PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DOS SENSORES CAPACITIVOS

Olá!

Esta é mais uma publicação da série Atividade Prática. O conteúdo a seguir é o resultado da atividade prática desenvolvida para disciplina de Materiais Elétricos, apresentado em forma de artigo para atender as especificações da atividade.

RESUMO

Para aperfeiçoar o conhecimento acerca de sensores capacitivos foi realizado um estudo do princípio de funcionamento, objeto ou meio detectado, tipo de aplicação e as vantagens da utilização, obtendo-se desta forma uma compreensão detalhada desta tecnologia aplicável aos mais diversos segmentos de eletroeletrônica.

Palavras chave: Sensor capacitivo, transdutor capacitivo, capacitor, constante dielétrica.

1. INTRODUÇÃO

Sensores ou transdutores capacitivos são componentes com funcionamento baseado nos princípios básicos do capacitor. A diferença básica está na forma como as placas estão dispostas, tendo o ar como dielétrico. 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.

2. 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.

Figura 1 - Capacitor de placas paralelas (Young, 2009).

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.

Figura 2 - Valores da constante dielétrica k para 20ºC.

Fonte: Young e Freedman, Física III – Eletromagnetismo.

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.

Figura 3 - Relação entre posição do objeto e a variação da frequência.

Fonte: Instituto Federal de Santa Catarina.

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.

3. TIPO DE OBJETOS 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.

4. TIPOS DE APLICAÇÃO

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.

5. VANTAGENS 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.

6. CONCLUSÃO

Este estudo permitiu rever conceitos sobre sistemas físicos de armazenamento de energia potencial elétrica, os capacitores, que são base no princípio de funcionamento dos sensores capacitivos. A identificação dos tipos de materiais capazes de ser detectados por estes sensores forneceu ampla visão para otimizar processos que necessitam de controle diferenciado. Este estudo teve como objetivo estimular e desenvolver o estudo de sensores capacitivos. Os resultados obtidos este estudo não visam esgotar o assunto, pelo contrário, é necessário ampliar ainda mais o conhecimento no âmbito dos sensores em razão das novas tecnologias e técnicas avançadas utilizadas na área de eletroeletrônica.

7. REFERÊNCIAS

YOUNG, Hugh D.; Freedman, Roger A. Física III: eletromagnetismo. 12. ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.

NILSON, James W.; Susan A. Riedel. Circuitos elétricos. 10 ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2015.

ROSÁRIO, João Maurício; Princípios de mecatrônica. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2005.

HALLIDAY, David.; Walker, Jearl.; Fundamentos de física: eletromagnetismo. Rio de Janeiro: LTC, 2009.

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.