Cảm biến quang (photoelectric sensor) là thiết bị phát ra chùm sáng và đổi trạng thái đầu ra khi chùm sáng bị vật thể chắn hoặc phản xạ về. Bài viết trình bày cấu tạo, ưu nhược điểm, bốn cách phân loại và các chức năng chính của cảm biến quang trong dây chuyền sản xuất.
1. Cảm biến quang là gì?
Cảm biến quang (Photoelectric sensor) còn được gọi là mắt thần, là một thiết bị quang điện được sử dụng để phát hiện vật cản hoặc nhận biết màu sắc.Chức năng của nó trong hệ thống là phát ra một tia sáng và khi có vật cản xuất hiện trong tia sáng đó, cảm biến sẽ tạo ra tín hiệu để thông báo đến trung tâm điều khiển.
2. Cấu tạo của cảm biến quang
Cấu trúc của cảm biến quang bao gồm hai thành phần chính: bộ thu nhận ánh sáng, bộ phát ánh sáng và và bộ phận mạch xử lý tín hiệu.2.1 Bộ phận phát sáng
Bộ phận này có nhiệm vụ định vị cảm biến quang và phát ra ánh sáng theo dạng xung. Tần số ánh sáng được thiết kế tùy theo từng nhà sản xuất. Bộ phận này hỗ trợ cho bộ phận thu ánh sáng trong việc phân biệt nguồn sáng từ cảm biến và các nguồn sáng khác.
2.2 Bộ phận thu sáng
Bộ phận này nhận ánh sáng và truyền tín hiệu đến bộ phận xử lý.2.3 Bộ phận xử lý tín hiệu đầu ra
Bộ phận này nhận tín hiệu từ bộ phận thu sáng và chuyển đổi tín hiệu thành chế độ ON/OFF theo tỉ lệ xác định. Khi mức ánh sáng nhận được vượt quá ngưỡng xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt. Trong quá khứ, một số loại cảm biến tích hợp mạch nguồn và sử dụng tín hiệu ra dạng tiếp điểm rơ-le (relay) vẫn phổ biến. Tuy nhiên, ngày nay, các loại cảm biến chủ yếu sử dụng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN). Một số cảm biến quang còn cung cấp tín hiệu tỉ lệ ra để phục vụ cho các ứng dụng đo đếm.
3. Ưu nhược điểm của cảm biến quang
Ưu và nhược điểm của cảm biến quang được đánh giá như sau:3.1 Ưu điểm:
- Có khả năng phát hiện vật thể từ xa, với khoảng cách lên đến 100m, mà không cần tiếp xúc trực tiếp với vật thể đó.
- Độ bền cao, ít bị hao mòn và hoạt động với độ chính xác cao và ổn định.
- Có khả năng đồng thời phát hiện nhiều vật thể khác nhau.
- Độ nhạy cao và có thể điều chỉnh, thời gian đáp ứng tương đối nhanh chóng.
3.2 Nhược điểm:
- Tính chống bụi chưa cao, hoạt động của cảm biến có thể bị ảnh hưởng khi bề mặt của nó bị bám bẩn.
- Cảm biến quang có thể bị ảnh hưởng bởi màu sắc và khả năng phản xạ ánh sáng của vật mà nó phát hiện.
4. Phân loại cảm biến quang
Cảm biến quang thu phát độc lập (Through-Beam Sensor) hay cảm biến thu phát chung, được đánh giá có các ưu và nhược điểm như sau:4.1 Cảm biến quang thu phát độc lập (Through-Beam Sensor):
Ưu điểm:
- Có khả năng phát hiện vật ở khoảng cách lên đến 60m mà không bị chi phối hoặc ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt của vật. - Hoạt động chính xác và đáng tin cậy.
Nhược điểm:
- Yêu cầu thiết bị phát ánh sáng và thiết bị thu ánh sáng được đặt đối diện nhau, tăng độ phức tạp và chi phí của hệ thống.4.2 Cảm biến quang phản xạ gương (Retro-Reflection Sensor):
Ưu điểm:
- Có khả năng phát hiện vật có định dạng mờ, trong suốt ở khoảng cách tối đa là 15m. - Tiết kiệm dây dẫn điện và lắp đặt đơn giản, nhanh chóng.Nhược điểm:
- Độ chính xác của cảm biến bị ảnh hưởng bởi các màu sắc và bề mặt của vật.4.3 Cảm biến quang phản xạ khuếch tán:
Ưu điểm:
- Giúp người điều khiển giám sát vị trí của các thiết bị máy móc và đếm số lượng vật. - Ứng dụng nhiều trong dây chuyền đóng gói sản phẩm và sản xuất.Nhược điểm:
- Phạm vi hoạt động hạn chế khoảng 2m. - Độ chính xác của cảm biến bị ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt của vật.4.4 Cảm biến quang phát hiện màu:
Ưu điểm:
- Có khả năng nhận biết vật có màu sắc khi được thiết lập và lập trình trước. - Cho phép phát hiện màu ổn định và giảm thiểu lỗi từ ánh sáng bên ngoài.5. Chức năng của cảm biến quang
1. Cảm biến trong khoảng cách xa: Cảm biến quang có khả năng phát hiện vật ở khoảng cách lên đến 10m. Tuy nhiên, nếu áp dụng trong môi trường từ trường hoặc siêu âm, tính năng này sẽ không thể được sử dụng. 2. Cảm biến được hầu hết các đối tượng: Cảm biến quang hoạt động bằng cách nhận diện vật thông qua ánh sáng phản xạ từ vật hoặc từ nguồn ánh sáng phát ra. Do đó, thiết bị không bị giới hạn bởi đối tượng cảm biến. Nó có thể sử dụng cho các vật liệu như kim loại, chất lỏng, thủy tinh, gỗ...
Chọn thiết bị cho cảm biến quang
Tín hiệu ON/OFF của cảm biến quang thường đưa về PLC hoặc máy tính công nghiệp để đếm sản phẩm, dừng băng tải và ghi nhật ký. Kỹ sư IPC247 khuyến nghị xét ba điểm khi chọn bộ điều khiển nhận tín hiệu này:
- Ngõ vào số (DI) cách ly, nhận được mức 24 V DC của cảm biến PNP/NPN, tránh nhiễu từ động cơ và biến tần cùng tủ.
- Thiết kế không quạt, dải nhiệt −20…60 °C, vì cảm biến quang hay lắp ở khu đóng gói, kho lạnh hoặc gần lò sấy.
- Nguồn 9–36 V DC và gắn DIN-rail để đặt chung tủ với nguồn 24 V cấp cho cảm biến.
Advantech UNO-1372G có 8 DI/O, 2 cổng COM, 3 cổng LAN và gắn DIN-rail, phù hợp trạm đếm nhỏ. Với ứng dụng kết hợp cảm biến quang và camera kiểm tra, AAEON BOXER-6640 có DIO 8-bit, 2 cổng LAN và 7 cổng USB để nối nhiều camera. Xem thêm danh mục máy tính công nghiệp không quạt hoặc dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt để lọc theo số cổng DIO, nhiệt độ và nguồn.
Câu hỏi thường gặp về cảm biến quang
Cảm biến quang là gì?
Cảm biến quang (photoelectric sensor) là thiết bị phát ra chùm sáng hồng ngoại, đỏ hoặc xanh lục và đổi trạng thái đầu ra khi chùm sáng bị vật thể chắn hoặc phản xạ về bộ thu. Nhờ đó nó phát hiện vật, đếm sản phẩm hoặc nhận biết màu mà không cần chạm vào vật.
Cấu tạo cảm biến quang gồm những gì?
Cảm biến quang gồm ba bộ phận: bộ phát sáng tạo chùm sáng dạng xung, bộ thu sáng nhận ánh sáng về và mạch xử lý tín hiệu đầu ra. Mạch xử lý so mức sáng nhận được với ngưỡng đặt trước rồi xuất tín hiệu ON/OFF dạng PNP hoặc NPN về PLC.
Cảm biến quang điện và cảm biến quang có khác nhau không?
Không. Cảm biến quang điện là cách gọi đầy đủ của cảm biến quang, dịch từ photoelectric sensor. Cả hai đều chỉ loại cảm biến dùng ánh sáng để phát hiện vật thể, phân biệt với cảm biến tiệm cận điện cảm hay điện dung.
Photo sensor là gì?
Photo sensor là tên gọi tắt tiếng Anh của photoelectric sensor, tức cảm biến quang. Trong tài liệu kỹ thuật, photo sensor còn được dùng chung cho các linh kiện nhạy sáng như photodiode hay phototransistor, là bộ thu nằm bên trong cảm biến quang.
Nên chọn loại cảm biến quang nào cho băng tải?
Với băng tải cần phát hiện xa và ổn định, chọn loại thu phát độc lập. Nếu cần lắp gọn một phía, chọn phản xạ gương. Loại khuếch tán phù hợp đếm sản phẩm ở cự ly gần dưới 2 m. Cần phân biệt vật theo màu thì dùng cảm biến quang phát hiện màu.