Cảm biến quang là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Cảm biến quang, hay còn gọi là cảm biến quang điện, là thiết bị điện tử sử dụng ánh sáng để phát hiện sự xuất hiện hoặc các đặc tính khác như khoảng cách, màu sắc của vật thể. Trong bài viết này, Thanh Thiên Phú sẽ chia sẻ về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và đặc biệt là các ứng dụng của cảm biến quang trong sản xuất và đời sống!

1. Cảm biến quang là gì?

Cảm biến quang (photoelectric sensor) là loại cảm biến sử dụng ánh sáng để phát hiện sự xuất hiện hoặc các đặc tính khác của vật thể như khoảng cách hoặc màu sắc mà không cần tiếp xúc trực tiếp.

Về cơ bản, cảm biến quang chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện này sau đó được xử lý để đưa ra thông tin về vật thể được phát hiện. Cảm biến quang có thể phát hiện nhiều loại vật thể khác nhau, bao gồm kim loại, nhựa, gỗ, giấy, chất lỏng, và thậm chí cả khói.

2. Các bộ phận chính của cảm biến quang

2.1. Bộ phát ánh sáng

Bộ phận này phát ra ánh sáng, thường là ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy (đỏ, xanh lá cây, xanh dương). Loại ánh sáng được sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể và loại vật thể cần phát hiện.

2.2. Bộ thu ánh sáng

Bộ phận này thu nhận ánh sáng được phát ra từ bộ phát. Bộ thu ánh sáng thường là một phototransistor (transistor quang) hoặc photodiode (diode quang), là các linh kiện bán dẫn (semiconductor) nhạy cảm với ánh sáng. Khi ánh sáng chiếu vào các linh kiện này, chúng sẽ thay đổi tính chất điện (ví dụ: thay đổi điện trở, tạo ra dòng điện).

2.3. Mạch xử lý tín hiệu

Bộ phận này nhận tín hiệu từ bộ phận thu sáng và khuếch đại, xử lý tín hiệu này. Tín hiệu ánh sáng thu được, sau khi chuyển đổi thành tín hiệu điện, sẽ được so sánh với một ngưỡng đã được cài đặt trước. Nếu cường độ tín hiệu vượt ngưỡng, ngõ ra của cảm biến sẽ được kích hoạt (chuyển sang trạng thái “ON”). Ngược lại, nếu tín hiệu yếu hơn ngưỡng, ngõ ra sẽ ở trạng thái “OFF”.

Trước đây, một số cảm biến quang sử dụng rơ-le (relay) để đóng/ngắt mạch điện đầu ra. Tuy nhiên, ngày nay, hầu hết các cảm biến quang sử dụng ngõ ra bán dẫn (transistor loại PNP hoặc NPN). Ngõ ra bán dẫn có nhiều ưu điểm như tốc độ chuyển mạch nhanh, độ bền cao, kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ ít năng lượng hơn so với rơ-le.

Ngoài ra, một số loại cảm biến quang còn cung cấp tín hiệu đầu ra analog (tín hiệu tương tự), tỉ lệ với cường độ ánh sáng thu được. Tín hiệu này có thể được sử dụng cho các ứng dụng đo lường, kiểm soát mức độ, hoặc các ứng dụng khác đòi hỏi thông tin chi tiết hơn là chỉ trạng thái “ON/OFF”.

3. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến quang

3.1. Ưu điểm

• Phát hiện không tiếp xúc: Cảm biến quang có thể phát hiện vật thể mà không cần tiếp xúc, giúp giảm mài mòn và hư hỏng.
• Phạm vi phát hiện xa: Một số loại cảm biến quang có thể phát hiện vật thể ở khoảng cách lên đến vài mét, thậm chí hàng chục mét.
• Độ bền và độ chính xác cao: Cảm biến quang có cấu tạo chắc chắn, ít bộ phận chuyển động, và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường nên có độ bền và chính xác cao.
• Phát hiện các vật liệu khác nhau: Cảm biến quang có thể phát hiện nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm kim loại, nhựa, gỗ, giấy, chất lỏng,…
• Thời gian phản hồi nhanh: Cảm biến quang có thời gian phản hồi rất nhanh, thường chỉ trong vài mili giây (millisecond) hoặc micro giây (microsecond).
• Độ nhạy có thể điều chỉnh: Độ nhạy của nhiều loại cảm biến quang có thể được điều chỉnh để phù hợp với các ứng dụng khác nhau.

3.2. Nhược điểm

• Nhạy cảm với bụi bẩn: Bụi bẩn, dầu mỡ, hoặc các chất bẩn khác bám trên bề mặt cảm biến có thể làm giảm độ nhạy hoặc gây ra lỗi.
• Ảnh hưởng của màu sắc và độ phản xạ: Màu sắc và độ phản xạ của vật thể có thể ảnh hưởng đến khả năng phát hiện của cảm biến quang.
• Hạn chế về môi trường: Một số loại cảm biến quang có thể hoạt động không ổn định trong môi trường có nhiệt độ quá cao, quá thấp, hoặc có ánh sáng mạnh chiếu trực tiếp.

4. Phân loại cảm biến quang

4.1. Cảm biến quang thu phát độc lập

Cảm biến quang loại thu phát độc lập có hai bộ phận riêng biệt: một bộ phận phát ánh sáng và một bộ phận thu ánh sáng đặt đối diện nhau. Khi có vật thể đi qua giữa hai bộ phận này, chùm tia sáng bị chặn lại, và cảm biến sẽ phát hiện ra sự hiện diện của vật thể.

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến hoạt động dựa trên việc phát hiện sự gián đoạn của chùm tia sáng. Khi không có vật cản, bộ phận thu liên tục nhận được ánh sáng từ bộ phận phát. Khi có vật cản xuất hiện, chùm tia sáng bị chặn lại, bộ phận thu không nhận được ánh sáng, và cảm biến sẽ báo hiệu có vật thể.

4.2. Cảm biến quang phản xạ gương

Cảm biến quang phản xạ gương là loại cảm biến quang có bộ phát và bộ thu ánh sáng được tích hợp trong cùng một vỏ. Điểm đặc biệt của loại cảm biến này là sử dụng một gương phản xạ đặc biệt (thường là gương phản xạ lăng kính) để phản chiếu ánh sáng trở lại bộ thu.

Nguyên lý hoạt động: Bộ phát của cảm biến phát ra chùm tia sáng hướng về phía gương phản xạ. Gương này sẽ phản xạ ánh sáng trở lại bộ thu. Khi có vật thể đi qua và chắn ngang chùm tia, lượng ánh sáng phản xạ về bộ thu sẽ giảm đi hoặc mất hoàn toàn. Sự thay đổi này được cảm biến ghi nhận và báo hiệu có vật thể.

4.3. Cảm biến quang phản xạ khuếch tán

Chức năng chính của cảm biến quang phản xạ khuếch tán là phát hiện các vật thể trên các máy móc của hệ thống tự động hóa công nghiệp. Giúp người điều khiển có thể giám sát được vị trí của các thiết bị máy móc đã được lắp đúng hay chưa.

Vì thế mà thiết bị này có thể được dùng nhiều trong dây chuyền đóng gói sản phẩm, sản xuất hoặc đếm số lượng vật để cho vào thùng hay đóng thành lô, bộ. Tuy vậy thiết bị này có phạm vi khá hạn chế trong khoảng 2m. Độ chính xác của cảm biến này cũng bị chi phối bởi các màu sắc cùng với bề mặt của vật.

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến khuếch tán này cũng có 2 trạng thái làm việc khi có vật cản và khi không có vật cản tương tự như các loại cảm biến.

4.4. Cảm biến phát hiện màu sắc

Cảm biến quang không chỉ dừng lại ở việc phát hiện sự có mặt của vật thể. Một số loại cảm biến quang tiên tiến còn có khả năng phân biệt màu sắc của vật thể. Khả năng này có được là nhờ:

• Nguồn sáng đặc biệt: Cảm biến thường sử dụng nguồn sáng LED phát ra ánh sáng trắng, hoặc các LED phát ra ánh sáng ở các bước sóng khác nhau (ví dụ: đỏ, xanh lá, xanh dương).
• Bộ lọc màu: Cảm biến có thể có các bộ lọc màu (filter) để chỉ cho phép một dải bước sóng nhất định đi qua và đến bộ phận thu sáng.
• Xử lý tín hiệu: Bộ xử lý của cảm biến sẽ phân tích cường độ ánh sáng ở các bước sóng khác nhau mà bộ phận thu nhận được, từ đó xác định màu sắc của vật thể.

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

• Điện áp cung cấp: Cảm biến quang thường hoạt động với điện áp một chiều (DC) từ 12V đến 24V, hoặc điện áp xoay chiều (AC) từ 24V đến 240V. Một số cảm biến có thể hoạt động với cả hai loại điện áp.
• Ngõ ra (Output):
  • Relay (tiếp điểm): Thường chịu được dòng điện tối đa 3A ở điện áp 30VDC hoặc 250VAC (với tải thuần trở).
  • Transistor (bán dẫn): Phổ biến hơn, thường là loại NPN hoặc PNP.
• Khoảng cách phát hiện:
  • Thu-phát (Through-beam): Lên đến 15m hoặc xa hơn.
  • Phản xạ gương (Retro-reflective): Khoảng 0.1m đến 3m hoặc 5m.
  • Phản xạ khuếch tán (Diffuse-reflective): Thường dưới 1m (ví dụ: 700mm).
• Độ trễ: Thường khoảng 20% khoảng cách phát hiện. Đây là khoảng cách chênh lệch giữa điểm bật và điểm tắt của cảm biến, giúp tránh hiện tượng “chập chờn” khi vật thể ở gần ranh giới phát hiện.
• Vật liệu phát hiện:
  • Thu-phát: Vật mờ đục (ví dụ: Ø15mm).
  • Phản xạ gương: Vật mờ đục (ví dụ: Ø60mm).
  • Phản xạ khuếch tán: Vật mờ đục hoặc trong mờ.
• Nguồn sáng: Thường là LED hồng ngoại (ví dụ: 850nm, 940nm) hoặc LED đỏ (ví dụ: 660nm).
• Chế độ hoạt động: Có thể chọn Light ON (sáng khi có vật) hoặc Dark ON (tối khi có vật).
• Đèn báo: Thường có đèn LED xanh lá cây báo nguồn và độ ổn định, đèn LED vàng báo trạng thái hoạt động (phát hiện vật).
• Điều chỉnh độ nhạy: Thường có biến trở để điều chỉnh độ nhạy của cảm biến.

6. Ứng dụng của cảm biến quang

6.1. Tự động hóa công nghiệp

• Phát hiện sản phẩm trên băng chuyền: Cảm biến quang được sử dụng để đếm số lượng sản phẩm, kiểm tra sự hiện diện, hoặc phát hiện các sản phẩm lỗi trên băng chuyền.
• Kiểm soát vị trí: Xác định vị trí của các bộ phận máy móc, robot, hoặc các đối tượng khác trong quá trình sản xuất.
• Phân loại sản phẩm: Phân loại sản phẩm theo kích thước, hình dạng, màu sắc, hoặc các đặc tính khác.
• Điều khiển cửa tự động: Mở và đóng cửa tự động khi có người/vật thể đi qua.
• Đo mức chất lỏng: Đo mức chất lỏng trong các bồn chứa, bể chứa.
• Phát hiện vật cản: Phát hiện vật cản trên đường đi của robot, xe tự hành, hoặc các thiết bị di động khác.
• Kiểm tra chất lượng: Phát hiện các khuyết tật trên bề mặt sản phẩm.

6.2. Hệ thống tự động

• Hệ thống đếm xe trong bãi đỗ xe
• Hệ thống bật/tắt đèn chiếu sáng
• Hệ thống rửa tay tự động

6.3. Các ứng dụng khác

• Thiết bị y tế: Cảm biến quang được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy đo đường huyết, máy đo nhịp tim, máy phân tích máu,…
• Thiết bị văn phòng: Máy in, máy photocopy, máy quét tài liệu,…
• An ninh: Hệ thống báo động, camera giám sát,…
• Giải trí: Trò chơi điện tử, thiết bị tương tác,…

7. Lưu ý khi mua và sử dụng cảm biến quang

• Chọn loại cảm biến phù hợp: Xác định rõ nhu cầu sử dụng (phát hiện vật thể gì, khoảng cách bao xa, môi trường như thế nào,…) để chọn loại cảm biến phù hợp.
• Kiểm tra thông số kỹ thuật: Đọc kỹ thông số kỹ thuật của cảm biến để đảm bảo nó đáp ứng được các yêu cầu của ứng dụng.
• Lắp đặt đúng cách: Lắp đặt cảm biến theo đúng hướng dẫn của nhà sản xuất. Cố định cảm biến chắc chắn để tránh rung động.
• Điều chỉnh độ nhạy (nếu có): Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến để phù hợp với vật thể cần phát hiện và tránh phát hiện nhầm.
• Vệ sinh định kỳ: Lau chùi bề mặt cảm biến thường xuyên bằng khăn mềm và khô để loại bỏ bụi bẩn.
• Tránh va đập: Bảo vệ cảm biến khỏi va đập mạnh.
• Kiểm tra định kỳ: Kiểm tra hoạt động của cảm biến thường xuyên để phát hiện sớm các vấn đề và có biện pháp khắc phục kịp thời.
• Nguồn điện: Đảm bảo cung cấp nguồn điện ổn định và đúng thông số kỹ thuật cho cảm biến.

Xem thêm:

• Cảm biến chuyển động là gì? Nguyên lý hoạt động và cách lắp đặt
• Cảm biến áp suất : Giới thiệu và nguyên lý hoạt động
• Cảm biến nhiệt độ là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Qua bài viết này, chắc hẳn bạn đã hiểu rõ cảm biến quang là gì và những lợi ích mà nó mang lại. Nếu cần tư vấn kỹ hơn để chọn mua thiết bị điện Siemens chính hãng, hãy liên hệ cho Thanh Thiên Phú qua hotline 08.12.77.88.99 để được hỗ trợ nhanh nhất nhé!