Sensor là gì? Khái niệm, các loại cảm biến phổ biến và ứng dụng

Đèn đường tự bật tắt khi trời tối, điện thoại tự điều chỉnh độ sáng,… đó đều là nhờ sensor (cảm biến). Từ thiết bị gia dụng đến dây chuyền sản xuất, cảm biến đang âm thầm thu thập thông tin, giúp vận hành hiệu quả và tự động hơn. Vậy sensor là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng ra sao? Cùng khám phá ngay trong bài viết này!

1. Sensor là gì?

Sensor hay còn gọi là cảm biến, là thiết bị điện tử có khả năng cảm nhận, phát hiện và phản hồi các thay đổi từ môi trường xung quanh. Những thay đổi này có thể là các yếu tố vật lý như nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, độ ẩm, chuyển động, âm thanh,… hoặc các yếu tố hóa học như độ pH, nồng độ khí,…

Một số thuật ngữ liên quan đến sensor mà bạn cần phải biết:

• Cảm nhận: Khả năng nhận biết sự thay đổi của môi trường.
• Phát hiện: Xác định sự xuất hiện của một yếu tố cụ thể.
• Phản hồi: Chuyển đổi thông tin đã cảm nhận được thành tín hiệu. Thông thường, tín hiệu đầu ra của sensor là tín hiệu điện. Tín hiệu này có thể được hiển thị trực tiếp hoặc truyền đến các thiết bị xử lý khác như máy tính, bộ điều khiển PLC, PAC,…

Trong đời sống, sensor có thể dễ dàng gặp trên điện thoại, giúp tự động tắt màn hình khi bạn đưa điện thoại lên tai để nghe gọi. Cảm biến ánh sáng tự động điều chỉnh độ sáng màn hình dựa vào môi trường xung quanh.

2. Tầm quan trọng của Sensor trong đời sống và công nghiệp

Sensor đóng vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống hiện đại, là thiết bị giúp tự động hóa và nâng cao hiệu quả hoạt động trong nhiều lĩnh vực. Dưới đây là một số vai trò nổi bật của Sensor:

2.1. Trong đời sống

• Tăng cường tiện nghi: Nhờ có cảm biến, các thiết bị gia dụng trở nên thông minh hơn, mang đến sự tiện lợi và thoải mái cho người sử dụng. Ví dụ, máy giặt tự động điều chỉnh lượng nước, máy lạnh tự động điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống chiếu sáng tự động bật/tắt,…
• Đảm bảo an toàn: Cảm biến giúp phát hiện các nguy hiểm tiềm ẩn, đảm bảo an toàn cho con người và tài sản. Ví dụ, cảm biến khói, cảm biến rò rỉ khí gas, cảm biến báo cháy,…
• Nâng cao chất lượng cuộc sống: Cảm biến được ứng dụng trong các thiết bị y tế, giúp theo dõi sức khỏe và hỗ trợ chẩn đoán bệnh. Ví dụ, máy đo huyết áp, máy đo đường huyết, thiết bị theo dõi nhịp tim,…

2.2. Trong công nghiệp

• Tự động hóa sản xuất: Sensor là thành phần không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất tự động, giúp nâng cao năng suất, giảm thiểu sai sót và tối ưu hóa quy trình sản xuất.
• Kiểm soát chất lượng: Cảm biến giúp kiểm tra chất lượng sản phẩm một cách chính xác và nhất quán, đảm bảo sản phẩm đầu ra đạt tiêu chuẩn.
• Giám sát và điều khiển: Cảm biến cung cấp thông tin về trạng thái hoạt động của máy móc, thiết bị, giúp người vận hành dễ dàng giám sát và điều khiển từ xa.
• Tiết kiệm năng lượng: Cảm biến giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, giảm thiểu lãng phí và bảo vệ môi trường.
• Nâng cao hiệu quả: Cảm biến giúp thu thập dữ liệu, phân tích và đưa ra các giải pháp tối ưu hóa hoạt động, nâng cao hiệu quả sản xuất kinh doanh.

3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của Sensor

3.1. Cấu tạo chung của Sensor

Mặc dù có rất nhiều loại sensor khác nhau, nhưng về cơ bản, chúng thường bao gồm các thành phần chính sau:

• Bộ phận cảm biến (Sensing Element): Đây là thành phần quan trọng nhất, có nhiệm vụ tiếp nhận tín hiệu đầu vào từ môi trường (như ánh sáng, nhiệt độ, áp suất,…). Bộ phận này sẽ phản ứng với sự thay đổi của tín hiệu đầu vào bằng cách thay đổi tính chất vật lý hoặc hóa học của nó.
• Mạch xử lý tín hiệu (Signal Processing Circuit): Bộ phận này có nhiệm vụ khuếch đại, lọc nhiễu và chuyển đổi tín hiệu đầu ra từ bộ phận cảm biến thành tín hiệu điện phù hợp để các thiết bị khác có thể đọc và xử lý.
• Bộ phận truyền dẫn (Transmitter): Truyền tín hiệu đã được xử lý đến các thiết bị hiển thị, bộ điều khiển hoặc các hệ thống khác. Bộ phận này có thể sử dụng các phương thức truyền dẫn khác nhau như: dây dẫn, sóng vô tuyến,…
• Vỏ bảo vệ (Housing): Bảo vệ các thành phần bên trong sensor khỏi các tác động từ môi trường bên ngoài như bụi bẩn, độ ẩm, va đập,…

3.2. Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động chung của sensor dựa trên việc chuyển đổi các đại lượng không điện (như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng,…) thành tín hiệu điện. Quá trình này diễn ra qua các bước cơ bản sau:

• Bộ phận cảm biến tiếp nhận và phản ứng với sự thay đổi của các yếu tố từ môi trường cần đo.
• Sự thay đổi này dẫn đến sự biến đổi về tính chất vật lý hoặc hóa học của bộ phận cảm biến.
• Mạch xử lý tín hiệu phát hiện sự thay đổi này, khuếch đại và chuyển đổi thành tín hiệu điện tương ứng.
• Tín hiệu điện sau đó được truyền dẫn đến các thiết bị hiển thị, bộ điều khiển hoặc hệ thống xử lý để phục vụ cho các mục đích khác nhau.

Nguyên lý hoạt động của một số loại Sensor phổ biến:

• Cảm biến quang (Optical Sensor): Loại cảm biến này phát hiện thay đổi ánh sáng để xác định sự có mặt, vị trí hoặc tính chất vật thể. Nguồn sáng (LED) phát ra ánh sáng, bộ phận cảm biến (photodiode) thu nhận ánh sáng phản xạ/còn lại sau khi qua vật thể. Mạch xử lý chuyển đổi cường độ ánh sáng thành tín hiệu điện.
• Cảm biến áp suất (Pressure Sensor): Cảm biến áp suất phát hiện biến dạng của màng cảm biến do áp suất tác động. Biến dạng này làm thay đổi điện trở/điện dung của bộ phận cảm biến. Mạch xử lý chuyển đổi thay đổi này thành tín hiệu điện.
• Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor): Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ dựa trên sự thay đổi tính chất vật lý theo nhiệt độ. Cặp nhiệt điện (Thermocouple) dựa vào hiệu ứng Seebeck . RTD dựa vào thay đổi điện trở kim loại. Thermistor dựa vào thay đổi điện trở chất bán dẫn.
• Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor): Cảm biến tiệm cận phát hiện vật thể trong phạm vi gần mà không cần tiếp xúc. Cảm biến điện dung dựa vào thay đổi điện dung. Cảm biến điện cảm dựa vào thay đổi từ trường khi có vật kim loại. Cảm biến quang phát hiện thay đổi ánh sáng khi bị che khuất.

4. Phân loại Sensor

Có rất nhiều cách để phân loại sensor, dựa trên các tiêu chí khác nhau. Dưới đây là một số cách phân loại phổ biến:

4.1. Phân loại theo môi trường cảm biến

Dựa vào môi trường mà sensor hoạt động, có thể chia thành các loại sau:

• Sensor rắn: Chuyên dùng để phát hiện, đo lường các đại lượng vật lý, hóa học trong môi trường chất rắn.  Ví dụ: Cảm biến đo biến dạng (Strain Gauge) dùng để đo độ biến dạng của vật liệu rắn, cảm biến nhiệt độ (RTD, Thermistor) dùng để đo nhiệt độ của các chi tiết máy móc.
• Sensor lỏng: Chuyên dùng để phát hiện, đo lường các đại lượng trong môi trường chất lỏng. Ví dụ: Cảm biến pH để đo độ pH của dung dịch, cảm biến mức (Level Sensor) dùng để đo mức chất lỏng trong bồn chứa.
• Sensor khí: Chuyên dùng để phát hiện, đo lường các đại lượng trong môi trường chất khí. Ví dụ: Cảm biến khí gas (Gas Sensor) dùng để phát hiện rò rỉ khí gas; Cảm biến nồng độ oxy (Oxygen Sensor) dùng trong y tế và công nghiệp; Cảm biến độ ẩm (Humidity Sensor) dùng để đo độ ẩm không khí.

4.2. Phân loại theo phương pháp đo

Dựa vào phương pháp đo, có thể phân biệt thành hai loại chính:

• Sensor tiếp xúc (Contact Sensor): Loại cảm biến này cần tiếp xúc trực tiếp với đối tượng cần đo để thu thập thông tin. Ví dụ: Cặp nhiệt điện (Thermocouple), cảm biến nhiệt điện trở (RTD), cảm biến đo biến dạng (Strain Gauge).
• Sensor không tiếp xúc (Non-contact Sensor): Loại cảm biến này có thể đo lường mà không cần tiếp xúc trực tiếp với đối tượng. Ví dụ: Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor), cảm biến quang (Optical Sensor), cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor).

Dưới đây là một số loại cảm biến theo phương pháp đo và ưu nhược điểm của chúng:

Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor)

• Nguyên lý hoạt động: Dựa vào việc phát ra sóng siêu âm và thu nhận sóng phản xạ để xác định khoảng cách hoặc phát hiện vật cản.
• Ưu điểm: Không bị ảnh hưởng bởi màu sắc, độ trong suốt của vật thể; có thể đo được khoảng cách xa; hoạt động tốt trong môi trường bụi bẩn.
• Nhược điểm: Bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm; độ phân giải không cao bằng một số loại cảm biến khác.

Cảm biến điện dung (Capacitive Sensor)

• Nguyên lý hoạt động: Dựa trên sự thay đổi điện dung khi có vật thể đến gần.
• Ưu điểm: Có thể phát hiện được nhiều loại vật liệu khác nhau; độ nhạy cao.
• Nhược điểm: Dễ bị nhiễu bởi độ ẩm và bụi bẩn; phạm vi đo ngắn.

Cảm biến hồng ngoại (Infrared Sensor)

• Nguyên lý hoạt động: Hoạt động dựa vào việc phát ra tia hồng ngoại và thu nhận tia phản xạ để phát hiện vật thể hoặc đo nhiệt độ.
• Ưu điểm: Không bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường; có thể đo nhiệt độ từ xa.
• Nhược điểm: Độ chính xác bị ảnh hưởng bởi bề mặt vật thể; phạm vi đo bị hạn chế.

Cảm biến quang học

• Nguyên lý hoạt động: Dựa vào việc phát hiện sự thay đổi của ánh sáng để xác định sự hiện diện, vị trí hoặc tính chất của vật thể.
• Ưu điểm: Độ chính xác cao; tốc độ phản hồi nhanh.
• Nhược điểm: Dễ bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn và ánh sáng môi trường.

Cảm biến cơ học (Mechanical Sensor)

• Nguyên lý hoạt động: Sử dụng các cơ cấu cơ học để phát hiện sự thay đổi về lực, áp suất, vị trí,…
• Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản; giá thành rẻ.
• Nhược điểm: Độ chính xác không cao; dễ bị hao mòn.

4.3. Phân loại theo tính năng/ ứng dụng

Dựa vào tính năng hoặc ứng dụng cụ thể, cảm biến được chia thành rất nhiều loại, bao gồm:

• Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor): Đo nhiệt độ của môi trường hoặc vật thể.
• Cảm biến độ ẩm (Humidity Sensor): Đo độ ẩm của không khí.
• Cảm biến áp suất (Pressure Sensor): Đo áp suất của chất lỏng hoặc chất khí.
• Cảm biến ánh sáng (Light Sensor): Đo cường độ ánh sáng.
• Cảm biến chuyển động (Motion Sensor): Phát hiện chuyển động của người hoặc vật thể.
• Cảm biến gia tốc (Accelerometer): Đo gia tốc và rung động.
• Cảm biến vị trí (Position Sensor): Xác định vị trí của vật thể.
• Cảm biến lưu lượng (Flow Sensor): Đo lưu lượng dòng chảy của chất lỏng hoặc chất khí.
• Cảm biến hóa học (Chemical Sensor): Phát hiện và đo nồng độ các chất hóa học.
• Cảm biến sinh học (Biosensor): Phát hiện và đo các chất sinh học, thường được dùng trong y học.

5. Các loại Sensor phổ biến trong công nghiệp

Trong công nghiệp, cảm biến đóng vai trò then chốt trong việc tự động hóa, giám sát và đảm bảo chất lượng. Dưới đây là một số loại cảm biến được sử dụng rộng rãi nhất:

5.1. Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor)

Cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt độ môi trường hoặc vật thể. Một số loại phổ biến:

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

• Nguyên lý: Hiệu ứng Seebeck – tạo ra điện áp tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ giữa hai điểm nối của hai kim loại khác nhau.
• Ưu điểm: Dải đo rộng (-200°C đến hơn 2000°C tùy loại), giá rẻ, bền.
• Nhược điểm: Kém chính xác hơn RTD, cần mạch bù.

RTD (Resistance Temperature Detector)

• Nguyên lý: Điện trở kim loại (thường là Platinum – Pt100, Pt1000) thay đổi tuyến tính theo nhiệt độ.
• Ưu điểm: Chính xác cao, ổn định, tuyến tính tốt.
• Nhược điểm: Giá cao hơn, dải đo nhỏ hơn (-200°C đến 850°C), phản ứng chậm hơn.

Thermistor

• Nguyên lý: Điện trở của chất bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ.
• Ưu điểm: Rất nhạy, giá rẻ, kích thước nhỏ.
• Nhược điểm: Dải đo hẹp, kém tuyến tính, dễ bị nhiễu.

Cảm biến nhiệt độ được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực như: Giám sát/điều khiển nhiệt độ lò nung, lò hơi, động cơ, quy trình sản xuất hóa chất, thực phẩm, kho lạnh, hệ thống HVAC.

5.2. Cảm biến áp suất (Pressure Sensor)

Cảm biến áp suất dùng để đo áp suất của chất lỏng hoặc khí. Các loại phổ biến:

Cảm biến áp suất điện dung

• Nguyên lý: Màng ngăn biến dạng làm thay đổi điện dung giữa hai bản cực.
• Ưu điểm: Nhạy, chính xác, ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
• Nhược điểm: Dễ bị nhiễu, giá tương đối cao.

Cảm biến áp suất điện trở

• Nguyên lý: Dựa vào sự thay đổi điện trở của vật liệu khi bị nén/kéo dãn.
• Ưu điểm: Giá rẻ, dải đo rộng, dễ chế tạo.
• Nhược điểm: Kém chính xác hơn, bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.

Cảm biến áp suất áp điện

• Nguyên lý: Dựa vào hiệu ứng áp điện – tạo ra điện tích khi vật liệu bị biến dạng.
• Ưu điểm: Rất nhạy, đáp ứng nhanh, dải đo rộng.
• Nhược điểm: Giá cao, chỉ đo được áp suất động.

Cảm biến áp suất được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như: Giám sát áp suất trong hệ thống khí nén, thủy lực; điều khiển áp suất trong sản xuất hóa chất, dầu khí; đo mức chất lỏng; giám sát áp suất lốp xe, dầu động cơ.

5.3. Cảm biến quang (Optical Sensor)

Cảm biến quang phát hiện thay đổi của ánh sáng để xác định sự hiện diện, vị trí hoặc tính chất vật thể. Cảm biến quang bao gồm các loại sau:

• Thu-phát (Through-beam): Bộ phát và thu sáng đối diện nhau.
• Phản xạ khuếch tán (Diffuse-reflective): Bộ phát và thu chung, phát hiện ánh sáng phản xạ từ vật.
• Phản xạ gương (Retro-reflective): Bộ phát và thu chung, phát hiện khi chùm tia phản xạ từ gương bị cắt ngang.

Cảm biến quang có ưu điểm có thể phát hiện từ xa, độ chính xác cao, tốc độ nhanh. Tuy nhiên, cảm biến này dễ bị ảnh hưởng bởi bụi bẩn, ánh sáng môi trường. Cảm biến quang được ứng dụng nhiều trong đời sống như: Phát hiện vật thể trên băng chuyền, đếm sản phẩm, kiểm tra vị trí, cửa tự động, hệ thống an ninh.

5.4. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)

Cảm biến tiệm cận phát hiện vật thể ở khoảng cách gần mà không cần tiếp xúc. Cảm biến tiếp cận bao gồm:

• Cảm biến điện cảm (Inductive sensor): Phát hiện vật kim loại dựa vào thay đổi từ trường. Cảm biến điện cảm bền, ít bị ảnh hưởng bởi môi trường, giá hợp lý nhưng chỉ phát hiện vật kim loại, phạm vi gần.
• Cảm biến điện dung (Capacitive sensor): Phát hiện nhiều loại vật liệu dựa vào thay đổi điện dung. Capacitive có độ nhạy cao nhưng dễ bị nhiễu, phạm vi hoạt động gần.
• Cảm biến từ (Magnetic sensor): Phát hiện vật có từ tính. Cảm biến từ có phạm vi hoạt động xa nhưng chỉ phát hiện vật có từ tính.

Cảm biến tiệm cận được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực như: Phát hiện vị trí bộ phận máy, đếm sản phẩm, kiểm tra mức chất lỏng, hệ thống đỗ xe tự động, điện thoại thông minh.

5.5. Các loại Sensor khác

Cảm biến độ ẩm (Humidity Sensor) dùng để đo độ ẩm không khí.

• Ưu điểm: Giúp kiểm soát độ ẩm, bảo quản sản phẩm.
• Nhược điểm: Độ chính xác có thể bị ảnh hưởng bởi hóa chất.
• Ứng dụng: Điều hòa, kho bảo quản, nhà kính.

Cảm biến gia tốc (Accelerometer) dùng để đo gia tốc, rung động.

• Ưu điểm: Phát hiện rung động, va chạm.
• Nhược điểm: Có thể nhạy cảm với nhiễu.
• Ứng dụng: Giám sát rung động máy móc, túi khí ô tô.

Cảm biến khí (Gas Sensor) dùng để phát hiện, đo nồng độ khí.

• Ưu điểm: Đảm bảo an toàn, kiểm soát ô nhiễm.
• Nhược điểm: Độ chọn lọc có thể hạn chế.
• Ứng dụng: Phát hiện rò rỉ khí, giám sát chất lượng không khí.

Cảm biến lực (Force Sensor) dùng để đo lực tác động.

• Ưu điểm: Ứng dụng đa dạng trong cân, kiểm tra độ bền.
• Nhược điểm: Cần hiệu chuẩn định kỳ.
• Ứng dụng: Cân điện tử, robot công nghiệp.

6.  Xu hướng phát triển của Sensor

Công nghệ cảm biến đang phát triển mạnh mẽ với xu hướng chính là tích hợp IoT, điều này sẽ tạo ra các cảm biến thông minh, thu nhỏ kích thước đến cấp độ nano và micro, ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến sinh học, tích hợp đa chức năng và ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI).

Các cảm biến IoT sẽ thu thập dữ liệu, truyền lên đám mây để phân tích, hỗ trợ giám sát và điều khiển từ xa. Cảm biến thông minh tích hợp khả năng xử lý, tự ra quyết định. Công nghệ nano và micro giúp chế tạo cảm biến siêu nhỏ, ứng dụng vào trong y sinh, thiết bị di động.

Trong tương lai, cảm biến sẽ hiện diện khắp nơi từ thiết bị đeo thông minh, nhà thông minh, thành phố thông minh đến phương tiện tự lái. Tiềm năng ứng dụng rất lớn trong y tế (theo dõi sức khỏe, chẩn đoán bệnh), môi trường (giám sát ô nhiễm, cảnh báo thiên tai), nông nghiệp (nông nghiệp chính xác),…

Xem thêm:

• HMI là gì? Phân loại và những tính năng cơ bản
• Động cơ servo là gì?
• Biến tần DC là gì? Cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng

Bài viết đã cung cấp cái nhìn tổng quan về sensor (cảm biến), thiết bị đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là tự động hóa và sản xuất. Trong tương lai, cảm biến sẽ hiện diện khắp mọi nơi, góp phần xây dựng một thế giới thông minh và bền vững. Theo dõi Thanh Thiên Phú để cập nhật thêm nhiều thông tin hay nhé!