Cảm biến quang là gì? Cấu tạo và ứng dụng trong công nghiệp
Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là một thiết bị điện tử sử dụng ánh sáng để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Cảm biến quang hoạt động dựa trên hiện tượng phát xạ điện tử, khi ánh sáng chiếu vào một số vật liệu, chúng sẽ giải phóng các electron. Các electron này được sử dụng để tạo ra tín hiệu điện, cho biết có vật thể hay không.
Cảm biến quang có thể được sử dụng để phát hiện vật thể ở khoảng cách xa, đo khoảng cách đến vật thể và tốc độ di chuyển của chúng. Do đó, chúng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp tự động hóa, chẳng hạn như:
Phát hiện vật thể trên dây chuyền sản xuất
Đếm số lượng sản phẩm
Kiểm tra chất lượng sản phẩm
Phát hiện chuyển động của vật thể
Đo khoảng cách và tốc độ của vật thể
2. Ứng dụng của cảm biến quang
2.1. Trong ngành sản xuất
Phát hiện vật thể: Cảm biến quang được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của vật thể trên băng chuyền, giúp kiểm soát quá trình sản xuất và đảm bảo không có sản phẩm nào bị thiếu sót.
Đếm số lượng sản phẩm: Cảm biến quang được sử dụng để đếm số lượng sản phẩm đi qua một điểm nhất định trên dây chuyền sản xuất, giúp thống kê sản lượng và kiểm soát chất lượng sản phẩm.
Kiểm tra chất lượng sản phẩm: Cảm biến quang có thể được sử dụng để kiểm tra màu sắc, kích thước, hình dạng của sản phẩm, giúp phát hiện các sản phẩm lỗi và loại bỏ chúng khỏi dây chuyền sản xuất.
Định vị vật thể: Cảm biến quang được sử dụng để định vị vật thể trong không gian ba chiều, giúp robot công nghiệp thực hiện các công việc như lắp ráp, hàn, bốc xếp.
Phát hiện lỗi: Cảm biến quang có khả năng phát hiện các lỗi như bao bì bị rách, sai màu sắc, sai kích thước, giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm.
2.2. Trong ngành đóng gói
Đếm số lượng sản phẩm: Cảm biến quang được sử dụng để đếm số lượng sản phẩm được đóng gói, giúp kiểm soát số lượng sản phẩm trong mỗi lô hàng.
Kiểm tra chất lượng đóng gói: Cảm biến quang có thể được sử dụng để kiểm tra xem sản phẩm đã được đóng gói đúng cách hay chưa, ví dụ như kiểm tra nắp chai đã được đậy kín hay chưa, hộp đã được dán tem hay chưa.
Phát hiện vật thể lạ: Cảm biến quang có thể được sử dụng để phát hiện các vật thể lạ trong quá trình đóng gói, ví dụ như phát hiện côn trùng trong thực phẩm.
2.3. Trong ngành logistics
Phân loại hàng hóa: Cảm biến quang được sử dụng để phân loại hàng hóa theo kích thước, màu sắc, hoặc các đặc điểm khác, giúp tối ưu hóa quá trình vận chuyển và lưu trữ hàng hóa.
Kiểm tra hàng tồn kho: Cảm biến quang có thể được sử dụng để kiểm tra số lượng hàng tồn kho trong kho hàng, giúp quản lý hàng tồn kho hiệu quả hơn.
Phát hiện vật cản: Cảm biến quang được sử dụng để phát hiện các vật cản trên đường đi của xe nâng, giúp đảm bảo an toàn trong quá trình vận chuyển hàng hóa.
3. Cấu tạo của cảm biến quang
Cảm biến quang được cấu thành từ 3 bộ phận chính là: Bộ phận phát sáng, bộ phận thu sáng và bộ phận mạch tín hiệu đầu ra. Từng bộ phận có chức năng chính như sau:
3.1. Bộ phận phát sáng (Nguồn sáng)
Bộ phận phát sáng (Emitter) có chức năng phát ra ánh sáng, đóng vai trò là "nguồn sáng" của cảm biến quang. Ánh sáng này thường là ánh sáng nhìn thấy (LED đỏ, xanh,...) hoặc ánh sáng không nhìn thấy (tia hồng ngoại).
Ánh sáng phát ra thường có dạng xung (nhấp nháy) thay vì sáng liên tục. Việc này giúp cảm biến phân biệt ánh sáng của chính nó với các nguồn sáng khác trong môi trường.
Tần số nhấp nháy (tần số xung) của ánh sáng được thiết kế riêng biệt bởi từng nhà sản xuất. Đây là một "mã nhận dạng" giúp cảm biến không bị nhầm lẫn với các cảm biến khác.
3.2. Bộ phận thu sáng (Bộ thu)
Bộ phận thu sáng (Receiver) có chức năng tiếp nhận ánh sáng do bộ phận phát sáng phát ra.
Bộ phận này rất nhạy cảm với ánh sáng. Nó có thể là một loại diode quang hoặc transistor quang.
Khi ánh sáng chiếu vào, bộ phận này sẽ tạo ra một tín hiệu điện.
3.3. Bộ phận mạch xử lý tín hiệu đầu ra (Mạch điện tử)
3.4. Kết luận
Cảm biến quang hoạt động như một hệ thống khép kín:
4. Các thông số khi lựa chọn cảm biến quang
Điện áp: Các cảm biến quang thông dụng thường có dạng nguồn cấp là 12 – 24VDC, 24 - 240VAC/DC.
Ngõ ra: Tiếp điểm (Relay), Transistor.
Loại phản xạ:
Thu phát riêng (Through-beam type)
Phản xạ gương (Retroreflective type)
Thu phát chung (Diffuse reflective type)
Phạm vi phát hiện:
Vật liệu phát hiện chuẩn:
Thu phát riêng: Vật mờ đục Ø15 mm
Phản xạ gương: Vật Ø60 mm
Thu phát chung: Vật trong mờ
Nguồn sáng:
LED hồng ngoại 940nm hoặc 850nm: Ánh sáng không nhìn thấy, thường được sử dụng trong các ứng dụng cần độ chính xác cao và tránh bị nhiễu bởi ánh sáng bên ngoài.
LED đỏ (660 nm): Ánh sáng nhìn thấy, dễ dàng quan sát và kiểm tra hoạt động của cảm biến.
Chế độ hoạt động:
5. Phân loại cảm biến quang
5.1. Cảm biến quang thu phát độc lập (Through – Beam Type)
Nguyên lý hoạt động: Cảm biến này bao gồm một bộ phát ánh sáng và một bộ thu ánh sáng được đặt đối diện nhau. Khi không có vật cản, ánh sáng từ bộ phát sẽ đến được bộ thu. Khi có vật cản, vật cản sẽ chặn ánh sáng, khiến bộ thu không nhận được ánh sáng. Sự thay đổi này được sử dụng để phát hiện vật thể.
Ưu điểm:
Phát hiện vật thể ở khoảng cách xa (lên đến 60m).
Hoạt động chính xác, không bị ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt của vật thể.
Ứng dụng:
5.2. Cảm biến quang phản xạ gương (Retro – Reflection Type)
Nguyên lý hoạt động: Cảm biến này bao gồm một bộ phát ánh sáng, một bộ thu ánh sáng và một gương phản xạ. Ánh sáng từ bộ phát sẽ được phản xạ bởi gương trở lại bộ thu. Khi có vật cản, vật cản sẽ làm gián đoạn đường đi của ánh sáng, khiến bộ thu không nhận được ánh sáng. Sự thay đổi này được sử dụng để phát hiện vật thể.
Ưu điểm:
Ứng dụng:
5.3. Cảm biến quang phản xạ khuếch tán (Diffuse Reflection Type)
5.4. Cảm biến quang phát hiện màu (Color Detection Type)
6. Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến quang
6.1. Ưu điểm
Phát hiện vật thể từ xa: Cảm biến quang có thể phát hiện vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp, từ khoảng cách vài centimet đến hàng mét, tùy thuộc vào loại cảm biến và điều kiện môi trường.
Độ chính xác và độ tin cậy cao: Cảm biến quang có độ chính xác cao trong việc phát hiện vật thể, ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm.
Tốc độ phản hồi nhanh: Thời gian phản hồi của cảm biến quang rất nhanh, cho phép phát hiện các vật thể di chuyển với tốc độ cao.
Đa dạng về loại và ứng dụng: Có nhiều loại cảm biến quang khác nhau, phù hợp với nhiều ứng dụng như phát hiện vật thể, đo khoảng cách, đếm sản phẩm, kiểm tra chất lượng, v.v.
Tuổi thọ cao: Cảm biến quang thường có tuổi thọ cao, ít bị hao mòn trong quá trình sử dụng.
Dễ dàng lắp đặt và sử dụng: Việc lắp đặt và sử dụng cảm biến quang khá đơn giản, không đòi hỏi nhiều kỹ thuật chuyên môn.
6.2. Nhược điểm
Dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường: Cảm biến quang có thể bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn, ánh sáng mạnh, hoặc các vật cản khác trong môi trường, làm giảm độ chính xác hoặc gây ra sai sót.
Yêu cầu vật thể có khả năng phản xạ ánh sáng: Một số loại cảm biến quang yêu cầu vật thể phải có khả năng phản xạ ánh sáng tốt để có thể phát hiện được.
Giá thành: Một số loại cảm biến quang có giá thành khá cao, đặc biệt là các loại cảm biến chuyên dụng.
Kích thước: Một số loại cảm biến quang có kích thước lớn, gây khó khăn trong việc lắp đặt ở những không gian hạn chế.
Độ nhạy: Cảm biến quang có độ nhạy cao, đôi khi có thể phát hiện nhầm lẫn các vật thể không mong muốn.
7. Những hãng cảm biến quang nổi tiếng
7.1. Autonics
Autonics là một trong những nhà cung cấp hàng đầu về các giải pháp tự động hóa công nghiệp đến từ Hàn Quốc. Cảm biến quang Autonics nổi tiếng với độ bền bỉ, độ chính xác cao và khả năng hoạt động ổn định trong nhiều môi trường khác nhau. Sản phẩm của hãng đa dạng về chủng loại, đáp ứng hầu hết các nhu cầu ứng dụng trong công nghiệp.
7.2. Hanyoung
Hanyoung Nux cũng là một thương hiệu đến từ Hàn Quốc, chuyên về sản xuất các thiết bị tự động hóa. Cảm biến quang Hanyoung có giá thành phải chăng, phù hợp với nhiều đối tượng khách hàng.Sản phẩm của hãng có chất lượng tốt, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật.
7.3. Omron
Omron là một tập đoàn đa quốc gia của Nhật Bản, nổi tiếng trong lĩnh vực điện tử và tự động hóa. Cảm biến quang Omron được đánh giá cao về chất lượng, độ chính xác và độ tin cậy. Sản phẩm của hãng được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau.
7.4. Fotek
Fotek là một nhà sản xuất thiết bị tự động hóa đến từ Đài Loan. Cảm biến quang Fotek có giá thành hợp lý, phù hợp với các ứng dụng không yêu cầu quá cao về độ chính xác. Sản phẩm của hãng có chất lượng ổn định, đáp ứng các tiêu chuẩn cơ bản.
