Cảm biến quang điện là gì? Các loại photodetector

Cảm biến quang điện là gì?

Cảm biến quang điện là một thiết bị được sử dụng để xác định khoảng cách, sự vắng mặt hoặc sự hiện diện của một vật thể bằng cách sử dụng bộ phát ánh sáng, thường là hồng ngoại, và bộ thu quang điện. Chúng được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Có ba loại cảm biến hữu ích khác nhau: cảm biến đối chiếu (chùm xuyên), cảm biến phản xạ ngược và cảm biến tiệm cận (khuếch tán).

Các loại cảm biến quang điện

Cảm biến quang điện tích hợp 

Loại cảm biến này tích hợp cả bộ phận quang học và mạch điện tử trong cùng một thiết bị, chỉ cần nguồn điện cấp để hoạt động.

Cảm biến có khả năng tự thực hiện quá trình điều chế, giải điều chế, khuếch đại và chuyển mạch đầu ra.

Một số cảm biến loại này còn được tích hợp thêm các tùy chọn điều khiển như bộ hẹn giờ hoặc bộ đếm.

Nhờ tiến bộ công nghệ, cảm biến quang điện tích hợp ngày càng nhỏ gọn hơn.

Cảm biến quang điện điều khiển từ xa 

Loại cảm biến này chỉ chứa các thành phần quang học, còn mạch điện tử như cấp nguồn, khuếch đại và chuyển mạch đầu ra được đặt ở vị trí khác (thường là trong bảng điều khiển).

Nhờ vậy, cảm biến có kích thước rất nhỏ, đồng thời các bộ điều khiển dễ tiếp cận hơn vì có thể đặt trong không gian rộng rãi.

Cảm biến sử dụng sợi quang

Khi không gian bị hạn chế hoặc môi trường quá khắc nghiệt khiến các cảm biến thông thường không thể hoạt động, cảm biến sợi quang là lựa chọn phù hợp.

Sợi quang là thành phần cảm biến cơ học thụ động, có thể được sử dụng cùng với cả cảm biến tích hợp hoặc cảm biến điều khiển từ xa.

Chúng không có mạch điện hoặc bộ phận chuyển động, giúp truyền ánh sáng an toàn vào và ra khỏi môi trường khắc nghiệt.

Các chế độ cảm biến quang điện

Chế độ chùm tia xuyên qua 

Trong chế độ này, bộ thu được đặt trong đường thẳng tầm nhìn với bộ phát. Vật thể sẽ được phát hiện khi chùm tia sáng bị chặn, không thể truyền từ bộ phát đến bộ thu.

• Ưu điểm: Khoảng cách phát hiện xa, độ chính xác cao.
• Nhược điểm: Cần lắp đặt cả bộ phát và bộ thu ở hai vị trí đối diện.

Chế độ phản xạ gương 

Trong chế độ này, bộ phát và bộ thu được đặt cùng vị trí, và một gương phản xạ được sử dụng để phản chiếu lại chùm tia sáng từ bộ phát về bộ thu. Vật thể được phát hiện khi chùm tia bị gián đoạn và không đến được bộ thu.

• Ưu điểm: Dễ lắp đặt hơn so với chế độ chùm tia xuyên qua.
• Nhược điểm: Có thể bị nhiễu bởi ánh sáng phản xạ từ các vật sáng bóng.

Chế độ cảm biến tiệm cận 

Ở chế độ này, tia sáng phát ra phải phản xạ lại từ vật thể để tới được bộ thu. Cảm biến phát hiện vật thể khi nhận được ánh sáng phản xạ thay vì khi ánh sáng bị ngắt.

Bộ phát và bộ thu đều được tích hợp trong cùng một vỏ, và vật thể đóng vai trò là gương phản xạ. Bộ phát phát ra chùm sáng hồng ngoại, đỏ khả kiến hoặc laser, khuếch tán trong vùng phát hiện. Khi vật thể đi vào vùng này, một phần ánh sáng phản xạ trở lại bộ thu, tín hiệu được kích hoạt bật hoặc tắt.

• Ưu điểm: Thiết kế nhỏ gọn, dễ lắp đặt.
• Nhược điểm: Khoảng cách phát hiện ngắn, dễ bị ảnh hưởng bởi màu sắc và độ phản xạ của vật thể.

Chế độ hoạt động sáng và tối 

• Light operate: cảm biến hoạt động khi bộ thu nhận được tín hiệu từ bộ phát.
• Dark operate: cảm biến hoạt động khi bộ thu không nhận được tín hiệu từ bộ phát.

Phạm vi và độ chính xác phát hiện 

Phạm vi phát hiện là khoảng cách tối đa mà cảm biến có thể phát hiện vật thể, trừ đi khoảng cách tối thiểu.

Vật thể nhỏ nhất có thể phát hiện là kích thước nhỏ nhất của vật thể mà cảm biến có thể nhận biết được.

Các cảm biến có độ chính xác cao có thể phát hiện vật thể cực nhỏ, thậm chí ở kích thước vi mô.

So sánh giữa các chế độ cảm biến

Ưu điểm và nhược điểm cảm biến quang điện

Ưu điểm 

• Ưu điểm của cảm biến quang điện bao gồm:
• Kích thước nhỏ gọn
• Có thể phát hiện nhiều loại vật liệu khác nhau
• Phạm vi phát hiện rộng và có thể thay đổi linh hoạt
• Hoạt động nhanh, không cần tiếp xúc trực tiếp

Nhược điểm

Tuy nhiên, cảm biến quang điện cũng có một số hạn chế:

• Để hoạt động đúng, cần đáp ứng các điều kiện kỹ thuật do nhà sản xuất quy định; ánh sáng mạnh như ánh sáng mặt trời có thể gây nhiễu, do đó cần có biện pháp che chắn và lọc ánh sáng phù hợp.
• Độ phản xạ của vật thể được phát hiện có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của cảm biến, đặc biệt trong các chế độ phản xạ gương hoặc phản xạ khuếch tán.
• Phạm vi phát hiện bị giới hạn nếu không sử dụng cặp phát–thu riêng biệt.
• Một số loại cảm biến quang điện, đặc biệt là loại xuyên tia, yêu cầu căn chỉnh chính xác để hoạt động ổn định.
• Môi trường khắc nghiệt (như nhiệt độ cao, môi trường axit, khói, bụi bẩn) có thể ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của cảm biến.