Cảm biến áp lực là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của nó

Trong công nghiệp và tự động hóa, cảm biến áp lực đóng vai trò quan trọng trong việc giám sát và điều khiển các quy trình sản xuất. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp giúp tối ưu hóa hoạt động của các hệ thống, đảm bảo sự vận hành ổn định và an toàn, đồng thời giảm thiểu rủi ro hỏng hóc và lãng phí năng lượng.

Khái niệm cảm biến áp lực là gì?

Cảm biến áp lực (hay còn gọi là cảm biến áp suất – Pressure Sensor hoặc Pressure Transmitter) là một thiết bị có chức năng đo áp suất của chất khí hoặc chất lỏng, sau đó chuyển đổi giá trị áp suất đó thành tín hiệu điện để truyền về hệ thống điều khiển hoặc giám sát. Đây là một thành phần thiết yếu trong nhiều hệ thống đo lường và điều khiển tự động ngày nay, từ các dây chuyền sản xuất công nghiệp, hệ thống thủy lực, khí nén cho đến các thiết bị y tế và phương tiện giao thông.

Áp lực (áp suất) được hiểu là lực tác động lên một đơn vị diện tích và được đo bằng các đơn vị như Pascal (Pa), bar, psi hoặc mmHg. Cảm biến áp lực cho phép xác định và kiểm soát chính xác các mức áp suất khác nhau để đảm bảo an toàn, hiệu quả và tối ưu hóa quá trình vận hành.

>>> Tìm hiểu về cảm biến là gì và các loại cảm biến nói chung. 

Nguyên lý hoạt động của cảm biến áp lực

Mặc dù có nhiều loại cảm biến áp lực khác nhau với cấu trúc và nguyên lý hoạt động đặc thù, nhưng về cơ bản, chúng đều hoạt động dựa trên nguyên tắc biến đổi cơ – điện, tức là biến đổi lực cơ học (do áp suất tạo ra) thành tín hiệu điện.

Dưới đây là một số nguyên lý hoạt động phổ biến của cảm biến áp lực:

• Nguyên lý điện trở biến thiên (Strain Gauge)

Đây là loại cảm biến được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Khi áp suất tác động lên một màng đàn hồi (diaphragm), nó sẽ làm biến dạng màng này, từ đó làm thay đổi điện trở của các cảm biến strain gauge gắn lên đó. Sự thay đổi điện trở sẽ được chuyển thành tín hiệu điện áp hoặc dòng điện thông qua mạch khuếch đại và xử lý tín hiệu.

• Nguyên lý piezoelectric (Áp điện)

Các vật liệu áp điện như quartz sẽ sinh ra điện áp khi bị nén hoặc chịu lực tác động cơ học. Cảm biến áp suất sử dụng nguyên lý này có tốc độ phản hồi cao và độ chính xác lớn, thường dùng trong các ứng dụng yêu cầu đo áp suất động, như trong động cơ hoặc máy bay.

• Nguyên lý điện dung (Capacitive Pressure Sensor)

Khi áp suất tác động làm thay đổi khoảng cách giữa hai bản cực của một tụ điện, điện dung của tụ sẽ thay đổi. Sự thay đổi này được đo lường và chuyển thành tín hiệu điện. Cảm biến điện dung có độ nhạy cao và ít bị nhiễu.

• Nguyên lý từ trở hoặc cảm ứng (Inductive/Resistive)

Một số loại cảm biến áp lực sử dụng nguyên lý cảm ứng từ hoặc thay đổi độ từ thẩm để xác định sự biến đổi của áp suất. Loại cảm biến này phù hợp cho các môi trường công nghiệp khắc nghiệt, có độ rung hoặc nhiệt độ cao.

Phân loại cảm biến áp lực

Dựa trên phương pháp đo và dải áp suất, cảm biến áp lực có thể được phân thành:

• Cảm biến đo áp suất tuyệt đối (absolute pressure sensor) – đo áp suất so với chân không hoàn toàn.
• Cảm biến đo áp suất tương đối (gauge pressure sensor) – đo áp suất so với áp suất khí quyển.
• Cảm biến đo áp suất chênh lệch (differential pressure sensor) – đo sự chênh lệch giữa hai nguồn áp suất khác nhau.

Ngoài ra, còn có cảm biến áp suất kỹ thuật số, analog, cảm biến tích hợp truyền thông như Modbus, CAN, Profibus, 4–20 mA, 0–10V…

Ứng dụng trong công nghiệp và tự động hóa

Với khả năng đo chính xác, phản hồi nhanh và chịu đựng được các điều kiện làm việc khắc nghiệt, cảm biến áp lực đóng vai trò trung tâm trong hệ thống điều khiển tự động tại nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm:

• Hệ thống thủy lực và khí nén: giúp theo dõi và điều chỉnh áp suất trong các hệ thống bơm, van, xy lanh… đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và chính xác.
• Ngành sản xuất thực phẩm – đồ uống – dược phẩm: Trong các dây chuyền sản xuất khép kín, áp suất cần được kiểm soát để đảm bảo vệ sinh, tránh nhiễm khuẩn, đồng thời đảm bảo quy trình chiết rót và đóng gói chính xác.
• Hệ thống HVAC (Điều hòa không khí và thông gió): sử dụng để đo áp suất khí trong ống dẫn, quạt gió, và điều khiển hoạt động của các bộ phận theo điều kiện thực tế.
• Ngành dầu khí, hóa chất: Trong các môi trường dễ cháy nổ và yêu cầu độ an toàn cao, cảm biến áp suất đặc biệt được sử dụng để kiểm soát áp suất của khí và chất lỏng, đồng thời phát hiện sớm các hiện tượng bất thường.
• Ứng dụng trong ô tô và hàng không: sử dụng để đo áp suất dầu, nhiên liệu, khí nạp, lốp xe hoặc hệ thống phanh, giúp phương tiện hoạt động ổn định và an toàn.
• Giám sát môi trường và đo lường khí tượng: dùng để đo độ cao (altimeter), áp suất khí quyển và các hiện tượng khí hậu, phục vụ cho nghiên cứu và dự báo thời tiết.

Cảm biến áp lực không chỉ là một thành phần đo lường – nó chính là cầu nối giữa thế giới vật lý và hệ thống điều khiển số hóa, giúp con người hiểu, giám sát và điều khiển chính xác các quá trình phức tạp trong sản xuất và đời sống. Vì vậy, việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động, lựa chọn đúng loại cảm biến và ứng dụng phù hợp chính là chìa khóa giúp tối ưu hóa hệ thống và đảm bảo an toàn trong mọi lĩnh vực sử dụng.

>>> Tham khảo: Phân hệ phần mềm quản lý sản xuất trong giải pháp ERP tổng thể