Trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp, cảm biến quang được sử dụng để phát hiện sự hiện diện, vị trí hoặc chuyển động của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Trong đó, cảm biến quang phản xạ khuếch tán là dòng cảm biến phổ biến nhờ thiết kế nhỏ gọn, dễ lắp đặt và không yêu cầu gương phản xạ hay bộ thu riêng.

Khác với cảm biến quang phản xạ gương hoặc cảm biến thu phát độc lập, thiết bị này sử dụng chính bề mặt vật thể làm đối tượng phản xạ ánh sáng. Khi nhận được lượng ánh sáng phản xạ phù hợp, cảm biến sẽ xử lý tín hiệu và gửi trạng thái ngõ ra đến PLC hoặc bộ điều khiển.

CẢM BIẾN QUANG PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN LÀ GÌ?

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán là thiết bị phát hiện vật thể dựa trên nguyên lý phát và thu ánh sáng phản xạ từ chính bề mặt của đối tượng cần nhận biết. Bộ phát và bộ thu được tích hợp trong cùng một thân cảm biến, cho phép lắp đặt thiết bị ở một phía mà không cần bố trí thêm gương phản xạ hoặc bộ thu đối diện.

Đặc điểm nhận diện của dòng cảm biến này là bộ phát và bộ thu nằm chung trong một vỏ, thường có hai thấu kính quang học ở mặt trước. Một số model còn được trang bị biến trở điều chỉnh độ nhạy, nút Teach-in và đèn LED hiển thị trạng thái hoạt động.

CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN QUANG PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN

Cấu tạo chính

Một cảm biến quang phản xạ khuếch tán thông thường bao gồm các bộ phận chính sau:

Bộ phát sáng: Sử dụng LED ánh sáng đỏ, LED hồng ngoại hoặc diode laser để phát chùm sáng về phía đối tượng cần phát hiện.

Bộ thu ánh sáng: Thường sử dụng photodiode hoặc phototransistor để tiếp nhận ánh sáng phản xạ từ vật thể và chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Mạch xử lý tín hiệu: Khuếch đại, lọc và phân tích tín hiệu từ bộ thu, sau đó so sánh với ngưỡng chuyển mạch để xác định trạng thái phát hiện.

Bộ phận điều chỉnh độ nhạy: Cho phép thay đổi ngưỡng phát hiện thông qua biến trở hoặc nút Teach-in, tùy theo thiết kế của từng model.

Ngõ ra tín hiệu: Truyền trạng thái phát hiện đến PLC hoặc thiết bị điều khiển, phổ biến là ngõ ra transistor NPN và PNP. Một số model có thể sử dụng ngõ ra khác tùy cấu hình.

Nguyên lý hoạt động

Quá trình hoạt động của cảm biến quang phản xạ khuếch tán diễn ra theo một chu trình liên tục:

Bước 1: Phát ánh sáng về phía vật thể

Bộ phát tạo ra chùm sáng hướng đến khu vực cần giám sát. Nguồn sáng thường được điều chế hoặc phát theo xung để hỗ trợ phân biệt tín hiệu của cảm biến với ánh sáng môi trường.

Bước 2: Ánh sáng phản xạ từ bề mặt vật thể

Khi vật thể xuất hiện trong vùng phát hiện, ánh sáng chiếu lên bề mặt và tán xạ theo nhiều hướng. Một phần ánh sáng quay trở lại cảm biến.

Bước 3: Tiếp nhận và xử lý tín hiệu

Bộ thu nhận ánh sáng phản xạ, chuyển đổi thành tín hiệu điện. Mạch xử lý tiếp tục khuếch đại, lọc nhiễu và so sánh tín hiệu với ngưỡng đã cài đặt.

Bước 4: Chuyển trạng thái ngõ ra

Khi tín hiệu đạt điều kiện chuyển mạch, cảm biến thay đổi trạng thái ngõ ra để thông báo có hoặc không có vật thể cho hệ thống điều khiển.

Khả năng phát hiện của cảm biến phụ thuộc đáng kể vào đặc tính bề mặt của đối tượng. Vật có màu sáng thường phản xạ ánh sáng nhìn thấy tốt hơn vật tối màu. Kích thước, độ nhám, độ bóng và góc nghiêng của bề mặt cũng ảnh hưởng đến lượng ánh sáng quay trở lại bộ thu. 

Ngoài ra, khoảng cách càng lớn thì tín hiệu phản xạ thường càng suy giảm. Đặc biệt, bề mặt kim loại bóng hoặc vật có hình dạng cong có thể phản xạ ánh sáng lệch khỏi hướng thu, khiến cảm biến phát hiện không ổn định.

CÁC LOẠI CẢM BIẾN QUANG PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN PHỔ BIẾN

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán có nhiều biến thể khác nhau, chủ yếu dựa trên phương pháp xử lý tín hiệu, đặc điểm nguồn sáng và yêu cầu phát hiện của ứng dụng.

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán thông thường

Đây là loại cơ bản, xác định sự hiện diện của vật thể dựa trên cường độ ánh sáng phản xạ quay trở lại bộ thu. Ưu điểm là cấu tạo đơn giản, chi phí hợp lý và phù hợp với nhiều ứng dụng phát hiện sản phẩm trên băng tải.

Tuy nhiên, cảm biến có thể nhận nhầm ánh sáng phản xạ từ nền phía sau thành tín hiệu của vật thể, đặc biệt khi nền có độ phản xạ cao hoặc nằm gần đối tượng.

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán triệt nền

Cảm biến triệt nền được thiết kế để phân biệt vật thể cần phát hiện với nền phía sau, dựa trên vị trí hoặc góc tiếp nhận ánh sáng phản xạ thay vì chỉ đánh giá cường độ ánh sáng.

Một phương pháp phổ biến là nguyên lý tam giác hóa. Ánh sáng phản xạ từ các khoảng cách khác nhau sẽ hội tụ tại những vị trí khác nhau trên bộ phận thu quang. Mạch xử lý dựa vào sự thay đổi vị trí này để xác định khoảng cách và bỏ qua các vật thể nằm ngoài vùng phát hiện đã được thiết lập.

Nhờ đó, cảm biến triệt nền hạn chế tình trạng phát hiện nhầm vật thể phía sau và giảm sự phụ thuộc vào màu sắc trong một số thiết kế.

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán sử dụng LED và laser

Xét theo nguồn sáng, cảm biến có thể sử dụng LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc laser.

• LED đỏ: Ánh sáng nhìn thấy được, giúp người lắp đặt dễ dàng quan sát điểm chiếu và căn chỉnh vị trí cảm biến.
• LED hồng ngoại: Phát ánh sáng không nhìn thấy bằng mắt thường, được sử dụng trong nhiều dòng cảm biến công nghiệp.
• Laser: Tạo chùm sáng có điểm chiếu nhỏ và tập trung, hỗ trợ phát hiện các vật thể kích thước nhỏ hoặc xác định vị trí chính xác hơn.

Xem thêm: Cảm biến quang Pepperl+fuchs

ƯU ĐIỂM, HẠN CHẾ CỦA CẢM BIẾN QUANG PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán có ưu điểm nổi bật là không yêu cầu gương phản xạ hoặc bộ thu riêng, giúp đơn giản hóa quá trình lắp đặt và tiết kiệm không gian. Phương pháp phát hiện không tiếp xúc cũng hạn chế hao mòn cơ khí và không làm ảnh hưởng đến bề mặt sản phẩm.

Thiết bị có thể phát hiện nhiều loại vật liệu như nhựa, kim loại, giấy, gỗ và các sản phẩm đóng gói, miễn là bề mặt tạo ra tín hiệu phản xạ đủ để cảm biến nhận biết.

Tuy nhiên, hạn chế lớn nhất là khả năng phát hiện phụ thuộc vào đặc tính quang học của vật thể. Vật tối màu hoặc có bề mặt phản xạ kém thường có khoảng cách phát hiện ngắn hơn. Bề mặt bóng, góc nghiêng không phù hợp hoặc nền phía sau có độ phản xạ cao cũng có thể gây sai lệch tín hiệu. Ngoài ra, loại khuếch tán thông thường thường có khoảng cách phát hiện ngắn hơn cảm biến phản xạ gương và cảm biến thu phát độc lập.

ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN QUANG PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN TRONG CÔNG NGHIỆP

Nhờ khả năng phát hiện vật thể không tiếp xúc và thiết kế nhỏ gọn, cảm biến quang phản xạ khuếch tán được sử dụng trong nhiều hệ thống tự động hóa.

Phát hiện và định vị sản phẩm trên băng tải

Cảm biến được lắp bên cạnh hoặc phía trên băng tải để xác định sự xuất hiện của sản phẩm. Khi vật thể đi vào vùng phát hiện, tín hiệu được gửi đến PLC để điều khiển dừng băng tải, phân loại hoặc chuyển sản phẩm sang công đoạn tiếp theo.

Đếm sản phẩm trong dây chuyền đóng gói

Cảm biến phát hiện từng sản phẩm đi qua và gửi tín hiệu chuyển mạch đến bộ đếm hoặc PLC. Kết hợp với thời gian đáp ứng phù hợp, thiết bị hỗ trợ kiểm soát số lượng sản phẩm trong quá trình đóng gói và phân loại.

Kiểm tra sự hiện diện của linh kiện

Trong dây chuyền lắp ráp điện tử và cơ khí, cảm biến được sử dụng để kiểm tra linh kiện đã được đặt vào đúng vị trí trên khay, đồ gá hoặc băng tải hay chưa. Với linh kiện kích thước nhỏ, cảm biến sử dụng laser hoặc chùm sáng hội tụ có thể mang lại hiệu quả phát hiện tốt hơn.

Phát hiện chai, hộp và bao bì

Cảm biến được ứng dụng để nhận biết chai, hộp carton, túi và các loại bao bì trên dây chuyền sản xuất. Đối với chai thủy tinh trong suốt hoặc màng nhựa trong, cần sử dụng cảm biến chuyên dụng cho vật trong suốt hoặc lựa chọn công nghệ quang phù hợp, thay vì mặc định sử dụng cảm biến khuếch tán thông thường.

Ứng dụng trong máy móc tự động và robot công nghiệp

Cảm biến có thể được lắp trên cơ cấu máy hoặc đầu gắp robot để xác nhận sự hiện diện của vật thể trước khi thực hiện thao tác gắp, đặt hoặc xử lý. Kích thước nhỏ gọn giúp thiết bị dễ dàng tích hợp vào các vị trí có không gian lắp đặt hạn chế.

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

HƯỚNG DẪN LỰA CHỌN, LẮP ĐẶT CẢM BIẾN QUANG PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN

Để đảm bảo khả năng phát hiện ổn định, cần đánh giá các đặc điểm của đối tượng trước khi lựa chọn cảm biến. Những yếu tố quan trọng bao gồm màu sắc, kích thước, độ bóng, độ nhám và khoảng cách từ cảm biến đến vật thể.

Với vật tối màu hoặc có độ phản xạ thấp, cần kiểm tra khoảng cách phát hiện thực tế và cân nhắc model có khả năng phát hiện vật tối màu. Khi nền phía sau có độ phản xạ cao hoặc nằm gần đối tượng, cảm biến triệt nền sẽ giúp hạn chế phát hiện nhầm.

Sau khi xác định loại cảm biến, cần lựa chọn điện áp nguồn và kiểu ngõ ra NPN hoặc PNP phù hợp với hệ thống điều khiển. Khoảng cách lắp đặt nên có dự phòng so với giới hạn phát hiện, nhưng không nên chọn độ nhạy quá cao vì có thể khiến cảm biến nhận cả vật thể phía sau.

Trong quá trình lắp đặt, cần hướng cảm biến trực tiếp về phía vùng phát hiện, cố định chắc chắn để tránh rung động và hạn chế ánh sáng mạnh chiếu thẳng vào bộ thu. Đối với các bề mặt kim loại bóng, nên thử nghiệm thay đổi góc lắp để tăng lượng ánh sáng phản xạ quay về cảm biến.

Sau khi đấu nối, đặt vật thể tại vị trí cần phát hiện và điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở hoặc chức năng Teach-in. Cần kiểm tra cả hai trạng thái có vật và không có vật, đồng thời quan sát đèn báo và tín hiệu ngõ vào PLC để xác nhận cảm biến hoạt động ổn định.

CÁC LỖI THƯỜNG GẶP VÀ CÁCH KHẮC PHỤC KHI SỬ DỤNG CẢM BIẾN QUANG PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN

Một số sự cố phổ biến trong quá trình sử dụng cảm biến quang phản xạ khuếch tán bao gồm:

Cảm biến không phát hiện được vật thể

Có thể do vật nằm ngoài khoảng cách phát hiện, bề mặt phản xạ kém, độ nhạy chưa phù hợp hoặc nguồn cấp không đúng. Cần kiểm tra khoảng cách, điều chỉnh độ nhạy và xác nhận điện áp nguồn.

Cảm biến phát hiện không ổn định

Thường liên quan đến bụi bẩn trên thấu kính, rung động khi lắp đặt, ánh sáng môi trường hoặc vật thể nằm gần giới hạn phát hiện. Cần vệ sinh thấu kính, cố định cảm biến và điều chỉnh lại vị trí.

Cảm biến nhận nhầm nền phía sau

Xảy ra khi nền phản xạ ánh sáng mạnh và cảm biến khuếch tán thông thường không phân biệt được ánh sáng từ vật thể với ánh sáng từ nền. Có thể giảm độ nhạy, thay đổi góc lắp hoặc sử dụng cảm biến triệt nền.

Ngõ ra không truyền tín hiệu đến PLC

Cần kiểm tra nguồn cấp, dây đấu nối, kiểu ngõ ra NPN/PNP và chế độ Light-ON/Dark-ON. Nếu đèn báo trên cảm biến thay đổi đúng nhưng PLC không nhận tín hiệu, cần kiểm tra tính tương thích và đường dây tín hiệu.

CÂU HỎI THƯỜNG GẶP VỀ CẢM BIẾN QUANG PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN

1. Cảm biến quang phản xạ khuếch tán có cần gương phản xạ không?

Không. Cảm biến sử dụng ánh sáng phản xạ từ chính bề mặt vật thể để phát hiện, do đó không cần lắp thêm gương phản xạ hoặc bộ thu riêng.

2. Cảm biến quang phản xạ khuếch tán có phát hiện được vật thể màu đen không?

Có, nhưng khoảng cách phát hiện có thể ngắn hơn so với vật sáng màu do khả năng phản xạ ánh sáng thấp. Cần kiểm tra thông số và thử nghiệm với vật thể thực tế trước khi lựa chọn.

3. Cảm biến quang phản xạ khuếch tán có phát hiện được vật thể trong suốt không?

Cảm biến khuếch tán thông thường thường khó phát hiện ổn định các vật thể trong suốt như kính, chai nhựa hoặc màng film do ánh sáng có thể truyền qua vật thể hoặc phản xạ không đủ để tạo tín hiệu đáng tin cậy. Nên lựa chọn cảm biến chuyên dụng phát hiện vật trong suốt hoặc công nghệ phản xạ gương phân cực phù hợp.

4. Khi nào nên sử dụng cảm biến quang phản xạ khuếch tán triệt nền?

Nên sử dụng khi cần phát hiện vật thể ở một khoảng cách xác định, trong khi nền phía sau có độ phản xạ cao hoặc nằm gần đối tượng. Cảm biến triệt nền giúp phân biệt vật thể với nền dựa trên khoảng cách, hạn chế tín hiệu phát hiện nhầm.

MUA CẢM BIẾN QUANG PHẢN XẠ KHUẾCH TÁN 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.