Cảm biến quang điện là cảm biến không tiếp xúc sử dụng ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy được để phát hiện các đối tượng. Chúng phát ra chùm ánh sáng và quan sát chùm tia xem có bị gián đoạn hoặc thay đổi nào không để phát hiện sự hiện diện của bất kỳ vật thể lạ nào trong đường đi của ánh sáng.  

Bài viết này nhằm cung cấp cho bạn sự hiểu biết tổng thể về các loại cảm biến quang điện khác nhau và phương pháp hoạt động của chúng. 

Cảm biến quang điện là gì?

Cảm biến quang điện là một cảm biến quang học bao gồm nguồn sáng, bộ thu ánh sáng và mạch đầu ra điều khiển và xử lý tín hiệu. Họ có thể phát hiện sự hiện diện của các đối tượng và đôi khi cả các điều kiện bề mặt.

Khi ánh sáng phát ra bị gián đoạn bởi một đối tượng ở gần, bộ thu ánh sáng sẽ phát hiện sự thay đổi này và bật hoặc tắt đầu ra của cảm biến. Một số cảm biến tiệm cận thậm chí còn có thể xác định khoảng cách đến vật thể.

Nguyên tắc hoạt động của cảm biến quang điện

Hoạt động của cảm biến quang điện dựa trên các đặc tính cơ bản của ánh sáng: cường độ, hướng lan truyền, tần số và phân cực. Họ có thể sử dụng một trong những khái niệm này để phát hiện và đo khoảng cách đến các đối tượng.

Thuộc tính của ánh sáng

Rectilinear lan truyền

Ánh sáng là một sóng điện từ. Một trong những tính chất vật lý của sóng điện từ là sự lan truyền tuyến tính. Nó mô tả xu hướng của ánh sáng truyền theo đường thẳng. Khi truyền qua một môi trường đồng nhất (vật chất có các tính chất giống nhau tại mọi điểm) như không khí, sóng ánh sáng không bị bẻ cong do đó chúng truyền theo đường thẳng.

Cảm biến như cảm biến quang điện xuyên chùm sử dụng đặc tính này của ánh sáng để phát hiện các vật thể đi qua chùm tia, chặn nó.

Khúc xạ

Một tính chất khác của ánh sáng là nó thay đổi hướng (lệch hướng) khi đi qua một mặt phân cách giữa hai môi trường. Ví dụ, khi ánh sáng truyền trong không khí và đi vào nước, chùm tia thẳng bị lệch hướng. Điều này là do sự thay đổi trong Chỉ số khúc xạ trong hai phương tiện. Hình dưới đây cho thấy ánh sáng khúc xạ như thế nào khi truyền qua môi trường không khí-thủy tinh-không khí.

Reflection

Phản xạ là thuộc tính của ánh sáng mô tả hiện tượng mà chùm ánh sáng chiếu vào một vật thể hoặc một bề mặt như kính hoặc gương, và chuyển hướng chùm tia trở lại nguồn. Sự phản xạ mô tả rằng góc tới bằng góc phản xạ, làm cho chùm sáng đi theo cùng một đường chính xác theo hướng ngược lại sau khi phản xạ.

Retroreflection là một phiên bản cải tiến của phản xạ, trong đó một 'hình khối góc' được sử dụng. Hình lập phương có góc tạo bởi ba gương phẳng đặt vuông góc với nhau. Sự phản chiếu này còn được gọi là 'sự phản xạ ngược'

Trong khi các bề mặt phản chiếu gần như phản xạ hoàn toàn ánh sáng hướng về phía chúng, một số vật liệu như giấy trắng có thể phản xạ ánh sáng theo mọi hướng. Đây được gọi là 'sự phân tán' hoặc 'sự khuếch tán'.

sự phân cực

Như chúng ta đã đề cập, ánh sáng là một sóng điện từ. Sóng điện từ cũng có thể được xem là sóng dao động, theo cả phương ngang và phương thẳng đứng. Ngày nay, hầu hết các cảm biến quang điện đều sử dụng đèn LED làm nguồn sáng. Ánh sáng do đèn LED phát ra có cả thành phần ngang và dọc, được gọi là ánh sáng '' không phân cực ''.

Chúng ta có thể sử dụng các bộ lọc đặc biệt được gọi là 'bộ lọc phân cực' để lọc ra một trong các thành phần đó để làm cho chùm tia chỉ có các thành phần dao động ngang hoặc dọc. Khi đó chùm sáng trở nên 'phân cực'.

Phân cực thường được sử dụng để ngăn chặn sự can thiệp từ bên ngoài vì cảm biến sẽ không phản ứng với bất kỳ chùm ánh sáng nào, mà chỉ phản ứng với chùm được lọc đặc biệt.

Nguồn sáng

Cảm biến quang học / quang điện đi kèm với hai loại nguồn sáng: ánh sáng điều biến xung và ánh sáng không điều chế. 

Nguồn sáng điều chế

Còn được gọi là ánh sáng điều biến xung, phương pháp này sử dụng một chùm ánh sáng tạo xung liên tục để phát hiện các vật thể. Ánh sáng phát ra (LED) được bật và tắt liên tục trong một khoảng thời gian cố định. Phương pháp này rất hữu ích trong các cảm biến mà nhiễu ánh sáng bên ngoài có thể là một vấn đề. Vì cảm biến chỉ nhạy cảm với tần số cụ thể của ánh sáng phát ra, các nguồn sáng bên ngoài không thể can thiệp vào cảm biến và vô tình kích hoạt nó.

Cảm biến có nguồn sáng điều chế cũng có phạm vi cao hơn so với cảm biến có nguồn sáng không điều chế.

Nguồn sáng không điều chế

Là ánh sáng đơn giản nhất, không điều chế là chùm sáng liên tục có cường độ sáng cụ thể. Chúng nhanh hơn so với cảm biến ánh sáng điều chế, nhưng dễ bị can thiệp từ bên ngoài.

Tam giác

Trong các cảm biến có thể thiết lập khoảng cách, chúng tôi có thể phát hiện sự dịch chuyển của một đối tượng bằng một phương pháp gọi là 'phương pháp tam giác'. Các cảm biến này có một phần tử cảm biến đặc biệt có thể nhận biết chính xác nơi chùm ánh sáng rơi vào cảm biến. Ví dụ, nếu đối tượng ở vị trí A trong hình dưới đây, chùm sáng sẽ rơi ở vị trí 'a' trên bộ dò tìm vị trí. Nếu đối tượng được di chuyển xa hơn về phía điểm B, chùm ánh sáng cũng sẽ được tập trung đến điểm 'b' trên cảm biến.

Phân loại cảm biến quang điện

Chúng ta có thể phân loại cảm biến quang điện bằng ba tiêu chí chính: phương pháp cảm biến, các điểm lựa chọn theo phương pháp cảm biến và cấu hình.

Phân loại theo phương pháp cảm biến

• Cảm biến xuyên tia
  • Trong cảm biến chùm tia, có hai thiết bị: thiết bị phát và thiết bị thu. Chúng được cài đặt đối lập nhau. Bộ phát phát ra một chùm ánh sáng và nó rơi vào cảm biến ở phía bên kia. Khi một đối tượng đi vào đường ngắm của cảm biến, nó sẽ làm ngắt chùm tia và cảm biến diễn giải sự thiếu vắng ánh sáng là sự phát hiện của một đối tượng.

• • Thông qua cảm biến chùm tia có thể có phạm vi phát hiện từ vài cm đến vài chục mét. Họ có thể phát hiện hầu hết mọi vật liệu không trong suốt bất kể hình dạng, màu sắc và độ bóng.

• Cảm biến phản xạ khuếch tán
  • Cảm biến phản xạ khuếch tán có tất cả các phần cứng cần thiết được chứa trong một vỏ duy nhất. Trong quá trình hoạt động bình thường, bộ phát phát ra ánh sáng và nó không bao giờ quay trở lại cảm biến. Khi một vật thể được đặt trong chùm sáng, nó sẽ phản xạ một phần ánh sáng trở lại cảm biến. Cảm biến theo dõi lượng ánh sáng phản xạ và nếu nó nhiều hơn một giá trị cố định, thì đầu ra sẽ được kích hoạt.

• • Cảm biến khuếch tán dễ lắp hơn vì chỉ có một thiết bị duy nhất và cần ít hiệu chuẩn / điều chỉnh. Chúng có thể phát hiện những vật thể từ vài cm đến vài mét.
  • Màu sắc và kết cấu của các đối tượng được phát hiện có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ ổn định của cảm biến chế độ khuếch tán.

• Cảm biến phản xạ ngược
  • Cảm biến phản xạ ngược cũng là cảm biến một thiết bị vừa phát ra vừa phát hiện ánh sáng phản xạ. Một bộ phản xạ đặc biệt được gọi là 'phản xạ ngược' phản xạ ánh sáng phát ra.
  • Khi một vật thể làm gián đoạn chùm sáng, cường độ của chùm phản xạ trở nên thấp hơn và cảm biến có thể phát hiện sự thay đổi này và bật / tắt đầu ra.
  • 
  • Cảm biến phản xạ cũng có khoảng cách phát hiện từ vài cm đến vài mét. Họ có thể phát hiện cả vật liệu trong suốt và không trong suốt. Với các bổ sung đặc biệt như bộ lọc phân cực, chúng thậm chí có thể phát hiện các bề mặt có lớp hoàn thiện được nhân đôi.
  • Cảm biến phản phản xạ có vùng chết trong phạm vi gần, điều này có thể là một bất lợi trong một số ứng dụng.
• Cảm biến có thể cài đặt khoảng cách
  • Cảm biến chùm ánh sáng có thể thiết lập khoảng cách có thể phát hiện chuyển động tương đối của một đối tượng được phát hiện. Chúng có một cảm biến phát hiện vị trí, có thể phát hiện vị trí tập trung ánh sáng nhận được trên cảm biến. Một số cảm biến có một điốt quang gồm 2 phần, trong đó một phần tử có thể phát hiện khi đối tượng ở gần cảm biến và phần còn lại phát hiện khi đối tượng ở xa nó bằng cách tính toán sự khác biệt của cường độ ánh sáng do hai điốt quang cung cấp.

• • Hoạt động của cảm biến có thể thiết lập khoảng cách không bị ảnh hưởng nhiều bởi điều kiện nền hoặc đối tượng như màu sắc hoặc điều kiện bề mặt.

• Cảm biến phản xạ giới hạn
  • Cảm biến phản xạ giới hạn tương tự như cảm biến có thể thiết lập khoảng cách, nhưng phạm vi của chúng bị hạn chế hơn về mặt quang học. Chúng chỉ có thể phát hiện các đối tượng trong một khoảng cách cụ thể (khu vực mà ánh sáng phát ra và đường tiếp nhận trùng nhau).

• • Cảm biến phản xạ giới hạn có thể phát hiện những thay đổi nhỏ về chiều cao của vật thể, do đó thích hợp cho các ứng dụng kiểm soát chất lượng. Tương tự như loại có thể thiết lập khoảng cách, hoạt động của cảm biến không bị ảnh hưởng nhiều bởi điều kiện nền hoặc đối tượng như màu sắc hoặc điều kiện bề mặt.

Điểm lựa chọn bằng phương pháp cảm biến

Chúng ta cần cân nhắc nhiều điểm khi xem xét cảm biến quang điện cho một ứng dụng cụ thể.

Khi chọn một thông qua chùm và phản chiếu ngược cảm biến, hãy xem xét các điểm sau:

Đối tượng cảm biến

• Kích thước và hình dạng (dài x rộng x cao)
• Độ trong suốt (mờ đục, nửa trong suốt hoặc trong suốt)

cảm biến

• khoảng cách cảm biến
• Hạn chế về kích thước và hình dạng (cảm biến và bất kỳ vật phản xạ nào)
• Cần gắn song song
  • Số lượng đơn vị
  • Gắn sân
  • Cần lắp so le
• Các hạn chế về lắp đặt
  • góc
  • Giải tỏa 

Môi trường

• Nhiệt độ môi trường, độ ẩm
• Có nước bắn tung tóe, hóa chất và dầu

Nếu ứng dụng yêu cầu một phản xạ khuếch tán, có thể cài đặt khoảng cách hoặc cảm biến có thể cài đặt khoảng cách giới hạn, kiểm tra các đặc điểm của;

Đối tượng cảm biến

• Kích thước và hình dạng (dài x rộng x cao)
• Màu
• Chất liệu (thép, gỗ, giấy, SUS, v.v.)
• Hoàn thiện bề mặt (Gloxxy, kết cấu, v.v.)
• Vận tốc di chuyển

cảm biến

• khoảng cách cảm biến
• Hạn chế về kích thước và hình dạng (cảm biến và bất kỳ vật phản xạ nào)
• Cần gắn song song
  • Số lượng đơn vị
  • Gắn sân
  • Cần lắp so le
• Các hạn chế về lắp đặt
  • góc
  • Giải tỏa 

Môi trường

• Nhiệt độ môi trường, độ ẩm
• Có nước bắn tung tóe, hóa chất và dầu

Phân loại theo cấu hình

Cảm biến quang điện cũng có thể được phân loại theo cấu hình vật lý của chúng. Chúng có bốn bộ phận chính là Bộ phát, Bộ thu, Bộ khuếch đại và Bộ điều khiển.

Cảm biến với Bộ khuếch đại riêng biệt

Các cảm biến như cảm biến quang điện kiểu chùm tia xuyên qua thường có mạch khuếch đại của chúng như một khối riêng biệt. Đối với loại tia xuyên qua, Bộ phát và Bộ thu cũng được đặt trong các vỏ khác nhau. Cảm biến phản xạ có một bộ phát và bộ thu tích hợp, cùng với một bộ khuếch đại riêng biệt.

Sự sắp xếp này có thể hữu ích khi các cảm biến cần được gắn trong không gian chật hẹp và sẽ không dễ dàng tiếp cận để điều chỉnh độ nhạy của chúng. Tuy nhiên, vì bộ khuếch đại được gắn cách xa các cảm biến, tín hiệu cũng dễ bị nhiễu điện.

Cảm biến khuếch đại tích hợp

Loại này bao gồm tất cả bốn thành phần chính của cảm biến, bao gồm cả bộ khuếch đại. Hầu hết các cảm biến chùm tia có bộ khuếch đại tích hợp đều có bộ thu, bộ khuếch đại và bộ điều khiển được tích hợp sẵn với bộ thu và bộ phát vẫn là một bộ phận riêng biệt. Chúng chỉ yêu cầu nguồn điện bên ngoài để tăng sức mạnh.

Cảm biến khuếch đại tích hợp cần số lượng dây tương đối ít hơn so với cảm biến không có bộ khuếch đại. Vì vậy chúng rất ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện do không có dây tín hiệu tham gia.

Cảm biến với Nguồn điện tích hợp

Loại cảm biến quang điện này có thể trực tiếp truyền tải điện năng cao như động cơ hoặc bóng đèn. Chúng có mạch cung cấp điện riêng được tích hợp sẵn và có thể được kết nối trực tiếp với các bộ nguồn thương mại. (không cần các đơn vị cung cấp điện riêng biệt).

Tuy nhiên, chúng cũng lớn hơn nhiều về diện tích vì chúng cần phải chứa tất cả các thiết bị điện tử công suất và mạch cung cấp điện ngoài bộ phát, bộ thu, bộ khuếch đại và mạch điều khiển.

Cảm biến khu vực

Cảm biến khu vực là một phiên bản sửa đổi của cảm biến xuyên tia có thể phát hiện các đối tượng bằng cách sử dụng nhiều chùm tia. Chúng hữu ích khi phát hiện các đối tượng có thể có chiều cao định hướng khác nhau, chẳng hạn như các bộ phận nhỏ.

Các tính năng của cảm biến quang điện

Tính năng hữu ích nhất của cảm biến quang điện là chúng có thể cảm nhận bất kỳ vật thể nào mà không cần tiếp xúc. Không giống như các cảm biến như công tắc hành trình, chúng phát hiện sự hiện diện của một vật thể bằng cách sử dụng ánh sáng. Họ cũng không có hạn chế về những gì có thể được phát hiện; cảm biến quang điện phù hợp sẽ phát hiện bất kỳ đối tượng nào trong giới hạn cảm nhận của nó.

Cảm biến quang điện cũng cực kỳ nhanh và có độ phân giải rất cao cho các ứng dụng chính xác. Chúng cũng có phạm vi cảm biến cao nhất, trải dài hơn 10 mét khi so sánh với các đối tác từ tính và siêu âm.

Căn chỉnh, hiệu chỉnh và điều chỉnh cảm biến quang điện cũng rất dễ dàng vì chùm ánh sáng có thể nhìn thấy bằng mắt thường (chỉ dành cho các kiểu máy phát ra ánh sáng khả kiến).

Điều chỉnh độ nhạy cảm biến quang điện

Điều chỉnh độ nhạy của cảm biến quang điện rất đơn giản. Một số cảm biến bao gồm một nút đặc biệt được gọi là 'dạy trong' và những cảm biến khác được trang bị một chiết áp mà chúng ta có thể vặn bằng tuốc nơ vít. Một cảm biến quang điện điển hình có hai đèn LED chỉ báo, một đèn màu xanh lá cây để chỉ báo nguồn và một đèn LED màu cam để chỉ báo trạng thái đầu ra hiện tại.

Để điều chỉnh độ nhạy của loại chiết áp, xoay hoàn toàn chiết áp ngược chiều kim đồng hồ khi không có vật gì. Sau đó đặt đối tượng trước cảm biến và xoay chiết áp theo chiều kim đồng hồ cho đến khi đèn LED màu cam sáng lên. 

Cảm biến quang điện được sử dụng ở đâu?

Cảm biến quang điện được tìm thấy trong nhiều ứng dụng phát hiện vật thể không tiếp xúc. Chúng bao gồm,

• Kiểm tra và đếm các đối tượng di chuyển xuống một đường băng tải
• Phát hiện màu sắc
• Đo khoảng cách
• Đo độ dịch chuyển
• Cảm nhận khoảng cách (sự hiện diện / vắng mặt của một đối tượng)

Sự khác biệt giữa Cảm biến tiệm cận và Cảm biến quang điện là gì?

Cảm biến tiệm cận thường sử dụng trường điện từ hoặc điện dung để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Cảm biến quang điện sử dụng chùm ánh sáng để phát hiện vật thể. Có những cảm biến khoảng cách sử dụng chùm ánh sáng để phát hiện.

Cảm biến quang điện cực kỳ nhanh khi so sánh với cảm biến tiệm cận vì chúng sử dụng chùm ánh sáng để phát hiện vật thể. Điều này là do ánh sáng truyền đi với tốc độ rất cao. Cảm biến tiệm cận có thể mất tới vài mili giây để phát hiện đúng một vật thể.

Cảm biến tiệm cận có chi phí tương đối thấp hơn so với các đối tác quang điện của chúng. Điều này là do cấu tạo tương đối đơn giản của các cảm biến tiệm cận. Nhưng cảm biến tiệm cận thường lớn hơn cảm biến quang điện.

Cảm biến quang điện phức tạp hơn cảm biến tiệm cận, nhưng chúng cũng có độ phân giải và độ chính xác rất cao. Cảm biến quang điện cũng dễ điều chỉnh hơn cảm biến tiệm cận, đôi khi đòi hỏi thêm vật liệu hiệu chuẩn.

Bốn bộ phận cơ bản của cảm biến quang điện là gì?

Có bốn giai đoạn chính của cảm biến quang điện:

Nguồn sáng

Đây là phần xử lý phát ra ánh sáng. Cảm biến quang điện ngày nay dựa trên đèn LED (Điốt phát quang) có thể có tia hồng ngoại (IR) hoặc ánh sáng khả kiến ​​như màu đỏ, xanh lục hoặc xanh lam. Hầu hết các cảm biến sử dụng phương pháp điều chế xung để gửi một loạt các xung liên tục nhằm giảm nhiễu bên ngoài do các nguồn sáng tương tự gây ra.

Bộ thu ánh sáng

Mạch thu nhận ánh sáng phản xạ / phát ra từ nguồn sáng và chuyển thành tín hiệu điện.

Mạch chính

Mạch chính xử lý tất cả các chức năng cấp cao như điều chế xung cho bộ phát và điều hòa tín hiệu cho bộ thu. Nó cũng có một bộ dò đồng bộ và một tầng khuếch đại để phát hiện sự hiện diện / vắng mặt hoặc sự thay đổi trong tín hiệu nhận được.

Mạch đầu ra

Mạch đầu ra điều khiển tín hiệu đầu ra cuối cùng. Có tất cả các loại mạch đầu ra có sẵn bao gồm đầu ra NPN / PNP và đầu ra rơle. Một số cảm biến có thể xuất ra tín hiệu tương tự và một số thậm chí có thể truyền tải trực tiếp một tải lớn đáng kể thay vì chỉ cung cấp một tín hiệu.

Làm cách nào để bạn thiết lập Cảm biến quang điện?

Cảm biến quang điện có sẵn ở nhiều loại đầu ra bao gồm đầu ra bóng bán dẫn như PNP hoặc NPN và đầu ra rơle. Hình bên dưới chỉ ra cách đấu dây của bộ phát cho cảm biến tia xuyên qua. Cung cấp 0V cho dây màu hồng sẽ bật bộ phát.

 

Bộ thu của cảm biến tia xuyên qua được hiển thị bên dưới có đầu ra loại NPN. Đầu ra màu đen vẫn ở điện áp cao (12V hoặc 24V dựa trên nguồn cung cấp). Khi một đối tượng được phát hiện, nó được kết nối với 0V, làm cho dòng điện chạy qua tải được kết nối. Để giao tiếp với cảm biến loại NPN, PLC cần có thẻ đầu vào loại PNP.

Kết luận

Trong bài viết này, chúng tôi đã thảo luận về hoạt động chung của cảm biến quang điện, công nghệ đằng sau hoạt động của chúng và các loại cảm biến hiện có trong ngành. Cảm biến quang điện là loại cảm biến có độ chính xác cao và chính xác được sử dụng trong các máy có độ chính xác cao và các ứng dụng chung để phát hiện vật thể.