Thường thức về cái “cảm biến”

Cảm biến quang - điện ở chóp một loại tên lửa không đối hải ( Nga)

 “Ngàn lẻ một” loại cảm biến

Cảm biến, (hay sensor, датчик) là thiết bị rất đa dạng trong thiết bị y tế,  phương tiện giao thông, cơ khí và quân sự… chuyên cảm nhận những thay đổi. Phân loại theo chức năng, có cảm biến cơ, cảm biến nhiệt, cảm biến ánh sáng, cảm biến điện (dòng điện, điện áp, tần số…) cảm biến áp suất, cảm biến nồng độ hóa chất, cảm biến âm thanh…

 Trong lĩnh vực hàng không, hay trong trinh sát quân sự cảm biến được sử dụng rộng rãi. Bộ đội hóa học khi đi trinh sát môi trường thường sử dụng các đầu dò hóa chất, thực chất đó là các cảm biến nồng độ hóa học, giúp nhận biết được môi trường đang xuất hiện hóa chất độc gì, thậm chí biết “nó” đang ở dạng hơi hay nhũ tương…

"Cây nhiệt đới" của Mỹ thả  xuống đường Trường Sơn là một cảm biến âm thanh, nhằm dò la các hoạt động vận tải.

“Cây nhiệt đới” của Mỹ thả xuống đường Trường Sơn trong thế kỷ trước, khi đó là một loại cảm biến âm thanh rất hiện đại. Nghe nói Mỹ còn có cảm biến “ngửi được mùi nước tiểu”, mùi mồ hôi, để cảnh báo có bộ đội hoạt động. Thực chất là cảm biến nồng độ hóa chất.

Những cảm biến trong ngành trinh sát, tình báo còn phải có nguồn điện nuôi lâu dài. Thậm chí nó “biết ngủ” khi cần, để đỡ tốn nguồn, nhưng nó cũng “biết thức” khi có sự kiện, để theo dõi liên tục. Gần đây có loại cảm biến tự lấy ánh sáng ban ngày để sản xuất ra điện, tự nuôi trong thời gian dài. Biết thu thập tin tức nhiều, nhưng đưa tin về trung tâm trong thời gian rất ngắn, tránh bại lộ.

Độ nhạy cao, chính xác, liên tục

 Cấu tạo cơ bản của cảm biến, tùy theo chủng loại, được lắp các phần tử nhạy sáng, là các đi-ốt quang, nhạy nhiệt là các chất dẫn nhiệt tốt như đồng, nhạy “điện” là các biến trở, biến dung (điện), nhạy mùi là phần tử hóa chất dễ phản ứng với chất lạ…nó là “tai, mắt, mũi, da…” của hệ phân tích, điều khiển.

Các cảm biến trong y học, công nghiệp, quân sự rất cần độ nhạy cao, độ chính xác cao, làm việc liên tục. Thông thường cảm biến có kích thước nhỏ, gọn. Hướng phấn đấu của các nhà công nghệ là chế tạo cảm biến làm sao càng nhỏ, gọn, thậm chí rất nhỏ, (để có thể đưa nó vào trong cơ thể người - nội soi), hoặc các thiết bị tinh xảo khác.

Một hệ thống cảm biến quân sự phải  vận hành ổn định, tinh nhạy, chính xác trong điều kiện môi trường luôn hay đổi. Nó có tính việt dã cao, che dấu tốt để tồn tại. Vì điều kiện trên chiến trường buộc các dữ liệu này phải được đơn giản hóa, xử lý và đưa ra kết quả trong một thời gian thật nhanh.

Ví dụ: Trên vũ khí hàng không, các cảm biến quang-điện gắn ở đầu nổ có chức năng điều khiển tên lửa, bom, để bám bắt mục tiêu nhạy, chính xác, liên tục, do thời gian tiến công mục tiêu rất ngắn, tốc độ tên lửa rất cao 2-4M (gấp 2 đến 4 lần tốc độ âm thanh). Nếu cảm biến không chính xác, không làm việc liên tục, ổn định thì không thể bảo đảm nổ đạn đúng thời điểm có lợi (Trong trường hợp nổ cận đích).

 Các nhà khoa học quân sự mới đây đã cải tiến công nghệ  MEMS, một công nghệ xử lý nhúng, tạo ra một thế hệ các cảm biến siêu nhỏ, như cảm biến âm học, tia tử ngoại, điện từ… nhờ công nghệ xử lý và lưu trữ nhúng, tuy nhỏ nhưng lại vô cùng ưu việt, có khả năng thu thập hàng kho dữ liệu.

Trong công nghệ in, các  cảm biến “mắt thần” quang điện trong máy in màu, giúp chỉnh chính xác việc “chồng màu” các lớp sao cho ảnh đẹp, nét.

Trong các máy ảnh, việc nhận diện ảnh trung thực và tự động chỉnh độ sáng chính xác, cũng là nhờ chíp cảm biến so sánh liên tục để chỉnh màn trập và độ mở ống kính phù hợp.

Trong sản xuất, gia công cơ khí, trong ô-tô, máy công trình, các cảm biến cũng có độ bền cao, vì để chống bị mài mòn, chống rung lắc, chống bụi bẩn.

 Định vị chính xác, được truyền dẫn không dây

 Tích hợp với truyền thông không dây, các cảm biến làm việc rất “thông minh”. Cảm biến định vị được vị trí của nó, báo về trung tâm điều khiển theo thời gian thực, vị trí chính xác, nhờ so sánh với hệ định vị vệ tinh GPS, hầu như không có thời gian trễ.

Ngày nay, điện thoại di động, iPhone… không chỉ để liên lạc, nhắn tin. Nhờ có các cảm biến âm thanh, quang-điện, nhiệt, hoặc tay cọ sát, cho phép điện thoại có thể làm thẻ ra vào, tích hợp thẻ cá nhân trong giao dịch tài chính… Nó nhận biết được chủ-khách, truyền dẫn thông tin nắm được dưới dạng ảnh, chữ viết đi xa.

Công nghệ 3D, 4D ra đời, cảm biến còn nhiều tác dụng trong điều khiển từ xa không dây.

Không chỉ “cảm nhận” chính xác về sự biến đổi ở khoảng cách lớn, mà ở khoảng cách rất nhỏ, dưới kích thước mi li mét và hơn nữa các cảm biến cũng rất nhạy để cảnh báo, điều khiển. Như các máy công cụ tiện, phay, khoan theo chương trình số (CNC), nếu không có các cảm biến chính xác thì khó có thể dập khuôn chuẩn, cắt gọt kim loại đúng mẫu, dung sai tính bằng 1/10mm, thậm chí 1/100 mm.

 “Tai”, “mắt” của rô-bốt trong sản xuất linh kiện điện tử, là cảm biến quang học, nó định vị cho máy  “khắc” mạch địên siêu nhỏ, siêu mỏng ở các bộ vi xử lý. Nếu định vị không chính xác khoảng cách cực nhỏ, thì không sản xuất được vi mạch.

Trên đây là nội dung thường thức về cảm biến. Ở một số lĩnh vực công nghệ hẹp, hoặc rất hẹp, chỉ có các chuyên gia rất sâu về chuyên ngành mới biết được thuật toán và giao thức của các cảm biến đặc biệt ấy.

Phía sau cảm biến là “hộp đen”, cơ cấu chấp hành, và mạch hồi tiếp. Đó là bộ ba trong sơ đồ điều khiển kinh điển.

 Trần Văn