Cảm biến quang là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng

Cảm biến quang là một loại cảm biến ược sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực tự động hóa, công nghiệp, nhà máy và xưởng sản xuất. Do nhu cầu sử dụng ngày càng tăng, nhiều loại cảm biến quang mới được phát triển để đáp ứng các yêu cầu khác nhau. Vậy cảm biết quang là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động như thế nào? Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu nhé!

Cảm biến quang là gì?

Cảm biến quang (photoelectric sensor) là một thiết bị sử dụng các linh kiện quang điện để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Khi ánh sáng chiếu vào cảm biến quang, các linh kiện quang điện sẽ thay đổi trạng thái dựa trên hiện tượng phát xạ điện tử ở cực Cathode. Tín hiệu quang sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện để cảm biến quang có khả năng phát hiện sự hiện diện của vật thể.

Cảm biến quang là một loại thiết bị quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp tự động hóa. Chúng có khả năng phát hiện các vật thể từ xa, đo lường khoảng cách và tốc độ di chuyển của chúng. Nhờ tính năng này, cảm biến quang được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp, bao gồm kiểm soát quá trình sản xuất, đo lường và giám sát các thông số quan trọng của vật thể trong quá trình sản xuất. Ngoài ra, cảm biến quang còn được sử dụng trong các ứng dụng đo lường khoảng cách và tốc độ di chuyển của các đối tượng, giúp tăng hiệu quả và độ chính xác trong các quy trình sản xuất và vận hành các thiết bị tự động.

Cấu tạo của cảm biến quang như thế nào?

Cảm biến quang được chia thành nhiều loại, với đặc điểm có đôi chút khác biệt. Về cơ bản thì 1 cảm biến quang sẽ bao gồm 3 thành phần chính sau đây:

Bộ phận phát ánh sáng

Bộ phận phát sáng trong cảm biến quang có chức năng phát ra ánh sáng dạng xung để giúp cảm biến phân biệt nguồn sáng từ cảm biến và các nguồn khác. Tùy vào từng nhà sản xuất, bộ phận phát sáng sẽ được thiết kế với tần số ánh sáng riêng biệt để đảm bảo tính độc đáo và hiệu quả của sản phẩm. Bên cạnh đó, bộ phận phát sáng còn đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của cảm biến quang, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp tự động hóa.

Bộ phận thu ánh sáng

Bộ phận thu sáng có nhiệm vụ tiếp nhận ánh sáng và sau đó truyền tín hiệu đến bộ phận xử lý

Mạch xử lý tín hiệu đầu ra

Bộ phận xử lý tín hiệu trong cảm biến quang có chức năng tiếp nhận tín hiệu từ bộ phận thu sáng và chuyển đổi tín hiệu theo tỉ lệ tranzito thành chế độ ON/OFF. Khi mức độ ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến sẽ được kích hoạt. Ở thế hệ trước, một số loại cảm biến quang tích hợp mạch nguồn và sử dụng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le (relay), nhưng hiện nay các loại cảm biến quang chủ yếu sử dụng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN) để đảm bảo tính độc lập và hiệu quả cao.

Ngoài ra, một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo và đếm trong các quy trình sản xuất và kiểm soát tự động.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang

Cảm biến quang hoạt động dựa trên nguyên lý phát ánh sáng từ bộ phận phát sáng, sau đó bộ phận thu sáng tiếp nhận và phân loại ánh sáng đó trước khi chuyển đến bộ phận xử lý tín hiệu điện. Tại đây, tín hiệu sẽ được chuyển đổi theo tỉ lệ tranzito thành hai chế độ ON/OFF để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Trong đó, tín hiệu ra được sử dụng phổ biến nhất là NPN và PNP để đảm bảo tính độc lập và hiệu quả cho thiết bị. Cảm biến quang có tính năng phát hiện vật thể từ xa và độ chính xác cao, do đó được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.

Có bao nhiêu loại cảm biến quang đang được sử dụng?

Sensor quang được phát triển có nhiều loại, với đặc điểm cấu tạo có đôi chút khác biệt. Dưới đây là các loại Sensor quang được dùng phổ biến hiện nay:

Cảm biến quang thu phát độc lập

Cảm biến quang điện thu phát độc lập, hay còn gọi là cảm biến thu phát chung, bao gồm hai thiết bị là thiết bị phát ánh sáng và thiết bị thu ánh sáng được đặt đối diện nhau. Đây là loại cảm biến được sử dụng rộng rãi vì khả năng phát hiện vật chất ở khoảng cách lên đến 60m, hoạt động chính xác và không bị chi phối hay ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt.

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến này chỉ có hai trạng thái khi hoạt động là có vật cản và không có vật cản. Khi không có vật cản, hai thiết bị phát và thu ánh sáng sẽ hoạt động liên tục với nhau. Tuy nhiên, khi có vật cản, cảm biến vẫn phát ánh sáng nhưng do có vật cản nằm giữa, thiết bị thu sẽ không thu được ánh sáng. Nhờ đó, vật thể được xác định.

Cảm biến quang phản xạ gương

Cảm biến quang phản xạ gương (Retro-Reflection Sensor) gồm bộ phát ánh sáng, bộ thu ánh sáng và một gương phản xạ đặc biệt. Gương phản xạ hoạt động như một lăng kính và làm tăng độ nhạy của cảm biến. Cảm biến này có khả năng phát hiện các vật thể có định dạng mờ, trong suốt và có thể phát hiện tối đa ở khoảng cách 15m. Ngoài ra, cảm biến này còn có ưu điểm là tiết kiệm dây điện và dễ dàng trong việc lắp đặt.

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến phản xạ gương hoạt động bằng cách phát ra ánh sáng từ bộ phát ánh sáng đến gương. Nếu không có vật cản nào xuất hiện, gương sẽ phản xạ toàn bộ ánh sáng trở lại bộ thu. Tuy nhiên, nếu có vật cản hay vật đi qua, tần số của ánh sáng phản xạ sẽ bị thay đổi hoặc bị mất, dẫn đến cảm biến phát hiện được sự thay đổi này và xác định sự xuất hiện của vật cản.

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán

Cảm biến quang phản xạ khuếch tán được sử dụng chủ yếu trong hệ thống tự động hóa công nghiệp để phát hiện vật thể trên các máy móc. Các ứng dụng thường gặp của nó bao gồm giám sát vị trí các thiết bị máy móc và đếm số lượng vật để đóng gói hoặc sản xuất. Tuy nhiên, phạm vi hoạt động của nó khá hạn chế và chỉ khoảng 2m. Độ chính xác của cảm biến này cũng phụ thuộc vào màu sắc và bề mặt của vật.

Cảm biến quang phát hiện màu

Cảm biến quang phát hiện màu là một thiết bị có khả năng nhận diện màu sắc của các vật thể được thiết lập và lập trình trước đó. Thiết bị này có hai chế độ hoạt động: chế độ phát hiện màu và chế độ phát hiện cả màu sắc và độ sáng của chúng. Hiện nay, các thiết bị cảm biến quang được cải tiến để giảm thiểu các sai sót từ ánh sáng môi trường và đảm bảo tính ổn định của phát hiện màu.

Một số ứng ứng của cảm biến quang

Cảm biến quang ngày nay được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ cuộc sống đến công nghiệp. Ví dụ như:

• Công nghiệp: quá trình đóng gói, đóng chai, kiểm tra sản phẩm thiếu tem, nhãn, di chuyển sản phẩm trên dây chuyền sản xuất, kiểm tra sản phẩm trong quá trình rửa,...
• An ninh và an toàn: phát hiện và kiểm soát phương tiện và người qua lại tại các cổng an ninh, giám sát và bảo vệ tài sản trong các khu vực công cộng hoặc khu vực quan trọng,…
• Hệ thống tự động: phát hiện vật thể trong hệ thống nước tự động, hệ thống chiếu sáng tự động, hệ thống đóng mở cửa tự động,…
• Y tế: sử dụng trong các thiết bị kiểm tra y tế để đo lường mức độ oxy trong máu, đo nồng độ đường huyết,…
• Robot và tự động hóa: điều khiển robot để di chuyển, phát hiện và phản ứng với môi trường xung quanh, giúp các thiết bị tự động hoạt động một cách chính xác và hiệu quả hơn.

Nhìn chung, cảm biến quang sẽ là giải pháp hiệu quả giúp xác định vật thể trong không gian một cách chính xác. Cấu tạo của loại cảm biến này không quá phức tạo, nguyên lý hoạt động đơn giản để xác định vật thể. Hy vọng thông tin trên đây sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ hơn về cảm biến quang và ứng dụng, đặc điểm của chúng trong thực tế.

>> Xem thêm bài viết liên quan: 

1. Cảm biến hồng ngoại là gì? Ứng dụng của cảm biến hồng ngoại
2. Cảm ứng từ là gì? Công thức tính và ứng dụng của cảm ứng từ