Từ những câu hỏi thắc mắc của anh em được gửi về cho chúng tôi: Cảm biến quang điện (photoelectric sensor) nó là gì và chúng có cấu tạo, nguyên lý hoạt động ra làm sao, có những đặc điểm gì

Cảm Biến Quang (Photoelectric Sensor) Là Gì? Tất Tần Tật Về Cấu Tạo, Nguyên Lý & Ứng Dụng

Từ những câu hỏi thắc mắc của anh em được gửi về cho chúng tôi: Cảm biến quang điện (photoelectric sensor) nó là gì và chúng có cấu tạo, nguyên lý hoạt động ra làm sao, có những đặc điểm gì? Vậy bây giờ anh em hãy cùng chúng tôi đi tìm hiểu và gỡ rối những câu hỏi mà anh em đã gửi về cho Mecsu nhé!

1. Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là gì?

Anh em sẽ thường nghe tới Photoelectric sensor, được phiên dịch ra tiếng Việt là Cảm biến quang (hay mắt thần).

Đây là một loại cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý phát ra một chùm tia sáng (có thể là hồng ngoại, laser, hoặc LED đỏ) để phát hiện sự hiện diện, vắng mặt hoặc khoảng cách của vật thể. Khi có vật thể đi vào vùng cảm biến, chùm tia sáng bị thay đổi (bị che khuất hoặc bị phản xạ lại), cảm biến sẽ nhận biết sự thay đổi này thông qua bộ thu và xuất ra tín hiệu điện (OUT) để điều khiển thiết bị khác.

Tự bản thân bên trong cảm biến quang phát ra tia sáng để cảm biến và báo về trung tâm điều khiển. Cảm biến quang đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp hóa hiện đại hóa như hiện nay và nó được ví như "đôi mắt thần" của người công nhân để kiểm tra tự động trong chuỗi sản xuất và cung ứng.

2. Cấu tạo chi tiết của Cảm biến quang

Về cấu tạo của cảm biến quang hiện nay xuất hiện trên thị trường đa số thường bao gồm 3 bộ phận chính để cấu thành 1 cảm biến hoàn chỉnh, đó là:

→ Bộ phận phát sáng (Emitter)

Cảm biến quang hầu hết sử dụng bộ đèn LED (Light Emitting Diode) để phát ra ánh sáng.

Ánh sáng cảm biến có gắn nhịp điệu xung (Pulse modulation) đặc biệt để giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của chính nó với các nguồn ánh sáng nhiễu từ bên ngoài (như ánh đèn phòng hoặc ánh sáng mặt trời).

Nguồn sáng thông dụng và phổ biến nhất là LED đỏ và LED hồng ngoại (Infrared - IR). Ngoài ra, còn có thể là Laser (cho độ chính xác cao) và các màu sắc LED khác (xanh lá, xanh dương) dùng trong cảm biến màu sắc.

→ Bộ phận thu sáng (Receiver)

Thiết bị thu sáng đúng như tên gọi, là bộ phận tiếp nhận ánh sáng. Hiện nay các thiết bị thu sáng thường là một phototransistor (tranzito quang) hoặc photodiode (điốt quang). Chức năng của nó là cảm nhận các photon ánh sáng và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện.

Bộ phận thu sáng được tích hợp các mạch điện tử để khuếch đại tín hiệu yếu ớt nhận được và so sánh nó với ngưỡng để xác định xem có vật thể hay không.

→ Mạch xử lý tín hiệu đầu ra (Output Circuit)

Mạch này tiếp nhận tín hiệu điện từ bộ phận thu sáng. Nó sẽ xử lý, lọc nhiễu và chuyển đổi tín hiệu đó thành tín hiệu ON/OFF (đóng/ngắt) ở đầu ra (Output).

Các dạng tín hiệu đầu ra phổ biến là: NPN (kích âm), PNP (kích dương), hoặc Relay (tiếp điểm khô). Tín hiệu này sẽ được đưa về PLC, bộ đếm hoặc rơ-le trung gian để điều khiển hệ thống.

3. Thông số kỹ thuật của Photoelectric Sensor (Ví dụ)

Để sử dụng hiệu quả, anh em cần nắm được các thông số kỹ thuật cơ bản (lấy ví dụ một cảm biến thông dụng):

• Loại cảm biến: Thu - phát, Phản xạ gương, hoặc Phản xạ khuếch tán.
• Nguồn sáng: Đèn LED đỏ, Hồng ngoại, Laser.
• Khoảng cách phát hiện (Sensing distance): Ví dụ: 20m (loại thu-phát), 4m (phản xạ gương), 500mm (khuếch tán).
• Điện áp nguồn (Supply voltage): 10 đến 30 VDC (phổ biến) hoặc 24-240 VAC/VDC (loại cấp nguồn đa năng).
• Ngõ ra (Output): NPN, PNP, hoặc Relay.
• Chế độ hoạt động: Light-ON (bật khi sáng) / Dark-ON (bật khi tối).
• Thời gian đáp ứng (Response time): Rất nhanh, thường dưới 1ms hoặc 0.5ms.
• Cấp bảo vệ: IP65, IP67 (chống bụi, nước).
• Đèn báo: LED Xanh (nguồn/ổn định), LED Cam/Đỏ (tác động).

4. Ứng dụng thực tế của cảm biến quang điện

Cảm biến quang điện là một phần không thể thiếu trong nền công nghiệp tự động hóa. Chúng được ứng dụng chủ yếu để phát hiện vật thể không tiếp xúc, đếm sản phẩm, đo khoảng cách...

Gặp cảm biến quang điện ở đâu?

• Kiểm tra dây chuyền sản xuất: Đếm số lượng chai, lon, hộp đi qua băng tải.

• Phát hiện lỗi: Phát hiện sản phẩm thiếu nắp, nhãn dán sai lệch, hoặc sản phẩm bị đổ ngã.
• An toàn cửa và thang máy: Cảm biến quang dạng màn (Area sensor) hoặc thu phát dùng để phát hiện người hoặc vật cản để giữ cửa mở, đảm bảo an toàn (trong thang máy, cửa tự động, cửa cuốn).
• Hệ thống r&a;a xe tự động: Xác định vị trí xe.
• Bãi giữ xe thông minh: Phát hiện xe ra/vào.
• Sân bay: Phát hiện hành lý trên băng chuyền.

• Thiết bị vệ sinh: Vòi nước rửa tay tự động, máy sấy tay (dùng cảm biến quang để nhận diện tay người).

5. Phân loại: 3 loại cảm biến quang điện phổ biến nhất

Dựa vào cách thức thu phát, cảm biến quang được chia thành 3 loại chính:

#1 Cảm biến quang thu-phát (Through-Beam Sensor)

→ Đặc điểm

Gồm 2 bộ phận tách rời: Bộ phát (Emitter) và Bộ thu (Receiver) lắp đối diện nhau.

• Ưu điểm: Khoảng cách phát hiện xa nhất (lên đến 60m). Độ tin cậy cao, ít bị ảnh hưởng bởi màu sắc, bề mặt vật thể hay bụi bẩn.
• Nhược điểm: Tốn chi phí dây dẫn và công lắp đặt cho cả 2 phía.

→ Nguyên lý hoạt động

Ở trạng thái bình thường, bộ thu luôn nhận được ánh sáng từ bộ phát. Khi có vật thể đi qua cắt ngang chùm tia, bộ thu bị mất tín hiệu ánh sáng và kích hoạt ngõ ra.

#2 Cảm biến quang phản xạ gương (Retro-Reflective Sensor)

→ Đặc điểm

Bộ phát và bộ thu nằm chung trong một vỏ. Sử dụng kèm với một tấm gương phản xạ (Reflector) đặc biệt (lăng kính) lắp đối diện.

• Ưu điểm: Tiết kiệm dây dẫn và công lắp đặt (chỉ cần đi dây 1 bên). Phát hiện tốt các vật thể trong suốt hoặc mờ (với dòng chuyên dụng).
• Nhược điểm: Khoảng cách ngắn hơn loại thu-phát (thường dưới 15m).

→ Nguyên lý hoạt động

Bình thường, ánh sáng phát ra đập vào gương và phản xạ lại bộ thu. Khi vật thể đi qua che chắn chùm tia (ngăn không cho nó tới gương hoặc từ gương về), cảm biến sẽ kích hoạt.

#3 Cảm biến quang khuếch tán (Diffuse-Reflective Sensor)

→ Đặc điểm

Bộ phát và thu chung một vỏ. Không cần gương phản xạ và không cần bộ thu đối diện. Chính bề mặt vật thể sẽ đóng vai trò phản xạ ánh sáng.

• Ưu điểm: Lắp đặt đơn giản nhất (chỉ 1 thiết bị). Giá thành rẻ.
• Nhược điểm: Khoảng cách phát hiện ngắn (thường dưới 2m). Độ nhạy bị ảnh hưởng nhiều bởi màu sắc, độ nhám và vật liệu của bề mặt vật thể (vật màu đen, bề mặt nhám sẽ khó phát hiện hơn vật màu trắng, bóng).

→ Nguyên lý hoạt động

Cảm biến phát ra chùm sáng. Khi gặp vật thể, ánh sáng sẽ bị phản xạ khuếch tán theo nhiều hướng. Một phần ánh sáng quay ngược lại được bộ thu hấp thụ. Khi cường độ ánh sáng thu được đủ lớn, cảm biến sẽ kích hoạt.

6. Cách điều chỉnh độ nhạy (Sensitivity) và Chế độ hoạt động

→ Điều chỉnh ngưỡng nhạy (Sensitivity Adjustment)

Hầu hết cảm biến quang (đặc biệt loại khuếch tán) đều có một vít chỉnh (biến trở) để thay đổi khoảng cách phát hiện hoặc độ nhạy với ánh sáng phản xạ.

• Vặn về phía MAX: Tăng khoảng cách phát hiện (nhạy hơn với vật ở xa hoặc màu tối).
• Vặn về phía MIN: Giảm khoảng cách phát hiện (tránh nhiễu từ nền).

→ Chế độ Light-ON / Dark-ON

Nút gạt hoặc dây đấu để chọn logic đầu ra:

• Light-ON (L.ON): Ngõ ra tác động (ON) khi bộ thu NHẬN được ánh sáng.
  • Với loại thu-phát/phản xạ gương: ON khi không có vật.
  • Với loại khuếch tán: ON khi có vật.
• Dark-ON (D.ON): Ngõ ra tác động (ON) khi bộ thu KHÔNG NHẬN được ánh sáng (bị tối).
  • Với loại thu-phát/phản xạ gương: ON khi có vật chắn.
  • Với loại khuếch tán: ON khi không có vật.

7. Các hãng cảm biến quang uy tín nên dùng

Thị trường hiện có rất nhiều thương hiệu. Dưới đây là các hãng chất lượng mà Mecsu khuyên dùng:

• Phân khúc cao cấp (Nhật, Đức): Omron, Panasonic (trước là Sunx), Keyence, Sick, IFM. (Độ bền cao, chính xác, nhiều tính năng chuyên sâu).
• Phân khúc phổ thông (Hàn Quốc, Trung Quốc): Autonics, Fotek... (Giá thành hợp lý, đáp ứng tốt các ứng dụng cơ bản).
• Châu Âu khác: Schneider Electric.

MUA NGAY HÀNG CÔNG NGHIỆP GIÁ TỐT TẠI MECSU

Tham khảo thêm tại Mecsu

>>> 100+ Mã Sản Phẩm Dây Rút: https://mecsu.vn/san-pham/day-rut-nhua.5op

>>> 1000+ Mã Sản Phẩm Đầu Cosse: https://mecsu.vn/san-pham/dau-cosse.Q1j

Mời anh em đọc thêm các bài viết kỹ thuật khác:

• Sensor (Cảm biến) là gì? Phân loại và ứng dụng
• Hồ quang điện là gì? Tác hại và ứng dụng
• Quang điện trở (LDR) là gì? Cấu tạo & nguyên lý

Trên đây là toàn bộ kiến thức về cảm biến quang (Photoelectric Sensor). Hy vọng bài viết đã giúp anh em hiểu rõ bản chất, phân loại và cách sử dụng thiết bị quan trọng này trong tự động hóa. Cảm ơn anh em đã theo dõi!