Đề thi, bài tập trắc nghiệm online Kỹ thuật cảm biến – Đề 4

Hiệu chuẩn cảm biến là quá trình xác định mối quan hệ giữa tín hiệu đầu ra của cảm biến và giá trị thực của đại lượng đo. Phương pháp hiệu chuẩn phổ biến là so sánh kết quả đo của cảm biến với một chuẩn đo lường đã được xác nhận độ chính xác.

Cảm biến (sensor) là một thiết bị dùng để cảm nhận, đo lường hoặc phát hiện một đại lượng vật lý hoặc hóa học (như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, độ ẩm, v.v.) và chuyển đổi nó thành một tín hiệu điện có thể được xử lý hoặc hiển thị.

Cảm biến nhiệt độ bán dẫn thường có dải đo nhiệt độ hẹp hơn so với cặp nhiệt điện. Cặp nhiệt điện có thể đo được nhiệt độ rất cao (trên 1000°C) trong khi cảm biến bán dẫn thường giới hạn ở vài trăm độ C. Các lựa chọn khác không phải là nhược điểm chính của cảm biến bán dẫn so với cặp nhiệt điện.

Khi lựa chọn cảm biến, các yếu tố quan trọng cần xem xét bao gồm dải đo, độ chính xác, mức tiêu thụ năng lượng, kích thước, và môi trường hoạt động. Ngôn ngữ lập trình giao tiếp với cảm biến là yếu tố thuộc về hệ thống điều khiển và xử lý dữ liệu, không trực tiếp ảnh hưởng đến việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp với yêu cầu đo lường.

Cảm biến độ ẩm điện dung (Capacitive humidity sensor) hoạt động dựa trên sự thay đổi điện dung của một tụ điện đặc biệt khi độ ẩm môi trường xung quanh thay đổi. Vật liệu điện môi trong tụ điện này có khả năng hấp thụ hơi ẩm, làm thay đổi hằng số điện môi và do đó thay đổi điện dung.

Độ phân giải (Resolution) của cảm biến là khả năng của cảm biến phân biệt được sự thay đổi nhỏ nhất của đại lượng đo. Độ phân giải càng cao, cảm biến càng nhạy và có thể phát hiện được những thay đổi nhỏ nhất trong đại lượng đo.

Cảm biến vị trí tuyến tính được thiết kế để đo vị trí theo đường thẳng. Trong công nghiệp, chúng thường được dùng để kiểm soát vị trí của các bộ phận chuyển động tuyến tính như piston trong xi lanh thủy lực hoặc khí nén, đảm bảo độ chính xác trong các quy trình tự động hóa.

Điện trở nhiệt (Thermistor) là loại cảm biến nhiệt độ hoạt động dựa trên nguyên lý sự thay đổi điện trở của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. Cặp nhiệt điện dựa trên hiệu ứng Seebeck, bán dẫn nhiệt có thể dựa trên nhiều nguyên lý khác nhau, và cảm biến hồng ngoại đo bức xạ nhiệt.

Cảm biến thông minh tích hợp bộ vi xử lý, cho phép tự xử lý và tiền xử lý dữ liệu ngay tại cảm biến, giảm tải cho bộ xử lý trung tâm, và cải thiện độ chính xác. Tuy nhiên, cảm biến thông minh thường có giá thành cao hơn so với cảm biến truyền thống do tích hợp thêm các thành phần điện tử và phần mềm phức tạp.

Cảm biến áp suất tuyệt đối (Absolute pressure sensor) đo áp suất so với áp suất chân không hoàn hảo (0 Pa). Điều này khác với cảm biến áp suất tương đối (Gauge pressure sensor) đo áp suất so với áp suất khí quyển.

Một cảm biến lý tưởng nên có kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp để dễ dàng tích hợp và sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Kích thước lớn và tiêu thụ năng lượng cao là những nhược điểm.

Cảm biến siêu âm (Ultrasonic sensor) hoạt động bằng cách phát ra sóng siêu âm và đo thời gian phản xạ của sóng khi gặp vật cản. Thời gian này tỉ lệ với khoảng cách đến vật cản.

Sensor fusion (kết hợp cảm biến) là kỹ thuật kết hợp dữ liệu từ nhiều cảm biến khác nhau (ví dụ: gia tốc kế, con quay hồi chuyển, từ kế, GPS) để tạo ra một bức tranh toàn diện và chính xác hơn về môi trường hoặc trạng thái hệ thống. Nó giúp giảm nhiễu, tăng độ tin cậy và cung cấp thông tin phong phú hơn so với việc sử dụng từng cảm biến riêng lẻ.

Trong cảm biến quang học đo nồng độ chất lỏng hoặc khí, người ta thường sử dụng hiện tượng hấp thụ ánh sáng. Khi ánh sáng truyền qua môi trường chứa chất cần đo, một phần ánh sáng sẽ bị hấp thụ. Mức độ hấp thụ ánh sáng tỉ lệ với nồng độ chất đó, theo định luật Beer-Lambert.

Độ chính xác của cảm biến bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ phân giải (khả năng phân biệt các giá trị đo gần nhau), nhiễu và sai số hệ thống, độ trễ (sự khác biệt trong kết quả đo khi đại lượng đo tăng và giảm). Màu sắc vỏ ngoài không liên quan đến độ chính xác đo lường.

Cảm biến Hall hoạt động dựa trên hiệu ứng Hall, khi dòng điện chạy qua một vật liệu dẫn điện hoặc bán dẫn được đặt trong từ trường vuông góc với dòng điện, một điện áp (điện áp Hall) sẽ được tạo ra vuông góc cả với dòng điện và từ trường. Điện áp Hall này tỉ lệ với cường độ từ trường.

Cảm biến lưu lượng siêu âm (Ultrasonic flow meter) có thể sử dụng hiệu ứng Doppler để đo lưu lượng. Sóng siêu âm được truyền vào dòng chảy, và sự thay đổi tần số của sóng phản xạ (do hiệu ứng Doppler) tỉ lệ với vận tốc dòng chảy, từ đó tính được lưu lượng.

Photoresistor (LDR - Light Dependent Resistor) hay điện trở quang có điện trở thay đổi theo cường độ ánh sáng, thường được sử dụng trong các mạch phát hiện ánh sáng đơn giản do tính đơn giản và chi phí thấp.

Cảm biến điện dung dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm và bụi bẩn do sự thay đổi điện môi của môi trường xung quanh điện cực cảm biến, điều này có thể gây ra sai số đo lường. Cảm biến điện trở ít bị ảnh hưởng bởi yếu tố này hơn.

Cảm biến gia tốc đo gia tốc tuyến tính hoặc góc. Đo vận tốc gió thường sử dụng cảm biến áp suất hoặc cảm biến cánh gió, không phải cảm biến gia tốc.

Cảm biến áp suất điện dung có độ nhạy cao và kích thước nhỏ, phù hợp cho nhiều ứng dụng như đo áp suất lốp xe, hệ thống khí nén, và khí quyển. Tuy nhiên, để đo áp suất ở độ sâu lớn trong đại dương, nơi áp suất cực cao, thường cần các loại cảm biến chuyên dụng khác chịu được áp suất rất lớn, ví dụ như cảm biến áp điện hoặc cảm biến strain gauge.

Trong hệ thống IoT, cảm biến là thành phần quan trọng ở lớp ‘perception layer’ (lớp nhận thức), có chức năng thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, vị trí, v.v.) và chuyển đổi thành tín hiệu số để truyền về trung tâm xử lý.

Để giảm nhiễu trong tín hiệu cảm biến, người ta thường sử dụng bộ lọc (filter) trong mạch điện tử. Bộ lọc được thiết kế để loại bỏ các thành phần tần số không mong muốn (nhiễu) trong tín hiệu, cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và chất lượng tín hiệu.

Sai số Offset (Offset error) là một loại sai số hệ thống, là sự khác biệt không đổi giữa giá trị đo được và giá trị thực trên toàn bộ dải đo. Ví dụ, nếu cảm biến có offset +2 đơn vị, thì mọi kết quả đo sẽ luôn lớn hơn giá trị thực 2 đơn vị.

Trong hệ thống GPS, cảm biến gia tốc kế (Accelerometer) được sử dụng để đo gia tốc và phát hiện chuyển động. Cùng với con quay hồi chuyển, gia tốc kế là thành phần quan trọng của IMU (Inertial Measurement Unit) giúp xác định hướng và chuyển động của thiết bị.

Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive proximity sensor) hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi từ trường khi có vật liệu kim loại dẫn điện lại gần. Do đó, chúng chỉ phát hiện được vật liệu kim loại dẫn điện, không phát hiện được vật liệu phi kim loại như nhựa, gốm, hoặc vật liệu cách điện.

Cảm biến lực/momen xoắn (Force/torque sensor) được sử dụng trong robot để đo lực và momen xoắn tác động lên các khớp hoặc bàn tay máy. Thông tin này rất quan trọng cho việc điều khiển robot thực hiện các thao tác chính xác, an toàn và linh hoạt, đặc biệt trong các ứng dụng tương tác với môi trường hoặc con người.

Cảm biến điện hóa (Electrochemical sensor), đặc biệt là loại cảm biến điện cực Clark, thường được sử dụng để đo nồng độ oxy do khả năng phản ứng chọn lọc với oxy và tạo ra dòng điện tỉ lệ với nồng độ oxy.

Cảm biến sinh học (biosensor) là loại cảm biến được thiết kế đặc biệt để phát hiện và đo lường các chất sinh học (như glucose, enzyme, DNA, kháng thể) hoặc các quá trình sinh học. Chúng thường kết hợp một thành phần nhận biết sinh học (bioreceptor) với một bộ chuyển đổi tín hiệu để phát hiện và định lượng các chất mục tiêu.

Cảm biến sợi quang có nhiều ưu điểm như chống nhiễu điện từ, kích thước nhỏ, hoạt động trong môi trường khắc nghiệt. Tuy nhiên, giá thành sản xuất của cảm biến sợi quang thường cao hơn so với các loại cảm biến điện tử truyền thống và quy trình chế tạo phức tạp hơn.