Sensor Là Gì? Cấu Tạo, Phân Loại & 7 Cảm Biến Phổ Biến 2025

🤖 Tổng quan: Sensor là gì trong công nghiệp?

Trong kỷ nguyên Công nghiệp 4.0 và IoT, Sensor đóng vai trò là “giác quan” sinh tử tại cấp trường (Field Level). Không chỉ dừng lại ở việc nhận biết, các dòng cảm biến hiện đại còn tham gia vào quá trình giám sát, tự chẩn đoán lỗi và đảm bảo hệ thống tự động hóa vận hành chính xác.

Bài viết này sẽ đi sâu phân tích cấu tạo 3 khối chức năng của sensor, đồng thời phân loại và hướng dẫn chọn mua 7 dòng cảm biến phổ biến nhất (Quang, Tiệm cận, Nhiệt độ, Áp suất…) đang được ứng dụng trong các nhà máy tại Việt Nam hiện nay.

1. Sensor là gì? (Định nghĩa kỹ thuật chuyên sâu)

Sensor (phiên âm: Sen-sơ), hay còn gọi là Cảm biến, là một thiết bị điện tử có chức năng phát hiện và đo lường các biến đổi vật lý, hóa học hoặc sinh học từ môi trường xung quanh (như sự thay đổi nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng, chuyển động, độ ẩm…) và chuyển đổi các đại lượng này thành tín hiệu điện để các thiết bị điều khiển có thể hiểu và xử lý được.

Trong mô hình tháp tự động hóa (Automation Pyramid), Sensor nằm ở tầng thấp nhất – Cấp trường (Field Level). Đây là tiền tuyến, nơi tiếp xúc trực tiếp với máy móc và quá trình sản xuất khắc nghiệt nhất.

Một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh không thể thiếu sự phối hợp giữa sensor và các thiết bị chấp hành. Quy trình hoạt động tuân theo chu trình khép kín:

• Thu thập dữ liệu: Sensor nhận tín hiệu vật lý (Ví dụ: Nhiệt độ động cơ tăng cao).
• Xử lý tín hiệu: Biến đổi đại lượng vật lý thành dòng điện hoặc điện áp.
• Truyền tải: Gửi tín hiệu này về bộ xử lý trung tâm như PLC, Vi điều khiển, hoặc hệ thống giám sát.

Vai trò thực tiễn trong hệ sinh thái IoT

Ngày nay, khái niệm Sensor đã được mở rộng vượt ra ngoài định nghĩa truyền thống. Trong các mô hình hệ thống điện nhà máy thông minh (Smart Factory), Sensor hiện đại đóng vai trò là một thiết bị đầu cuối thông minh trong mạng lưới IoT (Internet of Things). Chúng không chỉ đo lường mà còn có khả năng tự chẩn đoán lỗi và giao tiếp dữ liệu thời gian thực (Real-time data), giúp kỹ sư bảo trì tiên đoán trước khi máy móc gặp sự cố dừng máy (Downtime).

2. Cấu tạo chi tiết của một Sensor công nghiệp

Rất nhiều kỹ sư trẻ hoặc sinh viên mới ra trường thường nhầm lẫn rằng Sensor là một khối thống nhất “bất khả xâm phạm”. Tuy nhiên, dù là một con cảm biến tiệm cận giá vài trăm nghìn hay một bộ đo lưu lượng giá hàng ngàn đô la, cấu tạo của chúng đều tuân theo kiến trúc 3 khối chức năng cơ bản sau:

2.1. Bộ phận cảm biến (Sensor Element)

Đây là “trái tim” và là phần nhạy cảm nhất của thiết bị, thường được đặt ở đầu dò (Probe).

• Chức năng: Chịu trách nhiệm nhận sự kích thích từ môi trường và phản ứng lại bằng cách thay đổi tính chất vật lý riêng của nó.
• Ví dụ thực tế:
  • Trong cảm biến nhiệt độ: Bộ phận cảm biến là dây kim loại Platinum hoặc cặp kim loại khác nhau (trong Can nhiệt) thay đổi điện trở hoặc sinh ra sức điện động khi nhiệt độ thay đổi.
  • Trong cảm biến quang (Photoelectric Sensor): Bộ phận cảm biến là linh kiện bán dẫn quang (Photodiode) nhạy cảm với ánh sáng.

2.2. Bộ chuyển đổi & Xử lý tín hiệu (Transducer & Processing)

Tín hiệu thu được từ bộ phận cảm biến (Sensor Element) thường rất yếu (chỉ vài milivolt hoặc vài microampe) và chứa nhiều nhiễu tạp âm. Nếu đưa trực tiếp tín hiệu này về tủ điều khiển, PLC sẽ không thể đọc được.

Chức năng của khối này bao gồm:

• Khuếch đại: Phóng đại tín hiệu yếu lên mức đủ lớn.
• Lọc nhiễu: Loại bỏ các tần số nhiễu do sóng hài hoặc từ trường động cơ gây ra.
• Tuyến tính hóa: Làm cho tín hiệu đầu ra tỷ lệ thuận với đại lượng đo đầu vào.
• Chuyển đổi A/D: Đối với các dòng cảm biến kỹ thuật số, tín hiệu Analog sẽ được chuyển sang dạng số (Digital) để xử lý nội bộ.

2.3. Giao diện đầu ra (Output Interface)

Đây là phần quyết định Sensor sẽ “giao tiếp” với bộ điều khiển bằng ngôn ngữ nào. Việc chọn sai giao diện đầu ra là nguyên nhân hàng đầu khiến hệ thống không hoạt động được. Các chuẩn phổ biến nhất hiện nay bao gồm:

• Tín hiệu Analog:
  • 4-20mA: Đây là “vua” của tín hiệu trong công nghiệp nhờ khả năng chống nhiễu cực tốt khi truyền đi xa.
  • 0-10V: Thường thấy trong các thiết bị đo điện áp hoặc biến tần. Bạn có thể tham khảo thêm bài viết so sánh tín hiệu Analog và Digital để hiểu rõ hơn.
• Tín hiệu Switching (Đóng ngắt): Dùng cho các ứng dụng đếm hoặc báo trạng thái. Hai chuẩn phổ biến là PNP và NPN.
• Giao thức truyền thông: Modbus RTU (RS485), Profinet, IO-Link.

3. Phân loại 7 dòng cảm biến phổ biến nhất trong công nghiệp

Thế giới cảm biến vô cùng đa dạng, nhưng 90% các ứng dụng trong điện công nghiệp hiện nay xoay quanh các dòng cảm biến chủ lực sau đây.

3.1. Cảm biến quang (Photoelectric Sensor)

Được mệnh danh là “mắt thần” của ngành tự động hóa, cảm biến quang sử dụng ánh sáng (hồng ngoại hoặc laser) để phát hiện vật thể mà không cần tiếp xúc.

• Nguyên lý: Bộ phát phóng ra tia sáng. Khi gặp vật thể, tia sáng sẽ bị chặn lại hoặc phản xạ về bộ thu.
• Phân loại:
  1. Thu phát chung (Diffuse): Dùng cho khoảng cách gần.
  2. Gương phản xạ (Retro-reflective): Dùng gương để phản xạ, độ tin cậy cao hơn.
  3. Thu phát riêng (Through-beam): Khoảng cách phát hiện xa nhất (lên tới 50m).
• Ứng dụng: Đếm sản phẩm trên băng chuyền, phát hiện người ra vào cửa tự động.

3.2. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensor)

Khi bạn cần phát hiện vật thể ở khoảng cách rất gần (vài mm) mà yêu cầu độ bền “nồi đồng cối đá”, cảm biến tiệm cận là lựa chọn số 1.

• Cảm biến từ (Inductive Sensor): Dựa trên nguyên lý cảm ứng từ. Loại này chỉ phát hiện được kim loại (sắt, thép…). Nó cực kỳ bền trong môi trường dầu mỡ.
• Cảm biến điện dung (Capacitive Sensor): Có thể phát hiện được cả kim loại và phi kim (như nước, nhựa, gỗ).
• Ứng dụng: Xác định vị trí trục cam, giới hạn hành trình xy lanh khí nén.

3.3. Cảm biến nhiệt độ (Temperature Sensor)

Kiểm soát nhiệt độ là yêu cầu sống còn trong các lò nung, hệ thống lạnh hoặc bảo vệ động cơ.

• Thermocouple (Cặp nhiệt điện): Dải đo rộng (-200 đến 1800°C), phản hồi nhanh.
• RTD (Pt100): Độ chính xác cao hơn, thường dùng trong thực phẩm và y tế.
• Thermistor: Dùng trong mạch điện tử hoặc cảm biến điều hòa dân dụng.
• Camera nhiệt: Sử dụng công nghệ hồng ngoại, xem thêm về thiết bị chụp ảnh nhiệt để thấy ứng dụng kiểm tra tủ điện.

3.4. Cảm biến áp suất (Pressure Sensor)

Dùng để đo áp lực của chất lỏng hoặc khí nén. Một số dòng cao cấp còn được gọi là máy biến áp lực (Pressure Transmitter).

• Nguyên lý: Áp suất tác động lên màng cảm biến làm thay đổi giá trị điện trở cầu Wheatstone.
• Ứng dụng: Giám sát áp suất nồi hơi, điều khiển trạm bơm, đo mức nước trong bồn (bằng áp suất thủy tĩnh).

3.5. Cảm biến lực (Loadcell)

Thiết bị chuyển đổi lực tác động (kéo/nén) thành tín hiệu điện. Đây là thành phần chính trong các hệ thống cân điện tử.

• Ứng dụng: Cân xe tải, cân băng tải định lượng, giám sát lực căng dây cáp.

3.6. Cảm biến dòng điện & điện áp

Trong việc giám sát năng lượng, chúng ta cần các cảm biến đo lường (thường tích hợp trong đồng hồ đa năng hoặc biến dòng CT).

• Biến dòng (CT): Dùng để đo dòng điện xoay chiều AC lớn gián tiếp.
• Biến áp đo lường (VT): Dùng để đo điện áp cao thế/trung thế.

3.7. Cảm biến siêu âm (Ultrasonic Sensor)

Hoạt động giống như loài dơi, cảm biến phát ra sóng âm tần số cao và đo thời gian sóng phản xạ về.

• Ưu điểm: Không bị ảnh hưởng bởi màu sắc vật thể hay độ trong suốt (đo được mức nước trong chai thủy tinh, điều mà cảm biến quang bó tay).

4. Bảng thông số kỹ thuật “sống còn” khi chọn mua Sensor

Là một kỹ sư có kinh nghiệm, tôi khuyên bạn đừng bao giờ chỉ nhìn vào giá tiền. Việc đọc hiểu Datasheet mới là chìa khóa. Dưới đây là các thuật ngữ bạn bắt buộc phải nắm khi làm việc với nhà cung cấp hoặc các đơn vị tư vấn thi công cơ điện:

Thông số kỹ thuật	Ý nghĩa thực tiễn & Lưu ý
Accuracy (Độ chính xác)	Sai số tối đa cho phép. Ví dụ: ±0.5%. Rất quan trọng trong các hệ thống cân định lượng.
Response Time	Thời gian phản hồi. Nếu dây chuyền chạy quá nhanh mà sensor phản hồi chậm, hệ thống sẽ bị lỗi (miss).
Operating Range	Dải hoạt động. Mẹo: Luôn chọn dải đo lớn hơn thực tế khoảng 20% để đảm bảo an toàn.
Output Signal	Chọn đúng loại (PNP/NPN, Analog, Relay) để tương thích với tủ điện điều khiển.
IP Rating	Cấp bảo vệ chống bụi/nước. IP67 trở lên là bắt buộc cho môi trường ẩm ướt.
Nguồn cấp (Power Supply)	Phổ biến là 24VDC. Cần kiểm tra kỹ nguồn điện cấp để tránh làm cháy sensor.

5. Ứng dụng chuyên sâu: Sensor trong hệ thống băng tải

Để bạn hình dung rõ hơn về cách các sensor phối hợp với nhau, hãy xem xét một ví dụ thực tế trên hệ thống băng tải công nghiệp – nơi tập trung nhiều thiết bị nhất:

1. Cảm biến quang: Đếm số lượng sản phẩm đầu ra hoặc phát hiện kẹt hàng.
2. Encoder (Bộ mã hóa): Đo tốc độ quay của motor để điều khiển biến tần giữ tốc độ ổn định.
3. Cảm biến lệch băng: Bảo vệ băng tải khỏi bị rách khi chạy lệch trục.
4. Công tắc giật dây: Thiết bị an toàn khẩn cấp.
5. Cảm biến dòng điện: Giám sát dòng của động cơ kéo, nếu dòng tăng cao bất thường (do quá tải điện hoặc kẹt cơ khí), hệ thống sẽ ngắt để bảo vệ động cơ.

Bên cạnh đó, các tín hiệu từ sensor này thường được đưa về các rơ le trung gian hoặc PLC trong tủ điện để xử lý logic điều khiển.