Cảm biến quang tên tiếng anh là Photoelectric Sensor dùng để phát hiện vật, thiết bị khác nhờ ánh sáng hồng ngoại phát ra và thu về từ cảm biến để xuất tín hiệu dùng để cảnh báo, điều khiển trong các dây chuyền tự động, nhà máy.

 

Cảm biến cáp quang khi tiếp xúc với ánh sáng sẽ làm thay đổi trạng thái hoạt động. Nó hoạt động bằng cách sử dụng ánh sáng được phát ra từ bộ phận phát sáng của thiết bị để nhận biết sự xuất hiện của vật cản. Nếu bộ phận thu sáng có sự thay đổi thì mạch của cảm biến sẽ xuất ra tín hiệu tại ngõ ra.

Cấu tạo của cảm biến quang
 

Bộ phận thu sáng còn được gọi là Phototransistor hay Tranzito quang. Bộ phận này đảm nhiệm chức năng nhận ánh sáng và biển chuyển thành tín hiệu điện tỉ lệ. Trong đó thông dụng nhất là các cảm biến quang dùng mạch tích hợp chuyên dụng Application Specific Integrated Circuit, gọi tắt là ASIC. Mạch này giúp tích hợp những chi tiết, bộ phận khuếch đại, bộ phận quang, mạch xử lý và các chức năng vào 1 vi mạch. Từ đó thu nhận ánh sáng trực tiếp phát ra từ bộ phát với loại thu phát hoặc ánh sáng được phản xạ từ vật đối với loại khuếch tán.

Bộ phận phát sáng
Hầu như các cảm biến cáp quang trên thị trường đều dùng loại đèn bán dẫn LED, vì thế mà ánh sáng sẽ phát ra theo dạng xung. Nhờ nhịp xung này mà cảm biến phân biệt được rõ ánh sáng từ phòng, từ ánh mặt trời hay ánh sáng phát ra từ cảm biến. Hiện có 3 loại LED thông dụng là: Led đỏ, Led lazer, Led hồng ngoại. Một số trường hợp người ta còn sử dụng cả Led xanh lá, trắng hoặc vàng.

Mạch xử lý tín hiệu đầu ra
Mạch xử lý tín hiệu đầu ra được thực hiện việc chuyển tín hiệu tỷ lệ analogue từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF, sau đó được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá ngưỡng đã được cài đặt ban đầu, tín hiệu ra của cảm biến sẽ được kích hoạt.

Trước đây người ta hay sử dụng tới cảm biến được tích hợp mạch nguồn và có tín hiệu ra là tiếp để relay. Nhưng do công việc nên hiện nay người ta chọn cảm biến tín hiệu ra bán dẫn NPN hay PNP. Những loại dùng để đếm hoặc đo vật thì cảm biến tín hiệu ra là tỉ lệ.

Thông số của cảm biến quang

Điều chỉnh độ nhạy bởi biến trở điều chỉnh
Là loại cảm biến nào: Phản xạ khuếch tán, phản xạ gương hay thu – phát.
Độ trễ: lớn nhất thường là 20% so với phản xạ khuếch tán.
Nguồn cấp của thiết bị: Cảm biến dùng đến các nguồn 12v, 24v hay 220v.
Thời gian đáp ứng: Tối đa 1ms, tối thiểu 20ms.
Ngõ ra: có thể là tiếp điểm relay 30VDC 3A hoặc 250VAC 3A tải thuần trở.
Chỉ thị hoạt động: Đèn led thể hiện sự hoạt động của cảm biến, đèn led xanh lá chỉ thị cho nguồn cấp, cũng như sự ổn định của nguồn.
Khoảng cách phát hiện: Với dòng thu – phát thì 15m, với phản xạ khuếch tán khoảng 700m, còn nếu như là phản xạ gương thì 0.1-0.3m hoặc 0.1 -0.5m.
Nguồn sáng: của đèn Led đỏ, Led hồng ngoại loại 850mm hoặc 940mm.
Chế độ hoạt động: Có thể chọn loại Dark on hoặc Light on ở công tắc.
Vật phát hiện: Với thiết bị cảm biến quang phản xạ gương có thể vật mờ đục phi 60mm; Cảm biến thu phát thì vật mờ đục phi 15mm; loại phản xạ khuếch tán thì có thể phát hiện vật mờ trong và cả mờ đục.

 

Cảm biến quang điện thu phát độc lập (Through-Beam Sensor)

Cảm biến này còn được gọi với tên gọi khác là cảm biến thu phát chung.
Thực chất nó là cảm biến không phản xạ, cho nên nếu như muốn thiết bị hoạt động cần phải bố trí 1 con phát ánh sáng và 1 con thu ánh sáng đối diện nhau.
Người ta ưa chuộng cảm biến này vì nó có thể phát hiện ra vật ở khoảng cách 60m
Đảm bảo hoạt động chính xác, không bị chi phối, ảnh hưởng bởi màu sắc và bề mặt.

Cảm biến này chỉ có hai trạng thái duy nhất khi hoạt động như sau:

Trạng thái không có vật cản: Cảm biến phát và thu sáng diễn ra liên tục với nhau.
Trạng thái khi có vật cản: Cảm biến phát sáng vẫn hoạt động, nhưng bởi có vật cản ở giữa nên cảm biến thu không còn thu được ánh sáng.
 

Cảm biến quang khuếch tán (còn gọi là Diffuse Reflection Sensor)

Cảm biến này sở hữu bộ thu và bộ phát chung. 
Chức năng chính giúp phát hiện các vật thể trên các máy móc của hệ thống tự động hóa công nghiệp. 
Thiết bị giúp người điều khiển giám sát được vị trí của các thiết bị đã được lắp đúng hay chưa. 
Thiết bị có thể dùng nhiều trong dây chuyền đóng gói sản phẩm, sản xuất chi tiết, hoặc có thể là đếm số lượng vật để cho vào thùng hay đóng thành lô, bộ.
Tuy nhiên khả năng của nó chỉ giới hạn trong phạm vi 2m, vì thế mà người dùng cần đặc biệt chú ý. 
Độ chính xác bị chi phối bởi các màu sắc cùng với bề mặt của vật.
Nguyên lý hoạt động:
Cảm biến khuếch tán này cũng được hoạt động với 2 trạng thái làm việc duy nhất là:

Trạng thái không vật cản:Không có vật cản ánh sáng sẽ không được phản xạ về vị trí thu được hay bề mặt vật không phản xạ ánh sáng về vị trí thu.
Trạng thái phát hiện vật cản: Cảm biến phát ánh sáng liên tục vào bề mặt của vật cản, cho nên ánh sáng phản xạ đi ngược về vị trí thu sáng.
 

Cảm biến quang phản xạ gương (Retro-Reflection Sensor)

Cảm biến Retro – Reflection Sensor đặc biệt với cấu trúc có cả bộ phát ánh sáng và bộ thu ánh sáng. 
Ở cảm biến này gương phản xạ sẽ được trang bị kèm theo với vai trò là một lăng kính đặc biệt. 
Có khả năng phát hiện được vật có định dạng mờ, trong suốt với khoảng cách tối đa là tầm 15m, tiết kiệm dây dẫn điện 
Việc thực hiện lắp đặt tương đối thuận tiện.
Nguyên lý hoạt động:

Cảm biến hoạt động khi bộ phát ánh sáng sẽ phát ra ánh sáng đến gương. KHi đó sẽ có 2 trường hợp cụ thể:

Không có vật cản nào xuất hiện, gương sẽ thu lại toàn bộ ánh sáng.
Nếu xuất hiện vật cản hay vật đi qua sẽ làm cho tần số của ánh sáng phản xạ bị thay đổi hoặc biến mất đi ánh sáng thu. Cảm biến xuất hiện những tín hiệu như: NPN, PNP,..
Cảm biến quang phát hiện màu (còn gọi là cảm biến màu sắc)
Đây là thiết bị có khả năng nhận biết được các màu sắc với các màu cơ bản như: Xanh lá, đỏ và xanh dương.
Giá rẻ nhất trong số các loại cảm biến trên .
Ứng dụng nhiều ở các nhà máy lắp ráp.

Ưu nhược điểm Photoelectric Sensor
 

Hầu hết các thiết bị điện tử đều có ưu và nhược điểm nhất định mà các nhà khoa học cần tìm hướng để xử lý. Việc nắm rõ được ưu nhược điểm của thiết bị sẽ giúp khách hàng quyết định đúng hơn trong việc chọn thiết bị để sử dụng.

Ưu điểm cảm biến quang
Ít bị hao mòn sau thời gian dùng lâu dài.
Khi đưa vào hoạt động đảm bảo độ chính xác cao, ổn định.
Giúp phát hiện được vật ở khoảng cách xa từ 100m mà không cần phải tiếp xúc gần với vật.
Thiết bị có khả năng phát hiện đồng thời nhiều vật.
Có thể thực hiện tùy chỉnh độ nhạy theo từng ứng dụng, thời gian phản ứng cũng sẽ nhanh hơn.
Nhược điểm cảm biến quang

Khoảng cách nhận biết, độ nhạy của thiết bị được phụ thuộc nhiều vào 2 yếu tố là hệ số phản xạ và màu sắc của vật.

Hiệu quả sẽ giảm nếu như chúng làm việc ở trong môi trường không đảm bảo, nhiều bụi bẩn. Cho nên trong quá trình sử dụng khách khách hàng nên thực hiện vệ sinh định kỳ.
 

Ứng dụng của cảm biến quang

Giúp phát hiện ra con người, động vật di chuyển qua cửa, từ đó đưa ra thông báo cho điều hành biết.
Trong sản xuất thực phẩm, thiết bị giúp phát hiện ra các chai nước giải khát đóng thiếu nhân.
Có khả năng phát hiện được các xe ô tô trong bãi giữ, tầng hầm.
Giúp kỹ sư điều hành biết được đường di chuyển của thực phẩm, nước đóng chai, đồ ăn đóng hộp, ô tô trên băng tải.
Tự động bật tắt vòi nước dựa vào sóng của bàn tay.
Kiểm tra, kiểm soát sản phẩm đi qua tại khâu sơ chế, đóng gói sản phẩm…
Đếm số lượng chai/hộp đang được di chuyển trên băng tải với tốc độ cao.
Đảm bảo an toàn khi đóng hay mở cửa xe ô tô
Xác định mức độ cao của chất lỏng chứa trong chai, lon nước
Giúp đếm số lượng hoa quả cho vào thùng nhanh, chính xác.
Hướng dẫn điều chỉnh độ nhạy của cảm biến quang
Để thực hiện điều chỉnh độ nhạy của cảm biến cáp quang ta có thể thực hiện theo các bước như sau:

Dùng công tắc chuyển Dark on, Light on: Đây là những công tắc làm thay đổi tình trạng đầu ra của cảm biến.
Điều chỉnh ngưỡng hay điều chỉnh mức ánh sáng đảm bảo đủ để có thể kích hoạt đầu ra. Thiết bị thu được ánh sáng bằng hay lớn hơn so với ngưỡng đã cài đặt thì tín hiệu sẽ được xuất ra. Điều chỉnh ngưỡng đồng nghĩa với việc giảm hay tăng khoảng cách để phát hiện những vật định dạng trong mờ hoặc rất nhỏ.
Mỗi hãng sẽ có những cách để thực hiện việc điều chỉnh ngưỡng khác nhau dựa vào nút đặt ngưỡng hoặc vặn vít điều chỉnh ngưỡng.
Các hãng sản xuất cảm biến quang uy tín
Khi có nhu cầu mua và sử dụng Photoelectric Sensor, khách hàng nên chú ý lựa chọn sản phẩm chính hãng tại những đơn vị uy tín để đảm bảo sử dụng được lâu dài với độ chính xác cao. 

Trên thị trường hiện nay có rất nhiều các loại Photoelectric Sensor có nguồn gốc khác nhau, trong đó dòng sản phẩm có xuất xứ từ Nhật Bản luôn được khách hàng tin tưởng, lựa chọn như: Omron, Panasonic, Keyence, Autonics, IFM, Sick, MicroDetectors...