Cảm biến là một phần không thể thiếu trong đời sống và quá trình sản xuất, giúp điều khiển các thiết bị trong các ngành công nghiệp hiện đại. Cùng theo dõi bài viết sau để tìm hiểu đầy đủ về cảm biến là gì, cấu tạo và phân loại các cảm biến hiện nay ra sao.
1. Cảm biến là gì?
Cảm biến – sensor, là một thiết bị điện tử cho phép nhận biết các yếu tố vật lý hoặc hoá học từ môi trường xung quanh, bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất và chuyển động…
Các đại lượng cần đo thường không có tính chất điện. Nhưng tác động lên cảm biến sẽ cho ta một đại lượng điện như điện tích, điện áp hoặc dòng điện, từ đó ta có thể xác định giá trị của đại lượng đo.
Sau khi thu thập thông tin, cảm biến chuyển đổi nó thành các tín hiệu điện và xuất ra màn hình hoặc máy tính. Công việc tự động hóa công nghiệp sử dụng cảm biến để thay thế các thiết bị cơ khí truyền thống với độ chính xác cao hơn rất nhiều bởi các vi mạch điện tử.
2. Cấu tạo của cảm biến / Sensor là gì
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều loại cảm biến phục vụ cho các mục đích khác nhau, tuy nhiên, chúng đều được làm từ các phần tử sensor điện thay đổi tính chất theo sự biến đổi của môi trường (đầu dò). Các cảm biến này được thiết kế nhỏ gọn với cấu tạo bao gồm các phần tử mạch điện, tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh và được đóng gói gọn gàng.
Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò, và nhiều khi đi kèm với các mạch điện hỗ trợ.
Các tín hiệu được phát ra theo chuẩn mức điện áp và dòng điện thông dụng, phù hợp cho việc sử dụng với các bộ điều khiển của các thiết bị và máy móc trên thị trường. Với kiến thức về cấu tạo của cảm biến, chúng ta có thể hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và ứng dụng của chúng trong đời sống và sản xuất công nghiệp.
3. Phân loại cảm biến
Trên thị trường hiện nay có rất nhiều cảm biến khác nhau. Dựa trên cấu tạo, nguyên lý hoạt động hay tính chất… của từng loại mà chúng ta phân mỗi cái vào từng mục khác nhau. Bao gồm:
3.1 Cảm biến chủ động và bị động
Cảm biến chủ động là loại cảm biến sử dụng nguồn điện để chuyển đổi thành tín hiệu điện. Các loại cảm biến này được làm từ vật liệu gốm có khả năng biến đổi áp suất thành điện tích trên bề mặt. Hiện nay, tất cả các ăng-ten đều thuộc loại cảm biến chủ động.
Cảm biến bị động được hiểu đơn giản là các loại cảm biến không sử dụng nguồn điện bổ sung để chuyển đổi thành tín hiệu điện. Các loại photodiode hoạt động bằng cách ánh sáng chiếu vào sẽ thay đổi mức điện trở của vùng nối bán dẫn p-n phân cực ngược. Các loại biến trở cũng thuộc loại cảm biến bị động.
3.2 Cảm biến phân loại theo nguyên lý hoạt động
Ngoài việc phân loại cảm biến theo tính chủ động và bị động, bạn cũng có thể tham khảo cách phân loại cảm biến theo nguyên lý hoạt động.
Cảm biến điện trở: là loại cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở do di chuyển con chạy (hoặc góc quay của biến trở) hoặc sự biến đổi điện trở do co giãn của vật dẫn.
Cảm biến cảm ứng bao gồm:
- Cảm biến vi phân xác định vị trí.
- Cảm biến biến dòng xoáy được ứng dụng trong việc dò khuyết tật kim loại hoặc dò mìn.
- Cảm biến cảm ứng điện từ, bao gồm các loại antenna.
- Cảm biến cảm ứng điện động có chức năng chuyển đổi chuyển động thành tín hiệu điện, ví dụ như microphone điện động, đầu thu sóng địa chấn.
- Cảm biến điện dung: là loại cảm biến hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung giữa vật thể kim loại và cảm biến khi khoảng cách giữa chúng thay đổi.
- Cảm biến điện trường (viết tắt FET): hoạt động dựa vào sự thay đổi điện trường, làm thay đổi cường độ dòng điện trong cảm biến.
- Cảm biến từ trường bao gồm các loại cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường sử dụng vật liệu sắt từ…
- Cảm biến áp điện: có chức năng chuyển đổi áp suất sang tín hiệu điện, sử dụng vật liệu gốm áp điện như titanat bari, mic thu âm, đầu thu sóng địa chấn…
- Cảm biến quang: là những cảm biến hình ảnh thuộc loại CMOS hoặc CCD, được sử dụng trong máy ảnh, đầu đọc giấy của máy in…
- Cảm biến nhiệt độ: được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đo nhiệt độ, cặp lưỡng kim, linh kiện bán dẫn…
4. Một số loại cảm biến phổ biến
4.1 Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt là một thiết bị dùng để đo nhiệt độ trong các môi trường như nước, chất lỏng, không khí. Đây là một trong những loại cảm biến nhiệt độ phổ biến nhất trên thị trường hiện nay.
Thông thường, cảm biến nhiệt bao gồm hai bộ phận chính đó là đầu nóng và đầu lạnh. Đầu nóng tiếp xúc với những nơi cần đo nhiệt độ và chuyển đổi nhiệt thành tín hiệu điện. Đầu lạnh được sử dụng để nối các bộ điều khiển hoặc dùng để mã hóa tín hiệu sau khi được truyền đến máy tính. Cảm biến nhiệt thường được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế, khoa học, và hộ gia đình để giám sát và điều khiển nhiệt độ.
4.2 Cảm biến quang học
Cảm biến quang học là loại cảm biến rất nhạy cảm với môi trường ánh sáng và được cấu tạo từ các linh kiện bán dẫn. Khi có nguồn ánh sáng đi qua nó, cảm biến quang học sẽ thay đổi tính chất và biến đổi thành dạng thông tin để truyền về bộ điều khiển thông qua các bảng mạch.
Hiện nay, có 3 loại cảm biến quang học chính là cảm biến quang hồng ngoại, cảm biến gương phản xạ và cảm biến quang khuếch tán.
4.3 Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất là thiết bị dùng để đo áp suất của chất lỏng hoặc khí và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử để sử dụng trong các bộ điều khiển. Chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị như máy nén khí, bình khí nén, hệ thống điều hòa không khí, hệ thống lái xe ô tô, cũng như trong các ngành công nghiệp khác.
Có 3 loại cảm biến áp suất chính là:
- Cảm biến áp suất cầu: sử dụng các cầu wheatstone để đo áp suất. Khi áp suất tác động lên cầu, điện trở của các đầu cầu sẽ thay đổi, dẫn đến thay đổi điện áp đầu ra.
- Cảm biến áp suất biến dung: sử dụng các tế bào biến dung để đo áp suất. Khi áp suất tác động lên tế bào biến dung, khoảng cách giữa các điện cực sẽ thay đổi, dẫn đến thay đổi điện dung và tín hiệu điện tử đầu ra.
- Cảm biến áp suất cảm ứng: sử dụng các nguyên tắc cảm ứng điện từ để đo áp suất. Khi áp suất tác động lên một màng hoặc đĩa, nó sẽ gây ra sự biến đổi trong dòng điện đi qua các dây dẫn được đặt sẵn trên đĩa.
4.4 Cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận là một loại cảm biến được sử dụng để phát hiện vật thể bằng cách sử dụng từ trường. Nguyên lý hoạt động của nó là phát ra các trường điện từ và sau đó nhận biết các vật thể bằng kim loại ở phía trước. Các tín hiệu phát ra sẽ được thu lại và đưa về bộ điều khiển. Có hai loại cảm biến tiệm cận chính là cảm biến trường điện từ và cảm biến điện dung.
- Cảm biến trường điện từ dùng để phát hiện các vật thể bằng kim loại, và nó có thể hoạt động trong môi trường sản xuất công nghiệp ô nhiễm. Tuy nhiên, loại cảm biến này chỉ có thể phát hiện được kim loại.
- Cảm biến điện dung là loại cảm biến phát hiện các vật thể dạng nhựa hoặc carton. Đầu dò của cảm biến này sẽ phát ra trường điện dung, và khi vật thể đi ngang qua đầu dò thì tín hiệu điện sẽ được xuất ra và đưa về bộ chuyển đổi.
4.5 Cảm biến vị trí
Cảm biến sensor vị trí được sử dụng để đo vị trí của đối tượng trong các chuyển động tuyến tính hoặc chuyển động quay. Có hai loại cảm biến vị trí: liên hệ và không liên hệ, tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng.
Ví dụ về ứng dụng của cảm biến vị trí quay là đo góc lái trong xe, đo hướng gió, rào chắn và đo góc cổng. Trong khi đó, các ứng dụng của cảm biến vị trí tuyến tính bao gồm: điều khiển bàn đạp ga, di chuyển trên đường dốc và định vị cầu, và mô phỏng chuyến bay.
4.6 Cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc, thường được tích hợp trên các thiết bị điện tử như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy chơi game, và thiết bị y tế, có chức năng đo gia tốc thông qua việc sử dụng cấu trúc cơ học hoặc điện tử. Cấu trúc của cảm biến này cho phép nó đo lực tác động lên thiết bị theo các trục khác nhau.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến này dựa trên đối lực trọng trường và thường được tích hợp vào các thiết bị di động để nhận diện chuyển động như va chạm, rung động, hoặc xoay. Khi thiết bị chuyển động theo một hướng nào đó và gặp phải lực tác động, sự chênh lệch trong lực trọng trường sẽ xảy ra. Cảm biến sau đó đo lường gia tốc của chuyển động đó, cung cấp thông tin chính xác về các biến động và thay đổi trong môi trường xung quanh.
4.7 Cảm biến hạt
Cảm biến hạt đóng vai trò quan trọng trong việc cảm nhận bụi và các hạt trong không khí, đồng thời cung cấp tín hiệu cho thiết bị điều khiển. Ứng dụng chính của loại cảm biến này bao gồm giám sát lượng bụi trong các môi trường như thùng, nhà kho, công trường và nhiều bối cảnh khác.
Cảm biến hạt cũng có ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực kỹ thuật hạt nhân, nơi nó được biết đến với tên gọi cảm biến bức xạ. Thường xuất hiện trong các thiết bị đếm hạt bụi, máy đếm hạt không khí, và máy dò hạt, cảm biến hạt chơi một vai trò quan trọng trong việc theo dõi và đo lường hạt bụi và hạt khác.
4.8 Cảm biến lực
Cảm biến lực giúp chuyển đổi mọi loại lực từ lực nén, lực căng, áp suất, đến lực tác động thành tín hiệu điện, được chuẩn hóa theo các thước đo cơ bản. Thường xuất hiện trong các thiết bị đo lực căng, lực kéo, hay áp suất, cảm biến này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra các thông số liên quan đến lực như trọng lượng, mô-men xoắn, và tải.
Nguyên tắc hoạt động của cảm biến lực dựa trên động cơ áp điện, với điện trở thay đổi khi tải biến dạng. Điều này cho phép cảm biến đo lường mô-men xoắn và biến dạng. Lực tác động được chuyển đổi thành thay đổi điện trở trong cầu điện trở, sau đó tạo ra tín hiệu thuận lợi và chuẩn đưa ra kết quả đo lường. Qua quy trình này, cảm biến lực không chỉ cung cấp thông tin chính xác về lực mà còn có khả năng chuẩn hóa tín hiệu để đảm bảo kết quả đo lường đáng tin cậy.
4.9 Cảm biến dòng chảy
Cảm biến đo dòng chảy đóng vai trò quan trọng trong việc cảm nhận chuyển động của chất lỏng và chất khí, cung cấp tín hiệu đầu vào cho các thiết bị đo dòng chảy. Điều đặc biệt của thiết bị này là khả năng hoạt động hoàn toàn điện tử, sử dụng khả năng phát hiện siêu âm từ bên ngoài đường ống. Ngay cả khi có hoặc không có nước trong đường ống, cảm biến vẫn giữ nguyên trạng thái và không bị ảnh hưởng.
Cảm biến đo dòng chảy này có cách hoạt động khác biệt so với cảm biến phát hiện nước và thường được ưa chuộng trong các ứng dụng đo lường và giám sát dòng chảy trong môi trường công nghiệp. Thông thường, cảm biến được lắp đặt ở đầu ra và gửi tín hiệu về bộ điều khiển. Khi cảm biến phát hiện nước trong đường ống, đồng thời xác nhận hoạt động bình thường của bơm, thiết bị ngay lập tức gửi tín hiệu để báo về bộ điều khiển. Ngược lại, nếu không có nước hoặc nước không chảy trong đường ống, cảm biến sẽ kích hoạt tín hiệu cảnh báo, đồng thời cắt nguồn cho bơm để tránh hậu quả tiêu cực.
5. Ứng dụng của cảm biến là gì
Cảm biến sensor cũng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như y tế, đo lường khoa học, giao thông, tàu thủy, máy bay,…
Ví dụ, cảm biến nhịp tim được sử dụng để theo dõi sức khỏe người dùng, cảm biến độ ẩm và nhiệt độ được dùng trong các phòng chứa thuốc để giữ cho thuốc không bị hư hỏng, cảm biến áp suất được sử dụng trong hệ thống phanh và hệ thống điều hòa không khí trong các phương tiện giao thông, cảm biến độ rung được sử dụng trong máy bay để phát hiện các vấn đề về độ rung của động cơ và cánh quạt.
Tương tự, IoT sử dụng các cảm biến để đo lường và thu thập thông tin về môi trường từ các thiết bị cảm biến. Thông qua việc này, IoT nhận biết các thay đổi trong môi trường, sau đó lưu trữ dữ liệu này trong Dữ liệu lớn Big Data, cung cấp thông tin cho người dùng hoặc tự động điều chỉnh hoạt động của máy móc ở chế độ phù hợp.
Bạn có thể đã thấy các ví dụ về các thiết bị như lò sưởi, máy điều hòa tự động điều chỉnh nhiệt độ trong phòng khi có sự thay đổi nhiệt độ môi trường bên ngoài, tủ lạnh, lò vi sóng tự động điều chỉnh nhiệt độ để phù hợp với việc nấu nướng hoặc bảo quản thực phẩm.
Tất cả đều là ứng dụng của cảm biến nhiệt độ thông qua việc tích hợp một vi mạch điều khiển (IC) có khả năng nhận thông tin môi trường và chuyển đến bộ điều khiển tự động. Từ đó, bộ điều khiển đưa ra quyết định được lập trình trên PLC để điều chỉnh chế độ gió, làm lạnh, và thay đổi nhiệt độ bên trong và nhiều hơn nữa.
6. Lưu ý cần biết khi chọn mua cảm biến
Dải đo của cảm biến: Lưu ý đến dải đo của cảm biến, vì mỗi sản phẩm sẽ có mức đo khác nhau. Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng cụ thể, người dùng nên lựa chọn sản phẩm có dải đo phù hợp.
Tín hiệu output của cảm biến: Kiểm tra tín hiệu output của cảm biến, thường là 4-20mA để đảm bảo truyền tín hiệu xa mà vẫn giữ được độ ổn định.
Ren kết nối của cảm biến: Chọn đúng loại ren kết nối để đảm bảo sự tương thích với vị trí cần đo áp suất. Các loại ren phổ biến như G1/4″, G1/2″, 1/2″ NPTM và 1/4″ NPTM có thể được xem xét.
Nhiệt độ môi trường: Đánh giá biên độ chịu nhiệt của cảm biến. Mỗi loại cảm biến có khả năng chịu nhiệt khác nhau, vì vậy, người dùng cần chọn cảm biến có biên độ nhiệt phù hợp với môi trường làm việc để đảm bảo hiệu suất vận hành.
Tóm lại, cảm biến là một phần quan trọng của cuộc sống hiện đại và có tiềm năng lớn để tiếp tục đóng góp vào sự phát triển và cải thiện cuộc sống của chúng ta trong tương lai. Chúng ta cần duy trì sự quan tâm và đầu tư vào nghiên cứu và phát triển cảm biến để khám phá những tiềm năng mới và giải quyết các thách thức toàn cầu.
Bài viết liên quan:
