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

Sensor là gì(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, đi lại, áp suất,.. v.v. từ những loại môi trường khác nhau sẽ có những loại cảm biến tương thích. Đầu ra của cảm biến (tín hiệu phản hồi) là tín hiệu được chuyển đổi thành những trị giá có thể đọc được trên màn hình hiển thị hoặc được truyền vào những 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 thanh
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 đi lại
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)

những cảm biến phổ biến và thông dụng nhất được sử dụng 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

	Thermistor	RTD	Cặp nhiệt điện
Phạm vi nhiệt độ	-100 tới 325°C	-200 tới 650° C	200 tới 1750° C
Độ chuẩn xác	0,05 tới 1,5°C	0,1 tới 1°C	0,5 tới 5°C
Ổn định trong khoảng thời gian dài ở 100 °C	0,2°C / năm	0,05°C / năm	Biến đổi
Tuyến tính	Số mũ	Tương đối tuyến tính	Phi tuyến tính
Nguồn điện yêu cầu	Điện áp hoặc dòng điện không đổi	Điện áp hoặc dòng điện không đổi	Tự phân phối
Thời gian đáp ứng	Nhanh (0,12 tới 10 giây)	Chậm (1 tới 50 giây)	Nhanh (0,10 tới 10 giây)
Tính nhạy cảm với nhiễu điện	Ít nhạy cảm	Ít nhạy cảm	Bù cảm ứng / điểm lạnh
Giá thành	Thấp tới trung bình	Cao	Thấp

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Cặp nhiệt điện là loại cảm biến nhiệt độ phổ biến nhất bởi kinh phí và độ tin cậy tương đối thấp. những 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 những 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, phối hợp giữa chromel và alumel, dẫn tới dải đo rộng từ −200°C tới +1350°C (−330°F tới +2460°F). những loại phổ biến khác là J, T, E, R, S, B, N và C.

những 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 những 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 tác động của điện áp được tạo ra bởi những mối nối lạnh này để đo nhiệt độ chuẩn 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 những ứng dụng như dược phẩm, nơi phải thực hiện những phép đo nhiệt độ chuẩn xác trong một thời gian dài. Tuy nhiên, chúng không dao động trên 600°C, vì vậy cặp nhiệt điện là lựa chọn lựa tốt hơn cho những 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) phân phối 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

	Ưu điểm	Nhược điểm	Ứng dụng
Cặp nhiệt điện	– Dải đo rộng – Tự cấp nguồn – Dễ dàng kết nối – Giá thành thấp	– Không tuyến tính – Yêu cầu tham chiếu CJC – Không cô lập	– Hàng nghìn ứng dụng trong giám sát nhiệt độ dây chuyền, hệ thống công nghiệp – Công nghiệp ô tô – Thử nghiệm động cơ đốt trong và hybrid – Thử nghiệm động cơ điện và tuabin – Ứng dụng trong y tế, săn sóc sức khỏe – Thử nghiệm động cơ và hệ thống điều khiển hàng không vũ trụ
RTD	– Ổn định nhất – chuẩn xác nhất – Tuyến tính hơn cặp nhiệt điện	– Giá thành cao – Phải phân phối nguồn nuôi – ∆R nhỏ – Điện trở kháng tuyệt đối thấp – Tự sinh nhiệt – Thời gian đáp ứng chậm	– Dược phẩm, sản xuất thuốc – Chế biến thức ăn – những phép đo khoa học chuẩn xác
Thermistor	– Độ chuẩn xác cao – Phản ứng nhanh – Dễ dàng cài đặt – Giá thành thấp	– Đầu ra phải được chuyển đổi từ sự thay đổi điện trở thành số đọc nhiệt độ – Phạm vi giới hạn tới ~ 200°C	– Giám sát mạch điện – Ứng dụng động cơ ô tô – Điện tử dân dụng – Chuông báo cháy – Kiểm soát nhiệt

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 chuẩn 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 lúc đó chúng ta có thể đo lường nó. Chúng ta cũng có thể vận dụng toán học để tính biến dạng và những 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 tri thức chuyên môn để cài đặt và lắp đặt
Yêu cầu hiệu chỉnh tín hiệu tương đối phức tạp
Nhiệt độ có thể tác động tới những phép đo

Ứng dụng cảm biến đo biến dạng

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

Cảm biến lực (Load Cell Sensor)

nếu như 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 những Load Cell, chúng tạo ra sự thay đổi về điện trở mà bộ vi điều khiển đo lường và chuyển đổi thành trị giá tính bằng kg (lbs).

Load Cell dạng “thanh” hoặc “dầm uốn” thường được sử dụng cho những 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 rất nhiều hình dạng và kích cỡ: một số sử dụng cho không gian rất nhỏ và trọng tải nhỏ, một số khác sử dụng cho trọng tải lớn hàng trăm nghìn tấn, v.v.

Ưu điểm của Load Cell

những phép đo chuẩn xác và có thể lặp lại
Từ tải rất nhỏ tới hàng trăm nghìn kg
Có sẵn nhiều hình dạng và kích thước cho nhiều ứng dụng

Nhược điểm của Load Cell

những phép đo có thể bị tác động 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 những phòng ban khi chúng được sản xuất để đảm bảo tính nhất quán
Hàng không vũ trụ: đo lực đẩy động cơ phản lực, trọng tải 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 phố cao tốc
Công nghiệp: đo lực căng và lực trong những nhà máy giấy và kim loại
Y tế/săn 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 sử dụng để cẩu người nhào lộn
Hóa dầu: đo lực trên những phương tiện 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 đi lại.

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 khởi đầu tới 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

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

Nhược điểm cảm biến LVDT

những phép đo có thể bị tác động bởi nhiệt độ môi trường
Yêu cầu kích thích AC

Ứng dụng của cảm biến LVDT

Hàng nghìn ứng dụng đo lường công nghiệp, nhà máy và trình tự
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 đi lại 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 véc tơ vận tốc tức thời.

Gia tốc kế để thực hiện những phép đo động thường dựa trên nguyên lý áp điện: khi một tinh thể thạch anh bị đặt dưới sức ép, nó sẽ phóng thích một dòng ion tích điện tỷ lệ với ứng suất. những 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 kinh phí thấp hơn.

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

Và có những gia tốc kế dựa trên MEMS được sử dụng nhiều trong những 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 những phép đo động và tĩnh
có rất nhiều loại và kích cỡ cho những 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 những 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 những loại, trong tất cả những ngành
Hàng không vũ trụ: kiểm tra sức căng và độ căng thân tàu 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 những 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 thân thể người
Thử nghiệm rung động xoắn và quay

Cảm biến âm thanh (Sound Sensor – Microphone)

Ngoài việc được sử dụng trong ngành nghề giải trí, micro còn được sản xuất để sử dụng trong những ứng dụng thu thập dữ liệu để tìm hiểu 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 nghìn ứng dụng khác.

Ưu điểm của micrô

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

Nhược điểm của micrô

Cảm biến tương đối đắt tiền
Có thể bị hỏng nếu như 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 những loại, trong tất cả những 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 những 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. MESIDAS hy vọng rằng, với lượng tri thức được chia sẻ phía trên sẽ giúp những bạn có cái nhìn tổng quan và hiểu hơn về sensor (cảm biến). Xin cảm ơn!

Xem thêm:LAN, MAN, WAN là gì? Tổng quan về mạng LAN, MAN và WAN