Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Kỹ thuật cảm biến – Đề 1

Cảm biến siêu âm sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách. Chúng phát ra sóng siêu âm và đo thời gian sóng phản xạ trở lại cảm biến. Dựa vào thời gian này và tốc độ âm thanh, khoảng cách có thể được tính toán.

Cảm biến tiệm cận được thiết kế để phát hiện sự hiện diện của vật thể khi vật thể đó đến gần cảm biến mà không cần phải tiếp xúc trực tiếp. Chúng được sử dụng rộng rãi trong điện thoại thông minh, hệ thống đỗ xe tự động, và nhiều ứng dụng khác.

Trong các hệ thống nhúng, các giao diện truyền thông nối tiếp như SPI (Serial Peripheral Interface) và I2C (Inter-Integrated Circuit) rất phổ biến để kết nối cảm biến với bộ vi điều khiển. Chúng có ưu điểm là đơn giản, tiết kiệm chân kết nối, và phù hợp với các ứng dụng có kích thước nhỏ gọn và yêu cầu tốc độ truyền dữ liệu vừa phải.

Lớp da điện tử (electronic skin) là một lĩnh vực phát triển cảm biến linh hoạt, mỏng, nhẹ có thể dán lên da hoặc các bề mặt cong. Ứng dụng chính của chúng bao gồm giám sát sức khỏe (ví dụ: đo nhịp tim, nhiệt độ, độ ẩm da), tạo giao diện người-máy tự nhiên hơn, và phát triển robot có khả năng cảm nhận xúc giác (robot cảm xúc).

Hệ thống phanh ABS (Anti-lock Braking System) sử dụng cảm biến tốc độ bánh xe để giám sát tốc độ quay của từng bánh xe. Thông tin này được sử dụng để phát hiện tình trạng bó cứng bánh xe khi phanh gấp và điều chỉnh lực phanh cho phù hợp, giúp duy trì khả năng kiểm soát lái.

Cảm biến áp điện sử dụng hiệu ứng áp điện, một hiện tượng trong đó một số vật liệu (như tinh thể thạch anh, gốm áp điện) tạo ra điện áp khi chịu áp lực hoặc lực cơ học. Điện áp tạo ra tỷ lệ với lực tác động.

Xu hướng phát triển công nghệ cảm biến trong tương lai tập trung vào việc tạo ra các cảm biến thông minh hơn, có khả năng tự xử lý dữ liệu ngay tại thiết bị (edge computing) thay vì chỉ truyền dữ liệu thô về trung tâm. Cùng với đó là tích hợp kết nối không dây để dễ dàng triển khai trong các hệ thống IoT và các ứng dụng di động. Mục tiêu là tạo ra các hệ thống cảm biến hiệu quả hơn, tiết kiệm năng lượng, và có khả năng tự hoạt động độc lập.

Cảm biến sinh học (biosensor) được thiết kế đặc biệt để phát hiện và phân tích các chất sinh học (biomarkers) và theo dõi các chỉ số sinh lý trong cơ thể. Chúng có vai trò quan trọng trong chẩn đoán bệnh, theo dõi sức khỏe, và nghiên cứu y sinh.

Cảm biến từ trường được sử dụng rộng rãi trong đo tốc độ động cơ (ví dụ: cảm biến Hall), hệ thống định vị (ví dụ: la bàn số), và phát hiện kim loại. Đo nhiệt độ cơ thể thường sử dụng các loại cảm biến nhiệt độ khác như nhiệt điện trở hoặc cảm biến hồng ngoại, không phải cảm biến từ trường.

Cảm biến độ ẩm điện dung hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung của một vật liệu điện môi (thường là polymer) khi nó hấp thụ hơi ẩm từ môi trường. Độ ẩm trong không khí thay đổi hằng số điện môi của vật liệu, dẫn đến sự thay đổi điện dung, và sự thay đổi này được đo để xác định độ ẩm.

Cảm biến điện dung thường tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với cảm biến điện trở vì chúng không dựa trên dòng điện chạy qua để đo lường, mà dựa trên sự thay đổi điện dung. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng di động và không dây, nơi tiết kiệm năng lượng là yếu tố then chốt.

Cảm biến là thiết bị chính xác được thiết kế để phản ứng với một kích thích vật lý (như ánh sáng, nhiệt, chuyển động, áp suất, v.v.) và truyền tải hoặc chuyển đổi kích thích phát hiện được thành tín hiệu có thể đo và giải thích được - thường là tín hiệu điện.

Hệ số khuếch đại tín hiệu (gain) có vai trò tăng cường biên độ của tín hiệu đầu ra từ cảm biến. Khi tăng hệ số khuếch đại, tín hiệu đầu ra trở nên mạnh hơn, giúp cảm biến phản ứng rõ ràng hơn với các thay đổi nhỏ của đại lượng đo, do đó độ nhạy của cảm biến tăng lên.

Trong hệ thống điều khiển tự động, cảm biến là thành phần đầu vào quan trọng, có chức năng thu thập thông tin về trạng thái của hệ thống (ví dụ: vị trí, tốc độ, nhiệt độ) và môi trường xung quanh. Thông tin này sau đó được chuyển đến bộ điều khiển để xử lý và đưa ra quyết định điều khiển.

Cảm biến không dây mang lại sự linh hoạt lớn trong việc lắp đặt và triển khai vì không cần dây dẫn kết nối. Điều này đặc biệt hữu ích trong các môi trường rộng lớn, phức tạp, hoặc các vị trí khó tiếp cận, nơi việc đi dây trở nên khó khăn hoặc tốn kém.

Cảm biến MEMS có kích thước rất nhỏ và được chế tạo bằng công nghệ vi cơ điện tử. Mặc dù có nhiều ưu điểm như kích thước nhỏ, giá thành rẻ khi sản xuất hàng loạt, nhưng nhược điểm chính là độ bền cơ học có thể bị hạn chế và dễ bị ảnh hưởng bởi môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ cao, độ ẩm, va đập mạnh).

Hiệu chuẩn cảm biến định kỳ là cần thiết để đảm bảo rằng cảm biến vẫn cung cấp các phép đo chính xác và tin cậy theo thời gian. Các yếu tố như lão hóa, môi trường hoạt động, và các yếu tố khác có thể làm thay đổi đặc tính của cảm biến, dẫn đến sai số tăng lên. Hiệu chuẩn giúp điều chỉnh và đưa cảm biến trở lại trạng thái hoạt động chính xác.

Cảm biến điện trở (strain gauge) hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện trở, trong đó điện trở suất của vật liệu thay đổi khi vật liệu bị biến dạng do lực cơ học tác động. Sự thay đổi điện trở này được đo và chuyển đổi thành tín hiệu điện.

Dải đo (measurement range) của cảm biến là khoảng giá trị của đại lượng vật lý mà cảm biến được thiết kế để đo lường một cách chính xác và tin cậy. Vượt ra ngoài dải đo này, cảm biến có thể không hoạt động đúng hoặc cho kết quả không chính xác.

Cảm biến được thiết kế để đo lường các đại lượng vật lý có thể định lượng và đo đạc được như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, độ ẩm, gia tốc, v.v. 'Cảm xúc' là trạng thái tâm lý, không phải là đại lượng vật lý có thể đo trực tiếp bằng cảm biến vật lý.

Độ phân giải của cảm biến là khả năng của nó để phân biệt giữa các giá trị rất gần nhau của đại lượng đo. Nó thể hiện sự thay đổi nhỏ nhất mà cảm biến có thể phát hiện và phản ánh trong tín hiệu đầu ra. Độ phân giải càng cao, cảm biến càng nhạy và chi tiết hơn.

Tăng độ phân giải của cảm biến giúp cảm biến phát hiện các thay đổi nhỏ hơn của đại lượng đo, nhưng không trực tiếp giúp giảm nhiễu tín hiệu. Các biện pháp hiệu quả để giảm nhiễu bao gồm sử dụng dây dẫn chống nhiễu, lọc tín hiệu bằng mạch lọc, đặt cảm biến cách xa nguồn gây nhiễu, và sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu số để loại bỏ nhiễu.

Cảm biến khí gas được thiết kế đặc biệt để phát hiện và đo lường nồng độ của các loại khí cụ thể trong môi trường. Chúng được sử dụng trong nhiều ứng dụng như giám sát chất lượng không khí, phát hiện rò rỉ khí gas, và kiểm soát quy trình công nghiệp.

Sai số Offset là một loại sai số hệ thống, nó là một giá trị không đổi được cộng thêm hoặc trừ đi từ giá trị đo thực tế trên toàn bộ dải đo của cảm biến. Ngay cả khi đại lượng đo thực tế là 0, cảm biến vẫn có thể xuất ra một giá trị khác 0 do sai số Offset này.

Nhiệt độ môi trường thường ảnh hưởng đến đặc tính hoạt động của cảm biến, gây ra sai số trong phép đo. Phương pháp bù nhiệt (temperature compensation) được áp dụng để giảm thiểu hoặc loại bỏ ảnh hưởng này, giúp cảm biến hoạt động chính xác hơn trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

Việc giảm kích thước cảm biến thường là một mục tiêu chung trong phát triển công nghệ cảm biến, nhưng không phải là một thách thức đặc biệt *riêng biệt* khi thiết kế cảm biến cho môi trường khắc nghiệt. Các thách thức chính bao gồm duy trì độ chính xác, độ tin cậy, tuổi thọ, và lựa chọn vật liệu phù hợp để chịu được các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, hóa chất ăn mòn, áp suất lớn, v.v.

Màu sắc của vỏ cảm biến thường không ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phép đo. Tuy nhiên, các yếu tố khác như nhiệt độ, độ ẩm, và nguồn điện áp cung cấp không ổn định có thể gây ra sai số và ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến.

Cảm biến gia tốc kế (Accelerometer) là loại cảm biến chính được sử dụng trong điện thoại thông minh để đo gia tốc, phát hiện chuyển động, thay đổi hướng, và hỗ trợ các tính năng như xoay màn hình, chơi game, và đếm bước chân.

Cảm biến quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, tức là sự thay đổi dòng điện hoặc điện áp trong vật liệu bán dẫn khi có ánh sáng chiếu vào. Các loại cảm biến quang điện bao gồm photodiode, phototransistor, và tế bào quang điện.

Trong hệ thống IoT, cảm biến đóng vai trò là các thiết bị đầu cuối (edge devices) chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh. Dữ liệu này sau đó được truyền về trung tâm để xử lý, phân tích và đưa ra các hành động hoặc quyết định.