, đồ uống có gas, rượu bia….Các loại chất lỏng này hay được đặt trong một cái hộp hoặc bình đựng.

Để có thể nhận biết được bình chứa đây có chất lỏng hay chưa. Tiếp đến giai đoạn đi đóng gói. Thì người ta phải dùng loại cảm biến phát hiện chất lỏng. Bởi vì nó là loại cảm biến đo không tiếp xúc. Chỉ cần để có khoảng cách phù hợp và trong phạm vi cảm nhận. Nó sẽ tuyền tín hiệu đến được các bộ phẩn xỷ lý tín hiệu đếm xung On-OFF.

Cảm ơn các bạn đã đọc bài viết của tôi. Chúc các bạn một ngày tốt lành!

SALES ENGINEER: Nguyễn Thành Đạt
SĐT: 0342962936