Giáo Trình Kỹ Thuật Đo Lường Cảm Biến

Trong bối cảnh khoa học – công nghệ phát triển mạnh mẽ, kỹ thuật
đo lường và cảm biến ngày càng khẳng định vai trò nền tảng đối với nhiều
lĩnh vực của đời sống và sản xuất. Đây là ngành khoa học chuyên nghiên
cứu và ứng dụng các nguyên lý vật lý, điện – điện tử và công nghệ số nhằm
thu thập, xử lý và đánh giá thông tin từ các đối tượng, quá trình hoặc hệ
thống. Thông qua việc chuyển đổi các đại lượng vật lý không quan sát trực
tiếp (như nhiệt độ, áp suất, từ trường, lực, chuyển động…) thành tín hiệu có
thể đo được, kỹ thuật đo lường và cảm biến tạo tiền đề cho việc giám sát,
phân tích và điều khiển chính xác.
Giáo trình Kỹ thuật đo lường cảm biến được xây dựng với hai phần
nội dung là kỹ thuật đo lường các đại lượng điện và cảm biến. Các nội dung
được trình bày chi tiết, cụ thể.
Hệ thống đo lường điện có vai trò trọng yếu trong nghiên cứu, sản
xuất và đời sống, cho phép xác định chính xác các thông số điện để phục vụ
kiểm tra, giám sát và điều khiển. Phần đo lường điện tập trung trình bày các
nguyên lý, phương pháp và thiết bị đo lường những đại lượng điện cơ bản
và thường gặp. Một nội dung quan trọng khác là sai số đo lường và phương
pháp hiệu chỉnh, nhằm đảm bảo tính chính xác, độ tin cậy và khả năng tái
lập của kết quả. Việc nắm vững nguồn gốc và quy luật sai số cho phép lựa
chọn phương pháp đo phù hợp và tối ưu hóa độ chính xác trong thực tiễn.
Các bộ cảm biến đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực
đo lường và điều khiển. Chúng cảm nhận và đáp ứng theo các kích thích
thường là các đại lượng không điện, chuyển đổi các đại lượng này thành các
đại lượng điện và truyền các thông tin về hệ thống đo lường điều khiển, giúp
chúng ta nhận dạng, đánh giá và điều khiển mọi biến trạng thái của đối
tượng. Có thể ví vai trò của các bộ cảm biến các đại lượng không điện đối
với kỹ thuật đo lường và điều khiển giống như các cơ quan cảm giác đối với
một cơ thể sống.
Kỹ thuật cảm biến là kỹ thuật đa ngành có liên quan đến kỹ thuật
điện, điện tử, hóa học, nhiệt học, cơ học và các lĩnh vực khác như bán dẫn,
quang học,…nên khó tập hợp đầy đủ những vấn đề trong khuôn khổ một
cuốn giáo trình. Các tác giả mong muốn trình bày một cách hệ thống theo
3 trình tự: cơ sở lý thuyết, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của các loại cảm
biến điển hình cùng với kỹ thuật ghép nối tín hiệu trong hệ thống đo lường –
điều khiển.
Một hệ thống đo lường điển hình thường bao gồm các thành phần cơ
bản: đối tượng đo, cảm biến, bộ chuyển đổi tín hiệu, khối xử lý và thiết bị
hiển thị kết quả. Trong đó, cảm biến giữ vai trò trung tâm, quyết định độ
chính xác, độ tin cậy và phạm vi ứng dụng của hệ thống. Sự phát triển của
công nghệ vi điện tử, vi cơ điện tử (MEMS) cùng với trí tuệ nhân tạo (AI)
đã thúc đẩy sự ra đời của các thế hệ cảm biến thông minh, có khả năng tích
hợp, tự hiệu chỉnh và giao tiếp trực tiếp với hệ thống điều khiển.
Trong thực tiễn, kỹ thuật đo lường và cảm biến có ý nghĩa đặc biệt
quan trọng. Trong sản xuất công nghiệp, chúng giúp giám sát quá trình theo
thời gian thực, phát hiện sai lệch và đưa ra điều chỉnh kịp thời, góp phần
nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Trong y tế, sự phát triển của
cảm biến sinh học và thiết bị đo hiện đại hỗ trợ chẩn đoán sớm, theo dõi sức
khỏe từ xa và tối ưu hóa quá trình điều trị. Trong giao thông, năng lượng và
môi trường, các hệ thống đo lường tiên tiến cho phép tối ưu hóa vận hành,
tiết kiệm tài nguyên, giảm thiểu rủi ro và nâng cao mức độ an toàn.
Giáo trình đã hệ thống hóa những kiến thức nền tảng về đo lường
các đại lượng điện, các bộ cảm biến, bao quát từ nguyên lý, dụng cụ truyền
thống đến các kỹ thuật hiện đại. Đây chính là cơ sở khoa học để tiếp cận các
nội dung chuyên sâu hơn về đo lường – cảm biến, đồng thời phục vụ hiệu
quả cho công tác giảng dạy, nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực kỹ thuật
điều khiển tự động hóa, cơ điện tử và kỹ thuật điện – điện tử.
Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn các Thầy/Cô khoa Điện-Điện
tử, khoa Cơ khí. Xin cảm ơn Hội đồng khoa học, trường Đại học Sư phạm
Kỹ thuật Hưng Yên đã tạo điều kiện thuận lợi và đóng góp ý kiến chuyên
môn quý báu để nhóm tác giả có thể hoàn thiện cuốn giáo trình này.
Do hạn chế về tài liệu tham khảo, mặc dù rất cố gắng nhưng chắc
chắn giáo trình này còn có những khiếm khuyết cần bổ sung. Chúng tôi
mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của độc giả để nội dung của giáo
trình này được hoàn thiện hơn.
Các tác giả