Cảm biến có nhiệm vụ phát hiện sự có mặt của năng lƣợng, các thay đổi trong chuyển giao năng lƣợng. Hoạt động phát hiện đƣợc thực hiện nhờ thu thập tín hiệu từ các thiết bị nhƣ bộ chuyển đổi, sau đó chuyển tín hiệu thu đƣợc thành tín hiệu đầu ra có thể dễ dàng quan sát hay đọc đƣợc. Các đầu ra cảm biến thƣờng là dạng tín hiệu điện (tƣơng tự hoặc số). Nói cách khác, bộ chuyển đổi thực hiện chuyển một dạng năng lƣợng bất kỳ thành một dạng khác, còn cảm biến chuyển đầu ra của bộ chuyển đổi thành dạng tín hiệu có thể đọc đƣợc.
Lấy ví dụ đơn giản với một thiết bị cảm biến rất quen thuộc – nhiệt kế.
Hình 2.7.Nhiệt kế thủy ngân và nhiệt kế số
Một trong những thông số quan trọng để đánh giá điều kiện năng lƣợng của môi trƣờng là nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ cảm nhận và chuyển giá trị nhiệt độ thành đầu ra đọc đƣợc. Đầu ra này có thể là trực tiếp hoặc gián tiếp, nhƣ minh họa trong hình 2.7. Nhiệt kế thủy ngân sử dụng một mức thủy ngân có thang chia độ cố định là dạng đầu ra trực tiếp. Nhiệt kế số là dạng đầu ra gián tiếp. Với nhiệt kế số, một bộ chuyển đổi đƣợc sử dụng để chuyển đầu ra của bộ chuyển đổi nhiệt độ thành đầu vào của màn hiển thị số. Nhiệt độ đo đƣợc đƣợc hiển thị trên màn hình. Cảm biến nhiệt độ vừa là một bộ chuyển đổi (thƣờng là một cặp nhiệt điện chuyển nhiệt năng thành điện thế), vừa là một cảm biến (định lƣợng đầu ra bộ chuyển đổi thành dạng dữ liệu đọc đƣợc).
Phần này giới thiệu một số loại cảm biến thƣờng gặp.
67 Cảm biến nhiệt gồm một số loại:
- Nhiệt kế: đo nhiệt độ tuyệt đối.
- Áp kế nhiệt ngẫu: đo nhiệt độ dựa trên ảnh hƣởng của nhiệt độ với hai tấm kim loại không đồng dạng.
- Nhiệt lƣợng kế: đo sức nóng của các phản ứng hóa học hoặc các thay đổi vật lý và khả năng chịu nhiệt.
Áp kế nhiệt ngẫu là thiết bị trực tiếp chuyển nhiệt năng thành điện năng. Khi hai dây kim loại không đồng nhất đƣợc nối với nhau, tại điểm nối hình thành một chuyển tiếp. Chuyển tiếp này đƣợc đốt nóng, tạo thành hiệu điện thế đi qua chuyển tiếp (nhƣ minh họa trong hình 2.8). Nối hai đầu còn lại của hai dây dẫn với đồng hồ để đo điện áp tạo ra. Hiệu ứng này do Thomas Seebeck phát minh, nên áp kế nhiệt ngẫu còn đƣợc gọi là hiệu ứng Seebeck. Điện áp đầu ra tỷ lệ với nhiệt độ của chuyển tiếp.
Hình 2.8.Hoạt động của áp kế nhiệt ngẫu dựa trên hiệu ứng Seebeck
b. Cảm biến cơ học
Cảm biến cơ học bao gồm một số loại: - Cảm biến áp suất: đo áp suất.
- Khí áp kế: đo áp suất khí quyển.
- Cao độ kế: đo độ cao của một đối tƣợng đối với một mức độ cao cố định. - Cảm biến chất lỏng: đo lƣu lƣợng dòng chất lỏng.
- Cảm biến khí: đo tốc độ, hƣớng và lƣu lƣợng của khí. - Cảm biến gia tốc: đo gia tốc.
Khí áp kế xác định mức áp suất khí quyển. Hình 2.9 minh họa một khí áp kế thủy ngân đơn giản. Ban đầu, ống đƣợc đổ đầy thủy ngân và sau đó đƣợc úp trên một chiếc khay. Một lƣợng thủy ngân nhất định từ ống chảy vào khay (dụng cụ chứa) tạo thành cột chân không ở phần trên của ống. Thủy ngân ngừng chảy khi trạng thái cân bằng đƣợc thiết lập giữa áp suất bề mặt thủy ngân bên trong ống và áp suất bề mặt thủy ngân trong dụng cụ chứa. Khi áp suất khí quyển tăng lên, mức thủy ngân trong ống cũng tăng lên, do sự tăng áp suất trên bề mặt thủy ngân ở dụng cụ chứa. Khi áp suất khí quyển giảm, mức thủy ngân trong ống cũng giảm.
68
Hình 2.9.Khí áp kế thủy ngân
Các vạch dấu trên ống (màu da cam) chỉ thị áp suất đo đƣợc nhờ đo mức thủy ngân. Nhƣ vậy, khí áp kế chuyển năng lƣợng của các khí đƣợc nén lại trong khí quyển thành sự thay đổi độ cao (thế năng) của cột thủy ngân trong ống, sự thay đổi này quan sát đƣợc bằng các vạch dấu trên ống.
Một dạng khác của khí áp kế là khí áp kế hộp (hình 2.10), thiết bị cảm nhận thay đổi trong áp suất khí quyển nhờ sự nở ra hoặc co lại của khoang kín (một khoang mỏng, dạng đĩa, thƣờng bằng kim loại và đƣợc hút chân không một phần). Một dây cót đƣợc nối với khoang kín và kim chỉ thị đƣợc nối cơ học với dây cót. Khi áp suất bên ngoài khoang kín tăng, dây cót di chuyển kim chỉ thị cho biết điều đó. Khi áp suất giảm, dây cót di chuyển theo hƣớng ngƣợc lại vì khoang đƣợc nở ra, làm kim chỉ thị quay theo hƣớng giảm, cho biết sự giảm áp suất.
Hình 2.10.Khí áp kế hộp
Hình 2.11 minh họa cảm biến áp suất khí quyển MEMS, sử dụng một màng mỏng phía trên cột chân không tham chiếu (tƣơng tự nhƣ khí áp kế hộp) để đo những thay đổi nhỏ trong áp suất khí quyển. Bên trái hình vẽ là một số các chip cảm biến cơ điện tử, mỗi chip gồm 6 bộ chuyển đổi áp suất. Bên phải hình vẽ là bộ chuyển đổi áp suất, là một khối kích thƣớc micro, thực hiện chuyển sự di chuyển do thay đổi áp suất thành tín hiệu điện. Các cảm biến MEMS này hiện đang đƣợc sử dụng trong các ống khí động và trong nhiều ứng dụng giám sát thời tiết khác nhau.
69
c.Cảm biến điện
Một số loại cảm biến điện thƣờng gặp: - Ôm kế: đo điện trở.
- Vôn kế: đo điện áp. - Điện kế: đo dòng điện.
- Watt-giờ kế (hay công tơ điện): đo lƣợng điện năng cung cấp và sử dụng của một hộ dân hay một doanh nghiệp.
Hình 2.12.Điện kế Galvanometer
Điện kế galvanometer là một dạng đặc biệt của ăm-pe kế, đƣợc sử dụng để cảm nhận dòng điện (minh họa trong hình 2.12). Dòng điện chạy từ một cuộn dây (cuộn dây màu đỏ cuốn quanh một trục kim loại) tạo ra một từ trƣờng. Các từ trƣờng cố định này bao quanh cuộn dây. Tƣơng tác giữa hai từ trƣờng này làm quay tổ hợp cuộn dây/trục quanh trục trung tâm. Độ quay và chiều quay làm di chuyển kim trên màn hiển thị sang trái hoặc phải, cho biết cƣờng độ dòng và sự cực tính của nó (âm hoặc dƣơng tƣơng ứng). Thiết bị này sử dụng hai sự biến đổi năng lƣợng để cảm nhận và định lƣợng dòng điện: chuyển đổi điện – từ và chuyển đổi từ – cơ.
d. Cảm biến hóa học
Cảm biến hóa học phát hiện sự có mặt của các chất hóa học hoặc các loại chất hóa học và định lƣợng chúng. Các cảm biến hóa học thƣờng gặp bao gồm:
- Cảm biến oxy: đo phần trăm oxy trong khí hoặc chất lỏng. - Cảm biến CO2: phát hiện sự có mặt của khí CO2 (hình 2.13).
Hình 2.13.Cảm biến CO2
Sử dụng công nghệ micro trong việc chế tạo cảm biến hóa học thực sự rất hữu ích. Giống nhƣ các thiết bị kích thƣớc lớn, cảm biến hóa học MEMS có thể phát hiện rất nhiều loại khí khác nhau. Ƣu điểm của các cảm biến MEMS là chúng có thể đƣợc tích hợp trong các đối tƣợng để cảm nhận liên tục một hoặc một số các loại khí. Các thiết bị này đƣợc ứng dụng rộng rãi trong y tế, công nghiệp và thƣơng mại (nhƣ môi trƣờng, điều khiển chất lƣợng, xử lý
70
thực phẩm, chẩn đoán y học,…). Một thiết bị rất đáng quan tâm là ENose hay còn gọi là mũi điện tử.
e. Một số loại cảm biến khác
Cảm biến quang học:
- Cảm biến ánh sáng (bộ tách sóng quang – photodetector): phát hiện ánh sáng và năng lƣợng điện từ trƣờng.
- Pin quang điện (photocell) hay điện trở quang (photoresistor): thiết bị thay đổi điện trở do sự thay đổi cƣờng độ ánh sáng xung quanh.
- Cảm biến hồng ngoại: phát hiện sự phát xạ tia hồng ngoại.
Cảm biến âm thanh:
- Máy đo địa chấn: đo các sóng địa chất.
- Cảm biến sóng âm: đo tốc độ sóng trong không khí hoặc môi trƣờng để phát hiện sự có mặt của một số loại hóa chất.
Cảm biến chuyển động: phát hiện chuyển động.
Cảm biến tốc độ: đo tốc độ.
Bộ đếm Geiger: phát hiện sự phát xạ nguyên tử (hình 2.14).
Cảm biến sinh học: giám sát các tế bào trong cơ thể ngƣời.
Hình 2.14.Bộ đếm Geiger