Cảm biến (sensor) là thiết bị điện tử nhận biết một đại lượng vật lý hoặc hóa học của môi trường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, khoảng cách, lưu lượng và đổi thành tín hiệu điện cho bộ điều khiển. Trên thị trường Việt Nam, người mua hay gọi ghép là cảm biến sensor; hai cách gọi chỉ cùng một loại thiết bị. Bài viết trình bày cấu tạo, hai cách phân loại, chín loại cảm biến phổ biến, cách ghép nối về PLC hoặc máy tính công nghiệp và tiêu chí chọn mua.
1. Cảm biến là gì?
Cảm biến (sensor) là thiết bị điện tử cho phép nhận biết các yếu tố vật lý hoặc hóa học từ môi trường xung quanh như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, chuyển động và đổi chúng thành tín hiệu điện.
Các đại lượng cần đo thường không mang tính chất điện. Khi tác động lên phần tử nhạy của cảm biến, chúng tạo ra một đại lượng điện như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc làm thay đổi điện trở, điện dung. Mạch xử lý đọc đại lượng điện này và suy ra giá trị đo.
Tín hiệu sau xử lý được đưa về màn hình hiển thị, PLC hoặc máy tính công nghiệp. Trong tự động hóa công nghiệp, cảm biến thay cho các cơ cấu cơ khí truyền thống như phao, công tắc hành trình, nhiệt kế thủy ngân, với độ chính xác và độ lặp lại cao hơn nhờ vi mạch điện tử.
Sensor, transducer và cảm biến thông minh
Trong tài liệu kỹ thuật, sensor chỉ phần tử nhạy, transducer (bộ chuyển đổi) chỉ cả cụm gồm phần tử nhạy và mạch chuyển đổi ra tín hiệu chuẩn. Cảm biến thông minh (smart sensor) có thêm vi xử lý và cổng truyền thông số, tự hiệu chuẩn, tự báo lỗi và gửi dữ liệu theo giao thức IO-Link, Modbus hoặc Ethernet.
2. Cấu tạo của cảm biến
Thị trường có hàng nghìn mã cảm biến cho các mục đích khác nhau, nhưng cấu tạo đều gồm bốn khối.
- Phần tử nhạy (đầu dò): vật liệu hoặc linh kiện thay đổi tính chất điện theo đại lượng đo, ví dụ điện trở platinum của cảm biến nhiệt độ Pt100, màng áp điện của cảm biến áp suất, photodiode của cảm biến quang.
- Mạch xử lý tín hiệu: khuếch đại, lọc nhiễu, bù nhiệt và tuyến tính hóa tín hiệu sơ cấp.
- Mạch ngõ ra: chuẩn hóa thành tín hiệu số ON/OFF (PNP/NPN, relay), tín hiệu tương tự 4–20 mA, 0–10 V hoặc gói dữ liệu số.
- Vỏ bảo vệ và đầu nối: vỏ kim loại hoặc nhựa với cấp bảo vệ IP65, IP67, IP69K; đầu nối M8, M12 hoặc cáp liền; ren lắp G1/4, G1/2, NPT với cảm biến áp suất và nhiệt độ.
Tín hiệu ra được chuẩn hóa theo mức điện áp và dòng điện thông dụng nên cảm biến của nhiều hãng đều ghép được với bộ điều khiển có sẵn của máy móc trên thị trường.
3. Phân loại cảm biến
Cảm biến được phân loại theo ba cách: theo nguồn cấp (chủ động, bị động), theo nguyên lý hoạt động và theo đại lượng đo. Kỹ sư mua hàng thường đi từ đại lượng đo, sau đó chọn nguyên lý và tín hiệu ra.
3.1 Cảm biến chủ động và bị động
Cảm biến chủ động (active sensor) tự sinh ra tín hiệu điện từ đại lượng đo mà không cần nguồn phụ. Ví dụ cặp nhiệt điện sinh điện áp theo chênh lệch nhiệt độ, phần tử áp điện sinh điện tích khi bị ép, ăng-ten nhận sóng.
Cảm biến bị động (passive sensor) chỉ thay đổi thông số điện như điện trở, điện dung, điện cảm; cần nguồn cấp và mạch đo để đọc giá trị. Ví dụ nhiệt điện trở Pt100, biến trở đo vị trí, photodiode phân cực ngược, cảm biến điện dung.
3.2 Phân loại theo nguyên lý hoạt động
- Cảm biến điện trở: điện trở đổi theo vị trí con chạy (biến trở) hoặc theo biến dạng của vật dẫn (strain gauge).
- Cảm biến điện cảm: cảm biến vi sai đo vị trí (LVDT), cảm biến dòng xoáy dò khuyết tật kim loại, cảm biến điện động đổi chuyển động thành điện áp như micro điện động, đầu thu địa chấn.
- Cảm biến điện dung: điện dung giữa điện cực và vật thể đổi theo khoảng cách; phát hiện được cả vật phi kim và mức chất lỏng.
- Cảm biến từ trường: cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trở, công tắc lưỡi gà; xem thêm bài cảm biến từ là gì.
- Cảm biến áp điện: gốm áp điện đổi áp suất, lực, rung thành điện tích; dùng trong đầu đo rung, micro thu âm.
- Cảm biến quang: photodiode, phototransistor, chip ảnh CMOS/CCD; phát hiện vật, đọc mã vạch, chụp ảnh kiểm tra.
- Cảm biến nhiệt: cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, cảm biến bán dẫn, cảm biến hồng ngoại đo không tiếp xúc.
- Cảm biến điện hóa: dòng điện hoặc điện thế đổi theo nồng độ chất khí, pH, oxy hòa tan.
3.3 Phân loại theo đại lượng đo
Đây là cách chia người mua dùng nhiều nhất vì bám sát bài toán cần đo.
| Đại lượng đo | Loại cảm biến thường dùng | Tín hiệu ra phổ biến | Ứng dụng trong nhà máy |
|---|---|---|---|
| Nhiệt độ | Pt100, cặp nhiệt điện K/J, hồng ngoại | 4–20 mA, RTD 3 dây | Lò sấy, buồng ủ, kho lạnh |
| Áp suất | Màng áp điện trở, điện dung | 4–20 mA, 0–10 V | Khí nén, thủy lực, nồi hơi |
| Mức | Siêu âm, radar, điện dung, phao | 4–20 mA, PNP/NPN | Bồn chứa, silo |
| Lưu lượng | Điện từ, siêu âm, tuabin, vortex | 4–20 mA, xung | Đường ống nước, hóa chất |
| Vị trí, khoảng cách | Tiệm cận, quang, laser, encoder | PNP/NPN, xung A/B | Băng tải, máy CNC, robot |
| Lực, khối lượng | Loadcell strain gauge | mV/V, 4–20 mA | Cân định lượng, máy ép |
| Gia tốc, rung | Áp điện, MEMS | IEPE, 4–20 mA | Giám sát động cơ, bơm |
| Khí, độ ẩm | Điện hóa, bán dẫn, điện dung | 4–20 mA, RS-485 | Kho hóa chất, phòng sạch |
4. Một số loại cảm biến phổ biến
4.1 Cảm biến nhiệt độ
Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ của nước, chất lỏng, không khí hoặc bề mặt vật. Hai loại dùng nhiều trong công nghiệp là nhiệt điện trở Pt100 (chính xác, dải đến khoảng 600 °C) và cặp nhiệt điện loại K, J (dải rộng hơn, đáp ứng nhanh). Đầu nóng đặt tại điểm cần đo; đầu lạnh nối về bộ chuyển đổi hoặc mô-đun đọc RTD, cặp nhiệt.
4.2 Cảm biến quang học
Cảm biến quang gồm bộ phát và bộ thu ánh sáng; khi vật thể chắn hoặc phản xạ chùm sáng, ngõ ra đổi trạng thái. Ba kiểu chính là thu phát độc lập, phản xạ gương và phản xạ khuếch tán. Loại dùng bước sóng hồng ngoại được trình bày riêng trong bài cảm biến hồng ngoại là gì.
4.3 Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất đo áp suất chất lỏng hoặc khí và đổi thành tín hiệu điện cho bộ điều khiển. Ứng dụng: máy nén khí, bình khí nén, hệ thống điều hòa, hệ thống thủy lực, nồi hơi. Ba nguyên lý chính:
- Áp điện trở (cầu Wheatstone): áp suất làm biến dạng màng, điện trở trên màng đổi và cho ra điện áp lệch cầu.
- Điện dung: áp suất đổi khoảng cách giữa hai bản cực, điện dung đổi theo.
- Điện cảm: màng hoặc đĩa dịch chuyển làm đổi độ tự cảm của cuộn dây.
Cảm biến áp suất đo tuyệt đối trong buồng hút chân không được trình bày ở bài cảm biến MAP là gì.
4.4 Cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận phát hiện vật thể ở cự ly gần mà không chạm vào vật. Hai loại chính:
- Tiệm cận điện cảm: phát trường điện từ, chỉ phát hiện kim loại; chịu được bụi, dầu, hoạt động tốt trong xưởng gia công cơ khí.
- Tiệm cận điện dung: phát trường điện dung, phát hiện cả nhựa, gỗ, giấy, chất lỏng; dùng trong đóng gói và đo mức.
4.5 Cảm biến vị trí
Cảm biến vị trí đo vị trí của vật trong chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay. Loại tiếp xúc như biến trở, LVDT; loại không tiếp xúc như encoder quang, encoder từ, cảm biến laser. Cảm biến vị trí quay dùng đo góc lái, góc mở cổng, hướng gió; cảm biến vị trí thẳng dùng cho bàn máy CNC, xy lanh thủy lực, thiết bị mô phỏng.
4.6 Cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc đo lực quán tính tác động lên khối lượng thử theo một hoặc ba trục. Trong công nghiệp, cảm biến gia tốc áp điện gắn trên vỏ động cơ, bơm, quạt để giám sát rung; biên độ rung tăng là dấu hiệu sớm của mòn ổ bi, mất cân bằng hoặc lỏng bu lông. Loại MEMS giá thấp được tích hợp trong điện thoại, thiết bị đeo và xe tự hành AGV để nhận biết va chạm, nghiêng, rung.
4.7 Cảm biến hạt
Cảm biến hạt phát hiện bụi và hạt lơ lửng trong không khí, cho tín hiệu về bộ điều khiển. Ứng dụng: giám sát nồng độ bụi trong kho, silo, công trường, phòng sạch; máy đếm hạt bụi. Trong kỹ thuật hạt nhân, nhóm này còn gọi là cảm biến bức xạ, dùng trong máy dò hạt.
4.8 Cảm biến lực
Cảm biến lực (loadcell) đổi lực nén, lực kéo, mô-men xoắn thành tín hiệu điện. Nguyên lý phổ biến là strain gauge: lực làm biến dạng thân kim loại, điện trở của lá đo dán trên thân đổi theo và được đọc qua cầu Wheatstone. Loadcell dùng trong cân định lượng, cân băng tải, máy ép, kiểm tra lực siết.
4.9 Cảm biến dòng chảy
Cảm biến lưu lượng đo chuyển động của chất lỏng hoặc chất khí trong đường ống. Loại siêu âm kẹp ngoài ống không cần cắt ống; loại điện từ đo chất lỏng dẫn điện; loại tuabin và vortex đo nước, hơi, khí. Cảm biến phát hiện dòng chảy (flow switch) chỉ báo có hoặc không có dòng, dùng để bảo vệ bơm chạy khô: khi không có nước, cảm biến báo về bộ điều khiển để cắt nguồn bơm.
Với môi trường có khí cháy nổ hoặc khí độc, nhà máy cần thêm cảm biến khí gas để cảnh báo rò rỉ.
5. Ứng dụng của cảm biến
Cảm biến có mặt trong sản xuất, y tế, đo lường khoa học, giao thông, hàng hải và hàng không.
- Sản xuất: đếm sản phẩm trên băng tải, đo nhiệt độ lò, giám sát áp suất khí nén, kiểm tra vị trí chi tiết trước khi robot gắp.
- Kho và logistics: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm trong kho dược phẩm, kho lạnh; cảm biến quang và laser dẫn hướng xe AGV.
- Giao thông: cảm biến áp suất trong hệ thống phanh, cảm biến khí thải, cảm biến rung trên động cơ máy bay.
- Y tế: cảm biến nhịp tim, oxy máu, nhiệt độ cơ thể trên thiết bị theo dõi bệnh nhân.
Trong hệ thống IoT, cảm biến là lớp thu dữ liệu đầu tiên. Dữ liệu được gửi lên máy chủ hoặc nền tảng đám mây để phân tích, từ đó phần mềm cảnh báo hoặc tự điều chỉnh chế độ máy. Ví dụ quen thuộc là máy điều hòa, tủ lạnh, lò vi sóng tự đổi công suất theo cảm biến nhiệt độ; trong nhà máy, PLC đọc cảm biến nhiệt độ để điều khiển quạt, van làm mát theo chương trình cài sẵn.
6. Lưu ý khi chọn mua cảm biến
- Dải đo: chọn dải đo bao trùm giá trị vận hành và có dự phòng; dải quá rộng làm giảm độ phân giải, dải quá hẹp làm cảm biến quá tải.
- Tín hiệu ra: 4–20 mA truyền xa, ít nhiễu và phát hiện được đứt dây (dòng về 0 mA); 0–10 V phù hợp cự ly ngắn; PNP/NPN cho tín hiệu ON/OFF; Modbus RTU hoặc IO-Link khi cần đọc nhiều thông số trên một dây.
- Kết nối cơ khí: chọn đúng ren G1/4, G1/2, 1/4 NPT, 1/2 NPT hoặc mặt bích để lắp vào vị trí có sẵn trên đường ống.
- Nhiệt độ và môi trường: xem dải nhiệt độ làm việc, cấp bảo vệ IP, vật liệu vỏ (inox 316 cho hóa chất, thực phẩm) và chứng nhận phòng nổ nếu lắp ở khu vực có khí cháy.
- Nguồn cấp và đấu dây: cảm biến 2 dây, 3 dây hay 4 dây; nguồn 24 V DC phổ biến trong tủ điện.
7. Ghép nối cảm biến với PLC và máy tính công nghiệp
Cảm biến chỉ có giá trị khi tín hiệu về được bộ điều khiển đúng cách. Bảng dưới tóm tắt ngõ vào tương ứng với từng loại tín hiệu.
| Tín hiệu cảm biến | Ngõ vào cần có | Thiết bị tiếp nhận |
|---|---|---|
| ON/OFF PNP/NPN 24 V | Digital Input (DI) cách ly | PLC, mô-đun DI, máy tính công nghiệp có DIO |
| 4–20 mA, 0–10 V | Analog Input (AI) 12–16 bit | Mô-đun AI, PLC có AI, bộ thu thập tín hiệu |
| Pt100, cặp nhiệt điện | Ngõ vào RTD / TC | Mô-đun nhiệt độ, bộ chuyển đổi ra 4–20 mA |
| Modbus RTU, IO-Link | RS-485, IO-Link master | Máy tính công nghiệp, gateway, PLC |
| Modbus TCP, OPC UA | Cổng Ethernet | Máy tính công nghiệp, máy chủ SCADA |
Với vài chục điểm đo rải trong xưởng, cách làm phổ biến là đặt mô-đun thu thập tín hiệu gần cảm biến, nối về máy tính công nghiệp bằng RS-485 hoặc Ethernet. Máy tính đọc dữ liệu, hiển thị trên SCADA và lưu lịch sử để phân tích.
Chọn thiết bị cho hệ thống cảm biến
Kỹ sư IPC247 khuyến nghị ba tiêu chí khi chọn bộ thu thập và xử lý tín hiệu cảm biến:
- Ngõ vào tương tự cách ly, độ phân giải 16 bit, cấu hình được mV, V hoặc mA để đọc trực tiếp cảm biến 4–20 mA.
- Cổng RS-485 và Ethernet để gom nhiều mô-đun về một máy chủ theo Modbus RTU/TCP.
- Thiết kế không quạt, nguồn 10–36 V DC, gắn DIN-rail để đặt trong tủ điện cạnh cảm biến.
Advantech ADAM-4017+ có 8 ngõ vào tương tự vi sai 16 bit, cấu hình được mV, V, mA, cách ly 3000 V DC, giao tiếp RS-485 theo Modbus RTU. Làm máy chủ thu dữ liệu tại biên, Advantech UNO-2271G là máy tính không quạt kích thước bỏ túi với 2 cổng LAN, tùy chọn 2 cổng RS-232/422/485 và mô-đun iDoor cho ngõ vào/ra số cách ly. Xem thêm danh mục máy tính nhúng cho tự động hóa hoặc dùng công cụ chọn máy theo điều kiện lắp đặt để lọc theo số cổng COM, DIO và nhiệt độ. Các bài chuyên sâu về từng loại cảm biến được tập hợp tại chuyên mục cảm biến.
Câu hỏi thường gặp về cảm biến
Cảm biến là gì?
Cảm biến (sensor) là thiết bị điện tử nhận biết một đại lượng vật lý hoặc hóa học của môi trường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, khoảng cách, lưu lượng và đổi thành tín hiệu điện. Bộ điều khiển đọc tín hiệu này để hiển thị, ghi lại hoặc ra lệnh cho cơ cấu chấp hành.
Sensor là gì, có khác cảm biến không?
Sensor là từ tiếng Anh của cảm biến, hai từ chỉ cùng một loại thiết bị. Trong tài liệu kỹ thuật, sensor còn được dùng cho phần tử nhạy bên trong, còn transducer chỉ cả cụm gồm phần tử nhạy và mạch chuyển đổi tín hiệu. Trên thị trường Việt Nam, cách gọi ghép cảm biến sensor cũng phổ biến.
Cấu tạo của cảm biến gồm những gì?
Một cảm biến gồm phần tử nhạy (đầu dò) đổi đại lượng đo thành tín hiệu điện sơ cấp, mạch xử lý khuếch đại và tuyến tính hóa tín hiệu, mạch ngõ ra chuẩn hóa thành 4–20 mA, 0–10 V, PNP/NPN hoặc giao thức số, và vỏ bảo vệ với cấp IP phù hợp môi trường lắp.
Phân loại cảm biến theo đại lượng đo như thế nào?
Theo đại lượng đo, cảm biến được chia thành cảm biến nhiệt độ, áp suất, mức, lưu lượng, vị trí và khoảng cách, lực và khối lượng, gia tốc và rung, quang, khí và độ ẩm. Cách chia này giúp người mua chọn thiết bị theo bài toán cần đo, sau đó mới xét nguyên lý và tín hiệu ra.
Tín hiệu ra của cảm biến nối về đâu?
Tín hiệu cảm biến nối về ngõ vào của PLC, mô-đun thu thập tín hiệu hoặc máy tính công nghiệp. Ngõ ra số PNP/NPN vào cổng DI, ngõ ra 4–20 mA hoặc 0–10 V vào cổng AI, còn cảm biến có giao thức Modbus, IO-Link nối qua cổng RS-485 hoặc Ethernet.