Cảm biến quang: Khái niệm, cấu tạo, phân loại và ứng dụng

Tìm hiểu cảm biến quang là gì ?

Cảm biến quang là tổ hợp của các linh kiện quang điện và có tên tiếng Anh là Photoelectric Sensor. Thiết bị này sẽ thay đổi trạng thái khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của nó. Cảm biến quang dựa vào ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để nhận biết sự có mặt của vật thể. Khi bộ phận thu có sự thay đổi thì mạch điều khiển của thiết bị này sẽ cho ra tín hiệu ở ngõ OUT.

Cảm biến quang điện có vai trò rất quan trọng đối với lĩnh vực công nghiệp tự động hóa. Nếu không có thiết bị này thì rất khó để có tự động hóa, cũng tương tự như làm việc nhưng không nhìn được vậy.

Tìm hiểu cấu tạo của cảm biến quang gồm những gì?

Một cảm biến quang thường được cấu tạo từ 3 bộ phận chính là bộ phận thu sáng, bộ phận phát sáng và mạch xử lý tín hiệu đầu ra. Chúng có đặc điểm như sau:

Bộ phận thu sáng

Trong cảm biến quang, bộ thu sáng thường là một phototransistor (tên gọi khác là tranzito quang). Bộ phận này có nhiệm vụ cảm nhận ánh sáng rồi chuyển đổi nó thành tín hiệu điện tỉ lệ.

Hiện nay, một số loại cảm biến quang điện dùng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC – Application Specific Integrated Circuit. Mạch này sẽ tích hợp toàn bộ các bộ phận khuếch đại, quang, mạch xử lý và chức năng vào trong một vi mạch (IC).

Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng phản xạ từ vật thể nhận biết được (phản xạ khuếch tán) hoặc ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (trường hợp của loại thu-phát).

Bộ phận phát sáng

Đa phần các loại cảm biến quang thường dùng đèn bán dẫn LED và ánh sáng phát ra thường có dạng xung. Nhịp điệu xung đặc biệt sẽ giúp thiết bị phân biệt được ánh sáng của cảm biến hay là ánh sáng từ những nguồn khác (mặt trời, ánh sáng phòng).

Một số loại LED thông dụng nhất là LED hồng ngoại, LED đỏ hay LED laser. Một số dòng cảm biến quang điện đặc biệt thì sử dụng LED trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra, LED vàng cũng được sử dụng trong một số trường hợp.

Mạch xử lý tín hiệu đầu ra

Mạch đầu ra có chức năng chuyển tín hiệu tỷ lệ (analogue) từ tranzito quang sang tín hiệu ON/OFF được khuếch đại. Tín hiệu đầu ra của cảm biến được kích hoạt khi lượng ánh sáng thu được vượt mức ngưỡng được xác định.

Một số loại cảm biến thế hệ trước vẫn còn được dùng khá phổ biến sẽ tích hợp mạch nguồn và sử dụng tín hiệu ra là tiếp điểm relay (rơ-le). Còn các loại cảm biến quang hiện nay thường dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN). Bên cạnh đó, một số cảm biến còn được trang bị tín hiệu tỉ lệ ra nhằm phục vụ cho các ứng dụng đo đếm.

Các loại cảm biến quang thông dụng nhất hiện nay

Hiện nay, cảm biến quang điện cung cấp trên thị trường có nhiều loại khác nhau tùy vào ứng dụng. Tuy nhiên, theo quan sát của mình thì chỉ có 4 loại dễ bắt gặp nhất là: Cảm biến quang thu phát độc lập, khuếch tán, phản xạ gương và phát hiện màu. Các loại cảm biến quang này có đặc điểm và nguyên lý hoạt động như sau:

Cảm biến quang thu phát độc lập

Đây là loại cảm biến ánh sáng không phản xạ. Chính vì thế, nó cần một thiết bị phát ánh sáng và một thiết bị thu ánh sáng lắp đối diện nhau để có thể hoạt động được. Thiết bị này được ứng dụng trong môi trường có tính chất phản xạ ánh sáng cao, bề mặt hấp thụ ánh sáng,… không thể sử dụng cảm biến thu phát chung.

Đặc điểm: Cảm biến quang thu phát độc lập không bị ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt. Nó có khoảng cách phát hiện lên đến 60m.

Nguyên lý hoạt động:

• Trong trạng thái không có vật cản: Cảm biến phát ánh sáng và cảm biến thu ánh sáng hoạt động liên tục với nhau.
• Trong trạng thái có vật cản: Cảm biến phát ánh sáng nhưng cảm biến thu bị vật cản che chắn nên không thu được ánh sáng như mong muốn.

Cảm biến quang khuếch tán

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán là thiết bị có bộ thu và bộ phát chung. Chúng thường được ứng dụng nhằm phát hiện các vật thể trên các thiết bị máy móc tự động. Nó sẽ giám sát xem các thiết bị có được lắp đặt đúng vị trí hay không. Chính vì thế, bạn sẽ dễ dàng bắt gặp chúng tại các dây chuyền sản xuất, đóng gói hay đếm để cho hàng hóa vào thùng, lô.

Đặc điểm: Các cảm biến quang khuếch tán bị ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt. Khoảng cách tối đa có thể phát hiện được là 2m.

Nguyên lý hoạt động:

Tương tự như trên, cảm biến loại này cũng hoạt động theo 2 trạng thái như sau:

• Trong trạng thái báo có vật cản: Thiết bị cảm biến dạng khuếch tán phát ánh sáng liên tục từ bộ phát tới bề mặt vật cản. Khi đó, ánh sáng phản xạ sẽ quay ngược về vị trí thu sáng.
• Trong trạng thái không vật cản: Khi không có vật cản thì ánh sáng không thể phản xạ về vị trí thu. Nói cách khác, bề mặt vật thể không phản xạ ánh sáng về vị trí thu.

Cảm biến quang phản xạ gương

Bộ cảm biến quang điện loại này là cảm biến có bộ phát và thu ánh sáng nằm trong cùng một thiết bị. Gương phản xạ chính là một lăng kính đặc biệt và được trang bị kèm theo cảm biến quang. 

Đặc điểm: Loại cảm biến phản xạ gương này là lắp đặt cực thuận tiện, tiết kiệm dây dẫn. Nó có thể phát hiện được các vật thể mờ, thậm chí là trong suốt,… Khoảng cách tối đa để thiết bị này nhận biết được vật thể là 15m.

Nguyên lý hoạt động:

Khi cảm biến làm việc, bộ phát sáng sẽ phát ánh sáng tới gương, lúc này sẽ có 2 trường hợp xảy ra:

• Khi không có vật cản: Trong trường hợp này thì gương sẽ phản xạ lại bộ thu ánh sáng.
• Khi có vật cản đi qua: Tần số của ánh sáng phản xạ bị thay đổi hoặc bị mất đi ánh sáng thu. Điều này sẽ làm cảm biến xuất tín hiệu điện NPN, PNP,…

Cảm biến quang phát hiện màu (tên gọi khác: cảm biến màu sắc)

Để cảm biến này nhận dạng được màu sắc thì chúng ta buộc phải “dạy” nó nhận biết các màu sắc cần tìm ra. Sử dụng thuật ngữ “dạy” có thể gây khó hiểu. Thực tế thì điều này khá đơn giản bởi nhà sản xuất đã lập trình sẵn. Bạn sử dụng thì chỉ cần cài đặt để cảm biến nhận dạng màu trước khi hoạt động mà thôi.

Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến màu sắc cũng là một loại cảm biến quang thu phát chung. Thiết bị này hoạt động tương tự như cảm biến phản xạ khuếch tán đã giới thiệu ở. Tuy nhiên, cảm biến này chỉ khi nhận được đúng màu đã học mới phát ra tín hiệu điện NPN, PNP,…

Đánh giá ưu điểm và nhược điểm của cảm biến quang là gì?

Mỗi thiết bị điện tử đều có ưu và nhược điểm riêng và cảm biến quang điện cũng không ngoại lệ. Dưới đây một số đánh giá về ưu và nhược điểm của thiết bị này

Ưu điểm của cảm biến quang

• Không cần tiếp xúc với vật thể mà vẫn có phát hiện được chúng từ khoảng cách xa. Một số thiết bị có thể lên tới 100m.
• Ít bị hao mòn, tính ổn định cao, tuổi thọ lâu dài và độ chính xác lớn.
• Có thể phát hiện được nhiều loại vật thể khác nhau.
• Thời gian đáp ứng nhanh và có thể điều chỉnh độ nhạy tùy vào mục đích sử dụng.

Nhược điểm của cảm biến quang

• Nếu bề mặt của cảm biến bị bẩn thì nó sẽ không hoạt động tốt được.
• Khoảng cách để cảm biến phát hiện ra vật còn bị phụ thuộc nhiều về màu sắc và hệ số phản xạ của vật thể đó.

Khám phá ứng dụng của cảm biến quang là gì?

Khi nhắc đến ứng dụng của cảm biến này, chúng ta có thể liệt kê ra rất nhiều. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến nhất của cảm biến quang:

• Phát hiện vật hoặc người đi qua cửa.
• Phát hiện xe trong bãi giữ xe.
• Kiểm soát sự an toàn khi mở hay đóng cửa nhà xe.
• Tìm ra các chai bị thiếu nhãn trong dây chuyền sản xuất.
• Kiểm tra sản phẩm đi qua trong quá trình sơ chế, rửa, đóng gói,…
• Kiểm tra đường đi của thực phẩm, xe ô tô,… trên băng tải.
• Đếm sản phẩm đóng chai di chuyển trên băng tải với tốc độ cao.
• Xác định được mức độ đầy của nước giải khát, cà phê, chất lỏng ở trong lon.
• Bật vòi nước rửa thông qua sóng của bàn tay.

Một thiết bị cảm biến quang có thông số như thế nào?

Một cảm biến quang thường có một vài thông số cần lưu ý là:

• Loại cảm biến: Thu – phát, màu sắc, phản xạ gương hay phản xạ khuếch tán.
• Nguồn cấp: Thiết bị sử dụng nguồn 24-240VDC ±10%(Ripple P-P:Max. 10%), 24-240VAC ±10% 50/60Hz, 12-24VDC.
• Ngõ ra: Tiếp điểm rơ-le 30VDC 3A, 250VAC 3A tải thuần trở và cấu tạo tiếp điểm: 1c.
• Khoảng cách phát hiện: Khoảng 15m (cảm biến thu – phát); 700mm (phản xạ khuếch tán); 0.1~3m, 0.1~5m (loại phản xạ gương).
• Độ trễ: Với cảm biến phản xạ khuếch tán thì độ trễ lớn nhất là 20% khoảng cách cài đặt định mức.
• Vật phát hiện chuẩn: Vật thể mờ đục Ø15 mm (loại thu-phát), vật mờ đục Ø60 mm (cảm biến phản xạ gương), vật mờ đục – trong mờ (thiết bị phản xạ khuếch tán).
• Nguồn sáng: Các cảm biến sử dụng LED hồng ngoại (940nm),  LED đỏ (660nm), LED hồng ngoại ( 850nm).
• Chế độ hoạt động: Người dùng có thể chọn  Dark ON hoặc Light ON bằng công tắc.
• Chỉ thị hoạt động: Đèn LED xanh lá thể hiện chỉ thị nguồn và sự ổn định. Còn đèn LED vàng thể hiện chỉ thị hoạt động.
• Thời gian đáp ứng: Max.1ms, 20ms
• Điều chỉnh độ nhạy: Sử dụng biến trở điều chỉnh.

Hướng dẫn cách điều chỉnh độ nhạy của cảm biến quang

Các loại cảm biến quang điện tiêu chuẩn trên thị trường thường có 2 cách chỉnh độ nhạy như sau:

Điều chỉnh ngưỡng

Bạn có thể điều chỉnh mức ngưỡng hoặc các gọi khác là mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu ra. Khi thiết bị thu được ánh sáng bằng hoặc lớn hơn ngưỡng thì nó sẽ xuất tín hiệu ra. Trên thực tế, việc thay đổi ngưỡng sẽ làm giảm hoặc tăng khoảng cách phát hiện của cảm biến.

Bên cạnh đó, việc chỉnh ngưỡng cũng có thể khiến cảm biến nhạy hơn và phát hiện được vật nhỏ hơn hoặc những vật trong mờ. Một số thương hiệu cảm biến quang cung cấp một biến trở vặn vít để ta điều chỉnh ngưỡng. Một số khác còn thiết kế nút đặt ngưỡng (teach) để có ngưỡng phù hợp nhất cho từng mục đích sử dụng cụ thể.

Công tắc chuyển Light-On/Dark-On

Ngoài cách đã hướng dẫn ở trên, các bạn có thể sử dụng công tắc Light-On/Dark-On để thay đổi tình trạng đầu ra của cảm biến quang.

Một số hãng sản xuất cảm biến quang nổi tiếng

Trên thị trường xuất hiện các thiết bị cảm biến quang điện đến từ nhiều hãng sản xuất khác nhau. Trong đó, mỗi hãng sẽ có những loại đặc trưng riêng, dưới đây là một số thương hiệu sản xuất cảm biến quang nổi tiếng:

• Cảm biến quang Sick – Đức
• Cảm biến quang IFM – Đức
• Cảm biến quang Omron – Nhật Bản
• Cảm biến quang Panasonic – Nhật Bản
• Cảm biến quang Keyence – Nhật Bản
• Cảm biến quang Yamatake – Nhật Bản
• Cảm biến quang Sunx – Nhật Bản
• Cảm biến quang Autonics – Hàn
• Cảm biến quang Schneider – Pháp

Trên đây là một số thông tin cơ bản về cảm biến quang là gì? Có bao nhiêu loại cảm biến quang được sử dụng phổ biến hiện nay? Ngoài ra, chúng ta cũng biết được thiết bị cảm biến này có những ưu, nhược điểm gì và các ứng dụng của nó trong thực tế. Hy vọng những thông tin về cảm biến quang điện trên đây sẽ hữu ích đối với các bạn!

Xem thêm:

• Cảm biến hồng ngoại là gì? Phân loại, nguyên lý hoạt động
• Động cơ giảm tốc: Cấu tạo, phân loại, chức năng, nguyên lý hoạt động
• Van 1 chiều máy nén khí – Vai trò, lắp đặt, nguyên lý hoạt động
• Cách chỉnh áp suất máy rửa xe mini đúng chuẩn kỹ thuật, an toàn cho máy
• Đầu máy rửa xe piston sứ là gì? Có nên lựa chọn sử dụng hay không?