Cảm biến khoảng cách đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, từ robot tự hành tránh chướng ngại vật, đo mức chất lỏng trong bể chứa đến các hệ thống đo lường không tiếp xúc.

Hiện nay, có nhiều loại cảm biến khoảng cách với nguyên lý hoạt động khác nhau, nhưng ba loại được sử dụng phổ biến nhất gồm GP2Y0A21YK0F (cảm biến hồng ngoại – xuất tín hiệu analog), HC-SR04 (cảm biến siêu âm – xuất tín hiệu digital) và VL53L0X (cảm biến laser ToF – giao tiếp I2C).

Mỗi loại có những đặc điểm riêng, với ưu nhược điểm khác nhau, phù hợp với từng nhu cầu ứng dụng cụ thể. Dưới đây là bài viết phân tích và so sánh chi tiết ba loại cảm biến này.

1. Nguyên lý hoạt động

1.1 GP2Y0A21YK0F Cảm biến hồng ngoại

Cảm biến GP2Y0A21YK0F hoạt động dựa trên nguyên lý phản xạ tia hồng ngoại. Bên trong cảm biến, một đèn LED hồng ngoại phát ra chùm tia sáng theo một góc cố định. Khi tia sáng này gặp vật cản phía trước, một phần sẽ bị phản xạ trở lại và được bộ thu của cảm biến ghi nhận.

Dựa trên cường độ cũng như góc phản xạ của tia sáng phản hồi, cảm biến xác định khoảng cách đến vật thể. Nhờ cơ chế này, GP2Y0A21YK0F có thể hoạt động tốt trong nhiều điều kiện ánh sáng khác nhau. Tuy nhiên, nó có thể bị ảnh hưởng nếu vật thể có bề mặt phản xạ kém hoặc trong môi trường có nhiều nguồn sáng hồng ngoại gây nhiễu.

1.2 HC-SR04 Cảm biến siêu âm

Cảm biến HC-SR04 đo khoảng cách đến vật thể bằng nguyên lý sóng siêu âm. Cấu tạo của nó gồm hai bộ phận chính: một bộ phát (transmitter) tạo ra xung siêu âm và một bộ thu (receiver) để nhận sóng phản xạ. Khi hoạt động, cảm biến phát ra sóng siêu âm có tần số khoảng 40kHz. Sóng này di chuyển trong không khí và khi chạm vào vật thể, nó sẽ dội ngược lại, được bộ thu tiếp nhận để tính toán khoảng cách.

1.3 VL53L0X Cảm biến laser

Cảm biến VL53L0X hoạt động dựa trên công nghệ Time-of-Flight (ToF), cho phép đo khoảng cách bằng cách xác định thời gian một chùm tia laser di chuyển đến vật thể và phản xạ trở lại. Bên trong cảm biến có một nguồn phát laser hồng ngoại và một bộ thu cảm quang để ghi nhận tia phản hồi.

Khi cảm biến phát ra một xung laser, tia sáng này di chuyển với tốc độ cực cao, chạm vào vật thể rồi quay trở lại bộ thu. Nhờ phương pháp này, VL53L0X có độ chính xác cao và ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện ánh sáng môi trường. Tuy nhiên, hiệu quả đo lường có thể giảm nếu vật thể có bề mặt hấp thụ mạnh, khiến tia laser phản xạ kém.

2. Bảng so sánh chi tiết

3. Chọn cảm biến phù hợp

Việc lựa chọn cảm biến khoảng cách phụ thuộc vào nhu cầu và điều kiện sử dụng cụ thể:

• GP2Y0A21YK0F: Thích hợp cho các ứng dụng cần cảm biến đơn giản, sử dụng tín hiệu analog, với phạm vi đo từ 10 cm đến 80 cm. Loại này phù hợp cho robot tránh vật cản, thiết bị gia dụng, nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi ánh sáng mạnh trong môi trường.
• HC-SR04: Là lựa chọn kinh tế nếu cần đo khoảng cách xa (2 cm - 400 cm) mà không đòi hỏi độ chính xác cao. Cảm biến này thường được dùng trong robot tránh vật cản, đo mức chất lỏng, nhưng có thể bị nhiễu trong môi trường có nhiều sóng siêu âm.
• VL53L0X: Nếu yêu cầu độ chính xác cao, ổn định trong điều kiện ánh sáng thay đổi và phạm vi đo từ 30 mm đến 2000 mm, đây là lựa chọn tối ưu. Cảm biến này phù hợp cho robot, hệ thống nhận diện cử chỉ, an ninh, và có thể triển khai nhiều cảm biến cùng lúc mà không bị nhiễu.

4. Kết luận

Mỗi loại cảm biến khoảng cách đều có những ưu nhược điểm riêng, phù hợp với từng mục đích sử dụng. Nếu cần đo khoảng cách ngắn với độ chính xác vừa phải, GP2Y0A21YK0F là một lựa chọn hợp lý.

Đối với các ứng dụng yêu cầu đo khoảng cách xa với chi phí thấp nhưng không đòi hỏi độ chính xác cao, HC-SR04 là giải pháp phù hợp. Trong khi đó, nếu cần độ chính xác cao và khả năng đo ổn định trên nhiều loại bề mặt, VL53L0X sẽ là lựa chọn tối ưu.

Tùy vào yêu cầu thực tế của ứng dụng, bạn có thể chọn loại cảm biến phù hợp để đảm bảo hiệu suất hoạt động tốt nhất.