Trang chủ Liên hệ

Sensor là gì? Tổng quan về các loại cảm biến thông dụng

CÔNG TY TNHH THIẾT BỊ ĐO LƯỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN 19/01/2023

Sensor là gì?

Sensor (hay cảm biến) là một thiết bị cảm nhận, phát hiện và phản hồi với một số loạt đầu vào từ môi trường vật lý. Một đầu vào cụ thể có thể là ánh sáng, âm thanh, nhiệt độ, độ ẩm, chuyển động, áp suất,.. v.v. từ các loại môi trường khác nhau sẽ có các loại cảm biến tương thích. Đầu ra của cảm biến (tín hiệu phản hồi) là tín hiệu được chuyển đổi thành các giá trị có thể đọc được trên màn hình hiển thị hoặc được truyền vào các bộ điều khiển (PLC, PAC,..), bộ xử lý để đọc hoặc xử lý thêm.

Phân loại cảm biến (sensor)

Theo môi trường

Theo cách đo, phương pháp đo (tiếp xúc & không tiếp xúc)

Theo tính năng, ứng dụng

Chúng ta cùng đi tìm hiểu chi tiết một số cảm biến nhé!

Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor)

Các cảm biến phổ biến và thông dụng nhất được dùng để đo nhiệt độ bao gồm: cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, RTD và đầu dò nhiệt độ hồng ngoại.

Bảng so sánh đặc điểm chính của một số cảm biến nhiệt độ

  Thermistor RTD Cặp nhiệt điện
Phạm vi nhiệt độ -100 đến 325°C -200 đến 650° C 200 đến 1750° C
Độ chính xác 0,05 đến 1,5°C 0,1 đến 1°C 0,5 đến 5°C
Ổn định lâu dài ở 100 °C 0,2°C / năm 0,05°C / năm Biến đổi
Tuyến tính Số mũ Tương đối tuyến tính Phi tuyến tính
Nguồn điện yêu cầu Điện áp hoặc dòng điện không đổi Điện áp hoặc dòng điện không đổi Tự cung cấp
Thời gian đáp ứng Nhanh (0,12 đến 10 giây) Chậm (1 đến 50 giây) Nhanh (0,10 đến 10 giây)
Tính nhạy cảm với nhiễu điện Ít nhạy cảm Ít nhạy cảm Bù cảm ứng / điểm lạnh
Giá thành Thấp đến trung bình Cao Thấp

Cặp nhiệt điện (Thermocouple)

Cặp nhiệt điện là loại cảm biến nhiệt độ phổ biến nhất bởi chi phí và độ tin cậy tương đối thấp. Các cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng Seebeck, chứng minh rằng khi một cặp kim loại khác nhau tiếp xúc với nhau ở mỗi đầu chịu sự thay đổi của nhiệt độ, chúng sẽ tạo ra một hiệu điện thế nhỏ.

Ghép nối các loại kim loại khác nhau cho chúng ta nhiều dải đo khác nhau. Chúng được gọi là “loại”. Một loại rất phổ biến là Loại K, kết hợp giữa chromel và alumel, dẫn đến dải đo rộng từ −200°C đến +1350°C (−330°F đến +2460°F). Các loại phổ biến khác là J, T, E, R, S, B, N và C.

Các loại cặp nhiệt điện J, K, T và E còn được gọi là Cặp nhiệt điện kim loại cơ bản. Cặp nhiệt điện Loại R, S và B được gọi là Cặp nhiệt điện kim loại quý, được sử dụng trong các ứng dụng nhiệt độ cao

Đầu ra từ cặp nhiệt điện phải được tuyến tính hóa bởi hệ thống đo.

Nó cũng phải được tham chiếu bằng cách sử dụng Cold Junction Compensation (CJC). “Điểm nối nóng” là đầu đo của cụm cặp nhiệt điện và đầu kia là điểm nối lạnh, nơi thường đặt tham chiếu. Sự bù mối nối lạnh loại bỏ ảnh hưởng của điện áp được tạo ra bởi các mối nối lạnh này để đo nhiệt độ chính xác hơn.

Cảm biến nhiệt độ RTD

So với cặp nhiệt điện, RTD (Resistance Temperature Detector) thường tuyến tính hơn và không bị trôi trong phạm vi đo của nó. Tuy nhiên, do hàm lượng bạch kim và cấu tạo phức tạp hơn, chúng đắt hơn cặp nhiệt điện.

Bạn thường thấy RTD được sử dụng trong các ứng dụng như dược phẩm, nơi phải thực hiện các phép đo nhiệt độ chính xác trong một thời gian dài. Tuy nhiên, chúng không dao động trên 600°C, vì vậy cặp nhiệt điện là lựa chọn tốt hơn cho các ứng dụng “tiếp xúc” với nhiệt độ cao.

Không giống như cặp nhiệt điện tự cấp nguồn, RTD phải được cấp nguồn bởi hệ thống đo.

RTD đo nhiệt độ thông qua điện trở thay đổi theo kiểu tuyến tính cao đối với nhiệt độ. Mặc dù về cốt lõi của nó, RTD là cảm biến 2 dây, việc bổ sung thêm một hoặc thậm chí hai dây (móc nối 3 và 4 dây) cung cấp khả năng bù trừ tốt hơn chống tự sinh nhiệt và điện trở dây dẫn.

Điện trở nhiệt (Thermistor)

Một thermistor là một phần của chất bán dẫn làm bằng oxit kim loại được ép thành một hạt nhỏ, dạng đĩa, wafer, hoặc hình dạng khác và thiêu kết ở nhiệt độ cao. Cuối cùng, chúng được phủ bằng epoxy hoặc thủy tinh.

Khi một dòng điện chạy qua một điện trở nhiệt, sau đó bạn có thể đọc điện áp trên điện trở nhiệt và xác định nhiệt độ của nó. Một nhiệt điện trở thường có điện trở 2000Ω ở 25°C. Hệ số nhiệt độ 3,9 phần trăm.

Nhiệt điện trở không đắt và có phản ứng nhanh, nhưng chúng không tuyến tính, có phạm vi hạn chế, tương đối dễ vỡ trừ khi được gắn bên trong một đầu dò để bảo vệ.

Ưu và nhược điểm của một số cảm biến nhiệt độ

  Ưu điểm Nhược điểm Ứng dụng
Cặp nhiệt điện – Dải đo rộng– Tự cấp nguồn

 

– Dễ dàng kết nối

– Giá thành thấp

 – Không tuyến tính– Yêu cầu tham chiếu CJC

 

– Không cô lập

 – Hàng ngàn ứng dụng trong giám sát nhiệt độ dây chuyền, hệ thống công nghiệp– Công nghiệp ô tô

 

– Thử nghiệm động cơ đốt trong và hybrid

– Thử nghiệm động cơ điện và tuabin

– Ứng dụng trong y tế, chăm sóc sức khỏe

– Thử nghiệm động cơ và hệ thống điều khiển hàng không vũ trụ
RTD – Ổn định nhất– Chính xác nhất

 

– Tuyến tính hơn cặp nhiệt điện

 – Giá thành cao– Phải cung cấp nguồn nuôi

 

– ∆R nhỏ

– Điện trở kháng tuyệt đối thấp

– Tự sinh nhiệt

– Thời gian đáp ứng chậm

 – Dược phẩm, sản xuất thuốc– Chế biến thức ăn

 

– Các phép đo khoa học chính xác
Thermistor – Độ chính xác cao– Phản ứng nhanh

 

– Dễ dàng cài đặt

– Giá thành thấp

 – Đầu ra phải được chuyển đổi từ sự thay đổi điện trở thành số đọc nhiệt độ– Phạm vi giới hạn đến ~ 200°C – Giám sát mạch điện– Ứng dụng động cơ ô tô

 

– Điện tử dân dụng

– Chuông báo cháy

– Kiểm soát nhiệt

Cảm biến đo biến dạng (Strain Gage Sensor)

Khi một cảm biến đo biến dạng (hay còn gọi là “máy đo biến dạng”) được căn chỉnh chính xác và dán vào một vật thể đang thử nghiệm và chúng ta tác dụng lực lên vật thể bằng cách uốn cong hoặc vặn nó, lực cản của máy đo biến dạng sẽ thay đổi tuyến tính và khi đó chúng ta có thể đo lường nó. Chúng ta cũng có thể áp dụng toán học để tính biến dạng và các lực khác.

Ưu điểm của cảm biến đo biến dạng

Nhược điểm của cảm biến đo biến dạng

Ứng dụng cảm biến đo biến dạng

Cảm biến lực (Load Cell Sensor)

Nếu chúng ta thực hiện thêm một bước nữa và gắn cố định bốn cảm biến đo biến dạng vào một phần cứng có hình dạng nhất định, chúng sẽ tạo ra một cảm biến khác gọi là Load Cell. Đây thực chất là một cảm biến lực hoặc áp suất.

Load Cell phổ biến nhất là những cảm biến được lắp đặt ở dưới cùng của một hệ thống. Khi bạn bước lên cân và tạo ra lực nén cho các Load Cell, chúng tạo ra sự thay đổi về điện trở mà bộ vi điều khiển đo lường và chuyển đổi thành giá trị tính bằng kg (lbs).

Load Cell dạng “thanh” hoặc “dầm uốn” thường được sử dụng cho các ứng dụng cân công nghiệp. Một đầu của thanh được cố định vào một cấu trúc, trong khi một lực được tác dụng vào đầu tự do của cảm biến.

Lực này làm cho bốn đồng hồ đo biến dạng được tích hợp trên cùng, dưới cùng và mỗi đầu của cảm biến lực kéo dài hoặc nén tùy thuộc vào mức độ tác dụng hoặc loại bỏ lực làm thay đổi lực căng của cấu trúc load cell. Những thay đổi nhỏ này từ thiết bị đo biến dạng có thể dễ dàng chuyển thành trọng lượng.

Load Cell có nhiều hình dạng và kích cỡ: một số dùng cho không gian rất nhỏ và tải trọng nhỏ, một số khác dùng cho tải trọng lớn hàng trăm nghìn tấn, v.v.

Ưu điểm của Load Cell

Nhược điểm của Load Cell

Ứng dụng của Load Cell

Cảm biến vị trí (LVDT Sensor)

LVDT (linear variable differential transformer – Biến áp vi sai biến thiên tuyến tính) được sử dụng để đo dịch chuyển/vị trí tuyến tính trong khoảng cách tương đối ngắn. Chúng bao gồm một ống hình trụ, bên trong có chứa một thanh đo. Phần đế của ống được gắn vào một vị trí cố định, và phần cuối của thanh được gắn vào một vật gì đó chuyển động.

Khi thanh được kéo ra khỏi ống hoặc trượt trở lại, cảm biến sẽ xuất ra tín hiệu thể hiện cho vị trí của thanh từ điểm bắt đầu đến độ lệch tối đa của nó. Thanh không chạm vào bên trong ống, khiến nó hầu như không có ma sát và thành phần cấu tạo LVDT không chứa linh kiện điện tử, khiến nó được sử dụng phổ biến trong môi trường khắc nghiệt.

Ưu điểm cảm biến LVDT

Nhược điểm cảm biến LVDT

Ứng dụng của cảm biến LVDT

Cảm biến độ rung (Vibration Sensor – Accelerometer)

Gia tốc kế (Accelerometer) được sử dụng để đo độ rung và độ sốc trên máy móc và về cơ bản là bất cứ thứ gì chuyển động đều có thể tạo ra độ rung. Đầu ra của chúng cũng có thể được tích hợp kép để tính toán độ dịch chuyển và vận tốc.

Gia tốc kế để thực hiện các phép đo động thường dựa trên nguyên lý áp điện: khi một tinh thể thạch anh bị đặt dưới áp lực, nó sẽ giải phóng một dòng ion tích điện tỷ lệ với ứng suất. Các cảm biến này được kết nối với bộ điều khiển tín hiệu loại sạc. Một loại phổ biến hơn nữa là cảm biến IEPE (hay còn gọi là ICP®), có bộ tiền khuếch đại tích hợp và yêu cầu bộ điều khiển tín hiệu chi phí thấp hơn.

Ngoài ra còn có các máy đo gia tốc kiểu điện dung dựa trên một nguyên lý khác và được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp ít đòi hỏi hơn.

Và có các gia tốc kế dựa trên MEMS được sử dụng nhiều trong các ứng dụng điều hướng, định hướng máy tính bảng và điện thoại, kiểm tra ô tô và động cơ.

Ưu điểm của gia tốc kế

Nhược điểm của gia tốc kế

Ứng dụng gia tốc kế

Cảm biến âm thanh (Sound Sensor – Microphone)

Ngoài việc được sử dụng trong lĩnh vực giải trí, micro còn được sản xuất để sử dụng trong các ứng dụng thu thập dữ liệu để phân tích và đo lường âm thanh và tiếng ồn.

Micrô được sử dụng trong nghiên cứu tiếng ồn và độ rung, nghiên cứu thính giác của con người, ứng dụng tiếng ồn do ô tô truyền qua và hàng ngàn ứng dụng khác.

Ưu điểm của micrô

Nhược điểm của micrô

Ứng dụng micrô

Ngoài những loại cảm biến đã trình bày tóm tắt ở trên còn rất nhiều loại cảm biến khác nữa. MC&TT hy vọng rằng, với lượng kiến thức được chia sẻ phía trên sẽ giúp các bạn có cái nhìn tổng quan và hiểu hơn về sensor (cảm biến). Xin cảm ơn!

Bài viết liên quan