CẢM BIẾN SỢ QUANG (ファイバセンサ- Fiber Sensors)

Bài viết trước anh G-Hoàng Tuấn đã chia sẻ về tổng quan các loại cảm biến quang công nghiệp phổ biến. Trong đó có nhắc đến loại cảm biến cảm biến quang phản xạ khuếch tán. Trong bài viết này cùng nhau tìm hiểu về CẢM BIẾN SỢ QUANG (ファイバセンサ-Fiber Sensors), một trong những loại cảm biến quang phổ biến hiện nay nha.

Cảm biến sợi quang là gì? (ファイバセンサ-Fiber Sensors).

Cảm biến sợi quang là một loại cảm biến quang điện cho phép phát hiện các vật thể ở những vị trí hẹp bằng cách truyền ánh sáng từ bộ khuếch đại sợi quang (ファイバアンプ- Fiber Amplifier ) thông qua bộ sợi quang (ファイバユニット- Fiber Unit ) tới vật cảm biến dựa chủ yếu trên tính chất phản xạ khuếch tán của ánh sáng.

Đặc trưng của cảm biến sợi quang.

· Phần cảm biến nhỏ linh hoạt cho phép cảm biến sợi quang phát hiện các vật thể ở những vị trí hẹp.

· Phần cảm biến (ファイバユニッ) không có mạch điện. Điều này làm cho nó có độ tin cậy cao ngay cả trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, chẳng hạn như nhiệt độ, độ rung, sốc, nước và điều kiện nhiễu điện.

· Bộ phận khuếch đại và bộ phận quang có thể lắp đạt linh hoạt và riêng biệt.

· Hầu như không hạn chế đối tượng cảm biến, thời gian phản hồi nhanh và điều chỉnh dễ dàng nên cảm biến quang được ưa chuộng sử dụng rộng rãi trong các máy móc công nghiệp đặc biết là ngành sản xuất linh kiện điện tử.

Nguyên lý phát hiện của cảm biến sợi quang là gì?

Cảm biến sợi quang được cấu tạo từ 2 thành phần chính:

· Bộ sợi quang (ファイバユニット- Fiber Unit ) có vai trò thu phát ánh sáng.

· Bộ khuếch đại sợi quang (ファイバアンプ- Fiber Amplifier )có vai trò là nguồn sáng, xử lý tín hiệu quang chuyển thành tín hiệu điện.

Bộ sợi quang (ファイバユニット- Fiber Unit )

Bộ phận sợi quang hoạt động dựa trên những tính chất của ánh sáng như:

Sự truyền thẳng-直進

Khi ánh sáng truyền qua không khí hoặc nước, nó luôn truyền theo đường thẳng.

Sự khúc xạ ánh sáng-屈折

Là hiện tượng ánh sáng đổi hướng khi đi qua mặt phân cách giữa hai môi trường trong suốt có chiết suất khác nhau.

Phản xạ khuếch tán-拡散反射

Khi ánh sáng chiếu lên các bề mặt mờ, chẳng hạn như giấy trấng ánh sáng phản xạ theo mọi hướng.

Sự tán xạ ánh sáng này được gọi là phản xạ khuếch tán.

Dựa trên những tính chất của áng sáng trên và các tính chất khác như: Phản xạ ngược, phản xạ đều,vv...

Các nhà sản xuất đã tạo ra sợi quang bao gồm:

1. Một lõi trung tâm (コア ) có “chiết suất cao” thường được làm bằng sợi thủy tinh ( glass-ガラス) hoặc nhựa (plastic-プラスチック) dùng để lan truyền ánh sáng.

2. Lớp bọc bao quanh lõi (クラッド ) có “chiết suất thấp” là lớp phản xạ có cấu tạo tương tự như lõi, nhưng có chiết xuất nhỏ hơn và bao bọc xung quanh lõi giúp ánh sáng phản xạ trở lại lõi.

3. Lớp phủ dẻo bên ngoài bảo vệ sợi.

Do kết cấu đặc biệt của lõi trung tâm và lớp bọc nên khi ánh sáng đi vào lõi nó truyền đi qua sự phản xạ toàn phần “lặp đi lặp lại”ở bề mặt tiếp xúc với lớp bọc.

Ánh sáng đi qua bộ phận sợi quang và thoát ra từ mặt cuối sẽ lan ra một góc khoảng 60° (tùy thuộc vào kiểu sợi) và được chiếu xạ lên đối tượng cảm biến.

Bộ phận sợi quang tiêu chuẩn 標準反射形 có cấu trúc 2 sợi thu (受光用ファイバ) và sợi phát (投光用ファイバ) nằm cạnh nhau. Sợi phát có cấu trúc đơn lõi (単芯) sợi thu có cấu trúc đa lõi (複芯).

Bộ khuếch đại sợi quang (ファイバアンプ- Fiber Amplifier )

Cấu tạo

Do thành thần sợi quang hoàn toàn không có phần mạch điện nên bộ khuếch đại là phần “mạch điện” của cảm biến.

Hiện tại, các bộ khuếch đại được thiết kế rất hoàn thiện từ các phím chức năng đến giao diện người dùng. Phần ngoài bao gồm màn hình Led hiển thị thông tin và các nút nhấn chức năng.

Thành phần chính của bộ khuếch đại là mạch quang điện đặt bên trong. Mạch có vai trò tạo nguồn sáng, xử lý tín hiệu quang điện, bảo vệ quá dòng, bảo vệ ngược dòng,vv,...

Ngoài ra mạch còn được tích hợp một số chức năng giúp bộ khuếch đại có thể xử lý tín hiệu đơn giản như: Chuyển đổi tín hiệu ngõ ra thường mở ↔ thường đóng, cài đặt độ trễ xuất tín hiệu ngõ ra từ 1ms ~ 9999ms,vv...

Tạo nguồn sáng

Về cơ bản bộ bộ khuếch đại quang sẽ tạo ra ánh sáng lặp đi lặp lại theo 1 chu kỳ nhất định ( Ánh sáng điều chế xung) 〈パルス変調光〉.

Tùy thuộc vào loại cảm biến ánh sáng được phát ra sẽ khác nhau nhưng thông thường là ánh sáng LED màu đỏ -赤色LED.

Các loại ánh sáng được phát từ bộ khuếch đại sợi quang thông thường sẽ là ánh sáng khả kiến ( ánh sáng nhìn thấy được).

Chúng có bước sóng nằm trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường của con người (tức là từ khoảng 380 nm đến 760 nm).

Phương pháp cảm biến của cảm biến sợi quang như thế nào?

Ánh sáng được tạo ra từ bộ khuếch đại truyền qua sợi phát chiếu vào vật thể, vật thể phản chiếu ánh sáng và đi vào bộ thu. Tại đó cường độ ánh sáng tăng lên. Sự gia tăng cường độ ánh sáng này được sử dụng để phát hiện vật thể.

Không giốnng như các loại cảm biến quang khác, ánh sáng từ bộ khuếch đại truyền qua sợi phát thường sẽ không phản xạ quay trở lại sợi thu.

Khoảng cách cảm biến từ vài cm đến vài mét. Cường độ ánh sáng phản xạ và độ ổn định khi hoạt động tùy theo điều kiện (ví dụ: màu sắc và độ mịn) trên bề mặt của vật thể cảm biến.

Lưu ý:

Cảm biến sợi quang gần như không thể phát hiện các vật có màu đen. Do màu vật màu có khả năng hấp thụ tất cả các bức xạ điện từ chiếu đến nó, bất kể bước sóng nào. Điều này có nghĩa là hầu như sẽ không có hiện tượng phản xạ hay tán xạ trên vật đó.

P/s: Ngoài ra, để tăng độ ổn định và tăng cường độ tín hiệu cho cảm biến quang sợi các hãng đã cho ra mắt các thấu kính hội tụ giúp định hình chùm sáng :)))