Cảm biến là gì? Phân loại, vai trò và ứng dụng của cảm biến

Cảm biến là một thiết bị điện tử có khả năng phát hiện, đo lường và chuyển đổi các đại lượng vật lý, hóa học hoặc sinh học từ môi trường xung quanh thành tín hiệu điện để có thể đọc, xử lý và sử dụng được. Từ những thiết bị gia dụng thông minh trong ngôi nhà của bạn đến các hệ thống sản xuất công nghiệp phức tạp, cảm biến đóng vai trò then chốt trong việc thu thập thông tin, giám sát và điều khiển mọi thứ. Cùng tìm hiểu về cảm biến qua bài viết sau nhé!

1. Cảm biến là gì?

Cảm biến là thiết bị có khả năng phát hiện, chuyển đổi các đại lượng vật lý hoặc hóa học (như nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, độ ẩm, gia tốc, nồng độ chất…) thành tín hiệu điện. Tín hiệu điện này sau đó được sử dụng để thu thập thông tin, đo lường, điều khiển hoặc giám sát các hệ thống và quy trình. Các cảm biến thường được bảo vệ trong một vỏ bọc, tạo thành các đầu dò hoặc bộ thu tín hiệu.

Các loại cảm biến như cảm biến biến trở và cảm biến đo lực căng vẫn được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất, chế tạo máy móc, hàng không vũ trụ, ô tô, y tế, robot và nhiều lĩnh vực khác. Bên cạnh đó, còn có nhiều loại cảm biến chuyên dụng để đo các đặc tính hóa học và vật lý của vật liệu, chẳng hạn như cảm biến quang học (đo chỉ số khúc xạ), cảm biến rung (đo độ nhớt chất lỏng) và cảm biến điện hóa (giám sát độ pH).

2. Cấu tạo chung của cảm biến

Các thành phần chính của cảm biến thường bao gồm:

• Phần tử cảm biến: Phần tử trực tiếp tương tác với đại lượng vật lý cần đo.
• Mạch chuyển đổi: Khuếch đại, lọc và chuyển đổi tín hiệu từ phần tử cảm biến thành tín hiệu điện phù hợp.
• Vỏ bảo vệ: Bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi các tác động của môi trường.
• Đầu nối: Kết nối cảm biến với thiết bị đo hoặc hệ thống điều khiển.

3. Nguyên lý hoạt động của cảm biến

• Phát hiện và chuyển đổi: Cảm biến tiếp xúc hoặc tương tác với môi trường xung quanh và phát hiện ra sự thay đổi của một đại lượng vật lý, hóa học, hoặc sinh học nào đó, sau đó sẽ chuyển đổi sự thay đổi của đại lượng đó thành một tín hiệu điện. Quá trình chuyển đổi này dựa trên các hiệu ứng vật lý, hóa học, hoặc sinh học khác nhau, tùy thuộc vào loại cảm biến.
• Xử lý tín hiệu: Một mạch xử lý tín hiệu có thể được tích hợp trong cảm biến hoặc kết nối bên ngoài để khuếch đại, lọc nhiễu, tuyến tính hóa, hoặc chuyển đổi tín hiệu thành dạng chuẩn để dễ dàng truyền đi xa hoặc kết nối với các thiết bị khác.
• Đầu ra: Tín hiệu điện đã được xử lý (hoặc tín hiệu thô trong một số trường hợp) được đưa ra ở đầu ra của cảm biến. Đầu ra này có thể được kết nối với các thiết bị hiển thị (đồng hồ, màn hình), bộ điều khiển (PLC, vi điều khiển), hệ thống thu thập dữ liệu, hoặc các thiết bị khác để theo dõi, điều khiển, xử lý thông tin,…

4. Cách phân loại cảm biến

Cảm biến có thể được phân loại theo nhiều cách, ví dụ như:

• Theo nguyên lý hoạt động: Dựa trên cách cảm biến chuyển đổi đại lượng vật lý/hóa học thành tín hiệu (ví dụ: nhiệt, áp suất, quang, điện trở).
• Theo tín hiệu đầu ra: Loại tín hiệu mà cảm biến tạo ra (ví dụ: tương tự, số, tần số).
• Theo đại lượng đo: Thông số vật lý/hóa học mà cảm biến đo được (ví dụ: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất).
• Theo kết nối: Cách cảm biến kết nối với hệ thống (ví dụ: có dây, không dây).
• Theo mức độ thông minh: Khả năng xử lý tín hiệu và tích hợp của cảm biến (thông thường, thông minh).

5. Các loại cảm biến phổ biến hiện nay

5.1. Cảm biến hình ảnh

Cảm biến hình ảnh, còn được gọi là cảm biến thị giác máy, là loại cảm biến chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện tử để tạo ra hình ảnh. Chúng hoạt động bằng cách sử dụng một mảng các phần tử nhạy sáng để ghi lại cường độ và màu sắc của ánh sáng tại mỗi điểm.

Cảm biến hình ảnh được sử dụng rộng rãi trong máy ảnh kỹ thuật số, điện thoại thông minh, camera giám sát, hệ thống kiểm tra chất lượng sản phẩm (trong công nghiệp), robot (thị giác máy) và các ứng dụng y tế (nội soi, chẩn đoán hình ảnh).

5.2. Cảm biến nhiệt độ

Cảm biến nhiệt độ là thiết bị đo nhiệt độ của một đối tượng hoặc môi trường. Chúng hoạt động dựa trên nhiều nguyên lý khác nhau, chẳng hạn như sự thay đổi điện trở theo nhiệt độ (RTD), sự thay đổi điện áp do chênh lệch nhiệt độ (cặp nhiệt điện), hoặc sự thay đổi tần số dao động (cảm biến nhiệt độ thạch anh).

Ứng dụng:

• Công nghiệp: Giám sát và điều khiển nhiệt độ trong các quy trình sản xuất, lò nung, hệ thống HVAC.
• Y tế: Đo thân nhiệt, theo dõi nhiệt độ trong các thiết bị y tế.
• Điện tử: Bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi quá nhiệt.
• Môi trường: Theo dõi nhiệt độ không khí, nước.
• Thực phẩm và đồ uống: Giám sát nhiệt độ bảo quản, chế biến.

5.3. Cảm biến gia tốc

Cảm biến gia tốc đo gia tốc (sự thay đổi vận tốc theo thời gian) hoặc rung động của một vật thể. Chúng hoạt động dựa trên nhiều nguyên lý, chẳng hạn như hiệu ứng áp điện, hiệu ứng điện dung, hoặc hiệu ứng áp trở.

Cảm biến gia tốc được ứng dụng khá phổ biến trong sản xuất và xây dựng như:

• Điện tử tiêu dùng: Điện thoại thông minh (xoay màn hình, đếm bước chân), máy chơi game (phát hiện chuyển động), máy ảnh (ổn định hình ảnh).
• Ô tô: Túi khí, hệ thống cân bằng điện tử (ESC), hệ thống chống bó cứng phanh (ABS).
• Hàng không vũ trụ: Hệ thống dẫn đường quán tính (INS), đo rung động của máy bay.
• Công nghiệp: Giám sát rung động của máy móc, phát hiện lỗi.
• Xây dựng: Theo dõi rung động của cầu, tòa nhà.
• Y tế: Thiết bị theo dõi hoạt động, nghiên cứu chuyển động của cơ thể.

5.4. Cảm biến bức xạ

Cảm biến bức xạ phát hiện và đo các loại bức xạ ion hóa, bao gồm hạt alpha, hạt beta, tia gamma, và đôi khi cả tia X và neutron. Chúng hoạt động dựa trên nhiều nguyên lý, chẳng hạn như sự ion hóa chất khí (buồng ion hóa), sự phát sáng của vật liệu (ống đếm nhấp nháy), hoặc sự thay đổi tính chất điện của vật liệu bán dẫn (cảm biến bán dẫn).

Ứng dụng:

• Y tế: Máy chụp X-quang, máy xạ trị, máy đo liều bức xạ.
• An ninh và quốc phòng: Phát hiện vật liệu phóng xạ, kiểm tra hành lý, giám sát an ninh hạt nhân.
• Công nghiệp: Đo mức chất lỏng/rắn trong các thùng chứa kín, kiểm tra mối hàn, kiểm tra độ dày vật liệu.
• Nghiên cứu khoa học: Vật lý hạt, thiên văn học, địa chất.
• Môi trường: Giám sát phóng xạ môi trường.

5.5. Cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận phát hiện sự có mặt của vật thể trong một phạm vi nhất định mà không cần tiếp xúc vật lý. Chúng hoạt động dựa trên nhiều nguyên lý khác nhau, bao gồm:

• Cảm biến điện dung: Phát hiện sự thay đổi điện dung khi có vật thể đến gần. Có thể phát hiện cả vật liệu kim loại và phi kim loại.
• Cảm biến điện cảm: Tạo ra một trường điện từ và phát hiện sự thay đổi của trường này khi có vật thể kim loại đến gần.
• Cảm biến quang: Sử dụng ánh sáng (thường là hồng ngoại) để phát hiện vật thể. Có thể hoạt động theo kiểu phản xạ (phát và thu ánh sáng trên cùng một cảm biến) hoặc kiểu thu phát (bộ phát và bộ thu tách rời).
• Cảm biến siêu âm: Phát ra sóng siêu âm và đo thời gian sóng phản xạ trở lại để xác định khoảng cách đến vật thể.

5.6. Cảm biến áp suất

Cảm biến áp suất đo áp lực của chất lỏng hoặc chất khí. Chúng thường hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi lực tác động lên một diện tích thành tín hiệu điện. Các thành phần chính thường bao gồm:

• Màng ngăn: Một màng mỏng, nhạy cảm với áp suất. Khi áp suất thay đổi, màng ngăn bị biến dạng.
• Phần tử chuyển đổi: Chuyển đổi sự biến dạng của màng ngăn thành tín hiệu điện. Các loại phần tử chuyển đổi phổ biến bao gồm:
  • Biến trở: Dựa trên sự thay đổi điện trở của vật liệu khi bị biến dạng. Thường được bố trí theo cấu hình cầu Wheatstone.
  • Áp điện: Tạo ra điện áp khi bị biến dạng.
  • Điện dung: Đo sự thay đổi điện dung khi khoảng cách giữa hai bản cực thay đổi do màng ngăn bị biến dạng.

Cảm biến áp suất được ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong công nghiệp, y tế, ô tô, hàng không, thời tiết,…

5.7. Cảm biến vị trí

Cảm biến vị trí xác định vị trí của một đối tượng so với một điểm tham chiếu. Có nhiều loại cảm biến vị trí, hoạt động dựa trên các nguyên lý khác nhau:

• Chiết áp: Đo vị trí dựa trên sự thay đổi điện trở khi con trượt di chuyển dọc theo một điện trở.
• Cảm biến điện cảm: Ví dụ như LVDT (Linear Variable Differential Transformer) – đo sự thay đổi cảm ứng điện từ khi lõi sắt di chuyển trong cuộn dây.
• Cảm biến điện dung: Đo sự thay đổi điện dung khi khoảng cách giữa các bản cực thay đổi.
• Cảm biến quang: Ví dụ như encoder (bộ mã hóa) – sử dụng đĩa mã hóa và cảm biến quang để xác định vị trí góc hoặc vị trí tuyến tính.
• Cảm biến từ: Ví dụ như cảm biến Hall – đo sự thay đổi từ trường khi nam châm di chuyển.
• Cảm biến siêu âm: Đo thời gian sóng siêu âm phản xạ để xác định khoảng cách, từ đó suy ra vị trí.

Ứng dụng của cảm biến vị trí có thể kể đến là: Xác định vị trí của các bộ phận máy móc, van, xi lanh, robot; Đo góc lái, vị trí bướm ga, vị trí bàn đạp của ô tô; Đo vị trí cánh tà, bánh lái máy bay;…

5.8. Cảm biến quang điện

Cảm biến quang điện sử dụng ánh sáng (thường là ánh sáng hồng ngoại, ánh sáng nhìn thấy hoặc laser) để phát hiện sự hiện diện, vắng mặt, hoặc đặc tính của đối tượng. Cảm biến quang điện thường được ứng dụng để phát hiện vật thể trên băng chuyền, đếm sản phẩm, kiểm tra mức chất lỏng, cửa tự động, an ninh,…

Các loại cảm biến quang điện phổ biến là:

• Thu – phát chung: Bộ phát và bộ thu cùng nằm trong một vỏ. Ánh sáng từ bộ phát chiếu đến một gương phản xạ và quay trở lại bộ thu. Vật thể cắt ngang đường đi của ánh sáng sẽ làm gián đoạn tín hiệu.
• Thu – phát riêng: Bộ phát và bộ thu được đặt đối diện nhau. Vật thể đi qua giữa chúng sẽ làm gián đoạn chùm tia sáng.

5.9. Cảm biến khói

Cảm biến khói phát hiện sự hiện diện của khói nhằm cảnh báo hỏa hoạn, thường được lắp đặt trong nhà, văn phòng, trung tâm thương mại, nhà máy,… Có hai loại cảm biến khói chính là:

• Cảm biến khói ion hóa: Sử dụng một lượng nhỏ vật liệu phóng xạ để ion hóa không khí trong buồng đo. Khi khói xâm nhập vào buồng, nó làm giảm dòng ion, kích hoạt báo động. Loại này nhạy với lửa bùng phát nhanh (lửa có ngọn).
• Cảm biến khói quang điện: Sử dụng một nguồn sáng (thường là LED) và một cảm biến ánh sáng. Khi khói xâm nhập, các hạt khói làm tán xạ ánh sáng, khiến ánh sáng chiếu tới cảm biến và kích hoạt báo động. Loại này nhạy với lửa âm ỉ (lửa không có ngọn, nhiều khói).

5.10. Cảm biến mức

Cảm biến mức là thiết bị dùng để xác định mức độ hoặc chiều cao của chất lỏng, chất rắn dạng hạt, bùn, hoặc các vật liệu khác trong một thùng chứa, bể chứa, silo, hoặc bất kỳ không gian chứa nào khác. Chúng cung cấp thông tin về lượng vật liệu hiện có, giúp theo dõi, kiểm soát và quản lý quá trình sản xuất, lưu trữ, hoặc vận chuyển.

6. Vai trò quan trọng của cảm biến

Cảm biến đóng vai trò then chốt trong vô số ứng dụng, trải dài từ công nghiệp, y tế, giao thông vận tải, đến điện tử tiêu dùng và nhiều lĩnh vực khác. Các vai trò quan trọng nhất của cảm biến bao gồm:

• Thu thập dữ liệu: Cảm biến liên tục thu thập thông tin về các yếu tố môi trường như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, chuyển động, nồng độ hóa chất, và nhiều đại lượng khác.
• Đo lường và giám sát: Cảm biến cung cấp các phép đo chính xác về các thông số vật lý và hóa học. Dữ liệu đo lường này cho phép giám sát liên tục các quy trình, hệ thống, hoặc môi trường, giúp phát hiện sớm các vấn đề hoặc bất thường.
• Cung cấp dữ liệu cho điều khiển và tự động hóa: Dữ liệu thu thập được từ cảm biến là đầu vào quan trọng cho các hệ thống điều khiển. Dựa trên thông tin này, hệ thống có thể tự động điều chỉnh các thông số hoạt động để đảm bảo hiệu suất tối ưu, duy trì điều kiện mong muốn, hoặc phản ứng với các thay đổi.

7. Các ứng dụng của cảm biến

Cảm biến có mặt trong hầu hết mọi khía cạnh của cuộc sống hiện đại, từ những thiết bị cá nhân đến các hệ thống công nghiệp phức tạp. Dưới đây là một số lĩnh vực ứng dụng chính:

• Điện tử tiêu dùng: Cảm biến được tích hợp trong điện thoại thông minh (cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển, cảm biến ánh sáng, cảm biến tiệm cận…), máy tính bảng, đồng hồ thông minh (cảm biến nhịp tim, cảm biến SpO2…), máy ảnh số (cảm biến hình ảnh),…
• Y tế và Chăm sóc sức khỏe: Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong các thiết bị y tế như máy đo huyết áp, máy đo đường huyết, máy điện tâm đồ (ECG), máy đo nồng độ oxy trong máu (SpO2), và các hệ thống theo dõi sức khỏe từ xa.
• Công nghiệp và Tự động hóa: Trong sản xuất công nghiệp, cảm biến được sử dụng rộng rãi để giám sát và điều khiển các quy trình, ví dụ như cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến lưu lượng, cảm biến vị trí, cảm biến mức chất lỏng/rắn.
• Giao thông vận tải: Cảm biến hỗ trợ an toàn và hiệu quả trong giao thông, bao gồm cảm biến đo khoảng cách (radar, lidar), cảm biến tốc độ, cảm biến quán tính (trong hệ thống cân bằng điện tử), cảm biến áp suất lốp, và các hệ thống hỗ trợ lái xe tiên tiến (ADAS).
• Năng lượng tái tạo: Cảm biến được sử dụng để theo dõi và tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống năng lượng tái tạo như điện gió (cảm biến tốc độ gió, cảm biến hướng gió) và điện mặt trời (cảm biến bức xạ mặt trời).
• Giám sát môi trường: Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc theo dõi chất lượng không khí (cảm biến khí thải, cảm biến bụi mịn), chất lượng nước (cảm biến độ pH, cảm biến oxy hòa tan, cảm biến độ đục) và các yếu tố môi trường khác.
• Robot và Trí tuệ nhân tạo (AI): Cảm biến giúp robot nhận biết và tương tác với môi trường xung quanh. Các loại cảm biến thường dùng bao gồm cảm biến thị giác (camera), cảm biến xúc giác, cảm biến lực, cảm biến siêu âm, cảm biến LiDAR,…

8. Các tiêu chí quan trọng cần quan tâm khi mua cảm biến

Khi lựa chọn cảm biến cho bất kỳ ứng dụng nào, việc xem xét kỹ lưỡng các tiêu chí sau đây là vô cùng quan trọng để đảm bảo hiệu suất, độ chính xác của hệ thống:

• Độ nhạy: Độ nhạy là khả năng của cảm biến phát hiện những thay đổi nhỏ nhất của đại lượng cần đo. Nó cho biết tín hiệu đầu ra thay đổi bao nhiêu khi đại lượng đầu vào thay đổi một đơn vị.
• Độ tuyến tính: Độ tuyến tính thể hiện mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra và đại lượng đầu vào. Một cảm biến lý tưởng sẽ có mối quan hệ tuyến tính (đường thẳng), nghĩa là sự thay đổi đầu ra tỷ lệ thuận với sự thay đổi đầu vào.
• Mức độ nhiễu: Nhiễu là các tín hiệu không mong muốn, xuất hiện ngẫu nhiên và làm sai lệch kết quả đo. Nhiễu có thể đến từ nhiều nguồn (nhiễu điện từ, nhiễu nhiệt, rung động, v.v.).
• Sai số kỹ thuật: Là tổng hợp các sai số của cảm biến, bao gồm ảnh hưởng của độ nhạy, độ nhiễu, độ phi tuyến, và các yếu tố khác.
• Dải đo: Dải đo là khoảng giá trị của đại lượng cần đo mà cảm biến có thể hoạt động chính xác.
• Môi trường hoạt động: Các điều kiện môi trường mà cảm biến sẽ phải hoạt động, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, độ rung, hóa chất, bụi bẩn,…
• Tín hiệu đầu ra: Dạng tín hiệu điện mà cảm biến cung cấp (ví dụ: điện áp analog, dòng điện analog, tín hiệu số, xung, v.v.)
• Kích thước: Chọn cảm biến có kích thước phù hợp với không gian lắp đặt.
• Giá thành: Cân nhắc giữa giá thành và các yếu tố kỹ thuật để chọn được cảm biến phù hợp với ngân sách và yêu cầu của ứng dụng.
• Nhà cung cấp: Chọn nhà cung cấp uy tín, có hỗ trợ kỹ thuật tốt, và cung cấp sản phẩm chất lượng, có bảo hành.

Xem thêm:

• • Các loại cảm biến thông minh phổ biến trên thị trường hiện nay
  • Cảm biến từ là gì? Nguyên lý hoạt động, cấu tạo và ứng dụng
  • Cảm biến nhiệt độ bán dẫn là gì? Ưu, nhược điểm và ứng dụng

Như vậy, chúng ta đã cùng nhau tìm hiểu cảm biến là gì, từ định nghĩa cơ bản đến những ứng dụng đa dạng trong cuộc sống. Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn những kiến thức hữu ích và nếu cần được tư vấn thêm về các thiết bị cảm biến, biến tần, PLC,… liên hệ với Thanh Thiên Phú qua hotline 0812.77.88.99 để được hỗ trợ nhanh nhất nhé!