Cảm biến

Cảm biến (tên tiếng Anh: transducer/sensor) là một thiết bị phát hiện có thể cảm nhận thông tin đo được và chuyển đổi thông tin cảm nhận được thành tín hiệu điện hoặc các dạng đầu ra thông tin cần thiết khác theo quy tắc nhất định để đáp ứng yêu cầu truyền, xử lý, lưu trữ thông tin. , hiển thị, ghi âm và yêu cầu kiểm soát.

Các đặc điểm của cảm biến bao gồm: thu nhỏ, số hóa, thông minh, đa chức năng, hệ thống hóa và kết nối mạng. Đây là liên kết đầu tiên để thực hiện phát hiện tự động và điều khiển tự động. Sự tồn tại và phát triển của các cảm biến cho phép các vật thể có các giác quan như xúc giác, vị giác và khứu giác và làm cho các vật thể trở nên sống động một cách từ từ. Thông thường theo chức năng nhận thức cơ bản của nó, nó có thể được chia thành mười loại như cảm biến nhiệt, cảm biến cửa tự động , cảm biến ánh sáng , cảm biến khí, cảm biến lực, cảm biến từ tính , cảm biến độ ẩm , cảm biến âm thanh, cảm biến bức xạ, cảm biến màu sắc và cảm biến vị giác. .

Định nghĩa

Định nghĩa cảm biến là: “Thiết bị hoặc thiết bị có thể cảm nhận giá trị đo được chỉ định và chuyển đổi nó thành tín hiệu có thể sử dụng theo một quy luật nhất định (quy tắc hàm toán học), thường bao gồm một phần tử nhạy cảm và một bộ chuyển đổi yếu tố.”

Liên minh Doanh nghiệp-Trường học Internet of Things Trung Quốc tin rằng sự tồn tại và phát triển của các cảm biến cho phép các vật thể có các giác quan như xúc giác, vị giác và khứu giác, đồng thời làm cho các vật thể dần trở nên sống động. ”

“Cảm biến” được định nghĩa trong New Webster’s Dictionary là: “Một thiết bị nhận năng lượng từ một hệ thống và gửi năng lượng, thường ở dạng khác, đến hệ thống thứ hai.”

Tác dụng chính

Để có được thông tin từ thế giới bên ngoài, con người phải nhờ vào các cơ quan cảm giác. Tuy nhiên, nếu chỉ dựa vào các giác quan của con người thì chưa đủ để thực hiện chức năng của chúng trong việc nghiên cứu các hiện tượng, quy luật tự nhiên và hoạt động sản xuất. Để thích ứng với tình huống này, các cảm biến là cần thiết. Do đó, có thể nói rằng cảm biến là một phần mở rộng của các đặc điểm trên khuôn mặt con người, còn được gọi là các đặc điểm điện trên khuôn mặt.

Với sự ra đời của cuộc cách mạng công nghệ mới , thế giới đã bước vào thời đại thông tin. Trong quá trình sử dụng thông tin, điều đầu tiên cần giải quyết là thu được thông tin chính xác và đáng tin cậy, và cảm biến là cách thức và phương tiện chính để thu được thông tin trong lĩnh vực tự nhiên và sản xuất.

Trong sản xuất công nghiệp hiện đại, đặc biệt là trong quy trình sản xuất tự động, các cảm biến khác nhau được sử dụng để theo dõi và kiểm soát các thông số khác nhau trong quy trình sản xuất, để thiết bị có thể hoạt động ở trạng thái bình thường hoặc tối ưu và sản phẩm có thể đạt được chất lượng tốt nhất. Do đó, có thể nói rằng nếu không có một số lượng lớn các cảm biến xuất sắc, nền sản xuất hiện đại sẽ mất đi nền tảng.

Trong nghiên cứu chủ đề cơ bản, cảm biến có một vị trí nổi bật hơn. Sự phát triển của khoa học và công nghệ hiện đại đã đi vào nhiều lĩnh vực mới: chẳng hạn, cần quan sát vũ trụ bao la hàng nghìn năm ánh sáng ở cấp độ vĩ mô, quan sát thế giới hạt nhỏ như fm ở cấp độ vi mô, và để quan sát sự tiến hóa của các thiên thể kéo dài hàng trăm nghìn năm theo phương thẳng đứng , một phản ứng tức thời chỉ bằng giây.

Ngoài ra, các nghiên cứu công nghệ cực đoan khác nhau, chẳng hạn như nhiệt độ cực cao, nhiệt độ cực thấp, áp suất cực cao, chân không cực cao, từ trường cực mạnh , từ trường cực yếu, v.v., đã xuất hiện. vai trò quan trọng trong việc hiểu sâu hơn về vật chất và phát triển năng lượng mới và vật liệu mới. Rõ ràng, không thể thu được một lượng lớn thông tin mà các giác quan của con người không thể thu được trực tiếp nếu không có các cảm biến phù hợp.

Trở ngại của nhiều nghiên cứu khoa học cơ bản ban đầu chỉ là việc thu thập thông tin đối tượng gặp khó khăn, và sự xuất hiện của một số cơ chế mới và cảm biến phát hiện có độ nhạy cao có xu hướng tạo ra bước đột phá trong lĩnh vực này. Sự phát triển của một số cảm biến thường là sự tiên phong cho sự phát triển của một số đối tượng cận biên.

Cảm biến đã thâm nhập vào nhiều lĩnh vực như sản xuất công nghiệp, phát triển không gian, thám hiểm đại dương, bảo vệ môi trường, điều tra tài nguyên, chẩn đoán y tế, kỹ thuật sinh học và thậm chí cả bảo vệ di tích văn hóa. Không ngoa khi nói rằng từ không gian rộng lớn, đến đại dương bao la, đến các hệ thống kỹ thuật phức tạp khác nhau, hầu hết mọi dự án hiện đại đều không thể tách rời các cảm biến khác nhau.

Có thể thấy vai trò quan trọng của công nghệ cảm biến trong việc phát triển nền kinh tế và thúc đẩy tiến bộ xã hội là rất rõ ràng. Tất cả các quốc gia trên thế giới đều coi trọng sự phát triển của lĩnh vực này. Tin rằng trong tương lai không xa, công nghệ cảm biến sẽ có bước nhảy vọt và vươn lên một tầm cao mới tương xứng với vị thế quan trọng của nó.

Tính năng

Các đặc điểm của cảm biến bao gồm: thu nhỏ, số hóa, thông minh, đa chức năng, hệ thống hóa và kết nối mạng.Nó không chỉ thúc đẩy quá trình chuyển đổi và nâng cấp các ngành công nghiệp truyền thống mà còn có thể thiết lập các ngành công nghiệp mới, do đó trở thành một ngành tăng trưởng kinh tế mới trong thế kỷ 21 .điểm. Thu nhỏ dựa trên công nghệ hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), đã được áp dụng thành công cho các thiết bị silicon để chế tạo cảm biến áp suất silicon.

Cảm biến tĩnh

Đặc tính tĩnh của cảm biến đề cập đến mối quan hệ giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào của cảm biến đối với tín hiệu đầu vào tĩnh. Vì đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra không liên quan gì đến thời gian tại thời điểm này, nên mối quan hệ giữa chúng, tức là các đặc tính tĩnh của cảm biến có thể được sử dụng làm phương trình đại số mà không có biến thời gian hoặc đại lượng đầu vào được sử dụng như trục hoành, và đại lượng đầu ra tương ứng được sử dụng làm Đường đặc tính vẽ trên trục tung được dùng để mô tả. Các thông số chính đặc trưng cho các đặc tính tĩnh của cảm biến là: tuyến tính, độ nhạy, độ trễ, độ lặp lại, độ trôi, v.v.

Độ tuyến tính: đề cập đến mức độ mà đường cong quan hệ thực tế giữa đầu ra cảm biến và đầu vào lệch khỏi đường thẳng phù hợp. Nó được định nghĩa là tỷ lệ của độ lệch tối đa giữa đường cong đặc tính thực tế và đường thẳng phù hợp với giá trị đầu ra toàn thang đo trong phạm vi toàn thang đo.

Độ nhạy : Độ nhạy là một chỉ báo quan trọng về các đặc tính tĩnh của cảm biến. Nó được định nghĩa là tỷ lệ giữa mức tăng đầu ra so với mức tăng tương ứng của đầu vào gây ra nó. Sử dụng giây để chỉ độ nhạy.

Độ trễ: Hiện tượng các đường đặc tính đầu vào và đầu ra của cảm biến không trùng nhau trong quá trình thay đổi âm lượng đầu vào từ nhỏ sang lớn (di chuyển thuận) và âm lượng đầu vào từ lớn sang nhỏ (di chuyển ngược) trở thành hiện tượng trễ. Đối với tín hiệu đầu vào có cùng kích thước, tín hiệu đầu ra hành trình dương và âm của cảm biến không có kích thước bằng nhau và sự khác biệt này được gọi là sự khác biệt về độ trễ.

Độ lặp lại : Độ lặp lại đề cập đến mức độ không nhất quán của đường cong đặc tính thu được khi đại lượng đầu vào của cảm biến được thay đổi liên tục nhiều lần theo cùng một hướng trong toàn dải.

Trôi : Độ trôi của cảm biến đề cập đến sự thay đổi đầu ra của cảm biến theo thời gian trong điều kiện đầu vào không đổi, hiện tượng này được gọi là trôi. Có hai lý do cho sự trôi dạt: một là thông số cấu trúc của chính cảm biến; hai là môi trường xung quanh (chẳng hạn như nhiệt độ, độ ẩm, v.v.).

Độ phân giải : Khi đầu vào của cảm biến tăng chậm từ một giá trị khác 0, đầu ra sẽ thay đổi có thể quan sát được sau khi vượt quá một mức tăng nhất định. Mức tăng đầu vào này được gọi là độ phân giải của cảm biến, nghĩa là mức tăng đầu vào tối thiểu.

Ngưỡng : Khi đầu vào của cảm biến tăng chậm từ 0, đầu ra thay đổi có thể quan sát được sau khi đạt đến một giá trị nhất định.Giá trị đầu vào này được gọi là điện áp ngưỡng của cảm biến .

Cảm biến động lực học

Cái gọi là đặc tính động đề cập đến đặc tính đầu ra của cảm biến khi đầu vào thay đổi. Trong công việc thực tế, các đặc tính động của cảm biến thường được thể hiện bằng phản ứng của nó đối với một số tín hiệu đầu vào tiêu chuẩn. Điều này là do phản ứng của cảm biến đối với tín hiệu đầu vào tiêu chuẩn rất dễ thu được bằng thực nghiệm và có một mối quan hệ nhất định giữa phản ứng của nó đối với tín hiệu đầu vào tiêu chuẩn và phản hồi của nó đối với bất kỳ tín hiệu đầu vào nào, và điều này thường có thể được suy ra bằng cách biết cái cũ. Các tín hiệu đầu vào tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến nhất là tín hiệu bước và tín hiệu hình sin, vì vậy các đặc tính động của cảm biến thường được biểu thị bằng đáp ứng bước và đáp ứng tần số.

Tuyến tính

Thông thường, đầu ra đặc tính tĩnh thực tế của cảm biến là một đường cong chứ không phải là một đường thẳng. Trong công việc thực tế, để làm cho đồng hồ có số đọc tỷ lệ đồng nhất, một đường thẳng phù hợp thường được sử dụng để biểu thị gần đúng đường cong đặc tính thực tế và độ tuyến tính (sai số phi tuyến tính ) là chỉ số hiệu suất của phép tính gần đúng này.

Có nhiều cách để chọn dòng phù hợp. Ví dụ: đường thẳng lý thuyết nối điểm đầu vào bằng 0 và điểm đầu ra toàn tỷ lệ được sử dụng làm đường thẳng phù hợp; hoặc đường thẳng lý thuyết có tổng bình phương nhỏ nhất của độ lệch từ mỗi điểm trên đường cong đặc tính được sử dụng làm đường thẳng phù hợp đường thẳng. Đường thẳng vừa khít này được gọi là phương pháp bình phương nhỏ nhất.đường thẳng vừa khít.

Nhạy cảm

Độ nhạy đề cập đến cảm biến hoạt động ở trạng thái ổn định

Tỷ lệ thay đổi đầu ra △y so với thay đổi đầu vào △x.

Nó là độ dốc của đường đặc tính đầu ra-đầu vào. Nếu có một mối quan hệ tuyến tính giữa đầu ra và đầu vào của cảm biến, thì độ nhạy S là một hằng số. Nếu không, nó sẽ thay đổi theo lượng đầu vào.

Thứ nguyên của độ nhạy là tỷ lệ giữa thứ nguyên của đầu ra và đầu vào. Ví dụ: đối với một cảm biến dịch chuyển nhất định, khi dịch chuyển thay đổi 1mm, điện áp đầu ra thay đổi 200mV, thì độ nhạy của nó phải được biểu thị bằng 200mV/mm.

Khi đầu ra và đầu vào của cảm biến có cùng chiều, độ nhạy có thể được hiểu là độ phóng đại.

Cải thiện độ nhạy, có thể đạt độ chính xác đo cao hơn. Tuy nhiên, độ nhạy càng cao thì dải đo càng hẹp và độ ổn định càng kém.

Nguyên tắc làm việc

Phân loại nguyên lý làm việc của cảm biến Cảm biến vật lý áp dụng các hiệu ứng vật lý, chẳng hạn như hiệu ứng áp điện, từ giảo, ion hóa , phân cực, nhiệt điện, quang điện, từ điện và các hiệu ứng khác. Những thay đổi nhỏ trong semaphore đo được sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện. Cảm biến hóa học bao gồm những cảm biến lấy hấp phụ hóa học, phản ứng điện hóa và các hiện tượng khác làm mối quan hệ nhân quả và những thay đổi nhỏ về lượng tín hiệu đo được cũng sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Cung cấp nguồn điện ±15V cho cảm biến, bộ tạo dao động tinh thể trong mạch kích thích tạo ra sóng vuông 400Hz và nguồn điện kích thích AC được tạo ra thông qua bộ khuếch đại công suất tda2030, được truyền từ cuộn sơ cấp đứng yên sang cuộn thứ cấp quay thông qua biến áp hình xuyến năng lượng T1 để thu được Nguồn mạch chỉnh lưu và lọcđiện xoay chiều ± 5V DC được cung cấp, và nguồn điện này được sử dụng làm nguồn điện hoạt động của bộ khuếch đại hoạt động AD822; quy định độ chính xác cao Bộ nguồn bao gồm nguồn điện tham chiếu AD589 và bộ khuếch đại hoạt động kép AD822 tạo ra nguồn điện DC chính xác ±4,5V Nguồn điện, không chỉ được sử dụng làm nguồn điện cầu mà còn là nguồn điện hoạt động cho bộ khuếch đại và V /F bộ chuyển đổi.

Khi trục đàn hồi bị xoắn, tín hiệu biến dạng cấp mV được phát hiện bởi cầu biến dạng được khuếch đại thành tín hiệu mạnh 1,5v ± 1v thông qua bộ khuếch đại thiết bị AD620, sau đó được chuyển đổi thành tín hiệu tần số thông qua bộ chuyển đổi V/F LM131, và sau đó được truyền từ Cuộn sơ cấp đang quay được truyền đến cuộn thứ cấp đứng yên, sau đó được mạch xử lý tín hiệu trên vỏ lọc và định hình để thu được tín hiệu tần số tỷ lệ với mômen xoắn mà ổ trục đàn hồi nhận được.Tín hiệu là mức TTL và có thể được cung cấp cho màn hình thứ cấp đặc biệt Đồng hồ thứ cấp hoặc đồng hồ đo tần số cũng có thể được gửi trực tiếp đến máy tính để xử lý.

Do chỉ có khoảng cách vài phần mười milimet giữa các vòng động và vòng tĩnh của máy biến áp quay , và phần trên của trục cảm biến được bịt kín trong vỏ kim loại để tạo thành lớp che chắn hiệu quả nên nó có khả năng chống nhiễu mạnh . Một số cảm biến không thể được phân loại là vật lý hay hóa học. Hầu hết các cảm biến hoạt động trên các nguyên tắc vật lý. Có nhiều vấn đề kỹ thuật trong cảm biến hóa học, chẳng hạn như vấn đề về độ tin cậy, khả năng sản xuất hàng loạt, vấn đề về giá cả, v.v. Nếu những vấn đề này được giải quyết, ứng dụng của cảm biến hóa học sẽ có sự phát triển vượt bậc.

Thành phần

Nói chung, cảm biến có thể được coi là bao gồm hai phần: phần tử nhạy cảm (đôi khi được gọi là bộ chuyển đổi trước) và phần tử chuyển đổi (đôi khi được gọi là bộ chuyển đổi).

Phần tử nhạy cảm: Một thiết bị có thể thực hiện chuyển đổi trước.

Bộ chuyển đổi: Nó có thể chuyển đổi điện năng không được cảm nhận thành điện lượng.

Chức năng chính

Chức năng của cảm biến thường được so sánh với năm giác quan chính của con người:

  • Cảm Biến Ánh Sáng – Vision
  • Cảm Biến Âm Thanh – Thính Giác
  • Cảm biến gas – mùi
  • Cảm Biến Hóa Học – Hương Vị
  • Nhạy cảm với áp suất, nhạy cảm với nhiệt độ,
  • Cảm Biến Chất Lỏng – Haptic
  • Phân loại linh kiện nhạy cảm:
  • Vật lý, dựa trên các hiệu ứng vật lý như lực, nhiệt, ánh sáng, điện, từ tính và âm thanh.
  • Hóa học, dựa trên các nguyên tắc phản ứng hóa học.
  • Sinh học, dựa trên các chức năng nhận dạng phân tử như enzyme, kháng thể và hormone.

Theo chức năng nhận thức cơ bản của nó, nó có thể được chia thành mười loại: cảm biến nhiệt, cảm biến ánh sáng, cảm biến khí, cảm biến lực, cảm biến từ tính, cảm biến độ ẩm, cảm biến âm thanh, cảm biến bức xạ, cảm biến màu sắc và cảm biến vị. thành phần nhạy cảm thành 46 lớp).

Loại phổ biến

Điện trở

Cảm biến đặc biệt cho môi trường IoT

Cảm biến điện trở là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý cần đo như độ dịch chuyển, độ biến dạng, lực, gia tốc, độ ẩm, nhiệt độ,… thành giá trị điện trở. Chủ yếu có các thiết bị cảm biến điện trở như loại biến dạng điện trở, loại áp điện, điện trở nhiệt, nhạy cảm với nhiệt, nhạy cảm với khí và nhạy cảm với độ ẩm.

Công suất chuyển đổi tần số

Cảm biến công suất chuyển đổi tần số tiến hành lấy mẫu AC trên điện áp đầu vào và tín hiệu dòng điện, sau đó kết nối giá trị cảm biến công suất chuyển đổi tần số được lấy mẫu với thiết bị thứ cấp đầu vào kỹ thuật số thông qua cáp, sợi quang và các hệ thống truyền dẫn khác, và mẫu thiết bị thứ cấp đầu vào kỹ thuật số tính toán giá trị điện áp và dòng điện, bạn có thể nhận được giá trị RMS điện áp , giá trị RMS hiện tại, điện áp cơ bản , dòng điện cơ bản, điện áp hài, dòng điện hài , công suất hoạt động, công suất cơ bản, công suất hài và các thông số khác.

Cân

Cảm biến tải trọng là một thiết bị chuyển đổi lực thành điện có thể chuyển đổi trọng lực thành tín hiệu điện và là thành phần chính của thiết bị cân điện tử.

Có nhiều loại cảm biến có thể thực hiện chuyển đổi lực thành điện và những loại phổ biến là loại biến dạng điện trở, loại lực điện từ và loại điện dung. Loại lực điện từ chủ yếu được sử dụng cho cân điện tử , loại điện dung được sử dụng cho một số cân cẩu điện tử và phần lớn các thiết bị cân sử dụng cảm biến tải trọng loại biến dạng điện trở.

Cảm biến tải trọng loại biến dạng kháng có cấu trúc đơn giản, độ chính xác cao, phạm vi ứng dụng rộng và có thể được sử dụng trong môi trường tương đối kém. Do đó, các cảm biến tải trọng biến dạng điện trở đã được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị cân.

Loại biến dạng kháng

Máy đo biến dạng điện trở trong cảm biến có tác dụng biến dạng kim loại , nghĩa là biến dạng cơ học xảy ra dưới tác động của ngoại lực, do đó giá trị điện trở thay đổi tương ứng. Có hai loại máy đo biến dạng điện trở: kim loại và bán dẫn. Máy đo biến dạng kim loại có thể được chia thành loại dây, loại lá và loại màng. Máy đo biến dạng bán dẫn có ưu điểm là độ nhạy cao (thường gấp hàng chục lần so với các loại dây và lá kim loại) và hiệu ứng bên nhỏ.

Áp điện trở

Cảm biến áp điện là một thiết bị được chế tạo bằng cách trải điện trở trên đế của vật liệu bán dẫn theo hiệu ứng áp điện của vật liệu bán dẫn. Chất nền có thể được sử dụng trực tiếp làm thành phần cảm biến đo lường và điện trở khuếch tán được kết nối trong chất nền để tạo thành cầu nối. Khi đế bị biến dạng bởi ngoại lực, các giá trị điện trở sẽ thay đổi và cầu sẽ tạo ra đầu ra không cân bằng tương ứng.

Vật liệu đế (hoặc màng ngăn) được sử dụng làm cảm biến áp điện chủ yếu là tấm silicon và tấm germanium. Cảm biến áp điện silicon làm bằng tấm silicon là vật liệu nhạy cảm.

Công ty TNHH thiết bị tự động HI-TECH

Các tin khác