Bạn có thể chưa bao giờ thấy một bộ cảm biến (sensor), nhưng những bộ cảm biến có ảnh hưởng rất lớn trong đời sống chúng ta. Chẳng hạn, xe hơi đời mới có từ 60 tới 100 bộ cảm biến, những bộ cảm biến này giúp cho xe chạy hữu hiệu hơn và giúp cho người ngồi trên xe được an toàn hơn.
Con người có năm giác quan là xúc giác, thị giác, vị giác, thính giác và khứu giác. Những giác quan này giúp con người cảm nhận được môi trường chung quanh và hành động tùy theo đó để sinh hoạt hằng ngày. Những bộ cảm biến cũng có công dụng như là những giác quan, chúng là những dụng cụ để phát hiện hay đo lường một tính chất nào đó của một vật thể hay môi trường chung quanh.
Điều kiện cần thiết cho bộ cảm biến
Để cho được hữu dụng bộ cảm biến cần có những điều kiện như sau:
– Phạm vi hoạt động: Mỗi bộ cảm biến có một phạm vi hoạt động. Nếu dùng ngoài phạm vi đó thì bộ cảm biến có thể sai. Nhiều khi có thể làm hỏng bộ cảm biến. Thí dụ một bộ cảm biến dùng để đo nhiệt độ không khí, có phạm vi hoạt động tới 50 độ C, nếu dùng để đo nước nóng thì có thể không đúng và bị hư hại vì nhiệt độ của nước lên tới 100 độ C.
– Chính xác: Đây là yếu tố cần thiết của bộ cảm biến. Trên lý thuyết giá trị sinh ra do bộ cảm biến phải đúng với giá trị thực, thí dụ nhiệt độ ngoài trời là 21.4 độ C thì nhiệt kế cũng phải chỉ 21.4 độ. Nhưng trên thực tế thì luôn luôn có sai số. Đó là sự khác biệt giữa trị số thực và trị số đo được. Tùy theo áp dụng có thể có sai số lớn hay nhỏ.
– Độ nhạy cảm: Đây là mức độ thay đổi của đầu ra (output) khi đầu vào (input) thay đổi.
– Kịp thời: Thí dụ bộ cảm biến túi khí (airbag) trong xe hơi phải phản ứng rất nhanh để kịp thời đỡ hành khách.
– Khả năng lặp lại: Bộ cảm biến phải có khả năng lặp lại, có nghĩa là nếu trong cùng một môi trường, cùng đầu vào thì đầu ra cũng phải giống nhau.
Các bộ cảm biến thông dụng
Bộ cảm biến rất là đa dạng, nên có nhiều ứng dụng khác nhau. Sau đây là một vài bộ cảm biến thường thấy:
– Máy đo nhiệt độ.
– Máy báo động khói.
– Cửa mở tự động khi có người đi tới.
– Vòi nước tự động.
– Máy bắn tốc độ của cảnh sát.
– Máy ảnh kỹ thuật số.
– Điện thoại di động.
– Máy đo đường trong máu.
Bộ cảm biến hóa (chemical sensor)
Bộ cảm biến hóa thường có hai thành phần chính: bộ phận cảm nhận (receptor) và bộ phận biến năng (transducer). Bộ phận cảm nhận giao tiếp với chất cần phân tích (analyte) và bị biến đổi, thí dụ như đổi màu hay biến thành chất khác. Bộ phận biến năng biến sự thay đổi của bộ cảm nhận thành tín hiệu. Hiện nay đa số những tín hiệu đó là tín hiệu điện hay điện tử để có thể thấy được hay truyền tới những máy móc khác.
Những người bị bệnh tiểu đường phải luôn luôn theo dõi lượng đường trong máu bằng máy đo đường trong máu. Bộ cảm biến trong máy này là một băng thử. Một lượng máu nhỏ lên băng thử được trộn với glucose oxidase có sẵn trong băng thử và trở thành gluconic acide. Một chất khác trong băng thử là ferricyanide phản ứng với gluconic acide và sinh ra ferrocyanide. Chất này làm thay đổi dòng điện chạy qua băng thử. Sự thay đổi đó được bộ xử lý tính ra mà biết được lượng đường trong máu.
Bộ cảm biến đụng xe trong túi khí
Túi khí (airbag) là một chức năng về an toàn rất quan trọng trong xe hơi, nó đã giúp cho bao nhiêu người thoát chết. Bạn có thể tự hỏi làm sao bộ cảm biến của túi khí có thể biết được tai nạn đã xảy ra để kích hoạt túi khí cho bung ra? Có nhiều phương pháp làm bộ cảm biến đụng xe (crash sensor).
Phương pháp thông thường là phương pháp điện cơ (electromechinical). Nói một cách đơn giản thì loại điện cơ này gồm một ống nhỏ. Ở một đầu là một công tắc điện, ở đầu kia là một viên bi nhỏ bằng kim loại, được giữ bằng một cái nam châm. Khi xe đụng mạnh thì viên bi bị văng ra khỏi cục nam châm và chạy tới đầu ống bên kia và chạm vào công tắc làm thành một dòng điện và khởi động quá trình làm túi khí bung ra. Tất cả mọi hành động xảy ra chỉ trong 20 đến 30 phần ngàn của một giây.
Tuy nhiên để không có vấn đề túi khí bung ra khi không cần thiết, xe hơi còn có nhiều bộ cảm biến như bộ cảm biến con quay (gyroscope) để biết xe có bị lật hay không và nhiều bộ cảm biến khác. Tất cả những dữ kiện từ những bộ cảm biến được gửi tới đơn vị kiểm soát trung ương. Đơn vị này dùng những thuật toán tinh vi để có quyết định đúng và kịp thời.
Bộ cảm biến trong điện thoại di động
Khi bạn quay điện thoại di động từ dọc qua ngang thì màn hình cũng quay theo. Làm sao điện thoại di động biết được bạn muốn xoay điện thoại của bạn? đó là nhờ một bộ cảm biến gọi là gia tốc kế (accelerometer).
Gia tốc là sự thay đổi của vận tốc. Bộ cảm biến gia tốc kế có thể đo gia tốc theo ba chiều X, Y và Z theo như hình minh họa sau đây.
Bộ cảm biến gia tốc kế trong điện thoại là một bộ cảm biến vi-cơ-điện (micro-electro-mechanical). Có hai loại thông thường, một là loại áp điện (piezoelectric) và hai là loại điện dung (capacitive).
Loại áp điện dùng một kết cấu tinh thể tí hon. Khi có lực do gia tốc sinh ra thì kết cấu đó bi căng ra. Sự căng đó gây ra một điện áp. Một bộ xử lý dùng điện áp đó mà suy ra sự định hướng và sự thay đổi vị trí của điện thoại.
Loại điện dung có một kết cấu nhỏ như hình răng lược, bao quanh là những mảng có dòng điện. Khi lực do gia tốc làm chuyển động kết cấu đó. Do đó điện dung của những mảng thay đổi. Một bộ xử lý dùng sự thay đổi đó mà suy ra sự định hướng và sự thay đổi vị trí của điện thoại.
Ngoài vấn đề biết được chiều hướng của điện thoại di động, gia tốc kế còn có nhiều công dụng khác, thí dụ như khi máy tính xách tay bị rơi, thì gia tốc kế cảm thấy sự thay đổi của vận tốc, tức là máy tính đang rơi xuống. Lập tức gia tốc kế cho lệnh tắt ngay ổ đĩa cứng. Như vậy đầu ổ cứng không làm trầy đĩa và không làm hư những dữ liệu trong đó.
Bộ cảm biến trong tương lai
Bộ cảm biến càng ngày càng rẻ và tối tân hơn, nên sẽ có rất nhiều áp dụng của bộ cảm biến trong tương lai. Mai mốt xe hơi tự lái sẽ được an toàn hơn vì có nhiều bộ cảm biến để luôn luôn cảnh báo những nguy hiểm của môi trường chung quanh và sẵn sàng có những hành động để ứng phó kịp thời.
Những xa lộ thông minh (smart road) sẽ có những bộ cảm biến đặt rải rác khắp nơi để báo cho người lái xe điều kiện của đường xá ngay lúc bấy giờ như có tai nạn không, có bị trơn trượt vì tuyết hay không.
Những bộ cảm biến sẽ giúp cho đời sống con người càng ngày càng được an toàn và thoải mái.
—————-
Nguồn tài liệu: www.scienceabc.com, www.sensorwiki.org, https://tectrick.org
