Slide được làm bởi: Quang Thinh Le (Slide designed by: Quang Thinh Le) Facebook: https://www.facebook.com/lequangthinhblog Bộ môn: Kỹ thuật cảm biến (sensor engineer) Nội dung: Cảm biến quang (optical sensor) Khoa: Điện tử - HaUI ( Faculty: Electronics - HaUI)

1. Bộ môn: Kỹ thuật cảm biến
Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Khoa Điện Tử
Nội dung thuyết trình: Cảm biến quang
Nhóm thực hiện: 01

2. Nội dung 01 Khái niệm về ánh sáng
và ứng dụng của ánh sáng (2 slide)
1. Khái niệm về ánh sáng
2. Ứng dụng của ánh sáng

3. 1. Khái niệm về ánh sáng (1/2)
• Ánh sáng là 1 loại sóng điện từ, ánh sáng có thể nhìn thấy
được có bước sóng từ 380-780nm.

4. 2. Ứng dụng của ánh sáng ( 2/2)
• Ứng dụng nhiệt: phơi cá, phơi quần áo, làm muối,..
• Ứng dụng sinh học: cung cấp vitamin D, giúp cây quang hợp
và phát triển,....
• Ứng dụng quang điện: pin mặt trời, tàu vũ trụ,...

5. Nội dung 02: Hiệu ứng quang điện
(12 slides)
1. Hiệu ứng quang điện
2. Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện ngoài
3. Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện nội
4. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang điện

6. 1. Hiệu ứng quang điện(1/12)
Khi chiếu lên cathode K một chùm ánh sáng đơn sắc, từ
cathode phát xạ các electron và tạo thành dòng điện.
Ta gọi đó là dòng quang điện, ghi lại bởi điện kế.

7. 2. Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện ngoài:
(2/12)

8. 2. Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện ngoài
(3/12)
• Ban đầu tích điện âm cho tấm kẽm:
2 lá điện nghiệm cùng tích điện âm nên chúng đẩy nhau và xòe ra
• Chiếu tia UV vào tấm kẽm:
2 lá điện nghiệm dần khép lại do tấm kẽm bị mất dần điện tích
âm( nếu sử dụng ánh sáng khả kiến thì không có hiện tượng)

9. 2. Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện ngoài
(4/12)
• Sau khi mất hết điện tích âm được tích thêm lúc đầu:
Tấm kẽm trung hòa về điện tích nên 2 lá của điện nghiệm khép
lại như cũ. Tiếp tục chiếu tia UV vào tấm kẽm sẽ làm cho các e
trên BỀ MẶT bật ra( không nhiều) làm tấm kẽm tích điện dương
và 2 lá điện nghiệm lại xòe ra

10. 2. Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện ngoài
(5/12)
• Kết luận:
Hiện tượng ánh sáng làm bật các electrôn ra khỏi bề mặt kim loại
gọi là hiện tượng quang điện (ngoài).

11. 3. Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện nội
(6/12)

12. 3. Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện nội
(7/12)
• Si hóa trị IV có 4 e ở lớp ngoài cùng. Để 1 nguyên tử có cấu
hình bền vững thì phải có 8e ở lớp ngoài cùng.
• Do đó nguyên tử si này mới đưa ra 4e để dùng chung với 4
nguyên tử Si bên cạnh( liên kết cộng hóa trị)

13. 3. Thí nghiệm về hiệu ứng quang điện nội
(8/12)
• Kết luận:
Là hiện tượng ánh sáng giải phóng các electrôn liên kết biến chúng
thành các electron dẫn đồng thời tạo ra các lỗ trống cùng tham gia
vào quá trình dẫn điện
Các electron dẫn chỉ chuyển động bên trong khối chất bán dẫn mà
không bị bứt ra ngoài như hiện tượng quang điện ngoài.

14. 4. Nguyên lý HĐ của cảm biến quang điện
(9/12)

15. 4. Nguyên lý HĐ của cảm biến quang điện
(10/12)
• Bộ phát ánh sáng :
nhiệm vụ: phát ra ánh sáng dạng xung (tần số). Tần số ánh
sáng này sẽ được hãng sản xuất thiết kế đặc biệt để bộ thu ánh
sáng có thể phân biệt được ánh sáng từ cảm biến và ánh sáng
từ nguồn khác bên ngoài như : ánh sáng tự nhiên (ban ngày),
bóng đèn,…

16. 4. Nguyên lý HĐ của cảm biến quang điện
(11/12)
• Bộ thu ánh sáng :
Nhiệm vụ :tiếp nhận ánh sáng từ bộ phát sáng, nó được gọi là
phototransistor (tranzito quang).

17. 4. Nguyên lý HĐ của cảm biến quang điện
(12/12)
• Mạch xử lý tín hiệu điện :
 Khi tiếp nhận tín hiệu từ bộ thu ánh sáng. Mạch điện tử sẽ
chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ tranzito quang thành tín hiệu
ON / OFF được khuếch đại. Tín hiệu ngõ ra thường dùng nhất
là NPN, PNP,…

18. Nội dung 03: Nguồn sáng của
cảm biến quang điện (3 slides)
1. Đèn sợi đốt
2. Nguồn sáng hồng ngoại
3. Nguồn Laze

19. 3.1. Đèn sợi đốt (1/3)
• Cấu tạo:
 Gồm một sợi Vonfram đặt trong bóng thủy tinh hoặc thạch anh
 Bên trong chứa khí trơ hoặc Halogen nhằm giảm bay hơi của sợi đốt
• Ưu điểm và nhược điểm
 Dải phổ rộng
 Hiệu suất phát quang thấp
 Quán tính nhiệt lớn
 Tuổi thọ và độ bền cơ học thấp

20. 3.2. Nguồn sáng hồng ngoại (2/3)
• Tia hồng ngoại là gì?
 Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng
nhìn thấy
• Tính chất
 Tác dụng nhiệt
 Có thể gây ra hiện tượng quang điện trong ở chất bán dẫn
 Có thể tác dụng lên một số kính ảnh đặc biệt.
 Có thể biến điệu như sóng điện từ cao tần.
 Tia hồng ngoại tuân theo các định luật: truyền thẳng, phản xạ, và cũng
gây được hiện tượng nhiễu xạ, giao thoa như ánh sáng thông thường.

21. 3.3. Nguồn Laze (3/3)
• Laze có 4 tính chất điển hình sau:
1. Tính kết hợp (Coherence)
2. Tính định hướng (Directionality)
3. Tính đơn sắc cao (Monochromatic)
4. Cường độ cao (High intensity)
(Chi tiết ở phần cảm biến Laze)

22. Nội dung 04: Phần tử nhạy sáng
của cảm biến quang điện
( 6 slides)
1. Photocell
2. Photodiode
3. Phototranzitor

23. 4.1. Photocell ( 1/6)
Hình ảnh và ký hiệu
của Photocell

24. 4.1. Photocell (2/6)
• Là một thành phần thụ động làm giảm điện trở liên quan
đến việc nhận độ sáng (ánh sáng) trên bề mặt nhạy cảm
của thành phần
• Nhược điểm
 Hồi đáp phụ thuộc không tuyến tính vào thông lượng ánh sáng
 Thời gian hồi đáp lớn, chóng già hóa
 Độ nhạy phụ thuộc vào nhiệt độ
 Một số loại đòi hỏi phải làm nguội
• Ứng dụng
 Phân biệt mức ánh sáng như sáng - tối hoặc xung ánh sáng

25. 4.2. Photodiode (3/6)
Hình ảnh và ký hiệu
của Photocell

26. 4.2. Photodiode (4/6)
• Photodiode là một linh kiện
bán dẫn chuyển đổi ánh sáng
thành dòng điện
• Dòng điện được tạo ra khi các
photon bị hấp thụ trong
photodiode
• Photodiode có thể chứa bộ
lọc quang học, thấu kính tích
hợp và có thể có diện tích bề
mặt lớn hoặc nhỏ

27. 4.3. Phototranzitor (5/6)
Hình ảnh và ký hiệu
của Photocell

28. 4.3. Phototranzitor (6/6)
• Phototransistor là một thành
phần chuyển mạch điện tử và
khuếch đại dòng điện
• Nó dựa vào sự tiếp xúc với ánh
sáng để hoạt động.
• Khi ánh sáng rơi vào mối tiếp
xúc, dòng điện ngược sẽ chạy
tỷ lệ với độ sáng

29. Nội dung 05: Các loại cảm biến
quang điện trong thực tế
(12 slides)
1. Cảm biến quang điện thu phát tách biệt
2. Cảm biến thu phát 1 phía sử dụng gương phản xạ
3. Cảm biến thu phát phía sử dụng phản xạ khuếch tán

30. Ký hiệu của cảm biến quang trong thực tế
(1/12)
Ký hiệu cảm biến Ký hiệu tiếp điểm

31. 5.1. Cảm biến quang điện
thu phát tách biệt (2/12)
• Cấu tạo:
 Gồm 2 bộ phận thu và nhận riêng biệt được đặt đối diện nhau
Transmitter Receiver
Object

32. • Nguyên lý làm việc
(3/12)
Tín hiệu đầu ra mạch dao động
Ánh sáng tới phototransistor
Tín hiệu đầu ra mạch nhận
Tín hiệu đầu ra mạch tách sóng
Tín hiệu đầu ra mạch đóng cắt
Tín hiệu đầu ra cảm biến

33. 5.2. Cảm biến thu phát 1 phía sử dụng
gương phản xạ (4/12)
• Bên phát và bên thu đều ở cùng một phía
• Phía đối diện có một gương phản xạ
T
X
R
X
Reflector
Object

34. 5.2. Cảm biến thu phát 1 phía sử dụng
gương phản xạ (5/12)
• Nguyên lý hoạt động
 Khi không có vật thể xuất hiện, ánh
sáng từ mặt phát chiếu đến gương và
bị phản xạ lại đến mạch thu
 Khi có vật thể xuất hiện sẽ làm chặn
nguồn sáng đến gương dẫn đến
không nhận được ánh sáng
 Thông qua mạch nhận, mạch đóng
cắt cảm biến sẽ cho tín hiệu ra dưới
dạng on/off

35. 5.3. Cảm biến thu phát phía sử dụng phản
xạ khuếch tán (6/12)
• Cấu trúc và cách lắp đặt như kiểu phản xạ gương
• Lấy vật thể làm điểm phản xạ
TX
RX
Obje
ct

36. Sự khác biệt giữa các chế độ (7/12)
Tên Ưu điểm Nhược điểm
Cảm biến quang điện
thu phát tách biệt
• Chính xác nhất
• Phạm vi cảm biến dài nhất
• Rất đáng tin cậy
• Phải cài đặt tại hai điểm
trên hệ thống: đầu phát và
đầu thu
Cảm biến thu phát 1 phía
sử dụng gương phản xạ
• Chỉ kém chính xác hơn 1
chút so với loại thu phát
tách biệt
• Phạm vi cảm biến dài
• Phải lắp đặt tại hai điểm
trên hệ thống: cảm biến và
gương phản xạ
• Đắt hơn so với khuếch tán
Cảm biến thu phát phía sử
dụng phản xạ khuếch tán
• Chỉ cần lắp đặt tại một
điểm
• Chi phí thấp hơn 2 loại trên
• Kém chính xác hơn 2 loại
trên
• Cần nhiều thời gian thiết
lập hơn

37. Một số cảm biến thu phát tách biệt (8/12)
• BJX Series
Các tính năng chính
•Thấu kính chất lượng cao với khoảng cách phát
hiện dài
- Loại thu phát: 30 m
- Loại phản xạ khuếch tán: 1 m
- Loại phản xạ gương: 3 m (MS-2A)
•Kích thước nhỏ gọn: W 20 x H 32 x L 11 mm
•Chức năng M.S.R (Loại bỏ bề mặt gương) (loại
phản xạ gương)
•Chuyển đổi chế độ hoạt động Light ON/Dark ON
•Bộ điều chỉnh độ nhạy
•Tích hợp mạch bảo vệ chống quá dòng (ngắn mạch)
ngõ ra và mạch bảo vệ chống đảo ngược cực nguồn
•Chức năng ngăn ngừa giao thoa (trừ loại thu phát)
•Khả năng chống nhiễu tối ưu và giảm thiểu ảnh
hưởng của ánh sáng môi trường
•Cấu trúc bảo vệ IP65 (Tiêu chuẩn IEC)

38. Một số cảm biến thu phát tách biệt (9/12)
• Cảm biến quang điện Autonics BPS3M-TDT
•Loại phát hiện : Loại thu phát
•Khoảng cách phát hiện : 3m
•Khoảng cách phát hiện : Vật liệu đục min.
Ø5mm
•Nguồn sáng : LED hồng ngoại (850nm)
•Thời gian đáp ứng : Max. 1ms
•Nguồn cấp : 12-24VDC ±10%(sóng P-P: max.
10%)
•Chế độ hoạt động : Dark ON
•Ngõ ra điều khiển : NPN mạch thu hở

39. Một số cảm biến thu phát tách biệt (10/12)
• CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN XUM2APCNM8 12-24VDC (THU -
PHÁT)
•Photo-electric sensor - XUM - thru beam - Sn
15m - 12..24VDC - M8
•RANGER OF PRODUCT : OsiSense XU
•Hãng sản xuất: Schneider
•Chất lượng: Mới 100%

40. Một số cảm biến thu phát tách biệt (11/12)
• CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN Autonics BJR-F series

41. Một số cảm biến thu phát tách biệt (12/12)
• CẢM BIẾN QUANG ĐIỆN Omron E3F3

42. Nội dung 06: Cảm biến sợi quang
(10 slides)
1. Hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang
2. Cấu tạo của cảm biến sợi quang
3. Đặc điểm và ứng dụng

43. 6.1 Hiện tượng phản xạ toàn phần
trong sợi quang (1/10)
Cấu tạo gồm 2 phần chính:
1. Phần lõi: trong suốt bằng
thủy tinh siêu sạch có chiết
suất lớn n1
2. Phần vỏ bọc: trong suốt,
bằng thủy tinh có chiết
suất n2 < n1
Có hiện tượng phản xạ toàn phần trong sợi quang

45. 6.2 Cấu tạo của cảm biến sợi quang (3/10)
• Bao gồm 2 phần chính:
1. Bộ khuyếch đại: bao gồm nguồn sáng, bộ xử lý ánh sáng hắt lại, có
giao diện vận hành để thiết lập hoạt động của cảm biến và có tín hiệu
đầu ra đến thiết bị xử lý khác.
2. Sợi quang: dẫn hướng ánh sáng từ bộ khuếch đại đến vật thể và
dẫn hướng ánh sáng phản hồi ngược trở lại bộ khuếch đại để xử lý.

46. Bộ Khuyếch đại
Sợi quang
6.2 Cấu tạo của cảm biến sợi quang (4/10)

47. 6.3 Đặc điểm và ứng dụng (5/10)
• Đặc điểm
 Đầu thu phát nhỏ gọn
 Phần xử lý được đặt trong tủ điện
• Ứng dụng
 Dùng cho vị trí không gian chật hẹp
 Nhận biết các vật thể có kích thước bé
 Phát hiện các vật thể ở tốc độ cao
 Phát hiện màu
 Phát hiện vật thể trong suốt, mờ, đục
 Hoạt động ổn định trong môi trường khắc nhiệt

48. Một số ví dụ về cảm biến sợi quang (6/10)
01 - Cảm biến quang E3X-NA11
Thông số kỹ thuật
• Cảm biến sợi quang
• Khoảng cách cảm biến: 200mm
• Nguồn sáng: LED đỏ
• Kết nối: có sẵn dây
• Đâu ra: NPN
• Nguồn cung: 12 to 24 VDC- 40 mA
• Tiêu chuẩn bảo vệ: IEC60529: IP50
• Khối lượng: Approx. 100 g
• Chất liệu: PBT, Polycarbonate
Sơ đồ nối dây
• Nâu: VCC, 12-24VDC
• Đen: đầu ra NPN, NO
• Xanh: 0VDC

49. Một số ví dụ về cảm biến sợi quang (7/10)
02 - Cảm biến quang E3X-ZD41

50. Một số ví dụ về cảm biến sợi quang (8/10)
03 - Cảm biến quang BF3RX-P

51. Một số ví dụ về cảm biến sợi quang (9/10)
04 - Cảm biến quang FS-N10

52. Một số ví dụ về cảm biến sợi quang
(10/10)
05 - Cảm biến quang FS-V21

53. Nội dung 07: Cảm biến Laze
(3 slides)
1. Đặc điểm của nguồn sáng laze
2. Cấu tạo của cảm biến laze
3. Ứng dụng của cảm biến laze

54. 7.1. Đặc điểm của nguồn sáng Laze (1/3)
• Laze có 4 tính chất điển hình sau:
1. Tính kết hợp (Coherence)
2. Tính định hướng (Directionality)
3. Tính đơn sắc cao (Monochromatic)
4. Cường độ cao (High intensity)

55. 7.2. Cấu tạo của cảm biến laze (2/3)
1. Buồng cộng hưởng (vùng bị
kích thích
2. Nguồn nuôi (năng lượng bơm
vào vùng bị kích thích)
3. Gương phản xạ toàn phần
4. Gương bán mạ
5. Tia laser

56. 7.3. Ứng dụng của cảm biến laze (3/3)
• Cảm biến Laze được ứng dụng trong:
 Vị trí của robot
 Theo dõi hướng tuyến của đường sắt
 Kiểm soát chất lượng
 Chiều dày của phanh Rotor
 Vị trí đầu hàn
 Quy trình kiểm tra độ dày của gỗ

57. Nội dung 08: Ứng dụng của cảm biến
vào những dây chuyền sản xuất cụ thể

58. I. Đo độ dài sảnn phẩm

59. II. Nhận biết điểm cắt của sản
phẩm để cắt

60. III. Đếm sản phẩm

61. Nhiệm vụ của các thành viên
• Khoa (1, 2)
• Ba (6, 7)
• Thịnh (3, 4, 5)
• Huế (datasheet)
• Đức (datasheet)
• Định (8)