Cảm Biến Quang: Nguyên Lý Hoạt Động, Phân Loại và Ứng Dụng trong Tự Động Hóa Nhà Máy

 Cảm biến quang, hay còn gọi là photoelectric sensor, là thiết bị công nghiệp quan trọng sử dụng ánh sáng để phát hiện và định vị vật thể. Thiết bị này thường bao gồm đầu phát sáng (thường là đèn LED hoặc tia laser) và đầu thu ánh sáng (phototransistor hoặc photodiode) cùng mạch xử lý tín hiệu. Khi ánh sáng phát ra từ đầu phát bị phản xạ hoặc bị vật cản che khuất, bộ thu ánh sáng sẽ nhận biết sự thay đổi và tín hiệu đầu ra (ON/OFF) sẽ được mạch điều khiển xử lý. Nhờ khả năng “không tiếp xúc” và độ nhạy cao, cảm biến quang được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa nhà máy như dây chuyền sản xuất, băng tải và robot lắp ráp.

Nguyên Lý Hoạt Động của Cảm Biến Quang

Cảm biến quang hoạt động dựa trên nguyên lý phát tín hiệu ánh sáng từ bộ phát sang bộ thu. Đầu phát (ví dụ LED hồng ngoại hoặc laser) phát một chùm tia sáng liên tục, và đầu thu bên trong (phototransistor hoặc photodiode) sẽ nhận tín hiệu ánh sáng trực tiếp hoặc phản xạ. Khi không có vật cản, tín hiệu ánh sáng từ đầu phát truyền đến đầu thu hoặc được phản chiếu trở lại (tuỳ từng loại cảm biến). Ngược lại, khi có vật cản đi qua, chùm tia sáng bị ngắt hoặc cường độ ánh sáng thay đổi đột ngột. Bộ thu ánh sáng cảm nhận sự thay đổi này, mạch xử lý tín hiệu bên trong sẽ chuyển đổi thành tín hiệu điện tử (thường dùng ngõ ra PNP/NPN ON-OFF) để báo cho hệ thống điều khiển biết. Nhờ nguyên lý này, cảm biến quang có thể phát hiện vị trí, khoảng cách hay sự xuất hiện của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp với nó.

Phân Loại Các Loại Cảm Biến Quang Phổ Biến

• Cảm biến thu-phát độc lập (Through-beam): Gồm 2 thiết bị riêng biệt (bộ phát và bộ thu) đặt đối diện nhau. Bộ phát liên tục phát chùm tia sáng, bộ thu đợi nhận tín hiệu. Khi có vật cản chắn ngang chùm tia, tín hiệu đầu ra thay đổi. Loại này không bị ảnh hưởng bởi màu sắc bề mặt và có thể phát hiện ở khoảng cách rất xa (tới 60m). Tuy nhiên, lắp đặt yêu cầu căn chỉnh chính xác hai thiết bị song song và đòi hỏi nhiều dây dẫn.

• Cảm biến phản xạ gương (Retro-reflective): Đầu phát và đầu thu nằm chung trong một vỏ cảm biến; sử dụng tấm gương phản xạ để trả tín hiệu về. Cảm biến phát tia sáng đến gương, ánh sáng sẽ phản xạ trở lại đầu thu. Khi có vật cản làm gián đoạn tia giữa cảm biến và gương, tín hiệu đầu ra thay đổi. Loại này lắp đặt đơn giản, tiết kiệm dây dẫn và có khả năng phát hiện cả vật trong suốt (do dùng gương), với khoảng cách tối đa khoảng 15m.

• Cảm biến phản xạ khuếch tán (Diffuse-reflective): Đầu phát và đầu thu nằm chung một vỏ. Ánh sáng phát ra sẽ bị vật thể phản xạ trở lại đầu thu nếu vật thể có mặt phía trước. Khi có vật cản, ánh sáng phản xạ đi ngược về bộ thu, kích hoạt tín hiệu. Loại này không cần gương ngoài, phù hợp với ứng dụng đếm sản phẩm và phân loại trên dây chuyền. Tuy nhiên, khoảng cách hoạt động ngắn hơn (từ vài cm đến vài mét) và dễ bị ảnh hưởng bởi màu sắc, độ phản xạ hay trong suốt của vật thể.

• Cảm biến sợi quang (Fiber-optic sensor): Sử dụng đầu phát/thu ánh sáng rất nhỏ gắn vào sợi quang mềm. Mạch xử lý nằm ở bộ chuyển đổi. Loại này thích hợp khi cần đo ở không gian hẹp hoặc chịu nhiệt độ cao. Ví dụ, Keyence FS-V30 là bộ cảm biến sợi quang kỹ thuật số với tia phát cực mạnh và tốc độ đáp ứng siêu nhanh (33μs), cho phép phát hiện đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

Ưu Điểm và Hạn Chế

• Ưu điểm:

  • Phát hiện vật thể từ xa (đến 60–100m) mà không cần tiếp xúc.

  • Ít hao mòn, tuổi thọ cao và độ ổn định tốt, đảm bảo độ tin cậy trong thời gian dài.

  • Có thể phát hiện nhiều loại vật liệu và hình dạng khác nhau (hàng hóa, nhãn dán, linh kiện).

  • Đáp ứng nhanh (tốc độ chuyển mạch thường ở cấp micro-giây) và độ nhạy có thể điều chỉnh, giúp nâng cao năng suất của hệ thống tự động.

  • Đa dạng về chủng loại: có thể chọn cảm biến với phạm vi, dải bước sóng ánh sáng và vỏ bảo vệ phù hợp (Ví dụ: cảm biến vỏ kim loại kháng bụi nước IP67/IP69K).

• Hạn chế:

  • Hiệu suất giảm khi bề mặt đầu phát/thu bị bẩn hoặc có bụi bám. Cần vệ sinh định kỳ để đảm bảo độ nhạy.

  • Phụ thuộc vào màu sắc, độ phản xạ và trạng thái bề mặt của vật thể (ví dụ, vật tối hoặc trong suốt khó phát hiện trừ loại phản xạ gương). Màu đen hút sáng có thể rút ngắn khoảng cách nhận diện.

  • Đối với loại phản xạ khuếch tán, khoảng cách phát hiện thường ngắn (dưới vài mét) và bị nhiễu nếu có ánh sáng môi trường mạnh. Cần chọn cảm biến chuyên dụng hoặc cách ly ánh sáng khi ứng dụng trong điều kiện khắc nghiệt.

  • Một số loại đòi hỏi căn chỉnh gương, bộ thu-phát xa (qua cable hay fiber) phức tạp hơn so với cảm biến tiếp cận hoặc siêu âm.

Ứng Dụng Thực Tế trong Tự Động Hóa Nhà Máy

Trong các dây chuyền sản xuất tự động, cảm biến quang thường được gắn ở các vị trí trọng yếu để phát hiện và kiểm soát vật liệu. Ví dụ, trên băng tải chế tạo linh kiện, khi vật (chi tiết, bao bì) đi qua, chùm tia sáng từ cảm biến (ảnh) bị vật cản làm gián đoạn và bộ thu nhận biết được tín hiệu. Hệ thống lập trình PLC sẽ đếm số lượng, kiểm soát tốc độ băng tải hoặc kích hoạt quy trình xử lý tiếp theo dựa trên tín hiệu đó. Các ứng dụng phổ biến khác của cảm biến quang trong tự động hóa bao gồm:

• Đếm sản phẩm trên dây chuyền: Tự động thống kê số lượng chi tiết, kiểm soát kẹt hàng trên băng tải.

• Kiểm tra kích thước/độ dày sản phẩm: Đo lường không tiếp xúc các thông số như độ dày tôn, chiều cao chi tiết.

• Phát hiện sản phẩm lỗi: Kiểm tra thiếu linh kiện, sai vị trí hoặc hỏng hóc trên quy trình sản xuất tự động. Ví dụ, cảm biến quang có thể phát hiện chi tiết thiếu trên dây chuyền gắn linh kiện.

• Nhận diện nhãn mác, tem: Kết hợp với camera, cảm biến quang phát hiện nhãn in (mã vạch, QR code) hoặc màu sắc đặc trưng trên bao bì để phân loại sản phẩm.

• Ứng dụng an toàn: Phát hiện người hoặc vật trong vùng nguy hiểm (cửa ra/vào tự động, thang máy, máy ép công nghiệp) để tắt máy hoặc cảnh báo.

• Kiểm tra vị trí lắp đặt: Xác định đúng vị trí chi tiết hoặc đèn nguồn trên thiết bị. Trong robot lắp ráp, cảm biến quang giúp robot định vị chính xác chi tiết đầu vào trước khi gắp.

Nhờ sự đa năng của ánh sáng và mạch xử lý hiện đại, cảm biến quang đáp ứng hầu hết yêu cầu tự động hóa nhà máy. Từ việc phát hiện vật thể nhỏ, vật thể trong suốt đến vận hành trong môi trường khắc nghiệt (bẩn, ẩm), cảm biến quang đều có giải pháp phù hợp khi lựa chọn loại và thương hiệu đúng.

Một Số Dòng Cảm Biến Quang Nổi Bật Shopos Phân Phối

Shopos hiện là đối tác phân phối chính hãng các dòng cảm biến quang chất lượng từ các thương hiệu hàng đầu như Keyence, Omron, SICK. Dưới đây là một số sản phẩm tiêu biểu:

• Keyence FS-V30 (cảm biến sợi quang kỹ thuật số): Sử dụng công nghệ MEGA-Power, phát tia cường độ cực mạnh (gấp 64 lần cảm biến thông thường), tốc độ đáp ứng siêu nhanh (33μs) và chức năng tự động theo dõi giá trị. Dòng cảm biến này hoạt động ổn định ngay trong môi trường khắc nghiệt.

• Keyence PZ-G Series: Cảm biến quang tích hợp đèn LED đôi công suất cao, cho khoảng cách phát hiện xa và khả năng phát hiện chính xác. Khả năng chống nhiễu tốt, độ ổn định cao, phù hợp cho nhiều ứng dụng từ phát hiện mảnh nhỏ đến đối tượng màu tối.

• Omron E3Z Series: Cảm biến quang siêu nhỏ gọn với vỏ nhựa bền chắc (IP67/IP69K), tích hợp bộ khuếch đại bên trong. Omron E3Z nổi tiếng với độ tin cậy cao và độ chính xác tốt. Ngoài ra, dòng E3FA/E3RA/E3FB/E3RB (vỏ M18) có LED công suất cao, giúp căn chỉnh dễ dàng và hoạt động ổn định ngay cả trong môi trường nhiều bụi.

• Omron E3T Series: Thiết kế siêu mỏng, phù hợp gắn ở không gian chật hẹp. Độ bền cao và đa dạng tùy chọn (nối dây, connector M8).

• SICK W12 Series: Cảm biến quang điện đa năng trong vỏ kim loại. Có nhiều biến thể nguồn sáng (laser, PinPoint LED, đèn hồng ngoại) và chế độ MultiMode thông minh, đảm bảo phát hiện chính xác vật thể nhỏ, vật tối hay trong suốt. Cảm biến SICK W12 đạt chuẩn bảo vệ cao (IP66–IP69K) và hỗ trợ cài đặt nhanh chóng với giao diện IO-Link.

• SICK WTB Series (Photoelectric Proximity Sensors): Dòng cảm biến hình trụ (M8–M18) với khả năng phát hiện ở khoảng cách lên đến vài mét. Nhiều tùy chọn đầu dò (vi mô, phản xạ khuếch tán, có gương). Độ bền cao, cho tín hiệu analog hoặc chuyển mạch, phù hợp cho việc đo khoảng cách và phát hiện vật thể đồng nhất.

Shopos cũng cung cấp các model khác của Keyence (PZ-V, LR-Z, FS-N40…), Omron (F3SL, E3JK…) và SICK (WLB, WTB, DL100…), cùng nhiều phụ kiện đi kèm. Tất cả sản phẩm đều là chính hãng, đảm bảo chất lượng và chế độ bảo hành uy tín.

Kết Luận và Liên Hệ Shopos

Cảm biến quang (sensor quang) đóng vai trò quan trọng trong tự động hóa nhà máy, giúp phát hiện vật thể nhanh chóng và chính xác trong mọi khâu sản xuất. Với ưu thế không tiếp xúc và tốc độ phản hồi cao, chúng tạo điều kiện cho các hệ thống tự động hoạt động thông minh và hiệu quả. Shopos tự hào là đơn vị cung cấp giải pháp và thiết bị tự động hóa hàng đầu, phân phối chính hãng cảm biến quang Keyence, Omron, SICK… Hãy liên hệ Shopos ngay hôm nay để được tư vấn chọn loại cảm biến quang phù hợp nhất cho doanh nghiệp của bạn, cùng đội ngũ kỹ thuật giàu kinh nghiệm hỗ trợ thiết kế và triển khai hệ thống tự động hóa trọn gói.