พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ เซนเซอร์ผู้ไม่ยอมสัมผัสใคร

พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ เซนเซอร์ผู้ไม่ยอมสัมผัสใคร

          พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Proximity Sensor) หรืออีกชื่อหนึ่งที่มีการเรียกกันบ่อยครั้งนั่นคือ พร๊อกซิมิตี้สวิตซ์ (Proximity Switch) เป็นเซนเซอร์ชนิดหนึ่งที่สามารถทำงานได้โดยไม่ต้องอาศัยการสัมผัส โดยมีตัวแปรหลายอย่างที่สามารถทำให้เซนเซอร์ชนิดนี้ทำงานได้ เช่น สนามแม่เหล็ก แสง เสียง ฯลฯ โดยเซนเซอร์ชนิดนี้จะถูกนำไปใช้ในการ ตรวจจับ ระบุตำแหน่ง ขนาด และรูปร่างของชิ้นงาน โดยเซนเซอร์ชนิดนี้จะมีลักษณะการใช้งานคล้ายกันกับ ลิมิตสวิตช์ (Limit Switch) แต่จะมีความสามารถมากกว่าลิมิตสวิตช์มาก โดยข้อดีหลักๆที่ต่างกันคือ เรื่องการทำงานโดยไม่ต้องอาศัยการสัมผัส ทำให้เพิ่มอายุการใช้งานของตัวเซนเซอร์ เนื่องจากลิมิตสวิตช์อาศัยหลักการสัมผัสกันของหน้าสัมผัสเป็นหลัก และพร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ยังมีความรวดเร็วในการตรวจจับวัตถุเป้าหมายที่มากกว่าลิมิตสวิตช์อีกด้วย

พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์จำแบ่งได้ออกเป็น 2 ลักษณะใหญ่ๆ ดังนี้

  1. เซนเซอร์แบบเก็บประจุ (Capacitive Sensor) เซนเซอร์แบบเก็บประจุ โดยเซนเซอร์ชนิดนี้จะอาศัยหลักการการเปลี่ยนแปลงของประจุซึ่งถูกเก็บอยู่ในตัว Sensor โดยจะทำงานต่อเมื่อวัตถุเป้าหมายเคลื่อนที่เข้ามาใกล้สนามไฟฟ้าของคาปาซิทีฟเซนเซอร์ โดยเซนเซอร์ชนิดนี้สามารถใช้งานได้กับทั้งวัตถุที่เป็นโลหะ และวัตถุที่ไม่ได้เป็นโลหะได้ เช่น แก้ว, โลหะ, น้ำ, พลาสติก, กระดาษ โดยเซนเซอร์ชนิดนี้จะจับวัตถุที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกได้ดี
  2. เซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำ (Inductive Sensor) เซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำ โดยเซนเซอร์ชนิดนี้ อาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงค่าความเหนี่ยวนำไฟฟ้าของขดลวด โดยค่าเหนี่ยวนำดังกล่าวจะทำงานกับชิ้นงานที่เป็นโลหะเท่านั้น

หลักการทำงานของเซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำ (Inductive Sensor)

          เซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำ จะมีสนามแม่เหล็กที่มีความถี่สูงอยู่ที่ส่วนหัวของตัวเซนเซอร์ โดยจะได้รับสัญญาณมาจากวงจรกำเนิดความพี่ เมื่อมีวัตถุเข้ามาใกล้บริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าความเหนี่ยวนำ และเมื่อวัตถุดังกล่าวออกจากบริเวณที่มีสนามแม่เหล็ก ค่าความเหนี่ยวนำจะกลับมาคงที่ดังเดิม โดยภายในตัวเซนเซอร์จะมีวงจรอิเล็กทรอนิกเพื่อบ่งบอกว่าจะให้ทำงาน หรือไม่ทำงาน โดยขึ้นอยู่กับเอาต์พุทว่าเป็นแบบใด

โดยภายในเซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำจะมีองค์ประกอบดังนี้

  1. Coil – Wire (ชุดขดลวด) โดยขดลวดดังกล่าวจะถูกพันไว้โดยรอบแกนเฟอร์ไรต์ มีหน้าที่สร้างสนามแม่เหล็กออกมาตรงพื้นผิวด้านหน้าตัวเซนเซอร์
  2. Oscillator (วงจรกำเนินความถี่) เป็นวงจรที่ใช้ในการกำเนิดความถี่สูง ทำหน้าที่ในการแปลงคลื่นสนามแม่เหล็กไฟฟ้าให้เป็นคลื่นความถี่
  3. Amplifier (ตัวขยายสัญญาณ) มีหน้าที่ขยายความแรงของสัญญาณคลื่นความถี่ สำหรับวงจรแยกสภาวะ และการสั่งงาน (Trigger)
  4. Trigger (วงจรแยกสภาวะการสั่งการ) ใช้แยกสภาวะการสั่งการ
  5. Output Driver (ตัวส่งสัญญาณออก) มีหน้าที่เพิ่มกำลังของสัญญาณในการส่งสัญญาณขาออก สำหรับการใช้งาน เครื่องจักร CNC หรืออุปกรณ์ PLC

หลักการทำงานของเซนเซอร์แบบเก็บประจุ

          เซนเซอร์ชนิดนี้มีรูปร่างและหน้าตาของตัวเซนเซอร์คล้ายกับ เซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำ (Inductive Proximity Sensors) แต่หลักการทำงานของเซนเซอร์สองชนิดนี้จะต่างกัน โดยเซนเซอร์ชนิดนี้จะอาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงค่าความจุของตัวประจุ เมื่อวัตถุที่เราจะตรวจจับ เคลื่อนที่เข้ามาใกล้กับสนามไฟฟ้าของตัวเซนเซอร์มากขึ้น โดยใช้แอกทีฟอิเล็กโทรด (A) และ เอิทธ์อิเล็กโทรด (B) การเปลี่ยนแปลงค่าความจุ (Capacitance Value) ดังกล่าว จะขึ้นอยู่กับระยะทางระหว่างวัตถุเป้าหมายกับตัวเซนเซอร์ยิ่งวัตถุเคลื่อนที่เข้าใกล้ตัวเซนเซอร์มากขึ้น ค่าความจุไฟฟ้าระหว่างตัววัตถุกับเซนเซอร์แบบเก็บประจุ (Capacitive Sensor) ยิ่งมีค่าเปลี่ยนแปลงไปโดยค่าความจุไฟฟ้าจะมากขึ้น ขนาดและรูปร่างของวัตถุ และชนิดของ วัตถุเป้าหมาย ค่าไดอิเล็กทริกหรือค่า k ของวัตถุต่างกัน จะมีค่าความจุที่แตกต่างกัน เมื่อค่าความจุเปลี่ยนแปลงไปจนถึงค่าๆหนึ่ง ซึ่งมีค่าความต้านทาน (ในวงจรออสซิลเลเตอร์ RC) ไม่มีการเปลี่ยนแปลงคือตั้งเป็นค่าคงที่ตั้งแต่แรก จะส่งผลให้เกิดการออสซิลเลทสัญญาณขึ้น และค่าแอมพลิจูด และ ความถี่สูงขึ้นเมื่อมีวัตถุเข้ามาในระยะตรวจจับที่ความถี่สูงค่าหนึ่ง วงจรทริกเกอร์จะสั่งให้มีค่าเอ้าท์พุทออกไป (DC, 4-20 mA หรือ 0-10 VDC)และส่งต่อไปที่เอาท์พุท เพื่อสั่งการให้เอาท์พุททำงาน ส่วนประกอบของตัวเซนเซอร์แบบเก็บประจุ (Capacitive Sensor)ได้แก่ อิเล็กโทรด(แบ่งเป็นแอ็คทีฟอิเล็กโทรด (A) กับอิเล็กโทรดชดเชย (B)) ออสซิลเลเตอร์ วงจรทริกเกอร์ ตัวส่งสัญญาณเอ้าท์พุท

รูป ส่วนประกอบต่างๆ ภายในตัวเซนเซอร์

  • A ได้แก่ แอ็คทีฟอิเล็กโทรด
  • B ได้แก่ อิเล็กโทรดชดเชย

          ขั้นตอนการทำงานจะเริ่มจาก ในขณะปกติ คือ ไม่มีวัตถุเข้ามาในระยะตรวจจับตัวออสซิลเลเตอร์จะอยู่ในสภาวะที่ไม่ทำงาน แต่เมื่อมีวัตถุเข้ามาในระยะทำงาน ตัวออสซิลเลเตอร์จะเริ่มทำงานโดยจะค่อยๆเพิ่มความถี่ของสัญญาณให้มากขึ้น เนื่องจากสนามไฟฟ้าสถิตที่สร้างขึ้นถูกรบกวนด้วยวัตถุที่เคลื่อนที่เข้ามาในระยะตรวจจับ เมื่อวัตถุเข้ามาอยู่ในระยะตรวจจับออสซิลเลเตอร์จะสร้างความถี่และแอมพลิจูดมากที่สุด และเมื่อวัตถุเริ่มเคลื่อนที่ออกจากระยะออสซิลเลเตอร์จะค่อยๆลดความถี่ลงจนวัตถุเคลื่อนที่ออกไปจนพ้นระยะ ออสซิลเลเตอร์ก้จะหยุดทำงานอีกครั้งหนึ่ง ตามรูปภาพด้านล่าง

รูป ขั้นตอนการทำงานของ ออสซิลเลเตอร์

          ในขณะที่มีวัตถุเข้ามาในระยะและส่งความถี่ออกไปจนถึงค่าๆหนึ่งที่ได้กำหนดไว้ ออสซิลเลเตอร์จะทำการส่งสัญญาณต่อไปให้ตัวประมวลผล และส่งสัญญาณต่อไปให้ตัวส่งสัญญาณเอ้าท์พุท เพื่อส่งสัญญาณเอ้าท์พุทไปให้อุปกรณ์อื่นต่อไป

          เซนเซอร์ชนิดเก็บประจุนี้ สามารถปรับค่าความไวในการตรวจจับได้โดยการปรับตั้งค่าความต้านทาน ซึ่งจะมีผลต่อการปรับระยะการตรวจจับใกล้หรือไกล หรือใช้ในการปรับตั้งให้ตัวเซนเซอร์สามารถตรวจจับข้ามผ่านวัตถุที่ขวางกั้นวัตถุเป้าหมายได้ เช่น การตรวจจับระดับน้ำภายในขวด หรือตรวจจับของที่อยู่ภายในกล่อง

รูป การตรวจจับข้ามผ่านวัตถุของ Capacitive Sensor

          ระยะการตรวจจับของคาปาซิทีฟเซนเซอร์ หรือเซนเซอร์แบบเก็บประจุ จะขึ้นอยู่กับระยะห่างระหว่างเซนเซอร์กับวัตถุ และชนิดของวัตถุที่ทำการตรวจจับ โดยวัตถุที่มีค่าไดอิเล็กตริก (k) สูงจะถูกตรวจจับได้ดีกว่าวัตถุที่มีค่าไดอิเล็กตริกต่ำ ในกรณีที่วัตถุเป้าหมายเป็นโลหะ ระยะตรวจจับของคาปาซิทีฟเซนเซอร์จะมีระยะเท่ากันทั้งหมด

ค่าไดอิเล็กตริก (k) ที่แตกต่างกันของวัตถุแต่ละแบบ

          ค่าไดอิเล็กตริกของวัตถุแต่ละชนิดนั้นจะเป็นตัวบ่งบอกว่า เซนเซอร์จะสามารถทำการตรวจสอบวัตถุนั้นๆได้หรือไม่ เมื่อวัตถุนั้นอยู่ด้านในอีกวัตถุนึง กล่าวคือถ้าค่าไดอิเล็กตริกของวัตถุที่อยู่ด้านในตัววัตถุที่ขวางกั้นตัวเซนเซอร์มีค่าน้อยกว่าค่าไดอิเล็กตริกของวัตถุที่ขวางกั้น เซนเซอร์จะไม่สามารถตรวจจับวัตถุที่อยู่ด้านในนั้นได้ ดังตัวอย่าง

รูป ที่แสดงว่าเซนเซอร์สามารถตรวจจับวัตถุที่อยู่ด้านในได้หรือไม่

          จากภาพจะเห็นได้ว่าตัวเซนเซอร์จะไม่สามารถตรวจจับแป้งที่มีค่าไดอิเล็กตริก 1.5 ซึ่งน้อยกว่าค่าไดอิเล็กตริกของแก้วซึ่งมีค่าไดอิเล็กตริก 3.7 ทำให้เซนเซอร์ไม่สามารถตรวจจับแป้งที่อยู่ด้านในได้ แต่เซนเซอร์สามารถตรวจจับแอลกอฮอล์ ซึ่งมีค่าไดอิเล็กตริก 25.8 ซึ่งมากกว่าค่าไดอิเล็กตริกของแก้วได้อย่างแม่นยำ