Giới thiệu các loại cảm biến và hoạt động của chúng

0
657

Kỷ nguyên tự động hóa đã bắt đầu. Hầu hết những thứ mà chúng ta sử dụng bây giờ có thể được tự động hóa. Để thiết kế các thiết bị tự động, đầu tiên chúng ta cần phải biết về các cảm biến, đây là các mô-đun / thiết bị hữu ích trong việc thực hiện mọi thứ mà không cần sự can thiệp của con người. Ngay cả các điện thoại di động hoặc điện thoại thông minh mà chúng tôi sử dụng hàng ngày sẽ có một số cảm biến như cảm biến hall, cảm biến tiệm cận, gia tốc, màn hình cảm ứng, micrô, vv Các cảm biến này hoạt động như mắt, tai, mũi của bất kỳ thiết bị điện nào cảm nhận được các thông số trong thế giới bên ngoài và cung cấp các tín hiệu đọc được đến thiết bị hoặc vi điều khiển.

Cảm biến là gì?

Cảm biến (sensor) có thể được định nghĩa là một thiết bị có thể được sử dụng để nhận biết / phát hiện đại lượng vật lý như lực, áp suất, sức căng, ánh sáng vv và sau đó chuyển đổi nó thành ngõ ra mong muốn như tín hiệu điện để đo lượng vật lý được đưa vào. Trong một số trường hợp, một cảm biến có thể không đủ khả năng để phân tích tín hiệu thu được. Trong những trường hợp đó, bộ chuyển đổi tín hiệu (signal conditioning unit) được sử dụng để duy trì mức điện áp ngõ ra của cảm biến trong phạm vi mong muốn đối với thiết bị cuối mà chúng ta sử dụng.

Sensor working block diagram

Trong bộ chuyển đổi tín hiệu, ngõ ra của cảm biến có thể được khuếch đại, lọc hoặc sửa đổi theo điện áp ngõ ra mong muốn. Ví dụ, micro phát hiện tín hiệu âm thanh và chuyển đổi sang điện áp ngõ ra (có độ lớn đo bằng đơn vị mV), điện áp này trở nên khó khăn để điều khiển một mạch ngõ ra. Vì vậy, một thiết bị biến đổi tín hiệu (bộ khuếch đại) được sử dụng để tăng cường độ tín hiệu. Nhưng việc biến đổi tín hiệu này có thể không cần thiết cho tất cả các cảm biến như photodiode, LDR, v.v …

Hầu hết các cảm biến không thể hoạt động độc lập. Vì vậy, điện áp ngõ vào cần được cung cấp đầy đủ. Cảm biến khác nhau có phạm vi hoạt động khác nhau mà nên được xem xét trong khi làm việc nếu không cảm biến có thể bị hư hỏng vĩnh viễn.

Các loại cảm biến

Chúng ta hãy xem các loại cảm biến khác nhau có sẵn trên thị trường và thảo luận về chức năng, hoạt động, ứng dụng của chúng, v.v. Chúng ta sẽ thảo luận về các loại cảm biến khác nhau như:

  • Cảm biến ánh sáng
    • Cảm biến hồng ngoại IR (IR Transmitter / IR LED)
    • Photodiode (IR Receiver)
    • Quang trở
  • Cảm biến nhiệt độ
    • Nhiệt trở
    • Thermocouple
  • Cảm biến áp suất/Lực/Trọng lượng
    • Strain Gauge (Cảm biến áp suất)
    • Load Cell (Cảm biến trọng lượng)
  • Cảm biến vị trí
    • Potentiometer
    • Encoder
  • Cảm biến Hall (Phát hiện từ trường)
  • Cảm biến Flex 
  • Cảm biến âm thanh
    • Microphone
  • Cảm biến siêu âm
  • Cảm biến chạm
  • Cảm biến chuyển động PIR 
  • Cảm biến độ nghiêng
    • Cảm biến gia tốc
  • Cảm biến khí

Chúng ta cần chọn cảm biến mong muốn dựa trên dự án hoặc ứng dụng của chúng ta. Như đã nói trước đó để cảm biến hoạt động được thì điện áp thích hợp nên được đưa vào dựa trên thông số kỹ thuật của cảm biến đó.

Bây giờ chúng ta hãy xem nguyên tắc làm việc của các cảm biến khác nhau và nơi nó có thể được nhìn thấy trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta hoặc ứng dụng của nó.

LED hồng ngoại (IR – InfraRed)

Nó cũng được gọi là bộ phát hồng ngoại (IR Transmitter). Nó được sử dụng để phát ra tia hồng ngoại. Phạm vi của các tần số này lớn hơn tần số vi sóng (tức là> 300GHz đến vài trăm THz). Các tia được tạo ra bởi một đèn LED hồng ngoại có thể được cảm nhận bởi Photodiode được giải thích bên dưới. Cặp LED hồng ngoại và photodiode được gọi là cảm biến hồng ngoại.

IR LED

Photo Diode (Cảm biến ánh sáng)

Nó là một linh kiện bán dẫn được sử dụng để phát hiện các tia sáng và chủ yếu được sử dụng như  bộ thu hồng ngoại. Cấu trúc của nó tương tự như các diode mối nối PN bình thường nhưng nguyên tắc làm việc khác với các diode này. Như chúng ta biết một chuyển tiếp PN cho phép các dòng rò rỉ nhỏ chạy qua khi nó bị phân cực ngược, nên thuộc tính này được sử dụng để phát hiện các tia sáng. Một photodiode được xây dựng sao cho các tia sáng sẽ chiếu vào chuyển tiếp PN làm cho dòng rò tăng lên dựa trên cường độ ánh sáng. Vì vậy, theo cách này, một photodiode có thể được sử dụng để cảm nhận các tia sáng và duy trì dòng điện qua mạch điện. 

Sử dụng một photodiode chúng ta có thể xây dựng một đèn đường tự động đơn giản, khi cường độ ánh sáng mặt trời giảm đèn sẽ tự động bật sáng. Nhưng hãy cẩn thận, photodiode có thể hoạt động ngay cả khi một lượng nhỏ ánh sáng chiếu vào nó.

Photodiode

Quang trở (LDR – Light Dependent Resistor)

Như chính tên của nó chỉ ra rằng điện trở phụ thuộc vào cường độ ánh sáng. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc quang dẫn có nghĩa là độ dẫn điện phụ thuộc vào ánh sáng. Quang trở thường được chế tạo từ chất bán dẫn Cadmium Sulfide. Khi ánh sáng chiếu vào LDR, điện trở của nó giảm và hoạt động tương tự như một dây dẫn và khi không có ánh sáng chiếu vào nó, điện trở của nó gần như nằm trong phạm vi MΩ hoặc lý tưởng nó hoạt động như một mạch hở. Một lưu ý cần được xem xét với LDR là nó sẽ không đáp ứng nếu ánh sáng không tập trung chính xác trên bề mặt của nó.

LDR (Light Dependent Resistor)

Với một mạch thích hợp sử dụng một transistor nó có thể được sử dụng để phát hiện sự xuất hiện của ánh sáng. Một mạch phân áp phân cực cho transistor với R2 (điện trở giữa cực nền và cực phát) được thay thế bằng LDR có thể hoạt động như một mạch dò ánh sáng.

LDR operation

Nhiệt trở (Cảm biến nhiệt độ)

Nhiệt trở (thermistor) có thể được sử dụng để phát hiện sự thay đổi về nhiệt độ. Nó có hệ số nhiệt độ âm có nghĩa là khi nhiệt độ tăng thì điện trở giảm. Vì vậy, điện trở của nhiệt trở có thể thay đổi với sự gia tăng nhiệt độ gây ra dòng chảy nhiều hơn thông qua nó. Sự thay đổi dòng chảy này có thể được sử dụng để xác định lượng nhiệt độ thay đổi. Một ứng dụng cho thermistor là, nó được sử dụng để phát hiện sự gia tăng nhiệt độ và kiểm soát dòng rò trong mạch transistor giúp duy trì sự ổn định của nó.

Characterstic graph of NTC thermistor NTC thermistor 10k

Thermocouple (Cảm biến nhiệt độ)

Một linh kiện khác có thể phát hiện sự thay đổi nhiệt độ là một cặp nhiệt điện. Một cặp nhiệt điện có câú tạo gồm hai dây kim loại khác nhau, mỗi dây được chế tạo từ một kim loại đơn chất hay hợp kim. Hai dây này được nối lại với nhau tại một đầu tạo thành điểm đo, thông thường được gọi là điểm nóng, bởi vì phần lớn nhiệt độ được đo cao hơn nhiệt độ môi trường. Hai đầu còn lại của hai dây được nối tới dụng cụ đo để tạo thành mạch kín cho dòng điện chạy qua, dụng cụ đo này sẽ đo mức điện áp được tạo ra tại điểm nối và chuyển đổi nó thành giá trị nhiệt độ tương ứng.

Thermocouple working concept

Strain Gauge ( Cảm biến áp suất/lực)

Máy đo biến dạng (Strain Gauge) được sử dụng để phát hiện áp lực khi tải trọng được đặt vào. Nó hoạt động trên nguyên lý điện trở, chúng ta biết rằng điện trở tỷ lệ thuận với chiều dài của dây và tỷ lệ nghịch với diện tích mặt cắt ngang của nó (R = ρl / a). Nguyên tắc tương tự có thể được sử dụng ở đây để đo tải. Trên một tấm có chức năng vừa cách điện vừa có tính đàn hồi, một dây điện trở được sắp xếp theo hình zig-zag như trong hình bên dưới. Vì vậy, khi áp lực được đặt trên tấm đặc biệt đó, nó bị uốn cong theo hướng gây ra sự thay đổi chiều dài tổng thể và diện tích mặt cắt ngang của dây. Điều này dẫn đến sự thay đổi về điện trở của dây. Điện trở thay đổi như vậy thu được là rất nhỏ (vài ohm) có thể được xác định với sự trợ giúp của cầu Wheatstone. Máy đo biến dạng được đặt ở một trong bốn nhánh trong một cây cầu với các giá trị còn lại không thay đổi. Do đó, khi áp lực được đặt lên nó làm cho điện trở thay đổi dẫn đến dòng điện đi qua cầu thay đổi và áp lực có thể được tính toán.

Máy đo độ biến dạng được sử dụng chủ yếu để tính toán áp suất mà cánh máy bay có thể chịu được và nó cũng được sử dụng để đo số lượng phương tiện được phép lưu thông trên một con đường cụ thể, v.v.

Load Cell (Cảm biến lực)

Load Cell tương tự như các máy đo biến dạng để đo đại lượng vật lý như lực và cho ngõ ra dưới dạng tín hiệu điện. Khi có áp lực được áp dụng trên load cell cấu trúc của nó thay đổi gây ra sự thay đổi trong điện trở và cuối cùng, giá trị của nó có thể được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng một cầu Wheatstone. 

Load-cell-40kg

Biến trở (Potentiometer)

Biến trở được sử dụng để phát hiện vị trí. Nó thường có phạm vi điện trở khác nhau được kết nối với các cực khác nhau của công tắc. Một biến trở có thể là loại quay hoặc tuyến tính. Ở loại quay, con chạy được nối với một trục dài có thể xoay được. Khi trục quay vị trí của con chạy thay đổi làm cho điện trở thay đổi gây ra sự thay đổi điện áp ngõ ra. Vì vậy, ngõ ra có thể được hiệu chỉnh để phát hiện sự thay đổi vị trí của nó.

Encoder (Cảm biến vị trí)

Để phát hiện sự thay đổi ở vị trí, bộ encoder cũng có thể được sử dụng. Nó có cấu trúc giống như đĩa xoay tròn với các khe hở xác định ở giữa sao cho khi các tia hồng ngoại hoặc tia sáng đi qua nó chỉ có một vài tia sáng được phát hiện. Hơn nữa, các tia này được mã hóa thành một dữ liệu kỹ thuật số (về mặt nhị phân) biểu diễn cho vị trí cụ thể.

Cảm biến Hall

Chính tên gọi của nó nói rằng nó là cảm biến hoạt động trên hiệu ứng Hall. Hiệu ứng này có thể được định nghĩa là khi một từ trường được đưa gần với dây dẫn mang dòng điện (vuông góc với hướng của điện trường) thì sự khác biệt điện áp sẽ xuất hiện trên dây dẫn đã cho. Sử dụng thuộc tính này, cảm biến Hall được sử dụng để phát hiện từ trường và cho tín hiệu điện áp ở ngõ ra. Cần lưu ý rằng cảm biến Hall có thể phát hiện chỉ một cực của nam châm.

Hall sensor

Cảm biến Hall được sử dụng trong một số điện thoại thông minh có ích trong việc tắt màn hình khi nắp vỏ (có một nam châm trong đó) được đóng trên màn hình. 

Cảm biến Flex

Cảm biến FLEX là bộ chuyển đổi làm thay đổi điện trở của nó khi hình dạng của nó bị thay đổi hoặc khi nó bị cong. Cảm biến FLEX dài 2,2 inch hoặc chiều dài ngón tay. Nó được thấy trong hình bên dưới. Hoạt động của cảm biến rất đơn giản, điện trở ở đầu cảm biến tăng khi nó bị uốn cong. Sự thay đổi điện trở này có thể không có giá trị nếu chúng ta không thể đọc chúng. Bộ điều khiển ở bàn tay chỉ có thể đọc những thay đổi trong điện áp và không có gì ít hơn, cho điều này, chúng ta sẽ sử dụng mạch chia điện áp, với điều đó chúng ta có thể lấy được sự thay đổi điện trở như một sự thay đổi điện áp. 

Microphone (Cảm biến âm thanh)

Bạn có thể thấy micrô trên tất cả điện thoại thông minh hoặc điện thoại di động. Nó có thể phát hiện tín hiệu âm thanh và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện nhỏ (mV). Có nhiều loại micro như microphone condenser, micro crystal, micrô carbon, vv mỗi loại micro như vậy hoạt động dựa trên các thuộc tính như điện dung, hiệu ứng áp điện, điện trở tương ứng. Chúng ta hãy xem hoạt động của một micro crystal hoạt động trên hiệu ứng áp điện. Một tinh thể bimorph được sử dụng dưới áp lực hoặc rung tạo ra điện áp xen kẽ tỷ lệ. Một diaphragm được kết nối với tinh thể thông qua một ổ đĩa như vậy khi tín hiệu âm thanh chạm vào diaphragm nó di chuyển đến và fro, chuyển động này thay đổi vị trí của pin ổ đĩa gây ra rung động trong tinh thể, do đó một điện áp xen kẽ được tạo ra liên quan đến tín hiệu âm thanh được đưa vào. Điện áp thu được được cấp cho một bộ khuếch đại để tăng cường độ tổng thể của tín hiệu. 

Microphone

Cảm biến siêu âm

Siêu âm là những âm thanh không nghe thấy được nhưng có phạm vi tần số. Phạm vi của siêu âm lớn hơn phạm vi âm thanh (> 20 kHz) vì vậy ngay cả khi nó được phát, chúng tôi không thể cảm nhận được các tín hiệu âm thanh này. Chỉ những bộ phát và bộ thu cụ thể mới có thể cảm nhận được sóng siêu âm đó. Cảm biến siêu âm này được sử dụng để tính toán khoảng cách giữa bộ phát siêu âm và mục tiêu và cũng được sử dụng để đo vận tốc của mục tiêu.

Cảm biến siêu âm HC-SR04 có thể được sử dụng để đo khoảng cách trong phạm vi 2cm-400cm với độ chính xác 3mm. Hãy xem mô-đun này hoạt động như thế nào. Mô-đun HCSR04 tạo ra dao động âm thanh trong phạm vi siêu âm khi chúng tôi cho chân ‘Trigger’ ở mức cao khoảng 10us, cảm biến sẽ gửi âm thanh 8 chu kỳ ở tốc độ âm thanh và sau khi chạm vào đối tượng, nó sẽ được nhận bởi chân Echo. Tùy thuộc vào thời gian rung động âm thanh quay về, nó cung cấp ngõ ra xung thích hợp. Chúng ta có thể tính toán khoảng cách của đối tượng dựa trên thời gian thực hiện bởi sóng siêu âm quay trở lại cảm biến. 

Có rất nhiều ứng dụng trong thực tế sử dụng cảm biến siêu âm. Chúng ta có thể sử dụng nó để tránh chướng ngại vật cho những chiếc xe tự động, di chuyển robot v.v. Nguyên tắc tương tự sẽ được sử dụng trong RADAR để phát hiện tên lửa và máy bay. Một con muỗi có thể cảm nhận được âm thanh siêu âm. Vì vậy, sóng siêu âm có thể được sử dụng như một loại thuốc đuổi muỗi.

Cảm biến cảm ứng

Trong thời đại ngày nay, chúng ta có thể nói rằng hầu như tất cả các điện thoại thông minh đều sử dụng màn hình cảm biến (touchscreen). Vì vậy, hãy xem cách một màn hình cảm ứng hoạt động như thế nào. Về cơ bản, có hai loại cảm biến cảm ứng dựa trên điện trở và một màn hình cảm ứng dựa trên điện dung. 

Màn hình cảm ứng điện trở có một tấm điện trở ở chân đế và một tấm dẫn điện dưới màn hình cả hai tấm này được ngăn cách bởi khe hở không khí với một điện áp nhỏ được cấp vào các tấm dẫn điện này. Khi chúng ta nhấn hoặc chạm vào màn hình, tấm dẫn điện chạm vào tấm điện trở tại điểm đó gây dòng điện chảy qua tại điểm cụ thể đó, phần mềm cảm nhận vị trí và hành động liên quan được thực hiện.

Trong khi điện dung hoạt động trên điện tích có sẵn trên cơ thể của chúng ta. Màn hình đã được nạp với tất cả các điện trường. Khi chúng ta chạm vào màn hình dưới dạng mạch điện do điện tích chảy qua cơ thể chúng ta. Hơn nữa, phần mềm quyết định vị trí và hành động sẽ được thực hiện. Chúng ta có thể quan sát rằng màn hình cảm ứng điện dung sẽ không hoạt động khi đeo găng tay vì sẽ không có sự dẫn điện giữa (các) ngón tay và màn hình.

Cảm biến chuyển động PIR:

Cảm biến chuyển động PIR (Passive Infrared sensor) được sử dụng để phát hiện chuyển động của con người, động vật hoặc vật. Chúng ta biết rằng tia hồng ngoại có một tính chất phản xa. Khi tia hồng ngoại chạm vào vật thể, tùy thuộc vào nhiệt độ của mục tiêu mà các đặc tính tia hồng ngoại thay đổi, tín hiệu nhận được này xác định chuyển động của vật thể hoặc sinh vật sống. Ngay cả khi hình dạng của vật thể thay đổi, các thuộc tính của các tia hồng ngoại phản xạ có thể phân biệt các vật thể một cách chính xác. 

Cảm biến gia tốc (Cảm biến độ nghiêng)

Một cảm biến gia tốc (accelerometer) có thể nhận biết độ nghiêng hoặc chuyển động của nó theo một hướng cụ thể. Nó hoạt động dựa trên lực gia tốc gây ra do trọng lực của trái đất. Các bộ phận bên trong nhỏ xíu của nó nhạy cảm đến mức chúng sẽ phản ứng với một sự thay đổi nhỏ bên ngoài theo vị trí. Nó có một tinh thể áp điện khi đặt nghiêng sẽ gây xáo trộn trong tinh thể và tạo ra điện áp để xác định vị trí chính xác đối với trục X, Y và Z.

Cảm biến khí

Trong các ứng dụng công nghiệp, cảm biến khí đóng một vai trò quan trọng trong việc phát hiện rò rỉ khí. Nếu không có thiết bị như vậy được lặp đặt trong các khu vực như vậy nó cuối cùng dẫn đến một thảm họa không thể tin được. Các cảm biến khí này được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên loại khí được phát hiện. Hãy xem cảm biến này hoạt động như thế nào. Bên dưới một tấm kim loại có tồn tại một phần tử cảm biến được kết nối với các đầu nơi dòng điện được đưa vào. Khi các hạt khí chạm vào phần tử cảm biến, nó gây ra một phản ứng hóa học sao cho điện trở của các phần tử cảm biến thay đổi và dòng điện qua nó cũng thay đổi và cuối cùng có thể phát hiện ra khí.

Như vậy, qua bài viết này tôi đã giới thiệu cho bạn đọc những loại cảm biến có trong thực tế. Chúng ta có thể kết luận rằng các cảm biến không chỉ được sử dụng để làm cho công việc của chúng ta đơn giản để đo lường các đại lượng vật lý, làm cho các thiết bị tự động mà còn được sử dụng để giúp chúng ta tránh được những tại họa.

BÌNH LUẬN

Please enter your comment!
Please enter your name here