พร็อกซิมิตี้เซนเซอร์ (Proximity Sensor) หรือ พร็อกซิมิตี้สวิตซ์ (Proximity Switch) คือ เซนเซอร์ชนิดหนึ่งที่สามารถทำงานโดยไม่ต้องสัมผัสกับชิ้นงานหรือวัตถุภายนอก โดยลักษณะของการทำงานอาจจะส่งหรือรับพลังงานรูปแบบใดรูปแบบหนึ่งดังต่อไปนี้ คือ สนามแม่เหล็ก สนามไฟฟ้า แสง เสียง และ สัญญาณลม ส่วนการนำเซนเซอร์ประเภทนี้ไปใช้งานนั้น ส่วนใหญ่จะใช้กับงานตรวจจับ ตำแหน่ง ระดับ ขนาด และรูปร่าง ซึ่งโดยปกติแล้วจำนำมาใช้แทนลิมิตสวิตซ์ (Limit Switch) เนื่องด้วยสาเหตุของอายุการใช้งานและความเร็วในการตรวจจับวัตถุเป้าหมาย ทำได้ดีกว่าอุปกรณ์ประเภทสวิตซ์ซึ่งอาศัยหน้าสัมผัสทางกล
ประเภทของพร็อกซิมิตี้เซนเซอร์
1.เซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำ (Inductive Sensor) เป็นเซนเซอร์ที่ทำงานโดยอาศัยหลักการเปลี่ยนแปลงค่าความเหนี่ยวนำของขดลวด ซึ่งการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะมีผลต่อชิ้นงานหรือวัตถุที่เป็นโลหะเท่านั้น หรือเรียกกันทางภาษาเทคนิคว่า ” อินดั๊กตีฟเซนเซอร์ ”
ข้อเด่นของเซนเซอร์ชนิดนี้ คือ ทนทานและสามารถทำงานได้ในช่วงอุณหภูมิที่กว้าง (wide temperature ranges) สามารถทำงานในสภาวะที่มีการรบกวนทางแสง (Optical) และเสียง (Acoustic) ซึ่งเทียบเท่ากับชนิดเก็บประจุ
2.เซนเซอร์ชนิดเก็บประจุ (Capacitive Sensor) เซนเซอร์ประเภทนี้มีโครงสร้างทั้งภายนอกและภายในคล้ายกับแบบเหนี่ยวนำ การเปลี่ยนแปลงของความจุ ซึ่งเนื่องมาจากการเคลื่อนที่ของวัตถุชนิดหนึ่งเข้ามาใกล้สนามไฟฟ้าของคาปา ซิเตอร์ เซนเซอร์ชนิดนี้สามารถตรวจจับอุปกรณ์ที่ไม่ได้เป็นโลหะได้ และเป็นโลหะได้
หลักการทำงานของเซนเซอร์แบบเหนี่ยวนำ
บริเวณส่วนหัวของเซนเซอร์จะมีสนามแม่เหล็กซึ่งมีความถี่สูง โดยได้รับสัญญาณมาจากวงจรกำเนิดความถี่ ในกรณีที่มีวัตถุหรือชิ้นงานที่เป็นโลหะเข้ามาอยู่ในบริเวณที่สนามแม่เหล็ก สามารถส่งไปถึง จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงค่าความเหนี่ยวนำ จากเหตุการณ์ที่เกิดขึ้นทำให้เกิดการหน่วงออสซิลเลท (oscillate) ลดลงไป หรือบางทีอาจถึงจุดที่หยุดการออสซิลเลท และเมื่อนำเอาวัตถุนั้นออกจากบริเวณตรวจจับ วงจรกำเนิดคลื่นความถี่ก็เริ่มต้นการออสซิลเลทใหม่อีกครั้งหนึ่ง สภาวะดังกล่าวในข้างต้นจะถูกแยกแยะได้ด้วยวงจรอิเล็กทรอนิกส์ที่อยู่ภายใน หลังจากนั้นก็จะส่งผลไปยังเอาต์พุตว่าให้ทำงานหรือไม่ทำงาน โดยทั้งนี้จะขึ้นอยู่กับชนิดของเอาต์พุตว่าเป็นแบบใด เพื่อเป็นการลดจินตนาการในการทำความเข้าใจการทำงานของเซนเซอร์ชนิดนี้จึงขอ แสดงด้วยรูปต่อไปนี้
Sensing Distance (SN) : ระยะที่ตัวเซนเซอร์สามารถตรวจวัตถุได้ซึ่งจะขึ้นอยู่กับชนิด ขนาดของวัตถุและเส้นผ่านศูนย์กลางของ Sensor ซึ่งโดยปกติแล้ว ถ้าเส้นผ่านศุนย์การของตัว Sensor ใหญ่ก็ยิ่งทำให้ระยะการตรวจจับได้ไกล
Target Material Factor : เป็นค่า Factor โดยประมาณของวัตถุแต่ละชนิด ใช้สำคูณกับค่า Sensing Distance เพื่อให้ได้ค่าระยะการตรวจจับที่แน่นอนยิ่งขึ้น เมื่อใช้ Inductive Sensor ในการตรวจจับวัตถุชนิดนั้นๆ
Hysteresis : เป็นช่วงหรือย่านที่ตัว Sensor จะให้สถานะของ Output เป็น On หรือ Off ซึ่งโดยปกติแล้วในการออกแบบเครื่องจักรต่างๆ ต้องคำนึงถึงค่านี้ด้วยเพื่อให้มั่นใจได้ว่าตัว Sensor ของเราที่ติดตั้งไปแล้วนั้นจะสามารถทำงานได้อย่างถูกต้องและแน่นอนตลอดเวลา
Mountable : เป็นรูปแบบในการติดตั้งตัว Sensor ซึ่งโดยปกติแล้วตัว Sensor ทั้ง Inductive และ Capacitive จะมีรูปแบบในการติดตั้่งอยู่ 2 ชนิด คือ แบบ Flush Mount และ Non Flush Mount โดยมีลักษณะในการติดตั้งที่แตกต่างกันตามรูป ถ้ามีการติดตั้งที่ผิดวิธีก็อาจจะทำให้การทำงานของตัว Sensor ผิดพลาดได้
รูปร่างหน้าตาของตัว Proximity Sensor
วิธีการเลือกใช้ Proximity Sensor
- ประเภทของชิ้นงาน: พร้อกซิมิตี้เซ็นเซอร์นั้นมีทั้งแบบที่สามารถตรวจจับ “โลหะ” ซึ่งจะเป็นประเภท Inductive Proximity Sensor และ “โลหะและอโลหะ” ซึ่งจะเป็นประเภท Capacitive Proximity Sensor ได้ ดังนั้นเราควรรู้ว่าวัตถุที่เราจะใช้ทำการตรวจจับนั้นเป็นประเภทใด และหากเลือกแบบ Capacitive Proximity Sensor ก็จะมีให้เลือกว่าจะเอาแบบ Flush หรือ Non-Flush
- Flush-mounted capacitive sensor ใช้สำหรับการตรวจจับชิ้นงานที่เป็น อโลหะ และ มีสถานะเป็นของแข็งเช่น แผ่นเวเฟ่อ ตัวอุปกรณ์ แผ่นวงจรพิมพ์ PCB ในงานอิเล็กทรอนิกส์ กล่อง กระดาษ ขวด กระป๋อง พลาสติกตรวจจับของเหลวในภาชนะ ที่มีความหนาไม่เกิน 4mm. เช่น แก้ว พลาสติก
- Non Flush-mounted capacitive sensor เหมาะสำหรับงานตรวจจับระดับในถัง เช่น ฝุ่นผง หรือ ของเหลว ตัวอย่างเช่น น้ำตาล แป้ง ทราย น้ำมัน น้ำ
- ระยะการตรวจจับ: ปกติจะพิจารณาอยู่ 2 ค่า คือ (Sn) หรือ Normal Sensing Distance จะเป็นค่าของระยะในการตรวจจับ ตามมาตรฐานที่ถูกทดสอบกับแผ่นมาตรฐาน ตาม IEC 947-5-2 โดยจะเป็นระยะที่สามารถตรวจจับได้จริง (Sd) หรือ Sensing Distance จะเป็นค่าระยะในการตรวจจับสูงสุดที่มีความเป็นไปได้ ซึ่งขึ้นอยู่กับขนาดของ Coil ภายใน Inductive Proximity Sensor โดยเราไม่ควรนำค่านี้มาพิจารณาในการเลือกใช้งานตรวจจับในระยะปกติ แต่ควรใช้พิจารณาถึงโอกาสที่จะมีวัตถุไม่พึงประสงค์ผ่านเข้ามาในระยะตรวจจับเท่านั้น
ภาพค่าระยะทางตรวจจับสูงสุด (Sd) ที่ตัวพร้อกซิมิตี้เซ็นเซอร์สามารถตรวจจับได้ของ M12
- ขนาด (Housing Size): ขนาดเป็นองค์ประกอบหนึ่งที่มีความเกี่ยวข้องกับระยะทางในการตรวจจับหรือ ค่า (Sn) โดยขนาดของเซ็นเซอร์ ที่นิยมนำมาใช้งานนั้น ส่วนมากจะมีการบอกขนาดเป็นหน่วย Metrix คือ M12x1, M18x1, M30 x1.5 ซึ่งเป็นรูปทรงกระบอกมีเกลียว โดยเซ็นเซอร์ที่มีขนาดใหญ่จะให้ค่า Sn ที่ไกลมากกว่าเซ็นเซอร์ที่มีขนาดเล็ก สำหรับเซ็นเซอร์ รูปทรงสี่เหลี่ยม ส่วนใหญ่แล้ว จะมีรูปร่างที่ไม่เป็นมาตรฐาน ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับการออกแบบของแต่ละผู้ผลิต
- ความถี่ในการตรวจจับ (Switching Frequency): จะพิจารณาจากความเร็วสูงสุดของวัตถุหรือชิ้นงานที่วิ่งผ่านด้านหน้าตัวเซ็นเซอร์โดยเซ็นเซอร์ยังคงตรวจจับและวัดค่าได้อย่างแม่นยำ ตัวอย่างเช่น การใช้งานในงานตรวจจับความเร็วรอบของเฟืองที่ต้องพิจารณาเรื่องความถี่ ถ้าเป็นพร้อกซิมิตี้ที่มี Switching Frequency 1 kHz จะมีความเร็วในการตรวจจับชิ้นงานที่ 1 ms หรือ 1000 ชิ้นต่อวินาที
- ชนิดของสายและคอนเน็คเตอร์: ชนิดของสายจะขึ้นอยู่กับพื้นที่ในการติดตั้งว่ามีสภาวะแวดล้อมเป็นแบบใด เช่น ถ้ามีน้ำมันหรือสารระเหยที่มีผลต่อสายไฟหรือไม่ โดยวัสดุมาตรฐานที่ใช้ทำสายไฟนั้นจะเป็นแบบ PVC หากต้องการความทนทานมากขึ้นจะเหมาะสมกับแบบ PU มากกว่า ส่วนรุ่นที่เป็นคอนเน็คเตอร์นั้นจะมีโครงสร้างหรือวัสดุเป็นแบบเดียวกับสาย เพียงแต่จะใช้คอนเน็คเตอร์ ขนาด M8 หรือ M12 ในการต่อเข้ากับเซ็นเซอร์แทน เพื่อให้เกิดความสะดวกในการติดตั้งและการบำรุงรักษา
- แหล่งจ่ายไฟ (Power Supply): จะขึ้นอยู่กับหน้างานและตัวควบคุมที่รับสัญญาณจากตัวเซ็นเซอร์ เช่น อุปกรณ์ คอนโทรลเลอร์เป็น PLC, Counter, Timer, Pulse Meter จะใช้แหล่งจ่ายไฟชนิด DC 10-30V ซึ่งมีความปลอดภัยต่อผู้ใช้งานมากกว่า แต่ถ้าโหลดเป็นอุปกรณ์ที่เป็น AC เช่น Coil AC 220VAC ก็จะใช้กับแหล่งจ่ายไฟแบบ AC 220V แต่ต้องใช้ความระมัดระวังในการต่อสายให้ถูกต้อง
- สัญญาณเอาท์พุต: จะใช้เซ็นเซอร์ที่มีสัญญาณเอาท์พุตเป็นแบบ NPN (common -) หรือ PNP (common +) การเลือกใช้จะพิจารณาจากวงจรที่เราไปใช้ว่ามี Common เป็นแบบใด
ภาพวงจร NPN และ PNP ของพร้อกซิมิตี้เซ็นเซอร์แบบคอนเน็คเตอร์ และแบบมีสาย
- Switching Function NO หรือ NC: การเลือกใช้งานจะขึ้นอยู่กับฟังก์ชันการทำงานของตัวเซ็นเซอร์ โดยกรณีที่เป็นการต่อตัวเซ็นเซอร์ในวงจรที่เป็นการตัดการทำงานหรือส่วนของการป้องกันจะนิยมใช้แบบ Normally Close (NC) หรือปกติปิด แต่ถ้าเป็นวงจรทริกเกอร์ทั่วไป เช่น การเริ่มวงจร, การนับจำนวน ก็จะนิยมใช้งานเป็นแบบ Normally Open (NO) หรือปกติเปิด นอกจากนี้ในเซ็นเซอร์บางรุ่นอาจมีทั้งสองวงจรภายในตัว ซึ่งจะขึ้นอยู่กับการต่อสาย
ภาพวงจร NO และ NC ของพร้อกซิมิตี้เซ็นเซอร์แบบคอนเน็คเตอร์และแบบมีสาย