Cảm biến quang

Cảm biến quang dùng để phát hiện vật thể, thường dùng trong các ứng dụng tự động hóa. Nó có cấu tạo ra sao? Phân loại như thế nào? Các thông số kỹ thuật vàc ưu nhược điểm của loại thiết bị này là gì? Hãy cùng Elecfarm tìm hiểu qua bài viết sau.

1. Tác dụng

Cảm biến quang (Photoelectric sensor) được tạo thành do các linh kiện quang điện. Nó phát ra chùm tia sáng chiếu vào vật thể ở dạng tần số khiến chúng thay đổi tính chất khi cần phát điện. Khi vật thể đi qua cũng sẽ ảnh hưởng đến tần số của bộ thu sáng.

Dựa vào hiện tượng phát xạ điện tử ở cực Cathode, tín hiệu quang được chuyển đổi thành tín hiệu điện khi có một nguồn ánh sáng chiếu vào.

Hiện nay, cảm biến quang được sử dụng rộng rãi ở thiết bị tự động hóa. Với tính năng đặc biệt có thể phát hiện các vật thể từ xa, đo lường khoảng cách đến các vật thể và tốc độ di chuyển của đối tượng đó.

2. Cấu tạo

Thông thường, cảm biến quang có cấu tạo bao gồm 3 bộ phận chính:

Bộ phận phát sáng

Thường sử dụng đèn LED và ánh sáng được phát ra theo xung. Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng). Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED lazer. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Một số trường hợp đặc biệt dùng LED vàng.

Bộ phận thu sáng

Thông thường thì bộ thu sáng là phototransistor (transistor quang). Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Hiện nay, nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ASIC (Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một IC. Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán).

Mạch xử lý tín hiệu đầu ra

Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analog) từ transistor quang thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá ngưỡng, tín hiệu ra được kích hoạt. Một số dòng cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ le (relay) vẫn còn phổ biến. 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 phục vụ cho các ứng dụng đo đếm.

3. Phân loại

Trên thị trường hiện nay có 3 loại cảm biến quang:

• Cảm biến quang thu phát độc lập: là cảm biến ánh sáng không phản xạ, để hoạt động được cần một thành phần phát và thu ánh sáng lắp đối diện với nhau. Đặc điểm của dòng cảm biến này là không bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc vật thể. Nó có khoảng cách phát hiện đến 60m.
• Cảm biến quang phản xạ gương (retro – reflection sensor): có bộ phát và thu ánh sáng trên cùng một thiết bị. Gương phản xạ là một lăng kính đặc biệt được trang bị kèm với cảm biến quang. Loại này lắp đặt thuận tiện, tiết kiệm dây dẫn, phát hiện được vật trong suốt, mờ,… khoảng cách tối đa 15m.
• Cảm biến quang khuếch tán (diffuse reflection sensor): có bộ thu và phát chung. Thường được dùng để phát hiện các vật thể trên hệ thống máy tự động. Giám sát các thiết bị đã được lắp đúng vị trí hay chưa. Loại cảm biến này bị ảnh hưởng bởi bề mặt, màu sắc và có khoảng cách hoạt động tối đa 2m

4. Nguyên lí hoạt động

• Cảm biến quang thu phát độc lập:
  • Trạng thái không có vật cản: cảm biến phát và thu được ánh sáng. Quá trình phát và thu ánh sáng liên tục với nhau.
  • Trạng thái có vật cản: phần thu không phát hiện được ánh sáng (bị vật cản che chắn).

• Cảm biến quang phản xạ gương (retro – reflection sensor): Khi hoạt động bộ phát  sẽ phát ánh sáng đến gương, có 2 trường hợp:
  • Khi không có vật cản: gương sẽ phản xạ lại bộ thu ánh sáng.
  • Khi có vật cản đi qua: làm thay đổi tần số của ánh sáng phản xạ hoặc bị mất ánh sáng thu. Lúc này cảm biến sẽ xuất tín hiệu điện PNP, NPN,…

• Cảm biến quang khuếch tán (diffuse reflection sensor):
  • Có vật cản: cảm biến phát ánh liên tục từ bộ phát đến bề mặt vật cản. Ánh sáng phản xạ đi ngược về vị trí thu sáng.
  • Không vật cản: Ánh sáng không phản xạ về bộ thu hoặc bề mặt vật không phản xạ ánh sáng về bộ thu.

5. Các thông số đặc trưng của cảm biến quang

Thông thường, cảm biến quang có các thông số cấu tạo cần lưu ý như sau:

• Loại cảm biến: thu – phát, phản xạ gương, phản xạ khuếch tán
• Nguồn cấp: nguồn 12-24VDC, 24-240VAC ±10% 50/60Hz, 24-240VDC ±10% (Ripple 10%)
• Khoảng cách phát hiện: 15m (Loại thu – phát); 0.1~3m, 0.1~5m (phản xạ gương); 700mm (phản xạ khuếch tán)
• Độ trễ: lớn nhất 20% khoảng cách cài đặt định mức (phản xạ khuếch tán)
• Vật phát hiện chuẩn: vật mờ đục Ø15 mm (thu-phát), vật mờ đục Ø60 mm (phản xạ gương), vật mờ đục – trong mờ (phản xạ khuếch tán)
• Nguồn sáng: sử dụng LED hồng ngoại (940nm), LED hồng ngoại (850nm), LED đỏ (660nm)
• Chế độ hoạt động: có thể lựa chọn Light ON hay Dark ON bởi công tắc
• Ngõ ra: ngõ ra tiếp điểm relay 30VDC 3A, 250VAC 3A tải thuần trở, cấu tạo tiếp điểm: 1c
• Chỉ thị hoạt động: đèn led xanh lá (chỉ thị nguồn, sự ổn định), led vàng (chỉ thị hoạt động)
• Thời gian đáp ứng: Max.1ms, 20ms
• Điều chỉnh độ nhạy: biến trở điều chỉnh

6. Các loại phổ biến trên thị trường

• Cảm biến quang Omron E3Z series

• Cảm biến quang PANASONIC PM-K25:

• Cảm biến quang IFM O8H219: