Học Automation cùng MINATA #16: Cảm biến quang: thu-phát, phản xạ gương và phản xạ khuếch tán

Một dây chuyền đếm chai bằng cảm biến quang khuếch tán chạy tốt với chai nhựa trong. Đổi sang lô chai màu tối, máy đếm thiếu hàng loạt: bề mặt tối phản xạ ít ánh sáng, cảm biến không "thấy" chai. Không ai đổi chương trình, không ai chỉnh máy — chỉ là chọn sai kiểu cảm biến quang cho vật cần phát hiện. Nếu dùng kiểu thu–phát, màu chai đã không thành vấn đề.

Cảm biến quang là "con mắt" phổ biến nhất trong tự động hóa: phát hiện vật có/không, đếm, canh vị trí, kiểm tra hiện diện. Nhưng "cảm biến quang" không phải một thứ — có ba kiểu với độ tin cậy, tầm xa và cách lắp khác hẳn nhau. Chọn đúng kiểu cho vật và môi trường quan trọng hơn chọn thương hiệu.

Bài này phân biệt ba kiểu (thu–phát, phản xạ gương, phản xạ khuếch tán), giải thích cách chọn theo vật và khoảng cách, rồi bàn phần điện: ngõ ra NPN/PNP, chế độ light‑on/dark‑on, triệt nền BGS và đấu vào PLC.

Bài viết trình bày nguyên tắc chọn dùng. Thông số (tầm phát hiện, cấp bảo vệ, loại ánh sáng) phải theo catalog cảm biến thật và điều kiện môi trường lắp đặt.

Nguyên lý chung

Mọi cảm biến quang đều gồm một bộ phát (LED hồng ngoại, đỏ hoặc laser) và một bộ thu (photodiode/phototransistor). Bộ thu đo lượng ánh sáng nhận được và so với ngưỡng để quyết định "có vật" hay "không có vật". Khác biệt giữa ba kiểu nằm ở đường đi của tia sáng: đi thẳng từ phát sang thu, phản xạ qua gương, hay phản xạ ngay trên bề mặt vật.

Một khái niệm nên nhớ khi lắp là độ dự trữ quang (excess gain) — tỷ lệ giữa lượng sáng cảm biến thực nhận và ngưỡng tối thiểu để tác động. Ở môi trường sạch, cần dự trữ vài lần; ở nơi bụi, hơi nước, ống kính dễ bám bẩn, nên chọn cấu hình có dự trữ cao (5–10 lần trở lên) để cảm biến không "mù" dần khi kính bẩn theo thời gian. Đây là lý do thu–phát (dự trữ quang cao) bền bỉ hơn hẳn khuếch tán trong xưởng bụi. Kèm theo đó là thói quen lau kính định kỳ — nhiều "lỗi cảm biến" thực ra chỉ là ống kính bám dầu bụi.

Ba kiểu cảm biến quang: thu-phát, phản xạ gương và phản xạ khuếch tán, so sánh độ tin cậy và cách lắp

Kiểu 1 — Thu–phát (through-beam)

Bộ phát và bộ thu là hai thiết bị riêng, đặt đối diện nhau. Bình thường tia sáng đi thẳng từ phát sang thu; khi có vật chắn ngang tia, bộ thu mất sáng và tác động.

Ưu điểm: tin cậy nhất và tầm xa nhất. Vì chỉ cần vật chắn tia, nó không phụ thuộc màu sắc hay bề mặt vật — chai trong hay chai tối đều chắn tia như nhau. Chịu bụi/nhiễu tốt hơn nhờ dư công suất quang.
Nhược điểm: cần hai bộ và đi dây cả hai phía, căn chỉnh thẳng hàng. Không phát hiện được vật trong suốt hoàn toàn (tia xuyên qua).

Chọn thu–phát khi cần độ tin cậy cao, khoảng cách lớn, hoặc vật đa dạng màu/bề mặt (đúng ca đếm chai ở đầu bài).

Kiểu 2 — Phản xạ gương (retroreflective)

Bộ phát và thu nằm chung một thiết bị; đối diện đặt một gương phản xạ (reflector). Tia đi tới gương rồi quay về bộ thu. Khi vật chắn đường tia (đi hoặc về), bộ thu mất sáng và tác động.

Ưu điểm: chỉ cần một thiết bị có dây + một gương không cần điện, nên đi dây một phía, lắp nhanh, gọn hơn thu–phát.
Nhược điểm: tầm ngắn hơn thu–phát; và vật bóng loáng (kim loại sáng, màng bọc) có thể phản xạ như gương, đánh lừa cảm biến "tưởng không có vật". Với vật bóng, dùng loại có kính phân cực (polarized) để phân biệt phản xạ từ gương thật.

Chọn phản xạ gương khi muốn gọn dây và vật không quá bóng.

Kiểu 3 — Phản xạ khuếch tán (diffuse)

Bộ phát và thu chung một thiết bị, không cần gương. Tia chiếu ra và phản xạ ngay trên bề mặt vật quay về bộ thu; có vật là có phản xạ, có tác động.

Ưu điểm: chỉ một thiết bị, lắp một phía, đơn giản nhất khi không có chỗ đặt gương/bộ thu đối diện.
Nhược điểm: tầm ngắn nhất và phụ thuộc màu, độ bóng, góc bề mặt vật — vật tối/hấp thụ ánh sáng phản xạ yếu, dễ bị bỏ sót (đúng ca đầu bài). Nền phía sau vật ở gần cũng có thể phản xạ gây nhầm.

Để khắc phục nền gây nhiễu, dùng loại có triệt nền (BGS — Background Suppression): cảm biến chỉ nhận vật trong một khoảng cách đặt trước, bỏ qua vật/nền ở xa hơn. Đây là tính năng nên có khi dùng diffuse gần băng tải hoặc thành máy.

Chọn kiểu theo tình huống

Yêu cầu	Nên chọn
Tin cậy cao, tầm xa, vật đa dạng màu	Thu–phát
Gọn dây, vật không quá bóng	Phản xạ gương (polarized nếu vật bóng)
Chỉ lắp được một phía, tầm ngắn	Khuếch tán (có BGS nếu có nền gần)
Vật trong suốt (chai, màng)	Loại chuyên "clear object" hoặc thu–phát tùy trường hợp

Nguyên tắc: ưu tiên độ tin cậy cho tín hiệu quan trọng (an toàn, đếm sản phẩm tính tiền). Tiết kiệm dây/tiền chỉ nên đặt sau độ tin cậy.

Phần điện: NPN/PNP và light-on/dark-on

Chọn đúng kiểu quang mới xong một nửa; nửa còn lại là ghép điện với PLC:

NPN hay PNP: cảm biến 3 dây có ngõ ra transistor kiểu NPN (sinking) hoặc PNP (sourcing). Phải khớp kiểu ngõ vào của PLC — ở Việt Nam và với nhiều PLC châu Âu, PNP phổ biến. Đấu nhầm NPN vào ngõ vào chờ PNP thì cảm biến "không tác động" dù vẫn sáng đèn. (Khái niệm sinking/sourcing đã nhắc ở bài #10.)
Light-on / Dark-on: chọn cảm biến tác động khi nhận sáng (light‑on) hay khi mất sáng (dark‑on). Chọn theo logic "có vật là 1": ví dụ với thu–phát, có vật = mất sáng, nên muốn "có vật → ngõ ra 1" thì dùng dark‑on. Nhiều cảm biến cho chọn chế độ bằng công tắc.
Thời gian đáp ứng: với vật đi nhanh (đếm tốc độ cao), chú ý tần số đáp ứng của cảm biến đủ nhanh để không sót.
Cấp bảo vệ và ánh sáng: môi trường bụi/nước chọn IP cao; nhiễu ánh sáng mạnh chọn loại laser/hồng ngoại điều chế chống nhiễu.

Nguồn sáng: hồng ngoại, đỏ và laser

Loại ánh sáng cũng ảnh hưởng lớn tới việc dùng:

Hồng ngoại (IR): cho công suất quang mạnh, xuyên bụi/mờ tốt, tầm xa; nhưng mắt thường không thấy tia nên khó căn chỉnh (một số loại có điểm ngắm phụ).
Ánh sáng đỏ nhìn thấy: dễ căn chỉnh vì thấy được điểm sáng trên vật/gương; phổ biến cho phản xạ gương và khuếch tán.
Laser: điểm sáng rất nhỏ và hội tụ, phát hiện vật nhỏ hoặc cần độ chính xác vị trí cao; đổi lại giá cao hơn và cần lưu ý an toàn laser.

Ngoài ra, cảm biến công nghiệp thường điều chế (modulate) ánh sáng phát để bộ thu chỉ nhận đúng "tần số" của bộ phát, nhờ đó miễn nhiễu với ánh sáng môi trường (đèn xưởng, nắng). Khi lắp ở nơi nắng chiếu trực tiếp hoặc gần đèn công suất lớn, vẫn nên tránh cho ánh sáng ngoài chiếu thẳng vào bộ thu.

Vật trong suốt và các bề mặt khó

Một số vật thách thức cảm biến quang, cần xử lý riêng:

Vật trong suốt (chai thủy tinh, màng PET): cho phần lớn ánh sáng đi qua nên khuếch tán/gương thường khó thấy. Dùng cảm biến chuyên phát hiện vật trong suốt (độ nhạy cao, bù ngưỡng) hoặc chuyển sang nguyên lý khác (siêu âm — sẽ nói ở loạt cảm biến khác).
Vật rất tối/đen mờ: phản xạ yếu, ưu tiên thu–phát.
Vật bóng gương: như đã nói, dùng gương phân cực hoặc bố trí góc để tránh phản xạ trực tiếp.
Vật nhỏ, mép mỏng: dùng laser điểm nhỏ hoặc thu–phát tầm hẹp.

Khi gặp vật khó, đừng cố ép một cảm biến rẻ hoạt động bằng cách vặn hết độ nhạy — đó là công thức cho tín hiệu chập chờn. Chọn đúng loại ngay từ đầu rẻ hơn nhiều so với dừng máy đi dò lỗi.

Tình huống kỹ thuật tham khảo

Minh họa dưới đây là một phương án tham khảo theo tư duy thiết kế MINATA; thông số và cấu hình cuối cùng phải được xác nhận theo hồ sơ, tiêu chuẩn và thiết bị thực tế.

Trên một cụm cấp phôi MINATA, vị trí "có phôi ở khay chờ" dùng cảm biến quang đưa về ngõ vào Delta AX‑308E (kiểu PNP khớp module I/O). Với phôi kim loại sáng bóng, MINATA tránh phản xạ gương thường (dễ bị đánh lừa) mà chọn thu–phát cho tín hiệu quan trọng "có/không có phôi", còn vị trí kiểm tra phụ dùng khuếch tán có BGS để bỏ qua thành máy phía sau.

Tín hiệu cảm biến được PLC đọc như điều kiện cho phép bước tiếp theo; đúng tinh thần bài #09, trạng thái hiển thị lấy từ cảm biến thật chứ không giả định. Khi một cảm biến bẩn hoặc lệch, PLC phát hiện điều kiện bất thường (ví dụ báo có phôi quá lâu không lấy) và cảnh báo thay vì chạy mù.

Sai lầm thường gặp

Dùng khuếch tán cho vật đổi màu/độ bóng → sót vật khi đổi lô.
Dùng phản xạ gương cho vật bóng loáng mà không dùng loại phân cực.
Đấu nhầm NPN/PNP so với ngõ vào PLC → cảm biến "không ăn".
Chọn sai light‑on/dark‑on → logic ngược.
Đặt diffuse gần nền mà không dùng BGS → báo nhầm liên tục.
Bỏ qua căn chỉnh thu–phát/gương, dẫn tới chập chờn theo rung động.

Checklist cảm biến quang

[ ] Chọn kiểu (thu–phát/gương/khuếch tán) theo độ tin cậy, tầm và cách lắp.
[ ] Vật bóng: dùng gương phân cực; vật đổi màu: ưu tiên thu–phát.
[ ] Diffuse gần nền: chọn loại có triệt nền BGS.
[ ] Ngõ ra NPN/PNP khớp ngõ vào PLC.
[ ] Chọn đúng light‑on/dark‑on theo logic "có vật là 1".
[ ] Tần số đáp ứng đủ nhanh cho tốc độ vật; IP phù hợp môi trường.
[ ] Căn chỉnh chắc chắn, chống lệch theo rung.
[ ] Chọn dự trữ quang cao cho môi trường bụi, hơi nước; lên lịch lau kính định kỳ để cảm biến không "mù" dần.

Chọn đúng kiểu cảm biến quang là quyết định ở khâu thiết kế quyết định độ ổn định cả đời máy. Con mắt của máy chỉ đáng tin khi nó "nhìn" bằng đúng nguyên lý phù hợp với vật cần thấy.

Đọc thêm kiến thức tự động hóa tại MINATA: https://minatavn.com/vi/blog/tu-dong-hoa

Bài liền trước — #15: Nguồn 24VDC: chọn và tính toán cho tủ điều khiển: https://minatavn.com/vi/blog/hoc-automation-cung-minata-15-nguon-24vdc

Bài tiếp theo — #17: Cảm biến tiệm cận: cảm ứng từ và điện dung: https://minatavn.com/vi/blog/hoc-automation-cung-minata-17-cam-bien-tiem-can

Xem tất cả bài viết kỹ thuật MINATA