TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN VÀ ỨNG DỤNG
Ngày nay, cùng với sự tiến bộ khoa học công nghệ, các loại cảm biến lần lượt được ra mắt phục vụ cho cuộc sống, đặc biệt trong công nghiệp. Thiết bị 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. Trong một số lĩnh vực có tính chất đặc biệt như truyền thông hay lĩnh vực công nghiệp, giao thông vận tải … thì việc sử dụng các thiết bị cảm biến đã không còn quá xa lạ. Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống thông minh và tự động hóa, giúp giảm thiểu rủi ro, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình vận hành, hoạt động. Hãy cùng Diencn247 khám phá các loại cảm biến này nhé!
1. Tổng quan về cảm biến
Cảm biến là một công cụ điện tử giúp thu nhận những trạng thái, biến động từ môi trường, có thể là vật lý, hóa học hoặc sinh học. Các tín hiệu được thu nhận này sẽ được truyền vào một thiết bị đo để chuyển hóa thành tín hiệu điện và hiển thị lên màn hình để con người có thể đọc được số liệu từ trạng thái đã thu được. Thiết bị cảm biến cho phép chúng ta thu thập các thông tin định tính hoặc định lượng về mỗi môi trường đang được quan sát. Điều này hỗ trợ trong nghiên cứu khoa học, kỹ thuật, truyền thông và xử lý thông tin. Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dữ liệu và thông tin quan trọng để giúp chúng ta hiểu và tương tác với thế giới xung quanh một cách hiệu quả hơn.
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 … Do đó, 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.
Nguyên lý hoạt động: Cần một nguồn cấp điện để các cảm biến có thể hoạt động bình thường. Thông thường, nguồn điện này đến từ một thiết bị đo được kết nối với cảm biến. Một số trường hợp nguồn tín hiệu có thể cung cấp điện năng để thiết bị này hoạt động như: ánh sáng mặt trời, sức gió … Mô-đun cảm biến phải được đặt gần đối tượng thử nghiệm. Các phần tử cảm biến trong mô-đun này phát ra một từ trường nhỏ và xoay chiều. Từ trường này có thể đi xuyên qua bề mặt của đối tượng thử nghiệm mà không để lại bất kỳ ảnh hưởng nào. Sau đó, từ trường này quay trở lại cảm biến và được nhận thông qua phần tử cảm biến. Tín hiệu nhận về được chuyển đến nơi xử lý tiếp theo trong cảm biến.
Phân loại các loại cảm biến thông dụng
Cảm biến nhiệt độ:
Loại này thường được thiết kế dưới dạng đầu dò nhiệt độ, nó giúp phát hiện các thông số nhiệt và truyền tín hiệu đến đầu vào của thiết bị đo nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ thường dựa vào RTD hoặc điện trở nhiệt để thu nhận nhiệt độ và đi qua thiết bị đo để chuyển nó thành giá trị nhiệt mà bạn có thể theo dõi trên màn hình. Các thông số kỹ thuật của loại này bao gồm, dải đo nhiệt độ tối đa và tối thiểu, đường kính, chiều dài của cảm biến. Cảm biến nhiệt độ thường được sử dụng để đo các đặc tính nhiệt của khí, chất lỏng và chất rắn trong nhiều ngành công nghiệp chế biến, thông số môi trường
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.
Hãng cảm biến áp suất thường dùng tại Việt Nam như: STS Sensor, Prosense, Gefran, Noeding-messtechnik, Fairchild, IFM, Dynisco, E+H
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 và các 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.
Cảm biến quang:
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 mức:
Cảm biến siêu âm dùng để đo mức chất lỏng, chất rắn trong các thiết bị công nghiệp dựa trên nguyên lý thu phát sóng điện từ và tính toán khoảng cách, thời gian phản hồi.
Cảm biến điện dung có tính linh hoạt cao dùng để đo mức chất lỏng/ chất rắn ứng dụng nguyên lý thay đổi điện dung giữa tụ điện, để đo và xác định mức nước trong điều kiện môi trường khắc nghiệt.
Cảm biến radar hoạt động trên nguyên lý sóng liên tục có độ chính xác cao trong điều kiện môi trường khắc nghiệt với phạm vi đo rộng đến 40m. Tốc độ đo của thiết bị này tương đối nhanh và ổn định kể cả trong điều kiện bất lợi, hay cảm biến bị bẩn.
Cảm biến đo mức chênh áp đo được mức chênh lệch áp suất ở 2 khu vực khác nhau, so sánh về mức chênh lệch áp để tính toán được độ sâu mức nước, lưu lượng gió, chiều cao cột nước trong khu vực.
Chuyên dùng để đo mức chất lỏng, chất rắn trong từng hệ thống, bồn chứa. Loại sensor này sẽ đo được tỷ lệ phần trăm, số lít, khối lượng, thể tích của bồn chứa khi vật liệu bên trong tăng hoặc giảm tại những nơi mà con người không thể trực tiếp đo và xác định khối lượng, thể tích. Hiện nay, cảm biến mức được phân chia thành 4 loại riêng biệt giúp người dùng hiểu và lựa chọn phù hợp với mục đích sử dụng và từng loại môi chất cụ thể. Bao gồm:
Cảm biến đo dòng chảy: Được sử dụng để cảm nhận chuyển động của chất lỏng, chất khí cung cấp tín hiệu đầu vào cho các thiết bị đo dòng chảy. Thiết bị có thể thiết kế hoàn toàn là điện tử sử dụng khả năng phát hiện siêu âm từ bên ngoài đường ống, dù trong đường ống có nước hay không thì cảm biến cũng không thay đổi trạng thái. Cảm biến này hoạt động hoàn toàn khác so với cảm biến phát hiện nước và được sử dụng nhiều để đo lường cũng như giám sát dòng chảy trong công nghiệp. Cảm biến sẽ được gắn ở đầu ra và báo tín hiệu về bộ điều khiển khi trong đường ống có nước thì bơm hoạt động bình thường, nếu không có nước hoặc nước trong đường ống không chảy thì thiết bị ngay lập tức báo tín hiệu để cắt bơm.
Và còn rất nhiều loại cảm biến khác như: cảm biến khói, cảm biến vị trí, cảm biến lực, cảm biến hình ảnh … được ứng dụng vào rất nhiều ứng dụng trong cuộc sống xung quanh chúng ta.
2. Ứng dụng của cảm biến
Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng khác nhau, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của cảm biến:
Điều khiển quá trình: Cảm biến được sử dụng để "cảm nhận" các tín hiệu điều khiển vào và ra trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển quá trình.
Đo đạc: Cảm biến đo đạc các giá trị như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, chuyển động, ánh sáng, âm thanh và nhiều đại lượng vật lí khác. Thông qua việc chuyển đổi các tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện, cảm biến cho phép đo lường chính xác và theo dõi các thông số quan trọng trong quá trình sản xuất và kiểm soát.
Điều khiển và bảo vệ an toàn: Cảm biến được sử dụng để kiểm soát các thiết bị và máy móc, đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả. Ví dụ, cảm biến tiệm cận được sử dụng để phát hiện vật thể trong quá trình làm việc của máy móc và ngừng hoạt động để tránh tai nạn.
Theo dõi và điều khiển môi trường: Cảm biến được sử dụng để giám sát và điều khiển môi trường trong các ngành công nghiệp như quản lý năng lượng, điều khiển hệ thống HVAC (hệ thống điều hòa không khí, thông gió, và điều khiển nhiệt độ), quản lý môi trường trong các phòng sạch và nhiều ứng dụng khác.
Tự động hóa: Cảm biến là một phần quan trọng trong các hệ thống tự động hóa, giúp kiểm soát quy trình sản xuất, điều khiển robot và các thiết bị tự động khác.
Xe thông minh và tự lái: Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong xe thông minh và xe tự lái, giúp xác định vị trí, theo dõi môi trường xung quanh, phát hiện và tránh va chạm, và cung cấp thông tin cho hệ thống lái tự động.
Công nghệ y tế: Cảm biến được sử dụng trong các thiết bị y tế để giám sát sức khỏe và chẩn đoán bệnh. Ví dụ, cảm biến nhịp tim được sử dụng để đo và ghi lại nhịp tim của bệnh nhân, cảm biến đo đường huyết được sử dụng để theo dõi mức đường huyết trong các trường hợp tiểu đường.
IoT (Internet of Things): Cảm biến đóng vai trò quan trọng trong mạng lưới IoT, cho phép thu thập dữ liệu từ môi trường và truyền nó qua mạng để phân tích và ứng dụng trong các lĩnh vực như quản lý năng lượng, quản lý tài nguyên, kiểm soát tự động trong nhà thông minh.
Nghiên cứu khoa học và phân tích dữ liệu: Cảm biến được sử dụng trong các phòng thí nghiệm và nghiên cứu để thu thập dữ liệu và phân tích các thông số quan trọng. Chúng cung cấp thông tin cần thiết để hiểu và giải thích các hiện tượng trong các lĩnh vực như vật lý, hóa học, sinh học, và nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác.
Điện tử tiêu dùng: Cảm biến cũng được sử dụng trong các thiết bị điện tử tiêu dùng như điện thoại di động, máy tính bảng, đồng hồ thông minh, và các thiết bị đeo trên cơ thể. Chúng giúp cung cấp các tính năng như đo nhịp tim, đo vị trí, điều khiển cử chỉ, và tương tác người-máy.
