Cảm biến quang đã trở thành một trong những thiết bị quan trọng, đóng vai trò không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực từ công nghiệp, y tế, đến đời sống thường ngày. Khả năng chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện, cảm biến điện quang mang lại giải pháp hiệu quả, chính xác và linh hoạt cho các ứng dụng tự động hóa, giám sát và đo lường. Hãy cùng Intech Energy tìm hiểu sâu hơn về định nghĩa, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của cảm biến quang điện qua bài viết dưới đây.
Định nghĩa cảm biến quang là gì?
Cảm biến quang là một thiết bị điện tử được thiết kế để phát hiện, đo lường và chuyển đổi ánh sáng (quang học) thành tín hiệu điện nhằm phục vụ cho các ứng dụng khác nhau. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý phát hiện ánh sáng từ một nguồn hoặc phản xạ từ vật thể, sau đó chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện để xử lý hoặc kích hoạt một hành động cụ thể.
Cảm biến quang thường được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp, y tế, tự động hóa và đời sống hàng ngày như trong các hệ thống an ninh, phát hiện vật cản, điều chỉnh ánh sáng tự động hoặc đo lường chính xác.
Cấu tạo của của cảm biến quang
Cảm biến quang được cấu tạo từ ba thành phần chính: bộ phát ánh sáng, bộ thu ánh sáng và mạch xử lý tín hiệu.
– Bộ phát ánh sáng
Bộ phát đảm nhiệm vai trò phát ra ánh sáng dưới dạng xung với tần số đặc trưng, tùy thuộc vào thiết kế của từng nhà sản xuất. Nó giúp phân biệt tín hiệu ánh sáng từ cảm biến với các nguồn sáng khác, hỗ trợ bộ thu ánh sáng hoạt động chính xác hơn.
– Bộ thu ánh sáng
Bộ thu có nhiệm vụ nhận ánh sáng từ bộ phát và chuyển đổi thành tín hiệu để gửi tới mạch xử lý.
– Mạch xử lý tín hiệu đầu ra
Bộ phận này tiếp nhận tín hiệu từ bộ thu ánh sáng và xử lý để tạo ra tín hiệu đầu ra, thường ở dạng bật/tắt (ON/OFF). Khi lượng ánh sáng thu vượt ngưỡng cài đặt, tín hiệu cảm biến sẽ được kích hoạt. Trước đây, các cảm biến thường sử dụng mạch nguồn tích hợp và tín hiệu rơ-le làm đầu ra. Tuy nhiên, các dòng cảm biến hiện đại chủ yếu sử dụng tín hiệu bán dẫn (PNP/NPN) để tăng độ chính xác và độ bền. Ngoài ra, một số loại cảm biến còn tích hợp tín hiệu tỷ lệ để hỗ trợ các ứng dụng đo lường và đếm số liệu.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang
Cảm biến quang điện hoạt động dựa trên nguyên lý truyền và nhận ánh sáng. Một vật thể cần được phát hiện sẽ phản xạ hoặc ngắt quãng chùm sáng được phát ra từ điốt phát sáng (LED). Tùy thuộc vào loại thiết bị, sự ngắt quãng hoặc phản xạ chùm sáng sẽ được phân tích.
Điều này giúp cảm biến có thể phát hiện các vật thể bất kể chất liệu của chúng (gỗ, kim loại, nhựa hoặc vật liệu khác). Một số thiết bị đặc biệt còn có khả năng phát hiện các vật thể trong suốt hoặc các vật thể có màu sắc, độ tương phản khác nhau.
Các loại cảm biến quang điện phổ biến
Cảm biến xuyên tia (Through-Beam Sensors)
Hệ thống này bao gồm hai thành phần riêng biệt: bộ phát và bộ nhận, được đặt đối diện nhau. Bộ phát chiếu một chùm sáng tới bộ nhận, và bất kỳ sự ngắt quãng nào của chùm sáng sẽ được bộ nhận coi là tín hiệu chuyển đổi.
Ưu điểm:
- Có thể đạt được khoảng cách hoạt động lớn.
- Không bị ảnh hưởng bởi cấu trúc bề mặt, màu sắc hoặc độ phản xạ của vật thể.
Yêu cầu: Đối tượng cần đủ lớn để ngắt hoàn toàn chùm sáng, đảm bảo tính ổn định của hệ thống.
Cảm biến phản xạ gương (Retro-Reflective Sensors)
Bộ phát và bộ nhận được tích hợp trong cùng một thiết bị. Chùm sáng phát ra sẽ được phản xạ trở lại bộ nhận thông qua một gương phản xạ. Khi có sự ngắt quãng của chùm sáng, thiết bị sẽ kích hoạt một hoạt động chuyển đổi.
Ưu điểm:
- Cho phép khoảng cách hoạt động lớn.
- Các điểm chuyển đổi chính xác và có thể tái tạo.
- Yêu cầu ít công sức lắp đặt.
- Phát hiện chính xác các vật thể bất kể bề mặt hay màu sắc của chúng.
Cảm biến phản xạ khuếch tán (Diffuse Reflection Sensors)
Bộ phát và bộ nhận được tích hợp trong một thiết bị duy nhất. Chùm sáng phát ra từ thiết bị sẽ được phản xạ bởi vật thể cần phát hiện.
Ưu điểm:
- Cường độ ánh sáng khuếch tán tại bộ nhận được sử dụng làm điều kiện chuyển đổi.
- Bất kể độ nhạy cài đặt, mặt sau của vật thể thường phản xạ tốt hơn mặt trước, giúp giảm thiểu các lỗi chuyển đổi.
Nhược điểm: Dễ xảy ra lỗi khi bề mặt vật thể không đồng nhất hoặc phản xạ ánh sáng không đều.
Có nhiều loại cảm biến quang khác nhau, trong đó các loại phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng thực tế bao gồm:
- Thiết bị quang dẫn (Photoconductive devices): Được sử dụng để đo điện trở bằng cách chuyển đổi sự thay đổi ánh sáng chiếu tới thành sự thay đổi điện trở.
- Pin quang điện (Photovoltaic cell): Chuyển đổi lượng ánh sáng chiếu tới thành điện áp đầu ra.
- Điốt quang (Photodiodes): Chuyển đổi lượng ánh sáng chiếu tới thành dòng điện đầu ra.
- Transistor quang (Phototransistors): Là một loại transistor lưỡng cực, trong đó mối nối base-collector tiếp xúc với ánh sáng. Kết quả là nó hoạt động tương tự như một điốt quang nhưng có độ khuếch đại bên trong.
Các loại nguồn sáng cho cảm biến quang
Có nhiều loại nguồn sáng khác nhau được sử dụng trong các cảm biến quang. Ban đầu, ánh sáng từ Mặt Trời và ngọn lửa đuốc là những nguồn sáng đầu tiên được sử dụng để nghiên cứu quang học. Ngày nay, ánh sáng phát ra từ một số vật chất (ví dụ: iốt, clo, ion thủy ngân) vẫn được sử dụng làm điểm tham chiếu trong phổ quang học. Một trong những thành phần quan trọng nhất trong truyền thông quang học là nguồn sáng đơn sắc. Trong truyền thông quang học, nguồn sáng phải đáp ứng các tiêu chí: đơn sắc, nhỏ gọn và có tuổi thọ cao. Dưới đây là hai loại nguồn sáng phổ biến:
Đèn LED (Light Emitting Diode)
Ánh sáng LED được tạo ra trong quá trình tái hợp của các electron và lỗ trống tại mối nối giữa bán dẫn loại n và loại p. Khi áp dụng điện áp bên ngoài, quá trình kích thích diễn ra, và sự tái hợp này có thể tự nhiên hoặc được kích thích bởi một photon khác. Điều này giúp ánh sáng từ đèn LED dễ dàng được kết hợp với các thiết bị quang học.
LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
LASER được tạo ra khi các electron trong nguyên tử của một số loại kính đặc biệt, tinh thể hoặc khí hấp thụ năng lượng từ dòng điện. Khi được kích thích, các electron chuyển từ quỹ đạo năng lượng thấp lên quỹ đạo năng lượng cao xung quanh hạt nhân nguyên tử. Khi chúng quay trở về trạng thái cơ bản, các electron phát ra photon (hạt ánh sáng). Các photon này có cùng bước sóng và đồng pha (coherent). Trong khi đó, ánh sáng thông thường bao gồm nhiều bước sóng và không đồng pha.
Ứng dụng của cảm biến quang
Cảm biến quang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ máy tính đến các thiết bị phát hiện chuyển động. Để cảm biến quang hoạt động hiệu quả, cần lựa chọn loại cảm biến phù hợp với từng ứng dụng để đảm bảo độ nhạy đối với các thuộc tính mà nó đo lường. Cảm biến quang là bộ phận không thể thiếu trong nhiều thiết bị thông dụng như máy tính, máy photocopy (xerox) và các thiết bị chiếu sáng tự động bật khi trời tối.
Một số ứng dụng phổ biến bao gồm hệ thống báo động, đồng bộ hóa đèn flash máy ảnh và hệ thống phát hiện sự hiện diện của vật thể.
Cảm biến ánh sáng môi trường
Loại cảm biến này thường xuất hiện trên các thiết bị di động. Nó giúp kéo dài thời lượng pin và tối ưu hóa hiển thị màn hình, dễ dàng thích nghi với môi trường ánh sáng xung quanh.
Ứng dụng trong y sinh học
Cảm biến quang có rất nhiều ứng dụng mạnh mẽ trong lĩnh vực y sinh. Một số ví dụ bao gồm:
- Phân tích hơi thở sử dụng laser diode điều chỉnh được.
- Máy đo nhịp tim quang học: Thiết bị này đo nhịp tim bằng ánh sáng. Một đèn LED chiếu ánh sáng qua da, và cảm biến quang phân tích ánh sáng phản xạ trở lại. Do máu hấp thụ nhiều ánh sáng hơn, sự dao động trong mức độ ánh sáng được chuyển đổi thành nhịp tim. Quá trình này được gọi là quang thể tích đồ (photoplethysmography).
Cảm biến quang đo mức chất lỏng
Cảm biến quang đo mức chất lỏng bao gồm hai phần chính: một đèn LED hồng ngoại kết hợp với một bóng bán dẫn quang, và một đầu lăng kính trong suốt phía trước. Đèn LED phát ra ánh sáng hồng ngoại hướng ra ngoài. Khi đầu cảm biến được bao quanh bởi không khí, ánh sáng sẽ phản xạ lại bên trong đầu cảm biến và quay trở lại bóng bán dẫn. Khi đầu cảm biến được nhúng vào chất lỏng, ánh sáng phân tán ra xung quanh và ít ánh sáng hơn được phản xạ trở lại bóng bán dẫn. Lượng ánh sáng phản xạ lại bóng bán dẫn ảnh hưởng đến mức đầu ra, cho phép cảm biến xác định mức chất lỏng.
Một số ứng dụng khác của cảm biến như:
- Xác định số lượng sản phẩm trên dây chuyền băng tải
- Đo đạc kích thước, độ dày của bề mặt vật thể xác định
- Kiểm tra, phát hiện các sản phẩm lỗi
- Nhận diện nhãn dán trên các loại bao bì sản phẩm
- Giám sát an toàn khi đóng – mở cửa thang máy, nhà xe,…
- Bật – tắt các thiết bị tự động như vòi rửa xe, cửa, hệ thống đèn,…
- Phát hiện người hoặc vật đi qua.
- Kiểm tra vị trí các chi tiết máy được lắp đặt chính xác chưa.
Cảm biến quang không chỉ là một thiết bị công nghệ mà còn là biểu tượng của sự tiến bộ trong việc ứng dụng ánh sáng vào đời sống thực tiễn. Từ việc phát hiện vật cản trong sản xuất đến hỗ trợ các hệ thống thông minh, cảm biến điện quang ngày càng khẳng định vai trò quan trọng của mình. Với tiềm năng phát triển mạnh mẽ, thiết bị này hứa hẹn tiếp tục đóng góp vào sự đổi mới và hiện đại hóa trong nhiều lĩnh vực.
