ĐỀ TÀI CẢM BIẾN QUANG

ĐỀ TÀI CẢM BIẾN QUANG
KĨ THUẬT ĐO 2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG
NHÓM 2:

TRƯƠNG VĂN OAI

TRƯƠNG ĐÌNH TIẾN

TRẦN VĂN TUẤN
NHÓM 2:

TRƯƠNG VĂN OAI

TRƯƠNG ĐÌNH TIẾN

TRẦN VĂN TUẤN
CẢM BẾN QUANG
Cảm Biến Quang 2
Không điện
Có điện
Trước khi đi sâu vào đề tài thì nhóm sẽ giới thiệu những điều cơ bản về ánh
sáng.

Như các bạn đều biết
thì ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt.

Dạng sóng ánh sáng là sóng điện từ phát ra khi có sự chuyển động của điện tử giữa các mức năng
lượng của nguyên tử nguồn sáng.


Các sóng này có vận tốc truyền đi trong chân không là c = 299 792 m/s . Trong môi trường vật chất là
v = c/n (n là chiết quang của môi trường )
Cảm Biến Quang
3
Phổ ánh sáng được biểu diễn như hình:
Cảm Biến Quang 4
1 . Đại lượng đo

Cảm biến quang điện (Photoelectric Sensor, PES) có thể phát hiện nhiều dạng vật thể
khác nhau : từ việc phát hiện 1 chai nhựa trên băng chuyền hoặc kiểm tra xem tay
robot đã gắp linh kiện ô tô để lắp đặt hay chưa.

Nếu không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa công nghiệp, giống như
làm việc mà không nhìn được vậy.

Cảm biến quang có một số ưu việt hơn so với các cảm biến khác.
Cảm Biến Quang 5
không tiếp xúc với vật thể cần phát hiện.

Có thể phát hiện vật từ khoảng cách xa

Không bị hao mòn / có tuổi thọ cao

Có thời gian đáp ứng nhanh (ví dụ 1 ms)

Có thể phát hiện mọi loại vật thể / vật chất
Cấu trúc của cảm biến quang khá đơn giản, bao gồm 3 thành phần chính : bộ phát sáng, bộ
thu sáng và bộ xử lý tín hiệu ra.
Cảm Biến Quang
6

Bộ phát sáng

Ngày nay cảm biến quang thường sử dụng đèn bán dẫn LED (Light Emitting Diode).

Ánh sáng được phát ra theo xung. Nhịp điệu xung đặc biệt giúp cảm biến phân
biệt được ánh sáng của cảm biến và ánh sáng từ các nguồn khác (như ánh nắng
mặt trời hoặc ánh sáng trong phòng).

Các loại LED thông dụng nhất là LED đỏ, LED hồng ngoại hoặc LED laze. Một số dòng cảm biến đặc
biệt dùng LED trắng hoặc xanh lá. Ngoài ra cũng có LED vàng.
Cảm Biến Quang 7
Ưu điểm

Khoảng cách phát hiện xa (ví dụ E3Z-T82 được tới 30m), 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.
Cảm Biến Quang 8
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. Omron đi đầu
trên thế giới về loại cảm biến quang sử dụng trong các ứng dụng này.

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.
Cảm Biến Quang 9
Bộ thu sáng

Thông thường bộ thu sáng là một phototransistor (tranzito quang)

Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên
dụng ASIC ( Application Specific Integrated Circuit). Mạch này tích hợp tất cả bộ phận quang, khuếch đại, mạch
xử lý và chức năng vào một vi mạch (IC). Tất cả các dòng cảm biến quang Omron ra mắt gần đây (như E3Z,
E3T, E3F2) đều sử dụng ASIC.
Cảm Biến Quang 10
Bộ thu sáng

Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ
lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán). Bạn sẽ tìm hiểu rõ hơn về các chế độ hoạt động này trong
chương sau.
Cảm Biến Quang 11
Mạch tín hiệu ra

Mạch đầu ra chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang / ASIC thành tín hiệu On / Off được khuếch đại.
Khi lượng ánh sáng thu được vượt quá mức ngưỡng được xác định, tín hiệu ra của cảm biến được kích hoạt.

Mặc dù một số loại cảm biến thế hệ trước tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp

điểm rơ le vẫn khá phổ biến, ngày nay các loại cảm biến chủ yếu dùng tín hiệu ra bán
dẫn (PNP/NPN).

Một số cảm biến quang còn có cả tín hiệu tỉ lệ ra phục vụ cho các ứng dụng đo đếm.
Cảm Biến Quang 12
Điều chỉnh độ nhạy

Các loại cảm biến quang tiêu chuẩn thường có 2 khả năng chỉnh độ nhạy:
1. Chỉnh ngưỡng
Người sử dụng có thể điều chỉnh mức ngưỡng, là mức ánh sáng đủ để kích hoạt đầu ra. Khi ánh
sáng thu được bằng hoặc lớn hơn ngưỡng, sẽ có tín hiệu xuất ra. Trong thực tế, thay đổi ngưỡng
sẽ dẫn đến tăng hoặc giảm khoảng cách phát hiện.

Việc chỉnh ngưỡng cũng có thể giúp cảm biến nhạy hơn, phát hiện được vật nhỏ hơn hoặc các vật
trong mờ. Cảm biến quang Omron thường có một biến trở vặn vít để điều chỉnh ngưỡng. Một số
cảm biến còn có nút đặt ngưỡng (teach) để có ngưỡng thích hợp nhất cho từng ứng dụng cụ thể.
Cảm Biến Quang 13
2. Công tắc chuyển Light-On/Dark-On

Công tắc L-On/D-On thay đổi nh trạng đầu ra cảm biến. Bạn sẽ hiểu rõ hơn về hoạt động L-On và D-On ở phần
sau.

Các loại Đèn báo
Phần lớn cảm biến quang Omron có 2 đèn báo:
1. Đèn xanh – báo mức ổn định
Đèn LED xanh cho biết cảm biến đang ở nh trạng phát hiện ổn định, nghĩa là ;n hiệu
ON (có) hay OFF (không có) rõ ràng. Đèn này cũng giúp cho việc cài đặt, chỉnh cảm biến dễ
dàng.
2. Đèn báo +n hiệu ra vàng cam / đỏ.

Đèn LED vàng cam hay đỏ bật khi có vật thể được phát hiện và có ;n hiệu đầu ra.


Cảm Biến Quang 14
IV. Mạch đo

Ánh sáng là một hiện tượng rất phức tạp nó không thể được đo lường một cách dễ dàng như nhiệt độ không khí và áp
suất. Mỗi nguồn sang đều có nhiều đặc tính khác nhau. Ánh sáng có bước sóng xác định hoặc hỗn hợp của các bước
sóng có thể đo được (đơn vị đo thường là nanomet) .Nó có một tần số sóng Ánh sang có đặc tính cường độ mà có thể
đo được theo một số cách khác nhau. Ngoài ra ánh sáng còn có nhiều đặc điểm khác như sự phân cực các phương
pháp đo ánh sáng và các đơn vị để đo tính chất khác nhau của ánh sáng. Phương pháp đo lường dựa vào số lượng
photon rơi xuống bề mặt chiếu sáng thì sử dụng đơn vị là micromols mỗi mét vuông trên giây (µmol m-2 s-1) hay đơn
vị đo tương đương là microeinsteins mỗi mét vuông trên giây (µE m-2 s-1). Với các ứng dụng nuôi trồng cây xanh,
mức lượng tử ánh sáng đo lường bức xạ nằm trong dải PAR (Photosynthetically Active Radiation). PAR luôn được
định nghĩa trong khoảng 400-700 nm. Hệ số chuyển đổi một số đơn vị đo lường ánh sáng được tính như sau:
Cảm Biến Quang 15

- Độ sáng (phản ứng của mắt người):

1 lux = 1 lumen m-2 = 0,093 foot-candle;
1 foot-candle = 1 lumen ft-2 = 10,76 lumen m-2
- Bứcxạ (tổng mức năng lượng ánh sáng):
1W m-2 = 0,316998 BTU/(h ft2)
- Lượngtử PAR: 1 µmol m-2 s-1 (PAR) = 1 µE m-2 s-1 (PAR

Cảm biến quang đơn giản nhất là phần từ quang trở: nội trở của quang trở giảm xuống (vídụ: 10 kΩ
tương ứng với ánh sáng 10 lux khi đo bằng quang điện trở LDR12mm-10K/2M) khi ánh sang kích thích
chiếu vào và tăng lên rất lớn (2 MΩ) khi không bị kích thích chiếu sáng (bề mặt quang điện trở bị che tối).
Nhờ sự thay đổi điện trở này, quang điện trở (cảmbiếnánhsáng) được ghép nối vào các mạch điện tử phù
hợp để tạo ra thiết chuyển mạch đóng/ngắt, hay dịch chuyển trong từng ứng dụng cụ thể, như hệ thống

đóng/mở đèn chiếu sáng, hệ thống điều chỉnh chiếu sáng trong nhà kính,…
Cảm Biến Quang 16

Đối với các hệ thống tự động hóa ngày này, cảm biến
quang điện như những con mắt nhân tạo là một thành
phần cơ bản trong hệ thống tự động hóa. Chúng hoạt
động ở những nơi cần sự phát hiện chính xác các vật thể
một cách phi tiếp xúc. Đối với cảm biến loại này, chất
liệu của vật thể không còn là điều quan trong. So sánh với
cảm biến tiệm cận điện dung, cảm biến quang điện có dải
phát hiện lớn hơn nhiều.
Cảm Biến Quang 17
Ứng dụng thưc tế
1 Đếm vật thể

Through-beam sensors .

Cảm biến phản quang (Retro-reflective sensors)

Cảm biến phản xạ khuếch tán (Diffuse reflection sensor )
Cảm Biến Quang 18
Hãng IFM đưa ra 3 loại cảm biến quang điện chính:

Ưu điểm lớn nhất của Through beam sensors
là nó có thể phát hiện vật thể ở khoảng cách
lớn. Cảm biến bao gồm 2 phần riêng biệt: bộ
phát và bộ thu. Ánh sáng chỉ được truyền theo
1 đường thẳng từ bộ phát đến bộ thu.
Cảm Biến Quang 19
1 Through-beam sensors

Với các tác nhân bất lợi trong quá trình hoạt động như bụi trong không khí, vết bẩn trên thấu kính,
hơi nước hoặc
sương mù sẽ không gây ảnh hưởng ngay lập tức đến hệ
thống (độ khếch đại tín hiệu của cảm biến rất lớn).
Cảm Biến Quang 20
2 Cảm biến phản quang
Đối với cảm biến phản quang, bộ thu và bộ phát được
tích hợp trong 1 hộp vỏ duy nhất. Bằng 1 gương phản
xạ, tia sáng phát ra sẽ trở về bộ thu. Cảm biến phản
quang không có bộ lọc phân cực làm việc trong vùng
hồng ngoại, nếu hệ thống có bộ lọc phân cực, chúng có
thể làm việc với ánh sáng đỏ nhìn thấy dược.
Nguyên tắc quang học cơ bản của chuột quang bao gồm một nguồi sáng rọi vào bề mặt bên dưới của chuột, một lăng
kính tiếp nhận tia sáng phản xạ từ bề mặt rê chuột và một bộ cảm ứng mô phỏng lại bề mặt được phản chiếu lại.
Chùm sáng càng rọi rõ được vào bề mặt bao nhiêu thì bộ cảm ứng sẽ càng mô phỏng chính xác bề mặt, và tạo nên độ
nhạy cho con trỏ mỗi khi bạn rê chuột.
Chuột quang

Sự khác biệt chính của công nghệ mới này so với
các công nghệ quang học truyền thống đó là ở
góc đặt lăng kính. Các lăng kính ở chuột quang
truyền thống được đặt song song với bề mặt rê
chuột và chỉ hứng được các tia sáng bị tán xạ từ
bề mặt lên. Đặc biệt tia sáng của chuột
Logitech là tia hồng ngoại, nên hầu như bạn
sẽ không thấy được bằng mắt thường.
Cảm Biến Quang 21
Công nghệ mới của Logitech đặt lăng kính theo một góc nghiêng so với bề mặt rê chuột giúp tiếp thu được gần như 100% luồng
sáng phản xạ từ bề mặt tiếp xúc của chuột. Luồng sáng phản xạ này mạnh hơn so với luồng sáng bị tán xạ của công nghệ quang
học cũ. Và dĩ nhiên khi đó, bộ cảm biến sẽ mô phỏng rõ nét hơn bề mặt tiếp xúc của chuột và đem lại độ nhạy cao hơn gấp nhiều

lần khi bạn rê chuột.
Đó cũng là lí do mà những chú chuột công nghệ mới của Logitech có khả năng di chuyển nhạy hơn trên hầu như mọi bề mặt kể
cả những bề mặt sáng bóng như gỗ bóng, kim loại, sứ, gạch men, giấy bóng…và thậm chí là trên mặt kính.
Cảm biến phản xạ khếch tán

Cảm biến phản xạ khuếch tán được dùng để phát hiện trực tiếp đối tượng. Bộ
phát và thu được tích hợp trong 1 vỏ duy nhất. Bộ phát phát ra ánh sáng, được
phản lại bởi đối tượng và truyền đến bộ thu. Ánh sáng phản từ đối tượng sẽ được
ước định.
Cảm Biến Quang 22
Bởi vậy ở cảm biến phản xạ khếch tán, các bộ phận bổ xung chức năng là không cần thiết cho sự vận
hành (như gương phản xạ đối với retro-reƒective sensors)
Ứng dụng cảm biến phát xạ ánh sáng

Hãng Ford mới đây đã giới thiệu một công nghệ mới
giúp lái xe tránh và giảm thiểu tối đa va chạm với
người đi bộ hay các phương tiện giao thông khác.

Công nghệ này có tên là “Hệ thống tránh va chạm”,
sử dụng 6 radar, cảm biến siêu âm và một máy ảnh để
quét khu vực đường phía trước trong vòng 200m.
Cảm Biến Quang 23
Khi phát hiện một vật thể đứng im hoặc di chuyển chậm phía trước xe, hệ thống này sẽ cảnh báo cho lái xe và phát tín
hiệu báo động.
Trong trường hợp lái xe không phản ứng, sau 1,5 giây, hệ thống sẽ tự điều khiển chiếc xe bằng cách áp dụng phanh tự
động hoặc quét hình ảnh chỗ trống ở hai bên vật thể và tự động xử lý để tránh gây ra va chạm.
Hãng Ford cho biết, công nghệ mới này đã được thử nghiệm thực tế ở tốc độ trên 60 km/h.
Cảm Biến Quang 24
Cảm Biến Quang 25