Cảm biến đo độ ẩm là gì? Phân loại và cách sử dụng hiệu quả

Cảm biến đo độ ẩm là một loại thiết bị điện tử có chức năng đo lường và xác định hàm lượng hơi nước có trong không khí hoặc trong một môi trường nhất định. Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi các đặc tính vật lý như điện dung, điện trở hoặc độ dẫn nhiệt của vật liệu cảm biến khi có sự thay đổi độ ẩm. Các giá trị đo được sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện để hiển thị, lưu trữ hoặc gửi đến hệ thống điều khiển.

Cảm biến đo độ ẩm được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như nông nghiệp thông minh, bảo quản thực phẩm, hệ thống HVAC, y tế, phòng sạch và nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhằm đảm bảo điều kiện môi trường luôn được kiểm soát tối ưu.

Xem thêm>>> Cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng, cảm biến mực nước, cảm biến nồng độ.

Cấu tạo cảm biến đo độ ẩm

Cảm biến đo độ ẩm có cấu tạo gồm nhiều thành phần hoạt động kết hợp nhằm mục đích đo lường chính xác mức độ hơi nước trong không khí hoặc môi trường cụ thể. Mặc dù có nhiều loại cảm biến khác nhau như cảm biến điện dung, cảm biến điện trở, cảm biến nhiệt…, nhưng về cơ bản chúng đều bao gồm các bộ phận chính như sau:

Phần tử cảm biến (Sensor Element)

Đây là thành phần cốt lõi, trực tiếp tiếp xúc với môi trường để phát hiện độ ẩm.

• Trong cảm biến điện dung: sử dụng một lớp vật liệu điện môi (thường là polymer hoặc oxit nhôm) nằm giữa hai bản cực. Khi độ ẩm tăng, lớp điện môi hấp thụ nước làm thay đổi hằng số điện môi, dẫn đến thay đổi điện dung.

• Trong cảm biến điện trở: sử dụng vật liệu bán dẫn hoặc vật liệu dẫn điện có khả năng thay đổi điện trở khi hấp thụ hơi nước. Độ ẩm càng cao thì điện trở của vật liệu càng giảm.

• Trong cảm biến nhiệt (thermal conductivity): gồm hai đầu dò cảm biến nhiệt được làm nóng đến nhiệt độ nhất định. Khi độ ẩm thay đổi, khả năng dẫn nhiệt của không khí thay đổi, làm nhiệt độ giữa hai đầu dò chênh lệch, từ đó suy ra độ ẩm.

Bộ mạch chuyển đổi tín hiệu (Signal Conditioning Circuit)

Bộ mạch này có vai trò chuyển đổi các thay đổi vật lý (điện dung, điện trở hoặc hiệu ứng nhiệt) thành tín hiệu điện phù hợp như:

• Tín hiệu analog (0–5V, 0–10V hoặc 4–20mA).

• Tín hiệu số (Digital) qua các giao thức như I2C, SPI, UART.

• Đôi khi còn có mạch khuếch đại, lọc nhiễu để tăng độ chính xác và ổn định của tín hiệu.

Bộ xử lý tín hiệu hoặc vi điều khiển tích hợp (MCU/ASIC)

Ở các cảm biến thông minh, một vi điều khiển nhỏ tích hợp bên trong sẽ thực hiện các chức năng:

• Hiệu chuẩn tự động.

• Bù nhiệt độ (compensation).

• Xử lý thuật toán đo.

• Truyền dữ liệu ra hệ thống hiển thị hoặc điều khiển.

Bộ phận bảo vệ và vỏ ngoài

Để đảm bảo độ bền và khả năng làm việc ổn định, cảm biến thường được bọc trong một lớp vỏ chống ẩm, bụi hoặc chịu nhiệt. Một số loại có màng lọc hoặc lưới kim loại bảo vệ đầu dò cảm biến khỏi côn trùng, bụi mịn, hóa chất.

• Vật liệu phổ biến: nhựa ABS, polycarbonate, thép không gỉ hoặc nhôm chống oxy hóa.

• Một số cảm biến sử dụng lớp phủ nano để chống ăn mòn trong môi trường khắc nghiệt.

Cổng giao tiếp và dây kết nối

Tùy vào ứng dụng, cảm biến có thể có đầu nối cố định hoặc dây cắm ra. Các dạng kết nối phổ biến:

• Dạng dây 2–3–4 chân (với tín hiệu analog/digital).

• Đầu nối chuẩn M8/M12 dùng trong công nghiệp.

• Kết nối không dây: Zigbee, LoRa, Wi-Fi, Bluetooth trong các ứng dụng IoT.

Nguyên lý làm việc cảm biến đo độ ẩm