Sensor capacitivo

Funcionamento de uma tela de toque.

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.

Princípio de funcionamento

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

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

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

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

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;

• Possui um excelente MTBF("Mean Time Between Failures").

Entre as desvantagens, destacam-se as seguintes

• Sensibilidade altíssima a fatores ambientais, como umidade; podendo afetar a distância sensorial (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.

Ver também

• Ecrã multitactil
• Ecrã tátil
• Painel tátil
• Painel tátil óptico
• Stylus

Referências

[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