Estudo Princípio de funcionamento do sensor capacitivo

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CENTRO UNIVERSITÁRIO INTERNACIONAL UNINTER
ESCOLA SUPERIOR POLITÉCNICA
BACHARELADO EM ENGENHARIA elétrica
materiais elétricos
Estudo do princípio de funcionamento do sensor capacitivo
 
Gerson almeida ribeiro
prof. Eliane silva custódio
curitiba - pr
2021
SUMÁRIO
1	INTRODUCAO	1
1.1	FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA	1
1.2	OBJETIVOS	5
1.2.1	Objetivo geral	5
1.2.2	Objetivos específicos	5
2	desenvolvimento	5
2.1	PRINCÍPIO de funcionamento de um capacitor	6
2.2	Princípio de funcionamento de sensores capacitivos	6
2.3	Materiais utilizados para construção	7
2.4	Quais os tipos de objetos ou meios os sensores capacitivos podem detectar por proximidade	8
2.5	Vantagens de utilizar este tipo de sensor	9
2.6	outros tipos de sensores e suas principais aplicações	9
3	CONCLUSÕES	11
4	REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	12
1. INTRODUCAO
Com os avanços tecnológicos as indústrias estão cada vez mais investindo em tecnologias que atendam suas demandas e necessidades, desta forma, os sensores têm recebido uma grande atenção quanto as suas aplicabilidades e características, os sensores estão cada vez mais exatos e precisos, e ainda com diferentes tipos de aplicação.
Neste trabalho será abordo temas sobre os sensores capacitivos, sensores esses com alta aplicabilidade e de funcionamento bastante específico.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Sensor é o termo usado para designar dispositivos sensíveis a alguma forma de energia, podendo ser anergia térmica, luminosa, cinética relacionando informações sobre uma grandeza que precisa ser medida, como: temperatura, pressão, velocidade, posição etc. (THOMAZINE E ALBUQUERQUE, 2001). Conforme mostra a Figura 1 abaixo.
Luz
Calor
Figura 1 – Sinais que um sensor pode receber.
Basicamente existem dois tipos de sensores, os sensores analógicos e os sensores digitais, os sensores analógicos são sensores capazes de medir grandezas dentro de uma escala de medição, por exemplo o valor de uma temperatura, pressão, nível etc. já os sensores digitais são sensores capazes de enviar sinais somente em dois estados, 0 e 1 ou Verdadeiro e Falso desta forma a maior aplicação desse sensores são para indicar situações como nível máximo ou mínimo, temperatura máxima ou mínima, ou seja, apenas o estado. A Gráfico 1 e 2 abaixo demonstra os sinais dos sensores analógicos e digitais respectivamente.
Som
Gráfico 1 – Sinal de um sensor analógico.
Gráfico 2 – Sinal de um sensor digital.
Além do tipo de sensor, também existe características do tipo de sinal que é enviado para o controlador ou CLP (Controlador Lógico Programado). 
O tipo de sinal irá depender de cada sensor, sendo:
a) Sensores Digitais
Normalmente em sensores digitais é usado apenas sinais em tensão (volts) que podem variar entre conforme a Tabela 1 abaixo.
	Valor Falso (0)
	Valor Verdadeiro (1)
	0 V
	5 V
	0 V
	10 V
	0 V
	24 V
Tabela 1 – Tipos de sinais para sensores digitais.
b) Sensores Analógicos
Para sensores analógicos os sinais podem ser do tipo pôr tensão (volts) ou corrente (miliamperes), conforme a Tabela 2 abaixo.
	
	Range
	Tipo
	Menor Valor
	Maior Valor
	Corrente
	4 mA
	20 mA
	
	0 mA
	20 mA
	Tensão
	0 V
	5 V
	
	0 V
	10 V
	
	-10 V
	10 V
Tabela 2 – Tipos de sinais para sensores analógicos.
No memento da escolha de um sensor, principalmente se ele for do tipo analógico, vários outros aspectos também devem ser analisados, como: sensibilidade, exatidão, precisão, linearidade, alcance (range), estabilidade e velocidade de resposta. Cada um desses aspectos será apresentado logo abaixo.
a) Sensibilidade
É a relação entre a variação da grandeza, seja ela uma temperatura ou pressão por exemplo, e a variação na medida fornecida pelo sensor. Dessa forma pode-se concluir que, quando uma temperatura sobe, o sensor deve perceber que realmente essa temperatura subiu e indicar essa variação com o aumento do seu valor de saída.
b) Exatidão
Segundo o VOCABULARIO INTERNACIONAL DE TERMOS FUNDAMENTAIS E GERAIS DE METROLOGIA, exatidão é a aptidão de um instrumento de medição em dar respostas próximas a um valor verdadeiro.
c) Precisão
É a característica relativa ao grau de repetibilidade do valor medido por um sensor, ou seja, é erro relativo máximo que o dispositivo pode apresentar em várias medições. 
d) Linearidade
É a curva obtida ao plotar os valores medidos por um sensor, como visto na Figura 2 abaixo.
Figura 2 – Linearidades dos sensores.
e) Alcance (Range)
Faixa de medição do sensor, até que valor o sensor pode ler.
f) Estabilidade
Está relacionado a flutuação da saída do sensor.
g) Velocidade de Resposta
É a velocidade com que a medida fornecida pelo sensor alcança o valor real que ele está medindo.
OBJETIVOS
Esta atividade prática de Materiais Elétricos tem como intuito aprofundar os conhecimentos dos conceitos ensinados na disciplina. Com esta pesquisa o aluno será capaz de entender o princípio de funcionamento dos sensores capacitivos de forma geral e suas aplicações práticas.
Objetivo geral
Aprofundar o conhecimento sobre os sensores capacitivos.
Objetivos específicos
· Intender o princípio de funcionamento dos sensores capacitivos;
· Saber quais são os materiais utilizados para a construção dos sensores capacitivos;
· Quais os tipos de objetos ou meios os sensores capacitivos podem detectar por proximidade;
· Vantagens de utilizar esse tipo de sensor;
· Comentar sobre outros tipos de sensores e suas principais aplicações.
desenvolvimento
Para intender o funcionamento dos sensores capacitivos, primeiramente é interessante compreender um pouco sobre o que é um capacitor e capacitância, capacitor é um componente que armazena cargas elétricas num campo elétrico a partir do momento que é conectado em um circuito com algum diferencial de tensão, já a capacitância é determinada pela quantidade de energia elétrica que pode ser armazenada oriunda de uma fonte de tensão. A unidade da capacitância é o farad (F) e pode ser medida a partir da Eq. (1) abaixo.
		(1)
Onde: 
C – Capacitância em Farad;
q – Quantidade de carga em Coulomb;
U – Potencial elétrico em Volts.
PRINCÍPIO de funcionamento de um capacitor
Um capacitor tem como sua principal características a capacidade de armazenar cargas elétricas em duas placas que são separadas por um material dielétrico, essas placas ficam próximas uma da outra, e a partir daí é criado um campo elétrico entre elas através do material dielétrico.
Figura 3 – Representação de um capacitor.
Princípio de funcionamento de sensores capacitivos
Os sensores de proximidade capacitivos trabalham baseado no funcionamento de um capacitor, eles são projetados para gerar um campo eletrostático, e em seguida detectam a mudança desse campo a partir do momento que se aproximam de um objeto alvo.
Na ausência de um alvo o sensor fica inativo, e na medida que o alvo se aproxima ele aumenta sua capacitância, quando a capacitância atinge um valor determinado o sensor é ativado e circuito de saída muda seu estado do 0 para 1 ou de falso para verdadeiro, como já estudado na fundamentação teórica.
Figura 4 – Funcionamento de sensor capacitivo.
Materiais utilizados para construção
As partes internas de um sensor capacitivo consistem em uma ponta capacitiva, um oscilador, um demodulador, um circuito de sincronismo e um circuito de saída. 
Figura 5 – Diagrama de um sensor capacitivo.
	Cada parte do sensor será explicado abaixo:
· Ponta capacitiva:
Responsável por detectar o meio dielétrico do alvo, que dependerá do tamanho e constante dielétrica do alvo, tem o funcionamento parecido com o capacitor.
· Oscilador:
O oscilador receberá o sinal da ponta capacitiva que irá oscilar de acordo com a capacitância enviada a ele, quando o alvo se aproxima do sensor o oscilador terá sua maior amplitude e frequência.
Figura 6 – Sinal de oscilador de um sensor capacitivo.
· Demodulador:
O demodulador irá adquirir o sinal do oscilador e tratar ele de uma forma que se transforme no sinal que é lido pelo circuito de sincronismo.
· Circuito de sincronismo:
O circuito de sincronismo ou filtroirá disponibilizar o sinal digital para o circuito de saída.
· Circuito de saída:
Responsável por enviar o sinal de saída para o CLP ou controlador, trata-se de um circuito transistorizado capaz de comutar entre os estados de ativo e inativo para enviar o sinal de 0 (inativo) ou 1 (ativo).
Quais os tipos de objetos ou meios os sensores capacitivos podem detectar por proximidade
Os sensores capacitivos são indicados para detectar materiais metálicos e não metálicos, tais como: água, óleo, pós, grãos, madeira, papelão etc.
Para detectar o objeto, existe alguns fatores importantes, como o tamanho, distância e constante dielétrica do material. Quanto maior for o objeto melhor será para detectar, quando mais próximo do sensor estiver o objeto melhor também para detectar, e materiais com constante dielétricas altas são mais fáceis de detectar que aqueles com valores mais baixos. Abaixo pode-se observar a constante dielétrica de alguns materiais.
Tabela 1 – Constantes dielétricas de alguns materiais.
Vantagens de utilizar este tipo de sensor
A maior vantagem desse tipo de sensor é a capacidade de detectar diferentes tipos de materiais, dessa forma tem-se várias aplicações, como controle de nível de silos, que podem conter grãos, contagem de caixas em uma linha produção, conferir presença de líquidos em francos ou tanques. 
outros tipos de sensores e suas principais aplicações
Alguns outros tipos de sensores e aplicações são mostrados abaixo:
· Sensores indutivos:
De funcionamento parecido com sensores capacitivos, porém sua característica é que só é possível detectar objetos metálicos, sua aplicação é voltada a posicionamento de objetos metálicos, como por exemplo posição de válvulas.
Figura 7 – Sensor indutivo.
· Sensor de proximidade magnético (Reed Swicht)
Baseado no uso de campos magnéticos para seu acionamento, onde transformam esse campo em um sinal elétrico. Na parte interna do sensor existe uma lâmina que quando inserida em um campo magnético acaba se movendo fazendo contato com outra lâmina deixando passar uma pequena corrente elétrica que será usada para o sinal do sensor. Tem uma vasta aplicação em circuitos pequenos com semicondutores, encontrado em portão elétrico, chaves de fim de curso etc.
Figura 8 – Reed Switch
· Sensores de temperatura tipo PT100
Esse sensor é capaz de medir temperatura pela variação da sua resistência, quanto maior a temperatura, maior será a resistência medida no sensor. Tem uma grande aplicação em indústrias, principalmente para medições de temperaturas entre 0 °C e 500 °C e que precisem de uma boa precisão, podendo ser usado para medição de temperaturas de motores, redutores etc.
Figura 9 – Sensor PT100.
CONCLUSÕES
Conclui-se assim, que os sensores capacitivos têm bastante aplicações em diversas áreas, tendo em vista que seu funcionamento é bem peculiar, porém usando materiais e dispositivos bastante convencionais no ambiente eletroeletrônico, existem várias vantagens da utilização desse tipo de sensor devido ao seu enorme campo de aplicação, no entanto também foi visto que existem outros sensores com suas respectivas aplicações que podem ser usados em várias situações.
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REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANDRADE FILHO, A. P; ANDRADE, T. M. Sensores Capacitivos, Especificação Em Aplicações De Processos Industriais. In: Encontro de Desenvolvimento de Processos Agroindustriais, Uberaba – MG, 2020.
HELFRICK, Albert D. COOPER, William D. Instrumentação Eletrônica Moderna e Técnicas de Medição. Editora Prentice Hall do Brasil. 1ª edição. Rio de Janeiro. 1994. 324 p.
THOMAZINI, Daniel. ALBUQUERQUE, Pedro Urbano Braga de. Sensores Industriais: fundamentos e aplicações. Editora Érica. 7ª edição. São Paulo. 2010. 224 p.
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