Cảm biến quang là gì? Cấu tạo, phân loại và ứng dụng

Có bao nhiêu loại cảm biến quang trên thị trường? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao, ứng dụng của nó như thế nào là những điều mà một số khách hàng thắc mắc đã gửi về cho chúng tôi.Vì đây là thiết bị được sử dụng rất rộng rãi trong công nghiệp nên ThuyKhiDien quyết định dành riêng 1 bài viết về thiết bị này.

cảm biến quang

Cảm biến quang là gì?

Ở các bài viết trước, chúng tôi đã giới thiệu nhiều thiết bị điện, tự động hóa thì nay sẽ mang đến kiến thức bổ ích về cảm biến quang học.

Cảm biến quang tiếng anh là gì? Đó là Photoelectric Sensor. Nó không phải là một thiết bị riêng lẻ mà là 1 tổ hợp các linh kiện quang điện. Khi nó tiếp xúc với ánh sáng thì sẽ thay đổi trạng thái hoạt động. Đặc điểm của nó là sử dụng ánh sáng được phát ra từ bộ phận phát sáng của thiết bị để nhận biết sự xuất hiện của vật cản. Khi bộ phận thu sáng có sự thay đổi thì mạch của cảm biến sẽ xuất ra tín hiệu tại ngõ OUT.

Đối với dây chuyền, hệ thống, máy móc sản xuất tự động hóa thì cảm biến quang có vai trò cực kỳ quan trọng để thiết lập chế độ làm việc an toàn, chính xác, năng suất và hiệu quả.

cảm biến quang là gì

Cấu tạo của cảm biến quang

Một Photoelectric Sensor có cấu tạo gồm 1 bộ phận thu sáng, phát sáng và mạch xử lý tín hiệu đầu ra.

Bộ phận thu sáng

Bộ phận thu sáng là phototransistor hay còn được gọi là tranzito quang. Bộ phận này có chức năng nhận ánh sáng và biển chuyển thành tín hiệu điện tỉ lệ.

Thông dụng nhất là các cảm biến quang sử dụng mạch tích hợp chuyên dụng Application Specific Integrated Circuit hay gọi tắt là ASIC. Mạch này sẽ tích hợp những chi tiết, bộ phận khuếch đại, bộ phận quang, mạch xử lý và các chức năng vào 1 vi mạch. Bộ phận thu sẽ nhận ánh sáng trực tiếp phát ra từ bộ phát đối với loại thu phát hoặc ánh sáng được phản xạ từ vật đối với loại khuếch tán.

Bộ phận phát sáng

Theo quan sát của chúng tôi thì hầu như các cảm biến quang có trên thị trường đều là loại sử dụng đèn bán dẫn LED nên ánh sáng sẽ phát ra theo dạng xung. Chính nhờ các nhịp xung này mà cảm biến sẽ phân biệt rõ ánh sáng từ phòng, từ ánh mặt trời và ánh sáng phát ra từ cảm biến. Ba loại LED thông dụng là: Led đỏ, Led lazer, Led hồng ngoại. Bên cạnh đó, trong 1 số trường hợp thì người ta có dùng Led xanh lá, trắng hoặc vàng.

Mạch xử lý tín hiệu đầu ra

Mạch xử lý tín hiệu đầu ra sẽ thực hiện việc chuyển tín hiệu tỉ lệ analogue từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF và được khuếch đại. Khi mà lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng đã được cài đặt xác định ban đầu thì tín hiệu ra của cảm biến sẽ ngay lập tức được kích hoạt.

Nếu như trước đây người ta sử dụng cảm biến tích hợp mạch nguồn và có tín hiệu ra là tiếp để relay thì ngày này, do yêu cầu công việc mà người ta chọn cảm biến tín hiệu ra bán dẫn NPN hay PNP. Riêng đối với loại dùng để đếm hoặc đo vật thì cảm biến tín hiệu ra là tỉ lệ.

cấu tạo của cảm biến quang

Thông số của cảm biến quang

Có 11 thông số liên quan đến cảm biến quang học mà người mua cần chú ý:

+ Điều chỉnh độ nhạy: Bằng biến trở điều chỉnh.

+ Thuộc loại cảm biến nào: Phản xạ khuếch tán, phản xạ gương hay thu – phát.

+ Độ trễ: Thông thường lớn nhất 20% so với phản xạ khuếch tán (khoảng cách cài đặt định mức).

+ Nguồn cấp của thiết bị: Cảm biến có thể sử dụng các nguồn 12v, 24v hay 220v cụ thể là 24-240VDC ±10% (Ripple P-P: Max. 10%) hay là 12-24VDC, 24-240VAC ±10% 50/60Hz.

+ Thời gian đáp ứng: Tối đa 1ms và tối thiểu 20ms.

+ Ngõ ra: ngõ ra tiếp điểm relay 30VDC 3A hoặc 250VAC 3A tải thuần trở.

+ Chỉ thị hoạt động: Đèn led để chỉ thị sự hoạt động của cảm biến, đèn led xanh lá thì chỉ thị cho nguồn cấp và sự ổn định của nguồn.

+ Khoảng cách phát hiện: Đối với loại thu – phát thì 15m, đối với phản xạ khuếch tán khoảng 700m, đối với phản xạ gương thì 0.1-0.3m hoặc 0.1 -0.5m.

+ Nguồn sáng: Nguồn sáng của thiết bị có thể đến từ đèn Led đỏ, đèn Led hồng ngoại loại 850mm hoặc 940mm.

+ Chế độ hoạt động: Người dùng có thể chọn loại Dark on hoặc Light on ở công tắc.

+ Vật phát hiện: Thiết bị cảm biến quang phản xạ gương có thể vật mờ đục phi 60mm, vật mờ đục phi 15mm đối với cảm biến thu phát, còn loại phản xạ khuếch tán thì có thể phát hiện vật mờ trong lẫn vật mờ đục.

Xem ngay: Cảm biến nhiệt độ là gì? Nguyên lý, phân loại và ứng dụng

Cảm biến quang có mấy loại?

Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến quang học nhưng chúng tôi chỉ giới thiệu những thiết bị thông dụng nhất, thường gặp tại các nhà máy, xưởng sản xuất hay thiết bị, máy móc đời sống.

Cảm biến quang điện thu phát độc lập (Through – Beam Sensor)

Cảm biến quang điện thu phát độc lập là loại cảm biến đầu tiên được chúng tôi nhắc đến. Nó có tên tiếng anh là Through – Beam Sensor.

Đặc điểm

Ngoài tên gọi trên thì nó còn được gọi là cảm biến thu phát chung. Thực chất nó chính là cảm biến không phản xạ nên muốn thiết bị hoạt động được thì cần phải bố trí 1 con phát ánh sáng và 1 con thu ánh sáng đặt đối diện nhau. Người ta ưa chuộng sử dụng thiết bị này bởi vì nó có thể phát hiện ra vật ở khoảng cách 60m, hoạt động chính xác, không bị chi phối, ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt.

Nguyên lý hoạt động

Khi cảm biến này hoạt động thì nó chỉ có hai trạng thái duy nhất, đó là:

+ Trạng thái không có vật cản: Hai cảm biến phát và thu sáng sẽ diễn ra liên tục với nhau.

+ Trạng thái khi có vật cản: Cảm biến phát sáng thì vẫn phát ra ánh sáng nhưng do có vật cản ở giữa nên cảm biến thu sẽ không thu được ánh sáng.

nguyên lý cảm biến quang điện thu phát

Cảm biến quang khuếch tán (Diffuse Reflection Sensor)

Đặc điểm

Điểm để phân biệt Photoelectric Sensor với các loại khác đó là có bộ thu và bộ phát chung. Chức năng chính của nó là phát hiện các vật thể trên các máy móc của hệ thống tự động hóa công nghiệp. Giúp người điều khiển có thể giám sát được vị trí của các thiết bị đã được lắp đúng hay chưa. Vì thế mà thiết bị này có thể được dùng nhiều trong dây chuyền đóng gói sản phẩm, sản xuất chi tiết hay đếm số lượng vật để cho vào thùng hay đóng thành lô, bộ.

Tuy nhiên, khi sử dụng thiết bị này, người dùng cũng cần chú ý bởi khả năng của nó chỉ giới hạn trong phạm vi 2m. Độ chính xác của nó bị chi phối bởi các màu sắc cùng với bề mặt của vật.

Nguyên lý hoạt động

Cảm biến khuếch tán này cũng có 2 trạng thái làm việc duy nhất đó là:

+ Trạng thái không vật cản: Khi không có vật nào cản trở thì ánh sáng sẽ không được phản xạ về vị trí thu được hoặc bề mặt vật sẽ không phản xạ ánh sáng về vị trí thu.
+ Trạng thái phát hiện vật cản: Cảm biến phát sẽ phát ánh sáng liên tục vào bề mặt của vật cản nên ánh sáng phản xạ sẽ đi ngược về vị trí thu sáng.

nguyên lý cảm biến quang khuếch tán

Cảm biến quang phản xạ gương (Retro – Reflection Sensor)

Tên tiếng anh của nó là Retro – Reflection Sensor

Đặc điểm

So với các loại khác thì Retro – Reflection Sensor đặc biệt hơn về cấu trúc khi có cả bộ phát ánh sáng và bộ thu ánh sáng. Trong cảm biến này thì gương phản xạ sẽ được trang bị kèm theo. Nó đóng vai trò là một lăng kính đặc biệt. Ưu điểm nổi bật của nó chính là khả năng phát hiện được vật có định dạng mờ, trong suốt có khoảng cách tối đa là tầm 15m, tiết kiệm dây dẫn điện và lắp đặt thuận tiện.

Nguyên lý hoạt động

Loại này hoạt động khi bộ phát ánh sáng sẽ phát ra ánh sáng đến gương. Lúc này sẽ xảy ra hai trường hợp đó là:

+ Không có bất cứ vật cản nào xuất hiện thì gương sẽ thu lại toàn bộ ánh sáng.

+ Nếu có xuất hiện bất kỳ 1 vật cản hay vật đi qua thì tần số của ánh sáng phản xạ bị thay đổi hoặc bị biến mất đi ánh sáng thu. Các cảm biến sẽ xuất các tín hiệu điện NPN, PNP…

nguyên lý cảm biến quang phản xạ gương

Cảm biến quang phát hiện màu (cảm biến màu sắc)

Loại cảm biến thứ 4 thông dụng đó là loại màu sắc. Giá rẻ hơn các 3 loại trên và được dùng nhiều trong nhà máy lắp ráp.

Đặc điểm

Cảm biến màu là thiết bị có khả năng nhận biết được các màu sắc, dựa trên 3 màu cơ bản: Xanh lá, đỏ và xanh dương. Chúng ta cứ nghĩ sẽ phải thiết lập cảm biến để nhận các màu nhưng công việc đó đã được các hãng hoàn thiện.

Cảm biến quang phát hiện màu

Nguyên lý hoạt động

Người dùng chỉ cần cài đặt vài thông số đơn giản để cảm biến có thể nhận được màu. Nó cũng là một loại cảm biến thu phát chung. Hoạt động của nó tương đồng với loại cảm biến quang học phản xạ khuếch tán. Tuy nhiên, nó chỉ nhận đúng màu nó đã được cài đặt thì lúc này mới phát đi các tín hiệu PNP, NPN…

Xem thêm: Cảm biến sợi quang là gì? Phân loại và hãng sản xuất

Ưu nhược điểm Photoelectric Sensor

Không riêng gì các Photoelectric Sensor mà những thiết bị điện tử thì đều có ưu nhược điểm riêng mà các nhà khoa học cần phát huy thêm hoặc tìm hướng để khắc phục. Tìm hiểu ưu hay nhược sẽ giúp các khách hàng có thể quyết định đúng hơn khi chọn thiết bị để sử dụng.

Ưu điểm

+ Ít bị hao mòn sau một thời gian sử dụng.

+ Khi đưa vào hoạt động thì có độ chính xác, ổn định cao.

+ Có thể phát hiện các vật ở khoảng cách xa từ 100m mà không tiếp xúc gần với vật.

+ Khả năng thiết bị có thể phát hiện đồng thời nhiều vật.

+ Nó có thể tùy chỉnh độ nhạy theo từng ứng dụng, thời gian phản ứng cũng nhanh hơn.

Ưu nhược điểm Photoelectric Sensor

Nhược điểm

Tuy nhiên, dù có nhiều ưu điểm nổi bật nhưng nó vẫn không tránh khỏi những nhược điểm như:

+ Khoảng cách nhận biết cũng như độ nhạy của thiết bị phụ thuộc nhiều vào 2 yếu tố là hệ số phản xạ và màu sắc của vật.

+ Hiệu quả khi sử dụng thiết bị sẽ giảm đi nếu nó làm việc trong môi trường không được đảm bảo, bụi bặm quá nhiều cùng với lớp bụi dày bao phủ lên bề mặt thiết bị. Vì thế mà chúng tôi thường khuyên là khi dùng khách hàng nên vệ sinh định kỳ.

Ứng dụng của cảm biến quang

Nếu nói đến cảm biến quang thì chắc chắn để liệt kê ứng dụng cụ thể của nó thì khá là nhiều nên TKĐ sẽ tổng hợp những cái thông dụng và phổ biến nhất như:

+ Dùng để phát hiện con người, động vật di chuyển qua cửa và thông báo cho điều hành biết.

+ Trong sản xuất thực phẩm, nước giải khát thì thiết bị này có thể phát hiện được vỏ chai đóng thiếu nhãn.

+ Phát hiện các xe ô tô trong bãi giữ, tầng hầm.

+ Photoelectric Sensor giúp kỹ sư điều hành có thể biết được đường di chuyển của thực phẩm, nước đóng chai, đồ ăn đóng hộp, ô tô trên băng tải.

+ Bật tắt vòi nước rửa tay khi dựa vào sóng của bàn tay.

+ Kiểm tra, kiểm soát các sản phẩm đi qua tại khâu sơ chế, rửa hay đóng gói sản phẩm…

+ Đếm số lượng chai, hộp di chuyển trên băng tải với tốc độ cao.

+ Đảm bảo an toàn khi đóng và mở cửa của xe tô tô, xe tải…

+ Xác định được mức độ cao của chất lỏng được chứa trong chai, lon như: Cà phê, dầu, sữa, nước ngọt.

+ Đếm số lượng hoa quả đã được cho vào thùng và trả kết quả chính xác.

Ứng dụng của cảm biến quang

Tham khảo thêm: Cảm biến tiệm cận là gì? Đặc điểm, phân loại Proximity Sensors

Cách điều chỉnh độ nhạy của cảm biến quang

Hiện nay có 2 cách điều chỉnh độ nhạy thông dụng, đơn giản đó là:

+ Sử dụng công tắc chuyển Dark on, Light on: Hai công tắc này sẽ làm thay đổi tình trạng đầu ra của cảm biến.

+ Cách thứ 2 đó là điều chỉnh ngưỡng: Nếu nói điều chỉnh mức ngưỡng thì sẽ khó hiểu hay nói đơn giản là điều chỉnh mức ánh sáng sao cho đủ để kích hoạt đầu ra. Khi thiết bị thu được ánh sáng bằng hay lớn hơn ngưỡng đã cài đặt thì lúc này tín hiệu sẽ được xuất ra. Việc điều chỉnh ngưỡng đồng nghĩa với việc giảm hoặc tăng khoảng cách để phát hiện, cũng giúp thiết bị có thể phát hiện các vật định dạng trong mờ hoặc rất nhỏ.

Việc điều chỉnh ngưỡng trong các model hãng sẽ khác nhau: Nút đặt ngưỡng hoặc vặn vít điều chỉnh ngưỡng.

Cách điều chỉnh độ nhạy của cảm biến quang

Các hãng Photoelectric Sensor uy tín

Chỉ những Photoelectric Sensor chính hãng thì mới có thể sử dụng lâu dài và đảm bảo độ chính xác cao. Mặc dù có nhiều loại nhưng những Photoelectric Sensor có xuất xứ từ đất nước Nhật Bản luôn được khách hàng tin tưởng, lựa chọn như: Omron, Panasonic, Keyence.

Ngoài ra, người dùng có thể tham khảo các loại cảm biến khác đến từ Hàn Quốc như: Autonic hay có nguồn gốc từ Đức như: IFM, Sick…

5/5 (1 bình chọn)

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *