Cảm biến quang là thiết bị dùng chùm sáng để nhận biết sự có mặt, vị trí hoặc trạng thái của vật thể mà không cần tiếp xúc. Nhờ tốc độ phản hồi nhanh, độ bền cao và khả năng phát hiện được nhiều loại vật liệu, cảm biến quang xuất hiện trong hầu hết các dây chuyền sản xuất tự động, từ băng tải đóng gói đến cửa tự động trong tòa nhà. Bài viết này giải thích chi tiết từ cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại đến ứng dụng thực tế trong hệ thống. 

CẢM BIẾN QUANG LÀ GÌ?

Cảm biến quang, hay còn gọi là cảm biến quang điện, phát ra ánh sáng và theo dõi sự thay đổi của ánh sáng đó khi gặp vật thể. Khi có vật đi qua hoặc xuất hiện trong vùng phát hiện, lượng ánh sáng đến bộ thu thay đổi. Cảm biến ghi nhận sự thay đổi này và chuyển thành tín hiệu điện để gửi về bộ điều khiển PLC, rơ le hoặc thiết bị đếm.

Ánh sáng sử dụng có thể là ánh sáng đỏ, hồng ngoại hoặc tia laser, tùy dòng sản phẩm. Do không cần chạm vào vật thể, cảm biến quang không gây trầy xước, không bị mài mòn cơ khí và có thể hoạt động liên tục với tần số đóng cắt cao.

So với cảm biến tiệm cận vốn chỉ phát hiện kim loại ở khoảng cách rất ngắn, cảm biến quang phát hiện được gần như mọi loại vật liệu như nhựa, giấy, thủy tinh, gỗ, kim loại, và có tầm phát hiện xa hơn nhiều.

CẤU TẠO CỦA CẢM BIẾN QUANG

Một cảm biến quang thông thường gồm các bộ phận sau:

• Bộ phát ánh sáng: thường là đèn LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc điốt laser. Bộ phát tạo ra chùm sáng đã được điều chế thành các xung rất nhanh để cảm biến phân biệt được ánh sáng của chính nó với ánh sáng môi trường.
• Bộ thu ánh sáng: thường là điốt quang hoặc tranzito quang, có nhiệm vụ nhận ánh sáng và đổi thành tín hiệu điện.
• Thấu kính quang học: tập trung chùm sáng khi phát và gom ánh sáng khi thu, giúp tăng khoảng cách phát hiện và độ chính xác.
• Mạch xử lý tín hiệu: khuếch đại tín hiệu từ bộ thu, so sánh với ngưỡng đã cài đặt và quyết định khi nào đổi trạng thái ngõ ra.
• Mạch đầu ra: đưa tín hiệu ra ngoài dưới dạng ngõ ra transistor NPN, PNP hoặc tiếp điểm rơ le.
• Vỏ cảm biến và các bộ phận chỉnh định: vỏ bảo vệ bằng nhựa hoặc kim loại, đèn báo trạng thái, núm hoặc nút chỉnh độ nhạy ở những dòng có hỗ trợ.

Ở loại thu phát độc lập, bộ phát và bộ thu nằm ở hai thân riêng biệt, đặt đối diện nhau. Ở các loại còn lại, bộ phát và bộ thu được gộp chung trong một thân.

Xem thêm: Cảm biến quang phản xạ triệt tiêu nền (background suppression) là gì?

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN QUANG

Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang dựa trên việc theo dõi lượng ánh sáng đến bộ thu:

Bước 1: Bộ phát tạo ra chùm sáng liên tục dưới dạng các xung ngắn.

Bước 2: Ánh sáng đi đến bộ thu, trực tiếp hoặc sau khi phản xạ từ vật thể hay tấm phản xạ.

Bước 3: Bộ thu chuyển ánh sáng nhận được thành tín hiệu điện.

Bước 4: Mạch xử lý so sánh tín hiệu với ngưỡng cài đặt. Khi lượng ánh sáng vượt ngưỡng hoặc tụt xuống dưới ngưỡng, ngõ ra đổi trạng thái.

Bước 5: Tín hiệu ngõ ra được gửi đến thiết bị điều khiển để thực hiện lệnh tiếp theo, chẳng hạn dừng băng tải, đếm sản phẩm hoặc đẩy sản phẩm lỗi ra ngoài.

Tùy cách đấu nối và cài đặt, ngõ ra có hai chế độ:

• Chế độ đóng khi có ánh sáng nghĩa là ngõ ra bật lên lúc bộ thu nhận được ánh sáng.
• Chế độ đóng khi bị che sáng nghĩa là ngõ ra bật lên khi ánh sáng bị vật thể chắn mất. 

Chế độ này thường được chọn bằng dây cấu hình, công tắc hoặc có sẵn theo mã sản phẩm. Việc điều chế xung ánh sáng giúp cảm biến ít bị nhiễu bởi đèn huỳnh quang, ánh nắng hay đèn nhà xưởng, vì vậy có thể hoạt động ổn định trong môi trường nhiều ánh sáng.

CÁC LOẠI CẢM BIẾN QUANG PHỔ BIẾN

Cảm biến quang được phân loại chủ yếu theo cách bố trí bộ phát và bộ thu. Mỗi loại có điểm mạnh riêng.

Cảm biến quang thu phát độc lập

Bộ phát và bộ thu đặt đối diện nhau. Vật thể đi qua giữa hai bộ phận sẽ chắn chùm sáng và làm ngõ ra đổi trạng thái. Đây là loại cảm biến quang có khoảng cách phát hiện xa nhất và ổn định nhất, ít bị ảnh hưởng bởi màu sắc hay bề mặt vật thể. Tuy nhiên, phải đi dây và lắp đặt ở cả hai phía, đồng thời khó phát hiện vật hoàn toàn trong suốt.

Dạng cảm biến quang này phù hợp để đếm sản phẩm trên băng tải, phát hiện người hoặc phương tiện đi qua cổng, giám sát vị trí vật thể ở khoảng cách xa.

Cảm biến quang phản xạ gương

Bộ phát và bộ thu nằm chung một thân, ánh sáng được gửi đến một tấm phản xạ chuyên dụng đặt phía đối diện rồi quay về bộ thu. Khi vật thể chắn giữa cảm biến và tấm phản xạ, ánh sáng bị ngắt và ngõ ra thay đổi. Vì chỉ cần đi dây một phía nên lắp đặt gọn hơn loại thu phát độc lập.

Với vật có bề mặt bóng như kim loại sáng hoặc nhựa bóng, ánh sáng có thể phản xạ lại về cảm biến. Trường hợp này nên dùng cảm biến phản xạ gương có kính lọc phân cực để chỉ nhận ánh sáng từ tấm phản xạ. Loại này thường dùng trên băng tải, dây chuyền đóng gói và cửa tự động.

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán

Cảm biến phát ánh sáng trực tiếp vào vật thể, ánh sáng phản xạ lại từ chính vật thể đó sẽ quay về bộ thu. Loại này lắp đơn giản nhất vì không cần tấm phản xạ hay bộ thu riêng, nhưng khoảng cách phát hiện thường ngắn hơn và phụ thuộc vào màu sắc, độ bóng của vật. Vật màu tối hấp thụ nhiều ánh sáng nên khó phát hiện ở xa hơn vật màu sáng.

Cảm biến phản xạ khuếch tán thích hợp cho các vị trí lắp đặt chật hẹp, phát hiện vật ở khoảng cách gần như hộp, chai, linh kiện trên băng tải.

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán triệt nền

Đây là biến thể của loại phản xạ khuếch tán, có khả năng bỏ qua vật nằm sau một khoảng cách đã cài đặt. Nhờ vậy, cảm biến chỉ phản ứng với vật trong vùng cần phát hiện và ít bị nhầm lẫn bởi nền phía sau, kể cả khi nền sáng hoặc bóng. Loại này hữu ích khi phát hiện vật có màu sắc khác nhau trên cùng một dây chuyền mà vẫn cần độ ổn định.

Cảm biến quang sợi quang

Cảm biến gồm một bộ khuếch đại và các sợi quang mảnh dẫn ánh sáng đến vị trí cần phát hiện. Đầu sợi quang rất nhỏ, có thể luồn vào không gian hẹp và chịu được môi trường nhiệt độ cao, nhiều rung động hoặc hóa chất (tùy loại sợi). Loại này phù hợp để phát hiện chi tiết nhỏ trong máy lắp ráp, máy dán linh kiện và thiết bị bán dẫn.

Cảm biến quang khe chữ U

Bộ phát và bộ thu nằm sẵn trong một khung hình chữ U, vật thể đi qua khe sẽ chắn tia sáng. Loại này cho vị trí phát hiện rất cố định và chính xác, thường dùng để xác định vị trí chi tiết nhỏ, đếm xung hoặc làm công tắc giới hạn trong thiết bị gọn nhẹ.

Xem thêm: Sản phẩm cảm biến quang

ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA CẢM BIẾN QUANG

Trong công nghiệp, cảm biến quang được dùng rộng rãi ở nhiều khâu:

• Đếm sản phẩm, thùng hàng, chai lọ trên băng tải.
• Phát hiện sản phẩm thiếu nắp, thiếu nhãn hoặc đặt sai vị trí trong dây chuyền đóng gói.
• Xác định vị trí chi tiết trong máy gia công và máy lắp ráp.
• Phát hiện vật nằm sai vị trí hoặc kẹt trên đường vận chuyển để dừng máy kịp thời.
• Giám sát mức vật liệu trong phễu, thùng chứa ở vị trí cần theo dõi.

Ngoài sản xuất, loại cảm biến này còn quen thuộc trong cửa tự động, thang cuốn, bãi đỗ xe, máy rút tiền, máy in và nhiều thiết bị dân dụng khác. Chức năng chung là nhận biết sự có mặt hoặc chuyển động của người hay vật để kích hoạt thao tác tương ứng.

CÁCH CHỌN CẢM BIẾN QUANG PHÙ HỢP

Để chọn đúng cảm biến quang, bạn nên bắt đầu với ba câu hỏi: vật cần phát hiện là gì, đặt cách cảm biến bao xa và môi trường lắp đặt ra sao.

• Nếu cần khoảng cách xa và độ ổn định cao, ưu tiên cảm biến quang thu phát độc lập.
• Nếu chỉ lắp được ở một phía nhưng vẫn cần tầm phát hiện tương đối xa, chọn cảm biến quang phản xạ gương, thêm kính lọc phân cực nếu vật có bề mặt bóng.
• Nếu không gian chật và vật ở gần, chọn loại phản xạ khuếch tán. Nếu nền phía sau gây nhiễu, chọn loại triệt nền.
• Nếu vật rất nhỏ hoặc vị trí lắp đặt hẹp, chọn cảm biến sợi quang hoặc cảm biến khe chữ U.

Sau khi chọn được loại, cần kiểm tra thêm điện áp nguồn cấp, kiểu ngõ ra NPN, PNP hoặc rơ le cho khớp với bộ điều khiển, cấp bảo vệ chống bụi và nước của vỏ, cũng như kiểu đấu nối dây hoặc đầu nối. Các thông số này luôn được ghi trong tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất.

CÂU HỎI THƯỜNG GẶP

Cảm biến quang khác cảm biến tiệm cận ở điểm nào?
Cảm biến quang dùng ánh sáng và phát hiện được nhiều vật liệu ở khoảng cách xa hơn. Cảm biến tiệm cận điện cảm dùng từ trường, chỉ phát hiện kim loại và có khoảng cách phát hiện ngắn hơn.

Cảm biến quang có phát hiện được vật trong suốt không?
Với vật trong suốt như chai thủy tinh hoặc màng nhựa, cảm biến thu phát thông thường khó nhận biết ổn định. Nên chọn dòng có chức năng chuyên dụng cho vật trong suốt, thường là loại phản xạ gương có phân cực hoặc cảm biến được thiết kế riêng cho ứng dụng này.

Khoảng cách phát hiện của cảm biến quang là bao nhiêu?
Tùy loại. Cảm biến quang khe chữ U chỉ phát hiện trong vài milimet, loại phản xạ khuếch tán thường từ vài centimet đến khoảng một mét, còn loại cảm biến quang thu phát độc lập có thể đạt vài chục mét. 

MUA CẢM BIẾN QUANG CHÍNH HÃNG TẠI SENSORS VIỆT NAM

Cảm biến quang là thiết bị phát hiện không tiếp xúc, nhanh và linh hoạt, giải quyết nhiều vấn đề từ đếm sản phẩm đến định vị chi tiết trong tự động hóa. Chọn đúng loại theo vật thể, khoảng cách và môi trường lắp đặt sẽ giúp hệ thống chạy ổn định và hạn chế sự cố. 

Sensors Việt Nam hiện đang là nhà phân phối, chuyên cung cấp các dòng cảm biến quang điện, cảm biến tiệm cận, cảm biến siêu âm và thiết bị cảm biến công nghiệp phục vụ hệ thống tự động hóa nhà máy. Mọi thắc mắc, thông tin về cảm biến quang, vui lòng liên hệ đội ngũ Sensors Việt Nam để được hỗ trợ lựa chọn mã sản phẩm phù hợp.