Diffuse vs BGS — So Sánh 2 Loại Cảm Biến Quang Phổ Biến Nhất Trong Công Nghiệp

• Cảm biến quang khuếch tán phát hiện vật thể dựa trên ánh sáng phản xạ từ chính vật thể, phù hợp khi không có nền phía sau hoặc nền ở xa.
• Cảm biến BGS sử dụng công nghệ PSD/nguyên lý đo tam giác học để loại bỏ ảnh hưởng của nền phía sau, chỉ phát hiện vật thể trong khoảng cách đã cài đặt.
• Cảm biến quang phản xạ khuếch tán năng lượng dễ bị ảnh hưởng bởi màu sắc và độ bóng của vật thể, đặc biệt với vật màu đen hoặc bề mặt phản chiếu.
• BGS cho độ ổn định cao hơn khi nền phía sau ở gần hoặc có độ phản xạ mạnh; các dòng BGS laser có thể đạt độ lặp lại dưới ±1 mm.
• SICK cung cấp cả cảm biến Diffuse và BGS trên nhiều dòng sản phẩm như W4, WL4, WTB và WT, giúp dễ dàng lựa chọn theo từng ứng dụng.
• Bài viết cung cấp bảng so sánh kỹ thuật, hướng dẫn lựa chọn cảm biến và các ví dụ ứng dụng thực tế từ kinh nghiệm triển khai của đội ngũ AUMI.

Cảm biến quang khuếch tán và cảm biến phản xạ nền (BGS — Background Suppression) là hai kiểu hoạt động phổ biến nhất trong nhóm cảm biến quang công nghiệp. Cả hai đều dùng ánh sáng để phát hiện vật thể, nhưng cơ chế xử lý tín hiệu phản xạ hoàn toàn khác nhau, dẫn đến ứng dụng và giới hạn sử dụng rất khác biệt.

1. Cảm Biến Quang Là Gì? Nhắc Lại Nhanh Để Cùng Chung Ngôn Ngữ

Cảm biến quang (photoelectric sensor) là thiết bị phát hiện vật thể bằng cách phát ra chùm ánh sáng (thường là hồng ngoại, đỏ hoặc laser) và phân tích tín hiệu phản xạ hoặc chặn sáng để xác định sự có mặt hay vắng mặt của đối tượng.

Trong thực tế, cảm biến quang được chia thành 3 kiểu hoạt động chính:

•       Through-beam (thu-phát): Bộ phát và bộ thu tách biệt, phát hiện khi vật chặn chùm sáng. Khoảng cách phát hiện có thể đạt tới 60m.
•       Retro-reflective (phản xạ gương): Sử dụng gương phản chiếu, phát hiện khi vật chặn chùm sáng phản lại từ gương. Khoảng cách điển hình 0.1–15m.
•       Diffuse / BGS (phản xạ trực tiếp): Bộ phát và thu nằm trong cùng một vỏ, phát hiện ánh sáng phản lại từ bề mặt vật thể. Khoảng cách 10mm–2m tùy dòng.

Bài viết này tập trung phân tích sâu về hai biến thể của kiểu thứ ba: Khuếch tán năng lượng và BGS, hai kiểu dễ bị nhầm lẫn nhất khi chọn mua, nhưng lại có ứng dụng khác nhau đáng kể trong thực tế nhà máy. 

2. Cảm Biến Quang Khuếch Tán (Diffuse Sensor) — Nguyên Lý & Đặc Điểm

2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang khuếch tán

Cảm biến quang khuếch tán (còn gọi là diffuse sensor, hay energetic diffuse trong các tài liệu kỹ thuật của SICK) hoạt động dựa trên nguyên lý: bộ phát chiếu chùm sáng, bộ thu nhận tín hiệu phản xạ khuếch tán từ bề mặt vật thể. Khi lượng ánh sáng thu về vượt ngưỡng cài đặt, cảm biến kích hoạt ngõ ra.

Cơ chế này có điểm đặc trưng là cảm biến không phân biệt được vật thể cần phát hiện và nền phía sau, nó chỉ phản ứng với tổng lượng ánh sáng khuếch tán nhận được. Điều này đặt ra thách thức khi nền phía sau cũng phản chiếu ánh sáng mạnh, dễ gây tín hiệu giả.

2.2. Ưu điểm của cảm biến quang khuếch tán

•       Chi phí thấp hơn BGS: Giá thành cảm biến quang khuếch tác thường rẻ hơn 20–40% so với BGS cùng vỏ, phù hợp cho các ứng dụng ngân sách hạn chế.
•       Lắp đặt đơn giản: Không cần gương hay bộ thu riêng biệt, cần ít không gian lắp đặt hơn.
•       Khoảng cách phát hiện linh hoạt: Điều chỉnh khoảng cách bằng biến trở hoặc IO-Link, phù hợp với nhiều khoảng cách khác nhau.
•       Phát hiện tốt trên bề mặt trắng/sáng màu: Hiệu quả cao với vật thể có độ phản chiếu lớn (giấy trắng, hộp carton trắng, nắp nhựa trắng).
•       Dải nhiệt độ hoạt động rộng: Các dòng khuếch tán của SICK như W4-3 hoạt động từ -40°C đến +70°C, phù hợp môi trường kho lạnh và lò sấy.

2.3. Nhược điểm và giới hạn sử dụng

•       Nhạy cảm với màu sắc và độ bóng: Vật thể đen, sẫm màu hoặc bề mặt bóng gương hấp thụ/tán xạ ánh sáng theo hướng khác, làm giảm đáng kể khoảng cách phát hiện, đôi khi chỉ còn 20–30% so với giá trị danh định trên vật trắng.
•       Bị ảnh hưởng bởi nền phía sau: Nếu nền phản chiếu mạnh (băng chuyền inox sáng bóng, tường màu trắng), cảm biến có thể nhận sai tín hiệu kể cả khi không có vật.
•       Không ổn định khi vật thể thay đổi màu sắc hoặc chất liệu: Trong dây chuyền sản xuất nhiều SKU khác nhau, việc phát hiện khi vật thể thay đổi vật liệu đòi hỏi hiệu chỉnh lại.
•       Phụ thuộc điều kiện bề mặt: Bụi, dầu hoặc ẩm ướt trên bề mặt vật thể có thể làm thay đổi độ phản chiếu và gây lỗi phát hiện. 

3. BGS Sensor (Phản Xạ Nền — Background Suppression) — Nguyên Lý & Đặc Điểm

3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến phản xạ nền BGS

Cảm biến BGS (Background Suppression) xác định vật thể dựa trên khoảng cách, thay vì chỉ dựa vào lượng ánh sáng phản xạ như cảm biến khuếch tán thông thường. Bên trong cảm biến có bộ thu quang đặc biệt (PSD hoặc CCD/CMOS) giúp xác định vị trí của tia sáng phản xạ và tính toán khoảng cách đến vật thể.

Người dùng có thể cài đặt một khoảng cách phát hiện tối đa. Khi vật thể nằm trong vùng này, cảm biến sẽ phát tín hiệu ON. Ngược lại, các vật thể hoặc nền nằm xa hơn khoảng cách đã cài đặt sẽ bị bỏ qua, dù phản xạ ánh sáng rất mạnh.

Nhờ vậy, cảm biến BGS giúp phát hiện vật thể ổn định hơn và hạn chế tối đa tình trạng nền phía sau gây nhiễu hoặc báo sai.

3.2. Hai loại BGS chính: BGS cố định và BGS điều chỉnh

BGS cố định (Fixed BGS): Khoảng cách phát hiện được nhà sản xuất cài đặt sẵn và không thể thay đổi trong quá trình sử dụng. Loại này phù hợp với các ứng dụng có khoảng cách lắp đặt cố định, giúp giảm chi phí và đơn giản hóa việc cài đặt. Ví dụ, SICK WL4-3P2131 có khoảng cách phát hiện cố định 30 mm.

BGS điều chỉnh được (Adjustable BGS): Người dùng có thể thay đổi khoảng cách phát hiện bằng núm chỉnh, nút Teach hoặc qua giao tiếp IO-Link. Loại này linh hoạt hơn, phù hợp khi khoảng cách đến vật thể hoặc nền có thể thay đổi trong quá trình lắp đặt và vận hành. Một ví dụ điển hình là SICK WTB4-3P1361S14.

3.3. Ưu điểm của cảm biến BGS

• Ít bị ảnh hưởng bởi nền phía sau: Cảm biến BGS có thể bỏ qua nền nằm ngoài khoảng cách cài đặt, kể cả khi nền có màu trắng hoặc phản xạ ánh sáng mạnh. Điều này giúp giảm đáng kể hiện tượng báo nhầm.
• Hoạt động ổn định với nhiều màu sắc vật thể: Do phát hiện dựa trên khoảng cách thay vì chỉ dựa vào lượng ánh sáng phản xạ, BGS thường nhận biết vật thể màu đen hoặc màu tối tốt hơn cảm biến khuếch tán thông thường.
• Độ chính xác và độ lặp lại cao: Nhiều dòng BGS laser có thể phát hiện vật thể với sai số rất nhỏ, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.
• Vận hành ổn định khi môi trường thay đổi: Khi màu nền, băng tải hoặc điều kiện ánh sáng thay đổi, cảm biến vẫn duy trì khả năng phát hiện đáng tin cậy.
• Phù hợp với các ứng dụng có vật thể nhỏ hoặc nền ở gần: Thường được sử dụng để phát hiện nhãn dán, linh kiện điện tử, chi tiết cơ khí nhỏ hoặc các sản phẩm đặt sát băng tải.

3.4. Nhược điểm của BGS

• Chi phí cao hơn cảm biến khuếch tán thông thường: Do sử dụng công nghệ đo khoảng cách và bộ thu quang phức tạp hơn, cảm biến BGS thường có giá cao hơn các dòng diffuse cùng kích thước.
• Khoảng cách phát hiện thường không quá xa: Phần lớn cảm biến BGS được thiết kế cho các ứng dụng phát hiện ở cự ly gần đến trung bình, thường trong khoảng vài chục đến vài trăm milimét.
• Vẫn có thể gặp khó khăn với bề mặt quá bóng: Các vật thể có bề mặt như gương, inox đánh bóng hoặc kim loại phản chiếu mạnh đôi khi có thể làm giảm độ ổn định của tín hiệu phát hiện.
• Cần có khoảng cách nhất định giữa vật thể và nền: Để cảm biến phân biệt rõ vật thể với nền phía sau, nên bố trí nền cách vật thể một khoảng phù hợp theo khuyến nghị của nhà sản xuất.
• Cần cài đặt và căn chỉnh đúng vị trí: Để đạt hiệu quả phát hiện tốt nhất, cảm biến nên được lắp đặt đúng khoảng cách và góc làm việc theo hướng dẫn kỹ thuật.

4. Bảng So Sánh Chi Tiết: Diffuse vs BGS

*Lưu ý kỹ thuật: Bảng trên áp dụng cho dòng cảm biến quang nhỏ (vỏ M12/M18). Với cảm biến quang dạng hộp chữ nhật) như dòng WTB27/W27, các thông số có thể khác biệt. Luôn tham chiếu datasheet chính hãng SICK trước khi chọn mua. 

5. Phân Tích Sâu: Energetic Diffuse — Tại Sao Màu Sắc Lại Quan Trọng?

Một trong những điểm kỹ sư thường bỏ qua khi chọn cảm biến quang khuếch tán là ảnh hưởng của màu sắc và độ phản chiếu bề mặt lên khoảng cách phát hiện. Đây không phải vấn đề của thiết kế kém, mà là bản chất vật lý của phương pháp cảm biến khuếch tán năng lượng.

Theo datasheet của SICK, khoảng cách phát hiện danh nghĩa (Sn) của cảm biến phản xạ khuếch tán được xác định trong điều kiện tiêu chuẩn với một tấm giấy trắng Kodak có độ phản xạ 90% và kích thước 100 mm × 100 mm. Trong thực tế, nếu vật thể có màu tối hơn, kích thước nhỏ hơn hoặc bề mặt hấp thụ ánh sáng nhiều hơn, khoảng cách phát hiện thực tế có thể giảm đáng kể so với giá trị công bố trong datasheet.

Ví dụ thực tế: SICK WTB4-3P1361 có Sn = 200mm. Khi phát hiện hộp carton nâu sẫm, khoảng cách thực tế chỉ còn khoảng 50–80mm. Nếu dây chuyền thiết kế khoảng cách lắp đặt 150mm, cảm biến sẽ không phát hiện được, trong khi tài liệu kỹ thuật ghi khoảng cách tối là đa 200mm.

*Nguyên tắc vàng khi dùng diffuse sensor: Luôn thiết kế khoảng cách lắp đặt tối đa bằng 50–60% Sn danh nghĩa để có biên dự phòng cho màu sắc và điều kiện bề mặt thực tế. 

6. Ứng Dụng Thực Tế: Khi Nào Dùng Diffuse, Khi Nào Dùng BGS?

6.1. Chọn Diffuse Sensor khi:

•       Vật thể có màu sáng, độ phản chiếu cao và ổn định (carton trắng, chai nhựa trong, nắp nhựa trắng).
•       Không có nền cố định phía sau (cảm biến lắp cạnh băng chuyền nhìn ngang, không có vật cản sau vật thể).
•       Khoảng cách phát hiện cần lớn hơn 300mm (diffuse có thể đạt đến 2m, BGS thường giới hạn 500mm).
•       Ngân sách hạn chế và ứng dụng ít đòi hỏi về độ chính xác.
•       Phát hiện vật thể trong môi trường không có nền phản chiếu (ví dụ: phát hiện chai trên băng chuyền mở, nhìn ngang không có tường sau).
•       Phát hiện mức vật liệu trong silô hoặc bể chứa lớn — khi nền (đáy bể) ở xa > 1m so với vật liệu.

6.2. Chọn BGS Sensor khi:

• Khi nền phía sau nằm gần vật thể và khoảng cách giữa vật thể với nền chỉ khoảng 200–300 mm hoặc nhỏ hơn.
• Khi cần phát hiện các sản phẩm có màu sắc hoặc vật liệu thay đổi liên tục giữa các lô sản xuất, chẳng hạn sản phẩm màu trắng, đen, đỏ hoặc bề mặt bóng và mờ.
• Khi phát hiện nhãn hoặc tem trên sản phẩm, do nhãn thường nằm rất sát bề mặt nên cảm biến cần khả năng phân biệt khoảng cách tốt để tránh nhận nhầm nền.
• Khi phát hiện mức chất lỏng trong chai trong suốt hoặc bán trong suốt, cảm biến BGS có thể nhận biết vị trí mặt chất lỏng dựa trên khoảng cách phản xạ.
• Khi kiểm tra sự hiện diện của linh kiện nhỏ trên PCB, nơi khoảng cách giữa linh kiện và bề mặt bo mạch rất nhỏ.
• Khi môi trường có nhiều bề mặt phản xạ mạnh dễ gây nhiễu, như băng chuyền inox đánh bóng, tủ kính hoặc tường phản quang.
• Khi ứng dụng yêu cầu độ lặp lại cao, chẳng hạn phân loại sản phẩm theo chiều cao hoặc các bài toán kiểm tra và đo lường chính xác. 

7. Dòng Sản Phẩm SICK: Khuếch Tán và BGS — Model Nào Phù Hợp?

SICK AG là một trong những nhà sản xuất cảm biến quang hàng đầu thế giới. AUMI là đại lý chính hãng SICK tại Việt Nam, cung cấp đầy đủ dòng cảm biến quang diffuse và BGS với bảo hành chính hãng và hỗ trợ kỹ thuật trực tiếp.

7.1. Dòng W4/WTB4 — Vỏ cảm biến mini dạng trụ M12/M18

7.2. Dòng W27/WTB27 — Vỏ hình chữ nhật

*Tư vấn từ kỹ thuật AUMI: Với những ứng dụng mà bạn chưa chắc chắn nên dùng diffuse hay BGS, SICK cung cấp một số model có thể cài đặt chuyển đổi giữa 2 chế độ qua IO-Link (như dòng WTB4-3 IO-Link). Đây là giải pháp linh hoạt khi hệ thống cần thử nghiệm trước khi quyết định. 

8. Polarized Diffuse — Biến Thể Đặc Biệt Cho Bề Mặt Bóng Gương

Khi cần phát hiện các vật thể có bề mặt phản chiếu mạnh như chai thủy tinh, lon nhôm bóng, màng nhôm hoặc kính, cả cảm biến phản xạ khuếch tán thông thường và cảm biến BGS đều có thể gặp khó khăn do hiện tượng phản xạ gương. Lúc này, giải pháp phù hợp hơn là sử dụng cảm biến phản xạ khuếch tán có bộ lọc phân cực.

Nguyên lý hoạt động: Cảm biến phát ra chùm ánh sáng đã được phân cực theo một hướng nhất định. Khi ánh sáng phản xạ từ bề mặt bóng như gương hoặc kim loại đánh bóng, hướng phân cực gần như không thay đổi. Trong khi đó, ánh sáng phản xạ từ các bề mặt thông thường sẽ bị tán xạ và thay đổi hướng phân cực. Bộ thu được trang bị bộ lọc phân cực vuông góc nên chỉ nhận ánh sáng tán xạ từ vật thể và loại bỏ phần lớn ánh sáng phản xạ gương gây nhiễu.

Ứng dụng điển hình: Phát hiện chai thủy tinh trong suốt hoặc màu nâu, lon nhôm đánh bóng, bao bì màng nhôm , gương, kính hoặc các vật thể có bề mặt phản chiếu mạnh trên dây chuyền sản xuất.

9. Hướng Dẫn Chọn Cảm Biến Quang Đúng — Quy Trình 5 Bước

Bước 1: Xác định đặc điểm của vật thể cần phát hiện

Trước tiên, cần tìm hiểu rõ vật thể mà cảm biến sẽ phát hiện:

• Vật thể có màu sáng, màu tối hay nhiều màu khác nhau?
• Bề mặt là mờ, bóng hay trong suốt?
• Kích thước vật thể lớn hay nhỏ, bề mặt phẳng hay có nhiều chi tiết lồi lõm?

Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng phát hiện và loại cảm biến cần lựa chọn.

Bước 2: Khảo sát môi trường lắp đặt

Môi trường xung quanh cũng ảnh hưởng lớn đến độ ổn định của cảm biến:

• Phía sau vật thể là nền gì? Khoảng cách từ vật thể đến nền là bao nhiêu?
• Băng chuyền hoặc giá đỡ có màu sáng, màu tối hay bề mặt phản chiếu mạnh không?
• Khu vực lắp đặt có bụi, dầu, hơi nước hoặc điều kiện môi trường khắc nghiệt không?

Bước 3: Xác định khoảng cách phát hiện và độ chính xác mong muốn

Cần xác định rõ:

• Khoảng cách từ cảm biến đến vật thể là dưới 100 mm, từ 100–500 mm hay lớn hơn 500 mm?
• Ứng dụng chỉ cần phát hiện có/không có vật thể hay yêu cầu độ chính xác cao?
• Nếu cần độ lặp lại khoảng ±1 mm, nên cân nhắc cảm biến BGS laser. Với các ứng dụng thông thường, sai số khoảng ±5 mm thường đã đủ và có thể sử dụng cảm biến phản xạ khuếch tán (Diffuse).

Bước 4: Lựa chọn loại cảm biến phù hợp

Một số nguyên tắc lựa chọn nhanh:

• Nền ở xa hoặc không có nền gây nhiễu, vật thể có độ phản xạ tốt → Chọn cảm biến phản xạ khuếch tán.
• Nền nằm gần vật thể hoặc sản phẩm có nhiều màu sắc khác nhau → Chọn cảm biến BGS có thể điều chỉnh khoảng cách.
• Vật thể có bề mặt bóng như kim loại đánh bóng, kính hoặc màng nhôm → Chọn Polarized Diffuse hoặc BGS laser.
• Vật thể trong suốt như chai PET, chai thủy tinh hoặc màng nhựa trong → Nên sử dụng cảm biến phản xạ gương có phân cực hoặc cảm biến quang thu phát độc lập.

Bước 5: Kiểm tra thực tế trước khi triển khai

Trước khi mua số lượng lớn, nên thử nghiệm trực tiếp tại hiện trường:

• Yêu cầu kiểm tra mẫu hoặc mượn thiết bị để chạy thử.
• Thử nghiệm với chính sản phẩm và điều kiện vận hành thực tế của nhà máy, không chỉ trong môi trường phòng thí nghiệm.
• Theo dõi hệ thống trong 24–48 giờ vận hành liên tục để đánh giá độ ổn định và phát hiện sớm các vấn đề như nhiễu tín hiệu hoặc sai lệch theo thời gian.

10. FAQs — Câu Hỏi Thường Gặp

Q1: Cảm biến quang khuếch tán và BGS có thể dùng thay thế nhau không?

Không thể hoán đổi trực tiếp trong mọi trường hợp. Trong một số ứng dụng đơn giản (vật sáng màu, không có nền gần), cả hai đều hoạt động được. Nhưng khi nền gần hoặc vật thể tối màu, BGS là bắt buộc. Một số model SICK hỗ trợ cả hai chế độ qua IO-Link, cho phép chuyển đổi linh hoạt mà không cần thay cảm biến vật lý.

Q2: BGS có phát hiện được vật thể đen/sẫm màu không?

BGS phát hiện vật thể màu đen tốt hơn cảm biến khuếch tán thông thường, nhưng không loại bỏ hoàn toàn ảnh hưởng của màu sắc. Với các vật thể màu đen có độ phản xạ rất thấp, tín hiệu phản xạ về cảm biến sẽ yếu hơn, làm giảm độ ổn định khi phát hiện. Trong những trường hợp này, AUMI khuyến nghị sử dụng BGS laser hoặc cảm biến quang thu phát độc lập để đạt độ tin cậy cao hơn.

Q3: Khoảng cách tối thiểu giữa vật thể và nền khi dùng BGS là bao nhiêu?

Để BGS triệt nền hiệu quả, nền phía sau cần cách vật thể một khoảng đủ lớn. Thông thường, khoảng cách từ vật đến nền nên bằng ít nhất 20–30% khoảng cách phát hiện đã cài đặt. Ví dụ, nếu cài khoảng cách phát hiện là 100 mm thì nền nên cách vật tối thiểu 20–30 mm. Giá trị cụ thể cần tham khảo trong datasheet của từng model.

Q4: Tại sao sensor diffuse hoạt động tốt trong lab nhưng lại báo sai ngoài nhà máy?

Đây là vấn đề rất phổ biến. Nguyên nhân thường là: 

(1) Băng chuyền hoặc tủ điện phía sau phản chiếu mạnh hơn trong lab

(2) Vật thể thực tế có màu tối hơn mẫu test trong lab

(3) Nhiễu ánh sáng môi trường (đèn flo, ánh nắng qua cửa sổ) làm thay đổi nền tín hiệu. Trong những trường hợp này, nên xem xét chuyển sang BGS.

Q5: SICK có dòng cảm biến nào tích hợp cả diffuse lẫn BGS không?

Có. Một số cảm biến SICK dòng W4-3 hỗ trợ IO-Link, cho phép chuyển đổi chế độ hoạt động như cảm biến khuếch tán, BGS hoặc cảm biến khoảng cách trực tiếp từ PLC/HMI mà không cần chỉnh tay trên cảm biến. Đây là giải pháp linh hoạt cho các dây chuyền sản xuất nhiều loại sản phẩm.

11. Kết Luận

Sự khác biệt giữa cảm biến quang khuếch tán và cảm biến phản xạ nền (BGS) không nằm ở chất lượng sản phẩm mà ở nguyên lý hoạt động và phạm vi ứng dụng phù hợp. Cả hai đều là giải pháp tuyệt vời của SICK, nếu được chọn đúng cho ứng dụng cụ thể.

Cần tư vấn chọn cảm biến quang SICK phù hợp?

Đội ngũ kỹ thuật AUMI sẵn sàng hỗ trợ tư vấn miễn phí

📞 Hotline: 0917 991 589 (Hà Nội) | 0932 226 100 (TP.HCM)

📧 Email: [email protected]

🌐 Website: https://aumi.com.vn

📍 Địa chỉ:

• Hà Nội: B44, Lô nhà vườn, Khu đô thị Việt Hưng, Long Biên
• TP.HCM: Tầng 2, tòa nhà HS, 260/11 Nguyễn Thái Bình, Quận Tân Bình
• Đà Nẵng: Tầng 9 Tòa nhà PV Bank, Số 2 đường 30-4, Phường Hòa Cường