Cảm biến quang học là gì? 

Cảm biến quang học (hay còn gọi là cảm biến quang, tiếng Anh: Photoelectric Sensor) là một thiết bị điện tử thông minh có khả năng phát hiện vật thể thông qua tín hiệu ánh sáng. Với cấu tạo gồm các linh kiện quang điện như diode phát sáng và phototransistor, khi ánh sáng chiếu vào cảm biến, các linh kiện quang điện sẽ thay đổi trạng thái dựa trên hiện tượng phát xạ điện tử ở cực Cathode, sau đó chuyển đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện. Tín hiệu này sẽ được xử lý và giúp cảm biến nhận diện sự hiện diện của vật thể hoặc thay đổi trong môi trường.

Cấu tạo của cảm biến quang học

Cảm biến quang là thiết bị phát hiện vật thể dựa trên sự thay đổi của ánh sáng được cấu tạo với 3 bộ phận chính: bộ phát sáng, bộ thu sáng và mạch xử lý tín hiệu. Mỗi bộ phận đảm nhận một vai trò cụ thể, giúp cảm biến hoạt động chính xác và ổn định trong nhiều môi trường khác nhau.

1. Bộ phát sáng

Bộ phát sáng là thành phần tạo ra chùm ánh sáng theo dạng xung, thường sử dụng LED bán dẫn. Mục đích là giúp cảm biến phân biệt giữa ánh sáng do chính nó phát ra và ánh sáng từ các nguồn bên ngoài như mặt trời, đèn điện,... Các loại đèn phát sáng phổ biến trong cảm biến quang gồm: LED đỏ, đèn hồng ngoại (Infrared), laser công suất thấp.

2. Bộ thu sáng

Bộ thu sáng có nhiệm vụ nhận tín hiệu ánh sáng từ bộ phát hoặc ánh sáng phản xạ từ vật thể. Khi ánh sáng được phát đến một vật thể, nó sẽ phản xạ lại và được bộ thu tiếp nhận. Tín hiệu ánh sáng này sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu điện để đưa đến bộ xử lý.

3. Mạch xử lý tín hiệu

Mạch xử lý sẽ tiếp nhận tín hiệu điện từ bộ thu sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điều khiển đầu ra (ON/OFF). Khi cường độ ánh sáng vượt qua một ngưỡng nhất định, cảm biến sẽ phát ra tín hiệu kích hoạt. Các loại cảm biến quang hiện đại thường sử dụng đầu ra bán dẫn (PNP hoặc NPN) thay vì tiếp điểm relay truyền thống. Ngoài ra, một số cảm biến còn hỗ trợ tín hiệu đầu ra dạng tuyến tính cho các ứng dụng đo khoảng cách hoặc đếm số lượng vật thể.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang học

Cảm biến quang học hoạt động dựa trên nguyên lý phát hiện sự thay đổi của ánh sáng khi có vật thể đi qua vùng phát hiện. Cụ thể, bộ phát sáng sẽ tạo ra một chùm ánh sáng hướng đến khu vực cần giám sát. Khi vật thể xuất hiện và làm thay đổi hoặc gián đoạn luồng sáng, bộ thu ánh sáng sẽ ghi nhận sự thay đổi này và truyền tín hiệu về mạch xử lý.

Tại mạch xử lý tín hiệu, cảm biến quang sẽ chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện theo nguyên lý tranzito và đưa ra kết quả ở hai trạng thái: ON/OFF. Đây là cơ chế giúp cảm biến hoạt động hiệu quả trong các hệ thống điều khiển tự động.

Loại tín hiệu đầu ra phổ biến nhất là dạng NPN và PNP có khả năng kết nối linh hoạt với các thiết bị điều khiển: PLC, rơ-le hoặc bộ đếm. Cảm biến quang có khả năng phát hiện vật thể từ xa với độ chính xác cao, chịu được môi trường khắc nghiệt, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp đóng gói, dây chuyền sản xuất tự động, hệ thống kiểm tra chất lượng,...

 Phân loại hoạt động của cảm biến quang học 

Ứng dụng của cảm biến quang học

Cảm biến quang học có khả năng phát hiện và đo lường sự thay đổi ánh sáng để xác định sự hiện diện hoặc vị trí của vật thể nên được sử dụng trong các ngành công nghiệp và tự động hóa. Dưới đây là các ứng dụng phổ biến của cảm biến quang:

• Đếm số lượng sản phẩm trên dây chuyền sản xuất và băng tải

• Kiểm tra và phát hiện vật thể lỗi loại bỏ sản phẩm không đạt chất lượng ngay lập tức.

• Nhận diện nhãn dán trên bao bì giúp cải thiện hiệu quả kiểm tra chất lượng trong sản xuất bao bì.

• Giám sát an toàn khi đóng-mở cửa thang máy, nhà xe, khi phát hiện vật thể, cảm biến sẽ tự động dừng hoặc mở cửa, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

• Bật/tắt các thiết bị tự động hóa như vòi rửa xe, cửa, hệ thống đèn giúp tiết kiệm năng lượng và tăng cường tính tự động hóa trong các ứng dụng như hệ thống chiếu sáng, cửa tự động hoặc vòi nước.

• Kiểm tra vị trí các chi tiết máy giúp đảm bảo quy trình lắp ráp chính xác và hiệu quả.

Thông số đặc trưng của cảm biến quang học

Việc hiểu rõ các thông số kỹ thuật trong cảm biến quang học là vô cùng quan trọng khi lựa chọn và ứng dụng trong công nghiệp và tự động hóa. Dưới đây là những thông số cần lưu ý: 

• Cảm biến quang thường có các lựa chọn nguồn cấp điện như: 12-24VDC, 24-240VAC ±10% 50/60Hz, 24-240VDC ±10% (Ripple P-P: Max. 10%). 

• NCác cảm biến quang thường có ngõ đầu ra như sau: Tiếp điểm relay 30VDC 3A, 250VAC 3A tải thuần trở, cấu tạo tiếp điểm là 1c - ngõ đầu ra này giúp cảm biến kết nối với các hệ thống điều khiển để kích hoạt các thiết bị tự động hóa.

• Phạm vi phát hiện của cảm biến quang có sự khác biệt tùy theo loại cảm biến: Cảm biến thu – phát (Through-Beam Sensor) phạm vi lên tới 15m, cảm biến phản xạ gương (Retro-Reflection Sensor) phạm vi từ 0.1m đến 5, cảm biến phản xạ khuếch tán (Diffuse Reflection Sensor) phạm vi tối đa khoảng 700mm.

• Độ trễ của cảm biến quang khoảng 20% so với khoảng cách cài đặt định mức giúp người dùng hiểu được tốc độ phản ứng của cảm biến khi có sự thay đổi trong môi trường.

• Các cảm biến quang học có khả năng phát hiện các vật thể có kích thước chuẩn: Cảm biến thu – phát vật mờ đục Ø15mm, cảm biến phản xạ gương vật mờ Ø60mm, cảm biến phản xạ khuếch tán vật mờ hoặc trong mờ.

• Cảm biến quang học sử dụng các loại đèn LED hồng ngoại 940nm, 850nm và LED đỏ 660nm để phát ánh sáng không ảnh hưởng đến mắt người sử dụng. 

• Cảm biến quang hỗ trợ hai chế độ hoạt động chính: Light ON/Dark ON

• Các cảm biến quang thường có đèn LED chỉ thị hoạt động: Đèn LED xanh lá chỉ thị nguồn và sự ổn định của cảm biến, đèn LED vàng chỉ thị cảm biến đang hoạt động. 

Lưu ý khi người dùng mua cảm biến quang

Khi mua cảm biến quang, người dùng cần lưu ý một số yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu quả sử dụng và tính ổn định của thiết bị:

Lựa chọn loại cảm biến phù hợp: Mỗi loại cảm biến sẽ có đặc điểm và phạm vi hoạt động khác nhau vì vậy, tùy vào yêu cầu công việc và phạm vi phát hiện, người dùng cần chọn loại cảm biến quang phù hợp. 

Xác định phạm vi phát hiện và độ nhạy: Cần xem xét phạm vi phát hiện, độ nhạy của cảm biến để đảm bảo rằng nó có thể phát hiện vật thể trong khoảng cách cần thiết. Bên cạnh đó, độ nhạy của cảm biến cũng cần được chú ý để đạt được kết quả chính xác và hiệu quả.

Kiểm tra thông số kỹ thuật: Cần kiểm tra các thông số kỹ thuật của cảm biến như nguồn điện áp, ngõ ra, độ trễ, và các chế độ hoạt động. Điều này giúp đảm bảo cảm biến tương thích với hệ thống của bạn.

Chọn nhà cung cấp uy tín: Các nhà cung cấp uy tín sẽ đảm bảo rằng sản phẩm của họ đáp ứng được các tiêu chuẩn chất lượng và hiệu suất cao.

Lưu ý khi người dùng sử dụng cảm biến quang học

Khi sử dụng cảm biến quang, người dùng cần tuân thủ một số lưu ý quan trọng để đảm bảo thiết bị hoạt động hiệu quả và kéo dài tuổi thọ của cảm biến:

Vị trí lắp đặt: Cần được lắp đặt tại vị trí thuận lợi để có thể phát hiện vật thể một cách chính xác. Tránh lắp đặt cảm biến ở những khu vực có vật cản gây ảnh hưởng đến ánh sáng phát ra và thu vào.

Lắp đặt tránh ánh sáng mạnh: Đảm bảo cảm biến không bị ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào bộ phận thu ánh sáng.

Kiểm tra kỹ lưỡng: Khi lắp đặt, cần kiểm tra chắc chắn rằng cảm biến được cố định vững và không bị rung lắc.

Điều chỉnh độ nhạy: Sau khi lắp đặt, cần điều chỉnh độ nhạy của cảm biến sao cho phù hợp với môi trường làm việc, giúp cảm biến hoạt động hiệu quả nhất. Cần lắp đặt cảm biến ở vị trí tránh ánh sáng trực tiếp từ mặt trời hoặc các nguồn ánh sáng mạnh khác.

Kiểm tra dây nối và nguồn điện: Kiểm tra các kết nối điện và dây cáp để đảm bảo chúng không bị lỏng hoặc hỏng hóc.

Bảo dưỡng định kỳ: Dựa trên tần suất sử dụng và điều kiện môi trường, người dùng cần bảo dưỡng cảm biến quang định kỳ để kéo dài tuổi thọ và duy trì hiệu suất tối ưu.

Kết luận 

Qua bài viết Intech Group đã cung cấp cho bạn những thông tin về cảm biến quang học và những ứng dụng của nó trong các ngành công nghiệp và tự động hóa. Mọi thông tin vướng mắc về cảm biến quang học xin vui lòng liên hệ hotline để được tư vấn và hỗ trợ trực tiếp