KHÁI QUÁT CẢM BIẾN (SENSOR) LÀ GÌ? PHÂN LOẠI, ỨNG DỤNG VÀ CÁC LOẠI CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP THÔNG DỤNG

Cảm biến (sensor) là một thiết bị thông dụng trong cuộc sống, đặc biệt trong công nghiệp cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng. Cảm biến được sử dụng thay thế cho các thiết bị cơ khí truyền thống với độ chính xác cao hơn rất nhiều bởi các vi mạch điện tử. Vậy cảm biến là gì và các loại cảm biến nào thông dụng trong công nghiệp.

1. CẢM BIẾN LÀ GÌ?

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

Nói một cách hiểu khác, thông tin sẽ được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng tại môi trường đó. Từ đó phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học như đo đạc, xử lý thông tin hay trong việc điều khiển các thiết bị.

Cảm biến thường được đặt trong vỏ bảo vệ để tạo thành đầu thu hay đầu dò. Cảm biến sẽ kèm các mạch điện hỗ trợ.

2. CẤU TẠO CHUNG CỦA CẢM BIẾN

Hiện nay trên thị trường có hàng trăm ngàn cảm biến phục vụ các mục đích khác nhau. Nhưng nó có mẫu số chung là được làm từ các sensor phần tử điện thay đổi tính chất theo sự biến đổi của môi trường gọi là đầu dò.

Cấu tạo gồm các phần tử mạch điện tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh. Được đóng gói nhỏ gọn trong một vỏ hộp. Các tín hiệu phát ra được quy chuẩn theo các mức điện áp. Và dòng điện thông dụng nhất phù hợp với các bộ điều khiển.

3. PHÂN LOẠI CẢM BIẾN

Trên thực tế có vô vàn những loại cảm biến khác nhau và chúng ta có thể chia các cảm biến thành hai nhóm chính:

• Cảm biến vật lí: có thể kể đến một vài ví dụ dễ hình dung như sóng điện từ, ánh sáng, hồng ngoại, tia X, hạt bức xạ, nhiệt độ, áp suất, âm thanh, từ trường, gia tốc,…
• Cảm biến hóa học: thường thấy như độ ẩm, độ PH, ion, khói, …

Ngoài ra ta cũng có thể phân loại theo nguyên lí hoạt động, có thể kể đến những loại cảm biến nổi bật như:

• 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 cảm ứng điện từ, cảm biến dòng xoáy, cảm biến cảm ứng điện động, cảm biến điện dung, ….
• Cảm biến điện trường: cảm biến từ giảo, cảm biến áp điện, …

Và một số cảm biến nổi bật khác như: cảm biến quang, cảm biến huỳnh quang nhấp nháy, cảm biến điện hóa đầu dò ion và độ pH, cảm biến nhiệt độ, …

​4.ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN

Thiết bị cảm biến là một sản phẩm công nghệ tiên tiến được sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như trong sinh hoạt, trong kinh doanh thương mại, trong bảo mật, trong vận tải hàng không, … với rất nhiều loại cảm biến như: cảm biến nhiệt, cảm biến không khí, cảm biến âm thanh, cảm biến màu sắc, cảm biến tần số, cảm biến từ trường …

Trong sinh hoạt có thiết bị cảm biến chúng ta thường thấy là như cảm biến âm thanh (vỗ tay tắt đèn), cảm biến từ trường (ra khỏi phòng đèn tự tắt). Trong sản xuất công nghiệp thì thiết bị cảm biến chủ yếu để ngắt dòng điện khi quá tải, nóng hoặc bị ẩm để bảo vệ thiết bị điện an toàn… Sử dụng cảm biến ở trường hợp nào cũng đem lại lợi ích thiết thực cho người sử dụng như tiết kiệm được chi phí, bảo vệ thiết bị điện an toàn, nâng cao tuổi thọ của chúng.

5. CÁC LOẠI CẢM BIẾN CÔNG NGHIỆP THÔNG DỤNG

Mặc dù hiện nay có hàng ngàn loại cảm biến khác nhau, nhưng thực tế chỉ có một số loại cảm biến công nghiệp thông dụng như: cảm biến quang, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, và cảm biến tiệm cận. Đây là những loại cảm biến phổ biến, nhất là trong ngành công nghiệp tự động hóa.

• Cảm biến quang

Cảm biến quang có tên Tiếng Anh là Photoelectric Sensor, là một loại cảm biến được cấu tạo bởi linh kiện bán dẫn quang điện, khi có ánh sáng chiếu vào bề mặt bán dẫn sẽ thay đổi tính chất của light sensor.

Thông qua một bảng mạch điện tử, nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot, tín hiệu quang này được chuyển đổi sang tín hiệu điện quy chuẩn.

Cảm biến quang có phạm vi dài hơn nhiều so với các loại cảm biến khác, nhưng vì sử dụng ánh sáng để cảm biến nên chúng rất dễ bị bụi bẩn và các vấn đề môi trường và cơ học khác ảnh hưởng. Vậy nên, cảm biến quang thường được sử dụng ở những nơi chúng ta không kén chọn chính xác mục tiêu ở đâu, nhưng chúng ta cần biết mục tiêu có ở vị trí đặt cảm biến đó hay không.

Cảm biến quang thường có một đầu thu và phát tín hiệu quang, được chia làm nhiều loại theo nguyên lý làm việc: cảm biến quang thu phát, cảm biến quang phản xạ gương, cảm biến quang dạng khuếch tán.

Cảm biến quang phản xạ gương thường được người sử dụng lựa chọn bởi nó có thể phát hiện vật rất xa so với cảm biến quang thu phát thông thường, hay cảm biến quang độc lập. Hơn nữa nó còn tiết kiệm chi phí lắp đặt và kinh phí đầu tư.

• Cảm biến áp suất

Đây là thiết bị cảm biến dùng để đo áp suất trong các bình hơi, thiết bị khí nén trong công nghiệp, chuyển áp lực hơi thành tín hiệu điện, dòng điện với các định mức quy chuẩn công nghiệp 4-20mA và 0-20mA theo dòng điện hoặc 0-10V hay 0.5-4.5V, 1-5V theo mức điện áp.

Các tín hiệu này sẽ được truyền về biến tần hoặc PLC để điều khiển động cơ hoạt động. Có thể hiểu giống như tủ lạnh hay máy lạnh inventer. Động cơ lúc nào cũng chạy nhưng được giám sát bằng thiết bị cảm biến để điều chỉnh công suất chạy ít hay nhiều.

Cảm biến áp suất thường gặp nhiều trong các máy sử dụng cơ cấu khí nén, ngoài ra nó còn đo áp suất nước, đo áp suất hơi, cảm biến áp suất không khí và khí nạp, cảm biến áp suất lốp xe hơi rất thông dụng.

Cảm biến áp suất hiện được chia làm 3 loại trên thị trường: áp suất cảm biến (piezoelectric), cảm biến áp suất dạng cầu (strain gage based), cảm biến áp suất biến dung (variable capacitance). Trong đó, dạng cầu là cảm biến áp suất phổ biến nhất.

• Cảm biến nhiệt độ

Là loại cảm biến được dùng để đo đạc nhiệt độ môi trường, nước,… Cảm biến nhiệt độ công nghiệp thường được bao bọc cẩn thận bằng lớp vỏ kim loại bên ngoài, rất công nghiệp, mục đích để đo sự thay đổi tín hiệu nhiệt độ từ môi trường sau đó cung cấp cho bộ điều bằng tín hiệu điện.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến nhiệt độ: khi có sự thay đổi nhiệt độ môi trường cần đo dẫn đến thay đổi nhiệt độ của đầu nóng và đầu lạnh, sẽ xuất hiện hiệu điện thế ở đầu lạnh. Như vậy, tín hiệu thay đổi này sẽ cung cấp cho bộ điều khiển phân tích như PLC.

Thông thường, cảm biến nhiệt độ được cấu tạo từ Platium có giá trị nhiệt độ là 11 ôm khi nhiệt đồ là 0 độ C. Khi nhiệt độ biến đổi thì điện trở cũng biến đổi lý lệ theo.

• Cảm biến tiệm cận

Cảm biến tiệm cận hay còn được gọi là Proximity Sensors trong Tiếng Anh. Đây là loại cảm biến công nghiệp thông dụng trong máy móc công nghiệp, đặc biệt trong các dây chuyền sản xuất đếm và phân loại sản phẩm. Nó có chức năng phát hiện vật di chuyển qua đầu cảm biến chuyển đổi thành tín hiệu điện cho bộ điều khiển.

Cảm biến tiệm cận được chia làm hai loại chính:

• Cảm biến phát ra trường điện từ dùng để phát hiện ra vật bằng kim loại, có cuộn copper coil ở đầu cảm ứng. Một mạch điện điều khiển phát ra song cao tần móc vòng với cuộn dây tạo ra trường điện từ dao động quanh nó. Khi có vật bằng kim loại lướt quá, làm dao động dòng điện trong cuộn dây giảm đi, tín hiệu đầu ra sẽ thay đổi trạng thái. Cảm biến này có đặc tính chống chịu dầu mỡ, hoạt động được trong môi trường bụi bẩn.
• Loại còn lại không phải bằng kim loại nhưng cũng là loại tương tự như vậy dựa trên nguyên lý phát trường điện dung ở đầu dò, giá trị phụ thuộc vào chất liệu vật và khoảng cách. Khi có sự thay đổi thì tín hiệu điện được xuất ra đầu dây thông qua bộ chuyển đổi.

6. KẾT LUẬN

Hi vọng bài viết trên đã phần nào giúp các bạn hiểu được khái niệm, phân loại, ứng dụng và các loại cảm biến công nghiệp thông dụng.