Giới thiệu
Cảm biến là một phần không thể thiếu của bất kỳ hệ thống tự động hóa nào để cho phép phát hiện sự hiện diện của các đối tượng. Khi xem xét cảm biến quang điện, có ba loại cảm biến: chùm tia, phản xạ và khuếch tán. Có một phiên bản cải tiến của cảm biến chế độ khuếch tán được gọi là 'cảm biến khử nền'. Trong bài viết này, chúng ta sẽ nói về các cảm biến khử nền và cách chúng hoạt động.
Cảm biến triệt tiêu nền là gì?
Trước khi nói về khử nền, chúng ta hãy làm mới kiến thức về cảm biến quang điện nói chung. Cảm biến quang điện sử dụng tín hiệu quang học để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Có ba loại cảm biến quang điện chính: chùm tia xuyên qua (thru-beam), phản xạ ngược và chế độ khuếch tán.
Các loại cảm biến quang điện
Cảm biến xuyên chùm là dạng cảm biến quang điện đơn giản nhất. Chúng có một bộ phận phát và thu riêng biệt được đặt đối diện với nhau. Khi một vật thể cản trở chùm tia laser/ánh sáng, sự vắng mặt của chùm ánh sáng sẽ kích hoạt bộ thu. Tín hiệu này có thể được sử dụng để phát hiện xem đối tượng có hiện diện hay không.
Cảm biến phản xạ ngược có cả bộ phát và bộ thu được tích hợp trong cùng một bộ phận. Một loại gương phản xạ đặc biệt được đặt ngang qua chùm tia phản xạ chùm tia đã truyền theo một cách cụ thể trở lại máy phát. Khi một vật thể được đặt ngang qua chùm tia, chùm tia phản xạ bị khuếch tán và lượng ánh sáng phản xạ thay đổi. Điều này cho phép cảm biến phát hiện ngay cả các vật thể trong suốt do sự khúc xạ có trong chính vật thể đó. Cảm biến phản xạ ngược dựa vào sự gián đoạn của chùm tia để phát hiện đối tượng.
Cảm biến phản xạ khuếch tán là loại cảm biến quang điện thứ ba. Chúng dựa vào chính vật thể để phản xạ chùm ánh sáng trở lại cảm biến. Cảm biến phản xạ khuếch tán không cần gương phản xạ vì lý do này.
Các cảm biến ở chế độ khuếch tán tiêu chuẩn sử dụng lượng ánh sáng phản xạ để phát hiện một vật thể.
Sự cố với Phản xạ chế độ khuếch tán
Trong nhiều trường hợp, cảm biến phản xạ ở chế độ khuếch tán cung cấp tùy chọn hiệu chuẩn trong đó có thể điều chỉnh khoảng cách/phạm vi phát hiện. Tuy nhiên, vì cảm biến dựa vào vật thể để phản xạ chùm tia nên bất kỳ vật thể sáng bóng nào ngang qua chùm tia khác với vật thể cũng có thể phản xạ chùm tia. Điều này gây ra kích hoạt sai và có thể gây ra vấn đề nghiêm trọng.
Ví dụ: một cảm biến chế độ khuếch tán tiêu chuẩn được thiết lập để phát hiện một vật thể phản chiếu trong phạm vi 15 inch có thể phát hiện sai một vật thể khác cũng có độ phản chiếu cao có thể cách xa tới 6 feet.
Cảm biến triệt tiêu nền
Cảm biến triệt tiêu nền giúp giảm thiểu vấn đề đã thảo luận ở trên. Nó là một biến thể của cảm biến phản xạ chế độ khuếch tán sử dụng 'nguyên tắc tam giác'. Không giống như cảm biến chế độ khuếch tán thông thường đo lượng ánh sáng phản xạ, cảm biến khử nền đo góc mà ánh sáng phản xạ chiếu vào cảm biến.
Nguyên tắc làm việc của cảm biến triệt tiêu nền
Cảm biến khử nền tương tự như cảm biến chế độ khuếch tán. Chúng có cả bộ phát và bộ thu được nhúng vào cùng một vỏ và dựa vào đối tượng được phát hiện để phản xạ lại chùm tia.
Khi một đối tượng được đặt trước cảm biến triệt tiêu nền, chùm tia sẽ bị phản xạ lại theo một góc. Góc này thay đổi tùy thuộc vào khoảng cách từ cảm biến đến đối tượng. Vật ở gần thì góc lớn hơn khi vật ở xa.
Các loại cảm biến điều chỉnh được có hai loại: cơ hoặc điện. Ở loại cơ học, cảm biến có thể được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng vít để điều chỉnh điểm quan tâm để phát hiện đối tượng. Trong các kiểu máy được hiệu chỉnh điện tử, cảm biến có một nút để 'tìm hiểu' đối tượng loại và nền.
Làm thế nào để các cảm biến loại bỏ nền triệt tiêu nền?
Cảm biến triệt tiêu nền có một cơ chế thông minh để đo vị trí tương đối của đối tượng so với nền. Điều này làm cho loại cảm biến này có khả năng miễn dịch cao với các nền có đặc tính phản chiếu tương tự như đối tượng được phát hiện.
Không giống như các loại cảm biến lấy nét cố định hoặc tiêu cự sắc nét, hoàn toàn không xem xét nền, các cảm biến khử nền thực sự có thể phân biệt đối tượng với nền có màu, kết cấu tương tự.
Trong cảm biến triệt tiêu nền, có một bộ phát và nhiều bộ thu nhạy cảm với ánh sáng phát ra. Đây cũng có thể là nhiều vùng của cùng một cảm biến trong loại triệt tiêu nền điện tử.
Khi không có đối tượng ở phía trước của cảm biến, có thể có hai kịch bản.
- Chùm tia phát ra bị phản xạ bởi nền
- Chùm tia phát ra không bị nền phản xạ
Nếu chùm tia không bị nền phản xạ, cảm biến kết luận rằng khoảng cách đến vật thể là vô hạn và không kích hoạt đầu ra của nó. Nếu nền phản chiếu, chùm tia phản xạ rơi vào một khu vực cụ thể của máy thu (trên khu vực trên cùng của cảm biến trong hình trên).
Cảm biến được hiệu chỉnh/điều chỉnh để bỏ qua vùng này của phần tử cảm biến. Khi một vật thể được đặt trước cảm biến, góc chùm tia phản xạ sẽ thay đổi. Điều này khiến chùm tia chiếu vào một phần khác của cảm biến (hoặc một phần tử cảm biến khác trong một số kiểu máy) mà cảm biến có thể phân biệt là phát hiện.
Trong hình trên, lưu ý vị trí gần cảm biến nhất tạo ra góc lớn nhất trong chùm tia phản xạ. Góc giảm khi đối tượng di chuyển ra khỏi cảm biến.
Loại bỏ nền cơ học so với loại bỏ nền điện tử
Để tối ưu hóa chi phí và hiệu suất, có hai loại cảm biến khử nền – loại cơ và loại điện tử. Loại điện tử có một cảm biến lớn, duy nhất, nơi quá trình xử lý phần mềm được thực hiện để thiết lập và xác định vùng phát hiện đối tượng. Điều này đạt được nhờ một cảm biến đặc biệt có tên là Thiết bị nhạy cảm với vị trí (PSD). Quá trình xử lý tín hiệu bằng phần mềm cho phép thực hiện lọc bổ sung trên tín hiệu để giảm tạo tác từ các rung động nặng. Đây là một trong những ưu điểm của cảm biến BGS điện tử.
Trên các loại cơ học, có hai hoặc nhiều phần tử cảm biến để cung cấp độ chính xác cao hơn, hiệu suất quang học tốt hơn và dải cắt sắc nét hơn với sự ổn định về nhiệt độ. Ngoài ra còn có một hệ thống quang học cho phép tinh chỉnh, làm tăng thêm kích thước của bộ phận cảm biến.
Kết luận
Trong bài viết này, chúng tôi đã thảo luận về các cảm biến khử nền. Những cảm biến này rất hữu ích trong việc phát hiện vật liệu phản chiếu được đặt trong nền có màu/kết cấu tương tự. Pepperl + Fuchs là một trong những nhà sản xuất hàng đầu trong ngành sản xuất các cảm biến quang điện ở chế độ khuếch tán có triệt tiêu nền.
