Cảm biến và những ứng dụng trong đời sống

8

Nếu bạn là một thợ điện, hay là kỹ sư điện thì cảm biến đã không còn quá xa lạ. Nó đóng vai trò khá quan trọng trong việc điều khiển tự động hóa. Cảm biến được dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng có thể đo và xử lý được. Hiện nay có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính : cảm biến vật lý, cảm biến hóa học….

Cảm biến là gì?

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác.

Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò (Test probe), có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được gọi luôn là “ cảm biến”. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp thì thuật ngữ cảm biến ít dùng cho vật có kích thước lớn. Thuật ngữ này cũng không dùng cho một số loại chi tiết, như cái núm của công tắc bật đèn khi mở tủ lạnh, dù rằng về mặt hàn lâm núm này làm việc như một cảm biến.

Phân loại cảm biến theo nguyên lý hoạt động

  • Cảm biến điện trở: Hoạt động dựa theo di chuyển con chạy hoặc góc quay của biến trở, hoặc sự thay đổi điện trở do co giãn vật dẫn.
  • Cảm biến cảm ứng:
  • Cảm biến biến áp vi phân: Cảm biến vị trí (Linear variable differential transformer, LVDT)
  • Cảm biến cảm ứng điện từ: các antenna
  • Cảm biến dòng xoáy: Các đầu dò của máy dò khuyết tật trong kim loại, của máy dò mìn.
  • Cảm biến cảm ứng điện động: chuyển đổi chuyển động sang điện như microphone điện động, đầu thu sóng địa chấn trên bộ (Geophone).
  • Cảm biến điện dung: Sự thay đổi điện dung của cảm biến khi khoảng cách hay góc đến vật thể kim loại thay đổi.
  • Cảm biến điện trường:
  • Cảm biến từ giảo (magnetoelastic): ít dùng.
  • Cảm biến từ trường: Cảm biến hiệu ứng Hall, cảm biến từ trường dùng vật liệu sắt từ,… dùng trong từ kế.
  • Cảm biến áp điện: Chuyển đổi áp suất sang điện dùng gốm áp điện như titanat bari, trong các microphone thu âm, hay ở đầu thu sóng địa chấn trong nước (Hydrophone) như trong các máy Sonar.
  • Cảm biến quang: Các cảm biến ảnh loại CMOS hay cảm biến CCD trong camera, các photodiode ở các vùng phổ khác nhau dùng trong nhiều lĩnh vực. Ví dụ đơn giản nhất là đầu dò giấy trong khay của máy in làm bằng photodiode. Chúng đang là nhóm đầu bảng được dùng phổ biến, nhỏ gọn và tin cậy cao.
  • Cảm biến huỳnh quang, nhấp nháy: Sử dụng các chất phát quang thứ cấp để phát hiện các bức xạ năng lượng cao hơn, như các tấm kẽm sulfua.
  • Cảm biến điện hóa: Các đầu dò ion, độ pH,…
  • Cảm biến nhiệt độ: Cặp lưỡng kim, hoặc dạng linh kiện bán dẫn như Precision Temperatur Sensor LM335 có hệ số 10 mV/°K.

Ứng dụng của cảm biến thông minh hiện nay

1.1. Cảm biến màu

Cảm biến màu phân tách ánh sáng phản xạ từ một đối tượng thành các thành phần đỏ, xanh lá cây và xanh da trời. Mỗi thành phần được đánh giá và xác định xem có thuộc phạm vi cảm nhận được thiết lập trước đó cho mỗi màu riêng biệt. Tiếp cận này rất hiệu quả khi giám sát các màu có độ đồng đều trong những ứng dụng như dệt may, công nghiệp nhựa và các quá trình cho màu đồng đều khác.

Một kênh nhạy màu cho phép ta thiết lập những đặc tuyến của vật thể cần phát hiện với một lối ra riêng biệt, với những giá trị được lưu ở bộ nhớ trong của cảm biến. Thời gian đáp ứng cho những cảm biến này khoảng 300 µs và kích thước điểm sáng có thể lên tới 25 mm.

1.2. Cảm biến tương phản

Cảm biến tương phản phát hiện sự khác nhau trong độ tương phản khi đối tượng /dấu hiện hữu hoặc trống  trong khoảng 25 mm.

Nhiều cảm biến tương phản sử dụng nguồn sáng LED đỏ hoặc xanh lá cây (đôi khi là cả hai). Do các cảm biến màu khác nhau hấp thụ lượng sáng khác nhau, do đó người ta có thể lựa chọn bước sóng khác nhau của nguồn sáng để tạo ra độ tương phản cao nhất ở mỗi ứng dụng cụ thể. Tuy vậy, tiếp cận này không linh hoạt, đòi hỏi màu nền và màu dấu cụ thể. Cảm biến có nguồn sáng đỏ và xanh cho độ linh hoạt tốt hơn nhiều nhưng đòi hỏi một lựa chọn màu cố định (hoặc xanh, hoặc đỏ) trong lúc hoạt động. Chức năng này thường được áp dụng khi tiến hành “huấn luyện” cảm biến khi lắp đặt.

Cảm biến tương phản có độ linh hoạt cao nhất là những cảm biến có nguồn sáng trắng phổ rộng. Những cảm biến này cho độ khác biệt trên mọi màu và tổ hợp (màu) nền và thời gian chuyển đổi nhanh trong quá trình sản xuất bằng cách điều chỉnh mức thiên áp tới giá trị được gán từ trước.

1.3. Các cảm biến thông minh trên smartphone và tablet

1.3.1.   Cảm biến gần (Proximity)

Tính năng của loại cảm biến này là nhận diện xem khoảng cách giữa smartphone và cơ thể bạn là bao nhiêu. Khi bạn gọi điện, cảm biến gần sẽ nhận diện xem vị trí giữa màn hình và tai là bao nhiêu để tắt đèn màn hình và tiết kiệm pin. Cảm biến gần cũng sẽ giúp ngăn ngừa các cử chỉ chạm được thực hiện một cách không cố ý trên màn hình điện thoại trong khi gọi điện.

Cảm biến này cũng sẽ tính toán độ mạnh yếu của tín hiệu, các nguồn gây nhiễu nhờ sử dụng kỹ thuật Tạo Luồng (Beam Forming Technique).

1.3.2. Cảm biến ánh sang môi trường (Ambient light)

Cảm biến này có nhiệm vụ tối ưu độ sáng của màng hình trong các điều kiện sáng khác nhau. Mục đích quan trọng nhất của cảm biến ánh sáng môi trường là nhằm điều chỉnh độ sang của màng hình, cho phép tiết kiệm pin và cải thiện tuổi thọ của pin.

Cảm biến ánh sáng môi trường nhận biết ánh sang và điều chỉnh màn hình dựa theo nguyên lý “vị trí tuyệt đối”. Cảm biến này chưa các diode quang học rất nhạy ánh sang đối với các quang phổ khác nhau.

1.3.3. Cảm biến gia tốc (Accelerometer)

Tính năng của cảm biến gia tốc là nhận diện các thay đổi về hướng/góc độ của smartphone dựa trên dữ liệu thu được và thay đổi chế độ màn hình (chế độ dọc hoặc ngang) dựa trên góc nhìn của người dung.

Về bản chất, cảm biến gia tốc sẽ nhận diện sự thay đổi trong góc độ của smartphone bằng cách nhận biết các thay đổi về hướng trên cả 3 chiều của không gian.

1.3.4. Cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscope)

Chức năng của loại cảm biến này là giữ nguyên hoặc điều chỉnh vị trí và định hướng dựa trên các nguyên tắc của gia tốc theo các hướng khác nhau. Khi con quay được sử dụng dụng cảm biến gia tốc, cảm biến này sẽ nhận diện chuyển động trên 6 chiều khác nhau (trái, phải, trên, dưới, trước và sau).

1.3.5. Cảm biến GPS (hệ thống định vị toàn cầu)

GPS (Global Positioning System) là một hệ thống cho phép theo dõi mục tiêu hoặc “điều hướng” dựa trên các bức ảnh hoặc bản đồ với sự trợ giúp của vệ tinh.

1.4. Cảm biến thông minh trên xe hơi

Một bình acquy không hoạt động tốt sẽ là nguyên nhân gây ra những phiền hà không đáng có cho bạn khi khởi động xe vào mỗi sáng, đặc biệt khi nhiệt độ ngoài trời đột nhiên tụt giảm. Nguyên nhân của vấn đề này là bởi máy đề trên xe của bạn đã không nhận được lượng điện năng cần thiết. Vấn đề sẽ được giải quyết nhờ thiết bị cảm biến acquy thông minh Intelligent Battery Sensor (IBS).

Thiết bị IBS sẽ đo dòng điện của acquy, hiệu điện thế, và nhiệt độ ở những khoảng thời gian rất ngắn, bằng cách đó nó sẽ kiểm tra được tình trạng điện tích hiện tại của acquy. Những dữ liệu cơ sở này được kết hợp với hệ thống quản lý năng lượng trên ôtô giúp ngăn ngừa được hoàn toàn sự phóng điện của acquy và cảnh báo cho lái xe một khoảng thời gian trước khi acquy xe tới giới hạn hoạt động bất ổn.

Ngoài những ứng dụng vừa nêu trên, còn rất nhiều ứng dụng khác của cảm biến  được sử dụng nhiều trong công nghiệp. Tới đây hi vọng rằng các bạn đã có cái nhìn tổng quát hơn về thiết bị cảm biến hiện nay.