Tự động hóa công nghiệp ngày càng phát triển nhanh hơn và Công nghiệp 4.0 là mục tiêu của tự động hóa công nghiệp ở giai đoạn này. Đối với tự động hóa công nghiệp, tuy ai cũng đã nghe nói đến nhưng không phải ai cũng rành về tự động hóa công nghiệp. Để nâng cao hiểu biết của bạn về tự động hóa công nghiệp, bài viết này sẽ giới thiệu các cảm biến, một thành phần thiết yếu của tự động hóa công nghiệp. Qua bài viết này, bạn sẽ hiểu cảm biến hoạt động như thế nào để giúp mọi hoạt động điều khiển trở nên tự động hơn.
Cảm biến (Sensor) là một thiết bị thông dụng nhưng rất quan trọng, nó là cảm giác về sự quy định của các đại lượng đo được và theo quy luật nhất định sẽ được chuyển đổi thành một thiết bị hoặc thiết bị tín hiệu hữu ích. Đối với cảm biến, đầu vào có thể được chia thành đại lượng tĩnh và động tùy theo trạng thái của đầu vào. Chúng ta có thể lấy các đặc tính tĩnh của cảm biến theo mối quan hệ giữa đầu ra và đầu vào ở trạng thái ổn định của từng giá trị. Các chỉ số chính về đặc tính tĩnh của cảm biến là độ tuyến tính, độ trễ, độ lặp lại, độ nhạy và độ chính xác. Đặc tính động của cảm biến đề cập đến đặc tính đáp ứng của đại lượng đầu vào theo thời gian. Đặc tính động thường được mô tả bằng hàm truyền và các mô hình điều khiển tự động khác. Thông thường, tín hiệu mà cảm biến nhận được có tín hiệu tần số thấp{6}}yếu và biên độ nhiễu bên ngoài đôi khi có thể vượt quá tín hiệu đo được, do đó việc loại bỏ nhiễu đến trở thành công nghệ cảm biến quan trọng.
Cảm biến vật lý là cảm biến phát hiện một đại lượng vật lý. Đó là việc sử dụng những tác dụng vật lý nhất định, đại lượng vật lý nào đó được đo thành dạng năng lượng của thiết bị tín hiệu để dễ xử lý. Tín hiệu đầu ra của nó có mối quan hệ nhất định với tín hiệu đầu vào. Các cảm biến vật lý chính là cảm biến quang điện, cảm biến áp điện, cảm biến áp điện, cảm biến điện từ, cảm biến nhiệt điện và cảm biến sợi quang. Ví dụ, chúng ta hãy xem cảm biến quang điện được sử dụng phổ biến hơn. Loại cảm biến này chuyển đổi tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện, nó trực tiếp phát hiện thông tin bức xạ từ một vật thể và nó cũng có thể chuyển đổi các đại lượng vật lý khác thành tín hiệu ánh sáng. Nguyên lý chính là hiệu ứng quang điện: khi ánh sáng chiếu vào một chất, các hiệu ứng điện lên chất đó bị thay đổi, trong trường hợp này bao gồm sự phát xạ electron, độ dẫn điện và dòng điện thế. Rõ ràng, các thiết bị có thể dễ dàng tạo ra những hiệu ứng như vậy sẽ trở thành thành phần chính của cảm biến quang điện, chẳng hạn như điện trở quang. Bằng cách này, chúng ta biết rằng quy trình làm việc chính của cảm biến quang điện là nhận bức xạ ánh sáng tương ứng, thông qua các thiết bị như điện trở quang để chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện, sau đó thông qua quá trình khuếch đại và khử nhiễu, sẽ thu được tín hiệu điện đầu ra mong muốn. Ở đây tín hiệu đầu ra và tín hiệu ánh sáng ban đầu có mối quan hệ nhất định, thường gần với mối quan hệ tuyến tính nên việc tính toán tín hiệu ánh sáng ban đầu không phức tạp lắm. Các cảm biến vật lý khác cũng tương tự như cảm biến quang điện.
Phạm vi ứng dụng của cảm biến vật lý rất rộng, chúng ta chỉ nhìn ở góc độ y sinh học để thấy ứng dụng của cảm biến vật lý, khi đó không khó để suy đoán rằng cảm biến vật lý ở các khía cạnh khác cũng có những ứng dụng quan trọng.
Ví dụ, đo huyết áp là một trong những phép đo y tế thông thường nhất. Các phép đo huyết áp thông thường của chúng tôi là các phép đo gián tiếp, trong đó mối quan hệ giữa lưu lượng máu và áp suất được phát hiện bởi bề mặt cơ thể được sử dụng để đo huyết áp trong tĩnh mạch. Đầu dò dùng để đo huyết áp thường bao gồm một cơ hoành đàn hồi, giúp chuyển đổi tín hiệu áp suất thành biến dạng của cơ hoành, sau đó được chuyển thành tín hiệu điện dựa trên độ căng hoặc dịch chuyển của cơ hoành. Ở mức cao nhất của tín hiệu điện, chúng ta có thể phát hiện được huyết áp tâm thu, sau khi đi qua bộ biến tần và máy dò đỉnh, chúng ta có thể nhận được áp suất tâm trương và thông qua bộ tích phân, chúng ta có thể nhận được áp suất trung bình.
Chúng ta hãy xem kỹ thuật đo hô hấp. Các phép đo hô hấp là cơ sở quan trọng để chẩn đoán lâm sàng chức năng phổi và rất cần thiết trong cả phẫu thuật và theo dõi bệnh nhân. Ví dụ: khi sử dụng cảm biến loại nhiệt điện trở-dùng để đo nhịp thở, điện trở của cảm biến được gắn ở bên ngoài mặt trước của một chiếc kẹp, được kẹp vào mũi và nhịp thở cũng như trạng thái của không khí nóng có thể được đo bằng nhiệt điện trở khi luồng khí hô hấp chảy qua bề mặt của nhiệt điện trở.
Sau đó là quy trình đo nhiệt độ bề mặt cơ thể phổ biến nhất, trông có vẻ dễ dàng nhưng lại có cơ chế đo phức tạp. Nhiệt độ bề mặt cơ thể được xác định bởi một số yếu tố, bao gồm lưu lượng máu cục bộ, độ dẫn nhiệt của các mô bên dưới và sự tản nhiệt từ lớp biểu bì, do đó việc đo nhiệt độ da sẽ tính đến một số ảnh hưởng. Cảm biến loại cặp nhiệt điện được sử dụng phổ biến hơn để đo nhiệt độ, thường là cảm biến cặp nhiệt điện dạng que và cảm biến cặp nhiệt điện màng mỏng. Do kích thước của cặp nhiệt điện rất nhỏ nên độ chính xác có thể cao hơn mức micron nên việc đo nhiệt độ tại một điểm nhất định có thể chính xác hơn, kết hợp với phân tích thống kê sau này, có thể cho ra kết quả phân tích toàn diện hơn. Đây là nhiệt kế thủy ngân truyền thống không thể so sánh được nhưng cũng thể hiện việc ứng dụng công nghệ mới vào sự phát triển của khoa học mang lại triển vọng rộng lớn.
Từ phần giới thiệu trên có thể thấy, chỉ xét về khía cạnh y sinh, cảm biến vật lý có rất nhiều ứng dụng. Hướng phát triển của cảm biến là cảm biến đa chức năng, dựa trên hình ảnh và thông minh. Đo cảm biến như một phương tiện quan trọng để thu thập dữ liệu, sản xuất công nghiệp và thậm chí cả cuộc sống gia đình là một thiết bị thiết yếu, còn cảm biến vật lý và họ cảm biến phổ biến nhất, việc sử dụng linh hoạt cảm biến vật lý chắc chắn sẽ tạo ra nhiều sản phẩm hơn, mang lại lợi ích tốt hơn.