Sensores capacitivos

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Sensores capacitivos
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Sensores capacitivos são dispositivos tecnológicos que recebem e respondem a um estímulo físico/químico ou sinal. Por sua vez, esta tecnologia é baseada no princípios do capacitor, podendo detectar a presença de objetos sem o contato destes. O sensor é acionado quando detecta a presença do objeto a uma certa distância. O princípio de funcionamento baseia-se na mudança da capacitância da placa detectora localizada na região denominada sensível.
Índice
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1Princípio de funcionamento
2Tipo de objeto ou meio detectado
3Método de medição
4Aplicações
5Vantages e desvantagens
Princípio de funcionamento[editar | editar código-fonte]
Antes de compreender o funcionamento de um sensor capacitivo é importante saber alguns conceitos sobre capacitor. Um capacitor é um dispositivo bastante simples. Um capacitor é um componente eletrônico passivo que armazena carga e energia no campo eletrostático. Consiste em dois condutores elétricos (conhecidos como placas ) que armazenam cargas opostas. Essas placas são separadas por um tipo especial de isolador (isto é, um não condutor) conhecido como dielétrico. Por estas placas possuírem cargas opostas, o processo de armazenamento é caracterizado pela movimentação e transferência de elétrons de uma placa para outra. A diferença potencial causada por essa movimentação é o mesmo que a energia potencial armazenada na placa. A capacitância de um capacitor é a razão entre a diferença de potencial (DDP) entre as placas e a carga em cada uma das placas. Por sua vez, a capacitância é inversamente proporcional a distância entre as placas e diretamente proporcional a área das placas e a constante dielétrica do material isolante Baseando neste conceito sobre capacitor, os sensores capacitivos funcionam de modo bem semelhante ao capacitor. A diferença está na forma em que são arranjadas as placas, nos sensores as placas são dispostas paralelamente uma a outra. O princípio de funcionamento baseia-se na mudança da capacitância da placa detectora localizada na região denominada sensível, ou seja, quando o dielétrico do meio varia.
O funcionamento deste sensor capacitivo por sua vez, baseia-se na variação do campo elétrico no espaço em frente ao do eletrodo do sensor, o qual chamamos de zona ativa. O sensor será acionado quando o objeto se aproxima a uma certa distância e o mesmo é posicionado em frente a zona ativa . A distância em que o sensor é acionado é chamada de distância de comutação, a qual pode variar muito dependendo da constante de permissividade do diâmetro do sensor, do material e da massa do corpo aproximado e também na posição ao qual sensor é colocado. O sensor também é composto por um circuito de oscilador RC integrado. Com a aproximação de uma substância metálica ou não metálica na zona ativa, o valor da capacitância alterará. Com a variação da capacitância, a frequência do circuito oscilador muda. Esta mudança de frequência é enviada para um outro circuito chamado de detector, onde este irá transformar a variação da frequência ocasionada pela variação da capacitância em sinal de tensão. O circuito trigger schmitt por sua vez, tem como finalidade transformar o sinal de tensão em uma onda quadrada. Por fim, mas não menos importante, o circuito comutador. O circuito comutador é onde a onda quadra será excitada e transferida para os circuitos externos.
Tipo de objeto ou meio detectado[editar | editar código-fonte]
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.
Método de medição[editar | editar código-fonte]
Para a medição de capacitâncias pequenas, utilizamos tais métodos:
O método consiste em amplificadores de carga para medir os elétrons que são transpostos durante a variação de capacitância, quando esta recebe a aplicação de tensão de corrente contínua. Este tipo de método é mais usado para quando essa variações são rápidas ou de intervalos curto de tempo.
Método de medição
Outro método é feito a partir dos sistemas modulados em frequência. Uma conexão entre o capacitor de medição e uma indutância interligada a um circuito ressonante é capaz medir frequência de ressonância, logo então, consegue-se medir a capacitância deste sensor.
Aplicações[editar | editar código-fonte]
Atualmente, há uma vasta gama de variedade das aplicações que utilizam sensores capacitivos. Por exemplo, medição de grandezas físicas, tais como, a velocidade e a aceleração linear e angular de um objeto, nível de líquidos ou sólidos, força, torque, pode utilizar no sensoriamento direto de presença de pessoas, objetos e até mesmo líquidos. Este tipo de sensor costuma ter uma grande precisão em suas medições.
No mundo moderno, a adaptação por este tipo de sensor foi se tornando cada vez mais essencial, pois a utilização dos mesmos tem possibilitado melhorias no controle de processos industriais, como também tem facilitado procedimentos na vida cotidiana. Com o avanço da tecnologia, a demanda deste tipo de sensor tem aumentado, aumentando consequentemente a diversificação das aplicações e de produtos que utilizam-no.
Os sensores capacitivos tem a capacidade de detectar objetos de natureza metálica ou não, tais como : Cimento, argila, plástico, vidro, cerâmica e entre outros
Veja abaixo 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.
Vantages e desvantagens[editar | editar código-fonte]
Vantagem da utilização
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.
Entre as desvantagens, destacam-se as seguintes
• Sensibilidade altíssima a fatores ambientais, como umidade, temperatura; podendo afetar a distância sensora (distância em que o objeto ativa o sensor)
• Este tipo de sensor só é capaz de medir e detectar objetos a uma distância muito pequena, esta é variada de acordo com o material a ser detectado.
Referências
Referência
[1] Nilson, James W.; Susan A. Riedel. Circuitos elétricos. 10 ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil,2015.
[2] Rosário, João Maurício; Princípios de mecatrônica. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.
[3] Halliday, David.; Walker, Jearl.; Fundamentos de física: eletromagnetismo. Rio de Janeiro: LTC, 2009.
[4] Mizuguchi, Jaime.; Sensores capacitivos por efeito de campo de borda aplicados à quantificação do molhamento foliar e da água presente no solo. Dissertação de Mestrado. Londrina: Universidade Estadual de Londrina, 2014.
[5] Paiter, Leandro.; Sensor para análise das características físico-químicas de óleo de soja por meio da constante dielétrica. Dissertação de Mestrado. Ponta Grossa: Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2015.
[6] https://www.citisystems.com.br/sensorcapacitivo/ - Consultado em 02/12/2017
[7] https://pt.slideshare.net/MarioTimotius/sensores-capacitivos-69742587- Consultado em 02/12/2017
[8] http://www.schmersal.com.br/nc/produtos/automacao/produto/action/detail/product/sensores-indutivos-e-capacitivos/- Consultado em 02/12/2017
Como funcionam os sensores capacitivos (ART761)
Uma tecnologia em alta nos dias atuais é a que aproveita o aumento da capacitância de um circuito quando aproximamos nossos dedos, que funciona como uma das armaduras de um capacitor. No caso específico dos projetos com microcontroladores, essa tecnologia possibilita a utilização de abordagem muito interessante para se " ler" quando alguém toca no sensor. É justamente dela que tratamos nesse artigo.
O simples toque dos dedos num painel pode ser aproveitado para comutar circuitos de diversas formas. A maneira mais tradicional, e não muito conveniente, é a que aproveita a resistência de pele. Tocando simultaneamente em dois eletrodos, uma pequena corrente passa através do dedo e é detectada pelo circuito, conforme mostra a figura 1.
 
Figura 1
 
No entanto, uma tecnologia muito mais apropriada e que não necessita do contacto elétrico dos dedos com um circuito, o que, em termos de segurança é muito melhor.
A tecnologia do sensoriamento capacitivo é usada em uma infinidade de equipamentos eletrônicos. No entanto, como detectar o toque ou a variação da capacitância é algo que exige que se vençam diversos desafios.
No caso específico dos microcontroladores, pode-se trabalhar com uma tecnologia direta bastante interessante que abordamos nesse artigo.
 
Sensores Capacitivos
Se colocarmos duas placas condutoras, uma próxima da outra tendo sobre elas um material isolante (dielétrico) como, por exemplo, o vidro ou plástico, o conjunto se comporta como um capacitor, conforme mostra a figura 2.
 
Figura 2
 
A capacitância apresentada por esse conjunto depende do dielétrico e do tamanho e separação das placas condutoras. Quando tocamos com o dedo na placa isolante, sem fazer contacto elétrico portanto com os eletrodos (armaduras), o dedo passa a apresentar uma capacitância adicional, como mostra a figura 3.
 
Figuras 3
 
A capacitância total apresentada pelo conjunto passa a ser então a soma das capacitâncias do sensor em sí, mais a capacitância apresentada pelo dedo.
Em suma, o circuito vê o conjunto de duas formas: com uma capacitância menor quando não há nada tocando e uma capacitância maior quando os dedos o tocam.
Partindo desse fato, o toque pode ser detectado pela variação da capacitância que ocorre quando alguém toca no sensor. Para essa finalidade existem diversas tecnologias possíveis como, por exemplo, detectar a mudança de freqüência de um oscilador cuja freqüência é controlada por esse capacitor ou ainda, como veremos a seguir, pela variação do tempo (contagem) que o sensor demora para carregar quando está sem o toque e quando há o toque.
Outra possibilidade consiste em se utilizar um oscilador em manutenção crítica, o qual paralisa seu funcionamento quando a capacitância aumenta.
 
As Tecnologias
Uma tecnologia simples, porém não muito conveniente, é a que faz uso de um filtro passa baixas ou ainda de um filtro sintonizado. Nesse caso, o sensor capacitivo controla a freqüência de um oscilador cujo sinal é aplicado a esse filtro.
Na condição de nenhum toque, a freqüência fica acima da faixa passante do filtro ou da freqüência sintonizada pelo filtro e nenhum sinal de controle passa.
Quando alguém toca no sensor, a freqüência cai abaixo da freqüência de corte do filtro ou passa pela freqüência sintonizada gerando assim um sinal de controle.
Para a tecnologia dos microcontroladores, um processo muito melhor é o que faz uso da contagem da comparação da freqüência de um oscilador controlado pelo sensor com um valor pré-determinado, conforme ilustra o diagrama da figura 4.
 
Figura 4
 
A capacitância típica de um sensor desse tipo está na faixa de 5 a 15 pF e a freqüência do oscilador que ele controla está na faixa de 100 kHz a 400 kHz. A freqüência exata do oscilador não é importante, pois o que vai se programar é apenas uma comparação de pulsos contados a partir de certo valor.
Assim, o microcontrolador é programado para contar os pulsos num intervalo de tempo quando não há toque algum e portanto tem o valor máximo (freqüência mais alta).
Os pulsos do oscilador são contados e comparados com uma referência que corresponde ao valor que vai ocorrer quando a capacitância aumentar, ultrapassando certo valor o que indica o toque.
Assim, o que se faz é determinar a faixa de pulsos abaixo da qual o comparador vai atuar, fornecendo um sinal de saída que indica o toque.
 
Solução Microchip
Em seu Application Note AN1101, a Microchip (www.microchip.com) apresenta um circuito oscilador que pode ser elaborado em torno de um PIC usando uma configuração RC para gerar o sinal na faixa de freqüências desejada. Esse oscilador é mostrado na figura 5.
 
Figura 5
 
O circuito aproveita dois comparadores, funcionando no modo de relaxação. O capacitor de 1 000 pF tem por finalidade rejeitar o ruído de alta-freqüência da fonte de alimentação.
Nesse circuito o capacitor carrega e descarrega segundo um ciclo que é mostrado na figura 6.
 
Figura 6
 
Uma vez que o oscilador tenha sido projetado, o problema seguinte consiste em se detectar a queda da freqüência que ocorre quando a capacitância do sensor aumenta (pelo toque).
 
Figura 7
 
O circuito da figura 7 mostra como isso pode ser feito com um PIC. Nesse circuito o pino C2OUT é usado tanto para fornecer o sinal de realimentação que mantém o oscilador em funcionamento como também aplica o sinal à entrada de clock do Timer1, TICK1.
Cada vez que a saída C2OUT muda de nível lógico , o Timer1 vai incrementar a contagem de uma unidade. No entanto, esse evento ainda não serve para fazer o sensoriamento capacitivo.
Para se conseguir isso, uma base de tempo fixa é usada para medir a freqüência num determinado intervalo de tempo. O Timer0 é usado para essa finalidade No início da medida, o Timer0 é zerado e depois contará até 255 e então vai transbordar.
No transbordamento (overflow), o Timer0 interrompe T0IF o que faz com que o vetor de programa interrompa a rotina de serviço. O valor de TMR1 é então lido e comparado com as leituras prévias. Isso consiste numa varredura única do botão sensor.
Se o valor atual de TMR1 é mais baixo, isso significa que a capacitância aumentou e a freqüência caiu o que foi causado pela presença do dedo no sensor.
Com lógica apropriada, novos valores podem ter a média tirada e comparados com uma média de referência, resultando assim num melhor processo de comparação.
No final da interrupção da rotina de serviço, uma vez que seja detectada a ativação do sensor, tanto o Timer1 como o Timer0 são ressetados para um novo ciclo de leitura do sensor.
Mais informações sobre esse procedimento o leitor encontra no AN1101 inclusive as rotinas que devem ser utilizadas na programação para essa finalidade.
 
Conclusão
A possibilidade de fácil implementação de sensores de toque capacitivos em circuitos comuns que usam microcontroladores, além da segurança que trazem, pela não necessidade de contactos elétricos tornam essa opção muito interessante para equipamentos de consumo.O que vimos nesse artigo dá uma idéia ao leitor de como isso pode ser implementado não só nos microcontroladores da Microchip como em quaisquer outros.
SENSOR CAPACITIVO: O QUE É E COMO FUNCIONA
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Vantagens e desvantagens do sensor capacitivo ou sensor detector de proximidade de efeito capacitivo. Este tipo de sensor permite a detecção sem contato e a medição linear de pequenos deslocamentos, da ordem de aproximadamente zero até três centímetros com uma resolução que pode chegar à nanométrica.
Embora apresente a mesma função principal, o sensor capacitivo possui algumas características diferentes em relação aos sensores de proximidade que operam a partir de corrente parasita, tais como os sensores indutivos.
Antes de entender o funcionamento de um sensor capacitivo, são necessárias algumas definições. 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.
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.
Figura 1. Sensor capacitivo ou Sensor de proximidade capacitivo.
Vantagens e desvantagens do sensor capacitivo ou sensor detector de proximidade de efeito capacitivo. Este tipo de sensor permite a detecção sem contato e a medição linear de pequenos deslocamentos, da ordem de aproximadamente zero até três centímetros com uma resolução que pode chegar à nanométrica.
sensor capacitivo
Embora apresente a mesma função principal, o sensor capacitivo possui algumas características diferentes em relação aos sensores de proximidade que operam a partir de corrente parasita, tais como os sensores indutivos.
1 – Funcionamento e construção do sensor capacitivo
Antes de entender o funcionamento de um sensor capacitivo, são necessárias algumas definições. 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.
Figura 2. 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.
2 – Sensores de proximidade: sensor capacitivo X sensor indutivo.
Nas aplicações industriais, existem casos em que o sensor capacitivo leva vantagem. Em outros casos, os sensores de indução oferecem maiores vantagens. E existem situações em que as demais categorias de sensores, como os ópticos ou ultrassônicos, podem suprir melhor a necessidade do projeto por possuírem maior alcance.
Considerando o efeito de campo elétrico do sensor capacitivo e o efeito de campo magnético do sensor indutivo, diversas diferenças de operação são notáveis. A tabela 1 apresenta uma análise comparativa entre as duas famílias de sensores de acordo com determinados fatores de operação.
Tabela 1. Comparação resumida entre as categorias de sensor capacitivo e indutivos.
De acordo com a tabela 1 é possível verificar que, em determinadas situações, a escolha do sensor capacitivo é mais adequada. Como por exemplo, situações em que é necessária a instalação de sensores lado a lado ou em embutidos partes metálicas, onde o campo magnético do sensor indutivo pode causar maior interferência. Além de detectar também materiais não condutores.
Por outro lado, os sensores indutivos possuem melhor alcance e permitem melhor operação sujeita a poeira e sujeira. Visto que possuem uma vedação muito boa além de não captar os materiais não condutores.
3 – Aplicações do Sensor Capacitivo
Devido a sua alta precisão, boa parte das aplicações destes sensores tem relação com a medição de precisão. Algumas destas aplicações específicas dos sensores capacitivos estão listadas abaixo:
– Medição de posicionamento com alta precisão:
– Medição de espessura:
– Testes de linha de produção/verificação de uniformidade nas dimensões dos mecanismos produzidos.
– Identificação da composição de certos materiais de diferentes permissividades.
– Aplicações gerais de sensores: Chave fim de curso sem contato, contador, entre outras funções.
Portanto, conclui-se que o sensor capacitivo é muito útil quando uma resolução alta é necessária. Além de possuir funções que complementam certas limitações dos sensores indutivos e vice-versa.
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