Đề 9 – Bài tập, đề thi trắc nghiệm online Kỹ thuật cảm biến

Cảm biến điện dung rất nhạy với sự thay đổi khoảng cách giữa các bản cực hoặc hằng số điện môi của môi trường. Do đó, chúng được sử dụng hiệu quả để đo độ ẩm (dựa trên sự thay đổi hằng số điện môi của không khí khi độ ẩm thay đổi) và áp suất (dựa trên sự thay đổi khoảng cách bản cực do áp suất).

Cảm biến có chức năng chính là chuyển đổi các đại lượng vật lý hoặc hóa học (như ánh sáng, nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, hóa chất) thành tín hiệu điện để có thể đo lường và xử lý.

Độ nhạy định lượng mức độ thay đổi của tín hiệu đầu ra (ví dụ: điện áp, dòng điện) khi có sự thay đổi nhỏ ở đại lượng đo (ví dụ: nhiệt độ, áp suất). Độ nhạy cao nghĩa là sự thay đổi nhỏ ở đầu vào sẽ tạo ra sự thay đổi lớn ở đầu ra.

Cảm biến siêu âm Doppler sử dụng hiệu ứng Doppler để đo vận tốc của dòng chảy hoặc vật thể chuyển động. Hiệu ứng Doppler là sự thay đổi tần số sóng khi nguồn và người quan sát chuyển động tương đối với nhau.

Sai số Offset là sai số hệ thống, thể hiện sự khác biệt không đổi giữa giá trị đo được và giá trị thực, ngay cả khi đại lượng đo bằng không. Ví dụ, cảm biến luôn báo giá trị 1 đơn vị khi giá trị thực là 0.

Cảm biến vân tay được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống xác thực sinh trắc học để nhận dạng và xác minh danh tính cá nhân dựa trên đặc điểm duy nhất của vân tay.

Độ chính xác của cảm biến bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như nhiễu, độ phân giải (giới hạn khả năng phân biệt giá trị), và sai số hệ thống. Kích thước của cảm biến thường không trực tiếp ảnh hưởng đến độ chính xác, mà liên quan nhiều hơn đến ứng dụng và khả năng tích hợp.

Cảm biến áp suất điện dung hoạt động bằng cách đo sự thay đổi điện dung giữa hai bản cực khi áp suất tác động làm thay đổi khoảng cách giữa chúng. Sự thay đổi này tỉ lệ với áp suất.

Cảm biến gia tốc được thiết kế đặc biệt để đo gia tốc, tức là tốc độ thay đổi vận tốc theo thời gian. Chúng thường được ứng dụng trong các thiết bị đo lường chuyển động, định hướng, và rung động.

Điện thoại thông minh sử dụng cảm biến gia tốc để phát hiện chuyển động thẳng và cảm biến con quay hồi chuyển để phát hiện chuyển động xoay. Kết hợp hai loại cảm biến này cho phép xác định hướng và chuyển động của điện thoại để xoay màn hình và các ứng dụng khác.

Cảm biến được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa, điều khiển và giám sát trong nhiều lĩnh vực như điều hòa không khí, giao thông, máy lọc nước (đo chất lượng). Sản xuất xi măng chủ yếu dựa vào quy trình công nghiệp và ít sử dụng cảm biến trực tiếp trong quy trình sản xuất chính.

Độ phân giải của cảm biến là khả năng phân biệt được những thay đổi nhỏ nhất của đại lượng đo. Độ phân giải càng cao, cảm biến càng có thể phát hiện những thay đổi nhỏ hơn.

Hiệu chuẩn cảm biến là quá trình điều chỉnh để giảm sai số. Các phương pháp hiệu chuẩn phổ biến bao gồm so sánh với chuẩn, hiệu chuẩn một điểm hoặc nhiều điểm. Sử dụng tín hiệu ngẫu nhiên không phải là phương pháp hiệu chuẩn mà có thể là phương pháp kiểm tra hoặc đánh giá.

Trong cảm biến RTD (ví dụ: Pt100), điện trở của vật liệu (thường là kim loại như Platinum) tăng lên khi nhiệt độ tăng. Mối quan hệ này thường là tuyến tính trong một khoảng nhiệt độ nhất định.

Cảm biến sinh học (Biosensor) được thiết kế đặc biệt để phát hiện và đo lường các chất sinh học (như enzyme, protein, DNA, tế bào) và các quá trình sinh học. Chúng có ứng dụng rộng rãi trong y tế, môi trường, và thực phẩm.

Trong hệ thống nhúng, SPI (Serial Peripheral Interface) và I2C (Inter-Integrated Circuit) là các giao thức truyền thông nối tiếp tốc độ thấp, tiết kiệm năng lượng, và phù hợp để kết nối cảm biến với bộ vi xử lý trên cùng một bo mạch.

Cảm biến siêu âm rất hiệu quả trong đo khoảng cách, phát hiện vật cản, và hình ảnh y tế (dựa trên sóng âm). Tuy nhiên, để đo nhiệt độ chất lỏng sôi, cảm biến nhiệt độ trực tiếp (như cặp nhiệt điện, RTD) sẽ phù hợp hơn và chính xác hơn.

Độ nhạy của cảm biến thường được biểu thị bằng tỷ lệ thay đổi tín hiệu đầu ra trên đơn vị thay đổi của đại lượng đo đầu vào, ví dụ mV/°C (độ nhạy nhiệt độ), Pa/V (độ nhạy áp suất), hoặc %FS/°C (độ nhạy phần trăm toàn thang đo theo nhiệt độ). dB (decibel) là đơn vị đo cường độ âm thanh hoặc tỷ lệ công suất, không phải độ nhạy cảm biến.

Cảm biến điện hóa hoạt động dựa trên các phản ứng hóa học và điện hóa, rất phù hợp cho phân tích thành phần hóa học, nồng độ các chất trong môi trường (khí thải, nước) và trong y tế (ví dụ: đo đường huyết).

Cảm biến LVDT là loại cảm biến biến đổi vị trí tuyến tính thành tín hiệu điện. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi điện cảm và được dùng để đo khoảng cách hoặc dịch chuyển tuyến tính rất chính xác.

Cảm biến thụ động tạo ra tín hiệu điện trực tiếp từ đại lượng đo mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài (ví dụ: điện trở nhiệt, cặp nhiệt điện, photodiode). Cảm biến Hall là cảm biến chủ động, cần nguồn điện cấp để hoạt động và tạo ra tín hiệu đầu ra.

Cảm biến lưu lượng kế (Flow sensor) được thiết kế chuyên dụng để đo tốc độ hoặc lưu lượng dòng chảy của chất lỏng hoặc khí trong đường ống. Có nhiều loại cảm biến lưu lượng kế dựa trên các nguyên lý khác nhau.

Cảm biến hóa học được thiết kế để phát hiện và đo lường các thành phần hóa học hoặc các tính chất hóa học như pH, độ ẩm, nồng độ khí. Nhiệt độ thường được đo bằng cảm biến nhiệt độ, một loại cảm biến vật lý.

Cảm biến gia tốc MEMS thường sử dụng cấu trúc lò xo - khối lượng vi cơ. Khi có gia tốc, khối lượng quán tính sẽ dịch chuyển so với khung, gây ra sự thay đổi có thể đo lường được (ví dụ: thay đổi điện dung, điện trở).

Cảm biến quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, tức là khả năng vật chất phát ra electron khi hấp thụ ánh sáng hoặc tạo ra dòng điện khi có ánh sáng chiếu vào. Đây là nguyên lý cơ bản để phát hiện và đo lường ánh sáng.

Cảm biến MEMS có ưu điểm vượt trội về kích thước nhỏ, tiêu thụ năng lượng thấp và độ tin cậy cao do được sản xuất hàng loạt bằng công nghệ vi cơ điện tử. Giá thành sản xuất thường thấp do sản xuất hàng loạt và tích hợp cao.

Độ trễ (Hysteresis) là hiện tượng mà tín hiệu đầu ra của cảm biến phụ thuộc vào chiều thay đổi của đại lượng đo. Đường cong đặc tính khi đại lượng đo tăng lên sẽ khác với khi giảm xuống, tạo ra một vòng trễ.

Hệ thống túi khí ô tô cần cảm biến gia tốc để phát hiện va chạm mạnh (gia tốc lớn) và kích hoạt túi khí kịp thời để bảo vệ người ngồi trong xe.

Cảm biến tiệm cận thường sử dụng công nghệ siêu âm (phát và nhận sóng âm phản xạ) hoặc hồng ngoại (phát và nhận ánh sáng hồng ngoại phản xạ) để phát hiện sự hiện diện của vật thể mà không cần tiếp xúc trực tiếp.

Cảm biến không dây đối mặt với các thách thức chính về tiêu thụ năng lượng (để kéo dài tuổi thọ pin), bảo mật dữ liệu truyền không dây, và độ tin cậy của kênh truyền dẫn không dây. Kích thước cảm biến MEMS thường đã rất nhỏ gọn, không phải là thách thức lớn trong cảm biến không dây.