Cảm biến quang là gì ? Các loại cảm biến quang và ứng dụng trong thực tế.

Cảm biến quang là gì ? Các loại cảm biến quang và ứng dụng trong thực tế.

Với các bạn đang làm việc trong lĩnh vực tự động hóa chắc chắn sẽ đồng tình với mình rằng: Cảm biến quang có vai trò rất quan trọng trong việc tự động hóa nhà máy. Cảm biến quang giống như đôi mắt con người dùng để phát hiện các vật thể bằng các vật liệu khác nhau như: Kim loại, gỗ, nhựa hoặc thậm chí là một chất liệu trong suốt…

{tocify} $title = {Nội Dung Bài Viết}

Trong bài viết này, FAVN TECH sẽ cùng các bạn đi tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý, ứng dụng thực tế của các loại cảm biến quang.

Nào chúng ta cùng bắt đầu nhé !

Cảm biến quang (Photoelectric sensor) là gì ?

Cảm biến quang điện (photoelectric sensor) là một thiết bị được sử dụng để phát hiện một vật thể bằng cách sử dụng bộ phát ánh sáng, thường là tia hồng ngoại và bộ thu quang điện. 

So với các loại các biến khác như cảm biến tiệm cận, cảm biến tiếp xúc thì cảm biến quang có những ưu điểm vượt trội như: Có thể phát hiện vật thể mà không cần tiếp xúc với vật thể. Có thể phát hiện vật từ khoảng cách xa từ vài cm đến vài chục mét. Không bị hao mòn và có tuổi thọ cao. Có thời gian đáp ứng nhanh. 

Có thể phát hiện được nhiều vật thể bằng các loại vật liệu khác nhau như: Kim loại, gỗ, nhựa hoặc thậm chí là một chất liệu trong suốt…

Nhờ đó mà cảm biến quang được sử dụng rất phổ biến trong nhiều các ngành nghề và ứng dụng công nghiệp.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang.

Cấu tạo của cảm biến quang gồm ba bộ phận chính là: Bộ phát sáng, bộ thu và mạch xử lý tín hiệu đầu ra.

Bộ phát sáng: 

Hiện nay bộ phát của cảm biến quang thường được sử dụng loại đèn bán dẫn LED. Ánh sáng của LED được phát ra theo xung. 

Với sự phát sáng theo xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và các nguồn ánh sáng khác (như ánh sáng mặt trời hoặc ánh sáng các loại đèn trong phòng). Các loại LED thường được sử dụng phổ biến nhất cho bộ phát của cảm biến là LED đỏ, LED hồng ngoại.

Bộ thu sáng: 

Bộ thu sáng của cảm biến quang thường là một phototransistor (tranzito quang). Bộ phận này giúp cảm biến, 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).

Mạch xử lý tín hiệu đầu ra:

Mạch xử lý tín hiệu đầu ra có nhiệm vụ: Nhận tín hiệu từ bộ thu sáng (tranzito quang/ASIC) và chuyển tín hiệu tỷ lệ (analogue) thành tín hiệu On/Off được khuếch đại. 

Hiện nay, bên cạnh các cảm biến được tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu đầu ra là tiếp điểm rơ le. Các loại cảm biến còn thường sử dụng tín hiệu đầu ra là PNP/NPN.

Nguyên lý chung của cảm biến quang:

Bộ phát sáng của cảm biến truyền ánh sáng đi theo xung nhịp đặc biệt đến bộ thu. Khi ánh sáng phát ra bởi bộ phát bị gián đoạn hoặc bị phản xạ bởi vật thể hoặc gương, nó sẽ thay đổi lượng ánh sáng đến bộ thu. Bộ thu phát hiện sự thay đổi này và chuyển thành tín hiệu điện ở đầu ra.

Lưu ý khi sử dụng cảm biến quang:

Trong quá trình sử dụng cảm biến, các bạn có thể quan sát tín hiệu từ các đèn LED có trên thân cảm biến. Sau đó, điều chỉnh ngưỡng phù hợp để cảm biến phát hiện vật thể một cách chính xác nhất. 

Bên cạnh đó, các bạn có thể thay đổi trạng thái đầu ra bằng cách lựa chọn chế độ Light-On/Dark-On.

Các đèn báo trên thân cảm biến.

Đèn LED màu xanh: Báo mức độ ổn định, thể hiện cảm biến đang ở trạng thái phát hiện ổn định, tức là tín hiệu ON (có) hay OFF (không có) rõ ràng.

Đèn LED vàng cam hoặc đỏ sáng: Báo có tín hiệu từ đầu ra cảm biến

Chỉnh ngưỡng (khoảng cách phát hiện) của cảm biến.

Điều chỉnh ngưỡng ở đây là điều chỉnh mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu ra. Khi ánh sáng thu được bằng hoặc lớn hơn ngưỡng, sẽ có tín hiệu ở đầu ra cảm biến. Trong thực tế, thay đổi ngưỡng chính là việc các bạn điều chỉnh tăng hoặc giảm khoảng cách phát hiện của cảm biến.

Chế độ Light-On/Dark-On.

Chế độ Light-On: Tín hiệu đầu ra của cảm biến được kích hoạt khi bộ thu nhận được ánh sáng phản xạ từ vật thể.

Chế độ Dark-On: Tín hiệu đầu ra của cảm biến được kích hoạt khi bộ thu không nhận được ánh sáng.

Các loại cảm biến quang thông dụng.

Có nhiều loại cảm biến quang khác nhau. Tuy nhiên, chúng ta có thể phân loại cảm biến quang dựa theo cấu tạo và chế độ cảm biến là hai cách thường gặp.

Phân loại cảm biến quang theo cấu tạo gồm các loại như sau:

Amplifier built-in.

Đây là loại cảm biến có bộ khuếch đại được tích hợp sẵn trên cảm biến. Với loại này chỉ cần cấp nguồn điện một chiều DC là có sử dụng được.

Power supply built-in.

Đây là loại cảm biến có module nguồn được tích hợp luôn trên cảm biến. Với loại này các bạn có thể cấp nguồn xoay chiều hoặc một chiều.

Amplifier-separated.

Đây là loại cảm biến có bộ khuếch đại tách biệt với bộ phần đầu cảm biến (sensor head). Với loại này trên cảm biến quang chỉ gồm bộ phận phát sáng và bộ phận thu. Việc điều chỉnh độ nhạy có thể thực hiện trên bộ khuếch đại.

Fiber.

Đây là loại cảm biến có bộ khuếch đại tách biệt với bộ phần đầu cảm biến. Trong đó bộ phận phát và thu nằm ở bộ khuếch đại. Đầu cảm biến kết nối với bộ khuếch đại thông qua hai sợi quang.

Phân loại cảm biến quang theo chế độ cảm biến gồm các loại như sau:

Cảm biến quang thu phát độc lập (Through-beam Sensors).

Cảm biến quang thu phát độc lập có bộ phát và thu sáng tách biệt và được lắp đối diện nhau, cho phép ánh sáng đi từ bộ phát đến bộ thu. 

Trong thực tế, một dạng cảm biến quang thu phát độc lập khác là cảm biến quang chữ u, mà các bạn sẽ thường bắt gặp ở ứng dụng sensor limit.

Nếu có vật thể đi qua giữa hai bộ phát và bộ thu, việc này làm giảm lượng ánh sáng đến bộ thu thì sẽ có tín hiệu đầu ra của cảm biến.

Ưu điểm và nhược điểm:

Hoạt động ổn định và có khả năng phát hiện vật thể xa từ vài cm đến vài chục mét. 

Có khả năng xác định chính xác vị trí của vật thể. Độ tin cậy cao, phát hiện được đa số các loại vật thể (trừ vật thể trong suốt).

Hoạt động của cảm biến không bị ảnh hưởng nhiều bởi độ bóng, màu sắc hoặc độ nghiêng của vật thể.

Khó lắp đặt với các vị trí có không gian hẹp

Số lượng dây dẫn nhiều, việc đấu nối, đi dây sẽ cần nhiều thời gian hơn.

Cảm biến quang phản xạ gương (Retro-reflective Sensors).

Cảm biến quang phản xạ gương có bộ phát và bộ thu được lắp cùng trên thân cảm biến. Ánh sáng từ bộ phát được phản xạ lại bộ thu bằng một lăng kính đặc biệt được lắp ở phía đối diện. 

Khi có vật thể đi qua và làm giảm lượng ánh sáng đến bộ thu thì sẽ có tín hiệu đầu ra của cảm biến.

Ưu điểm và nhược điểm:

Có thể phát hiện các vật thể trong suốt.

Chỉ cần đi dây và đấu nối ở một phía.

Khoảng cách phát hiện vật thể từ vài cm đến vài mét.

Hoạt động không bị ảnh hưởng nhiều bởi màu sắc hoặc góc của vật thể.

Với cảm biến quang phản xạ gương sẽ có một vùng chết ở khoảng cách gần (Không phát hiện được vật thể). Để khắc phục các bạn có thể sử dụng loại cảm biến đồng trục (co-axial).

Với các vật thể có độ bóng cao có thể làm cảm biến quang phản xạ gương không phát hiện được vật thể. Trong trường hợp này các bạn có thể sử dụng các kính lọc phân cực để khắc phục và hạn chế ánh sáng nhiễu phản xạ từ các vật thể bóng.

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán (Diffuse-reflective Sensors).

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán có bộ phát và bộ thu được lắp cùng trên thân cảm biến. Khi không có vật thể đi qua cảm biến thì ánh sáng phát ra từ bộ phát sẽ không trở lại bộ thu.

Khi có vật thể chắn ngang cảm biến, vật thể làm cho ánh sáng từ bộ phát bị phản xạ lại một phần tới bộ thu của cảm biến. Sự tăng lên về cường độ ánh sáng tại bộ thu sẽ làm kích hoạt đầu ra của cảm biến.

Ưu điểm và nhược điểm:

Lắp đặt dễ dàng, phù hợp với vị trí không gian hẹp.

Chỉ cần đi dây, đấu nối tại một phía.

Khoảng cách phát hiện vật thể từ vài cm đến vài mét.

Khoảng cách phát hiện vật thể phụ thuộc nhiều vào màu sắc, kích thước, tính chất bề mặt của vật thể.

Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại cảm biến quang thu phát độc lập và phản xạ gương.

Các thông số đặc trưng của cảm biến quang.

Với các loại cảm biến quang có các thông số đặc trưng như sau:

Loại cảm biến: là loại cảm biến thu phát độc lập, phản xạ gương hay là phản xạ khuếch tán.

Nguồn điện cấp cho cảm biến: 12-24VDC, 24-240VAC, 24-240VDC.

Khoảng cách phát hiện vật thể là bao nhiêu: Ví dụ: 0.1~3m.

Vật thể phát hiện chuẩn: Ví dụ vật mờ đục Ø15 mm…

Vật thể nhỏ nhất có thể phát hiện: Ví dụ Ø0,3 mm với vật thể mờ đục - Đặt khoảng cách giữa bộ phát và bộ thu: 50 mm.

Đường kính tia sáng: Ví dụ Đường kính Xấp xỉ 5mm (Tại khoảng cách phát hiện 100mm).

Nguồn sáng: Ví dụ sử dụng LED hồng ngoại 940nm. 

Lựa chọn đầu ra: Có thể lựa chọn chế độ Light ON hoặc Dark ON bởi công tắc. 

Loại ngõ ra: Ngõ ra loại tiếp điểm relay hoặc NPN, PNP.

Thời gian đáp ứng: Ví dụ Max.1ms, 20ms.

Điều chỉnh độ nhạy: Có thể điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở điều chỉnh.

Điều kiện môi trường: Ví dụ IP67, nhiệt độ môi trường xung quanh từ -20 độ C -> 55 độ C.

Các lưu ý khi lựa chọn, chọn mua cảm biến quang điện:

Để lựa chọn và mua cảm biến quang điện một cách tối ưu và không lãng phí. Các bạn cần tìm hiểu rõ yêu cầu bài toán, vật thể cần phát hiện, môi trường lắp đặt trước khi đi đến quyết định mua loại cảm biến quang nào đó. 

Dưới đây, mình sẽ nêu ra một số gạch đầu dòng các bạn cùng tham khảo và cho thêm ý kiến dưới bình luận nhé:

Kích thước và hình dạng của vật thể cần xác nhận.

Độ trong suốt của vật thể ở mức nào (mờ đục, nửa trong suốt hay trong suốt). Hoặc màu sắc của vật thể (trắng, đen…)

Vật thể di chuyển với vận tốc là bao nhiêu.

Chất liệu của vật thể cần xác nhận là gì (thép, SUS, gỗ, giấy, v.v.).

Bề mặt của vật liệu cần xác nhận có bị bóng lóa không ?

Khoảng cách xác nhận vật thể trong khoảng bao nhiêu.

Vị trí lắp đặt cảm biến có bị hạn chế gì không ?

Nhiệt độ tại môi trường lắp đặt cảm biến trong khoảng bao nhiêu ? Có yêu cầu về khả năng chịu nhiệt độ không ?

Môi trường lắp cảm biến có nước, dầu hoặc các hóa chất ăn mòn… hay không ?

Cách đấu cảm biến quang NPN, PNP.

Các bạn có thể tham khảo cách đấu nối cảm biến quang với mạch relay thông thường hoặc với PLC qua các hình ảnh dưới đây. Ngoài ra, tham khảo bài viết về cách đấu nối ngõ vào, ngõ ra NPN và PNP

Ứng dụng của cảm biến quang.

Qua tìm hiểu về cảm biến quang, chắc hẳn các bạn đã thấy được tầm quan trọng của cảm biến quang trong tự động hóa công nghiệp. Với vai trò rất quan trọng như vậy, cảm biến quang được ứng dụng trong rất nhiều ngành nghề như: Ngành công nghiệp ô tô, thực phẩm, giao thông vận tải, xử lý vật liệu.

Các thương hiệu cảm biến quang nổi tiếng.

Hiện nay, trên thị trường có rất nhà sản xuất cảm biến quang từ các hãng ở Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc đến Châu Âu. Tuy nhiên, phổ biến hơn cả là các thương hiệu cảm biến quang dưới đây:

Cảm biến quang Omron - Nhật Bản.

Cảm biến quang Keyence - Nhật Bản.

Cảm biến quang Panasonic - Nhật Bản.

Cảm biến quang Sick - Đức.

Cảm biến quang Sunx - Nhật Bản.

Cảm biến quang Yamatake - Nhật Bản.

Cảm biến quang IFM - Đức.

Cảm biến quang Autonics - Hàn.

Cảm biến quang Optex - Nhật Bản.

Cảm biến quang Schneider - Pháp.

Trên đây, là những chia sẻ của FAVN TECH về cảm biến quang là gì ? Các loại cảm biến quang và ứng dụng trong thực tế. Hy vọng qua bài viết sẽ giúp các bạn hiểu rõ về tầm quan trọng của cảm biến quang trong tự động hóa công nghiệp.

Để được cập nhập về các bài viết mới nhất hoặc cần hỗ trợ về phần mềm, các bạn hãy để lại bình luận hoặc tham gia Group của FAVN TECH để được hỗ trợ sớm nhất.