Cảm biến Quang điện (Photoelectric Sensor, PES) nói một cách nôm na, thực chất chúng là do các linh kiện điện tử quang điện tạo thành. Khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến quang, chúng sẽ thay đổi tính chất. Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot (Cathode) khi có một lượng ánh sáng chiếu vào.
Chúng ta sẽ tập trung tìm hiểu 4 chế độ hoạt động cơ bản của cảm biến quang điện:
- 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, có thể 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.
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.
Nhược điểm:
- Khoảng cách phát hiện ngắn hơn loại thu phát.
- 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.
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).
- Tỉ lệ lỗi đen / trắngcao; khoảng cách phát hiện phụ thuộc nhiều vào màu sắc, kích thước, tính chất bề mặt của vật thể.
- 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 - Background Suppression)
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;
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.
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.