Cảm biến laser: Khái niệm – Nguyên lý – Cấu tạo

Sự phát minh ra tia laser có thể xem là một bước tiến lớn trong phát triển về khoa học – công nghệ của nhân loại. Kể từ khi ra đời, công nghệ cảm biến laser đã được ứng dụng rất nhiều trong máy móc công nghiệp, giúp cải tiến hiệu quả năng suất làm việc của con người theo hướng tự động hóa, hiện đại hóa. Để hiểu rõ hơn về khái niệm cũng như nguyên lý hoạt động và cấu tạo của loại cảm biến này, mời quý khách tìm hiểu qua bài viết sau.

Cảm biến laser là gì?

Trước khi tìm hiểu cảm biến tia laser là gì thì quý khách phải hiểu về tia laser và nguyên lý hình thành của chùm tia laser.

Laser (hay tia La-ze) có tên gọi đầy đủ là Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, nghĩa là Sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích. Cụ thể, đây là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được qua sự khuếch đại bức xạ ánh sáng phát ra trong điều kiện các phân tử vật chất được kích hoạt cao độ.

Cảm biến quang laser chính là thiết bị sử dụng tia laser để tạo một chùm sáng thẳng, nhằm xác định sự hiện diện các vật chất trong không gian dù là rất nhỏ và vị trí chính xác của chúng. Tia laser được truyền theo phương song song, có các bước sóng tương tự nhau chứ không bị phân tách như ánh sáng thông thường nên kết quả cảm biến vô cùng chính xác.

Khi sử dụng, hệ thống cảm biến sẽ chiếu một điểm sáng lên bề mặt của vật chất cần xác định. Sau đó, tín hiệu laser sẽ được phản xạ từ bề mặt vật chất đó đến máy cảm biến. Khi khoảng cách, góc phản xạ thay đổi thì máy cảm biến sẽ ghi nhận tín hiệu, cho thấy có sự di chuyển của vật chất trong không gian.

Thiết bị này có thể được sử dụng để đo chiều cao, lấy nét nhanh, đo độ phẳng của linh kiện,… Tóm lại, chức năng chính của máy cảm biến laser chính là hỗ trợ thiết bị đo lường để hoàn thành những phép tính kích thước đặc biệt.

Phân loại

Vậy, có các loại cảm biến laser nào đang được ứng dụng trên thị trường? Công nghệ laser được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị, công trình,. Tuy nhiên, để phân loại chính xác nhất thì có thể dựa vào chức năng như sau.

Cảm biến laser đo khoảng cách

Do bước sóng không bị phân tách mà được truyền theo đường thẳng nên tia laser có tính định hướng cao, truyền đi xa. Vì vậy, cảm biến này có thể được ứng dụng để đo khoảng cách từ xa một cách nhanh chóng, không cần tiếp xúc gần (được gọi là thiết bị sensor đo khoảng cách/sensor khoảng cách trong máy móc).

Cụ thể, cảm biến laser đo khoảng cách bằng laser xác định từ vị trí đặt cảm biến cho đến vị trí của bề mặt vật thể được tia laser chiếu lên. Khoảng cách này có thể lên đến vài kilomet nên cảm biến khoảng cách laser thường được sử dụng trong các công trình xây dựng với quy mô lớn.

Cảm biến phát hiện chuyển động

Loại này còn được gọi là cảm biến dịch chuyển. Những loại cảm biến này thường hoạt động trong một phạm vi cụ thể, nhằm phát hiện có sự thay đổi vật thể trong khu vực.

Cụ thể, cảm biến laser sẽ phát ra chùm ánh sáng và nhận phản xạ từ những vật thể đi qua khu vực. Khi có sự di chuyển của vật thể trong không gian, cảm biến sẽ nhanh chóng ghi nhận và phát tín hiệu về cho hệ thống điều khiển của máy móc, thiết bị.

Cảm biến phát hiện vật cản

Đây là một loại cảm biến tiệm cận giúp phát hiện vật thể đang tiến lại gần vùng đặt cảm biến. Cảm biến sẽ được thiết lập một khoảng cách có sẵn được đo lường bằng độ dài tia laser, khi khoảng cách ấy nhỏ hơn mức cho phép (tức là giữa vật thể và máy cảm biến đang quá gần nhau) thì máy sẽ báo tín hiệu về hệ thống điều khiển. Ứng dụng này vô cùng hữu hiệu trong các máy móc công nghệ nhằm đem lại sự an toàn.

Ngoài những loại cảm biến nêu trên như cảm biến đo khoảng cách laser, phát hiện chuyển động, cảnh báo vật cản,… thì còn một vài loại khác cũng hữu ích không kém nhưng chưa được phổ biến bằng bởi còn nhiều hạn chế, chẳng hạn như:

• Cảm biến đo độ dày
• Cảm biến laser định vị
• Cảm biến quang điện laser

Cấu tạo của máy cảm biến đo khoảng cách bằng laser

Bộ phận cảm biến bằng laser có trong các thiết bị thường được cấu tạo gồm:

• Phần vỏ thô bảo vệ cảm biến
• Bộ hình ảnh tuyến tính
• Bộ phát tia laser

Việc điều chỉnh và cấu hình cảm biến có thể được thực hiện qua các công cụ điều khiển và phần mềm.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến tia laser

Việc thực hiện các ứng dụng trong máy móc, thiết bị được dựa trên 2 nguyên lý sau:

• Nguyên lý góc tam giác: Sử dụng trong các cảm biến phát hiện ở tầm ngắn (như loại cảm biến di chuyển, cảm biến vật cản,…). Lúc này, cảm biến sẽ phát ra chùm tia laser tam giác khuếch tán, truyền qua thấu kính đến mục tiêu. Khi ghi nhận được sự thay đổi trong vùng tam giác, tia phản xạ sẽ truyền thông tin để cho cảm biến.
• Nguyên lý phản xạ: Được sử dụng trong các loại cảm biến đo lường khoảng cách, độ dày,… nhằm tính toán khoảng cách đến đối tượng mục tiêu dựa trên góc phản xạ. Lúc này, tia laser phổ hẹp sẽ được chiếu thẳng đến mục tiêu, sau đó phản xạ ngược lại và thu vào điot cảm biến để xác định giá trị khoảng cách đo lường được.

Ứng dụng của cảm biến laser là gì?

Trong công nghiệp, cảm biến tia laser được ứng dụng rất phổ biến để thực hiện các công việc tự động hóa và nghiên cứu, đo lường. Cụ thể như sau:

• • Đo kích thước: Thiết bị giúp xác định vị trí của các bộ phận nhỏ, phát hiện vật liệu chồng chéo và che phủ, giám sát xem có các bộ phận trên băng tải hay không, kiểm soát vị trí của người thao tác, phát hiện vị trí thiết bị, kiểm tra liên quan đến ô tô, đo chiều dày, phân tích rung động,…
  • Đo độ dày của tấm kim loại: Người dùng có thể đo và kiểm tra nhanh độ dày của tấm kim loại. Đồng thời, khả năng phát hiện thay đổi độ dày có thể sẽ giúp bạn phát hiện được các nếp nhăn, lỗ nhỏ hoặc lỗ trên bề mặt có thể gây hỏng thiết bị. 
  • Đo hình trụ: Đo giá trị của chiều dài, góc, độ lệch tâm của đường kính trong và ngoài, độ đồng tâm, độ conic, biên dạng bề mặt,…
  • Đo chiều dài: Cảm biến laser sẽ phát hiện được vật và kích hoạt quét laser để đo độ dài của vật mẫu.
  • Kiểm tra linh kiện điện tử: Nhưng linh kiện cần được kiểm tra sẽ được để giữa hai máy quét và bạn sẽ biết được chính xác kích thước cũng như lỗi xuất hiện trên bề mặt của chúng. 
  • Kiểm tra tính đồng nhất: Bạn sẽ đặt nhiều cảm biến laser theo hướng nghiêng so với chuyển động của phôi cần đo. Thông quá quá trình thu dữ liệu từ các hướng khác nhau, bạn sẽ dễ dàng biết được phôi cần đo có kích thước chính xác hay có lỗi về mặt ngoại quan hay không. 
  • Kiểm tra mức chiết rót trong dây truyền sản xuất: Ngày nay, các cảm biến tia laser được tích hợp vào các dây chuyền sản xuất, chiết rót như một cảm biến đo mức dung dịch. Qua đó. bạn có thể kiểm tra quá trình chiết rót có đảm bảo đủ chất lượng hay không một cách nhanh chóng và chính xác nhất. 

>> Xem thêm về ứng dụng cảm biến quang laser trong dây chuyền sản xuất: Robot tự động xếp và dỡ hàng.

Tóm lại, loại cảm biến này được ứng dụng rất phổ biến trong các lĩnh vực công nghiệp.

>> Xem thêm: Máy đo quang học chính xác cao Micro-Vu UY TÍN

Ưu điểm khi sử dụng cảm biến tia laser trong công nghiệp

Lý do mà công nghệ cảm biến laser đang dần trở nên phổ biến và được ưa chuộng trong sản xuất công nghiệp là bởi:

• Mang lại độ chính xác cao.
• Đáp ứng đa dạng chức năng.
• Kích thước của bộ cảm biến nhỏ gọn.
• Sử dụng dễ dàng, tự động hóa giúp tiết kiệm thời gian và sức lao động.
• Giá thành phải chăng.

Ngày nay, có nhiều yếu tố bên ngoài từ môi trường tác động đến cảm biến quang laser. Đồng thời, thiết bị này được sản xuất bằng laser nên tương đối khá phức tạp và khối lượng của cảm biến dịch chuyển laser cũng tương đối lớn. Do đó, phạm vi và một số điều kiện ứng dụng của cảm biến laser rất khắc nghiệt.

Cách lựa chọn và căn chỉnh cảm biến quang laser để giảm thiểu rủi ro

Hiện nay, các cảm biến đang được sử dụng khá rộng rãi trong việc đo lường và tự động hóa. Trong đó, cảm biến laser đo lường khoảng cách và phát hiện vật cản là những ứng dụng thực tiễn nhất. Sau đây là một số cách chống nhiễu cho cảm biến mà người dùng cần biết:

Cách 1: Thực hiện các biện pháp để chống sai lệch trục quang sau khi lắp (mô hình ThruBeam)

Sự lệch hướng này có thể xảy ra bởi các vít lắp rời, cảm biến tia laser bị rung hoặc những vấn đề khác. Khi trục quang bị lệch, nó có thể tắt hoặc bật mà không có bất kỳ sự cảnh báo nào và dẫn đến thiết bị hoạt động sai.

Giải pháp:

• Bên cạnh việc thực hiện các biện pháp ngăn chặn, giảm rung và vít bị lỏng, người dùng hãy làm cho khoảng cách hoạt động đó càng ngắn càng tốt.
• Bạn hãy lắp thiết bị lên giá đỡ để căn chỉnh góc của trục quang khi trục quang của cảm biến bị lệch. 
• Đồng thời, bạn nên ưu tiên các loại cảm biến laser có chùm tia sáng rộng hơn. 

Cách 2: Ngăn ánh sáng xung quanh làm ảnh hưởng đến cảm biến tia laser

Ánh sáng môi trường xung quanh là loại ánh sáng được tạo ra bởi đèn biến tần và đèn huỳnh quang. Khi ánh sáng này đi vào bộ thu, cảm biến sẽ bị nhầm lẫn với tia sáng riêng của nó và dẫn đến tín hiệu đầu ra không chính xác.

Giải pháp:

• Đặt một tấm chắn giữa bộ cảm biến laser và nguồn sáng xung quanh.
• Để làm giảm bớt sự ảnh hưởng, bạn có thể đặt cảm biến ở một góc mà mắt của cảm biến không hướng trực tiếp vào nguồn sáng.
• Đặt cảm biến và nguồn sáng xung quanh ở khoảng cách càng xa càng tốt.

Cách 3: Ngăn chặn ảnh hưởng của chất bẩn, bụi bẩn

Khi bề mặt phát hiện của cảm biến bị tích tụ bụi bẩn hoặc nước sẽ cho ra kết quả ngay cả khi không có bất kỳ vật thể nào. Thêm vào đó, với những sensor đo khoảng cách không chống thấm, nó có thể gây nên hiện tượng bị vỡ.

Giải pháp khắc phục:

• Với các mô hình thu – phát hoặc có tấm quang phản xạ: Bạn có thể chọn loại cảm biến có công suất cao để hạn chế nhiễu sóng khi có lượng bụi vừa phải. Đồng thời, những loại chống thấm trên đầu phát hiện sẽ cho ra kết quả chính xác khi nước bám vào. 
• Với các mô hình thu – phát tích hợp: Bạn nên chọn loại có bộ thu và phát trước để làm giảm bớt sự tác động của bụi cũng như chất bẩn ở khoảng cách gần trên phản xạ khuếch tán.

Mặc khác, để xử lý triệt để sự cố này, bạn cũng có thể chọn một module khuếch đại riêng. Theo đó, bạn sẽ sử dụng hai tín hiệu đầu ra khi đo thông số kỹ thuật cường độ ánh sáng nhận được (một cho phát hiện cường độ ánh sáng nhận được và một để phát hiện vật thể).

Cách 4: Chống lại điều kiện bề mặt vật thể

Sự khác biệt về vật liệu, biến đổi màu sắc, bề mặt bị trồi hoặc lõm đều là những nguyên nhân làm dao động cường độ ánh sáng nhận được cũng như tín hiệu xuất ra bị thay đổi on/off mà người dùng không được cảnh báo trước. Bởi, các chùm tia nhỏ tập trung tại chỗ khiến cho các cảm biến laser mô hình phản xạ (thu phát tích hợp) nói riêng dễ bị tác động bởi các thay đổi về điều kiện bề mặt.

Giải pháp:

• Chọn loại có chùm tia laser trong toàn bộ khu vực hoặc loại có đường kính chùm có thể điều chỉnh được rồi đặt chúng tại chỗ lớn. Khi chùm tia lại tại chỗ lớn, các tín hiệu phát hiện trên bề mặt vật thể cần phát hiện trung bình sẽ giúp cho tín hiệu ổn định hơn. 
• Giảm giá trị cài đặt nhằm tăng độ nhạy sao cho cảm biệt laser bật On khi vật thể đến gần hơn một chút. 

Cách 5: Ngăn chặn sự nhầm lẫn của các đối tượng trong suốt

Hầu hết các đối tượng trong suốt có tốc độ truyền cao và thường là trường hợp có sự khác biệt đầy đủ về cường độ ánh sáng nhận được với sự hiện diện cũng như vắng mặt của vật thể trong suốt. 

Tùy vào vị trí của phản xạ, dao động tinh tế trong cường độ ánh sáng nhận được và các biến thể cường độ ánh sáng khác có thể sẽ tác động tiêu cực đến việc phát hiện vật của cảm biến đo khoảng cách laser.

Giải pháp khắc phục:

• Trường hợp hướng nhập vào đối tượng trong suốt, bạn hãy đặt cảm biến khoảng cách laser ở một góc sao cho trục quang không vuông góc để tăng diện tích dầm xiên và các phản xạ gương sẽ khó được nhận từ phôi gia công. Điều này sẽ đảm bảo được sự khác biệt cường độ ánh sáng nhận được khi phôi có hoặc vắng mặt.
• Khi sử dụng mô hình phản xạ retro, nếu loại có kích thước chùm tia tại chỗ lớn được chọn thì nó có thể trung bình và giữ được lượng dao động dưới sự kiểm soát ngay cả khi có sự thay đổi của cường độ ánh sáng phản xạ từ vị trí phản xạ.
• Khi phát hiện sự khác biệt cường độ ánh sáng tinh tế, mô hình khuếch đại riêng biệt sẽ trực quan hóa cường độ ánh sáng nhận được. Từ đó, nó sẽ tạo ra các cài đặt tối ưu. Đồng thời, từng bộ khuếch đại có các chức năng tự động sửa các giá trị cài đặt riêng. 

Cách 6: Ngăn chặn sự nhầm lẫn của các đối tượng có bề mặt gương

Đối tượng có tính gương thường dễ tạo ra các phản xạ. Do đó, khi góc được thay đổi, chùm tia laser có độ thẳng cao sẽ không được trả lại cho bộ thu và không đảm bảo cường độ ánh sáng nhận được.

Giải pháp xử lý:

• Trường hợp thực hiện phát hiện bằng cảm biến quang laser mô hình phản xạ hoặc khoảng cách cố định, bạn nên tiến hành dò tìm một góc nhỏ hoặc nhắm mục tiêu một phần của đối tượng không được hiển thị trên gương để dễ dàng phát hiện hơn.
• Nếu không thể thực hiện phát hiện với mô hình phản xạ hoặc khoảng cách cố đinh, bạn hãy chọn một mô hình phản xạ hoặc phản xạ retro. Những mô hình này sẽ giúp cảm biến laser không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện bề mặt.
• Bên cạnh đó, bạn hãy chọn một cảm biến chất sợi quang hoặc loại khác như vậy với một chùm lan rộng hơn. Nếu đối tượng có bề mặt gương được góc cạnh sẽ ít có dao động hơn trong cường độ ánh sáng nhận được.

Lưu ý khi sử dụng cảm biến laser

Tia laser nếu không sử dụng đúng cách thì có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe con người. Vì vậy, bạn cần lưu ý:

• Không chiếu thẳng chùm tia laser có mức năng lượng cao vào da vì có thể gây ra tổn thương.
• Không chiếu tia laser vào mắt để tránh bị tổn thương lên võng mạc, giác mạc,… dẫn đến mất thị lực.
• Các máy móc tự động, sản xuất có cảm biến tia laser phải được bảo trì, bảo dưỡng thường xuyên, tránh để xảy ra cháy nổ do chập điện.
• Cháy nổ có thể xảy ra do nguồn điện không ổn định.

VTECH – Chuyên phân phối các dòng máy đo quang học ứng dụng cảm biến laser

VTECH chuyên cung cấp thiết bị đo lường quang học chất lượng cao, được ứng dụng công nghệ cảm biến quang laser hiện đại. Cảm biến tia laser của VTECH có 2 loại chính là LSM4-10 và LSM4-2. Tia laser trong cảm biến có độ an toàn ở mức 2 (không được nhìn trực tiếp) và sở hữu nhiều tính năng như:

• Mang lại hiệu quả chính xác, đo động kịp thời với tốc độ xử lý cao.
• Đo không cần tiếp xúc, không mài mòn, chống nhiễu. 
• Có thể thực hiện đo các bề mặt đặc biệt. 
• Điểm đo chiếu sáng nhỏ nên có thể đo chính xác và tinh tế từng bộ phận nhỏ nhất.

Hệ thống cảm biến của VTECH được ứng dụng trong các máy móc như: robot tự động xếp/dỡ hàng, máy quang học đo lường tế bào quang điện, máy đo lập bản đồ màn hình,… thuộc các thương hiệu Micro-Vu, Vicivision và Metrios.

Tóm lại, cảm biến laser là một bộ phận không thể thiếu trong các máy móc công nghiệp hiện đại, là bước phát triển tất yếu của nhân loại trong khoa học – kỹ thuật 4.0. Nếu muốn nâng cao năng lực cạnh tranh trong kinh doanh thì hãy đầu tư ngay thiết bị của VTECH để tự động hóa và gia tăng sản xuất nhé!