ESTUDO DO PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SENSOR CAPACITIVO

Prévia do material em texto

ESTUDO DO PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DO SENSOR CAPACITIVO 
ANDRÉ DA COSTA OLIVEIRA FILHO 
RU:1232565 
Centro Universitário Uninter 
Pap – Rua Antonino Freire, nº 1491 – Centro 
Cep: 64000-000 Teresina – PI 
e-mail: costafil@hotmail.com 
 
 
INTRODUÇÃO 
 Um sensor ou transdutor capacitivo é um condensador que exibe uma variação do 
valor nominal da capacidade em função de uma grandeza não elétrica. Uma vez que um 
condensador consiste basicamente num conjunto de duas placas condutoras separadas por 
um dielétrico, as variações no valor nominal da capacidade podem ser provocadas por 
redução da área frente a frente e da separação entre as placas, ou por variação da constante 
dielétrica do material. Quando algum objeto é aproximado do sensor ocorre variação 
de capacitância e o sistema de controle passa atuar em razão desta variação. Sua aplicação 
está voltada para monitorar objetos não metálicos, podendo ser utilizado nas mais diversas 
aplicações da área eletroeletrônica. 
 Antes de entender o funcionamento de um sensor capacitivo, são necessárias 
algumas definições como: 
. Capacitância - é a capacidade de um material de armazenar carga elétrica. No campo da 
eletrônica, este princípio é geralmente associado ao dispositivo armazenador de energia 
chamado capacitor. 
 
 Representação de um capacitor de placas paralelas. 
 
 
 Para melhor entendimento, considere um capacitor de placas paralelas. Este tipo de 
capacitor possui duas placas de material condutor posicionadas paralelamente e, entre elas, 
existe um material isolante (dielétrico). O valor da capacitância mútua é proporcional ao 
índice de permissividade do material dielétrico, que é uma propriedade do material, e à área 
“A” das placas. E é inversamente proporcional à distância “D” entre as superfícies. 
 O sensor capacitivo opera de forma similar ao capacitor. No entanto a capacitância 
do sensor é variável de acordo com a distância entre a superfície de leitura do sensor e o 
material a ser detectado. Também podem ocorrer mudanças na capacitância do sensor pela 
captação de material condutivo ou dielétrico. A alteração da capacitância por fim representa 
uma variação no sinal elétrico emitido pelo dispositivo. 
 Existem diversos tipos de capacitores, de acordo com o material empregado como 
dielétrico que pode ser sólido, líquidos ou gasosos. Os dielétricos sólidos são provavelmente 
o tipo mais utilizado na engenharia elétrica, pois muitos sólidos são bons isolantes. Alguns 
exemplos incluem a porcelana, vidro e plásticos. O ar e o hexafluoreto de enxofre são 
dielétricos gasosos comumente utilizados. Exemplos de materiais dielétricos utilizados em 
capacitores: cerâmica, mica, poliéster, tântalo, óleo mineral, soluções eletrolíticas etc.. 
 Hoje em dia existe uma grande variedade de aplicações que utilizam sensores 
capacitivos, de forma discreta ou integrada. Por exemplo, são bastante comuns os sensores 
capacitivos de pressão (caso dos microfones), de aceleração, de fluxo de gases ou líquidos, 
de umidade, de compostos químicos como o monóxido de carbono, dióxido de carbono, 
azota, de temperatura, de vácuo, de nível de líquidos, de força, de deslocamento, etc., uns 
detectando as variações na espessura do dielétrico, outros na constante dielétrica. A detecção 
da variação da capacidade é geralmente efetuada através da medição da carga acumulada. 
Por exemplo, através da aplicação de uma tensão constante, ou então indiretamente através 
da variação da frequência de oscilação ou da forma de onda à saída de um circuito, do qual o 
sensor é parte integrante. Nas figuras abaixo se apresentam os esquemas simplificados de 
alguns dos sensores capacitivos mais vulgarmente utilizados. 
 
 Sensores capacitivos de deslocamento (a), de umidade (b) e de som (c) 
 
 
DESENVOLVIMENTO 
 
1 - Princípio de funcionamento 
 Para facilitar o estudo acerca de sensores capacitivos é importante conhecer o 
conceito básico do capacitor, conhecido também como condensador. O capacitor é um 
componente capaz de armazenar energia potencial elétrica e carga elétrica. Geralmente 
composto por placas condutoras separadas por um material isolante chamado dielétrico. O 
processo de armazenamento da carga elétrica consiste em retirar elétrons de uma placa e 
transferir para outra. Esta movimentação dos elétrons é igual à energia potencial elétrica 
armazenada no capacitor devido à diferença de potencial entre as placas. 
 A razão entre a diferença de potencial entre as placas do capacitor e a carga 
armazenada em cada uma das placas determina o valor de capacitância do capacitor. A 
capacitância é diretamente proporcional à área das placas e da constante dielétrica do 
material isolante e inversamente proporcional à distância entre as placas. Essa capacitância 
será constante se a geométrica do sistema não alterar. 
 A diferença básica entre um sensor capacitivo e um capacitor convencional está na 
forma como suas placas estão dispostas. Nos capacitores as placas são dispostas uma sobre a 
outra e nos sensores capacitivos uma ao lado da outra. Nos sensores capacitivos o dielétrico é 
o ar, que tem constante dielétrica igual a 1. Assim quando algum objeto, com constante 
dielétrica maior do que 1, é aproximado da zona de atuação do sensor o valor da capacitância 
sofre alteração. 
 O princípio de funcionamento dos sensores capacitivos baseia-se na variação de 
capacitância de um elemento sensor para determinar a frequência de um oscilador, circuito 
ressonante, no circuito de controle que processa a variação da frequência acionando um 
circuito de comutação, suficiente para acionar circuitos externos ao sensor, podendo ser 
facilmente integrado a controladores lógicos programáveis (CLP) ou até mesmo a pequenos 
controladores. 
 Estes sensores são fabricados com alta tecnologia e técnicas avançadas, permitindo 
que todo conjunto eletrônico seja acomodado em um invólucro plástico ou metálico e 
encapsulado em resina de alta densidade para tornar um sensor resistente às condições mais 
severas de utilização. 
Exemplos: 
 
 
Sensores Capacitivos 
2 – Tipos de objetos ou meio detectado pelos sensores capacitivos 
 Sensores capacitivos podem ser utilizados nos mais variados tipos processos, são 
capazes de monitorar e detectar a presença de pós, concentração de gases, objetos e produtos 
de natureza orgânica e mineral, metais e não metais, sólidos e líquidos, mesmo quando 
totalmente submersos no produto. 
 De modo geral um sensor capacitivo pode ser utilizado para detectar materiais 
diferentes, por exemplo, um sólido ou um líquido sendo necessária apenas a calibração do 
sensor de acordo com o material a ser detectado. A calibração é realizada por meio de ajuste 
no circuito de controle para que possa atuar conforme a frequência determinada na 
aproximação do objeto ao campo de atuação do sensor. 
 
3 – Tipos de aplicações dos sensores capacitivos 
 Os sensores capacitivos são bastante dinâmicos, podem ser aplicados em várias 
situações onde há necessidade de detectar, de forma precisa, objetos ou materiais de natureza 
não metálica. Veja alguns tipos de aplicações: 
 . Controle de nível; 
 . Detectar o conteúdo de caixas em linha de produção; 
 . Controle do nível de grãos em silos; 
 . Monitorar a concentração do pó de arroz em silos; 
 . Contagem de garrafas, cheias ou vazias, em linha de produção; 
 .Identificar falha no envaze de produtos embalados em frascos de plástico; 
 . Medidores de posicionamento com alta precisão; 
 . Medidores de espessura; 
 . Identificar a composição de materiais com base na permissividade; 
 . Identificar posicionamento de fim de curso; 
 . Contadores em linhas de produção; 
 . Medição de umidade relativa; 
 . Analise de óleo mineral, de soja, entre outros; 
 . Sensores de pressão (utilizado na fabricação de microfones) e 
 . Monitoramento da concentração de gases. 
 O avanço da tecnologia tem favorecido a utilização das técnicas de sensoriamento 
capacitivo aumentando ainda mais as possibilidades de aplicações e nos mais variados 
produtos, como exemplo, telas e painéis táteis facilmente identificados em televisores, 
monitores de vídeo, computadores, tablets e smartphones. 
 
 
 
4 – Vantagens de utilização do sensor capacitivo 
 Entre as vantagens de utilizar sensores capacitivos, destacam-se as seguintes: 
 . Detectam objetos e materiais líquidos, sólidos, gasosos, metais e não metais; 
 . Capazes de detectar materiais ou objetos através de outros; 
 . Detectam objetos com dimensões reduzidas; 
 . Possui diversas configurações que facilitam a montagem; 
 . Alta resolução e precisão na diferenciação dos materiais; 
 . Acionamento sem contato físico; 
 . Chaveamento em estado sólido, que aumenta a durabilidade; 
 . Alta velocidade de resposta; 
 . Excelente MTBF(tempo médio entre falhas). 
 
 
CONCLUSÃO 
 
 
 Os sensores capacitivos são utilizados numa infinidade de aplicações práticas em 
nosso cotidiano, seja para aplicações diretas que envolvam presença, movimento, 
composição química, campo elétrico, por exemplo, ou de forma indireta utilizando-o no 
sensoriamento de qualquer grandeza que possa ser convertida em movimento ou em 
constante dielétrica. 
 É largamente empregado na indústria em: Máquinas operatrizes, Injetoras de 
plástico, Máquinas para madeira, Máquinas de embalagem, Linhas transportadoras, 
Indústrias automobilística, Indústria de frascos de vidro, Indústria de medicamentos e etc.; e 
para a solução de problemas gerais de automatização, tornando-se um importante 
instrumento de controle nos processos. 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
http://www.ufrgs.br/eng04030/Aulas/teoria/cap_07/senscapa.htm 
http://www.mecatronica.eesc.usp.br/wiki/upload/2/2b/SEM0539_AulaLab1.pdf, 
http://www.mecaweb.com.br/eletronica/content/e_sensor_capacitivo 
http://www.cargill.com.br/pt/produtos-servicos/industrial/especialidadesindustriais/fluido-
dieletrico/index.jsp 
http://www.newtoncbraga.com.br/index.php/como-funciona/5849-comofuncionam-os-
sensores-capacitivos-art761 
https://pt.wikipedia.org/wiki/Sensores_capacitivos