Cảm biến phát hiện vật thể trong suốt: nguyên lý, cách chọn và ứng dụng

Vật thể trong suốt là bài toán khó nhất với cảm biến quang, vì chai nhựa, màng film hay tấm kính cho hầu hết ánh sáng đi xuyên qua thay vì phản xạ lại. Cảm biến khuếch tán thông thường gần như “nhìn xuyên” qua các vật này và bỏ sót. Giải pháp là dùng cảm biến phản xạ gương với nguyên lý autocollimation và ngưỡng chuyển mạch cực nhạy, được thiết kế riêng để nhận ra mức suy giảm ánh sáng rất nhỏ (thường chỉ 10 đến 20%) khi vật trong suốt đi qua.

Vì sao vật trong suốt khó phát hiện

Một cảm biến quang khuếch tán hoạt động bằng cách phát ánh sáng và đo lượng ánh sáng phản xạ ngược từ bề mặt vật thể. Với vật đục màu, lượng phản xạ đủ lớn và ổn định để cảm biến phân biệt rõ “có vật” và “không có vật”. Nhưng với chai PET, chai thủy tinh trong hoặc màng film, phần lớn ánh sáng xuyên thẳng qua vật liệu, chỉ một tỷ lệ rất nhỏ bị phản xạ hoặc khúc xạ ngược lại. Chênh lệch tín hiệu giữa “có chai” và “không có chai” quá nhỏ để cảm biến tiêu chuẩn phân biệt đáng tin cậy, dẫn đến bỏ sót vật hoặc báo sai liên tục.

Vấn đề càng rõ hơn khi vật liệu càng mỏng (màng co, túi film) hoặc bề mặt càng nhẵn (thủy tinh đánh bóng), vì khi đó tỷ lệ ánh sáng phản xạ lại càng thấp.

Nguyên lý cảm biến phản xạ gương chuyên cho vật trong suốt

Dòng cảm biến chuyên dụng vẫn thuộc nhóm phản xạ gương (retro-reflective): bộ phát và bộ thu nằm cùng thân, chiếu ánh sáng tới một tấm gương phản xạ (reflector) đặt đối diện rồi nhận lại tín hiệu phản chiếu. Khi không có vật, cảm biến luôn nhận đủ 100% ánh sáng từ gương. Điểm khác biệt nằm ở hai yếu tố kỹ thuật:

Autocollimation

Trục quang của bộ phát và bộ thu được thiết kế trùng nhau gần như tuyệt đối (autocollimation). Nhờ vậy khi một vật trong suốt cắt ngang chùm tia, dù chỉ làm lệch hướng một phần ánh sáng rất nhỏ, cảm biến vẫn ghi nhận được sự thay đổi thay vì để phần ánh sáng lệch đó “lọt” qua và vẫn phản xạ về bộ thu như bình thường.

Ngưỡng chuyển mạch cực nhạy

Mạch điện tử được hiệu chỉnh để phát hiện mức suy giảm tín hiệu nhỏ (thường chỉ cần 10 đến 20% ánh sáng bị che hoặc lệch hướng) thay vì ngưỡng cao như cảm biến tiêu chuẩn. Đi kèm với đó, một số model có thêm chức năng tracking, tự động bù trôi ngưỡng theo thời gian khi gương hoặc mặt kính bộ phát/thu bị bụi bẩn bám dần, tránh phải canh chỉnh lại thủ công thường xuyên.

Ký hiệu model: phân biệt .T2, .T3, .TT3 và bản laser L1

Trên các dòng cảm biến phản xạ gương Leuze, hậu tố sau tên series cho biết phiên bản chuyên phát hiện vật trong suốt:

Bản LED đỏ thường (không có L1) cho tầm hoạt động xa hơn, thường đến 3 đến 4 m khi dùng cùng reflector TK(S) 100x100, phù hợp lắp trên băng chuyền rộng.

Bảng chọn dòng cảm biến theo nhu cầu

Khi nào không nên dùng cảm biến phản xạ gương

Cảm biến phản xạ gương chuyên cho vật trong suốt vẫn cần lắp đặt đối diện với một reflector cố định, nên không phù hợp nếu không gian không cho phép đặt gương, hoặc nếu khoảng cách lắp vượt quá tầm hoạt động của reflector đang dùng (xem thêm cách chọn gương phản xạ reflector). Trong các trường hợp đó, cân nhắc chuyển sang cảm biến thu-phát (throughbeam, cần lắp hai phía) hoặc cảm biến siêu âm, vốn không phụ thuộc vào độ trong suốt của vật liệu nhưng có nhược điểm riêng về độ phân giải và tốc độ đáp ứng.

Để chọn đúng dòng cho từng tình huống cụ thể trên dây chuyền (chiết rót, dán nhãn, đóng gói), xem bài phát hiện chai PET, thủy tinh và màng film trên dây chuyền.

Câu hỏi thường gặp