Sensores Capacitivos, Indutivos e Fotoelétricos - Parte 1 (ART1174)

Na escolha de sensores para uma aplicação é preciso que o profissional conheça bem o princípio de funcionamento, as vantagens e limitações de cada tipo antes de fazer a escolha certa. Um sensor que não atenda às necessidades de um projeto pode ser muito perigoso, causando falhas capazes de comprometer seu funcionamento e mais do que isso, até mesmo a segurança. A Metaltex possui uma ampla linha de sensores, com destaque para os tipos capacitivos, indutivos e fotoelétricos de que trataremos neste artigo.

 

Escolha do Sensor

Ao se escolher um sensor para uma aplicação o profissional deve levar em conta as vantagens e desvantagens de cada tipo, na aplicação específica. Isso significa que um sensor que pode ser excelente uma numa aplicação, pode não ser o mais recomendado em outra.

São os seguintes os fatores que devem ser levados em conta ao se escolher um sensor?

 

a) Faixa de saída

A faixa de saída é a especificação normalmente adotada para sensores elétricos, ou seja, aqueles que fornecem um sinal (corrente, tensão ou frequência) em sua saída, para processamento por um circuito. Trata-se da variação da grandeza obtida na saída que corresponde à variação da grandeza medida. Veja que existem sensores que não trabalham com sinais elétricos, e para os quais esta especificação também pode ser adotada. Por exemplo, um sensor que acione uma escala mecânica pode ter indicada a faixa de saída pelo deslocamento de um ponteiro.

 

b) Precisão

A precisão é a especificação que indica qual a diferença que pode ocorrer entre o valor real da grandeza medida e o valor apresentado na saída. A precisão pode ser dada tanto por um valor médio, um máximo como também através de um gráfico para toda a faixa de atuação do sensor. A precisão pode ser especificada através de um valor absoluto da grandeza, por exemplo, +/-1º C ou através de uma porcentagem, por exemplo, 99%.

 

c) Calibração

Muitos sensores necessitam de calibração, já que sua faixa de atuação pode se alterar com o tempo ou ainda com as variações das condições ambientes.

 

d) Custo

Esse é um fator importante quando o sensor faz parte de um equipamento que deve ser industrializado em quantidade e o seu custo é elemento sensível do projeto.

 

e) Ambiente

É preciso analisar com cuidado as condições do ambiente em que o sensor vai operar. Os sensores possuem limites de temperatura e também das condições de umidade.

 

f) Faixa

Também é preciso levar em conta a faixa de valores da grandeza sensoriada para que ela não ultrapasse os limites do sensor. Em alguns casos isso pode significa dano irreversível ao sensor.

 

g) Taxa de repetição

Existem aplicações em que uma grandeza deve ser medida de forma repetida numa taxa que pode variar. É preciso verificar se o sensor pode acompanhar essas medidas na velocidade exigida sem que suas características se alterem.

 

h) Resolução

Trata-se da variação mínima da grandeza sensoriada que pode ser detectada pelo sensor. Essa resolução vai depende da aplicação devendo ser analisada com cuidado no projeto.

 

Sensores Capacitivos

Os sensores capacitivos são encontrados numa infinidade de aplicações práticas. Podemos utilizá-los no sensoriamento direto de presença, movimento, composição química, campo elétrico, etc. De forma indireta podemos utilizá-los no sensoriamento de qualquer grandeza que possa ser convertida em movimento ou em constante dielétrica.

A seguir, algumas aplicações possíveis para esses sensores:

a) Medida de fluxo de fluidos - nesses sensores, utiliza-se o princípio de Coriolis num tubo colocado no duto onde ocorre o fluxo do fluído, conforme mostra a figura. A altura do fluido depende da velocidade do fluxo e essa altura pode ser detectada por um sensor capacitivo.

 

 Sensor de nível de líquido capacitivo
Sensor de nível de líquido capacitivo

 

b) Pressão

Neste tipo de sensor temos um diafragma que é uma das placas do capacitor e que se deforma com a pressão alterando assim a capacitância.

 

c) Nível de líquidos

Para este sensor temos placas entre as quais o nível do líquido sobe e desce alterando a capacitância em vista de suas propriedades dielétricas.

 

Outros sensores de nível de líquido
Outros sensores de nível de líquido

 

d) Espaçamento

É possível medir com precisão o espaçamento entre um objeto e um eletrodo de um capacitor pela variação da capacitância.

 

e) Espessura

Pode-se medir com precisão a espessura de um isolante pela variação que ela provoca na capacitância do sensor.

 

f) Gelo

Este tipo de sensor capacitivo é colocado nas asas de um avião para sensoriar a formação de gelo.

 

g) Chave de toque

A aproximação dos dedos de uma pessoa faz com que ele funcione como uma das placas de um capacitor, podendo induzir o sinal da rede de energia para efeito de controle em dispositivos como chaves de toque, dimmers, etc.

 

h) Chave de limite

A aproximação do objeto de uma placa altera de um capacitor afeta sua capacitância podendo assim servir para detectar a aproximação de um objeto.

 

i) Acelerômetros

Circuitos integrados de acelerômetros utilizam sistemas capacitivos para detectar e medir a aceleração.

Um sensor capacitivo nada mais é do que um capacitor variável cuja capacitância se altera em função da grandeza a ser medida. Essa capacitância, por sua vez, pode ser convertida numa grandeza mais fácil de ser trabalhada por um circuito eletrônico como, por exemplo, uma tensão, uma corrente, uma largura de pulso ou ainda uma frequência.

Os sensores capacitivos podem detectar variações rápidas de uma grandeza físicas e os tipos com placas maiores podem até ser usados para medir a velocidade de um carro. A sensibilidade desses sensores permite que eles detectem deslocamentos tão pequenos como 10-14 m com boa estabilidade..

Acelerômetros podem ser implementados com uma tecnologia de piezorresistencias do silício que também podem ser aplicados em sensores do tipo fingertip (impressão digital). A capacitância desses sensores pode ser tão pequeno como 10 fF (f = femto = 10-15) com uma resolução que chega a 5 aF 10-18 F).

A sensibilidade desses sensores chega ao ponto deles podem ser utilizados para detectar a porcentagem de água existente no óleo em refinarias.

 

 Sensor capacitivo Metaltex
Sensor capacitivo Metaltex

 

 

Princípio de funcionamento

Conforme já citamos, um sensor capacitivo nada mais é do que um capacitor cuja capacitância varia conforme uma grandeza física que deve ser sensoriada.

Se analisarmos um capacitor plano formado por duas placas e um dielétrico, vemos que a capacitância que ele apresenta depende tanto das dimensões das placas como de sua separação e da natureza do material que está entre elas, no caso o dielétrico. Se variarmos qualquer dessas grandezas (tamanho, separação e constante dielétrica) pela ação de uma grandeza externa podemos ter na capacitância uma grandeza análoga à grandeza externa.

 

Um capacitor plano
Um capacitor plano

 

Por exemplo, podemos sensoriar um pequeno deslocamento bastando para isso acoplar o dielétrico ao objeto que se move. Se deslocando no espaço entre as placas é possível medir o deslocamento com muita precisão conforme mostra a figura.

 

Sensor capacitivo com dielétrico móvel
Sensor capacitivo com dielétrico móvel

 

Podemos sensoriar a presença de água utilizando um dielétrico poroso que a absorva. A quantidade de água absorvida altera a constante dielétrica e com isso a capacitância apresentada pelo sensor, conforme mostra a figura.

 

Sensor de umidade capacitivo
Sensor de umidade capacitivo

 

No projeto de aplicativos com estes sensores deve-se levar em conta a linearidade da resposta e também a influência do ambiente. Se for necessário devem ser usadas blindagens.

 

Sensores Capacitivos Metaltex

 Sensor capacitivo Metaltex.
Sensor capacitivo Metaltex.

 

Sensor capacitivo tubular disponível nos diâmetros M18 e m30 com distância de detecção desde 8 até 25mm. Há duas opções de alimentação: 10 a 30VCC com saída transistor 200mA 3 ou 4 fios (NPN ou PNP) ou 90 a 250VCA com saída 2 fios 300mA. Possui LED indicador de operação. Conexão por cabo e ajuste de sensibilidade. Consulte todas as opções disponíveis no catálogo do produto.

 

Opinião

Avanços e Retrocessos (OP126)

Uma palavra muito em moda nos nossos meios, principalmente os políticos é “avanço”, se bem que dependendo da maneira como ela seja colocada, pode significar realmente um retrocesso. Nos meios tecnológicos, como o nosso o avanço é perceptível, constante e muito mais forte em sua penetração a ponto de pouco ser contestado.

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