Cảm biến quang

Cảm biến quang là gì ?

Như thường lệ thì trước khi vào nội dung chính chúng ta sẽ tìm hiểu sơ lược về dòng cảm biến này trước nhé. Cảm biến quang (tên tiếng anh là Photoelectric Sensor) là tổ hợp của các linh kiện quang điện. 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 ở ngõ OUT. Cảm biến quang là thiết bị đóng vai trò rất 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 được vậy.

Cấu tạo của cảm biến quang là gì ?

Thông thường thì với một cảm biến quang chúng ta sẽ có 3 bộ phận chính bao gồm bộ phận phát sáng, bộ phận thu sáng và mạch xử lý tín hiệu đầu ra. Các bạn có thể tham khảo hình ảnh bên dưới để có thể dễ dàng hình dung hơn.

Bộ phận thu sáng:

Thông thường đối với một cảm biến quang thì bộ thu sáng 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).

Bộ phận phát 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. Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (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.

Mạch xử lý tín hiệu đầu ra:

Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt. Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le (relay) vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN). 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 thông dụng:

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại cảm biến quang khác nhau, tuy nhiên thì theo mình thấy chỉ có 3 loại là dễ dàng bắt gặp nhất. Cụ thể đó là:

Cảm biến quang khuếch tán (diffuse reflection sensor):

Đặc điểm của cảm biến:

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 như sau :

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.

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 như sau:

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)

Cảm biến quang phản xạ gương (retro – reflection sensor):

Đặc điểm của cảm biến:

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:

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. Lúc này cảm biến sẽ xuất tín hiệu điện PNP, NPN,…

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 của mực cà phê, nước ngọt, 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 biên 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 ?

Cụ thể thì 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. Mình sẽ liệt kê một số ưu và nhược điểm của loại thiết bị này để các bạn có thể cân nhắc trước khi chọn mua nhé.

Ưu điểm: