Mọi thứ xung quanh ta đều là cảm biến

Cảm biến là một thiết bị đo lường một đối tượng hoặc sự thay đổi trong môi trường và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử có thể đọc và tính toán được. Ví dụ, cảm biến có thể đo các thông số vật lý như độ ẩm, tốc độ hoặc nhiệt độ, và biến dữ liệu đó thành dạng máy tính hoặc thiết bị khác có thể đọc được.

Chúng ta đang sống trong một thế giới của cảm biến. Từ các nút bấm thang máy cho đến nhiệt kế trong nhà, chúng ở khắp mọi nơi. Điện thoại thông minh của chúng ta được trang bị nhiều loại cảm biến hiệu năng cao. Mỗi khi bạn ngồi máy bay, có một kho vũ khí cảm biến trên đó, cung cấp cho phi công mọi thông tin về áp suất không khí, tốc độ, độ nghiêng và mọi thứ có thể thực sự giúp lái máy bay.

Image credits: Jorge Ramirez.

Hãy nhìn xung quanh bạn (kể cả thiết bị bạn đang đọc nội dung này): bạn có thể nhìn thấy bao nhiêu cảm biến xung quanh bạn?

Thoạt nhìn, bạn có thể nghĩ rằng không có quá nhiều. Nhưng hãy nhìn sâu hơn. Bạn có đang ngồi trong ô tô hoặc xung quanh bạn có ô tô không? Rõ ràng, ô tô có rất nhiều cảm biến, ngay cả những chiếc cũ hơn. Phương tiện công cộng ở nhiều nơi được trang bị cảm biến. Bộ điều nhiệt bên trong tòa nhà - bạn đã đoán đúng, cũng là một cảm biến. Trên thực tế, có thể nói chắc chắn rằng trừ khi bạn đang đọc nội dung này trong khi cắm trại ở giữa hư không, thì bạn có thể đang được bao quanh bởi những cảm biến mà bạn thậm chí không nhận thấy.

Điều này không phải lúc nào cũng như vậy. Cảm biến trước đây thường lớn, cồng kềnh và đắt tiền. Bây giờ, chúng nhỏ và dễ dàng mang theo. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư không chỉ xem xét cảm biến hoạt động tốt như thế nào mà còn xem xét mức tiêu thụ năng lượng, vật liệu cần thiết, độ bền và chi phí của cảm biến. Công nghệ vi mô và nano và vật liệu mới đang làm cho cảm biến nhỏ hơn, thông minh hơn và thích ứng hơn. Kết quả là, chúng ta đang thấy cảm biến được áp dụng trong nhiều lĩnh vực mới và thú vị. Ví dụ, một số cảm biến hiện có thể được sử dụng làm thiết bị y tế, dưới dạng thiết bị đeo được (để phát hiện lượng đường trong máu hoặc insulin) hoặc thậm chí bên trong cơ thể con người.

Nhưng trước khi chúng ta đi quá xa, hãy xem cách cảm biến hoạt động thực tế.

Cảm biến hoạt động như thế nào?

Trước tiên, bạn bắt đầu với thứ bạn muốn cảm nhận - đại lượng bạn đang đo lường. Ví dụ, cơ thể con người rất giỏi trong việc cảm nhận ánh sáng (bằng mắt của chúng ta), mùi (bằng mũi của chúng ta) và vị (bằng miệng của chúng ta). Về cơ bản, cơ thể chúng ta được trang bị một bộ cảm biến, nhưng mỗi cảm biến thực hiện một nhiệm vụ cụ thể.

Tương tự, nếu bạn muốn chế tạo một cảm biến điện tử, trước tiên bạn phải suy nghĩ về thứ bạn muốn đo lường hoặc cảm nhận. Giả sử bạn muốn chế tạo một cảm biến ánh sáng. Bạn cần một thiết bị để chuyển đổi ánh sáng thành tín hiệu điện. Thiết bị đó được gọi là điốt quang, và nó thực hiện chính xác những gì bạn muốn nó làm: nó chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành dòng điện. Nhưng hãy đi sâu hơn một chút: điốt quang hoạt động như thế nào?

Không đi sâu vào quá nhiều chi tiết kỹ thuật, điốt quang được chế tạo từ các vật liệu cụ thể và khi các photon chiếu vào bề mặt của các vật liệu này, chúng sẽ tạo ra thứ được gọi là hiệu ứng quang điện, phá vỡ cấu hình năng lượng ổn định trước đó của vật liệu. Điều này có thể tạo ra một tín hiệu điện sau đó được thu nhận (và đôi khi được khuếch đại) để hệ thống có thể đọc được.

Nếu bạn muốn chế tạo cảm biến chuyển động, bạn cần các loại vật liệu khác nhau, có thể tạo ra dòng điện nhỏ khi chúng bị di chuyển hoặc biến dạng. Phần còn lại của cơ chế là như nhau.

Về cơ bản, cảm biến thường hoạt động theo cách tương tự: bạn cần thứ gì đó (như điốt quang) có thể chuyển đổi đầu vào mong muốn của bạn thành dòng điện. Sau đó, bạn thu nhận dòng điện đó, khuếch đại nếu cần và truyền nó cho máy tính của bạn.

Một cảm biến tốt phải có khả năng đo lường dòng điện rất chính xác. Ví dụ, nếu ánh sáng tăng lên một chút, dòng điện do điốt quang tạo ra cũng sẽ tăng theo và cảm biến phải có thể nhận ra điều này. Khả năng này càng tốt thì độ nhạy càng cao. Nhưng cảm biến cũng cần có khả năng chịu được rung động và thay đổi nhiệt độ, những yếu tố thường ảnh hưởng đến chất lượng của đầu ra.

1 loại cảm biến kỹ thuật số (digital sensor)

Các loại cảm biến

Cảm biến có thể được phân loại dựa trên một số khía cạnh khác nhau. Ví dụ, cảm biến có thể là:

• Cảm biến chủ động (yêu cầu tín hiệu bên ngoài); hoặc
• Cảm biến thụ động (hoạt động mà không cần tín hiệu bên ngoài).

Cảm biến cũng có thể là:

• Cảm biến analog (tạo ra tín hiệu đầu ra analog, nghĩa là tín hiệu liên tục); hoặc
• Cảm biến digital - kỹ thuật số (hoạt động với dữ liệu kỹ thuật số rời rạc).

Tuy nhiên, phổ biến nhất, cảm biến được phân loại dựa trên tính chất vật lý mà chúng đo lường. Dưới đây là một số ví dụ:

• Cảm biến ánh sáng (mà chúng ta đã thảo luận): được sử dụng ở khắp mọi nơi, kể cả trên điện thoại;
• Cảm biến chuyển động;
• Cảm biến tiệm cận: có thể sử dụng các phương pháp vật lý khác nhau, chẳng hạn như quang học với laser, siêu âm hoặc điện dung, v.v.;
• Cảm biến nhiệt độ;
• Cảm biến hóa học: có thể hoạt động cho nhiều loại chất hóa học khác nhau, chẳng hạn như cồn, khói hoặc khí;
• Cảm biến độ ẩm (tuyệt vời cho nông nghiệp);
• Cảm biến nghiêng.

Thế giới cảm biến chưa bao giờ sôi động và đa dạng như vậy, đó là lý do tại sao nhiều người hiện tin rằng cảm biến sẽ mở ra một cuộc cách mạng công nghệ mới.

Internet vạn vật và hơn thế nữa

Cảm biến không chỉ được sử dụng trong kỹ thuật - trong y học và công nghệ sinh học, chúng là những công cụ quan trọng để đo lường các quá trình sinh học hoặc vật lý. Khoa học môi trường như chúng ta biết ngày nay sẽ không tồn tại nếu không có cảm biến chính xác, và hầu hết mọi lĩnh vực cần thông tin vật lý đều sử dụng cảm biến để có được thông tin đó. Mọi vật thể thông minh đều thông minh nhờ cảm biến và chúng ta càng nhìn xung quanh, càng có nhiều vật thể trở nên thông minh.

Bạn có thể đã nghe nói về Internet vạn vật (IoT) - ý tưởng về việc kết nối các vật thể xung quanh chúng ta trong một mạng lưới