Cảm biến quang là gì?
Cảm biến quang (Photoelectric sensor) được tạo thành từ 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 phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể hay xác định khoảng cách với vật thể đó. Khi gặp vật thể, ánh sáng phát ra từ bộ phát sẽ bị ảnh hưởng đến tần số của bộ thu, với sự thay đổi của bộ thu mạch điều khiển của cảm biến sẽ xuất tín hiệu ở ngõ ra. Ngày nay, cảm biến quang đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp và tự động hoá.
Cấu tạo của cảm biến quang
Thông thường cảm biến quang có cấu tạo gồm 3 bộ phận chính là bộ phát ánh sáng, bộ thu ánh sáng và mạch tín hiệu ngõ ra.

Cấu tạo cảm biến quang

Bộ phát ánh sáng: Đây là bộ phận đảm nhận vị trí cảm biến quang nhiệt, phát ra ánh sáng dạng xung. Tuỳ vào từng hãng sản xuất mà tần số phát ra sẽ khác nhau. Với tần số xung phát đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của bộ phát so với ánh sáng từ các nguồn khác như mặt trời, đèn chiếu sáng,... Hầu hết các loại cảm biến quang thường sử dụng đèn Led bán dẫn. Các loại Led thông dụng nhất là Led đỏ, Led hồng ngoại hoặc Led laser. Một số loại cảm biến đặc biệt có thể dùng Led trắng hoặc xanh lá.
Bộ thu ánh sáng: Thông thường với một cảm biến quang bộ thu sáng là một phototransistor. Bộ phận này tiếp nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Hiện nay, nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng của một vi mạch (IC). Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (loại thu - phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (loại phản xạ khuếch tán).
Mạch tín hiệu ngõ ra: Mạch đầu ra chuyển đổi tín hiệu tỉ lệ (analog) từ phototransistor thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt. Ngày nay, các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN). Một số cảm biến quang còn có tín hiệu ra tỉ lệ để sử dụng cho việc đo đếm.

Cảm biến quang thu phát độc lập
Là loại cảm biến ánh sáng không phản xạ, để hoạt động được cần một con phát sáng và một con thu sáng lắp đối diện nhau. Không bị ảnh hưởng bởi các tác động như bề mặt, màu sắc. Khoảng cách phát hiện vật có thể lên tới 60m.
Nguyên lý hoạt động: Chúng hoạt động theo hai trạng thái là có vật cản và không có vật cản. Ở trạng thái không vật cản, hoạt động phát và thu diễn ra liên tục, dễ dàng tiếp cận nhau. Ở trạng thái có vật cản, bộ phát vẫn hoạt động bình thường nhưng bộ thu không nhận được ánh sáng do có vật cản.
Loại cảm biến quang thu phát độc lập được sử dụng nhiều trong môi trường có phản xạ ánh sáng cao.

Cảm biến quang E3Z-T81 PNP

Cảm biến quang phản xạ gương
Loại cảm biến này có bộ phát và bộ thu trên cùng một thiết bị, kết hợp cùng với gương phản xạ. Gương phản xạ là một lăng kính có thiết kế đặc biệt. Đặc điểm của loại cảm biến này là có thể dể dàng lắp đặc, tiết kiệm dây dẫn, phát hiện được vật trong suốt hoặc mờ. Khoảng cách hoạt động tối đa 15m.
Nguyên lý hoạt động: Bộ phát sẽ thực hiện phát ánh sáng tới gương. Trong trường hợp không có vật cản thì ánh sáng sẽ được gương phản xạ lại bộ thu. Nếu có vật cản thì tần số ánh sáng phản xạ sẽ bị thay đổi hoặc có thể làm mất đi ánh sáng.

Cảm biến quang phản xạ BX-R52

Cảm biến quang khuếch tán
Đây là thiết bị cảm biến quang có bộ phát và bộ thu chung. Thường được sử dụng cho các hệ thống máy tự động để phát hiện vật thể hay giám sát các thiết bị. Loại cảm biến này dễ bị ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt, khoảng cách hoạt động tối đa 2m.
Nguyên lý hoạt động: Khi có vật cản, bộ phát sẽ phát ánh sáng liên tục tới bề mặt vật cản, ánh sáng bị phản xạ đi ngược về bộ thu. Khi không có vật cản thì ánh sáng không phản xạ lại bộ thu hoặc bề mặt vật không phản xạ ánh sáng về vị trí thu.

Cảm biến quang khuếch tán E3Z-D62

Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến quang
Ưu điểm:

Phát hiện vật ở khoảng cách xa, có thể lên tới 100m mà không cần tiếp xúc với vật đó.
Ít bị hao mòn, độ chính xác và tính ổn định cao, tuổi thọ cao.
Có thể phát hiện được nhiều dạng vật thể khác nhau.
Thời gian đáp ứng nhanh, có thể điều chỉnh độ nhạy tuỳ theo nhu cầu ứng dụng.

Nhược điểm:

Nếu như bề mặt cảm biến bị bẩn sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của cảm biến.
Khoảng cách nhận biết vật phụ thuộc nhiều vào yếu tố màu sắc và hệ số phản xạ của vật đó.

Ứng dụng của cảm biến quang

Kiểm tra đường đi của sản phẩm trên băng tải.
Xác định mức độ đầy của chất lỏng trong lon hoặc chai.
Đếm sản phẩm di chuyển trên băng tải.
Phát hiện người hoặc vật đi qua cửa.
Làm công tắc không tiếp xúc cho các hệ thống tự động.

Ứng dụng cảm biến quang trong công nghiệp