Trong bối cảnh phát triển của nền công nghiệp 4.0, công nghệ cảm biến và những tiến bộ của nó đóng một vai trò quan trọng để các hoạt động công nghiệp hàng ngày duy trì tính cạnh tranh và hiệu quả.

Công nghệ cảm biến và các ứng dụng khác nhau của nó không ngừng phát triển để phù hợp hơn với những tiến bộ trong công nghệ và nhu cầu kinh doanh. Cảm biến được lắp đặt để phát hiện nhiều đặc tính trong thế giới thực như khoảng cách, nhiệt độ, áp suất, ô nhiễm không khí,...

Các sản phẩm công nghệ tiên tiến hiện nay cảm nhận mọi thứ xung quanh bằng cách sử dụng công nghệ cảm biến. Chúng có khả năng cảm nhận, đo lường cực kỳ chính xác, tiêu thụ ít điện năng và không tốn kém nhiều chi phí để lắp đặt và bảo trì.

Cảm biến đang được chứng minh là thành phần quan trọng trong việc tạo ra giá trị mới các doanh nghiệp, người dân, cơ quan quản lý tại nhiều thành phố thông minh (smart city) trên toàn thế giới.

1. Cảm biến là gì?

Cảm biến có phạm vi rất rộng với đa dạng thể loại, nhưng về cơ bản, cảm biến có thể hiểu là thiết bị phát hiện đại lượng đặc trưng của đối tượng đo và chuyển đại lượng này thành tín hiệu có thể đọc được, hiển thị được trên các thiết bị.

Và công nghệ cảm biến, nói một cách đơn giản, là công nghệ sử dụng các cảm biến để thu nhận thông tin bằng cách phát hiện các đại lượng đặc tính vật lý, hóa học hoặc sinh học và chuyển đổi chúng thành tín hiệu có thể đọc được.

Có rất nhiều loại cảm biến, phù hợp với nhu cầu sử dụng trong nhiều trường hợp. Các cảm biến này cung cấp khả năng giám sát đầu vào trong thời gian thực, bao gồm cả phát hiện và báo cáo. Dữ liệu đầu vào có thể là ánh sáng, nhiệt độ, chuyển động, độ ẩm, áp suất hoặc bất kỳ hiện tượng môi trường nào khác.

Dữ liệu được các cảm biến giám sát và thu thập sẽ được gửi về trung tâm để kiểm soát và phân tích. Bất kỳ sự bất thường nào trong một đặc tính cụ thể đều được báo cáo bằng cách phát ra tín hiệu điện từ cảm biến đó.

Các cảm biến nâng cao hiệu quả quy trình sản xuất và chất lượng sản phẩm, đồng thời đảm bảo rằng các bước tuân thủ các quy trình thực hành tốt nhất. Đối với các ứng dụng công nghiệp quan trọng, khắt khe, cảm biến cũng có thể cung cấp khả năng bảo vệ tài sản chưa từng có.

2. Cảm biến hoạt động như thế nào?

Về cơ bản, bất kỳ vật liệu hoặc thiết bị nào có khả năng phát hiện một thuộc tính trừu tượng, không hữu hình hoặc vật lý, đều là cảm biến. Hiện nay, cảm biến đã xuất hiện ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta.

Hoạt động của cảm biến tương tự như các giác quan trên cơ thể con người. Thực tế, cơ thể con người, để hoạt động bình thường, phụ thuộc vào năm cơ quan giác quan - mắt, tai, mũi, lưỡi và da.

Hoạt động của các giác quan, cơ quan cảm giác của con người được xác định rõ ràng. Chúng lấy thông tin về môi trường bên ngoài và truyền đến não để xử lý. Sau đó, bộ não sẽ hướng cơ thể vào quá trình hoạt động xa hơn.

Do đó, hoạt động bình thường của các cơ quan cảm giác có tầm quan trọng thiết yếu đối với sự an toàn, nhận thức và cảm xúc con người. Cảm biến cũng như vậy.

Trong những năm qua, rất nhiều loại cảm biến đặc biệt đã ra đời và được phát triển thành công, có thể phát hiện nhiều đặc tính vật lý hoặc hóa học.

• Cảm biến vật lý đóng vai trò như thị giác, thính giác và xúc giác, cảm nhận và chuyển đổi các đại lượng vật lý như ánh sáng, sóng âm thanh, áp suất và nhiệt độ thành tín hiệu điện.

• Cảm biến hóa học đóng vai trò định vị và ngửi. Tùy thuộc vào sự hiện diện, nồng độ và thành phần của các hóa chất khác nhau, nó chuyển đổi và phát hiện các tín hiệu điện.

• Cảm biến sinh học được coi là một phần của cảm biến hóa học, nhưng chúng phát hiện sự có mặt của một loại phần tử sinh học trong mẫu thử, thông qua cơ chế tương tác sinh học.

Thậm chí, có những cảm biến có độ nhạy cao, phát hiện từ tính và liều lượng bức xạ mà giác quan của con người không thể phát hiện được.

Cảm biến, được nối mạng trong quy trình, có công việc liên tục phát hiện, đo lường và truyền tín hiệu điện cho bất kỳ thay đổi nào trong môi trường vật lý của chúng. Các tín hiệu được truyền đến một hệ thống điều khiển (máy tính) xử lý dữ liệu và chỉ đạo quá trình tiếp tục.

Với sự tiến bộ không ngừng của xã hội, quy trình xử lý và máy móc điều khiển cũng phát triển theo. Máy móc hiện đại ngày nay đi kèm cảm biến độ nhạy cao và tùy chọn rộng rãi cho các mục đích điều khiển và giám sát. 

Công nghệ cảm biến được tự động hóa đến mức nó có thể dựa trên mong muốn và ý định của con người để đưa quá trình xử lý đi xa hơn.

Cảm biến hoạt động tương tự như các giác quan ở con người - Ảnh: Internet

3. Các loại cảm biến

Một số loại cảm biến thường được sử dụng hiện nay có thể kể tới:

• Cảm biến nhiệt độ

• Cảm biến tiệm cận

• Cảm biến hồng ngoại

• Cảm biến ánh sáng/Cảm biến quang

• Cảm biến gia tốc kế

• Cảm biến áp suất

• Cảm biến siêu âm

• Cảm biến cảm ứng

• Khói, Khí, Rượu

• Cảm biến độ ẩm

• Cảm biến lưu lượng và mức

• Cảm biến độ nghiêng

4. Ứng dụng của cảm biến trong đời sống hàng ngày

Cảm biến được sử dụng trong rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực, ngành nghề khác nhau như công nghiệp ô tô, sản xuất, hàng không, hàng hải, y tế, viễn thông, giao thông,... 

4.1. Cảm biến trong ô tô

Hệ thống phanh và kiểm soát độ bám đường

Trong hệ thống phanh chống bó cứng (ABS - Anti-lock Braking System), các cảm biến được kết nối với bánh xe, đo tốc độ bánh xe, áp suất phanh và gửi chúng đến hệ thống ABS kiểm soát.

Khi người lái đạp phanh đột ngột, hệ thống ABS, với dữ liệu tốc độ và áp suất phanh nhận được từ cảm biến, sẽ giải phóng áp suất phanh để tránh trượt/bó cứng bánh xe. Nhờ đó, việc di chuyển trở nên an toàn hơn.

Hệ thống hạn chế túi khí

Cảm biến chèn ép và cảm biến gia tốc đặt trong xe. Khi cảm nhận lực tác động vượt quá giới hạn, hệ thống hạn chế túi khí sẽ kích hoạt túi khí để ngăn chặn tối đa tổn thương cho người lái và hành khách.

Tránh va chạm

Các cảm biến khoảng cách ở phía trước, phía sau và hai bên xe cảnh báo người lái xe về khả năng xảy ra va chạm. Nhờ đó, tài xế có thêm thời gian để đưa ra những phương án xử lý phù hợp, tránh những va chạm và tai nạn ngoài ý muốn.

Mang lại sự thoải mái, thuận tiện

Nhiều cảm biến cung cấp thông tin đầu vào và cảnh báo cho người lái về tốc độ, tốc độ động cơ, mức nhiên liệu tiêu thụ, cảm biến áp suất lốp, tình trạng thiết bị trong xe,... để tài xế và hành khách yên tâm, thoải mái, thuận tiện trong suốt quá trình di chuyển.

Công nghệ cảm biến trên xe giúp tài xế và hành khách di chuyển an toàn hơn - Ảnh: Internet

4.2. Sản xuất

Dữ liệu được thu thập từ công nghệ cảm biến được ứng dụng trong sản xuất như sau:

• Dự đoán bảo trì máy móc, thiết bị lắp ráp

• Hỗ trợ sử dụng máy móc một cách tối ưu bằng cách liên tục theo dõi các hoạt động và điều chỉnh lại các hoạt động một cách hiệu quả.

• Tinh chỉnh hệ thống kiểm soát chất lượng và nâng cao tiêu chuẩn chất lượng. Thiết kế các thông báo và cảnh báo trong trường hợp tiêu chuẩn chất lượng và quy trình bị giảm sút.

• Sử dụng dữ liệu để tìm hiểu nhu cầu của khách hàng, thị trường một cách nhanh nhạy.

4.3. Hàng không

Các cảm biến được triển khai trong ngành hàng không đo dữ liệu trong quá trình điều hướng của máy bay, giám sát những hệ thống khác nhau và thiết bị điều khiển. Những dữ liệu này được tận dụng để hỗ trợ hoạt động bay hiệu quả, cải thiện hiệu suất máy bay và cải tiến thiết kế.

Một số cảm biến thiết bị đo được sử dụng trên máy bay bao gồm máy đo tốc độ, máy đo áp suất động cơ và lượng dầu, nhiên liệu, máy đo độ cao, máy đo vận tốc,...

4.4. Y tế và chăm sóc sức khỏe

Các thông tin do cảm biến trong thiết bị y tế, dụng cụ phẫu thuật thu thập được các bác sĩ sử dụng để chẩn đoán, điều trị và ngăn ngừa bệnh tật. Một số ứng dụng thường thấy của cảm biến trong lĩnh vực y tế - chăm sóc sức khỏe thông minh là:

• Theo dõi huyết áp.

• Theo dõi lượng đường trong cơ thể.

• Tự động đo các chỉ số của bệnh nhân và gửi thông tin cho bác sĩ.

• Tự động phát hiện lây nhiễm tại bệnh viện, trung tâm y tế.

• Thành lập các phòng thí nghiệm phi tập trung.

• Người máy trong phòng mổ.

4.5. Giao thông thông minh

Công nghệ cảm biến cùng với những công nghệ khác như internet vạn vật (IoT - Internet of Thing), dữ liệu lớn (Big Data), trí tuệ nhân tạo (AI - Artificial Intelligence) khiến các con đường trở nên thông minh hơn, an toàn hơn cho người đi đường và thuận tiện hơn cho cơ quan quản lý.

Một số ứng dụng cảm của cảm biến thường gặp trong hệ thống giao thông thông minh bao gồm:

• Cảm biến được gắn trên đường để thu thập thông tin về luồng giao thông, lương lượng phương tiện, khí hậu, thời tiết,… Các thông tin này được hệ thống phân tích và xử lý sau đó truyền tới người tham gia giao thông để có thể lựa chọn giải pháp lưu thông tối ưu nhất.

• Cảm biến tại các bãi đỗ xe thông minh tự động giúp ghi nhận, xử lý thông tin, hình ảnh để cung cấp dữ liệu về lưu lượng truy cập theo thời gian thực cho từng khu vực cụ thể. Barrier gắn cảm biến chống va đập khi gặp vật cản,...

• Hệ thống cân tải trọng tự động sử dụng công nghệ cảm biến thạch anh, giúp kiểm soát các phương tiện giao thông đang di chuyển trên đường, tự động ghi lại tải trọng, vận tốc, độ dài, số trục.... của phương tiện mà không ảnh hưởng đến luồng giao thông.

Hệ thống cân tải trọng tự động ứng dụng cảm biến thạch anh hiện đại - Ảnh: Internet

Công nghệ cảm biến đã khiến cho việc thu thập dữ liệu ngày nay tiến bộ thêm một tầm cao mới. Nếu được ứng dụng hiệu quả, cảm biến sẽ mang lại những lợi ích vô cùng thiết thực đối với cư dân và các cơ quan quản lý thành phố thông minh.