CẢM BIẾN (SENSOR) LÀ GÌ? CẤU TẠO, PHÂN LOẠI, ỨNG DỤNG VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN THÔNG DỤNG HIỆN NAY

Cảm biến (sensor) là một thiết bị thông dụng trong cuộc sống, đặc biệt trong công nghiệp cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng. Cảm biến được sử dụng thay thế cho các thiết bị cơ khí truyền thống với độ chính xác cao hơn rất nhiều bởi các vi mạch điện tử. Vậy cảm biến là gì và các loại cảm biến nào thông dụng trong công nghiệp. Trong bài viết sau đây, Cơ Điện Đông Á sẽ đưa ra cho bạn một cái nhìn tổng quát về cảm biến là gì? Vai trò, phân loại, ứng dụng của cảm biến sensor? Cũng như các loại cảm biến thông dụng được mọi người ưu tiên lựa chọn trên thị trường.

1. Cảm biến là gì?

Cảm biến (sensor) là một thiết bị hoặc bộ phận có chức năng chuyển đổi các tín hiệu vật lý (như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, chiều dài, gia tốc, độ rung, ánh sáng, âm thanh, vị trí, v.v.) thành tín hiệu điện trở, dòng điện hoặc tín hiệu số để đo lường, giám sát, hoặc điều khiển các quá trình hoạt động trong hệ thống điện tử, hệ thống tự động hoá, hoặc các hệ thống thông minh.

Cảm biến được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm công nghiệp, y tế, giao thông vận tải, điện tử tiêu dùng, và các thiết bị gia dụng. Ví dụ, các cảm biến áp suất được sử dụng trong hệ thống khí đốt và hệ thống điều hòa không khí, cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong các thiết bị làm lạnh và hệ thống điều khiển nhiệt độ, cảm biến quang được sử dụng trong các thiết bị đo độ sáng và hệ thống định vị, v.v.

Cảm biến là một phần quan trọng của các hệ thống thông minh và hệ thống tự động hoá, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác của các quá trình hoạt động. Các công nghệ cảm biến hiện đại đang được phát triển và cải tiến để đáp ứng nhu cầu của các ứng dụng mới và phát triển hệ thống thông minh.

2. Cấu tạo cảm biến:

Hiện nay trên thị trường có hàng trăm ngàn cảm biến phục vụ các mục đích khác nhau. Nhưng nó có mẫu số chung là được làm từ các sensor phần tử điện thay đổi tính chất theo sự biến đổi của môi trường gọi là đầu dò.

Cấu tạo gồm các phần tử mạch điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh. Được đóng gói nhỏ gọn trong một vỏ hộp. Các tín hiệu phát ra được quy chuẩn theo các mức điện áp. Và dòng điện thông dụng nhất phù hợp với các bộ điều khiển.

3. Phân loại cảm biến:

Cảm biến (sensor) có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Sau đây là một số phân loại thông dụng của cảm biến:

Phân loại dựa trên nguyên lý hoạt động: Các cảm biến có thể được phân loại dựa trên nguyên lý hoạt động, chẳng hạn như cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến điện trở, v.v.
Phân loại dựa trên tín hiệu ra: Các cảm biến có thể được phân loại dựa trên tín hiệu ra, chẳng hạn như tín hiệu điện áp, tín hiệu dòng điện, tín hiệu tần số, tín hiệu số, v.v.
Phân loại dựa trên ứng dụng: Các cảm biến có thể được phân loại dựa trên ứng dụng của chúng, chẳng hạn như cảm biến áp suất được sử dụng trong hệ thống khí đốt và hệ thống điều hòa không khí, cảm biến nhiệt độ được sử dụng trong các thiết bị làm lạnh và hệ thống điều khiển nhiệt độ, v.v.
Phân loại dựa trên loại đo lường: Các cảm biến có thể được phân loại dựa trên loại đo lường, chẳng hạn như cảm biến đo lường áp suất, cảm biến đo lường nhiệt độ, cảm biến đo lường độ ẩm, v.v.
Phân loại dựa trên phương thức kết nối: Các cảm biến có thể được phân loại dựa trên phương thức kết nối, chẳng hạn như cảm biến có kết nối dây, cảm biến không dây, v.v.
Phân loại dựa trên mức độ thông minh: Các cảm biến có thể được phân loại dựa trên mức độ thông minh, chẳng hạn như cảm biến thông thường, cảm biến thông minh có khả năng thu thập và xử lý dữ liệu, v.v.

4. Ứng dụng của cảm biến:

Cảm biến (sensor) được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau, từ điện tử đến y tế, công nghiệp và giao thông vận tải. Dưới đây là một số ứng dụng chính của cảm biến:

Điện tử: Các cảm biến được sử dụng trong các thiết bị điện tử như smartphone, máy tính bảng, đồng hồ thông minh, máy ảnh số, v.v.
Y tế: Các cảm biến được sử dụng trong các thiết bị y tế như máy đo huyết áp, máy đo đường huyết, máy ECG, v.v.
Công nghiệp: Các cảm biến được sử dụng trong các thiết bị và hệ thống tự động hóa trong ngành công nghiệp như cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến đo mức, v.v.
Giao thông vận tải: Các cảm biến được sử dụng trong các thiết bị và hệ thống giao thông vận tải như cảm biến quang, cảm biến đo khoảng cách, cảm biến đo tốc độ, v.v.
Năng lượng: Các cảm biến được sử dụng trong các hệ thống sản xuất năng lượng như điện gió, điện mặt trời, v.v.
Môi trường: Các cảm biến được sử dụng trong các hệ thống giám sát môi trường như cảm biến đo chất lượng không khí, cảm biến đo chất lượng nước, v.v.
Robot và trí tuệ nhân tạo: Các cảm biến được sử dụng trong các hệ thống robot và trí tuệ nhân tạo để thu thập dữ liệu và giúp máy tính hiểu và tương tác với thế giới xung quanh.

5. Các loại cảm biến thông dụng hiện nay:

a. Cảm biến quang:

Cảm biến quang có tên Tiếng Anh là Photoelectric Sensor, là một loại cảm biến được cấu tạo bởi linh kiện bán dẫn quang điện, khi có ánh sáng chiếu vào bề mặt bán dẫn sẽ thay đổi tính chất của light sensor.

Thông qua một bảng mạch điện tử, nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot, tín hiệu quang này được chuyển đổi sang tín hiệu điện quy chuẩn.

Cảm biến quang có phạm vi dài hơn nhiều so với các loại cảm biến khác, nhưng vì sử dụng ánh sáng để cảm biến nên chúng rất dễ bị bụi bẩn và các vấn đề môi trường và cơ học khác ảnh hưởng. Vậy nên, cảm biến quang thường được sử dụng ở những nơi chúng ta không kén chọn chính xác mục tiêu ở đâu, nhưng chúng ta cần biết mục tiêu có ở vị trí đặt cảm biến đó hay không.

Cảm biến quang thường có một đầu thu và phát tín hiệu quang, được chia làm nhiều loại theo nguyên lý làm việc: cảm biến quang thu phát, cảm biến quang phản xạ gương, cảm biến quang dạng khuếch tán.

Cảm biến quang phản xạ gương thường được người sử dụng lựa chọn bởi nó có thể phát hiện vật rất xa so với cảm biến quang thu phát thông thường, hay cảm biến quang độc lập. Hơn nữa nó còn tiết kiệm chi phí lắp đặt và kinh phí đầu tư.

b. Cảm biến áp suất:

Đây là thiết bị cảm biến dùng để đo áp suất trong các bình hơi, thiết bị khí nén trong công nghiệp, chuyển áp lực hơi thành tín hiệu điện, dòng điện với các định mức quy chuẩn công nghiệp 4-20mA và 0-20mA theo dòng điện hoặc 0-10V hay 0.5-4.5V, 1-5V theo mức điện áp.

Các tín hiệu này sẽ được truyền về biến tần hoặc PLC để điều khiển động cơ hoạt động. Có thể hiểu giống như tủ lạnh hay máy lạnh inventer. Động cơ lúc nào cũng chạy nhưng được giám sát bằng thiết bị cảm biến để điều chỉnh công suất chạy ít hay nhiều.

Cảm biến áp suất thường gặp nhiều trong các máy sử dụng cơ cấu khí nén, ngoài ra nó còn đo áp suất nước, đo áp suất hơi, cảm biến áp suất không khí và khí nạp, cảm biến áp suất lốp xe hơi rất thông dụng.

Cảm biến áp suất hiện được chia làm 3 loại trên thị trường: áp suất cảm biến (piezoelectric), cảm biến áp suất dạng cầu (strain gage based), cảm biến áp suất biến dung (variable capacitance). Trong đó, dạng cầu là cảm biến áp suất phổ biến nhất.

c. Cảm biến nhiệt độ:

Là loại cảm biến được dùng để đo đạc nhiệt độ môi trường, nước,… Cảm biến nhiệt độ công nghiệp thường được bao bọc cẩn thận bằng lớp vỏ kim loại bên ngoài, rất công nghiệp, mục đích để đo sự thay đổi tín hiệu nhiệt độ từ môi trường sau đó cung cấp cho bộ điều bằng tín hiệu điện.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ: khi có sự thay đổi nhiệt độ môi trường cần đo dẫn đến thay đổi nhiệt độ của đầu nóng và đầu lạnh, sẽ xuất hiện hiệu điện thế ở đầu lạnh. Như vậy, tín hiệu thay đổi này sẽ cung cấp cho bộ điều khiển phân tích như PLC.

Thông thường, cảm biến nhiệt độ được cấu tạo từ Platium có giá trị nhiệt độ là 11 ôm khi nhiệt đồ là 0 độ C. Khi nhiệt độ biến đổi thì điện trở cũng biến đổi lý lệ theo.

d. Cảm biến tiệm cận:

Cảm biến tiệm cận hay còn được gọi là Proximity Sensors trong Tiếng Anh. Đây là loại cảm biến công nghiệp thông dụng trong máy móc công nghiệp, đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất đếm và phân loại sản phẩm. Nó có chức năng phát hiện vật di chuyển qua đầu cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện cho bộ điều khiển.

Cảm biến tiệm cận được chia làm hai loại chính:

Cảm biến phát ra trường điện từ dùng để phát hiện ra vật bằng kim loại, có cuộn copper coil ở đầu cảm ứng. Một mạch điện điều khiển phát ra song cao tần móc vòng với cuộn dây tạo ra trường điện từ dao động quanh nó. Khi có vật bằng kim loại lướt quá, làm dao động dòng điện trong cuộn dây giảm đi, tín hiệu đầu ra sẽ thay đổi trạng thái. Cảm biến này có đặc tính chống chịu dầu mỡ, hoạt động được trong môi trường bụi bẩn.
Loại còn lại không phải bằng kim loại nhưng cũng là loại tương tự như vậy dựa trên nguyên lý phát trường điện dung ở đầu dò, giá trị phụ thuộc vào chất liệu vật và khoảng cách. Khi có sự thay đổi thì tín hiệu điện được xuất ra đầu dây thông qua bộ chuyển đổi.