Cảm biến xúc giác thường được chúng ta sử dụng nhiều nhất trong các hoạt động hàng ngày. Một số hoạt động hàng ngày như màn hình cảm ứng của điện thoại di động, hệ thống an ninh sinh trắc học, đo áp suất, đo lực, robot và nhiều hoạt động khác sử dụng cảm biến này.
Cảm biến xúc giác là gì?
Cảm biến xúc giác không gì khác ngoài cảm biến chạm. Nó cung cấp thông tin về vật thể đã tiếp xúc với cảm biến. Thông tin có thể ở dạng hình dạng của vật thể, kích thước của vật thể hoặc thậm chí là loại vật liệu. Cảm biến này nhạy cảm với lực chạm, áp suất hoặc bất kỳ lực nào trên bề mặt của nó. Cảm biến này thường cảm nhận các đặc điểm được đề cập ở trên dưới dạng các thông số điện như điện dung hoặc điện trở. Sau đó, sau khi xử lý thêm, một hình ảnh ảo được tạo ra cho các đặc điểm được đề cập ở trên. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng các mạch khác mà chúng ta cũng gọi là mạch liên kết.
Xây dựng cảm biến xúc giác
Cảm biến xúc giác bao gồm các thành phần điện tử cơ bản như tụ điện, điện trở áp điện hoặc nguồn sáng quang học và bộ dò ánh sáng quang học. Việc sử dụng các thành phần được đề cập ở trên phụ thuộc vào loại cảm biến đang được sử dụng. Các thành phần điện tử cơ bản này được sử dụng với số lượng lớn để tạo thành một cảm biến. Các thành phần điện tử cơ bản này được sắp xếp theo dạng mảng như nhiều hàng và cột. Sau đó, một mạch liên quan được sử dụng kết hợp với các thành phần điện tử cơ bản này để xử lý thêm dữ liệu được thu thập bởi tụ điện, điện trở áp điện hoặc nguồn sáng quang học và bộ dò ánh sáng quang học.
Cảm biến xúc giác hoạt động như thế nào?
Cảm biến xúc giác hoạt động dựa trên các nguyên lý cơ bản của điện tử như thay đổi điện dung, thay đổi điện trở suất và thay đổi cường độ ánh sáng do nhiễu vật lạ. Sự thay đổi điện dung, điện trở hoặc cường độ ánh sáng được phát hiện bằng cách sử dụng cảm biến này. Sau đó, sự thay đổi này được sử dụng để tạo thành một hình ảnh ảo. Hình ảnh ảo chứa thông tin như áp suất tác dụng từ nhiễu vật lạ lên tất cả các điểm mà nó tiếp xúc với cảm biến là bao nhiêu, hình dạng của vật lạ như thế nào, kích thước của vật lạ là bao nhiêu. Nếu bạn bối rối bởi những tuyên bố này thì hãy nghĩ đến cảm biến vân tay. Nó cũng có thể được gọi là một loại cảm biến xúc giác.
Cảm biến vân tay quét ngón tay của chúng ta, là một vật lạ đối với cảm biến này. Sau đó, nó tạo ra một hình ảnh ảo bằng cách sử dụng cảm biến và các mạch liên quan trong điện thoại di động hoặc cảm biến vân tay chuyên dụng.
Để cảm nhận sự can thiệp của vật lạ, một mảng hoặc nhiều hàng và cột chứa các thành phần cơ bản được sử dụng. Vật lạ tiếp xúc với các thành phần này. Sau khi tiếp xúc, có sự thay đổi trong các thông số điện được đưa vào cho các mạch liên quan. Các mạch liên quan sau đó tạo ra một hình ảnh ảo như được hiển thị cho đầu ra của cảm biến vân tay. Việc tạo ra loại hình ảnh ảo này hoặc lấy dữ liệu từ vật lạ là mục đích chính của cảm biến.
Các loại cảm biến xúc giác
Như đã thảo luận, có nhiều loại khác nhau dựa trên các thành phần cần thiết để chế tạo chúng. Ba loại cảm biến xúc giác chính là:
- Cảm biến xúc giác điện dung
- Cảm biến xúc giác Piezoresistive
- Cảm biến xúc giác quang học
Chúng ta hãy xem xét chi tiết về cách hoạt động của các loại khác nhau
Cảm biến xúc giác điện dung
Cảm biến xúc giác điện dung (như thể hiện trong hình trên) là một trong những cảm biến nổi tiếng nhất trong số tất cả các cảm biến hiện có trên thị trường. Sự thay đổi điện dung được sử dụng để phát hiện sự tiếp xúc, áp suất hoặc lực đang được đo. Sự thay đổi về tiếp xúc, áp suất hoặc lực tạo ra sự thay đổi về khoảng cách giữa các tấm tụ điện. Bây giờ khi bất kỳ đại lượng nào được đề cập thay đổi, sẽ có sự thay đổi được quan sát thấy trong khoảng cách giữa các tấm tụ điện tạo ra sự thay đổi về sự thay đổi điện dung.
C = ε0 × εr × (A ÷ d)
Ở đâu
- C = Điện dung của tấm
- ε0 = Độ điện môi không gian tự do
- εr = Độ điện môi tương đối
- A = Diện tích của các tấm
- d = Khoảng cách giữa hai tấm
Ở đây, diện tích cũng như cả hằng số điện môi không gian tự do và hằng số điện môi tương đối vẫn không đổi. Chỉ có khoảng cách giữa các tấm tụ điện thay đổi khi có bất kỳ áp suất, lực hoặc tiếp xúc nào trên bề mặt cảm biến.
Một mảng tụ điện được sử dụng để tạo ra cảm biến xúc giác điện dung được thể hiện trong hình. Mỗi tụ điện được xác định bằng một vị trí riêng biệt trên các hàng và cột.
Bất cứ khi nào bất kỳ lực chạm, áp suất hoặc lực nào được cảm nhận bởi tụ điện thông qua sự thay đổi điện dung, mạch liên quan với cảm biến xúc giác điện dung sẽ xác định vị trí của tụ điện. Bây giờ, bằng cách xử lý thêm, một hình ảnh ảo cho lực chạm, áp suất hoặc lực này trên bề mặt được tạo ra bằng cách sử dụng các mạch liên quan này và quá trình xử lý thêm được thực hiện. Mạch liên quan thay đổi tùy thuộc vào yêu cầu của người dùng cuối. Phản ứng của cảm biến này hơi chậm so với các cảm biến khác hiện có.
Cảm biến xúc giác Piezoresistive
Cảm biến xúc giác piezoresistive cũng tương tự như cảm biến xúc giác điện dung. Cảm biến này là cảm biến được sử dụng rộng rãi nhất. Cảm biến này được ưa chuộng hơn cảm biến xúc giác điện dung vì cảm biến này có độ nhạy cao hơn so với cảm biến xúc giác điện dung. Trong cảm biến này, cảm biến piezoresistive được sử dụng. Các cảm biến này tạo ra sự thay đổi về điện trở của chúng khi có bất kỳ áp suất hoặc lực bên ngoài nào. Cảm biến này có một loạt các piezoresistive ở nhiều hàng và một loạt các piezoresistive ở nhiều cột.
Các hàng và cột piezoresistor này tạo thành một cấu trúc dạng lưới như thể hiện trong hình. Bất kỳ thay đổi nào về điện trở của bất kỳ piezoresistor nào đều được cảm biến bởi các mạch liên quan. Vị trí chính xác của piezoresistor đã trải qua thay đổi điện trở được xác định bởi mạch liên quan này. Một hình ảnh ảo cho bất kỳ lần chạm, áp suất hoặc lực nào trên bề mặt được tạo ra bởi mạch liên quan này. Một lợi thế bổ sung khi sử dụng cảm biến xúc giác piezoresistive này là độ trễ của cảm biến piezoresistive rất thấp.
Cảm biến này được tạo thành từ các vật liệu như cao su dẫn điện, sợi carbon và các chất dẫn điện được phát triển đặc biệt khác.
Cảm biến xúc giác quang học
Cảm biến xúc giác quang học hoạt động dựa trên cường độ ánh sáng thay đổi. Trong cảm biến này, sự thay đổi cường độ ánh sáng do tiếp xúc, áp suất hoặc lực được đo. Một nguồn sáng liên tục gửi ánh sáng đến bộ dò ánh sáng được đặt ở đầu đối diện. Bất cứ khi nào bất kỳ khu vực nào giữa các nguồn sáng này và bộ dò ánh sáng thay đổi hình dạng do tiếp xúc, áp suất hoặc lực trên bề mặt, sự thay đổi cường độ ánh sáng sẽ được quan sát. Một số cặp nguồn sáng và bộ dò ánh sáng như vậy được sử dụng trong cảm biến xúc giác quang học. Sự thay đổi cường độ ánh sáng mà bộ dò nhận được này được hiển thị hoặc vẽ đồ thị ảo dưới dạng hình ảnh bằng các mạch đặc biệt. Hình ảnh cho thấy cường độ ánh sáng thay đổi như thế nào do độ lệch khi bất kỳ lực bên ngoài nào tác dụng lên bề mặt cảm biến.
Độ phân giải và độ nhạy của cảm biến này thấp hơn một chút so với cảm biến xúc giác piezoresistive. Nhưng chi phí tương đối thấp hơn các loại cảm biến khác là một lợi thế bổ sung cho cảm biến này. Cảm biến này chủ yếu được sử dụng trong robot và nghiên cứu tiên tiến.
Ứng dụng của cảm biến xúc giác
Cảm biến xúc giác được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau:
- Điện thoại di động
- Thu thập dữ liệu sinh trắc học
- Đo áp suất
- Đo lực
- Tự động hóa và an ninh nhà ở
- An ninh ô tô
- Thiết bị y tế tiên tiến
- Truyền thông và nghiên cứu
- Robot hiện đại
