Cảm biến quang là gì - Nguyên lý cấu tạo ứng dụng

Cảm biến quang là sản phẩm được ứng dụng nhiều trong đời sống và dây chuyền sản xuất. Cùng Điện công nghiệp Bình Thuận - Duy Quang  tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý làm việc và các ứng dụng của cảm biến quang để lựa chọn thiết bị phù hợp cho nhu cầu của mình nhé.

Cảm biến quang là gì?

Cảm biến quang là thiết bị có thể sử dụng quang học để phát hiện ra vật hay sự thay đổi ở điều kiện bề mặt. Cấu tạo của cảm biến quang bao gồm các bộ phận như: bộ thu nhận ánh sáng và bộ phát ánh sáng. Trường hợp cảm biến bị gián đoạn trong quá trình làm việc do có vật cản hay do sự phản xạ ánh sáng từ vật thì thiết bị sẽ tự thay đổi lượng ánh sáng chuyển tới bộ phận thu sáng. Điều này sẽ giúp bộ phận thu sáng cảm nhận được sự thay đổi và chuyển ánh sáng thành điện ở đầu ra. Thiết kế của cảm biến quang chủ yếu là để cảm nhận một số loại nguồn sáng phổ biến như: tia hồng ngoại, ánh sáng xanh lục hay ánh sáng màu đỏ.

Nguyên lý của cảm biến quang

Khi phát hiện ra ánh sáng phát ra từ vị trí máy phát thì thiết bị sẽ cảm nhận được ánh sáng được phát ra từ vật hay là tự sự phản xạ lại của vật. Tính năng này giúp cảm biến có thể phát hiện ra đối tượng. Ưu điểm vượt trội của cảm biến quang là có thể cảm nhận ra vật khi ở khoảng cách xa mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp. Hơn thế nữa, hiệu quả cảm nhận cũng có độ chính xác rất cao.

Cấu tạo của cảm biến quang

Cảm biến quang thường được cấu tạo từ 3 bộ phận chính: phát sáng, thu sáng và board mạch xử lý tín hiệu đầu ra. Để hiểu hơn về cấu tạo của cảm biến quang chúng ta sẽ tìm hiểu chi tiết các thành phần của nó.

Phần phát sáng: Thường các loại cảm biến quang trên thị trường hiện nay sử dụng đèn LED bán dẫn, ánh sáng phát ra dạng hình xung. Dạng này giúp cảm biến nhận biết được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng của của các nguồn khác như mặt trời, đèn điện... Hiện nay các cảm biến quang sử dụng bộ phận phát sáng có đèn LED đỏ, hồng ngoại, lazer. Một số khác có thể sử dụng đèn LED vàng, xanh hoặc trắng.

Phần thu sáng: Bộ phận thu sáng của cảm biến quang có thể là một tranzito quang (thuật ngữ tiếng anh: phototransistor). Bộ phận thu sáng sẽ cảm nhận ánh sáng và sẽ chuyển đổi thành tín hiệu. Ngoài ra một số cảm biến quang có bộ phận thu sáng là mạch tích hợp ASIC. Bộ phận này giúp nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phận phát sáng hoặc ánh sáng phản xạ từ các vật bị phát hiện.

Board mạch xử lý tín hiệu đầu ra: Mạch này giúp nhận biết tín hiệu ra của cảm biến.

Chức năng của cảm biến quang

• Cảm biến trong khoảng cách xa

Cảm biến quang có thể thực hiện cảm biến để phát hiện ra vật ở khoảng cách đến 10m. Tuy nhiên, nếu ứng dụng trong môi trường từ trường hay siêu âm thì tính năng này của cảm biến sẽ không thể có được.

• Cảm biến được hầu hết các đối tượng

Nguyên tắc làm việc của cảm biến quang chính là cảm nhận ra vật thông qua ánh sáng phản xạ được từ vật hay từ đối tượng từ phát ra ánh sáng. Vì thế, thiết bị không có sự giới hạn đối tượng cảm biến. Từ vật làm từ kim loại, chất lỏng, thủy tinh hay gỗ...để có thể sử dụng loại cảm biến này.

• Thời gian cảm biến nhanh

Do đặc điểm ánh sáng có tốc độ di chuyển nhanh nên thời gian phản hồi của cảm biến quang cũng rất nhanh chóng. Tuy nhiên, bộ cảm biến quang sẽ không thực hiện hoạt động cơ học do mạch trong nó là những thành phần điện tử.

• Có độ phân giải cao

Ưu điểm của cảm biến quang chính là có độ phân giải rất cao. Nó có được là bởi thiết kế hệ thống quang trong cảm biến rất độc đáo, nó có thể phát hiện ra vật nhanh với độ chính xác vượt trội.

• Không cần tiếp xúc vào vật khi cảm biến

Cảm biến quang có thể nhận ra vật ở khoảng cách từ rất xa mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp. Ưu điểm này giúp thiết bị có thể duy trì được độ bền trong nhiều năm liền một cách hiệu quả nhất.

• Cảm biến quang có thể nhận dạng màu sắc rất tốt

Độ chính xác khi cảm biến của thiết bị được đánh giá rất cao trên thị trường. Thiết bị nhờ vào tốc độ cảm biến nhanh và hấp thụ ánh sáng tốt nên việc nhận ra màu sắc của vật cũng vượt trội hơn rất nhiều.

• Điều chỉnh dễ dàng

Cảm biến này có thể định vị chùm tia ở trên vật thể rất tiện lợi. Do đó, thiết bị có thể ứng dụng cho nhiều nhu cầu sử dụng khác nhau. Đồng thời, việc điều chỉnh cũng sẽ rất tiện lợi.

Phân loại các cảm biến quang

Cảm biến quang thu phát chung ( phương pháp xuyên tia - through – beam sensor) 

Phương pháp cảm biến xuyên tia

Bộ phát cùng với bộ thu của cảm biến quang sẽ được thiết kế ở vị trí đối nhau. Điều này giúp cho ánh sáng có thể dễ dàng đi từ bộ phát đến bộ thu. Khi có đối tượng cảm biến đi qua vị trí của chúng sẽ làm ánh sáng gián đoạn. Lượng ánh sáng đi đến bộ thu cũng sẽ giảm đi. Sự thay đổi này sẽ giúp cho cảm biến có thể cảm nhận và phát hiện ra vật.

Đặc trưng

• Cảm biến xuyên tia có tính năng làm việc ổn định
• Khả năng cảm biến rộng đến đến vài chục mét
• Vị trí cảm biến sẽ không bị ảnh hưởng bởi đường dẫn đối tượng
• Khả năng cảm biến không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, độ bóng hay độ nghiêng của vật.

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán (Diffuse-reflective Sensors)

Phương pháp cảm biến phản xạ khuếch tán

Loại cảm biến quang này có bộ phát và thu đều lắp đặt trên 1 vị trí ở trên vỏ. Thiết kế này khiến ánh sáng sẽ đi từ bộ phát đến trực tiếp đối tượng cảm biến mà không cần đi qua bộ thu. Ánh sáng bộ thu nhận được là phản xạ từ đối tượng. Sự gia tăng cường độ ánh sáng ở bộ thu sẽ giúp cảm biến cảm nhận ra vật.

Đặc trưng

• Khả năng phát hiện ra vật ở khoảng vài mét
• Dễ dàng khi lắp đặt và điều chỉnh cường độ
• Tùy theo môi trường, bề mặt đối tượng...mà việc thay đổi khoảng cách hay cường độ ánh sáng cũng có sự khác biệt.

Cảm biến quang phản xạ ngược (retro – reflection sensor)

Phương pháp cảm biến phản xạ ngược

Bộ thu và phát của cảm biến phản xạ ngược được thiết kế trên 1 vỏ. Tuy nhiên, nguyên lý hoạt động của thiết bị lại có sự khác biệt so với cảm biến khuếch tán. Cảm biến quang này sẽ có ánh sáng phản xạ ngược lại đến cả bộ thu lẫn bộ phát. Khi xuất hiện đối tượng cảm biến thì ánh sáng sẽ bị ngắt lại. Bộ cảm biến sẽ cảm nhận ra vật khi phát hiện lượng ánh sáng nhận được bị giảm.

Đặc trưng

• Có khả năng phát hiện ra vật trong khoảng vài mét
• Cấu tạo đơn giản, nhỏ gọn
• Cảm biến có thể hoạt động mà không chịu ảnh hưởng của màu sắc hay góc cạnh của vật, kể cả đó là những vật trong suốt
• Loại cảm biến quang này không thể dùng cho các vật có tính năng phản chiếu ánh sáng từ bên ngoài. Bởi với các vật này sẽ khiến ánh sáng mà bộ thu nhận về sẽ không giảm đi. Điều này khiến cảm biến không thể cảm nhận ra sự hiện diện của vật.
• Vùng chết của cảm biến nằm ở khoảng cách gần.

Ứng dụng của cảm biến quang

Với nhiều loại cảm biến quang trên thị trường thì thiết bị hiện cũng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của cuộc sống. Dưới đây là 7 ứng dụng phổ biến nhất, ghi nhận sự góp mặt của các dòng cảm biến quang trong cuộc sống hiện đại. Đó chính là:

• Thiết bị được dùng cho mục đích cảm biến đồ vật chạy trên dây chuyền hay trên băng tải.
• Sản phẩm cũng được dùng cho việc đếm số lượng các vật nhỏ
• Cảm biến quang sử dụng hiệu quả trong việc phát hiện các vật có màu sắc.
• Thiết bị cũng được dùng cho việc giám sát vật trong một khoảng cách lớn nhờ sử dụng lưới ánh sáng.
• Nhiều ứng dụng đo khoảng cách trong thực tế cũng lựa chọn các loại cảm biến này để có được kết quả đo đạc chính xác nhất.