Cảm biến là gì? 15 loại cảm biến trong công nghiệp và ứng dụng thực tế

Cảm biến là một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại. Nếu bạn đang đọc bài viết này trên máy tính, rất có thể bạn đang sử dụng chuột có chứa cảm biến quang học. Nếu bạn đang sử dụng điện thoại thông minh, bạn đang sử dụng cảm biến cảm ứng mỗi khi bạn chạm vào màn hình. Nhưng chính xác thì cảm biến là gì?

Cảm biến là gì?

Cảm biến (Sensor) là thiết bị đo có đầu vào là một đại lượng cụ thể nào đó (hiện tượng vật lý, phản ứng hóa học hoặc sinh học) và cung cấp đầu ra (số liệu, tín hiệu điện) có liên quan đến đại lượng đó.

Đầu vào của cảm biến khá đa dạng, nhưng ta có thể gom thành 3 nhóm như sau:

• Nhóm đầu vào vật lý: ánh sáng, âm thanh, chuyển động, khoảng cách, sóng điện từ, hạt bức xạ, ..v..v.. hay các loại tia.
• Nhóm đầu vào hóa học: phóng xạ, nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, khói, ..v..v..
• Nhóm đầu vào sinh học: virus, vi khuẩn, đường Glucose, DNA, ..v..v..

Phần lớn các thiết bị cảm biến là đồ điện tử (đầu vào được chuyển đổi thành dữ liệu điện tử). Thế nhưng, vẫn có một số cảm biến đơn giản hơn, chẳng hạn như: nhiệt kế thủy ngân có đầu vào là nhiệt độ. Thủy ngân trong nhiệt kế sẽ cảm ứng và thay đổi lên hoặc xuống theo thang đo. Khi đó, chúng ta có thể đọc được nhiệt độ của nó.

Ứng dụng của cảm biến trong đời sống hiện đại

Trong cuộc sống sinh hoạt đời thường, chúng ta sẽ dễ dàng bắt gặp cảm biến được dùng để đo nhiệt độ (nhiệt kế), dò khói (đầu báo cháy), đo khoảng cách (ứng dụng trong các bến cảng để xác định vị trí đặt các Container), ..v..v.. . Tuy nhiên, có nhiều loại cảm biến hơn thế, và nó thường được ứng dụng vào trong ngành công nghiệp tự động hóa, công nghiệp sản xuất và chế tạo.

Chỉ tính riêng trong ngành công nghiệp Ô tô, thì ta có thể nhận thấy đủ các loại cảm biến được sử dụng như: Cảm biến áp suất được dùng cho lốp xe, nó cho biết lốp bị xẹp và cần bơm thêm khí khi nào. Hoặc những chiếc xe tự lái của Tesla được trang bị cảm biến siêu âm, nó đo khoảng cách giữa xe và các vật thể khác xung quanh bằng sóng âm thanh, giúp hạn chế sự va chạm và gây tai nạn giao thông.

Đương nhiên, ngoài ô tô thì sản xuất máy bay cũng là “ông tổ” cảm biến với hàng chục các thiết bị cảm biến được tích hợp vào mà chúng ta có thể viết hẳn một bài luận riêng cho nó.

Về lĩnh vực y tế, các thiết bị cảm biến đôi khi được xem là “thần hộ mệnh” cho các bệnh nhân có nguy cơ đột quỵ, trụy tim, ..v…v hoặc các bệnh lý liên quan đến co thắt cơ. Không chỉ có thế, cảm biến được sử dụng cực kỳ phổ biến trong y tế, nó nhiều đến nỗi bạn chẳng thể dùng từ “đếm” để hình dung.

Phân loại cảm biến

Nếu chỉ xét riêng cảm biến điện tử thì ta có thể chia thành 2 nhóm là: cảm biến Analog (chuyển đổi dữ liệu vật lý thành tín hiệu tương tự) và cảm biến Digital (tín hiệu số).

Đối với các số liệu cần sự chính xác cao như: nhiệt độ, áp suất thì cảm biến tương tự được sử dụng để đo sự thay đổi liên tục của nó. Và số liệu là một tập hợp các giá trị hữu hạn có thể xảy ra.

Đối với các số liệu có sự thay đổi theo xu hướng và đưa ra kết quả chung (có hoặc không) thì cảm biến số được sử dụng, như: cảm biến ánh sáng (bật đèn hoặc tắt đèn), cảm biến âm thanh (biên độ lớn hoặc nhỏ), ..v..v.. . Và số liệu của cảm biến này chỉ được đo bằng 0 hoặc 1 (nhị phân).

Bên cạnh đó, các loại cảm biến khác nhau nhưng có thể bổ trợ cho nhau hoặc kết hợp với nhau để tạo thành một loại cảm biến khác. Chẳng hạn như: cảm biến hồng ngoại có thể được sử dụng trong cảm biến tiệm cận. Cảm biến siêu âm có thể được sử dụng trong cảm biến khoảng cách, ..v..v.. .

15 loại cảm biến được dùng nhiều trong công nghiệp

Một số loại cảm biến điện tử phổ biến được dùng nhiều trong đời sống thực tế, sản xuất công nghiệp và công nghệ tự động hóa hiện nay như:

1. Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor)

Cảm biến nhiệt độ là loại cảm biến được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Không chỉ có nhiệt kế thủy ngân, mà nó còn có thể là các thiết bị đo / cảm ứng sự thay đổi của nhiệt độ như: nhiệt điện trở, can nhiệt (cặp nhiệt điện / nhiệt kế nhiệt điện), RTD (nhiệt kế điện trở), ..v..v.. .

2. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors)

Cảm biến tiệm cận là loại cảm biến không thông qua tiếp xúc nhưng có thể phát hiện sự hiện diện của một đối tượng. Cảm biến tiệm cận có thể được thực hiện bằng các kỹ thuật khác nhau, như: hiện tượng quang học (Hồng ngoại hoặc Laser), âm thanh (Siêu âm), Từ tính (Hiệu ứng Hall), Điện dung, ..v..v.. .

Các biến tiệm cận thường được ứng dụng trong: điện thoại di động (VD: khi nghe điện thoại, màn hình cảm ứng sẽ tối khi bạn để gần tai, sáng khi bạn để dịch ra ngoài tai), ô tô (cảm biến đỗ xe), máy bay (VD: cảm ứng khoảng cách với mặt đất khi máy bay hạ cánh), ..v..v.. .

3. Cảm biến hồng ngoại (Infrared Sensor / IR Sensor)

Cảm biến IR hoặc cảm biến hồng ngoại là cảm biến dựa trên ánh sáng được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau như: phát hiện tiệm cận và đối tượng. Cảm biến IR được sử dụng rất phổ biến trong điện thoại di động để làm cảm biến tiệm cận.

Có hai loại cảm biến hồng ngoại là: loại truyền và loại phản xạ. Trong cảm biến hồng ngoại loại truyền, một bộ phát hồng ngoại (thường là đèn LED hồng ngoại) và bộ phát hiện hồng ngoại (thường là điốt quang) được đặt đối diện nhau để cảm biến phát hiện một đối tượng khi nó đi qua giữa chúng.

Một loại cảm biến hồng ngoại khác là cảm biến hồng ngoại phản xạ. Trong trường hợp này, bộ phát và bộ dò được đặt gần nhau, cùng nằm đối diện với vật thể. Khi một đối tượng đến trước cảm biến, ánh sáng hồng ngoại do bộ phát hồng ngoại phát ra sẽ được phản xạ bởi đối tượng và được bộ thu hồng ngoại phát hiện. Từ đó, cảm biến phát hiện được đối tượng.

Cảm biến hồng ngoại được ứng dụng nhiều trong điện thoại di động, robot, lắp ráp công nghiệp, ô tô, .v..v.. .

4. Cảm biến ánh sáng (Light Sensor) / cảm biến ảnh

Cảm biến ánh sáng là một trong những cảm biến quan trọng. Cảm biến ánh sáng đơn giản hiện nay là điện trở quang (Quang trở) hoặc LDR. Đặc tính của LDR là điện trở của nó tỷ lệ nghịch với cường độ ánh sáng xung quanh, tức là khi cường độ ánh sáng tăng thì điện trở của nó giảm và ngược lại.

Cảm biến ánh sáng được sử dụng phổ biến nhất của các thiết bị đo cường độ ánh sáng, hoặc chuyển ánh sáng thành dòng điện (Photo Transistor).

5. Cảm biến khói (Smoke Sensor)

Cảm biến khói / khí là một trong những cảm biến hữu ích trong đời sống hằng ngày, liên quan đến an toàn của con người. Hầu hết tất cả các văn phòng và xưởng sản xuất đều được trang bị đầu báo khói giúp phát hiện bất kỳ loại khói nào (do hỏa hoạn) và phát ra âm thanh báo động.

Còn cảm biến khí được dùng phổ biến hơn trong các phòng thí nghiệm, nhà bếp có quy mô lớn và một số ngành công nghiệp. Chúng có thể phát hiện các loại khí khác nhau như: Methane (CH4), LPG, Butane, Propane, ..v..v.. .

6. Cảm biến nồng độ cồn (Alcohol Sensor)

Cảm biến nồng độ cồn giúp phát hiện / đo lường độ cồn trong không khí, hơi thở (người), trong sản xuất rượu, ..v..v.. . Thông thường, cảm biến nồng độ cồn được sử dụng trong các thiết bị đo hơi thở, giúp xác định xem một người có say hay không. Nó là thiết bị được sử dụng nhiều trong an toàn giao thông, giúp cảnh sát giao thông phát hiện một người say rượu khi đang lái xe.

7. Cảm biến chạm (Touch Sensor)

Ngày nay, cảm biến chạm đã trở thành một phần trong cuộc sống hàng ngày của tất cả mọi người trên Thế Giới. Bởi tất cả các thiết bị màn hình cảm ứng như: điện thoại di động, máy tính bảng, máy tính xách tay, ..v…v.. đều có cảm biến chạm trong đó. 

Một ứng dụng phổ biến của cảm biến chạm mà ít người để ý là bàn di chuột trong laptop của chúng ta.

Cảm biến chạm, như tên cho thấy, phát hiện thao tác chạm của ngón tay hoặc bút cảm ứng. Thường thì cảm ứng được phân thành 2 loại: cảm ứng điện trở và cảm ứng điện dung. Hầu hết tất cả các cảm biến cảm ứng hiện đại đều thuộc loại cảm ứng điện dung vì chúng chính xác hơn và cho tỷ lệ tín hiệu tốt hơn khi bị nhiễu.

8. Cảm biến màu sắc (Color Sensor)

Cảm biến màu sắc là một thiết bị hữu ích trong việc xây dựng các ứng dụng cảm biến màu trong lĩnh vực xử lý hình ảnh, nhận dạng màu sắc, theo dõi đối tượng trong công nghiệp, .v..v.. . TCS3200 là một loại cảm biến màu đơn giản, nó có thể phát hiện bất kỳ màu nào và tạo ra một sóng vuông và tỷ lệ với bước sóng của màu được phát hiện.

9. Cảm biến độ ẩm (Humidity Sensor)

Cảm biến độ ẩm thường được dùng trong hệ thống dự báo thời tiết, chúng có thể cung cấp dữ liệu về nhiệt độ cũng như độ ẩm. Từ đó, giúp chúng ta dự đoán được các hiện tượng thời tiết sắp xảy ra dựa trên số liệu được báo cáo.

Thông thường, tất cả các cảm biến độ ẩm đều đo độ ẩm có tính tương đối (tỷ lệ giữa hàm lượng nước trong không khí với khả năng giữ nước tối đa của không khí). Vì độ ẩm tương đối phụ thuộc vào nhiệt độ của không khí. Nên phần lớn các cảm biến độ ẩm cũng có thể đo được cả nhiệt độ.

Mặt khác, cảm biến độ ẩm được phân thành 3 loại là: điện dung, điện trở và dẫn nhiệt.

10. Cảm biến độ nghiêng (Tilt Sensor)

Cảm biến nghiêng là một trong những cảm biến đơn giản và rẻ tiền nhất hiện nay. Như chính tên gọi của nó, cảm biến được dùng để phát hiện độ nghiêng hoặc hướng nghiêng. Trước đây, các cảm biến độ nghiêng được tạo thành từ thủy ngân (nên sau này hay có tên gọi là Công tắc thủy ngân). Nhưng ngày nay, phần lớn các cảm biến độ nghiêng đều chứa một quả cầu lăn.

11. Cảm biến áp suất (Pressure Sensors)

Áp suất có thể hiểu đơn giản là lực được tác dụng bởi chất lỏng hoặc chất khí lên trên bề mặt một vật thể nào đó theo chiều vuông góc. Và nó thường được ký hiệu bằng p hoặc P, có đơn vị đo là Pascal (Pa), Bar, N / m^2, ..v..v…

Công thức tính áp suất là: $$P = \frac{F}{S} (N/m^{2})$$

Trong đó, P là áp suất, F (N) là lực (Newton) ép lên diện tích chịu lực và S (m^2) là diện tích bề mặt chịu lực.

Cảm biến áp suất là một dụng cụ bao gồm một đầu nhạy cảm với áp suất để xác định áp suất thực tế đưa vào cảm biến (sử dụng các nguyên lý làm việc khác nhau) và một số thành phần để chuyển đổi thông tin này thành tín hiệu đầu ra.

Cảm biến áp suất thường được dùng trong đồng hồ đo áp suất để:

• Đo áp suất khí bên trong bồn chứa, chẳng hạn như bồn chứa máy nén khí công nghiệp.
• Đo mức hoặc thể tích chất lỏng chứa bằng cách cảm nhận áp suất ở đáy bình.
• Đo chênh lệch áp suất giữa hai điểm trong hệ thống, như một phương tiện giám sát hoặc định lượng dòng chảy của chất lỏng hoặc khí.
• Đo áp suất khí quyển, giúp thay đổi áp suất khí quyển với điều kiện thời tiết hoặc theo độ cao. Hữu ích trong các trạm thời tiết, giám sát môi trường hoặc để hỗ trợ tính toán xác định điều hướng cùng với GPS.

12. Cảm biến chênh áp

Đôi khi không cần biết áp suất tuyệt đối của chất lỏng hay chất khí. Thay vào đó, chỉ cần biết sự khác biệt giữa hai điểm trong hệ thống đang được giám sát. Trong những tình huống như vậy, chúng ta cần phải sử dụng cảm biến chênh lệch áp suất.

Cảm biến chênh lệch áp suất sẽ cung cấp một phép đo giúp so sánh giữa hai điểm, đó có thể là trước và sau trong việc mở một van trong đường ống. Nếu van mở hoàn toàn, áp suất ở cả hai bên phải như nhau. Nếu có sự khác biệt về áp suất, đó có thể là van chưa mở hoàn toàn hoặc có tắc nghẽn.

13. Cảm biến đo mức (Level sensor)

Cảm biến đo mức hay đồng hồ đo mức được dùng để theo dõi, duy trì và đo mực chất lỏng (hoặc chất rắn). Có rất nhiều loại cảm biến đo mức khác nhau, như: cảm biến điện dung đo sự thay đổi điện dung (khả năng tích trữ điện tích) để xác định mức chất lỏng trong bồn chứa. Cảm biến "âm thoa" sử dụng sự khác biệt về áp suất và độ rung để đo mức chất lỏng. Hay cảm biến tiệm cận quang điện, chúng phát hiện sự hiện diện của chất lỏng bằng cách đo lượng ánh sáng hồng ngoại được phản xạ trở lại điốt quang.

Cảm biến đo mức thường được ứng dụng trong sản xuất công nghiệp như: ô tô, thiết bị gia dụng, ..v..v.. . Một ví dụ về cảm biến đo mức phổ biến được sử dụng là máy làm đá trong tủ lạnh.

14. Cảm biến bức xạ (Radiation Sensor)

Cảm biến bức xạ được dùng trong máy dò bức xạ (Radiation Detectors) là công cụ cảm nhận và đo lường phát xạ hoặc mức độ bức xạ được tạo ra bởi một nguồn nào đó. Bức xạ có thể được coi là năng lượng được giải phóng dưới dạng tia hoặc các hạt tốc độ cao. 

Có nhiều dạng bức xạ khác nhau tồn tại trong tự nhiên. Nói một cách tổng thể, bức xạ có thể được đặc trưng bởi hai lớp cơ bản:

Bức xạ điện từ, có thể được coi là sự phát ra năng lượng thuần túy. Chẳng hạn như: sóng vô tuyến, bức xạ vũ trụ (ánh sáng mặt trời) hoặc tia X.

Bức xạ hạt, liên quan đến việc phát ra các hạt chuyển động nhanh, bao gồm cả năng lượng và khối lượng liên quan đến sự phóng thích của nó. Các dạng bức xạ này bao gồm các hạt Alpha, hạt Beta, hoặc Neutron.

Cảm biến bức xạ thường được ứng dụng trong việc phát hiện sự ăn mòn của các đường ống dẫn hiệu quả, không xâm lấn trong các nhà máy công nghiệp như: dầu, khí đốt và nhà máy lọc hóa dầu.

15. Cảm biến kim loại (Metal Sensor)

Cảm biến kim loại được dùng trong máy dò kim loại (Metal detector) là thiết bị được dùng để cảm ứng điện từ và phát hiện ra các vật có khả năng dẫn điện tốt. Từ đó, nhận định vật đó là kim loại và phát ra tín hiệu thông báo.

Ngoài 15 loại cảm biến đã được liệt kê ở trên, thì trong thực tế còn rất rất nhiều các loại cảm biến khác mà chúng ta khó lòng có thể liệt kê và phân tích hết. Như đã từng đề cập ở đầu bài, cảm biến loài này có thể sinh ra cảm biến loại khác hoặc nhiều loại cảm biến kết hợp với nhau có thể sinh ra một loại cảm biến mới. Do đó, đều chúng ta cần ghi nhớ không phải là tất cả các loại cảm biến mà quy tắc cấu tạo nên cảm biến như: cảm biến điện dung là gì, cảm biến điện trở là gì. Và các nội dung này bạn có thể xem chi tiết tại đây:

1. Cảm biến điện trở là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế.
2. Cảm biến điện dung là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng thực tế.

Tương lai của công nghệ cảm biến

Khi công nghệ phát triển, việc sử dụng cảm biến sẽ tiếp tục được mở rộng vào mọi khía cạnh của cuộc sống của chúng ta. Các kỹ sư và nhà khoa học trên khắp thế giới sẽ sử dụng các cảm biến để tăng cường hệ thống giao thông, quy trình y tế, công nghệ nano, thiết bị di động, tăng cường thực tế ảo và thậm chí là cả trí tuệ nhân tạo (AI).

Do đó, biết và hiểu về cảm biến, phân biệt được các loại cảm biến và ứng dụng của chúng trong đời sống hàng ngày sẽ giúp chúng ta bắt kịp với công nghệ, xu hướng thời đại. Từ đó, thích nghi, ứng dụng vào sinh hoạt cá nhân, vào công việc để gia tăng thu nhập và dẫn đầu thị trường.

--- Mèo Vlog ---