Cảm biến quang – Cấu tạo, Phân loại và Ứng dụng cảm biến quang

Có thể nói cảm biến quang chính là một trong các loại cảm biến được nhắc đến nhiều nhất bởi những ứng dụng thiết thực của chúng trong đời sống. Vậy, Cảm biến quang là gì? Ứng dụng của cảm biến quang trong ngành công nghiệp như thế nào? Cảm biến quang điện có bao nhiêu loại ? Mỗi loại hoạt động dựa trên nguyên lý nào? Tất tần tật về cảm biến quang sẽ được chia sẻ trong bài viết tổng hợp này.

Cảm biến quang là gì?

Cảm biến quang tên tiếng anh là Photoelectric Sensor là tổ hợp của các linh kiện quang điện. 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 và chức năng của cảm biến quang

Cấu tạo cảm biến quang

Cấu tạo của cảm biến quang cơ bản gồm có 3 phần chính :

• Bộ phát ánh sáng
• Bộ thu ánh sáng
• Bo mạch xử lý tín hiệu điện

Chức năng của cảm biến quang

1. Bộ phát ánh sáng : Có nhiệm vụ phát ra ánh sáng dạng xung (tần số). Tần số ánh sáng này sẽ được hãng sản xuất thiết kế đặc biệt để bộ thu ánh sáng có thể phân biệt được ánh sáng từ cảm biến và ánh sáng từ nguồn khác bên ngoài như : ánh sáng tự nhiên (ban ngày), bóng đèn,…
2. Bộ thu ánh sáng : Có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng từ bộ phát sáng, nó được gọi là phototransistor (tranzito quang).
3. Mạch xử lý tín hiệu điện : Khi tiếp nhận tín hiệu từ bộ thu ánh sáng. Mạch điện tử sẽ 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,…

Phân loại cảm biến quang

Cảm biến quang điện hiện nay có khoảng 5 loại khác nhau tùy vào ứng dụng. Tuy nhiên nguyên lý làm việc chung vẫn giống nhau. Nhưng chi tiết từng loại lại khác nhau đôi chút. Chúng ta cùng khám phá từng loại nhé.

Cảm biến quang điện thu phát độc lập

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: Không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách phát hiện đến 60m

Nguyên lý hoạt động:

• Trạng thái không có vật cản : Cảm biến phát ánh sáng và cảm biến thu ánh sáng. 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)

Ứng dụng cảm biến quang điện thu phát độc lập: Việc cho ra đời cảm biến quang thu phát độc lập nhằm đáp ứng cho các môi trường có tính chất phản xạ ánh sáng cao, hoặc bề mặt hấp thụ ánh sáng,…không dùng cảm biến thu phát chung được.

Cảm biến quang 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 phạn xạ là một lăng kính đặc biệt. Đi kèm với cảm biến quang luôn các bạn nhé.

Đặc điểm: Lắp đặc thuận tiện, tiết kiệm dây dẫn, phát hiện được vật trong suốt, mờ,… khoảng cách tồi đa 15m

Nguyên lý hoạt động: Khi cảm biến hoạt động bộ phát ánh sáng sẽ phát ánh sáng đến gương. 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 => Cảm biến sẽ xuất tín hiệu điện PNP, NPN,…

Cảm biến quang phản xạ 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: Bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc, khoảng cách tối đa 2m

Nguyên lý hoạt động:

• 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 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,…

Ưu nhược điểm của cảm biến quang

Ưu điểm của cảm biến quang

Thông số của cảm biến quang cơ bản

• Loại: Thu – phát, phản xạ gương, phản xạ khuếch tán
• Nguồn cấp: 12-24VDC, 24-240VAC ±10% 50/60Hz, 24-240VDC ±10%(Ripple P-P:Max. 10%)
• 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: 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
• Ngõ ra: Ngõ ra tiếp điểm relay 30VDC 3A, 250VAC 3A tải thuần trở, cấu tạo tiếp điểm: 1c
• 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

Các thương hiệu cảm biến quang phổ biến: 

• Cảm biến quang Autonics – Hàn
• Cảm biến quang Omron – Nhật
• Cảm biến quang Sick – Đức
• Cảm biến quang IFM – Đức
• Cảm biến quang Keyenc – Nhật
• Cảm biến quang Yamatake – Nhật Bản
• Cảm biến quang Sunx – Nhật Bản
• Cảm biến quang Panasonics – Nhật
• Cảm biến quang Schneider – Pháp