CẢM BIẾN LÀ GÌ

Trả lời cho câu hỏi cảm biến là gì? Có người còn gọi cảm biến là mắt thần và ai cũng có thể mường tượng cảm biến là một vật hay thiết bị có thể phát hiện các vật thể khác trong phạm vi hoạt động của nó. Mỗi vật thể có bản chất vật lý, hóa, sinh khác nhau thì tương ứng với các cảm biến khác nhau. Hỏi sâu hơn nữa làm thế nào mà cảm biến hay mắt thần có thể nhận biết được các vật thể thì có thể chúng ta lúng túng không biết hiểu như thế nào? Bài viết này, đi tìm câu trả lời cho câu hỏi cảm biến là gì qua các bài viết hoặc tài liệu tìm được qua internet. Bài viết này không phải là bài viết nghiên cứu khoa học, nó chỉ mang tính chất tham khảo từ các nguồn tài liệu giúp bản thân người viết hiểu thế nào là cảm biến có tính tương đối.

Theo Wikipedia – một bách khoa toàn thư miễn phí, dựa trên web, được hỗ trợ bởi Tổ chức phi lợi nhuận Wikimedia Foundation. Nó có hơn 44 triệu bài báo (hơn 5.71 triệu tiếng Anh) đã được các tình nguyện viên trên toàn thế giới viết. Hầu hết các bài viết của nó có thể được chỉnh sửa bởi bất kỳ ai có quyền truy cập vào trang web, và nó có khoảng 100.000 người đóng góp tích cực thường xuyên. Thì định nghĩa cảm biến như sau:

“In the broadest definition, a sensor is a device, module, or subsystem whose purpose is to detect events or changes in its environment and send the information to other electronics, frequently a computer processor. A sensor is always used with other electronics, whether as simple as a light or as complex as a computer.” ( https://en.wikipedia.org/wiki/Outline_of_Wikipedia). Tạm dịch là “Trong nghĩa rộng, cảm biến là thiết bị, mô-đun hoặc là hệ thống con có mục đích là phát hiện hiện tượng hoặc sự thay đổi trong môi trường của cảm biến được định vị và gửi tín hiệu đến các thiết bị điện tử khác, thường là bộ xử lý máy tính. Một cảm biến luôn được sử dụng với các thiết bị điện tử khác, dù đơn giản như ánh sáng hoặc phức tạp như máy tính.”

Trong khi đó, IBM tạo ra WhatIs.com® như một công cụ tham khảo và tự học về công nghệ thông tin. Trang web cung cấp cho người đọc các định nghĩa có hơn 10.000 cụm từ và hơn 1.000 tài liệu tham khảo nhanh từ các chuyên gia trên 60 nước. Trích từ nguồn này cảm biến được định nghĩa như sau:

“A sensor is a device that detects and responds to some type of input from the physical environment. The specific input could be light, heat, motion, moisture, pressure, or any one of a great number of other environmental phenomena. The output is generally a signal that is converted to human-readable display at the sensor location or transmitted electronically over a network for reading or further processing.” (https://whatis.techtarget.com/definition/sensor). Tạm dịch như sau:

“Cảm biến là thiết bị phát hiện và phản ứng với các tác động (input) từ môi trường vật lý xung quanh nó. Các tác động cụ thể có thể là ánh sáng, nhiệt, chuyển động, độ ẩm, áp suất hoặc bất kỳ một trong nhiều các hiện tượng môi trường khác. Tương tác lại (Output) thường là tín hiệu điện tử, tín hiệu này được chuyển đổi lên màn hình con người có thể đọc được tại vị trí cảm biến hoặc được truyền qua để đọc hoặc xử lý tiếp.”

Mặt khác theo Joseph R. Stetter, Peter J. Hesketh, và Gary W. Hunter trong bài Sensors: Engineering Structures and Materials from Micro to Nano có viết:

“Sensors are devices that produce a measurable change in output to a known input stimulus. This stimulus can be a physical stimulus like temperature and pressure or a concentration of a specific chemical or biochemical material. The output signal is typically proportional to the input variable, which is also called the measurand. For example, temperature sensors respond with a voltage, resistance, color, or other change when the temperature is changed.”

Tạm dịch: “Cảm biến là các thiết bị biến đổi một sự thay đổi mà nó có thể đo lường và xem như nó một kích thích đầu vào, Kích thích này có thể là một kích thích vật lý như nhiệt độ và áp suất hoặc nồng độ của một hóa chất hoặc vật liệu sinh hóa cụ thể, thiết bị này tạo ra tín hiệu điện tử hay dưới dạng chuyển đổi khác theo mục đích sử dụng. Ví dụ: cảm biến nhiệt độ phản ứng với điện áp, điện trở hoặc thay đổi khác khi nhiệt độ thay đổi.”

Trong định nghĩa Wikipedia thì chỉ nói môi trường tác động đến cảm biến, nhưng không nêu rõ bản chất của môi trường. Con trong đinh nghĩa cảm biến là gì của Whatls.com thì đề cập đến môi trường vật lý. Trong bài nghiên cứu về cẩm biến của Joseph R. Stetter, Peter J. Hesketh, và Gary W. Hunter thì có nói rõ môi trường là môi trường vật lý, hóa và sinh hóa cụ thể.

Trong trang web của Chương trình Học Liệu Mở Việt Nam VOER (http://voer.edu.vn/c/khai-niem-va-phan-loai-cam-bien/13775a37/13f5cb07) có khái niệm về cảm biến như sau:

Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được.

Các đại lượng cần đo (m) thường không có tính chất điện (như nhiệt độ, áp suất …) tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng (s) mang tính chất điện (như điện tích, điện áp, dòng điện hoặc trở kháng) chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng (s) là hàm của đại lượng cần đo (m):

s = F(m) (1.1)

Phân loại cảm biến

Tùy theo các đặc trưng phân loại, cảm biến có thể được chia thành nhiều loại khác nhau.

Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích (bảng 1.1).

Bảng 1.1

Hiện tượng

Chuyển đổi giữa đáp ứng-kích thích

Hiện tượng vật lý

Nhiệt điện
Quang điện
Quang từ
Điện từ
Quang đàn hồi
Từ điện
Nhiệt từ

Hoá học

Biến đổi hoá học
Biến đổi điện hoá
Phân tích phổ

Sinh học

Biến đổi sinh hoá
Biến đổi vật lý
Hiệu ứng trên cơ thể sống

Theo dạng kích thích (bảng 1.2).

Bảng 1.2

Âm thanh

– Biên pha, phân cực – Phổ – Tốc độ truyền sóng

Điện

– Điện tích, dòng điện – Điện thế, điện áp – Điện trường (biên, pha, phân cực, phổ) – Điện dẫn, hằng số điện môi …

Từ

– Từ trường (biên, pha, phân cực, phổ) – Từ thông, cường độ từ trường – Độ từ thẩm

Quang

– Biên, pha, phân cực, phổ – Tốc độ truyền – Hệ số phát xạ, khúc xạ – Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ

Cơ

– Vị trí – Lực, áp suất – Gia tốc, vận tốc – Ứng suất, độ cứng – Mô men – Khối lượng, tỉ trọng – Vận tốc chất lưu, độ nhớt

Nhiệt

– Nhiệt độ – Thông lượng – Nhiệt dung, tỉ nhiệt

Bức xạ

– Kiểu – Năng lượng – Cường độ …

Theo tính năng của bộ cảm biến (bảng 1.3)

Bảng 1.3

– Độ nhạy – Độ chính xác – Độ phân giải – Độ chọn lọc – Độ tuyến tính – Công suất tiêu thụ – Dải tần

– Khả năng quá tải – Tốc độ đáp ứng – Độ ổn định – Tuổi thọ – Điều kiện môi trường – Kích thước, trọng lượng- Độ trễ

Phân loại theo phạm vi sử dụng ( bảng 1.4).

Bảng 1.4

– Công nghiệp, Nghiên cứu khoa học, Môi trường, khí tượng , Thông tin, viễn thông, Nông nghiệp, Dân dụng, Giao thông, Vũ trụ, Quân sự.

Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế :

+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.

+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M …. tuyến tính hoặc phi tuyến.

Một thoáng qua tìm hiểu cảm biến là gì qua internet chúng ta thấy được tùy theo góc độ nghiên cứu chuyên sâu hay những khái niệm kiến thức phổ thông chúng ta có những khái niệm khác nhau. Tất cả không khác nhau về ý nghĩa nhưng khác nhau cách bao quát của nghiên cứu hay chỉ là kiến thức phổ thông mà thôi. Bài viết sẽ tạm dừng ở đây, hẹn sẽ tìm hiểu tiếp về cảm biến.