Trong thời đại công nghệ 4.0 và Internet of Things (IoT) bùng nổ, các thiết bị cảm biến ngày càng đóng vai trò quan trọng trong đời sống và sản xuất. Từ thiết bị gia dụng, ô tô, y tế đến tự động hóa nhà máy — đâu đâu chúng ta đều bắt gặp sự hiện diện của các loại cảm biến. Vậy cảm biến là gì? Chúng hoạt động như thế nào? Bài viết này sẽ giải đáp chi tiết cho những câu hỏi đó.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến
Cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi một đại lượng vật lý hoặc hóa học thành tín hiệu điện có thể đo lường được. Quá trình này bao gồm ba bước:
- Phát hiện tín hiệu đầu vào: Đó có thể là nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, âm thanh, độ rung…
- Chuyển đổi tín hiệu: Các đại lượng này được chuyển thành dòng điện hoặc điện áp.
- Xử lý tín hiệu: Tín hiệu điện sau đó được xử lý và truyền về trung tâm xử lý hoặc hệ thống điều khiển.
Ngoài ra, để cảm biến hoạt động hiệu quả cần có hệ thống cấp nguồn phù hợp. Nguồn điện có thể cung cấp từ thiết bị đo, bộ điều khiển trung tâm hoặc lấy từ chính năng lượng của đại lượng đo như ánh sáng, gió, bức xạ…
Sơ đồ hoạt động cơ bản của cảm biến gồm:
- Bộ phận cảm biến: Tiếp nhận và phát hiện tín hiệu từ môi trường.
- Dây dẫn tín hiệu: Truyền dữ liệu từ cảm biến đến thiết bị xử lý.
- Thiết bị đo & xử lý tín hiệu: Chuyển đổi, hiển thị, lưu trữ hoặc điều khiển tiếp theo theo tín hiệu thu được.
- Nguồn cấp: Đảm bảo cung cấp năng lượng để hệ thống hoạt động ổn định.
Phân loại cảm biến
Cảm biến (Sensor) có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau tùy theo đại lượng cần đo, cơ chế chuyển đổi tín hiệu hoặc dạng tín hiệu đầu ra. Việc hiểu rõ các nhóm phân loại giúp kỹ sư lựa chọn đúng loại cảm biến phù hợp với từng ứng dụng trong công nghiệp, tự động hóa, đo lường – điều khiển.
Phân loại theo đại lượng đo lường (Measured Quantity)
Các cảm biến trong nhóm này được xác định dựa trên loại đại lượng vật lý mà chúng thu nhận và chuyển đổi thành tín hiệu điện. Một số nhóm phổ biến:
-
Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensors): đo nhiệt độ môi trường hoặc vật thể, sử dụng các phần tử như RTD, Thermocouple, Thermistor.
-
Cảm biến áp suất (Pressure Sensors): đo áp suất tuyệt đối, áp suất tương đối hoặc áp suất chênh lệch dựa trên biến dạng màng (diaphragm) hoặc hiệu ứng áp điện.
-
Cảm biến ánh sáng (Light/Optical Sensors): phát hiện cường độ ánh sáng, bước sóng hoặc sự hiện diện của vật cản bằng photodiode, phototransistor, quang trở.
-
Cảm biến âm thanh (Acoustic Sensors): nhận biết sóng âm hoặc rung động, thường dùng microphone MEMS hoặc cảm biến piezoelectric.
-
Cảm biến vị trí – dịch chuyển (Position/Displacement Sensors): bao gồm cảm biến tiệm cận, encoder, LVDT… dùng để xác định vị trí, hành trình, tốc độ.
Ngoài ra còn nhiều loại khác như cảm biến khí, độ ẩm, lưu lượng, lực – mô men… mỗi loại được thiết kế tối ưu cho một dạng tín hiệu vật lý riêng biệt.
Phân loại theo nguyên lý hoạt động (Operating Principle)
Cách phân loại này dựa trên cơ chế cảm nhận và chuyển đổi đại lượng vật lý sang tín hiệu điện:
-
Cảm biến tiếp xúc (Contact Sensors): yêu cầu tiếp xúc trực tiếp với đối tượng hoặc môi trường đo. Ví dụ: thermocouple tiếp xúc bề mặt, công tắc hành trình, cảm biến lực strain gauge.
-
Cảm biến không tiếp xúc (Non-contact Sensors): phát hiện đối tượng mà không cần chạm vào chúng, sử dụng các hiện tượng vật lý như trường điện từ, ánh sáng, siêu âm. Bao gồm: cảm biến tiệm cận (inductive/capacitive), cảm biến quang, cảm biến siêu âm, radar, encoder từ.
Cách phân loại này rất quan trọng trong dây chuyền tự động hóa vì ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ cảm biến, độ bền cơ khí và tính ổn định khi vận hành.
Phân loại theo tín hiệu đầu ra (Output Signal Type)
Tín hiệu đầu ra của cảm biến quyết định cách kết nối với PLC, bộ điều khiển hoặc thiết bị giám sát.
-
Cảm biến analog: đầu ra dạng tuyến tính hoặc phi tuyến theo đại lượng đo. Ví dụ:
-
Dòng điện: 4–20 mA
-
Điện áp: 0–10 V, 1–5 V
-
Điện trở thay đổi (RTD, Thermistor)
Cảm biến analog phù hợp cho đo lường liên tục và yêu cầu tính chính xác cao.
-
-
Cảm biến digital: đầu ra dạng mức logic (ON/OFF) hoặc xung (pulse). Các dạng phổ biến:
-
PNP/NPN (ON/OFF)
-
Xung A/B của encoder
-
UART/I2C/SPI đối với cảm biến số tích hợp
Cảm biến digital cho phép xử lý nhanh, ít nhiễu, và thuận tiện trong việc kết nối với PLC – HMI.
-
Một số các loại cảm biến thông dụng
Hiện nay, có nhiều loại cảm biến khác nhau được nghiên cứu và phát triển. Mỗi loại có những điểm đặc biệt riêng. Dưới đây là tổng hợp một số loại cảm biến phổ biến hiện nay để bạn đọc có thể nắm được thông tin cụ thể:
1. Cảm biến hình ảnh
Cảm biến hình ảnh hay còn được gọi là cảm biến thị giác. Đây là loại cảm biến có khả năng phát hiện một đối tượng cụ thể hoặc màu sắc trong phạm vi nhất định. Các tín hiệu này được chuyển thành hình ảnh đến hệ thống điều khiển để người dùng có thể quan sát. Chúng thường xuất hiện trong camera giám sát, xe tự lái, drone, thiết bị y tế, nhận diện khuôn mặt…
2. Cảm biến nhiệt độ
Loại cảm biến này thường được thiết kế dưới dạng một đầu dò nhiệt độ. Từ đó, các thông số nhiệt được tiếp nhận và truyền tín hiệu đến thiết bị đo nhiệt. Cảm biến nhiệt độ thường được dùng để đo các đặc tính nhiệt độ của chất lỏng, rắn và khí trong nhiều ngành công nghiệp chế biến, môi trường hiện nay.
Các loại cảm biến nhiệt độ thông dụng như: nhiệt kế bức xạ, cảm biến nhiệt bán dẫn, điện trở oxit kim loại, nhiệt điện trở (Thermistor, RTD, Thermocouple,…).
3. Cảm biến gia tốc
Cảm biến gia tốc (accelerometer) là cảm biến tiếp nhận tín hiệu gia tốc hoặc độ rung của các vật thể. Sau đó, tín hiệu này được chuyển đổi thành tín hiệu điện để hiển thị lên màn hình. Cảm biến gia tốc thường được sử dụng trong các loại máy đo độ rung, smartphone, ô tô, drone, bộ thu thập dữ liệu độ rung trong công nghiệp.
4. Cảm biến bức xạ
Được sử dụng để xác định sự hiện diện và mật độ của các hạt bức xạ như: hạt alpha, beta hoặc gamma. Các tín hiệu này được mã hóa rồi truyền đến màn hình điều khiển của máy đo bức xạ sau khi đã được giải mã. Các loại cảm biến bức xạ thường được ứng dụng trong y tế (x-quang, CT), quân sự, quốc phòng, nghiên cứu hạt nhân…
5. Cảm biến tiệm cận
Đây là loại cảm biến phổ biến giúp phát hiện sự hiện diện của các vật thể trong phạm vi nhất định mà không cần tiếp xúc. Khi vật thể tiến gần lại, một cảm biến sẽ tạo ra tín hiệu truyền đến bộ điều khiển. Các loại cảm biến tiệm cận phổ biến bao gồm:
- Cảm biến tiệm cận điện dung.
- Cảm biến tiệm cận điện từ (cảm ứng từ).
- Cảm biến tiệm cận quang học.
- Cảm biến siêu âm.
Ứng dụng rộng rãi trong dây chuyền sản xuất, robot công nghiệp, cửa tự động…
6. Cảm biến áp suất
Cảm biến áp suất là thiết bị cơ điện giúp phát hiện lực tác động trong một diện tích chất khí hoặc lỏng nhất định. Tín hiệu đầu vào được chuyển thành tín hiệu điện và hiển thị trên màn hình điều khiển. Thông thường, màng ngăn (diaphragm) và cầu đo biến dạng (strain gauge) được sử dụng để xác định lực tác động. Ứng dụng trong thủy lực, hệ thống HVAC, hệ thống khí nén, ô tô, y tế…
7. Cảm biến vị trí
Cảm biến vị trí hay đầu dò vị trí là thiết bị điện tử được dùng để xác định vị trí, góc quay, hướng di chuyển. Loại cảm biến này được ứng dụng chủ yếu trong các hệ thống cần thông tin về vị trí van, xi-lanh, bàn trượt… Các thiết bị thường gặp như: encoder, potentiometer, dây chiết áp, sensor từ trường Hall.
8. Cảm biến quang điện (Photoelectric sensor)
Cảm biến quang điện phát hiện các đối tượng hoặc sự thay đổi trên bề mặt thông qua đặc tính quang học. Cấu tạo cơ bản bao gồm bộ phát (LED, laser) và bộ thu (photodiode, phototransistor). Chúng thường được dùng trong băng chuyền phân loại, kiểm tra bao bì, đóng gói, cửa thông minh, hệ thống kiểm soát ra vào.
9. Cảm biến khói
Đây là thiết bị được thiết kế chuyên biệt để kịp thời nhận biết khói. Các cảm biến khói được sử dụng phổ biến trong hệ thống phòng cháy chữa cháy tại các trung tâm thương mại, văn phòng, tòa nhà… Chúng phát hiện sự hiện diện của hạt khói lơ lửng trong không khí và truyền tín hiệu về bộ điều khiển để phát thông báo cảnh báo cháy kịp thời.
Cấu tạo chung của các loại cảm biến
Mỗi cảm biến dùng nguyên lý khác nhau nhưng có cấu trúc chung gồm:
- Khối cảm nhận (Sensing Element): Tiếp nhận đại lượng vật lý.
- Khối chuyển đổi (Transducer): Chuyển đổi tín hiệu vật lý thành điện.
- Khối xử lý tín hiệu: Khuếch đại, lọc, biến đổi tín hiệu.
- Môi liên kết và giao tiếp: Truyền tín hiệu đến bộ điều khiển.
Nguyên lý hoạt động của cảm biến như thế nào?
Tùy loại cảm biến sẽ có nguyên lý hoạt động khác nhau:
- Cảm biến quang: Nhận biết sự thay đổi cường độ ánh sáng.
- Cảm biến điện dung: Nhận biết sự thay đổi điện dung.
- Cảm biến tiệm cận cảm ứng: Cộng hưởng điện từ sinh ra khi vật đến gần.
- Cảm biến nhiệt độ: Điện trở thay đổi theo nhiệt độ.
Vai trò của cảm biến là gì?
- Tự động hóa sản xuất: Cảm biến giúp tự động hóa quy trình sản xuất bằng cách thu thập dữ liệu chính xác theo thời gian thực như nhiệt độ, áp suất, tốc độ, vị trí… Từ đó, hệ thống điều khiển có thể tự động điều chỉnh các tham số vận hành, giúp dây chuyền sản xuất vận hành ổn định, nâng cao năng suất và tiết kiệm chi phí.
- An ninh: Cảm biến chuyển động, cảm biến khói, cảm biến cửa ra vào giúp giám sát và phát hiện các mối nguy tiềm ẩn như đột nhập, hỏa hoạn. Hệ thống an ninh nhờ vậy hoạt động hiệu quả, giúp bảo vệ an toàn tài sản và con người.
- Y tế: Cảm biến đo nhịp tim, huyết áp, lượng đường huyết, nhiệt độ cơ thể… giúp theo dõi sức khỏe bệnh nhân liên tục, hỗ trợ chẩn đoán chính xác và can thiệp kịp thời trong điều trị y tế.
- Vận tải: Trong ngành giao thông vận tải, cảm biến hỗ trợ hệ thống kiểm soát hành trình, hỗ trợ phanh khẩn cấp, giám sát áp suất lốp, phát hiện chướng ngại vật trên đường, tối ưu hóa tiêu hao nhiên liệu và an toàn giao thông thông minh.
- Điện tử tiêu dùng: Cảm biến hiện diện trong smartphone, smartwatch, thiết bị đeo thông minh, robot hút bụi, nhà thông minh… giúp nâng cao trải nghiệm người dùng, tiết kiệm năng lượng, tự động hóa sinh hoạt và quản lý từ xa vô cùng tiện lợi.
Một số lưu ý khi chọn mua cảm biến
Khách hàng cần phải tham khảo một số lưu ý sau đây để lựa chọn được loại cảm biến phù hợp với nhu cầu sử dụng:
- Xác định đại lượng cần đo: Trước tiên cần làm rõ bạn cần đo nhiệt độ, áp suất, vị trí, hay phát hiện đối tượng…
- Dải đo của cảm biến: Mỗi loại cảm biến sẽ có dải đo khác nhau. Cần lựa chọn dải đo phù hợp với ứng dụng thực tế để đảm bảo độ chính xác và an toàn vận hành.
- Tín hiệu output của cảm biến: Lựa chọn tín hiệu đầu ra phù hợp với hệ thống điều khiển. Tín hiệu chuẩn phổ biến như: 4–20mA, 0–10V, digital, Modbus RTU, RS485…
- Ren kết nối của cảm biến: Đảm bảo ren kết nối cảm biến tương thích với hệ thống thiết bị đo. Một số chuẩn ren phổ biến như: G1/4”, G1/2”, 1/2” NPTM, 1/4” NPTM…
- Nhiệt độ làm việc: Xem xét biên độ nhiệt độ làm việc của môi trường lắp đặt để chọn loại cảm biến chịu được nhiệt độ cao hoặc thấp theo yêu cầu.
- Độ chính xác, độ bền: Ưu tiên cảm biến có sai số thấp, ổn định lâu dài và chịu được điều kiện môi trường khắc nghiệt như bụi bẩn, độ ẩm, rung động…
- Thương hiệu, xuất xứ: Nên chọn cảm biến từ các nhà sản xuất uy tín để đảm bảo chất lượng, tuổi thọ, dịch vụ bảo hành và hỗ trợ kỹ thuật lâu dài.
Kết luận
Cảm biến đóng vai trò ngày càng quan trọng trong mọi lĩnh vực từ công nghiệp, y tế, quốc phòng đến đời sống dân dụng. Hiểu rõ về nguyên lý, cấu tạo và cách lựa chọn cảm biến sẽ giúp doanh nghiệp và cá nhân khai thác tối đa lợi ích mà công nghệ cảm biến mang lại trong thời đại tự động hóa hiện đại.