Cảm biến quang

Cảm biến quang hiện nay là một thiết bị rất quan trọng và sử dụng nhiều trong công nghiệp, đặc biệt là các hệ thống tự động hóa, dây chuyền, máy móc ở các nhà máy. vậy Cảm biến quang là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nó như thế nào? Ứng dụng của cảm biến quang trong công nghiệp hiện nay cụ thể như thế nào? Cùng chúng ta cùng nhau tìm hiểu về thiết bị này các bạn nhé

Tìm hiểu chung về cảm biến quang

Cảm biến quang là gì?

Cảm biến quang (hay còn gọi là cảm biến ánh sáng) là một loại cảm biến điện tử sử dụng ánh sáng để phát hiện và đo lường các thông số như độ sáng, màu sắc, khoảng cách, độ chính xác của vật thể, và cả nhận diện các ký tự trên tài liệu giấy. Cảm biến quang thường được xây dựng dựa trên các linh kiện quang học như bộ lọc, đèn LED, cảm biến hình ảnh và các phần mềm điều khiển để giúp xử lý tín hiệu thu được từ ánh sáng. Tín hiệu phản hồi bằng ánh sáng thu được sẽ trở thành tín hiệu điệnm, tín hiệu này sẽ truyền về cho chúng ta biết

Cảm biến quang(Tiếng anh là Photoelectric sensor) được áp dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất, Y tế, hàng không vũ trụ. Là thành phần quan trọng của các hệ thống tự động hóa cấp cao

Lịch sử hình thành và phát triển của cảm biến quang

• Loại cảm biến này đã có mặt từ những năm đầu của thế kỷ 20, khi các nhà khoa học đã bắt đầu phát triển các loại cảm biến dựa trên các hiệu ứng quang học. Trong những năm 1920 và 1930, các nhà khoa học đã phát triển các loại cảm biến này đầu tiên, bao gồm các loại cảm biến ánh sáng, cảm biến quang điện, cảm biến quang phổ, và các loại cảm biến khác.
• Trong những năm 1940 và 1950, sự phát triển của công nghệ quang học đã thúc đẩy sự phát triển của các loại cảm biến ánh sáng mới, bao gồm cảm biến ánh sáng phản xạ, cảm biến nhiệt quang, và các loại cảm biến khác. Trong thập niên 1960 và 1970, sự phát triển của công nghệ điện tử đã cho phép các nhà khoa học phát triển các loại cảm biến ánh sáng này phức tạp hơn và đa dạng hơn.
• Trong những năm gần đây, sự phát triển của các công nghệ quang học và điện tử đã cho phép các nhà khoa học phát triển các loại cảm biến quang có độ chính xác cao, tính ứng dụng cao, và đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau trong các ứng dụng khác nhau, từ công nghiệp đến y tế và trong các thiết bị điện tử.
• Hiện nay, các loại cảm biến này đã trở thành một phần quan trọng trong hệ thống tự động hoá và điều khiển, đóng vai trò quan trọng trong việc đo lường và kiểm soát các thông số quan trọng như ánh sáng, màu sắc, nhiệt độ, khoảng cách và độ chuyển động.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang

Cấu tạo của cảm biến quang

Cảm biến quang được cấu tạo từ các linh kiện quang học, các bộ lọc, đèn LED và các phần mềm điều khiển để xử lý tín hiệu thu được. Tùy thuộc vào loại cảm biến và ứng dụng cụ thể, cấu tạo của cảm biến ánh sáng này có thể khác nhau, nhưng chúng thường bao gồm các thành phần chính sau:

• Bộ phát ánh sáng: Thường là một đèn LED hoặc bộ phát laser, được sử dụng để tạo ra ánh sáng phản xạ hoặc ánh sáng tham chiếu để đo lường các thông số của vật thể.
• Bộ thu ánh sáng: Là một bộ cảm biến quang (như cảm biến CCD hoặc CMOS) được sử dụng để thu thập ánh sáng được phản xạ hoặc tham chiếu từ vật thể.
• Các bộ lọc quang: Là các bộ lọc dùng để lọc và chọn lọc một phần của ánh sáng để đảm bảo tính chính xác và độ nhạy của cảm biến.
• Phần mềm điều khiển: Là phần mềm được sử dụng để xử lý tín hiệu thu được từ cảm biến và tính toán các thông số cần thiết để đưa ra kết quả đo lường.
• Vỏ bọc cảm biến: Là vỏ bọc bảo vệ các thành phần của cảm biến và giúp cảm biến hoạt động tốt trong môi trường khắc nghiệt.

Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, cảm biến quang có thể được tích hợp với các linh kiện khác như cơ cấu chuyển động hoặc hệ thống định vị để tăng tính linh hoạt và độ chính xác khi hoạt động

Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang

Cảm biến quang hoạt động dựa trên nguyên lý quang học, trong đó tín hiệu quang học được sử dụng để đo lường các thông số của vật thể. Các cảm biến này sử dụng các nguyên lý khác nhau để hoạt động, tùy thuộc vào loại cảm biến mà chúng ta sử dụng

Như chúng ta đã biết Cảm biến quang bao gồm hai phần chính: bộ phận chiếu sáng (light emitter) và bộ phận thu sáng (light detector).

Bộ phận chiếu sáng tạo ra ánh sáng và chiếu nó vào vật cần đo lường. Khi ánh sáng chiếu vào vật thì một phần sẽ được phản xạ hoặc hấp thụ, phần còn lại sẽ đi qua vật và chiếu lên bộ phận thu sáng

Bộ phận thu sáng chứa các cảm biến quang, có chức năng nhận tín hiệu ánh sáng được phát ra từ bộ phận chiếu sáng. Các cảm biến này sẽ chuyển đổi tín hiệu quang học thành tín hiệu điện, sau đó tín hiệu này sẽ được chuyển đến một bộ vi xử lý hoặc một mạch điều khiển để xử lý và hiển thị kết quả đo lường.

Cảm biến quang có thể được sử dụng để đo lường nhiều thông số khác nhau như mức độ chiếu sáng, màu sắc, khoảng cách, độ chuyển động, nhiệt độ và các thông số khác. Các loại cảm biến quang khác nhau sử dụng các hiệu ứng quang học khác nhau để đo lường các thông số này, bao gồm hiệu ứng phản xạ, hiệu ứng hấp thụ, hiệu ứng giao thoa và hiệu ứng sự bức xạ.

Ngoài ra cũng tùy vào loại cảm biến mà nguyên lý hoạt động của nó có một số thay đổi. Ví dụ, cảm biến ánh sáng sử dụng các phản xạ và tán sáng để đo lường mức độ chiếu sáng, trong khi cảm biến màu sắc sử dụng các bộ lọc quang để phân tích các tín hiệu quang học và đo lường màu sắc của vật thể. Cảm biến khoảng cách sử dụng các nguyên tắc phản xạ, phát xạ, hoặc toán học để tính toán khoảng cách từ cảm biến đến vật thể.

Một số cảm biến quang sử dụng hiệu ứng photoelectric, trong đó các tia sáng được phát ra và đi qua vật thể, và các tín hiệu quang được thu lại và chuyển đổi thành các tín hiệu điện. Các tín hiệu này sau đó được xử lý bởi các vi mạch điện tử để đo lường và kiểm soát các thông số của vật thể.

Một số cảm biến quang khác sử dụng nguyên lý chuyển đổi nhiệt quang để đo lường nhiệt độ, trong đó sự thay đổi nhiệt độ của vật thể dẫn đến sự thay đổi của tín hiệu quang học.

Các loại cảm biến quang phổ biến hiện nay và ứng dụng

Cảm biến quang hấp thụ

Cảm biến quang hấp thụ là một loại cảm biến sử dụng để đo lường độ sáng và màu sắc của ánh sáng. Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng vào bề mặt của một tế bào quang điện và tạo ra một dòng điện tương ứng với độ sáng của ánh sáng. Điện áp được tạo ra bởi cảm biến quang hấp thụ có thể được đọc bởi một vi mạch điện tử để xử lý và hiển thị kết quả. Từ tín hiệu của cảm biến này, chúng ta có thể sử dụng nó cho hệ thống để tính toán sử dụng hợp lý nhất

Cảm biến quang hấp thụ được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm:

• Máy ảnh và máy quay phim: Cảm biến quang hấp thụ được sử dụng để đo lường độ sáng và màu sắc của ánh sáng để tạo ra hình ảnh hoặc video với chất lượng cao.
• Thiết bị phát quang: Được sử dụng để đo lường độ sáng và điều khiển độ sáng của đèn LED hoặc các thiết bị phát sáng khác.
• Cảm biến ánh sáng trong đèn giao thông: Cảm biến hấp thụ được sử dụng để đo lường độ sáng của môi trường xung quanh và điều chỉnh độ sáng của đèn giao thông tương ứng để đảm bảo an toàn giao thông.
• Các ứng dụng y tế: Nó được sử dụng để đo lường độ sáng trong các ứng dụng y tế, bao gồm trong các thiết bị đo mức độ oxy hóa của máu hoặc trong các thiết bị theo dõi giấc ngủ.
• Các ứng dụng trong ngành công nghiệp: Cảm biến quang hấp thụ được sử dụng trong các thiết bị đo mức nước, đo mức bụi, đo nồng độ khí và các ứng dụng đo lường khác trong ngành công nghiệp.

Cảm biến quang phản xạ

Đây là loại cảm biến phổ biến trong các loại cảm biến mà chúng ta đang tìm hiểu hiện nay. Cảm biến quang phản xạ (reflex sensor) là loại cảm biến sử dụng để phát hiện vật thể hoặc chất lỏng trong một khoảng cách ngắn bằng cách sử dụng ánh sáng phản xạ từ vật thể đó. Nó cấu tạo bao gồm hai phần chính: bộ phát sáng (light emitter) và bộ thu sáng (light receiver).

Bộ phát sáng phát ra một tia sáng với một bước sóng cụ thể, và tia sáng này chiếu vào vật thể. Khi tia sáng đó chiếu vào bề mặt của vật thể, một phần tia sáng sẽ bị phản xạ trở lại bộ thu sáng. Bộ thu sáng sẽ thu nhận tia sáng phản xạ và chuyển đổi nó thành một tín hiệu điện.

Thông thường, cảm biến quang phản xạ được sử dụng để phát hiện đối tượng hoặc chất lỏng trong một khoảng cách ngắn, ví dụ như trong các thiết bị tự động hóa như máy in, máy scan, máy đóng gói hoặc trong các thiết bị an ninh như cửa tự động, bảo vệ khu vực nguy hiểm.

Cảm biến quang phản xạ có thể được chia thành hai loại chính: cảm biến phản xạ thấp và cảm biến phản xạ cao. Cảm biến phản xạ thấp sử dụng một chùm tia sáng góc hẹp, chỉ phát hiện đối tượng khi nó ở gần bề mặt phản xạ. Cảm biến phản xạ cao sử dụng một chùm tia sáng góc rộng và có thể phát hiện đối tượng ở khoảng cách xa hơn so với cảm biến phản xạ thấp.

Cảm biến quang giao thoa

Cảm biến quang giao thoa là một loại cảm biến được sử dụng để đo khoảng cách và chiều cao của các đối tượng. Nguyên lý hoạt động của cảm biến này dựa trên sự giao thoa của ánh sáng.

Cảm biến quang giao thoa bao gồm một nguồn ánh sáng, một khe hẹp để tạo ra các vạch sáng tối, và một bộ thu để đo các biến đổi của vạch sáng tối này. Khi ánh sáng đi qua khe hẹp, nó sẽ được chia thành hai vạch sáng tối song song với nhau. Khi các vạch sáng tối này gặp lại nhau, chúng sẽ giao thoa với nhau, tạo ra các điểm sáng và tối trên một màn hình ở phía sau.

Khi đối tượng nằm giữa nguồn ánh sáng và khe hẹp, nó sẽ gây ra sự thay đổi trong các vạch sáng tối, dẫn đến sự thay đổi của các điểm sáng và tối trên màn hình. Bằng cách đo các biến đổi này, cảm biến quang giao thoa có thể tính toán được khoảng cách và chiều cao của đối tượng.

Cảm biến quang giao thoa được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm:

• Đo khoảng cách trong sản xuất công nghiệp,
• Giám sát chiều cao trong các hệ thống chuyển hàng tự động,
• Đo chiều dài và chiều cao của vật thể trong y tế
• Đo khoảng cách và vận tốc của phương tiện trong ngành vận tải.

Cảm biến quang chuyển động

Cảm biến quang chuyển động là một loại cảm biến được sử dụng để phát hiện chuyển động của các đối tượng trong không gian. Nguyên lý hoạt động của cảm biến này dựa trên sự phản xạ của ánh sáng từ các bề mặt của đối tượng.

Cảm biến quang chuyển động bao gồm một nguồn ánh sáng và một bộ thu để đo các biến đổi của ánh sáng phản xạ. Khi đối tượng di chuyển trong phạm vi hoạt động của cảm biến, nó sẽ phản xạ ánh sáng từ nguồn ánh sáng và gửi lại tín hiệu đến bộ thu.

Thông qua phân tích tín hiệu, cảm biến dạng chuyển động có thể phát hiện các thay đổi của ánh sáng phản xạ để xác định chuyển động của đối tượng.

Ứng dụng của Cảm biến này có thể được sử dụng để phát hiện chuyển động của người hoặc động vật, đo tốc độ di chuyển của phương tiện, giám sát hoạt động sản xuất trong công nghiệp, và kiểm soát vị trí và chuyển động trong các hệ thống tự động hóa.

Ngoài ra, cảm biến quang chuyển động còn được sử dụng trong các thiết bị như chuột máy tính, đèn phát sáng tự động, hệ thống an ninh và giám sát, và các thiết bị điện tử thông minh khác.

Ưu điểm và nhược điểm của cảm biến quang

Ưu điểm của cảm biến quang

• Độ chính xác cao: Có độ chính xác cao trong việc đo và phát hiện các tín hiệu ánh sáng. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.
• Tốc độ đáp ứng nhanh: Khả năng phát hiện và đo lường các tín hiệu ánh sáng ở tốc độ rất cao, nhanh hơn so với các loại cảm biến khác.
• Không bị ảnh hưởng bởi môi trường: Cảm biến quang hoạt động dựa trên nguyên lý của ánh sáng, do đó không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như tác động của điện từ hay nhiễu điện.
• Độ tin cậy cao: Cảm biến quang hay các loại cảm biến nói chung được thiết kế để hoạt động liên tục và có độ bền cao. Chúng có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và có thể chịu được sự rung động, va đập mạnh.
• Chi phí thấp: So với các loại cảm biến khác, cảm biến này có chi phí thấp hơn và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng sản xuất đại trà, đặc biệt là trong các hệ thống tự động hóa.
• Khả năng hoạt động đa năng: Nó thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả trong công nghiệp, y tế, khoa học, kỹ thuật, và các lĩnh vực khác như chúng tôi đã nêu ở trên
• Dễ dàng lắp đặt và sử dụng: Cảm biến quang được thiết kế đơn giản và dễ dàng lắp đặt, vận hành và bảo trì. Nó cũng có thể được tích hợp vào các thiết bị khác như máy móc và thiết bị điện tử để phát hiện và đo lường các tín hiệu ánh sáng.

Nhược điểm của cảm biến quang

• Bị ảnh hưởng bởi môi trường: Mặc dù cảm biến quang có độ chính xác cao, nhưng nó cũng có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường, ví dụ như bụi, mảnh vụn hoặc các tác nhân gây nhiễu trong không khí.
• Không thể đo được ánh sáng tối: Cảm biến quang không thể đo được các tín hiệu ánh sáng tối hoặc trong điều kiện thiếu ánh sáng.
• Giới hạn về khoảng cách: Cảm biến này có giới hạn về khoảng cách, do đó không thể phát hiện các vật thể xa hơn một khoảng cách nhất định.
• Độ bền giới hạn: Mặc dù cảm biến có độ bền cao, nhưng nó vẫn có giới hạn về tuổi thọ và có thể bị hỏng sau một thời gian sử dụng.
• Giá thành tương đối cao: Một số loại cảm biến quang có giá thành khá cao, đặc biệt là các loại cảm biến dùng cho công nghiệp hoặc đặc biệt được thiết kế cho các ứng dụng chuyên dụng.
• Khó khăn trong việc lập trình và hiệu chỉnh: Một số loại có độ phức tạp cao trong việc lập trình và hiệu chỉnh, yêu cầu kiến thức kỹ thuật cao để sử dụng và bảo trì hoặc lắp đặt cũng như lập trình ở độ chính xác cao

Các bạn thân mến, như vậy là chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu về cảm biến quang. Một thiết bị tuy nhỏ nhưng rất quan trọng trong các hệ thống đặc biệt là tự động hóa trong dây chuyển công nghiệp hiện nay

Cùng với đó chúng tôi cũng đã giới thiệu qua cho bạn đọc biết được các loại cảm biến quang và ứng dụng của từng loại cảm biến trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau

Mỗi loại thiết bị đều có ưu và nhược điểm riêng, chúng tôi cũng đã khái quát cho bạn đọc hiểu về các đặc điểm này ở trên bài viết. Cảm ơn các bạn đã quan tâm và theo dõi bài viết của chúng tôi, hẹn gặp lại ở các bài viết sau