1/ Định nghĩa và vai trò:
Cảm biến là thiết bị điện tử có khả năng thu nhận các tín hiệu vật lý, hóa học hoặc sinh học (âm thanh, nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng, pH, nồng độ ion,…) và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện (dòng điện, điện áp hoặc tín hiệu số) để đo lường, điều khiển hoặc giám sát tự động hóa.
Vai trò chính của cảm biến là thu thập dữ liệu môi trường theo thời gian thực, giảm thiểu rủi ro vận hành, nâng cao hiệu quả và độ chính xác cho mọi hệ thống từ công nghiệp, giao thông, y tế đến IoT và thiết bị tiêu dùng.
2/ Phân loại cảm biến:
2.1/ Theo đại lượng đo:
- Cảm biến vật lý: âm thanh, ánh sáng, tia X, gia tốc, rung động, từ trường, áp suất, nhiệt độ,…
- Cảm biến hóa học: độ ẩm, pH, khói, ion, nồng độ khí (CO2, O2,…)
- Cảm biến sinh học: glucose, enzyme, DNA/RNA, protein, vi khuẩn, virus,…
2.2/ Theo nguyên lý hoạt động
|
Nhóm cảm biến |
Nguyên lý chính |
Ví dụ tiêu biểu |
|---|---|---|
|
Điện trở |
Thay đổi điện trở do cơ học hoặc nhiệt độ |
Strain gauge, NTC/RTD |
|
Điện dung |
Thay đổi điện dung giữa hai bản cực |
Cảm biến mức chất lỏng, khoảng cách |
|
Điện từ |
Hiệu ứng từ hoặc cảm ứng điện từ |
Cảm biến tiệm cận từ (Inductive) |
|
Hiệu ứng Hall |
Thay đổi điện áp khi có từ trường cắt ngang |
Cảm biến vị trí từ, đo dòng |
|
Quang |
Phát/ thu ánh sáng |
Photodiode, CCD/CMOS, IR sensor |
|
Siêu âm |
Phát sóng siêu âm và đo thời gian phản hồi |
Cảm biến khoảng cách, dòng chảy |
|
Áp điện |
Phát điện áp khi chịu biến dạng cơ học |
Microphone, accelerometer |
|
Nhiệt điện |
Hiệu ứng Seebeck/ Sensor nhiệt |
Thermocouple |
Phân loại theo nguyên lý giúp chọn đúng loại cảm biến dựa trên đặc tính vật lý và yêu cầu ứng dụng cụ thể.
3/ Cấu tạo chung:
Hầu hết cảm biến hiện đại đều bao gồm 3 thành phần cơ bản sau:
- Phần tử cảm biến: tiếp xúc trực tiếp với môi trường đo, biến đổi thay đổi của đại lượng đo thành tín hiệu sơ cấp (cơ, nhiệt, từ, quang…).
- Mạch xử lý tín hiệu: khuếch đại, lọc nhiễu, tuyến tính hóa và chuyển đổi tín hiệu sơ cấp thành điện áp, dòng điện hoặc tín hiệu số chuẩn hóa (4 - 20mA, 0 - 10V, I²C, SPI,…) để dễ tích hợp với PLC, vi điều khiển hay hệ thống nhúng.
- Vỏ bảo vệ và giao tiếp: che chắn mạch bên trong khỏi bụi, hơi nước, hóa chất; đồng thời cung cấp kết nối điện và cơ khí chắc chắn với hệ thống khác.
Cấu trúc đóng gói thường gọn nhẹ, chuẩn hóa theo kích thước (M8, M12, 3/8″…) để thuận tiện lắp đặt và thay thế.
4/ Nguyên lý hoạt động chi tiết
4.1/ Cảm biến nhiệt độ
- Thermocouple: hai dây kim loại khác nhau hàn chập đầu tạo điện áp tỉ lệ với chênh lệch nhiệt độ (hiệu ứng Seebeck).
- RTD (Resistance Temperature Detector): điện trở tia Pt, Ni thay đổi theo nhiệt độ với độ tuyến tính cao và dải đo rộng.
- Thermistor (NTC/PTC): điện trở gốm thay đổi theo nhiệt độ, độ nhạy lớn nhưng dãy đo hẹp hơn RTD.
4.2/ Cảm biến áp suất
- Piezoresistive: strain gauge silicon hoặc kim loại gắn trên màng mỏng, thay đổi điện trở khi màng biến dạng do áp suất.
- Capacitive: thay đổi khoảng cách giữa hai bản cực do áp suất tác động lên màng mỏng, tín hiệu điện dung biến thiên.
- Piezoelectric: vật liệu áp điện tạo điện tích khi biến dạng nhanh, phù hợp đo áp suất xung, rung động.
4.3/ Cảm biến ánh sáng
- Photodiode/Phototransistor: phát sinh dòng điện tỉ lệ với cường độ ánh sáng rọi vào bán dẫn.
- CMOS/CCD: ma trận pixel ghi lại hình ảnh, sử dụng trong camera công nghiệp và smartphone.
- IR sensor: phát/ thu hồng ngoại để phát hiện chuyển động, khoảng cách, nhiệt độ bề mặt.
4.4/ Cảm biến siêu âm
Phát sóng siêu âm (20kHz - 10MHz) và đo thời gian sóng phản hồi từ vật cản để tính khoảng cách hoặc tốc độ dòng chảy chất lỏng. Độ chính xác +/-1mm, phù hợp môi trường bẩn, ẩm ướt.
4.5/ Cảm biến từ tính
- Inductive Sensor: tạo trường điện từ bởi cuộn dây, khi vật kim loại tiến vào làm biến đổi cảm kháng, phát hiện không tiếp xúc vật kim loại trong phạm vi vài millimet đến cm.
- Hall Effect: điện áp Hall thay đổi khi có từ trường vuông góc, dùng đo vị trí, tốc độ, dòng điện.
5/ Các thông số kỹ thuật cơ bản:
- Dải đo: giới hạn đại lượng cảm nhận được.
- Độ phân giải: thay đổi nhỏ nhất có thể đo.
- Độ chính xác: sai số tối đa so với giá trị thực.
- Độ tuyến tính: độ lệch đường đặc trưng so với đường thẳng lý thuyết.
- Độ trễ : thời gian phản hồi 90%|10% giá trị cuối.
- Độ ổn định: thay đổi tín hiệu đo theo thời gian hoặc nhiệt độ.
- Nhiệt độ hoạt động: khoảng nhiệt độ cảm biến vẫn hoạt động tin cậy.
- Tuổi thọ: khoảng thời gian trung bình giữa các lần hỏng.
Hiểu rõ các thông số giúp bạn lựa chọn cảm biến phù hợp yêu cầu độ chính xác, tốc độ và điều kiện môi trường.
6/ Giao tiếp và tích hợp hệ thống:
|
Kiểu giao tiếp |
Mô tả |
Ứng dụng |
|---|---|---|
|
Analog 4 - 20mA |
Tín hiệu dòng tiêu chuẩn công nghiệp, chống nhiễu đường dài |
PLC, SCADA |
|
Analog voltage |
0 - 10V hoặc 0 - 5V |
Board DAQ, vi điều khiển |
|
Modbus RTU/TCP |
Truyền dữ liệu số hóa nhiều cảm biến qua bus RS-485/Ethernet |
Hệ SCADA, MES |
|
I²C, SPI, UART |
Giao tiếp vi điều khiển tốc độ cao, tích hợp cảm biến thông minh |
IoT, mạch nhúng |
|
HART |
Kỹ thuật số chồng lên tín hiệu 4 - 20mA, cho phép cấu hình từ xa |
DCS, PID controller |
Việc tích hợp chuẩn hóa tín hiệu giúp đơn giản hóa kết nối, nâng cao tính mô đun và giảm chi phí lắp đặt.
7/ Ứng dụng điển hình:
- Công nghiệp tự động hóa: robot, dây chuyền sản xuất, giám sát quá trình (nhiệt độ, áp suất, mức chất lỏng).
- Ô tô: cảm biến O2, MAP/MAF, nhiệt độ nước, áp suất lốp, ABS (Hall effect).
- Y tế: cảm biến sinh học (glucose), cảm biến áp suất xung, cảm biến nhiệt độ da.
- IoT & Nhà thông minh: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, chuyển động PIR, khí CO2.
- Thiết bị tiêu dùng: điện thoại (cảm biến tiệm cận, ánh sáng), smartwatch (nhịp tim, oxy máu).
8/ Lựa chọn, hiệu chuẩn và xu hướng tương lai:
Khi chọn cảm biến cần xem xét:
- Phạm vi đo, độ chính xác, môi trường hoạt động.
- Giao tiếp, nguồn cấp, yêu cầu bảo trì.
- Chi phí tổng (cảm biến + bộ điều khiển + dây dẫn).
Hiệu chuẩn định kỳ và bù nhiệt độ giúp duy trì độ chính xác theo thời gian.
Xu hướng tương lai:
- Cảm biến MEMS siêu nhỏ, năng lượng thấp.
- Cảm biến quang học nanocarbon, graphene.
- Mảng sensor multi-parameter, đo đồng thời nhiều thông số.
- Cảm biến linh hoạt (flexible) tích hợp vào vải, da điện tử.
Mua cảm biến ở đâu?
Là một thiết bị ngày càng được sử dụng phổ biến trong hầu hết các nhà máy. Bạn có thể dễ dàng tìm mua cảm biến tại nhiều nhà cung cấp trên toàn quốc. Tuy nhiên, để mua được các sản phẩm chính hãng, chất lượng tốt, chính sách hỗ trợ tư vấn chuyên nghiệp và sử dụng rõ ràng, bạn nên chọn những nhà cung cấp uy tín có kinh nghiệm lâu năm trên thị trường.
Hiện nay, QTE Technologies đang cung cấp các dòng cảm biến đến từ các thương hiệu của Nhật, Mỹ và Đức với chất lượng cao, hoạt động bền bỉ ngay cả trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Chúng tôi tự hào là một nhà cung cấp MRO toàn cầu, phục vụ khách hàng tại hơn 180 quốc gia và luôn nỗ lực hết mình để đảm bảo khách hàng có được trải nghiệm trọn vẹn và hài lòng. Chúng tôi thành lập năm 2010 cung cấp hơn 1 triệu sản phẩm cho mọi ngành công nghiệp và khoa học kỹ thuật. Ngoài ra, bạn có thể liên hệ với chúng tôi bất cứ lúc nào thông qua hỗ trợ trò chuyện 24×7, điện thoại, WhatsApp hoặc email. Khám phá những gì khách hàng có giá trị của chúng tôi nói về dịch vụ của chúng tôi trên trang đánh giá chuyên dụng của chúng tôi.
Tác giả bài viết: Ban biên tập của QTE Technologies (có nền tảng vững chắc về cả kỹ thuật và sáng tạo - tích lũy hơn 15 năm kinh nghiệm).
