Có bốn loại cảm biến quang điện nào?

Bạn đã bao giờ tự hỏi làm thế nào robot nhà máy "nhìn thấy" các sản phẩm đang lướt qua, hay làm thế nào một cánh cửa tự động biết bạn đang đến gần? Rất có thể, cảm biến quang điện - thường được gọi là "mắt quang" - chính là những anh hùng thầm lặng làm nên điều đó. Những thiết bị thông minh này sử dụng chùm tia sáng để phát hiện vật thể mà không cần tiếp xúc vật lý, tạo nên nền tảng của tự động hóa hiện đại. Nhưng bạn có biết có bốn loại cảm biến cơ bản, mỗi loại có một siêu năng lực riêng không? Hãy cùng phân tích chúng để bạn hiểu rõ hơn về công nghệ đang định hình thế giới tự động hóa của chúng ta.

Bộ tứ cốt lõi: Bốn cách ánh sáng phát hiện thế giới của bạn

Mặc dù bạn sẽ tìm thấy các biến thể chuyên biệt, các chuyên gia trong ngành luôn chỉ ra bốn công nghệ cảm biến quang điện cơ bản. Việc lựa chọn công nghệ phù hợp phụ thuộc rất nhiều vào nhu cầu cụ thể của ứng dụng – khoảng cách, loại vật thể, môi trường và độ chính xác cần thiết.

1. Cảm biến xuyên chùm: Nhà vô địch tầm xa

• Cách chúng hoạt động: Hãy nghĩ đến ngọn hải đăng và đài quan sát. Các cảm biến này cócác đơn vị riêng biệt: một Bộ phát phát ra một chùm ánh sáng (thường là đèn LED hồng ngoại hoặc đỏ) và một Bộ thu được đặt đối diện trực tiếp. Phát hiện xảy ra khi một vật thể vật lýnghỉ giải laochùm tia này .
• Điểm mạnh chính: Chúng tự hào có phạm vi cảm biến xa nhất (dễ dàng lên đến 20 mét hoặc hơn) và mang lại độ tin cậy và độ ổn định vượt trội. Vì bộ thu nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát, nên chúng hầu như không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, hình dạng hoặc bề mặt của vật thể (sáng bóng, mờ, trong suốt).
• Nhược điểm: Việc lắp đặt đòi hỏi phải căn chỉnh chính xác hai bộ phận riêng biệt và đấu dây cho cả hai, điều này có thể phức tạp và tốn kém hơn. Chúng cũng dễ bị hỏng nếu bụi bẩn bám vào cả hai ống kính.
• Nơi bạn nhìn thấy chúng: Hoàn hảo cho việc phát hiện tầm xa trên băng tải, bảo vệ máy móc lớn, kiểm tra dây hoặc sợi đứt, và đếm các vật thể đi qua cổng. Thanh an toàn cửa gara ngăn không cho nó đóng vào xe của bạn ư? Thanh xuyên thấu cổ điển.

2. Cảm biến phản xạ ngược (phản xạ): Giải pháp thay thế đơn vị

• Cách chúng hoạt động: Ở đây, Bộ phát và Bộ thu được đặt trongcùng một đơn vịCảm biến phát ra ánh sáng hướng đến một tấm phản xạ đặc biệt (giống như tấm phản xạ xe đạp chất lượng cao) được lắp đặt đối diện. Tấm phản xạ này phản xạ chùm sáng trực tiếp trở lại Bộ thu. Việc phát hiện xảy ra khi có vật thể làm gián đoạn chùm sáng phản xạ này.
• Ưu điểm chính: Lắp đặt và đấu dây dễ dàng hơn nhiều so với loại xuyên chùm tia vì nó chỉ có một bộ phận ở một bên (cộng với bộ phản xạ thụ động). Tầm phát hiện tốt, thường xa hơn loại khuếch tán. Một số phiên bản chuyên dụng rất phù hợp để phát hiện các vật thể trong suốt (như chai thủy tinh hoặc nhựa) bằng cách sử dụng bộ lọc ánh sáng phân cực để bỏ qua các phản xạ lạc.
• Nhược điểm: Phải giữ cho chóa phản xạ sạch sẽ để hoạt động đáng tin cậy. Hiệu suất có thể bị ảnh hưởng bởi các vật thể nền có độ phản xạ cao, có khả năng phản xạ ánh sáng trở lại. Phạm vi cảm biến thường nhỏ hơn so với loại xuyên chùm.
• Nơi bạn nhìn thấy chúng: Được sử dụng rộng rãi trong các dây chuyền đóng gói, xử lý vật liệu, phát hiện xe cộ hoặc người tại các điểm ra vào và xác minh sự hiện diện của các thùng chứa trong suốt trên dây chuyền sản xuất.

3. Cảm biến khuếch tán (gần): Những chú ngựa thồ nhỏ gọn

• Cách chúng hoạt động: Bộ phát và bộ thu lại ở trongcùng một đơn vịThay vì sử dụng gương phản xạ, cảm biến dựa vào chính vật thể mục tiêu để phản xạ ánh sáng trở lại Bộ thu. Cảm biến phát hiện vật thể dựa trên cường độ ánh sáng phản xạ này.
• Ưu điểm chính: Lắp đặt đơn giản nhất – chỉ cần một thiết bị để lắp đặt và đấu dây. Kích thước nhỏ gọn lý tưởng cho không gian chật hẹp. Không cần tấm phản quang ở phía đối diện.
• Nhược điểm: Phạm vi cảm biến ngắn hơn so với cả loại xuyên tia và loại phản quang. Hiệu suất phụ thuộc rất nhiều vào màu sắc, kích thước, kết cấu và độ phản xạ của vật thể. Vật thể tối màu, mờ phản xạ ánh sáng kém hơn nhiều so với vật thể sáng bóng, khiến việc phát hiện kém tin cậy hơn ở khoảng cách tối đa được đánh giá. Vật thể nền cũng có thể gây ra kích hoạt sai.
• Nơi bạn thấy chúng: Cực kỳ phổ biến cho các nhiệm vụ phát hiện tầm ngắn: sự hiện diện của linh kiện trên dây chuyền lắp ráp, phát hiện nắp chai, giám sát chiều cao ống khói và phát hiện mức thùng chứa. Hãy tưởng tượng một máy bán hàng tự động cảm biến bàn tay của bạn gần khu vực phân phối.

4. Cảm biến triệt nhiễu nền (BGS): Các chuyên gia tập trung

• Nguyên lý hoạt động: Một sự phát triển tinh vi của cảm biến khuếch tán, cũng được tích hợp trong một thiết bị duy nhất. Thay vì chỉ đo cường độ ánh sáng phản xạ, cảm biến BGS xác định khoảng cách đến vật thể bằng phương pháp tam giác hóa hoặc nguyên lý thời gian bay (TFT). Chúng được hiệu chuẩn chính xác để chỉ phát hiện các vật thể trong một phạm vi khoảng cách cụ thể được thiết lập trước, bỏ qua mọi thứ nằm ngoài phạm vi đó (phía sau).
• Ưu điểm chính: Không bị ảnh hưởng bởi vật thể nền - ưu điểm lớn nhất của cảm biến này. Ít nhạy cảm hơn nhiều với màu sắc và độ phản xạ của vật thể mục tiêu so với cảm biến khuếch tán tiêu chuẩn. Cảm biến cung cấp khả năng phát hiện vật thể ở khoảng cách chính xác với độ tin cậy cao.
• Nhược điểm: Nhìn chung có phạm vi tối đa ngắn hơn so với cảm biến khuếch tán tiêu chuẩn. Thường đắt hơn các loại khuếch tán cơ bản.
• Nơi bạn nhìn thấy chúng: Cần thiết để phát hiện vật thể trên nền phức tạp hoặc phản chiếu, cảm biến đáng tin cậy các vật thể tối hoặc đen (như lốp xe), kiểm tra mức chất lỏng trong hộp đựng bất kể màu sắc của nội dung và đảm bảo định vị chính xác ở những nơi có vấn đề nhiễu nền. Rất quan trọng trong dây chuyền lắp ráp ô tô và bao bì thực phẩm.

Vượt ra ngoài những điều cơ bản: Đáp ứng nhu cầu chuyên biệt

Trong khi bốn bộ phận cốt lõi xử lý hầu hết các công việc, các kỹ sư đã phát triển các cảm biến chuyên dụng cho những thách thức độc đáo:

• Cảm biến sợi quang: Sử dụng cáp quang mềm dẻo được kết nối với bộ khuếch đại trung tâm. Lý tưởng cho không gian cực kỳ chật hẹp, môi trường nhiệt độ cao hoặc khu vực có nhiễu điện cao.
• Cảm biến màu sắc và độ tương phản: Phát hiện màu sắc cụ thể hoặc sự khác biệt về độ tương phản (như nhãn trên bao bì), rất quan trọng để kiểm soát chất lượng.
• Cảm biến laser: Cung cấp chùm tia có độ hội tụ cao để phát hiện các vật thể rất nhỏ hoặc đo khoảng cách chính xác.
• Cảm biến vật thể trong suốt: Các loại cảm biến phản quang được thiết kế đặc biệt để phát hiện vật liệu trong suốt một cách đáng tin cậy.

Tại sao cảm biến quang điện thống trị tự động hóa

Những "mắt đại bàng" này mang lại những lợi thế vượt trội: phạm vi cảm biến rộng, hoạt động không tiếp xúc (ngăn ngừa hư hỏng), thời gian phản hồi nhanh và độ bền trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Chúng đóng vai trò thiết yếu trong vô số nhiệm vụ trong nhiều ngành công nghiệp:

• Sản xuất & Đóng gói: Phát hiện các bộ phận trên băng tải, đếm sản phẩm, kiểm tra mức độ chiết rót, xác minh sự hiện diện của nhãn, điều khiển cánh tay rô-bốt.
• Thực phẩm & Đồ uống: Đảm bảo đóng gói đúng cách, phát hiện vật lạ, theo dõi quy trình sản xuất.
• Dược phẩm: Xác minh sự hiện diện của thuốc trong vỉ thuốc, kiểm tra mức thuốc trong lọ một cách chính xác.
• Ô tô: Định vị linh kiện chính xác cho rô-bốt lắp ráp, xác minh linh kiện, rèm đèn an toàn.
• Hậu cần và Xử lý vật liệu: Kiểm soát băng tải, phát hiện pallet, tự động hóa kho.
• Tự động hóa tòa nhà: Cửa tự động, định vị thang máy, hệ thống an toàn.

Tương lai tươi sáng (và thông minh)

Thị trường cảm biến quang điện đang bùng nổ, dự kiến đạt 3,01 tỷ đô la vào năm 2030, tăng trưởng 6,6% mỗi năm, hoặc thậm chí 4,37 tỷ đô la vào năm 2033 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) 9%. Sự tăng trưởng này được thúc đẩy bởi động lực không ngừng hướng tới tự động hóa, Công nghiệp 4.0 và nhà máy thông minh.

Làn sóng tiếp theo bao gồm các cảm biến trở nên thông minh hơn và kết nối nhiều hơn. Hãy tìm kiếm những tiến bộ như kết nối IO-Link để thiết lập và trao đổi dữ liệu dễ dàng hơn, tích hợp với các nền tảng IoT để bảo trì dự đoán, và thậm chí là ứng dụng vật liệu nano để tăng cường độ nhạy và khả năng mới. Chúng ta đang bước vào kỷ nguyên "Công nghệ Cảm biến 4.0", nơi các thiết bị cảm biến cơ bản này trở thành điểm dữ liệu thông minh trong các hệ thống được kết nối.

Chọn “con mắt” phù hợp cho công việc

Hiểu được bốn loại cảm biến cơ bản này – Xuyên chùm, Phản xạ ngược, Khuếch tán và Khử nhiễu nền – là bước đầu tiên để khai thác sức mạnh của cảm biến quang điện. Hãy cân nhắc vật thể, khoảng cách, môi trường và khả năng nhiễu nền tiềm ẩn. Khi còn phân vân, hãy tham khảo ý kiến của các nhà sản xuất cảm biến hoặc chuyên gia tự động hóa để xác định công nghệ tối ưu cho ứng dụng cụ thể của bạn, đảm bảo hệ thống tự động hóa vận hành trơn tru và hiệu quả. Hãy khám phá các lựa chọn; cảm biến phù hợp có thể soi sáng con đường dẫn đến năng suất cao hơn.