Cảm biến

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

Bộ cảm biếnthiết 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.[1]

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 (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 văn liệu 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.

Có nhiều loại cảm biến khác nhau và có thể chia ra hai nhóm chính:

Đầu dò khí cháy cacbua hydro như metan nhãn hiệu Oldham, dùng được với máy đo di động

Có sự rất đa dạng của các hiện tượng cần cảm biến, cũng như phương cách chế ra các cảm biến, và những cảm biến mới liên tục phát triển. Việc phân loại cảm biến cũng phức tạp vì khó có thể đưa ra đủ các tiêu chí phân loại cho tập hợp đa dạng như vậy được.

Các đặc trưng[sửa | sửa mã nguồn]

Một cảm biến được sử dụng khi đáp ứng các tiêu chí kỹ thuật xác định.

  • Độ nhạy: Gia số nhỏ nhất có thể phát hiện
  • Mức tuyến tính: Khoảng giá trị được biến đổi có hệ số biến đổi cố định
  • Dải biến đổi: Khoảng giá trị biến đổi sử dụng được
  • Ảnh hưởng ngược: Khả năng gây thay đổi môi trường
  • Mức nhiễu ồn: Tiếng ồn riêng và ảnh hưởng của tác nhân khác lên kết quả
  • Sai số xác định: Phụ thuộc độ nhạy và mức nhiễu
  • Độ trôi: Sự thay đổi tham số theo thời gian phục vụ hoặc thời gian tồn tại (date).
  • Độ trễ: Mức độ đáp ứng với thay đổi của quá trình
  • Độ tin cậy: Khả năng làm việc ổn định, chịu những biến động lớn của môi trường như sốc các loại
  • Điều kiện môi trường: Dải nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,... làm việc được.

Có sự tương đối trong tiêu chí tùy thuộc lĩnh vực áp dụng. Các cảm biến ở các thiết bị số (digital), tức cảm biến logic, thì độ tuyến tính không có nhiều ý nghĩa.

Cảm biến chủ động và bị động[sửa | sửa mã nguồn]

Cảm biến chủ động và cảm biến bị động phân biệt ở nguồn năng lượng dùng cho phép biến đổi lấy từ đâu.

  • Cảm biến chủ động không sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình là cảm biến áp điện làm bằng vật liệu gốm, chuyển áp suất thành điện tích trên bề mặt. Các antenna cũng thuộc kiểu cảm biến chủ động.
  • Cảm biến bị động có sử dụng điện năng bổ sung để chuyển sang tín hiệu điện. Điển hình là các photodiode khi có ánh sáng chiếu vào thì có thay đổi của điện trở tiếp giáp bán dẫn p-n được phân cực ngược. Câc cảm biến bằng biến trở cũng thuộc kiểu cảm biến bị động.

Phân loại thì như vậy nhưng một số cảm biến nhiệt độ kiểu lưỡng kim dường như không thể xếp hẳn vào nhóm nào, nó nằm vào giữa.

Phân loại theo nguyên lý hoạt động[sửa | sửa mã nguồn]

  • 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 dãn 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 micro 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 micro 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. 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.[2]
  • 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.[3]

Một số cảm biến[sửa | sửa mã nguồn]

Biến áp xoay[sửa | sửa mã nguồn]

Biến áp xoay (quay) dùng để biến đổi điện áp của cuộn sơ cấp hoặc góc quay của cuộn sơ cấp thành tín hiệu ra tương ứng với chúng. Biến áp xoay sin, cos để đo góc quay của rôto, trên đặt cuộn sơ cấp, thành điện áp tỉ lệ thuận với sin hay cos của góc quay đó. Biến áp xoay tuyến tính biến đổi độ lệch góc quay của rôto thành điện áp tỉ lệ tuyến tính.

Con quay[sửa | sửa mã nguồn]

Con quay 3 bậc tự do và con quay 2 bậc tụ do được sử dụng làm các bộ cảm biến đo sai lệch góc và đo tốc độ góc tuyệt đối trong các hệ thống ổn định đường ngắm của các dụng cụ quan sát và ngắm bắn.

Cảm biến tốc độ[sửa | sửa mã nguồn]

Cảm biến tốc độ - bộ mã hóa quang học là đĩa mã trên có khắc vạch mà ánh sáng có thể đi qua được. Phía sau đĩa mã đặt phototransistor chịu tác dụng của một nguồn sáng. Động cơ và đĩa mã được gắn đồng trục, khi quay ánh sáng chiếu đến phototransistor lúc bị ngăn lại, lúc không bị ngăn lại làm cho tín hiệu ở cực colecto là một chuỗi xung. Trên đĩa mã có khắc hai vòng vạch, ngoài A trong B có cùng số vạch, nhưng lệch 90° (vạch A trước B là 90°). Nếu đĩa mã quay theo chiều kim đồng hồ thì chuỗi xung B sẽ nhanh hơn chuỗi xung A là ½ chu kỳ và ngược lại. Thiết bị đo tốc độ như DC Tachometer, AC Tachometer, Optical Tachometer.

Cảm biến nhiệt độ[sửa | sửa mã nguồn]

Cảm biến nhiệt độ như Pt 56Ω, Pt 100Ω, Thermocouple.

Đầu dò khói dùng LED:
1. Buồng 2. Nắp 3. Vỏ 4. Photodiode (detector) 5. LED hồng ngoại

Đầu dò khói[sửa | sửa mã nguồn]

Đầu dò khói thường được đặt trong một vỏ nhựa hình đĩa đường kính 150 mm (6 in) và dày 25 mm (1 in), nhưng hình dáng có thể thay đổi tùy theo nhà sản xuất hoặc dòng sản phẩm. Nó giúp phát hiện các vụ cháy. Các máy dò khói làm việc bằng cách:

  • Quang điện: dùng LED chiếu qua buồng thử và nhận bằng photodiode để xác định mức trong suốt. Nó phản ứng tốt với khói trước khi cháy thật.
  • Ion hóa: Dùng nguồn phóng xạ như Americi Am241 ion hóa buồng khí, để các hạt khói nếu có sẽ nhiễm điện và tụ lại.
  • Cả hai cách trên để tăng độ tin cậy.[4]

Vai trò của cảm biến trong tự động hóa[sửa | sửa mã nguồn]

Cảm biến có vai trò quan trọng trong các bài toán điều khiển quá trình nói riêng và trong các hệ thống điều khiển tự động nói chung. - Là thiết bị có khả năng cảm nhận các tín hiệu điều khiển vào, ra. - Có vai trò đo đạc các giá trị. - Giới hạn cảm nhận với đại lượng vật lý cần đo.

Đối tượng nghiên cứu[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Edmund Schiessle, 1992. Sensortechnik und Messwertaufnahme. Vogel, Würzburg. ISBN 3-8023-0470-5.
  2. ^ Bhimsen Rout et al. Medication Detection by a Combinatorial Fluorescent Molecular Sensor. In: Angewandte Chemie. 124, 2012, p. 12645–12649
  3. ^ Precision Temperatur Sensor LM335. Texas Instruments Inc. Brochure. Retrieved 01 Apr 2015.
  4. ^ Cote A., Bugbee P., 1988. Ionization smoke detectors. Principles of fire protection. Quincy, MA: National Fire Protection Association. p. 249. ISBN 0-87765-345-3.

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]