[ KIẾN THỨC] Cảm Biến Quang Là Gì? Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt động

Chào cả nhà, trong bài viết này Dung chia sẻ một số kiến thức về loại thiết bị cảm biến có khả năng phát hiện đồ vật hay vật thể. Các bạn biết đó là gì không? Chính là cảm biến quang thiết bị được sử dụng khá phổ biến hiện nay trên thị trường.

Việc ngày càng có nhiều công nghệ tiên tiến thay thế con người thì các cảm biến cũng được sử dụng đến nhiều hơn trong sản xuất và chế tạo. Hôm nay mình và các bạn sẽ tìm hiểu cảm biến biến quang là gì hay còn gọi là khái niệm cảm biến quang? Cấu tạo của cảm biến quang? Cách thức phân loại như thế nào ? Nguyên lý hoạt động cảm biến quang và các thông tin chi tiết có liên quan khác. Từ đó các bạn sẽ có thêm cái nhìn tổng quan hơn về thiết bị này nhằm phục vụ cho công việc nhé.

Table of Contents

Toggle

• Cảm biến quang là gì?
• Cấu tạo của cảm biến quang?
  • Bộ phận phát ánh sáng:
  • Bộ phận thu ánh sáng:
  • Mạch xử lý tín hiệu điện
• Có bao nhiêu loại cảm biến quang?
  • 1.Cảm biến quang khuếch tán ( Diffuse reflection sensor):
    • Đặc điểm của cảm biến quang khuếch tán
    • Nguyên lý hoạt động cảm biến quang khuếch tán:
  • 2.Cảm biến quang thu phát chung ( Through – beam sensor)
    • Đặc điểm của cảm biến:
    • Nguyên lý hoạt động cảm biến quang thu phát chung
  • 3.Cảm biến quang phản xạ gương (Retro – reflection sensor)
    • Đặc điểm của cảm biến phản xạ gương:
    • Nguyên lý hoạt động cảm biến phản xạ gương:
  • Cảm biến quang phát hiện màu (cảm biến màu sắc)
• Ứng dụng của cảm biến quang ở đâu ?
• Các thông số của cảm biến quang là gì?
• Cách điều chỉnh độ nhạy cảm biến như thế nào?
• Ưu nhược điểm của cảm biến quang là gì?
  • Ưu điểm cảm biến quang:
  • Nhược điểm cảm biến quang: 
• Các hãng sản xuất cảm biến quang?
• Tóm tắt: 

Cảm biến quang là gì?

Cảm biến quang (tên tiếng anh là Photoelectric Sensor) là tổ hợp của các linh kiện quang điện. Có thể phát hiện vật thể từ xa, đo lường khoảng cách hoặc tốc độ di chuyển của đối tượng.

Thiết bị này khi tiếp xúc với ánh sáng chúng sẽ thay đổi trạng thái. Cảm biến quang sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Khi có sự thay đổi ở bộ phận thu thì mạch điều khiển của cảm biến quang sẽ cho ra tín hiệu OUT.

Các bạn có thể hình dung thế này. Cảm biến quang điện là thiết bị phát ra chùm tia ánh sáng dạng tần số chiếu vào vật thể cần phát hiện hoặc gương. Khi vật thể đi qua sẽ ảnh hưởng đến tần số của bộ thu sáng. Sự thay đổi này được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào.

Cảm biến quang là thiết bị đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa. Nếu không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa, giống như làm việc mà không nhìn thấy.

Cấu tạo của cảm biến quang?

Thông thường thì với một cảm biến thu phát sẽ có 3 bộ phận chính bao gồm:

• Bộ phận phát ánh sáng.
• Bộ phận thu ánh sáng
• Mạch xử lý tín hiệu điện

Các bạn hãy nhìn hình ảnh mô tả bên dưới

Giờ chúng ta tìm hiểu chức năng của từng phần cảm biến quang nhé.

Bộ phận phát ánh sáng:

Hầu hết thì các loại cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED và ánh sáng được phát ra thường sẽ theo dạng xung( tần số). Tần số ánh sáng này( nhịp điệu xung ) được hãng thiết kế đặc biệt để bụ thu ánh sáng (cảm biến) phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khá.

Ví dụ: ánh sáng tự nhiên (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng).

Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra thì trong một số trường hợp chúng ta cũng có thể thấy loại LED vàng.

Bộ phận thu ánh sáng:

Có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ bộ phát sáng nó gọi là một phototransistor hay còn gọi là tranzito quang. Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ.

Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC). Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán).

Mạch xử lý tín hiệu điện

Khi tiếp nhận tín hiệu từ bộ thu ánh sáng. Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại. Tín hiệu ngõ ra thường dùng nhất là NPN, PNP,… Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt. Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm.

Có bao nhiêu loại cảm biến quang?

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cảm biến quang khác nhau. Tuy nhiên nguyên lý làm việc chung vẫn giống nhau. Nhưng chi tiết từng loại lại khác nhau đôi chút. Hiện nay trên thị trường mình thấy có 4 loại cảm biến quang điện là dễ dàng bắt gặp nhất. Chúng ta cùng khám phá từng loại nhé.

1.Cảm biến quang khuếch tán ( Diffuse reflection sensor):

Đặc điểm của cảm biến quang khuếch tán

Thiết bị cảm biến quang phản xạ khuếch tán là loại cảm biến có bộ thu và phát chung. Thường được dùng để phát hiện các vật thể trên hệ thống máy móc tự động. Giám sát các thiết bị đã được lắp đúng vị trí hay chưa.

Đặc điểm nổi bật là bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách tối đa 2m. Các bạn có thể dễ dàng bắt gặp chúng trong các dây chuyền sản xuất, đóng gói sản phẩm cũng như đếm các sản phẩm để cho vào một thùng hay bộ lô.

Nguyên lý hoạt động cảm biến quang khuếch tán:

Cảm biến dạng này sẽ hoạt động theo 2 trạng thái duy nhất đó là:

• Trạng thái báo phát hiện vật cản: cảm biến phát ánh liên tục từ bộ phát đến bề mặt vật cản. Ánh sáng phản xạ đi ngược về vị trí thu sáng
• Trạng thái không vật cản: Khi không có vật cản đi vào, ánh sáng không phản xạ về vị trí thu được hoặc bề mặt vật không phản xạ ánh sáng về vị trí thu.

2.Cảm biến quang thu phát chung ( Through – beam sensor)

Đặc điểm của cảm biến:

Loại cảm biến quang thu phát độc lập là cảm biến ánh sáng không phản xạ. Để hoạt động được cần một con phát ánh sáng và một con thu ánh sáng lắp đối diện với nhau. Đặc điểm của dòng cảm biến này là không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách phát hiện đến 60m.

Nguyên lý hoạt động cảm biến quang thu phát chung

Loại cảm biến này cũng hoạt động theo 2 trạng thái duy nhất đó là:

• Trạng thái không có vật cản: cảm biến phát ánh sáng và cảm biến thu ánh sáng. Quá trình phát và thu ánh sáng liên tục với nhau
• Trạng thái có vật cản: cảm biến phát vẫn phát ánh sáng nhưng cảm biến thu ánh sáng không thu được ánh sáng (bị vật cản che chắn)

3.Cảm biến quang phản xạ gương (Retro – reflection sensor)

Đặc điểm của cảm biến phản xạ gương:

Bộ cảm biến quang điện phản xạ gương là cảm biến có bộ phát ánh sáng và thu ánh sáng trên cùng một thiết bị. Gương phản xạ là một lăng kính đặc biệt được trang bị kèm với cảm biến quang. Đặc điểm của dòng cảm biến này là lắp đặt thuận tiện, tiết kiệm dây dẫn, phát hiện được vật trong suốt, mờ,… khoảng cách tối đa 15m

Nguyên lý hoạt động cảm biến phản xạ gương:

Khi cảm biến hoạt động bộ phát ánh sáng sẽ phát ánh sáng đến gương, sẽ có 2 trường hợp:

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

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

Cảm biến biến nhận dạng màu sắc. Để nhận dạng được màu sắc bắt buộc chúng ta phải ” dạy ” cảm biến nhận biết màu sắc cần nhận biết. Thuật ngữ dạy cảm biến nghe có vẽ khó hiểu. Nhưng thực chất cũng khá đơn giản, vì nhà sản xuất đã lập trình sẵn. Khi sử dụng chỉ việc cài đặt cho cảm biến nhận dạng màu trước hoạt động thế thôi.

Nguyên lý hoạt động : Cảm biến quang phát hiện màu cũng là loại cảm biến thu phát chung. Nó hoạt động tương tự như cảm biến quang phản xạ khuếch tán. Nhưng cảm biến chỉ nhận đúng màu đã học mới phát tín hiệu điện NPN, PNP,…

Ứng dụng của cảm biến quang ở đâu ?

Khi nói về ứng dụng của cảm biến quang thì sẽ có rất nhiều nơi và lý do để chúng ta sử dụng tới loại thiết bị này. Tuy nhiên như thế thì sẽ rất mất thời gian, chính vì thế mà theo mình nghĩ mình sẽ liệt kê các ứng dụng tiêu biểu một cách ngắn gọn thôi nhé. Chúng ta có thể sử dụng cảm biến quang trong một số ứng dụng như sau:

• Phát hiện người và vật đi qua cửa
• Phát hiện xe trong bãi giữ xe
• Phát hiện các nhãn bị thiếu trên chai
• Kiểm tra sản phẩm đi qua trong quá trình rửa, sơ chế, đóng gói, thành phẩm,…
• Kiểm tra đường đi của xe ô tô, thực phẩm đóng hộp, nước đóng chai,… trên băng tải
• Xác định được mức độ cao đầy của mực cà phê, nước ngọt,nước khoáng chất lỏng,.. trong lon, hộp,…
• Đếm chai di chuyển trên băng tải tốc độ cao
• Đếm số lượng hoa quả để cho vào một thùng chứa
• Đảm bảo kiểm soát an toàn khi mở và đóng cửa nhà xe
• Bật vòi nước rửa bằng sóng của bàn tay.
• Và còn rất nhiều ứng dụng khác nữa,…

Các thông số của cảm biến quang là gì?

Thông thường thì với một cảm biến quang chúng ta sẽ có các thông số cấu tạo cần lưu ý như sau:

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

Cách điều chỉnh độ nhạy cảm biến như thế nào?

Các loại cảm biến quang tiêu chuẩn trên thị trường hiện nay sẽ thường có 2 khả năng chỉnh độ nhạy:

• Điều chỉnh ngưỡng: người sử dụng có thể điều chỉnh mức ngưỡng hay còn gọi là mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu ra. Khi ánh sáng thu được bằng hoặc lớn hơn ngưỡng, sẽ có tín hiệu xuất ra. Trong thực tế, thay đổi ngưỡng sẽ dẫn đến tăng hoặc giảm khoảng cách phát hiện. Việc chỉnh ngưỡng cũng có thể giúp cảm biến nhạy hơn, phát hiện được vật nhỏ hơn hoặc các vật trong mờ. Một vài nhãn hiệu cảm biến quang có một biến trở vặn vít để điều chỉnh ngưỡng. Một số khác còn có nút đặt ngưỡng (teach) để có ngưỡng thích hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể.
• Công tắc chuyển Light-On / Dark-On: công tắc L-On / D-On thay đổi tình trạng đầu ra cảm biến.

Ưu nhược điểm của cảm biến quang là gì?

Hầu như các thiết bị điện tử nào cũng đều có những ưu và nhược điểm riêng cả, và cảm biến quang cũng là một trong số đó.

Ưu điểm cảm biến quang:

• Phát hiện vật thể từ khoảng cách xa mà không cần tiếp xúc với vật thể đó, lên tới 100
• Ít bị hao mòn, tuổi thọ và độ chính xác cao, tính ổn định cao
• Có thể phát hiện nhiều vật thể khác nhau
• Thời gian đáp ứng nhanh, có thể điều chỉnh độ nhạy theo ứng dụng.

Nhược điểm cảm biến quang: 

• Cảm biến sẽ hoạt động không tốt nếu như bề mặt của nó bị bẩn, nhất là sử dụng trong các môi trường có nhiều bụi.
• Khoảng cách nhận biết vật phụ thuộc nhiều về yếu tố màu sắc và hệ số phản xạ của vật đó.

Các hãng sản xuất cảm biến quang?

Có rất nhiều hãng sản xuất cảm biến quang khác nhau trên thị trường hiện nay. Mỗi hãng đều có những loại đặc trưng cho riêng mình, cụ thể theo mình tìm hiểu được sẽ có các hãng như:

• Cảm biến quang Sick – Đức
• Cảm biến quang IFM – Đức
• Cảm biến quang Schneider – Pháp
• 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

Tóm tắt: 

Trên đây là một số thông tin và kiến thức cơ bản về cảm biến quang là gì? cấu tạo và nguyên lý hóa động của nó. Hy vọng nó sẽ cần thiết cho những bạn đang cần tìm hiểu, vì là kiến thức cá nhân và thu thập được trên trang mạng nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong được sự đóng góp của các bạn để bài viết được hoàn hảo hơn.

Đây là bài viết chia sẻ kiến thức, bên mình không kinh doanh mặt hàng này. Vui lòng không gọi điện, nhắn tin hỏi hàng. Xin cám ơn !