Trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, cảm biến siêu âm và cảm biến quang là hai loại cảm biến tiệm cận được sử dụng phổ biến để phát hiện vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Mặc dù cùng thực hiện một nhiệm vụ, hai thiết bị hoạt động dựa trên những nguyên lý khác nhau, dẫn đến sự khác biệt về tốc độ phản hồi, khả năng nhận diện vật liệu và điều kiện làm việc. Vậy cảm biến siêu âm và cảm biến quang khác nhau như thế nào, và đâu là lựa chọn phù hợp cho từng ứng dụng?

CẢM BIẾN QUANG LÀ GÌ?

Cảm biến quang (cảm biến quang điện) là thiết bị phát hiện vật thể dựa trên sự thay đổi của chùm ánh sáng. Cấu tạo cơ bản gồm bộ phát ánh sáng, bộ thu và mạch xử lý tín hiệu. Nguồn sáng thường sử dụng đèn LED đỏ, hồng ngoại hoặc laser.

Khi vật thể xuất hiện, chùm sáng có thể bị chắn, phản xạ hoặc suy giảm cường độ trước khi đến bộ thu. Cảm biến nhận biết sự thay đổi này và chuyển đổi thành tín hiệu ngõ ra để xác định trạng thái có hoặc không có vật thể.

Nhờ tốc độ phản hồi nhanh và khả năng phát hiện các vật thể có kích thước nhỏ, cảm biến quang được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống đếm sản phẩm, kiểm tra bao bì, định vị vật thể và điều khiển dây chuyền tự động hóa.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN QUANG

Tùy theo cách bố trí bộ phát và bộ thu, cảm biến quang được chia thành ba phương pháp phát hiện chính:

Cảm biến quang thu phát độc lập

Bộ phát và bộ thu được lắp đặt đối diện nhau. Khi vật thể đi qua, chùm sáng bị gián đoạn và cảm biến thay đổi trạng thái ngõ ra. Phương pháp này có khoảng cách phát hiện tương đối xa và độ tin cậy cao, đặc biệt phù hợp với các ứng dụng cần phát hiện vật thể trên băng tải.

Cảm biến quang phản xạ gương

Bộ phát và bộ thu được tích hợp trong cùng một thiết bị, kết hợp với một gương phản quang đặt ở phía đối diện. Ánh sáng phát ra được phản xạ trở lại bộ thu. Khi vật thể đi vào vùng phát hiện, chùm sáng bị gián đoạn và cảm biến nhận biết sự xuất hiện của vật thể.

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán

Bộ phát và bộ thu nằm trong cùng một thiết bị. Ánh sáng chiếu trực tiếp lên vật thể và một phần ánh sáng phản xạ trở lại bộ thu. Phương pháp này không cần gương phản quang, thuận tiện khi lắp đặt chỉ từ một phía. Tuy nhiên, khoảng cách phát hiện phụ thuộc vào màu sắc, kích thước và đặc tính bề mặt của vật thể.

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

CẢM BIẾN SIÊU ÂM LÀ GÌ?

Cảm biến siêu âm là thiết bị sử dụng sóng âm có tần số cao hơn ngưỡng nghe của con người để phát hiện vật thể và đo khoảng cách. Thiết bị phát ra các xung sóng siêu âm, sau đó tiếp nhận tín hiệu phản xạ từ bề mặt vật thể để xác định vị trí hoặc khoảng cách.

Khác với cảm biến quang sử dụng ánh sáng, cảm biến siêu âm dựa trên sự phản xạ của sóng âm. Vì vậy, khả năng phát hiện vật thể ít phụ thuộc vào màu sắc, độ bóng và độ trong suốt của bề mặt. Cảm biến có thể nhận biết nhiều loại vật liệu như kim loại, nhựa, thủy tinh, gỗ và chất lỏng.

Nhờ đặc điểm này, cảm biến siêu âm công nghiệp thường được sử dụng trong các ứng dụng đo mức chất lỏng, phát hiện chai nhựa trong suốt, kiểm tra vị trí vật liệu và đo khoảng cách trong dây chuyền sản xuất.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM

Cảm biến siêu âm hoạt động dựa trên nguyên lý đo thời gian truyền và phản xạ của sóng âm (Time of Flight). Quá trình phát hiện gồm ba bước:

Bước 1: Phát sóng - Đầu cảm biến phát ra một xung sóng siêu âm truyền trong không khí đến vật thể.

Bước 2: Tiếp nhận sóng phản xạ - Khi gặp bề mặt vật thể, một phần sóng âm phản xạ trở lại và được bộ thu của cảm biến tiếp nhận.

Bước 3: Xử lý tín hiệu - Mạch xử lý xác định thời gian từ lúc phát đến khi nhận được tín hiệu phản xạ, sau đó tính khoảng cách dựa trên tốc độ truyền âm trong không khí.

Cảm biến siêu âm công nghiệp thường có hai dạng ngõ ra phổ biến. Ngõ ra đóng cắt (ON/OFF) dùng để xác định vật thể có nằm trong vùng phát hiện hay không. Ngõ ra analog cung cấp tín hiệu thay đổi theo khoảng cách đo, thường sử dụng để giám sát mức chất lỏng, vị trí hoặc khoảng cách.

Do tốc độ truyền âm phụ thuộc vào nhiệt độ không khí, sự thay đổi nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến kết quả đo. Một số dòng cảm biến được tích hợp chức năng bù nhiệt để cải thiện độ chính xác. Ngoài ra, cảm biến siêu âm có vùng chết ngay trước mặt cảm biến. Vật thể nằm trong vùng này không thể được phát hiện hoặc đo khoảng cách một cách tin cậy.

SO SÁNH CẢM BIẾN SIÊU ÂM VÀ CẢM BIẾN QUANG

Mặc dù đều là cảm biến phát hiện vật thể không tiếp xúc, cảm biến siêu âm và cảm biến quang có sự khác biệt rõ rệt về nguyên lý, khả năng phát hiện và điều kiện ứng dụng.

NÊN CHỌN CẢM BIẾN SIÊU ÂM HAY CẢM BIẾN QUANG?

Việc lựa chọn cảm biến phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính vật thể, tốc độ dây chuyền và yêu cầu phát hiện hoặc đo lường của ứng dụng.

Nên chọn cảm biến siêu âm khi:

• Cần phát hiện vật thể trong suốt như chai PET, màng nhựa hoặc kính.
• Vật thể có nhiều màu sắc hoặc bề mặt bóng, khiến việc phát hiện bằng ánh sáng không ổn định.
• Cần đo mức chất lỏng, mức vật liệu rời hoặc khoảng cách liên tục.
• Ứng dụng hoạt động trong môi trường có bụi hoặc sương ở mức phù hợp với thông số kỹ thuật của cảm biến.

Nên chọn cảm biến quang khi:

• Cần phát hiện vật thể nhỏ hoặc các chi tiết có kích thước chính xác.
• Dây chuyền yêu cầu tốc độ phản hồi nhanh và tần số đóng cắt cao.
• Cần đếm sản phẩm, kiểm tra vị trí hoặc phát hiện vật thể di chuyển trên băng tải.
• Cần khoảng cách phát hiện xa với phương pháp thu phát độc lập hoặc phản xạ gương.

Đối với ứng dụng phát hiện vật thể trong suốt nhưng vẫn muốn sử dụng cảm biến quang, có thể lựa chọn dòng cảm biến chuyên dụng phát hiện vật thể trong suốt. Các model này thường sử dụng mạch xử lý độ nhạy cao để nhận biết sự thay đổi nhỏ của cường độ ánh sáng khi vật thể đi qua.

Xem thêm: Sản phẩm cảm biến quang

ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHIỆP

Nhờ khả năng phát hiện nhiều loại vật liệu mà ít phụ thuộc vào màu sắc và độ trong suốt, cảm biến siêu âm được ứng dụng trong nhiều hệ thống tự động hóa:

• Giám sát mức nước, hóa chất trong bồn chứa hoặc nguyên liệu trong silo.
• Phát hiện vật thể trong suốt như nhận biết chai nhựa PET, màng nhựa và tấm kính trên dây chuyền sản xuất.
• Đo đường kính cuộn vật liệu như giấy, vải hoặc màng nhựa trong máy cuộn.
• Giám sát vị trí và độ căng của vật liệu dạng cuộn trong máy in, máy cán và dây chuyền dệt.
• Kiểm tra chiều cao hàng hóa trên pallet và hỗ trợ xác định khoảng cách trong các hệ thống tự động.

ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN QUANG TRONG CÔNG NGHIỆP

Với tốc độ phản hồi nhanh và khả năng phát hiện vật thể kích thước nhỏ, cảm biến quang được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất và đóng gói tự động:

• Phát hiện và đếm số lượng chai, lon, hộp hoặc linh kiện đi qua vị trí lắp đặt.
• Phát hiện nhãn, kiểm tra vị trí dán nhãn và nhận biết sản phẩm trong dây chuyền đóng gói.
• Xác định sự hiện diện và vị trí của vật thể trước các công đoạn chiết rót, phân loại hoặc đóng gói.
• Điều khiển cửa tự động và thang máy thông qua nhận biết người hoặc vật thể đi qua vùng phát hiện.
• Sử dụng cảm biến quang an toàn và màn chắn quang để phát hiện người xâm nhập vùng nguy hiểm, hỗ trợ bảo vệ người vận hành.

Cảm biến siêu âm và cảm biến quang đều là những giải pháp quan trọng trong hệ thống cảm biến tiệm cận công nghiệp, nhưng mỗi loại có thế mạnh riêng. Cảm biến siêu âm phù hợp với các ứng dụng cần phát hiện vật thể ít phụ thuộc vào màu sắc, độ bóng hoặc độ trong suốt, đồng thời hỗ trợ đo khoảng cách và đo mức. Trong khi đó, cảm biến quang có lợi thế về tốc độ phản hồi, khả năng phát hiện vật thể nhỏ và đáp ứng tốt các dây chuyền sản xuất tốc độ cao.

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.