Cảm biến quang là gì? Kiến thức cơ bản về cảm biến quang

1. Cảm biến quang là gì?

– Cảm biến quang là gì? Cảm biến quang (tên tiếng Anh là Photoelectric sensor) là một thiết bị sử dụng các linh kiện quang điện để phát hiện sự thay đổi của vật thể. Khi ánh sáng chiếu vào cảm biến quang, các linh kiện quang điện sẽ thay đổi trạng thái dựa trên hiện tượng phát xạ điện tử ở cực Cathode. Tín hiện quang sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện để cảm biến quang có khả năng phát hiện sự hiện diện của vật thể.
– Cảm biến quang là một thiết bị quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp hóa do chúng có khả năng phát hiện các vật thể từ xa, đo lường khoảng cách và tốc độ di chuyển của các vật thể đó.

2. Cấu tạo của cảm biến quang

Cảm biến quang được có cấu tạo bao gồm 3 bộ phận chính là bộ thu ánh sáng, bộ phát ánh sáng và mạch xử lý tính hiệu:
– Bộ phận phát sáng: Bộ phận này của cảm biến quang thường sử dụng LED bán dẫn, có vai trò phát ra ánh sáng dạng xung. Bộ phận này sẽ giúp cảm biến phân biệt nguồn sáng từ cảm biến và ánh sáng từ nhiều nguồn khác nhau như ánh sáng mặt trời, đèn điện,… Bộ phát ánh sáng phổ biến sẽ bao gồm đèn LED đỏ, hồng ngoại, laser

–  Bộ phận thu sáng: Bộ phận thu sáng của cảm biến quang sẽ cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu. Bộ phận này sẽ giúp nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phận phát sáng hay ánh sáng phản xạ từ các vật bị phát hiện.

– Mạch xử lý tín hiệu: Bộ phận này tiếp nhận tín hiệu từ bộ phận thu sáng và chuyển tín hiệu theo tỉ lệ tranzito thành chế độ ON/OFF. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt.

3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang

Cảm biến quang hoạt động dựa trên nguyên lý phát ánh sáng từ bộ phận phát sáng, sau đó bộ phận thu sáng tiếp nhận và phân loại ánh sáng đó trước khi chuyển đến bộ phận xử lý tín hiệu điện. Tại đây, tín hiệu sẽ được chuyển đổi theo tỉ lệ tranzito thành hai chế độ ON/OFF để phát hiện sự có mặt của vật thể. Trong đó, loại tín hiệu ra được sử dụng phổ biến nhất là NPN và PNP để đảm bảo tính độc lập và hiệu quả cho thiết bị. Cảm biến quang có tính năng phát hiện vật thể từ xa và độ chính xác cao, do đó chúng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.

4. Phân loại cảm biến quang

Cảm biến quang được chia thành nhiều loại khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng. Chúng ta có thể phân loại cảm biến quang thành 3 loại chính như sau:

a. Cảm biến quang thu phát riêng

– Cảm biến này bao gồm bộ phát ánh sáng và bộ thu ánh sáng của cảm biến quang sẽ được đặt ở vị trí đối nhau. Điều này giúp cho ánh sáng có thể dễ dàng đi từ bộ phát đến bộ thu. Khi có vật cản đi qua vị trí ở giữa 2 cảm biến, chúng sẽ làm ánh sáng gián đoạn do đó lượng ánh sáng đi đến bộ thu cũng sẽ giảm đi. Sự thay đổi này sẽ giúp cho cảm biến có thể cảm nhận và phát hiện ra vật.
– Đặc trưng của cảm biến thu phát riêng:
+ Cảm biến xuyên tia có tính năng làm việc ổn đinh.
+ Khả năng cảm biến ở khoảng cách rộng lên đến 60 mét.
+ Khả năng cảm biến không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, độ bóng hay bề mặt của vật thể.

b. Cảm biến quang phản xạ khuếch tán

– Loại cảm biến quang này có bộ phát và bộ thu đều lắp trên 1 vị trí trên vỏ. Thiết kế này khiến ánh sáng sẽ đi từ bộ phát đến trực tiếp đối tượng cảm biến mà không cần đi qua bộ thu.

+ Khi có vật cản, cảm biến sẽ phát ra ánh sáng liên tục từ bộ phát đến bề mặt vật cản, ánh sáng phản xạ lại từ vật cản sẽ đi ngược lại về bộ phận thu sáng.

+ Ở trạng thái không có vật cản: Khi không có vật cản thì ánh sáng sẽ không phản xạ được về bộ phận thu ánh sáng.
– Đặc trưng của cảm biến phản xạ khuếch tán:

+ Phát hiện vật ở khoảng cách tối đa 2 mét. Bị ảnh hưởng bởi bề mặt và màu sắc của vật thể

+ Dễ dàng lắp đặt và điều chỉnh cường độ ánh sáng

+ Tùy theo môi trường, bề mặt, đối tượng,… mà việc thay đổi khoảng cách hay cường độ ánh sáng có sự khác biệt

c. Cảm biến quang phản xạ gương

– Đối với cảm biến quang phản xạ gương, bộ thu và bộ phát của cảm biến phản xạ gương cũng được thiết kế trên 1 vỏ. Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của thiết bị lại có sự khác biệt so với cảm biến phản xạ khuếch tán. Cảm biến quang này sẽ có ánh sáng phản xạ ngược lại đến cả bộ thu lẫn bộ phát. Khi xuất hiện vật thể thì ánh sáng của cảm biến sẽ bị gián đoạn, do đó cảm biến sẽ phát hiện được sự có mặt của vật thể.
– Đặc trưng của cảm biến phản xạ gương:
+ Có khả năng phát hiện ra vật ở khoảng cách tối đa 15 mét
+ Cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn
+ Cảm biến có thể hoạt động mà không chịu ảnh hưởng bởi màu sắc hay góc cạnh của vật, kể cả đó là những vật trong suốt.
+ Loại cảm biến này không thể dùng cho các vật có khả năng phản xạ ánh sáng từ bên ngoài. Điều này khiến cảm biến không thể cảm nhận ra sự xuất hiện của vật.
+ Vùng mù của cảm biến nằm ở khoảng cách gần.

5. Các thông số kỹ thuật chính của cảm biến quang

– Hiện nay, khi lựa chọn cảm biến quang, một trong những yếu tố quan trọng mà người dùng quan tâm đó là các thông số của cảm biến. Cảm biến quang có một số thông số đặc trưng phải kể đến như sau:
+ Nguồn điện áp cấp vào: Các cảm biến quang thường có nguồn cấp như 12-24VDC, 24-240VAC ±10% 50/60Hz, 24-240VDC ±10%.
+ Ngõ đầu ra: tiếp điểm rơ le 30VDC 3A, 250VDC 3A tải thuần trở
+ Độ trễ: Khoảng 20% khoảng cách cài đặt định mức
+ Vật phát hiện tiêu chuẩn: Vật mờ đục Ø15mm đối với cảm biến thu- phát, Ø60 với cảm biến phản xạ gương, trong và mờ đối với phản xạ khuếch tán.
+ Nguồn sáng: Sử dụng các đèn LED hồng ngoại có bước sóng 940nm, 850nm và LED đỏ (660nm)
+ Các chế độ hoạt động: Có thể lựa chọn Light On hoặc Dark On
+ Đèn báo chỉ thị khi hoạt động: Đèn LED màu xanh lá cho chỉ thị nguồn, sự ổn định, đèn LED vàng cho chỉ thị hoạt động
+ Cơ chế điều chỉnh độ nhạy

6. Ứng dụng của cảm biến quang

Qua các phần trên, Bảo An đã giúp các bạn hiểu được về cảm biến quang là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại cảm biến quang phổ biến. Vậy cảm biến quang có những ứng dụng gì trong thực tế? Hãy cùng tìm hiểu trong phần dưới đây.

Cảm biến quang có rất nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp, tự động hóa cũng như trong đòi sống. Một số ứng dụng của cảm biến quang có thể kể đến như:
– Đếm số lượng sản phẩm trên dây chuyển, băng tải.
– Kiểm tra và phát hiện các vật thể lỗi.
– Nhận diện nhãn dán trên các bao bì.
– Giám sát an toàn khi đóng-mở cửa thang máy, nhà xe.
– Bật, tắt các thiết bị tự động hóa như vòi rửa xe, cửa, hệ thống đèn,…
– Phát hiện người hoặc vật đi qua.
– Kiểm tra vị trí các chi tiết máy được lắp đặt đã đúng hay chưa?

Hình 6: Ứng dụng của cảm biến quang