Với khả năng đo lường chính xác và nhanh chóng, cảm biến laser đang trở thành “công cụ đắc lực” trong ngành công nghiệp sản xuất nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất và tiết kiệm chi phí. Vậy cảm biến laser hoạt động như thế nào? Cùng Lumi khám phá trong bài viết dưới đây.

1. Cảm biến Laser là gì?

Cảm biến laser là thiết bị sử dụng tia sáng laser để đo các đại lượng vật lý như chiều dài, kích thước, tốc độ, hoặc vị trí của vật thể… 

Được phát triển từ những năm 1960, công nghệ laser bấy giờ chỉ có khả năng đo lường các đại lượng đơn giản. Qua thời gian, cảm biến laser đã được cải tiến và trở thành công cụ đo lường chính xác trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử và quang học, cảm biến laser ngày nay đã có khả năng đo lường ở khoảng cách xa và có độ chính xác rất cao, được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa và kiểm soát.

2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến laser

Cảm biến laser hoạt động dựa trên các nguyên lý chính như nguyên lý góc tam giác và nguyên lý thời gian bay (Time of Flight – ToF), cụ thể:

2.1. Nguyên lý góc tam giác (Triangulation)

Cảm biến laser sử dụng nguyên lý góc tam giác quang học để đo khoảng cách. Cụ thể, cảm biến phát một chùm tia laser qua thấu kính, sau đó tia laser này chiếu tới mục tiêu. Khi tia laser chạm vào vật thể, nó sẽ bị phản xạ và quay trở lại cảm biến. Cảm biến thu nhận ánh sáng phản xạ và hội tụ chúng tại một điểm trên bộ cảm biến CMOS. Khoảng cách giữa cảm biến và đối tượng được tính toán dựa trên sự thay đổi góc phản xạ của tia laser.

Phương pháp này thường được sử dụng để đo khoảng cách ngắn, từ 1.5 đến 60 cm, và cho độ chính xác cao nhờ vào công nghệ CMOS.

2.2. Nguyên lý thời gian bay (Time of Flight – ToF)

Nguyên lý thời gian bay (ToF) được sử dụng trong các cảm biến laser đo khoảng cách xa. Cảm biến này phát ra một chùm tia laser hướng về mục tiêu. Khi tia laser gặp vật thể, nó sẽ phản xạ trở lại và được thu nhận bởi bộ thu của cảm biến. Thời gian mà tia laser đi đến vật thể và quay lại được đo lường chính xác dựa trên công thức: 

Khoảng cách = (Tốc độ ánh sáng x Thời gian)/2

Trong đó:

• Tốc độ ánh sáng là một hằng số được sử dụng để tính toán khoảng cách chính xác (m/s)
• Thời gian là khoảng thời gian mà tia laser đi từ cảm biến đến vật thể và quay lại (s)
• Khoảng cách là chiều dài từ cảm biến đến vật thể(m)

Nguyên lý ToF này cho phép đo khoảng cách từ cảm biến đến vật thể ở phạm vi rộng, từ vài cm đến hơn 100 m, phù hợp với các ứng dụng cần đo đạc khoảng cách lớn.

3. Cấu tạo & thành phần của cảm biến laser

Để đảm bảo độ chính xác và hiệu suất khi hoạt động, cảm biến laser bao gồm các bộ phận chính sau:

3.1. Vỏ cảm biến

Vỏ cảm biến được làm từ vật liệu bền, có chức năng bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi tác động môi trường như bụi, nước… Thiết kế vỏ cảm biến không chỉ bảo vệ mà còn giúp nâng cao độ ổn định khi cảm biến hoạt động trong các điều kiện khắc nghiệt.

3.2. Nguồn phát laser 

Nguồn phát laser, thường là diode laser, tạo ra chùm tia sáng laser với bước sóng nhất định. Tia laser này sẽ được phát ra từ cảm biến và chiếu vào vật thể cần đo. Chính tia laser này là công cụ chính để phát hiện và đo lường khoảng cách.  

3.3. Bộ thu nhận 

Bộ thu nhận đóng vai trò thu lại tia laser phản xạ từ vật thể. Tia phản xạ này sẽ được chuyển thành tín hiệu điện. 

3.4. Bộ xử lý tín hiệu 

Bộ xử lý tín hiệu có chức năng nhận và xử lý tín hiệu điện từ bộ thu nhận. Tín hiệu này sẽ được khuếch đại và chuyển đổi thành các giá trị đo (khoảng cách). 

4. Ưu điểm & nhược điểm của cảm biến laser

4.1. Ưu điểm 

Với 4 ưu điểm nổi bật, cảm biến laser trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và đời sống:

• Đo lường khoảng cách với độ chính xác rất cao, thường có sai số nhỏ, chỉ từ vài micromet đến milimet. 
• Đo khoảng cách rất nhanh, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghiệp, nơi yêu cầu thời gian phản hồi ngắn để điều khiển quá trình sản xuất.  
• Có thể đo khoảng cách trong phạm vi rộng, từ vài cm cho đến hàng trăm mét, tuỳ vào loại cảm biến và ứng dụng. 
• Với khả năng phát tia laser có độ phân tán cực nhỏ, cảm biến laser hoạt động hiệu quả ngay cả trong môi trường có ánh sáng mạnh hoặc nhiễu quang học. 

4.2. Nhược điểm 

Tuy nhiên, cảm biến laser cũng có 3 hạn chế cần lưu ý:

• Trong các môi trường khắc nghiệt nhiều bụi bẩn, mưa, sương mù, hay có sự tán xạ ánh sáng mạnh, cảm biến laser sẽ đo lường kém hiệu quả hơn.
• Yêu cầu chi phí đầu tư cao hơn so với các loại cảm biến khác như cảm biến siêu âm hay cảm biến tiệm cận.  
• Các bộ phận quang học của cảm biến laser như ống kính và bộ phát có thể dễ dàng bị bẩn hoặc mờ, làm giảm độ chính xác. Vì vậy, cần bảo trì thường xuyên để đảm bảo hoạt động chính xác và lâu dài. 

5. Phân loại cảm biến laser

5.1. Phân loại theo nguyên lý hoạt động

Dựa trên các nguyên lý khác nhau, cảm biến laser được chia thành 3 loại chính:

• Nguyên lý thời gian bay (ToF): Dùng để đo khoảng cách dựa trên thời gian mà tia laser phát ra và phản hồi lại từ vật thể. Phù hợp với các phép đo khoảng cách dài
• Nguyên lý tam giác (Triangulation): Dựa trên sự thay đổi góc giữa tia laser phát ra và tia phản xạ từ vật thể để tính toán khoảng cách. Phù hợp cho các ứng dụng đo khoảng cách ngắn
• Nguyên lý pha (Phase Shift): Sử dụng sự thay đổi pha của tia laser phản xạ để đo khoảng cách chính xác, thường được dùng cho khoảng cách xa

5.2. Phân loại theo chức năng

Cảm biến laser có thể được phân loại theo chức năng đo lường cụ thể:

• Cảm biến đo khoảng cách: Đo khoảng cách từ cảm biến đến vật thể. Dùng trong các hệ thống đo tầm xa hoặc xác định vị trí
• Cảm biến phát hiện vật cản: Phát hiện sự hiện diện của vật thể trong phạm vi quét của cảm biến, được sử dụng trong các ứng dụng an toàn và tự động hóa
• Cảm biến đo độ dày: Đo độ dày vật liệu bằng cách sử dụng một hoặc hai cảm biến laser. Phù hợp với các ngành công nghiệp chế tạo
• Cảm biến dịch chuyển laser: Đo chuyển động hoặc sự thay đổi vị trí của vật thể trong không gian
• Cảm biến quang điện laser: Phát ra tia laser và đo sự thay đổi trong ánh sáng phản xạ khi có vật thể đi qua
• Cảm biến định vị laser: Xác định vị trí chính xác của vật thể trong không gian, được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa và công nghiệp
• Cảm biến phát hiện cạnh laser: Phát hiện các cạnh của vật thể, giúp kiểm tra chất lượng trong quá trình gia công

6. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến laser

6.1. Ứng dụng trong công nghiệp

Cảm biến laser được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, đặc biệt là trong các quy trình tự động hóa và sản xuất thông minh như:

• Đo kích thước vật thể chính xác, nhanh chóng.
• Kiểm tra độ chính xác của các sản phẩm trong dây chuyền sản xuất, phát hiện các sai lệch kích thước hoặc khuyết tật bề mặt.
• Cung cấp thông tin vị trí chính xác cho robot trong các ứng dụng lắp ráp và vận chuyển tự động.
• Giúp hệ thống tự động hóa nhận diện vật thể, điều khiển các hoạt động trong các dây chuyền sản xuất mà không cần sự can thiệp của con người.
• Tối ưu hóa quy trình sản xuất từ đo khoảng cách đến điều khiển chính xác các thao tác trong dây chuyền sản xuất.

6.2. Ứng dụng trong đời sống

Cảm biến laser cũng được tích hợp vào các ứng dụng đời sống hàng ngày, mang lại sự tiện lợi và an toàn bao gồm:

• Sử dụng trong các hệ thống hỗ trợ đỗ xe tự động, giúp xe phát hiện các vật cản, tránh va chạm.
• Trong các hệ thống an ninh, cảm biến laser có thể phát hiện sự xâm nhập, đặc biệt trong các khu vực bảo mật cao.
• Đo lường chính xác các thông số trong y học, từ việc kiểm tra tình trạng mắt đến các phép đo liên quan đến quét hình ảnh như CT, MRI.
• Ứng dụng trong các thiết bị gia dụng như máy quét mã vạch, robot hút bụi… để tối ưu hóa quá trình hoạt động và tự động hóa trong nhà.

7. Kinh nghiệm lựa chọn & lắp đặt cảm biến laser

7.1. Tiêu chí lựa chọn cảm biến phù hợp từng ứng dụng

Khi lựa chọn cảm biến laser, cần lưu ý các tiêu chí sau để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác khi đo:

• Chọn cảm biến có phạm vi đo phù hợp với yêu cầu công việc. 
• Đảm bảo cảm biến có độ chính xác đủ cao để đáp ứng yêu cầu đo lường, nhất là trong các ngành gia công cơ khí, kiểm tra chất lượng.
• Xem xét môi trường làm việc có ảnh hưởng đến cảm biến hay không.
• Cảm biến phải có tốc độ phản hồi nhanh, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu phản ứng tức thời như dây chuyền sản xuất hoặc hệ thống robot.

7.2. Các lưu ý khi lắp đặt và vận hành

Lắp đặt và vận hành cảm biến laser đòi hỏi sự chính xác để đảm bảo hiệu suất tối ưu:

• Lắp đặt ở vị trí không có vật cản và cách xa các nguồn phát sáng mạnh để tránh làm gián đoạn quá trình đo đạc.
• Yêu cầu nguồn điện ổn định và bảo vệ chống quá tải, đảm bảo sự hoạt động liên tục và hiệu quả.
• Lựa chọn cài đặt khoảng cách đo phù hợp với yêu cầu ứng dụng, không vượt quá phạm vi hoạt động của cảm biến.
• Đảm bảo góc phát của laser được điều chỉnh chính xác để đạt độ phân giải cao và tránh hiện tượng phản xạ gây sai số.
• Định kỳ kiểm tra cảm biến để đảm bảo không có bụi bẩn hoặc vật cản làm giảm hiệu suất đo.

7.3. Hướng dẫn kiểm tra, bảo trì, khắc phục sự cố thường gặp

Để duy trì hiệu suất hoạt động của cảm biến laser, cần lưu ý các vấn đề sau:

• Vệ sinh thường xuyên các bộ phận quang học của cảm biến như ống kính và bề mặt cảm biến để tránh bụi bẩn và cặn bẩn làm giảm chất lượng tín hiệu.
• Đảm bảo các kết nối điện và cáp được lắp đặt chắc chắn.
• Thiết lập lịch bảo trì định kỳ cho cảm biến để kiểm tra toàn bộ hệ thống, từ các bộ phận quang học đến các mạch điện bên trong, nhằm duy trì độ chính xác và hiệu suất lâu dài.

8. Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến laser

Trong những năm gần đây, công nghệ cảm biến laser đang chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ, với những cải tiến đáng chú ý:

• Miniaturization (Thu nhỏ kích thước): Công nghệ thu nhỏ cảm biến laser giúp sản phẩm trở nên gọn gàng, dễ dàng tích hợp vào các thiết bị nhỏ như điện thoại di động, thiết bị đeo, và các thiết bị điện tử tiêu dùng khác mà không làm giảm hiệu suất hoạt động.  
• Tích hợp AI (Trí tuệ nhân tạo): AI giúp cảm biến laser trở nên thông minh hơn, cho phép phân tích và xử lý dữ liệu từ cảm biến một cách nhanh chóng và chính xác. AI hỗ trợ trong việc nhận diện đối tượng, phân loại, và đưa ra các quyết định tự động trong các hệ thống như Smarthome, robot tự động, và các ứng dụng công nghiệp.
• Tích hợp IoT (Internet of Things): Kết nối cảm biến laser với hệ thống IoT đem đến các giải pháp tự động hóa linh hoạt và kết nối giữa các thiết bị. Nhờ vậy, cảm biến laser có thể giám sát, kiểm soát và tối ưu hóa hoạt động của các hệ thống từ xa, từ dây chuyền sản xuất cho đến các ứng dụng nhà thông minh, tạo ra sự tiện lợi và hiệu quả cao.
• Cảm biến thông minh: Các cảm biến laser thông minh có khả năng tự động điều chỉnh các thông số như góc quét, phạm vi đo và độ chính xác, giúp đáp ứng linh hoạt với yêu cầu ứng dụng cụ thể. Cảm biến thông minh cũng có khả năng tự động sửa chữa lỗi và phát hiện sự cố trong quá trình hoạt động.

Trên đây là giải đáp tất tần tật về cảm biến laser. Hãy theo dõi website của Lumi để được cập nhật những thông tin mới nhất về các loại cảm biến mà bạn quan tâm!

Dương Nguyễn

Kỹ thuật viên nhà thông minh tại Lumi Việt Nam

Với niềm đam mê công nghệ và sự am hiểu sâu sắc về các giải pháp tự động hóa, tôi không ngừng khám phá và chia sẻ những thông tin hữu ích về cách biến ngôi nhà thành không gian sống tiện nghi, hiện đại và an toàn hơn.

• Dương Nguyễn

  https://lumi.vn/tac-gia/duong-seo

  Cảm biến tiệm cận là gì? Phân loại, nguyên lý và ứng dụng thực tế trong cuộc sống
• Dương Nguyễn

  https://lumi.vn/tac-gia/duong-seo

  Cảm biến vân tay là gì? Phân loại, ứng dụng và xu hướng tương lai
• Dương Nguyễn

  https://lumi.vn/tac-gia/duong-seo

  Cảm biến siêu âm là gì? Cấu tạo, phân loại và ứng dụng trong cuộc sống
• Dương Nguyễn

  https://lumi.vn/tac-gia/duong-seo

  Cảm biến áp suất là gì? Phân loại và hướng dẫn lựa chọn

Dương Nguyễn

Kỹ thuật viên nhà thông minh tại Lumi Việt Nam

Với niềm đam mê công nghệ và sự am hiểu sâu sắc về các giải pháp tự động hóa, tôi không ngừng khám phá và chia sẻ những thông tin hữu ích về cách biến ngôi nhà thành không gian sống tiện nghi, hiện đại và an toàn hơn.

Đến trang tác giả