Giới thiệu chung về nguyên lý của cảm biến quang

Cảm Biến Quang điện (Photoelectric Sensor, PES)có thể phát hiện nhiều dạng vật thể khác nhau: từ việc phát hiện 1 chai nhựa trên băng chuyền hoặc kiểm tra xem tay robot đã gắp linh kiện ô tô để lắp đặt hay chưa

Nếu không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa công nghiệp, giống như làm việc mà không nhìn được vậy.

Chương đầu tiên sẽ mô tả nguyên lý cơ bản của cảm biến quang. Bạn sẽ tìm hiểu về ưu việt của cảm biến quang so với các loại cảm biến khác và cấu trúc cơ bản của cảm biến.

Cơ bản về Cảm biến quang

Cảm biến quang có ưu việt gì so với các loại cảm biến khác như cảm biến tiệm cận hay cảm biến tiếp xúc ??? Hãy dành 1 phút suy nghĩ trước khi sang trang tiếp theo nhé !

……….

Cảm biến quang…

• … không tiếp xúc với vật thể cần phát hiện
• … có thể phát hiện vật từ khoảng cách xa
• … không bị hao mòn / có tuổi thọ cao
• … có thời gian đáp ứng nhanh (ví dụ 1 ms)
• … có thể phát hiện mọi loại vật thể / vật chất

Cảm biến quang là một trong những công nghệ chủ chốt của OMRON và là nhóm sản phẩm phong phú nhất trong các loại thiết bị tự động của Omron.

Cấu trúc thiết kế

Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính:

1. Bộ Phát sáng

2. Bộ Thu sáng

3. Mạch xử lý tín hiệu ra

Cấu trúc trong

Bộ phát sáng

Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode).

Ánh sáng được phát ra theo xung. Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng).

Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze. Một số dòng cảm biến đặc biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra cũng có LED vàng.

Bộ thu sáng

Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang). Bộ phận này cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC). Tất cả các dòng cảm biến quang Omron ra mắt gần đây (như E3Z, E3T, E3F2) đều sử dụng ASIC.

Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán). Bạn sẽ tìm hiểu rõ hơn về các chế độ hoạt động này trong chương sau.

Mạch tín hiệu ra

Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành tín hiệu On / Off được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt.

Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ le vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN).

Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm.

Điều chỉnh độ nhạy

Các loại cảm biên quang tiêu chuẩn thường có 2 khả năng chỉnh độ nhạy:

1. Chỉnh ngưỡng

Người sử dụng có thể điều chỉnh mức ngưỡng, là mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu ra. Khi ánh sáng thu được bằng hoặc lớn hơn ngưỡng, sẽ có tín hiệu xuất ra. Trong thực tế, thay đổi ngưỡng sẽ dẫn đến tăng hoặc giảm khoảng cách phát hiện.

Việc chỉnh ngưỡng cũng có thể giúp cảm biến nhạy hơn, phát hiện được vật nhỏ hơn hoặc các vật trong mờ. Cảm biến quang Omron thường có một biến trở vặn vít để điều chỉnh ngưỡng. Một số cảm biến còn có nút đặt ngưỡng (teach) để có ngưỡng thích hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể

2. Công tắc chuyển Light-On/Dark-On

Công tắc L-On/D-On thay đổi tình trạng đầu ra cảm biến. Bạn sẽ hiểu rõ hơn về hoạt động L-On và D-On ở phần sau.

Các loại Đèn báo

Phần lớn cảm biến quang Omron có 2 đèn báo:

1. Đèn xanh – báo mức ổn định

Đèn LED xanh cho biết cảm biến đang ở tình trạng phát hiện ổn định, nghĩa là tín hiệu ON (có) hay OFF (không có) rõ ràng. Đèn này cũng giúp cho việc cài đặt, chỉnh cảm biến dễ dàng.

2. Đèn báo tín hiệu ra vàng cam / đỏ.

Đèn LED vàng cam hay đỏ bật khi có vật thể được phát hiện và có tín hiệu đầu ra.

XEM CHI TIẾT CÁC DÒNG SẢN PHẦM:

1. Cảm biến quang giá rẻ E3FN
2. Cảm biến quang E3Z
3. Cảm biến quang E3JK
4. Cảm biến quang E3JM
5. Cảm biến E3X-SD
6. Cảm biến E3X-DA-S

Chế độ hoạt động

13/07/2012

 Follow

Giới thiệu chung

Trong chương này chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu 4 chế độ hoạt động cơ bản của cảm biến quang:

• Chế độ thu phát
• Chế độ phản xạ (gương)
• Chế độ phản xạ khuếch tán
• Chế độ chống ảnh hưởng của nền

Ta sẽ tìm hiểu kỹ hơn về 4 chế độ này: các ưu việt, nhược điểm cũng như một số ví dụ ứng dụng.

Thu phát

Cảm biến dạng thu phát có bộ phát và thu sáng tách riêng. Bộ phát truyền ánh sáng đi và bộ thu nhận ánh sáng. Nếu có vật thể chắn nguồn sáng giữa hai phần này thì sẽ có tín hiệu ra của cảm biến.

Ưu điểm:

• Khoảng cách phát hiện xa (ví dụ E3Z-T82 được tới 30m), phát hiện tốt trong môi trường nhiều bụi.
• Khả năng xác định vị trí chính xác của vật thể.
• Độ tin cậy cao, phát hiện được mọi loại vật thể (trừ loại trong suốt)

Nhược điểm:

• Mất nhiều thời gian để chỉnh vị trí lắp đặt.
• Mất nhiều thời gian nối dây vì có 2 dây riêng biệt
• Giá thành sản phẩm cao

Ví dụ ứng dụng:

1. Kiểm soát cổng ra vào: Thông thường cổng ra vào có kính mờ / tối che ngoài. Bởi vậy cần loại thu phát có cường độ sáng cao để xuyên qua lớp kính. Omron đi đầu trên thế giới về loại cảm biến quang sử dụng trong các ứng dụng này.

2. Môi trường khắc nghiệt: ví dụ trạm rửa xe, hoặc môi trường nhiều bụi, cần có cảm biến cường độ sáng cao.

3. Các ứng dụng rộng rãi khác trong tự động hóa công nghiệp, đặc biệt trong trường hợp cần xác định vị trí của vật thể.

Phản xạ gương

Bộ phát truyền ánh sáng tới một gương phản chiếu lăng kính đặc biệt, và phản xạ lại tới bộ thu sáng của cảm biến. Nếu vật thể xen vào luồng sáng, cảm biến sẽ phát tín hiệu ra.

Ưu điểm:

• Giá thành thấp hơn loại thu phát
• Lắp đặt dễ hơn loại thu phát
• Chỉnh định dễ dàng
• Với vật thể có bề mặt sáng bóng có thể làm cảm biến không phát hiện được, có thể dùng kính lọc phân cực. Nhấn VÀO ĐÂY để hiểu rõ hơn về chức năng này.

Nhược điểm:

• Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát (E3Z-R: chỉ được 4-5m).
• Vẫn cần 2 điểm lắp đặt cho cảm biến và gương
• Cảm biến phản xạ gương loại 2 thấu kính thường không phát hiện được vật ở một số khoảng cách ngắn nhất định. Nhấn VÀO ĐÂY để tìm hiểu thêm.

Phản xạ gương là dạng cảm biến quang phổ biến nhất trong công nghiệp. Loại này có sự kết hợp tốt các yếu tố như phát hiện tin cậy, khoảng cách vừa đủ và giá thành hợp lý.

Ví dụ ứng dụng:

• Phát hiện vật trên băng chuyền
• Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy
• Phát hiện chai nhựa trong (khi dùng loại thích hợp)
• Kiểm soát cửa / cổng ra vào trong các tòa nhà

Phản xạ khuếch tán

Cảm biến dạng này truyền ánh sáng từ bộ phát tới vật thể. Vật này sẽ phản xạ lại một phần ánh sáng (phản xạ khuếch tán) ngược trở lại bộ thu của cảm biến, kích hoạt tín hiệu ra.

Ưu điểm:

• Lắp đặt đơn giản, dễ dàng
• Chỉ cần 1 điểm lắp đặt duy nhất.

Nhược điểm:

• Khoảng cách phát hiện ngắn (do chỉ phát hiện được một phần ánh sáng phản xạ). Ví dụ loại E3Z-D: có khoảng cách phát hiện tối đa 1m.
• Tỉ lệ lỗi đen / trắngcao; khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc, kích thước, tính chất bề mặt của vật thể. Nhấn VÀO ĐÂY để xem sự khác biệt trong khoảng cách phát hiện tối đa của E3Z-D với vật màu đen, màu trắng và vật kim loại không gỉ (SUS).
• Bởi vậy việc phát hiện vật có thể khó khăn nếu có nền màu đen sau vật. 
• Độ nhạy và độ tin cậy kém hơn loại Thu phát và Phản xạ gương.

Thông thường, nếu không cần độ chính xác cao, hoặc khó khăn trong việc lắp đặt gương, người ta sẽ dùng loại phản xạ khuếch tán.

Ví dụ ứng dụng:

• Các ứng dụng phổ cập trong nhà máy: như phát hiện vật trên băng chuyền
• Công nghiệp chế tạo gạch men (dùng loại nguồn sáng rộng)

Hạn chế nhiễu của nền(BGS)

Đây là cảm biến phản xạ khuếch tán đặc biệt. Trong khi loại thường phát hiện tổng lượng ánh sáng nhận được, loại BGS phát hiện góc của ánh sáng phản xạ. Công nghệ này có tên là triangulation (phép đạc tam giác). Bởi vậy, độ nhạy của cảm biến sẽ không phụ thuộc vào màu sắc vật hay nền sau vật.

Để làm điều này, cảm biến dùng 2 điôt cho bộ thu (như hình bên) hoặc 1 mạch điôt/PSD.

Ưu điểm:

• 1 điểm lắp đặt duy nhất
• Chính xác và tin cậy hơn loại phản xạ thường (bị lỗi trắng/đen)
• Có thể chỉnh khoảng cách phát hiện ở 1 mức nhất định

Nhược điểm:

• Khoảng cách phát hiện ngắn; ví dụ E3Z-LS: chỉ được tối đa 200mm

Cảm biến BGS ngày càng phổ biến hơn trong các ứng dụng công nghiệp vì không cần gương và phát hiện tin cậy. Thông thường cảm biến BGS lắp đặt bên cạnh hoặc bên trên băng chuyền (xem hình mô phỏng).

Lưu ý: vít biến trở của cảm biến BGS dòng E3Z không điều chỉnh ngưỡng/độ nhạy (như các model khác), mà thay đổi vị trí của thấu kính để điều chỉnh khoảng cách phát hiện.

Dark-On và Light-On

Một tính năng liên quan đến cảm biến quang là phản hồi của cảm biến khi phát hiện hoặc không phát hiện thấy ánh sáng. Tính năng này có tên là chế độ Dark-On hay Light-On.

Chế độ Dark-On (D-ON)

Tín hiệu ra của cảm biến sẽ có khi bộ thu không nhận được ánh sáng.

Cảm biến thu phát và phản xạ gương thường hoạt động ở chế độ D-On này. Vật thể ngăn tia sáng và kích hoạt tín hiệu ra.

chế độ Light-On (L-ON)

Tín hiệu ra có khi bộ thu nhận được ánh sáng từ vật thể.

Cảm biến phản xạ và BGS thường hoạt động ở chế độ L-ON này. Bộ thu nhận được ánh sáng phản xạ từ vật thể, và kích hoạt tín hiệu ra.

Hãy xem lần nữa mô phỏng của cảm biến phản xạ và để ý khi đèn LED báo đầu ra sáng.