Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Kỹ thuật cảm biến – Đề 15

Cảm biến điện hóa hoạt động dựa trên các phản ứng điện hóa xảy ra tại điện cực khi tiếp xúc với chất cần đo. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong phân tích hóa học và sinh hóa để đo các thông số như pH, nồng độ ion, oxy hòa tan, đường huyết, và nhiều chất khác.

Cảm biến điện dung thường tạo ra tín hiệu điện dung nhỏ, đòi hỏi mạch điện tử phức tạp hơn để khuếch đại và xử lý tín hiệu so với cảm biến điện trở, vốn tạo ra tín hiệu điện trở dễ đo lường hơn.

Cảm biến gia tốc MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) trong điện thoại thông minh đo gia tốc tuyến tính và góc, cho phép điện thoại nhận biết chuyển động, hướng, độ nghiêng, từ đó thực hiện các chức năng như xoay màn hình tự động, điều khiển game bằng cử chỉ, và đếm bước chân.

Cảm biến áp suất được sử dụng rộng rãi trong hệ thống giám sát áp suất lốp xe (TPMS - Tire Pressure Monitoring System) để cảnh báo khi áp suất lốp quá thấp, giúp tăng an toàn và hiệu quả nhiên liệu.

Giao tiếp không dây (ví dụ: Bluetooth, WiFi, Zigbee) cho phép triển khai và mở rộng mạng cảm biến không dây (WSN) một cách dễ dàng và linh hoạt. Không cần đi dây phức tạp, cảm biến có thể được lắp đặt ở nhiều vị trí khác nhau và dễ dàng di chuyển khi cần thiết, rất phù hợp cho các ứng dụng IoT và giám sát diện rộng.

Nhiệt điện trở (Thermistor) là loại cảm biến nhiệt độ dựa trên nguyên lý thay đổi điện trở suất của vật liệu bán dẫn theo nhiệt độ. Cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng Seebeck, cảm biến hồng ngoại đo bức xạ nhiệt, và IC cảm biến nhiệt độ số tích hợp mạch điện tử phức tạp hơn.

Hệ thống ABS (Anti-lock Braking System) sử dụng cảm biến từ trường, thường là cảm biến Hall effect hoặc cảm biến điện từ, để đo tốc độ quay của bánh xe. Sự thay đổi từ trường do bánh xe quay tạo ra tín hiệu điện tỉ lệ với tốc độ quay.

Phát triển cảm biến cho môi trường khắc nghiệt đòi hỏi vật liệu và thiết kế đặc biệt để cảm biến có thể chịu được nhiệt độ cao, hóa chất ăn mòn, áp suất lớn, hoặc bức xạ mạnh mà không bị suy giảm hiệu suất hoặc hư hỏng. Độ bền và độ tin cậy là yếu tố quan trọng hàng đầu.

Cảm biến lưu lượng kế (Flow sensor) được thiết kế đặc biệt để đo tốc độ dòng chảy hoặc lưu lượng thể tích của chất lỏng hoặc khí trong đường ống. Có nhiều loại cảm biến lưu lượng kế khác nhau dựa trên nguyên lý đo khác nhau (ví dụ: siêu âm, điện từ, tuabin, nhiệt).

Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng vật lý hoặc hóa học (như nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, độ ẩm, nồng độ hóa chất) thành tín hiệu điện để đo lường hoặc kiểm soát.

Cảm biến hóa học được thiết kế đặc biệt để phát hiện và đo nồng độ của một hoặc nhiều chất hóa học cụ thể trong môi trường khí, lỏng hoặc rắn. Ứng dụng trong giám sát chất lượng không khí, kiểm tra thực phẩm, y tế, v.v.

Cảm biến siêu âm đo khoảng cách bằng cách phát ra sóng siêu âm và đo thời gian sóng này truyền đi và phản xạ trở lại. Khoảng cách được tính toán dựa trên thời gian này và tốc độ âm thanh trong môi trường.

Sai số 'gain' là sai số tỉ lệ, khi độ nhạy của cảm biến không đúng như mong muốn. Để hiệu chỉnh sai số gain, ta thường nhân tín hiệu đầu ra của cảm biến với một hệ số hiệu chỉnh (calibration factor) để đảm bảo độ dốc của đường cong đặc tính đúng như mong muốn.

Xu hướng phát triển của kỹ thuật cảm biến trong tương lai sẽ tập trung vào nhiều khía cạnh, bao gồm: giảm kích thước và giá thành, tăng hiệu suất (độ chính xác, độ nhạy, tốc độ), tích hợp cao (đa chức năng trên một chip), phát triển cảm biến thông minh (tự xử lý dữ liệu), tự cấp nguồn (harvesting energy), và khả năng kết nối mạng mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các ứng dụng IoT, công nghiệp 4.0, và các lĩnh vực khác.

Cảm biến tiệm cận phát hiện sự hiện diện của vật thể khi vật thể đó đến gần cảm biến trong một khoảng cách nhất định, mà không cần tiếp xúc trực tiếp. Ứng dụng trong tự động hóa, đếm sản phẩm, kiểm tra vị trí, v.v.

Độ trễ (hysteresis) là hiện tượng đường cong đặc tính đầu ra của cảm biến khác nhau tùy thuộc vào chiều thay đổi của đại lượng đo (tăng lên hay giảm xuống). Điều này có nghĩa là, với cùng một giá trị đại lượng đo, tín hiệu đầu ra có thể khác nhau tùy thuộc vào lịch sử thay đổi của đại lượng đo.

Cảm biến ảo (virtual sensor) không phải là cảm biến vật lý, mà là một phần mềm hoặc thuật toán ước tính giá trị của một đại lượng vật lý dựa trên dữ liệu từ các cảm biến vật lý khác và các mô hình toán học. Ví dụ, ước tính chất lượng không khí dựa trên dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm và vị trí địa lý.

Sai số Offset (hay còn gọi là bias) là một loại sai số hệ thống, thể hiện sự khác biệt cố định giữa giá trị đo được và giá trị thực tế, ngay cả khi đại lượng đo bằng không. Ví dụ, cảm biến trả về giá trị 0.5V khi đại lượng đo thực tế là 0.

Bộ lọc tín hiệu là một phương pháp phổ biến và hiệu quả để giảm nhiễu trong hệ thống cảm biến. Các loại bộ lọc như bộ lọc thông thấp (loại bỏ nhiễu tần số cao), bộ lọc trung bình (làm mịn tín hiệu) giúp cải thiện chất lượng tín hiệu và độ chính xác của phép đo.

Cảm biến hình ảnh (ví dụ: CCD, CMOS) hoạt động dựa trên nguyên lý quang điện, chuyển đổi ánh sáng chiếu vào bề mặt cảm biến thành tín hiệu điện tại các pixel. Mỗi pixel tích lũy điện tích tỉ lệ với cường độ ánh sáng chiếu vào, tạo ra hình ảnh số.

Trong hệ thống điều khiển tự động, cảm biến là bộ phận đầu vào (Input) quan trọng, có chức năng thu thập thông tin về trạng thái của hệ thống (ví dụ: nhiệt độ, vị trí, tốc độ). Thông tin này được đưa vào bộ điều khiển để ra quyết định và thực hiện các hành động điều khiển thông qua bộ phận đầu ra (Output).

Cảm biến sinh học (Biosensor) là loại cảm biến đặc biệt được thiết kế để phát hiện và phân tích các chất sinh học. Chúng kết hợp thành phần nhận biết sinh học (ví dụ: enzyme, kháng thể, DNA) với bộ chuyển đổi tín hiệu để phát hiện các phân tử sinh học mục tiêu một cách chọn lọc và nhạy bén.

Cảm biến Hall effect hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, hiện tượng sinh ra điện áp Hall khi dòng điện chạy qua một vật dẫn hoặc bán dẫn đặt trong từ trường vuông góc với dòng điện. Điện áp Hall tỉ lệ với cường độ từ trường.

Sai số hệ thống lớn (như Offset, Gain error lớn) là một đặc tính KHÔNG mong muốn ở cảm biến. Cảm biến lý tưởng cần có sai số nhỏ, độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh, độ ổn định và độ tin cậy cao để đảm bảo phép đo chính xác và ổn định theo thời gian.

Trong IoT, đặc biệt là trong các ứng dụng giám sát môi trường, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, chất lượng không khí (CO2, bụi mịn, v.v.) đóng vai trò then chốt trong việc thu thập dữ liệu về điều kiện môi trường xung quanh, cung cấp thông tin cho các hệ thống phân tích và điều khiển.

Các đặc tính kỹ thuật của cảm biến như độ chính xác (accuracy), độ nhạy (sensitivity), dải đo (range), độ phân giải (resolution) và thời gian đáp ứng (response time) phải phù hợp với yêu cầu của ứng dụng để đảm bảo cảm biến hoạt động hiệu quả.

Độ phân giải (Resolution) của cảm biến là khả năng phân biệt giữa các giá trị rất gần nhau của đại lượng đo. Nó là mức thay đổi nhỏ nhất của đại lượng đo mà cảm biến có thể phát hiện và phản ánh được trong tín hiệu đầu ra.

Công nghệ MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) đã cách mạng hóa lĩnh vực cảm biến bằng cách cho phép chế tạo cảm biến kích thước cực nhỏ, tích hợp nhiều chức năng trên một chip, tiêu thụ năng lượng thấp, và sản xuất hàng loạt với chi phí thấp, mở ra nhiều ứng dụng mới cho cảm biến.

Drift là hiện tượng tín hiệu đầu ra của cảm biến bị thay đổi chậm và từ từ theo thời gian, ngay cả khi đại lượng đo không thay đổi. Drift có thể do nhiều yếu tố như lão hóa linh kiện, thay đổi nhiệt độ, hoặc hóa chất, và làm giảm độ chính xác của phép đo theo thời gian.

Cảm biến quang điện sử dụng ánh sáng để phát hiện vật thể, không có bộ phận cơ học chuyển động nên có tốc độ phản hồi nhanh hơn, ít bị mài mòn và có tuổi thọ cao hơn so với cảm biến cơ học.