Cảm biến quang là gì? Nguyên lý và ứng dụng trong cuộc sống

Cảm biến quang là thiết bị kết hợp các linh kiện quang điện nhằm phát hiện sự hiện diện của vật thể trong khu vực tự động hóa, công nghiệp, nhà máy, xưởng sản xuất… Vậy cảm biến quang có cấu tạo và ứng dụng ra sao? Cùng Lumi tìm hiểu thông qua bài viết sau đây.

Mục lục

1. Cảm biến quang là gì?

Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là thiết bị điện tử sử dụng ánh sáng để phát hiện sự hiện diện của vật thể. Khi ánh sáng được phát ra và chiếu vào vật thể, cảm biến sẽ nhận tín hiệu từ ánh sáng phản xạ hoặc bị che khuất. Sau đó, cảm biến chuyển tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện, giúp xác định sự có mặt của vật thể hoặc đo khoảng cách của nó.

Cảm biến quang là thiết bị điện tử sử dụng ánh sáng để phát hiện sự hiện diện của vật thể — Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là thiết bị điện tử sử dụng ánh sáng để phát hiện sự hiện diện của vật thể

Nhờ khả năng phát hiện vật thể một cách chính xác mà không cần tiếp xúc trực tiếp, cảm biến quang điện giúp tối ưu hóa hoạt động trong các ứng dụng tự động hóa, tăng hiệu suất sản xuất và bảo vệ an ninh, mang lại lợi ích lớn cho cả ngành công nghiệp và cuộc sống hàng ngày.

Các loại cảm biến quang:

Cảm biến quang phát xạ (Through-Beam Sensor):bao gồm một bộ phát ánh sáng và một bộ thu ánh sáng được lắp đặt đối diện nhau: Loại cảm biến này rất phổ biến vì có khả năng phát hiện vật thể ở khoảng cách lên đến 60m, với độ chính xác cao. Điều đặc biệt là nó không bị ảnh hưởng bởi màu sắc hay bề mặt của vật thể.
Cảm biến quang phản xạ gương (Retro-Reflective Sensor):bao gồm một bộ phát ánh sáng, bộ thu ánh sáng và một gương phản xạ. Gương này hoạt động như một lăng kính đặc biệt, giúp phản xạ ánh sáng trở lại bộ thu. Với ưu điểm nổi bật là khả năng phát hiện các vật thể mờ hoặc trong suốt ở khoảng cách tối đa 15m, loại cảm biến này không chỉ tiết kiệm dây dẫn mà còn dễ dàng lắp đặt, nhanh chóng và hiệu quả.
Cảm biến quang phản xạ khuếch tán:có chức năng chính là phát hiện các vật thể trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Nó giúp người điều khiển giám sát chính xác vị trí lắp đặt của các thiết bị máy móc, đảm bảo chúng đã được lắp đúng. Vì vậy, cảm biến này thường được sử dụng trong dây chuyền đóng gói sản phẩm, sản xuất, hoặc trong việc đếm số lượng vật phẩm để đóng thùng hoặc thành lô.

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang

2.1. Cấu tạo của cảm biến quang

Cảm biến quang được cấu thành từ ba bộ phận chính:

Bộ phát sáng: Bộ phận này phát ra ánh sáng (thường là ánh sáng hồng ngoại) dưới dạng xung. Tùy theo từng loại cảm biến và nhà sản xuất, ánh sáng phát ra có thể có tần số riêng biệt. Bộ phát sáng giúp cảm biến phân biệt ánh sáng của chính nó với các nguồn ánh sáng bên ngoài như đèn chiếu sáng hoặc ánh sáng mặt trời.
Bộ thu sáng: Bộ phận này có nhiệm vụ thu nhận ánh sáng phản xạ từ vật thể hoặc ánh sáng phát ra từ bộ phát sáng. Sau khi nhận ánh sáng, bộ thu sẽ chuyển tín hiệu này đến mạch xử lý.
Mạch xử lý tín hiệu đầu ra: Mạch này tiếp nhận tín hiệu từ bộ thu sáng và chuyển đổi tín hiệu thành tín hiệu điện theo tỷ lệ. Khi mức độ ánh sáng thu được vượt quá ngưỡng quy định, tín hiệu sẽ chuyển sang trạng thái ON hoặc OFF, giúp xác định sự hiện diện của vật thể. Một số cảm biến hiện đại sử dụng tín hiệu bán dẫn (PNP/NPN) để cung cấp tín hiệu chính xác hơn.

2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang

Cảm biến quang hoạt động dựa trên một nguyên lý đơn giản nhưng hiệu quả, đó là phát hiện và xử lý ánh sáng. Cảm biến này có khả năng nhận diện các vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp, cụ thể:

Bước 1 – Phát ánh sáng: Cảm biến quang sử dụng một bộ phát ánh sáng, thường là đèn LED hồng ngoại hoặc laser, để phát ra một chùm tia hoặc xung ánh sáng vào không gian xung quanh.
Bước 2 – Nhận diện ánh sáng: Cảm biến quang có một bộ thu ánh sáng, như photodiode hoặc phototransistor, để thu nhận ánh sáng phản xạ hoặc bị gián đoạn bởi vật thể. Khi có vật thể, ánh sáng phát ra sẽ bị chắn hoặc phản xạ, tạo ra sự thay đổi trong tín hiệu ánh sáng.
Bước 3 – Xử lý tín hiệu: Cảm biến xử lý tín hiệu thu được từ bộ thu ánh sáng. Khi ánh sáng thu được thay đổi (ví dụ như bị chặn hoặc phản xạ lại), cảm biến sẽ chuyển đổi sự thay đổi này thành tín hiệu điện.
Bước 4 – Kích hoạt tín hiệu: Dựa trên sự thay đổi của ánh sáng, cảm biến sẽ kích hoạt tín hiệu điện, giúp phát hiện sự hiện diện của vật thể hoặc đo khoảng cách của vật thể so với cảm biến.

3. Các thông số kỹ thuật quan trọng của cảm biến quang

Khi lựa chọn và sử dụng cảm biến quang, có 5 thông số kỹ thuật cần chú ý để đảm bảo thiết bị hoạt động hiệu quả, bao gồm:

3.1. Khoảng cách phát hiện

Khoảng cách phát hiện là tầm xa mà cảm biến quang có thể phát hiện vật thể. Thông số này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng hoạt động của cảm biến trong môi trường thực tế. Nếu trong các dây chuyền sản xuất lớn, nhà máy sẽ cần cảm biến có khoảng cách phát hiện xa để có thể nhận diện các vật thể từ xa mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp. Ngược lại, trong các ứng dụng yêu cầu sự phát hiện ở khoảng cách ngắn như kiểm tra sự hiện diện của người qua cửa ra vào, chỉ cần cảm biến có khoảng cách phát hiện ngắn.

3.2. Nguồn sáng phát

Cảm biến quang có thể sử dụng các loại nguồn sáng khác nhau như LED hồng ngoại, LED đỏ, và laser. Mỗi loại có những ưu điểm và nhược điểm riêng:

LED hồng ngoại 940nm, 850nm: Tiết kiệm năng lượng và dễ tích hợp vào thiết bị nhỏ gọn, nhưng tầm phát hiện ngắn.
LED đỏ 660nm: Dễ nhìn thấy ánh sáng phát ra, nhưng có thể bị ảnh hưởng bởi ánh sáng mạnh.
Laser: Độ chính xác cao và phạm vi phát hiện xa, nhưng dễ bị phân tán bởi bụi và vật cản.

3.3. Độ nhạy

Độ nhạy quyết định khả năng cảm biến phát hiện vật thể có kích thước và màu sắc khác nhau. Cảm biến có độ nhạy cao có thể phát hiện các vật thể nhỏ, mờ hoặc trong suốt, đồng thời hoạt động hiệu quả với nhiều loại vật thể màu sắc khác nhau.

Độ nhạy rất quan trọng với cảm biến quang

3.4. Độ phân giải

Độ phân giải của cảm biến quang là khả năng phân biệt giữa các vật thể hoặc chi tiết có kích thước nhỏ hoặc nằm gần nhau. Độ phân giải cao giúp cảm biến nhận diện chính xác các vật thể riêng biệt, ngay cả khi chúng rất gần nhau.

3.5. Thời gian đáp ứng

Thời gian đáp ứng của cảm biến quang là khoảng thời gian mà cảm biến cần để phát hiện và phản ứng khi có vật thể xuất hiện. Hiểu đơn giản,đó là thời gian từ khi cảm biến nhận diện vật thể cho đến khi tín hiệu đầu ra được kích hoạt.

3.6. Các thông số khác

Ngoài các yếu tố chính, còn có một số thông số phụ cũng cần lưu ý:

Điện áp cung cấp: Mỗi cảm biến quang có yêu cầu nguồn điện riêng như 12-24VDC, 24-240VAC ±10% 50/60Hz, 24-240VDC ±10% (Ripple P-P:Max. 10%)…
Dòng điện tiêu thụ: Việc chọn cảm biến có dòng điện tiêu thụ phù hợp giúp tiết kiệm năng lượng và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống. Cảm biến có dòng tiêu thụ quá cao có thể gây lãng phí điện năng, trong khi cảm biến quá tiết kiệm có thể ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.
Chuẩn bảo vệ (IP rating): Chỉ số bảo vệ IP (Ingress Protection) cho biết khả năng của cảm biến trong việc chống lại bụi bẩn và nước. Đối với các môi trường công nghiệp hoặc các ứng dụng ngoài trời, nơi điều kiện môi trường khắc nghiệt, cảm biến với chuẩn bảo vệ IP cao (ví dụ IP65, IP67) sẽ đảm bảo hoạt động ổn định, lâu dài mà không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nước, bụi hoặc các tác động bên ngoài.

4. Ứng dụng Cảm biến quang

Cảm biến quang được sử dụng phổ biến trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp và trong nhiều ứng dụng đời sống như:

Đếm số lượng sản phẩm trên dây chuyền băng tải, đảm bảo số lượng chính xác.
Đo kích thước, độ dày của bề mặt vật thể trong các dây chuyền chế biến.
Phát hiện sản phẩm lỗi hoặc khiếm khuyết trong quá trình sản xuất.
Đảm bảo rằng nhãn mác được dán đúng vị trí và đúng sản phẩm.
Giám sát việc đóng mở cửa thang máy và nhà xe, đảm bảo an toàn cho người sử dụng.
Bật – tắt các thiết bị tự động như vòi rửa xe, cửa, hệ thống đèn:.
Dùng để phát hiện sự hiện diện của người hoặc vật thể trong các khu vực kiểm soát.
Giám sát vị trí lắp đặt của các chi tiết máy trong dây chuyền sản xuất.
Phát hiện sự xâm nhập vào khu vực bảo vệ và kích hoạt hệ thống báo động.
Giúp bật/tắt đèn khi có sự hiện diện của người, tiết kiệm năng lượng trong nhà hoặc khu công cộng.
Sử dụng trong các thiết bị như máy đo huyết áp, máy theo dõi nồng độ oxy, giúp kiểm soát tình trạng sức khỏe.

Cảm biến quang có nhiều ứng dụng trong công nghiệp và đời sống hàng ngày

5. Lựa chọn và sử dụng cảm biến quang

Khi lựa chọn cảm biến quang, có một số yếu tố quan trọng cần cân nhắc:

Chọn cảm biến có thông số kỹ thuật sao cho phù hợp với nhu cầu thực tế của công việc
Lựa chọn cảm biến quang có độ bền cao, tuổi thọ lâu dài và khả năng làm việc hiệu quả trong các điều kiện môi trường khác nhau.
Tránh lắp đặt cảm biến gần các nguồn nhiệt như máy lạnh, máy tính hay động cơ điện, vì chúng có thể gây nhiễu và ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến.
Cảm biến quang cần được lắp cố định và ổn định, tránh rung động để đảm bảo hoạt động ổn định.
Không để cảm biến quang tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời, vì bức xạ hồng ngoại mạnh có thể làm nhiễu tín hiệu.
Để đảm bảo cảm biến hoạt động ổn định, cần thường xuyên kiểm tra và vệ sinh các bộ phận của thiết bị, đặc biệt là đầu thu và phát.

6. Các thương hiệu cảm biến quang uy tín

Dưới đây là một số thương hiệu cung cấp thiết bị cảm biến quang uy tín, chất lượng và được nhiều người tin dùng:

Cảm biến khói quang điện của Lumi được ưa chuộng do tính ứng dụng cao trong lĩnh vực đời sống

Thương hiệu	Quốc gia	Ưu điểm
Lumi	Việt Nam	Cảm biến quang Lumi được sản xuất với công nghệ tiên tiến, đảm bảo hiệu suất ổn định và độ bền lâu dài. Dễ dàng tích hợp vào các hệ thống tự động hóa và nhà thông minh. Giúp tối ưu hóa hoạt động, giảm thiểu lãng phí điện năng.
Omron	Nhật Bản	Cảm biến quang Omron cung cấp kết quả đo chính xác và ổn định trong nhiều điều kiện khắc nghiệt. Các sản phẩm được thiết kế và sản xuất theo tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo độ bền và hiệu suất vượt trội.
Keyence	Nhật Bản	Cảm biến Keyence có khả năng phát hiện các vật thể nhỏ hoặc trong suốt với độ chính xác cao. Phù hợp với các ứng dụng yêu cầu tốc độ nhanh và độ tin cậy cao. Dễ dàng lắp đặt và tích hợp trong không gian hạn chế.
Autonics	Hàn Quốc	Các cảm biến của Autonics có thiết kế bền bỉ, chịu được điều kiện làm việc khắc nghiệt. Hiệu suất tốt với mức giá phải chăng, là lựa chọn phổ biến cho nhiều doanh nghiệp. Được kiểm nghiệm và chứng nhận theo các tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo hoạt động ổn định lâu dài.
Panasonic	Nhật Bản	Cảm biến quang Panasonic có độ bền cao và khả năng hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Các sản phẩm của Panasonic luôn mang đến hiệu suất ổn định và chính xác.
Sick	Đức	Sick mang đến các sản phẩm cảm biến quang có độ chính xác và độ nhạy cao. Các cảm biến của Sick có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như sản xuất, tự động hóa, và giao thông.

7. Kết luận

Trên đây là giải đáp chi tiết về thiết bị cảm biến quang. Để lựa chọn được thiết bị cảm biến quang chất lượng, người dùng nên tìm hiểu kỹ lưỡng và tham khảo các thương hiệu đáng tin cậy trên thị trường. Hy vọng những chia sẻ trong bài viết này sẽ giúp bạn có thêm những kiến thức bổ ích trong việc chọn mua và sử dụng cảm biến quang hiệu quả.

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.