Sensor là gì? Ứng dụng & Các loại Cảm biến (A-Z) trong Công nghiệp

I. Sensor là gì?

Sensor, hay còn được biết đến với tên gọi cảm biến, là một thiết bị có khả năng cảm nhận, phát hiện và phản hồi với các tín hiệu đầu vào từ môi trường xung quanh. Các tín hiệu này có thể là các chỉ số về nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động, áp suất, ánh sáng, v.v. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, sẽ có các loại cảm biến phù hợp để đáp ứng nhu cầu cụ thể.

Tín hiệu đầu ra của sensor là kết quả sau khi đo lường các giá trị đầu vào từ môi trường, được chuyển đổi thành các dạng thông tin mà các thiết bị máy tính, bộ điều khiển PLC, PAC có thể đọc và xử lý. Trong các ngành công nghiệp hiện đại, sensor đóng vai trò như một thiết bị đầu cuối (RTU) để thu thập dữ liệu, hỗ trợ điều khiển và tự động hóa quá trình sản xuất.

Ứng dụng phổ biến của sensor:

• Công nghiệp: Giám sát và điều khiển thiết bị, máy móc trong sản xuất, tự động hóa.
• Nông nghiệp: Giám sát độ ẩm, nhiệt độ không khí, ánh sáng.
• Điện tử tiêu dùng: Sử dụng trong điện thoại thông minh, máy tính, thiết bị điện.
• Y tế: Đo lường các chỉ số sinh tồn như nhịp tim, huyết áp, oxy.
• Sản xuất ô tô: Đo tốc độ, nhiệt độ động cơ, áp suất lốp, vị trí.
• IoT (Internet of Things): Thu thập tín hiệu đầu vào cho các ứng dụng IoT, robotics.

Các loại cảm biến phổ biến:

• Cảm biến ánh sáng (Light Sensors): Đo cường độ và sự thay đổi của ánh sáng.
• Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensors): Đo nhiệt độ của môi trường hoặc vật thể.
• Cảm biến áp suất (Pressure Sensors): Đo áp suất chất lỏng hoặc khí.
• Cảm biến gia tốc (Accelerometers): Đo và phát hiện sự thay đổi chuyển động của vật thể.
• Cảm biến độ ẩm (Humidity Sensors): Đo chỉ số độ ẩm của môi trường.
• Cảm biến khí (Gas Sensors): Đo và phát hiện sự hiện diện của các loại khí khác nhau.

II. Chi tiết về các loại Sensor phổ biến hiện nay

1. Cảm biến nhiệt – Temperature Sensors

Cảm biến nhiệt, hay nhiệt kế điện tử, thường được sử dụng để đo nhiệt độ trong các môi trường khác nhau như không khí, nước, bể dầu, máy móc và mạch điện tử. So với nhiệt kế truyền thống, cảm biến nhiệt thường có độ chính xác cao hơn. Theo merakicenter.edu.vn, loại cảm biến này hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở của kim loại theo nhiệt độ xung quanh, hoặc sự thay đổi về sức điện động khi có chênh lệch nhiệt độ giữa đầu nóng và đầu lạnh. Dựa trên những thay đổi này, thiết bị sẽ đưa ra thông số chính xác về nhiệt độ cần đo. Ngoài ra, còn có các loại cảm biến nhiệt khác như cảm biến nhiệt bán dẫn và cặp nhiệt điện.

2. Cảm biến điện dung – Capacitive Sensors

Cảm biến điện dung, còn gọi là cảm biến điện môi, được sử dụng để đo hằng số điện môi trong môi trường xung quanh và phát hiện chất lỏng, chất rắn. Chúng cũng có thể được dùng để đo mức liên tục ngõ ra tín hiệu 4 – 20 mA, 0 – 10V. Cảm biến này hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi điện dung của tụ điện bên trong cảm biến.

3. Cảm biến quang, Cảm biến hồng ngoại – Infrared Sensors

Cảm biến quang (Photoelectric sensor) kết hợp các linh kiện quang điện và ghi nhận tín hiệu dựa vào hiện tượng phát xạ điện tử khi tiếp xúc với ánh sáng. Cảm biến quang còn được gọi là “mắt thần”, dùng để phát hiện chuyển động hoặc vật cản. Khi tia sáng phát ra từ cảm biến bị chặn, nó sẽ phát tín hiệu báo về trung tâm điều khiển. Loại cảm biến này thường được sử dụng trong các dây chuyền tự động hóa trong công nghiệp chế tạo và sản xuất.

Cảm biến hồng ngoại (IR Sensor) phát hoặc nhận bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh. Khi một vật thể phát ra nhiệt độ trên 35 độ C, nó sẽ phát ra bức xạ hồng ngoại mà con người không thể nhìn thấy được. Dựa vào phát hiện này, thiết bị sẽ đưa ra các tín hiệu xử lý tiếp theo.

4. Cảm biến siêu âm – Ultrasonic Sensors

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách của một đối tượng bằng cách phát ra sóng siêu âm, sau đó chuyển đổi âm thanh phản xạ thành tín hiệu điện. Bộ phát của cảm biến tạo ra âm thanh nhờ sử dụng tinh thể áp điện, trong khi bộ thu tiếp nhận âm thanh đến và đi từ các vị trí khác nhau. Cảm biến siêu âm thường được dùng để đo khoảng cách hoặc vận tốc của vật thể.

5. Cảm biến tiệm cận – Proximity Sensors

Cảm biến tiệm cận, hay công tắc tiệm cận, phát hiện khi có vật ở gần. Cảm biến này chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện. Ba hệ thống phổ biến được sử dụng trong loại cảm biến này bao gồm:

• Hệ thống sử dụng dòng điện xoáy được phát ra trong vật thể kim loại nhờ hiện tượng cảm ứng điện từ.
• Hệ thống sử dụng sự thay đổi điện dung khi đến gần vật thể cần phát hiện.
• Hệ thống sử dụng nam châm và hệ thống chuyển mạch cộng từ.

6. Cảm biến lực – Force Sensors

Cảm biến lực (Force Sensor hay Loadcell) phát hiện và chuyển đổi các đại lượng cơ học như lực căng, áp suất, trọng lượng, mô-men xoắn, biến dạng thành tín hiệu điện có cường độ tương ứng với lực tác động. Tín hiệu này được truyền tới bộ xử lý tín hiệu và hiển thị lên đồng hồ đo lực. Cảm biến lực là thành phần cốt lõi trong các thiết bị điện, máy móc kỹ thuật và hệ thống tự động hóa trong công nghiệp.

III. Các loại Cảm biến thường dùng trong Công nghiệp

Các cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và duy trì các điều kiện lý tưởng. Dưới đây là một số loại cảm biến thường được sử dụng:

1. Cảm biến áp suất, Cảm biến chênh áp – Pressure Sensors

Cảm biến áp suất hoặc chênh áp là thiết bị theo dõi quan trọng để đảm bảo tiêu chuẩn. Chúng giúp phát hiện và khắc phục kịp thời các vấn đề khi áp suất không đạt yêu cầu. Áp suất cần được theo dõi ở các van tiết lưu, van gió, HVAC để đảm bảo công năng sử dụng.

2. Cảm biến nhiệt độ – Temperature Sensors

Cảm biến nhiệt giúp theo dõi và cảnh báo các vấn đề liên quan đến nhiệt độ. Chúng thường được gắn ở các vị trí khác nhau như đầu ống gió cấp, các cao độ khác nhau để theo dõi chênh nhiệt và ống gió hồi. Nhiệt độ ảnh hưởng đến môi trường và mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống. Cảm biến nhiệt độ thường dựa trên nguyên lý tính toán mức điện trở của kim loại thay đổi theo nhiệt độ.

3. Cảm biến hồng ngoại, Cảm biến PIR (Infrared Sensors)

Cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại hay “mắt thần” thường được sử dụng để tự động hóa các cánh cửa, cửa khẩu ra vào hoặc phát hiện chuyển động trong các quá trình tự động khác như bật tắt đèn và hệ thống quạt. Cảm biến PIR (Passive InfraRed Sensor) hoạt động dựa trên nguyên lý mọi nguồn nhiệt đều phát ra bức xạ hồng ngoại và được khuếch đại để đưa vào mạch so áp.

4. Cảm biến độ ẩm – Humidity Sensors

Cảm biến độ ẩm được sử dụng để đo độ ẩm không khí và có vai trò quan trọng trong các lĩnh vực sản xuất điện tử và dược phẩm. Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý chung của cảm biến điện dung hoặc điện trở. Theo merakicenter.edu.vn, tại các khu vực có khí hậu nhiệt đới gió mùa như Việt Nam, độ ẩm không khí thường lớn hơn 60% (RH), trong khi độ ẩm thích hợp cho sản xuất linh kiện điện tử là từ 30 – 50% (RH).

5. Cảm biến báo cháy – Flame Sensor

Cảm biến báo cháy thường được tích hợp vào hệ thống phòng cháy chữa cháy tự động. Thông qua cảm biến này, hệ thống có thể kích hoạt còi báo động, hệ thống phun nước hoặc hệ thống chữa cháy tự động. Cảm biến báo cháy hoạt động dựa trên nguyên lý phát hiện khói ion hóa hoặc báo khói quang điện.

6. Cảm biến ánh sáng dùng cho hệ thống đèn

Cảm biến ánh sáng là các thiết bị quang điện chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành tín hiệu điện. Chúng có khả năng nhận biết các biến đổi của môi trường thông qua mắt cảm biến để điều chỉnh ánh sáng cho phù hợp. Cảm biến này nhận biết ánh sáng và điều chỉnh thay đổi dựa trên các điốt quang học, giúp tiết kiệm năng lượng và tạo sự tiện lợi.

IV. Các thông số thường gặp khi sử dụng Cảm biến

Khi sử dụng thiết bị cảm biến, cần hiểu rõ các thông số kỹ thuật để đảm bảo lựa chọn và sử dụng phù hợp. Dưới đây là một số chỉ số quan trọng:

Thông số	Ý nghĩa
Accuracy	Mức độ sai lệch giữa giá trị đo được và giá trị thực.
Calibration	Quá trình điều chỉnh cảm biến để đảm bảo kết quả đo chính xác theo tiêu chuẩn.
Digital Output	Tín hiệu đầu ra dạng nhị phân (0 hoặc 1) hoặc dữ liệu số qua giao thức truyền thông (I2C, SPI, UART).
Drift	Sự thay đổi của đầu ra theo thời gian dù đại lượng đo không thay đổi.
Input	Đại lượng vật lý hoặc tín hiệu đưa vào cảm biến để đo lường (nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, dòng điện).
Input Range	Khoảng giá trị mà cảm biến có thể đo chính xác.
Noise	Tín hiệu không mong muốn làm giảm độ chính xác hoặc gây sai lệch kết quả đo.
Operating Range	Khoảng điều kiện môi trường mà cảm biến hoạt động ổn định (nhiệt độ, độ ẩm, áp suất…).
Output	Tín hiệu hoặc dữ liệu cung cấp bởi cảm biến (tương tự – analog hoặc số – digital).
Repeatability	Khả năng cho kết quả giống nhau khi đo lặp đi lặp lại trong cùng một điều kiện.
Resolution	Khả năng phát hiện và phân biệt sự thay đổi nhỏ nhất của đại lượng đo.
Response Time	Thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đến khi cảm biến cung cấp tín hiệu đầu ra.
Sensitivity	Tỷ lệ thay đổi của đầu ra cảm biến so với sự thay đổi của đại lượng đo.
Tolerance	Giới hạn sai số cho phép giữa giá trị đo và giá trị thực.
4-20 mA Signal	Dạng tín hiệu dòng điện tiêu chuẩn, thường dùng trong công nghiệp để biểu thị giá trị đo từ 0% đến 100%.

Kết luận

Trên đây là những thông tin cơ bản về sensor, các loại cảm biến thường được sử dụng trong công nghiệp. Hy vọng rằng, thông tin mà merakicenter.edu.vn cung cấp sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về vai trò và ứng dụng của sensor trong các lĩnh vực khác nhau. Cảm ơn bạn đã theo dõi bài viết!

Nguồn: https://merakicenter.edu.vn/ Tác giả: Nguyễn Lân dũng