Sensor là gì? Các loại cảm biến sensor phổ biến

Trong thời đại Công nghệ 4.0 đang ngày càng phát triển, các thiết bị công nghệ được cải tiến và đổi mới hoàn toàn. Trong đó, công nghệ sensor đang được nhiều nhà sản xuất áp dụng vào thiết bị máy móc, giúp ích cho con người. Vậy sensor là gì? Các loại sensor và ứng dụng của chúng hiện nay như thế nào? Cùng Sansosanh tìm hiểu trong bài viết dưới đây nhé!

Sensor là gì?

Sensor còn được gọi tên theo tiếng Việt là cảm biến. Vậy cảm biến là gì?

Sensor là một thuật ngữ chuyên ngành, được sử dụng để chỉ các loại cảm biến, đầu dò, công tắc hay một loại thiết bị nào đó có thể cảm nhận được. Công nghệ thường được dùng trong các thiết bị có bộ phận cảm nhận, tiếp xúc theo một phương thức nào đó, nhằm có thể đo lường các đại lượng hoặc hiện tượng vật lý nào đó.

Bên cạnh đó, cảm biến (sensor) còn có các bộ phận để xử lý tín hiệu và cho ra nhiều dạng tín hiệu khác nhau, giúp cho người dùng có thể kết nối với các thiết bị hỗ trợ và điều khiển khác. Nói một cách đơn giản, cảm biến chính là một thiết bị có vai trò cảm nhận sự thay đổi trong môi trường như nhiệt, ánh sáng, âm thanh, … sau đó chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Các tín hiệu này có thể được chuyển đổi hoặc truyền trực tiếp đến bộ phận xử lý thông tin, thường sẽ là các trạm như PLC, SCADA hoặc DCS,... Sensor đã dần thay thế hoàn toàn cho con người trong việc ứng dụng đo lường và giám sát các yếu tố tác động vật lý liên quan đến quá trình làm việc.

Với độ chính xác cao, thời gian nhanh chóng, hoạt động tốt, đáp ứng nhu cầu làm việc trong các môi trường khó tiếp cận. Điều này đã góp phần cho các nhà phát triển những thiết bị tiên tiến nhất, phục vụ cho quá trình sản xuất và chế tạo trong công nghiệp.

Ứng dụng của sensor là gì?

Để ứng dụng sensor thì còn tùy thuộc vào môi trường mà nó được sử dụng và để dễ dàng nhận biết được ứng dụng của chúng nhất là dựa vào tên gọi. Thông thường, các loại sensor (cảm biến) sẽ có tên riêng của nó, tương ứng với khả năng hoạt động. Ví dụ như cảm biến nhiệt độ sẽ sử dụng để đo nhiệt độ, cảm biến áp suất sẽ dùng để đo áp suất hoặc áp lực,...

Bởi sensor là một cụm từ chung để chỉ tất cả thiết bị có khả năng hoạt động trong nhiều kiểu môi trường khác nhau. Chung quy lại, mỗi loại cảm biến sẽ có những ứng dụng khác nhau, tùy vào môi trường, cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của chúng. Chúng ta có thể thấy sensor ở một số thiết bị như máy dò kim loại, camera hồng ngoại,...

Phân loại cảm biến (sensor) hiện nay

Trong thế giới khoa học công nghệ, có vô số loại sensor đã được phát minh và phát triển để đáp ứng cho nhu cầu sử dụng của con người trong mọi lĩnh vực, ngành nghề. Tùy theo từng tiêu chí mà chúng ta có thể phân loại được các loại cảm biến.

Theo môi trường

• Cảm biến (sensor) trong môi trường rắn
• Cảm biến (sensor) trong môi trường lỏng
• Cảm biến (sensor) trong môi trường khí

Theo phương pháp đo, cách đo (không tiếp xúc và tiếp xúc)

• Cảm biến siêu âm
• Cảm biến điện dung
• Cảm biến radar
• Cảm biến hồng ngoại
• Cảm biến quang
• Cảm biến cơ học
• Cảm biến tiệm cận
• Cảm biến cảm ứng

Theo ứng dụng

• Cảm biến nhiệt độ
• Cảm biến độ ẩm
• Cảm biến áp suất
• Cảm biến mức
• Cảm biến PH
• Cảm biến CO2
• Cảm biến Clo
• Cảm biến Carbon
• Cảm biến độ đục
• Cảm biến độ dẫn điện
• Cảm biến Oxy
• Cảm biến Hydro
• Cảm biến Nitơ
• Cảm biến Ozone
• Cảm biến khói
• Cảm biến hình ảnh
• Cảm biến phát hiện chuyển động
• Cảm biến khoảng cách (vị trí)
• Cảm biến đo biến dạng
• Cảm biến độ nghiêng
• Cảm biến tốc độ
• Cảm biến lưu lượng
• Cảm biến gia tốc
• Cảm biến ánh sáng

Một số loại cảm biến (sensor) phổ biến nhất hiện nay

Cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại là gì?

Cảm biến hồng ngoại còn có tên gọi khác là IR Sensor, là một thiết bị điện tử có khả năng đo và phát hiện những bức xạ hồng ngoại ở môi trường xung quanh. Thực ra, cảm biến hồng ngoại có tên tiếng Anh là Passive Infrared, được viết tắt là PIR, dịch sát nghĩa nhất là hồng ngoại thụ động.

Hồng ngoại hay còn gọi là tia hồng ngoại, chính là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng, nhưng ngắn hơn tia bức xạ Viba. Hồng ngoại được hiểu là ngoài bước sóng đỏ. Màu đỏ chính là màu có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thông thường. Tất cả những vật thể có nhiệt độ trên 35°C sẽ đều phát ra bước sóng hồng ngoại.

Bức xạ hồng ngoại được vô tình phát hiện bởi một nhà thiên văn học, tên là William Herschel ở những năm 1800. Trong một lần, khi ông đang đo nhiệt độ của từng màu ánh sáng (cách nhau bởi một lăng kính) thì đã phát hiện ra rằng nhiệt độ vượt ra ngoài ánh sáng đỏ là cao nhất.

Có hai loại cảm biến hồng ngoại, bao gồm cảm biến dạng thụ động và cảm biến chủ động. Cảm biến hồng ngoại hoạt động bằng việc phát ra và phát hiện các bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh.

• Với cảm biến hồng ngoại chủ động thường có cấu tạo hai phần là diode phát sáng (LED) và máy thu. Khi có một vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật thể đó và được người nhận phát hiện. Sensor hồng ngoại có vai trò là cảm biến tiệm cận, thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật, ví dụ như robot.
• Cảm biến hồng ngoại thụ động có nghĩa là chỉ nhận những tia hồng ngoại phát ra từ các vật thể khác như động vật, con người hoặc một nguồn nhiệt bất kỳ. Chúng không tự phát ra tia hồng ngoại nào cả. Sau khi nhận được nguồn nhiệt, thiết bị cảm biến sẽ bắt đầu phân tích để xác định điều kiện báo động. Vì thế, đây được gọi là loại cảm biến hồng ngoại thụ động, chỉ phát hiện chứ không phát ra tia hồng ngoại.

Nguyên tắc vận hành của cảm biến hồng ngoại

Cảm biến hồng ngoại vận hành bằng cách sử dụng một cảm biến ánh sáng cụ thể, giúp phát hiện ra bước sóng ánh sáng chọn trong phổ hồng ngoại. Bằng việc sử dụng đèn LED để tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm, bạn sẽ có thể xem được cường độ của ánh sáng đã nhận được.

Khi có một vật thể ở gần cảm biến, ánh sáng từ đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật đó và đi vào cảm biến ánh sáng. Điều này dẫn đến một bước nhảy lớn về cường độ, từ đó bạn có thể phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng.

Sơ đồ mạch thiết kế của sensor hồng ngoại:

Do sensor hồng ngoại sử dụng cảm biến bằng ánh sáng, vì thế sơ đồ sẽ gần giống với cảm biến sáng sáng. Điểm khác biệt duy nhất là việc bổ sung đèn LED hồng ngoại và một đầu dò hồng ngoại, yêu cầu kết nối với 5V và nối đất.

Cảm biến quang

Cảm biến quang là gì?

Cấu tạo của cảm biến quang

• Bộ phận thu sáng: Đối với một cảm biến quang, bộ phận sáng chính là một phototransistor hay còn gọi là tranzito quang. Bộ phận này có vai trò cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ. Bộ phận thu có thể nhận trực tiếp ánh sáng từ bộ phát, hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật thể bị phát hiện.

• Bộ phận phát sáng: Hầu hết, tất cả các cảm biến quang đều sử dụng đèn bán dẫn LED, ánh sáng được phát ra thường ở dạng xung. Nhịp điệu xung đặc biệt sẽ giúp cho cảm biến phân biệt được ánh sáng của cảm biến hay từ các nguồn khác. Loại đèn LED được sử dụng nhiều nhất là LED đỏ, LED laser, LED hồng ngoại.
• Mạch xử lý tín hiệu đầu ra: Mạch đầu ra sẽ chuyển tín hiệu tỉ lệ (analogue) từ dạng tranzito quang sang tín hiệu ON/OFF được khuếch đại. Khi lượng ánh sáng thu vượt quá ngưỡng xác định, tín hiệu ra của cảm biến sẽ được kích hoạt.

Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là gì?

Cảm biến nhiệt độ có tên gọi tiếng anh là Temperature sensor, là một dòng sensor được khá nhiều người biết đến bởi mức độ ứng dụng rộng rãi của nó. Cảm biến nhiệt độ chính là một trong những loại cảm biến bắt gặp nhiều nhất trong mọi lĩnh vực của cuộc sống như y tế, khí tượng thủy văn, đo nhiệt độ cơ thể, đo nhiệt độ nước, hoặc độ ẩm không khí,...

Ứng dụng của cảm biến nhiệt độ hiện nay

Một trong những ứng dụng phổ biến nhất của cảm biến nhiệt độ hiện nay đó là ứng dụng trong công nghiệp và chế tạo. Bạn sẽ cần đến thiết bị để đo lường nhiệt độ xem cao, vừa hay thấp, tùy vào môi trường ứng dụng.

Bên cạnh đó, Temperature sensor còn được ứng dụng nhiều trong lĩnh vực nông nghiệp, công nghệ sau khi thu hoạch. Đặc biệt là ứng dụng trong việc bảo quản nông sản sau mỗi mùa vụ.

Như chúng ta đã biết, nông sản sau khi thu hoạch cần được bảo quản tại một nhiệt độ phù hợp, thường sẽ được để trong phòng lạnh. Hoặc bạn có thể thấy trong các xe container thường có thùng lạnh để chở thực phẩm, trái cây hoặc hải sản,... Chúng ta cần có thiết bị cảm biến nhiệt độ đo và giám sát nhiệt, nhằm đảm bảo mức nhiệt phù hợp.

Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất là gì?

Pressure sensor còn được gọi là cảm biến áp suất, là một dạng cảm biến được ứng dụng phổ biến hiện nay bởi nhu cầu đo áp suất trong thủy lực, khí nén hoặc ứng dụng áp suất ngày càng tăng cao. Cảm biến áp suất bao gồm các loại như:

• Đồng hồ áp suất
• Cảm biến áp suất
• Công tắc áp suất

Mỗi loại cảm biến này sẽ có những ứng dụng thực tế riêng, và tất cả đều được sử dụng rộng rãi như nhau. Tùy vào từng ứng dụng mà ta có những thiết bị có đồng hồ hiển thị hoặc không có đồng hồ hiển thị.

Các loại cảm biến áp suất hiện nay thường có cấu tạo khá giống nhau về hình dáng cũng như chất liệu cấu thành. Điểm khác nhau có lẽ là ở các hãng sản xuất và khoảng cách đo.

Cấu tạo và nguyên tắc vận hành của cảm biến áp suất

• Cảm biến: Đây là bộ phận chuyên nhận tín hiệu từ áp suất và truyền tín hiệu về khối xử lý. Tùy thuộc vào từng loại cảm biến mà có thể chuyển tín hiệu từ dạng cơ của áp suất sang dạng điện trở, điện dung, điện cảm hoặc dòng điện,... về khối xử lý.
• Khối xử lý: Có vai trò nhận các tín hiệu từ bộ phận cảm biến, thực hiện các xử lý để chuyển đổi tín hiệu đó thành dạng tín hiệu tiêu chuẩn trong lĩnh vực đo áp suất. Ví dụ như tín hiệu ngõ ra điện áp 4 ~ 20mA (tín hiệu được sử dụng phổ biến nhất), 0 ~ 5VDC, 0 ~ 10 VDC,...

Tùy theo từng loại cảm biến mà cách thức hoạt động của chúng cũng sẽ khác nhau. Có loại hoạt động dựa trên nguyên lý biến dạng vật liệu để làm thay đổi điện trở, loại khác thì thay đổi điện dung, loại thì sử dụng vật liệu áp điện.

Theo sơ đồ trên, giả sử khi áp suất dương (+) được đưa vào thì lớp màng sẽ căng lên từ trái sang phải, ngược lại, khi đưa vào áp suất âm (-) thì lớp màng sẽ căng từ phải sang trái. Nhờ sự thay đổi này, tín hiệu sẽ được xử lý, sao đó đưa ra tín hiệu cho biết áp suất là bao nhiêu.

Trong lớp màng của cảm biến sẽ chứa các cảm biến vô cùng nhỏ, giúp phát hiện được sự thay đổi. Khi có một lực tác động vào, lớp màng sẽ bị biến đổi theo chiều hướng tương ứng với chiều của lực tác động.

Sau đó, các cảm biến sẽ so sánh được sự thay đổi với lúc ban đầu như thế nào, giúp xác định đã biến dạng được bao nhiêu %. Từ đó mà xuất ra tín hiệu ngõ ra tương ứng. Các tín hiệu ngõ ra có thể ở mức 4 ~ 20mA hoặc 0 ~ 10V, tương ứng với áp suất ngõ vào.

Trên đây là một số kiến thức tổng hợp về Sensor là gì, các loại sensor (cảm biến) được sử dụng phổ biến hiện nay. Hy vọng, các thông tin hữu ích này đã giúp bạn hiểu rõ hơn nguyên lý hoạt động và những ứng thực tế của cảm biến. Nếu còn thắc mắc về sensor, hãy để lại câu hỏi dưới phần bình luận để Sansosanh có thể giải đáp giúp bạn nhé.

Xem thêm :
-Hiệu điện thế là gì? Công thức tính hiệu điện thế | Tự học vật lý
-Sóng điện từ là gì? Toàn bộ kiến thức cơ bản về sóng điện từ
-Hiện tượng quang điện là gì và thuyết lượng tử ánh sáng