Sensor là gì? Tổng quan về các loại cảm biến thông dụng

Sensor là gì?

Sensor (hay cảm biến) là một thiết bị cảm nhận, phát hiện và phản hồi với một số loạt đầu vào từ môi trường vật lý. Một đầu vào cụ thể có thể là ánh sáng, âm thanh, nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động, áp suất,.. v.v. từ các loại môi trường khác nhau sẽ có các loại cảm biến tương thích. Đầu ra của cảm biến (tín hiệu phản hồi) là tín hiệu được chuyển đổi thành các giá trị có thể đọc được trên màn hình hiển thị hoặc được truyền vào các bộ điều khiển (PLC, PAC,..), bộ xử lý để đọc hoặc xử lý thêm.

Phân loại cảm biến (sensor)

Theo môi trường

• Cảm biến trong môi trường rắn
• Cảm biến trong môi trường lỏng
• Cảm biến trong môi trường khí

Theo cách đo, phương pháp đo (tiếp xúc & không tiếp xúc)

• Cảm biến siêu âm
• Cảm biến điện dung
• Cảm biến radar
• Cảm biến hồng ngoại
• Cảm biến quang học
• Cảm biến cơ học
• Cảm biến tiệm cận
• Cảm biến cảm ứng

Theo tính năng, ứng dụng

• Cảm biến nhiệt độ: Pt100, Pt1000, RTD, Thermistors, IC,..
• Cảm biến độ ẩm
• Cảm biến áp suất
• Cảm biến mức
• Cảm biến PH
• Cảm biến CO2
• Cảm biến Clo
• Cảm biến Carbon
• Cảm biến độ đục
• Cảm biến độ dẫn điện
• Cảm biến Oxy
• Cảm biến Hydro
• Cảm biến Nitơ
• Cảm biến Ozone
• Cảm biến khói
• Cảm biến hình ảnh
• Cảm biến phát hiện chuyển động
• Cảm biến khoảng cách (vị trí)
• Cảm biến đo biến dạng
• Cảm biến độ nghiêng
• Cảm biến tốc độ
• Cảm biến lưu lượng
• Cảm biến gia tốc
• Cảm biến ánh sáng

Chúng ta cùng đi tìm hiểu chi tiết một số cảm biến nhé!

Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor)

Các cảm biến phổ biến và thông dụng nhất được dùng để đo nhiệt độ bao gồm: cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, RTD và đầu dò nhiệt độ hồng ngoại.

Bảng so sánh đặc điểm chính của một số cảm biến nhiệt độ

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Cặp nhiệt điện là loại cảm biến nhiệt độ phổ biến nhất bởi chi phí và độ tin cậy tương đối thấp. Các cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng Seebeck, chứng minh rằng khi một cặp kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau ở mỗi đầu chịu sự thay đổi của nhiệt độ, chúng sẽ tạo ra một hiệu điện thế nhỏ.

Ghép nối các loại kim loại khác nhau cho chúng ta nhiều dải đo khác nhau. Chúng được gọi là “loại”. Một loại rất phổ biến là Loại K, kết hợp giữa chromel và alumel, dẫn đến dải đo rộng từ −200°C đến +1350°C (−330°F đến +2460°F). Các loại phổ biến khác là J, T, E, R, S, B, N và C.

Các loại cặp nhiệt điện J, K, T và E còn được gọi là Cặp nhiệt điện kim loại cơ bản. Cặp nhiệt điện Loại R, S và B được gọi là Cặp nhiệt điện kim loại quý, được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao

Đầu ra từ cặp nhiệt điện phải được tuyến tính hóa bởi hệ thống đo.

Nó cũng phải được tham chiếu bằng cách sử dụng Cold Junction Compensation (CJC). “Điểm nối nóng” là đầu đo của cụm cặp nhiệt điện và đầu kia là điểm nối lạnh, nơi thường đặt tham chiếu. Sự bù mối nối lạnh loại bỏ ảnh hưởng của điện áp được tạo ra bởi các mối nối lạnh này để đo nhiệt độ chính xác hơn.

Cảm biến nhiệt độ RTD

So với cặp nhiệt điện, RTD (Resistance Temperature Detector) thường tuyến tính hơn và không bị trôi trong phạm vi đo của nó. Tuy nhiên, do hàm lượng bạch kim và cấu tạo phức tạp hơn, chúng đắt hơn cặp nhiệt điện.

Bạn thường thấy RTD được sử dụng trong các ứng dụng như dược phẩm, nơi phải thực hiện các phép đo nhiệt độ chính xác trong một thời gian dài. Tuy nhiên, chúng không dao động trên 600°C, vì vậy cặp nhiệt điện là lựa chọn tốt hơn cho các ứng dụng “tiếp xúc” với nhiệt độ cao.

Không giống như cặp nhiệt điện tự cấp nguồn, RTD phải được cấp nguồn bởi hệ thống đo.

RTD đo nhiệt độ thông qua điện trở thay đổi theo kiểu tuyến tính cao đối với nhiệt độ. Mặc dù về cốt lõi của nó, RTD là cảm biến 2 dây, việc bổ sung thêm một hoặc thậm chí hai dây (móc nối 3 và 4 dây) cung cấp khả năng bù trừ tốt hơn chống tự sinh nhiệt và điện trở dây dẫn.

Điện trở nhiệt (Thermistor)

Một thermistor là một phần của chất bán dẫn làm bằng oxit kim loại được ép thành một hạt nhỏ, dạng đĩa, wafer, hoặc hình dạng khác và thiêu kết ở nhiệt độ cao. Cuối cùng, chúng được phủ bằng epoxy hoặc thủy tinh.

Khi một dòng điện chạy qua một điện trở nhiệt, sau đó bạn có thể đọc điện áp trên điện trở nhiệt và xác định nhiệt độ của nó. Một nhiệt điện trở thường có điện trở 2000Ω ở 25°C. Hệ số nhiệt độ 3,9 phần trăm.

Nhiệt điện trở không đắt và có phản ứng nhanh, nhưng chúng không tuyến tính, có phạm vi hạn chế, tương đối dễ vỡ trừ khi được gắn bên trong một đầu dò để bảo vệ.

Ưu và nhược điểm của một số cảm biến nhiệt độ

Cảm biến đo biến dạng (Strain Gage Sensor)

Khi một cảm biến đo biến dạng (hay còn gọi là “máy đo biến dạng”) được căn chỉnh chính xác và dán vào một vật thể đang thử nghiệm và chúng ta tác dụng lực lên vật thể bằng cách uốn cong hoặc vặn nó, lực cản của máy đo biến dạng sẽ thay đổi tuyến tính và khi đó chúng ta có thể đo lường nó. Chúng ta cũng có thể áp dụng toán học để tính biến dạng và các lực khác.

Ưu điểm của cảm biến đo biến dạng

• Giá thành không cao
• Ổn định trong cả phép đo tĩnh và động
• Có thể sử dụng trong nhiều ứng dụng

Nhược điểm của cảm biến đo biến dạng

• Yêu cầu có kiến thức chuyên môn để cài đặt và lắp đặt
• Yêu cầu hiệu chỉnh tín hiệu tương đối phức tạp
• Nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến các phép đo

Ứng dụng cảm biến đo biến dạng

• Đo độ căng và ứng suất
• Các phép đo trọng lượng và tải trọng
• Đo lực
• Các phép đo chấn động và rung

Cảm biến lực (Load Cell Sensor)

Nếu chúng ta thực hiện thêm một bước nữa và gắn cố định bốn cảm biến đo biến dạng vào một phần cứng có hình dạng nhất định, chúng sẽ tạo ra một cảm biến khác gọi là Load Cell. Đây thực chất là một cảm biến lực hoặc áp suất.

Load Cell phổ biến nhất là những cảm biến được lắp đặt ở dưới cùng của một hệ thống. Khi bạn bước lên cân và tạo ra lực nén cho các Load Cell, chúng tạo ra sự thay đổi về điện trở mà bộ vi điều khiển đo lường và chuyển đổi thành giá trị tính bằng kg (lbs).

Load Cell dạng “thanh” hoặc “dầm uốn” thường được sử dụng cho các ứng dụng cân công nghiệp. Một đầu của thanh được cố định vào một cấu trúc, trong khi một lực được tác dụng vào đầu tự do của cảm biến.

Lực này làm cho bốn đồng hồ đo biến dạng được tích hợp trên cùng, dưới cùng và mỗi đầu của cảm biến lực kéo dài hoặc nén tùy thuộc vào mức độ tác dụng hoặc loại bỏ lực làm thay đổi lực căng của cấu trúc load cell. Những thay đổi nhỏ này từ thiết bị đo biến dạng có thể dễ dàng chuyển thành trọng lượng.

Load Cell có nhiều hình dạng và kích cỡ: một số dùng cho không gian rất nhỏ và tải trọng nhỏ, một số khác dùng cho tải trọng lớn hàng trăm nghìn tấn, v.v.

Ưu điểm của Load Cell

• Các phép đo chính xác và có thể lặp lại
• Từ tải rất nhỏ đến hàng trăm nghìn kg
• Có sẵn nhiều hình dạng và kích thước cho nhiều ứng dụng

Nhược điểm của Load Cell

• Các phép đo có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường
• Yêu cầu hiệu chỉnh tín hiệu cảm biến tương đối phức tạp và tốn kém

Ứng dụng của Load Cell

• Kiểm tra vật liệu: cân các bộ phận khi chúng được sản xuất để đảm bảo tính nhất quán
• Hàng không vũ trụ: đo lực đẩy động cơ phản lực, tải trọng lên bánh xe và gầm xe
• Hàng hải: đo sức căng dây neo
• Giao thông vận tải: đo mô-men xoắn trên động cơ, trạm cân xe tải trên đường cao tốc
• Công nghiệp: đo lực căng và lực trong các nhà máy giấy và kim loại
• Y tế/Chăm sóc sức khỏe: cân lồng ấp cho trẻ sơ sinh, thiết bị vật lý trị liệu.
• Hạ tầng: đo lực cáp trong thang máy, lực trên giàn giáo
• Dụng cụ thể thao: kiểm tra độ căng của cáp trên cáp dùng để cẩu người nhào lộn
• Hóa dầu: đo lực trên các công cụ khoan dầu khí
• Trồng trọt và chăn nuôi: cân gia súc, phễu, thùng chứa và cân silo
• Gia dụng: cân kỹ thuật số, cân thực phẩm nhà bếp

Cảm biến vị trí (LVDT Sensor)

LVDT (linear variable differential transformer – Biến áp vi sai biến thiên tuyến tính) được sử dụng để đo dịch chuyển/vị trí tuyến tính trong khoảng cách tương đối ngắn. Chúng bao gồm một ống hình trụ, bên trong có chứa một thanh đo. Phần đế của ống được gắn vào một vị trí cố định, và phần cuối của thanh được gắn vào một vật gì đó chuyển động.

Khi thanh được kéo ra khỏi ống hoặc trượt trở lại, cảm biến sẽ xuất ra tín hiệu thể hiện cho vị trí của thanh từ điểm bắt đầu đến độ lệch tối đa của nó. Thanh không chạm vào bên trong ống, khiến nó hầu như không có ma sát và thành phần cấu tạo LVDT không chứa linh kiện điện tử, khiến nó được sử dụng phổ biến trong môi trường khắc nghiệt.

Ưu điểm cảm biến LVDT

• Các phép đo có độ chính xác cao và có thể lặp lại
• Tuổi thọ cao do hoạt động hầu như không ma sát
• Có sẵn từ rất micromet đến 0,7 m
• Đầu ra tuyệt đối
• Có nhiều loại và kích cỡ dành cho các ứng dụng khác nhau

Nhược điểm cảm biến LVDT

• Các phép đo có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường
• Yêu cầu kích thích AC

Ứng dụng của cảm biến LVDT

• Hàng ngàn ứng dụng đo lường công nghiệp, nhà máy và quy trình
• Hàng không vũ trụ: kiểm tra bề mặt điều khiển và truyền động
• Giao thông vận tải: giám sát chiều cao hành trình giữa xe tải và thùng xe lửa
• Hóa dầu: định vị dụng cụ khoan

Cảm biến độ rung (Vibration Sensor – Accelerometer)

Gia tốc kế (Accelerometer) được sử dụng để đo độ rung và độ sốc trên máy móc và về cơ bản là bất cứ thứ gì chuyển động đều có thể tạo ra độ rung. Đầu ra của chúng cũng có thể được tích hợp kép để tính toán độ dịch chuyển và vận tốc.

Gia tốc kế để thực hiện các phép đo động thường dựa trên nguyên lý áp điện: khi một tinh thể thạch anh bị đặt dưới áp lực, nó sẽ giải phóng một dòng ion tích điện tỷ lệ với ứng suất. Các cảm biến này được kết nối với bộ điều khiển tín hiệu loại sạc. Một loại phổ biến hơn nữa là cảm biến IEPE (hay còn gọi là ICP®), có bộ tiền khuếch đại tích hợp và yêu cầu bộ điều khiển tín hiệu chi phí thấp hơn.

Ngoài ra còn có các máy đo gia tốc kiểu điện dung dựa trên một nguyên lý khác và được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp ít đòi hỏi hơn.

Và có các gia tốc kế dựa trên MEMS được sử dụng nhiều trong các ứng dụng điều hướng, định hướng máy tính bảng và điện thoại, kiểm tra ô tô và động cơ.

Ưu điểm của gia tốc kế

• Kết nối dễ dàng
• Sử dụng cho cả các phép đo động và tĩnh
• Có nhiều loại và kích cỡ cho các ứng dụng khác nhau
• Cảm biến sạc không cần nguồn ngoài
• Cảm biến IEPE cho cáp dài hơn và điều khiển tín hiệu ít tốn kém hơn

Nhược điểm của gia tốc kế

• Cảm biến có thể bị hỏng do rung, sốc quá nhiều
• Cảm biến sạc yêu cầu điều khiển tín hiệu đắt hơn điều khiển tín hiệu cảm biến IEPE
• Việc lắp đặt các cảm biến đòi hỏi một số kiến ​​thức chuyên môn

Ứng dụng gia tốc kế

• Kiểm tra độ rung và chấn động của tất cả các loại, trong tất cả các ngành
• Hàng không vũ trụ: kiểm tra sức căng và độ căng thân máy bay, kiểm tra độ rung động cơ phản lực và tên lửa
• Vận chuyển: ghi lại chấn động và rung động trong quá trình vận chuyển các mặt hàng dễ vỡ
• Ô tô: đo độ rung và chấn động của bảng điều khiển thân xe, kiểm tra sự thoải mái của hành khách, độ rung động cơ
• Kiểm tra độ rung cơ thể người
• Thử nghiệm rung động xoắn và quay

Cảm biến âm thanh (Sound Sensor – Microphone)

Ngoài việc được sử dụng trong lĩnh vực giải trí, micro còn được sản xuất để sử dụng trong các ứng dụng thu thập dữ liệu để phân tích và đo lường âm thanh và tiếng ồn.

Micrô được sử dụng trong nghiên cứu tiếng ồn và độ rung, nghiên cứu thính giác của con người, ứng dụng tiếng ồn do ô tô truyền qua và hàng ngàn ứng dụng khác.

Ưu điểm của micrô

• Kết nối dễ dàng: sử dụng cáp BNC 50Ω có sẵn
• Có nhiều loại cho các ứng dụng khác nhau
• Dễ dàng cài đặt

Nhược điểm của micrô

• Cảm biến tương đối đắt tiền
• Có thể bị hỏng nếu làm rơi hoặc xử lý sai
• Một số mic yêu cầu nguồn ảo từ bộ điều khiển tín hiệu

Ứng dụng micrô

• Kiểm tra độ ồn và độ rung của tất cả các loại, trong tất cả các ngành
• Hàng không vũ trụ: kiểm tra tiếng ồn động cơ phản lực
• Vận chuyển: ghi lại chấn động và rung động trong quá trình vận chuyển các mặt hàng dễ vỡ
• Ô tô: tiếng ồn của động cơ, kiểm tra tiếng ồn khi qua đường, kiểm tra tiếng ồn phanh
• Y tế: nghiên cứu tác động tiếng ồn xung quanh, kiểm tra thính giác

Ngoài những loại cảm biến đã trình bày tóm tắt ở trên còn rất nhiều loại cảm biến khác nữa. MC&TT hy vọng rằng, với lượng kiến thức được chia sẻ phía trên sẽ giúp các bạn có cái nhìn tổng quan và hiểu hơn về sensor (cảm biến). Xin cảm ơn!