Introducción
Hay muchos tipos de sensores de proximidad que se utilizan en diferentes aplicaciones. Utilizamos sensores de proximidad capacitivos para detectar cualquier tipo de objeto sin ningún contacto. Detectan objetos midiendo el cambio en una propiedad eléctrica, capacidad.
Este artículo tiene como objetivo proporcionar una guía detallada sobre sensores de proximidad capacitivos y sus aplicaciones.
¿Qué es un sensor de proximidad capacitivo?
Un sensor de proximidad capacitivo es un sensor que puede detectar un objeto usando la propiedad eléctrica, capacidad. Se utilizan ampliamente para detectar y medir objetos / fluidos que tienen una constante dieléctrica más alta que el aire. Esto incluye todo lo que sea conductor o no conductor.
Los sensores de proximidad capacitivos tienen muchas aplicaciones en los sistemas de automatización industrial, desde la detección de posiciones hasta el análisis de la composición de los objetos de una manera no invasiva.
Sensor de proximidad capacitivo y cómo funciona
Los sensores de proximidad capacitivos son una aplicación especial de los sensores capacitivos. Los utilizamos para detectar la presencia de objetos en entornos industriales. La imagen que se muestra a continuación es una Sensor de proximidad capacitivo RS PRO M30 x 1.5.
Antes de profundizar en más detalles, comprendamos qué es un condensador y cómo funciona. En términos simples, un condensador es un dispositivo que puede contener una carga eléctrica como una batería. Están hechos de dos placas conductoras con un material dieléctrico que llena el espacio. Dependiendo del ancho dieléctrico, su capacitancia (capacidad para almacenar carga eléctrica) cambia.
La constante dieléctrica depende del material. Los materiales con una constante dieléctrica elevada son fáciles de detectar. Por ejemplo, el agua es más detectable que el aceite o el PVC. Esto se debe a que el agua tiene una constante dieléctrica de aproximadamente 78 y para el PVC es solo de aproximadamente 5.
Un sensor de proximidad capacitivo sigue el mismo principio, solo una de las placas es ahora el objeto que queremos detectar. Acercar un objeto a la cara de detección hace que cambie la capacitancia. Luego, el sensor puede medir el cambio y determinar si el objeto está cerca.
No es posible medir directamente el cambio de capacitancia por medios ordinarios. Para solucionar este problema, los sensores de proximidad capacitivos tienen circuitos especializados en su interior. El circuito realiza todo el procesamiento de la señal para finalmente generar una señal digital utilizable.
La primera etapa del sensor es el propio condensador. Cuando un objeto está cerca de la cara de detección, forma un condensador. El aire entre ellos se convierte en material dieléctrico. Dentro del sensor, hay un circuito oscilador. Esto puede ser un RC or LC del oscilador circuito.
La capacitancia creada por el objeto externo inicia una oscilación en el circuito. Esta distancia mínima que un objeto tiene que mantener con la cara del sensor para iniciar la oscilación también se conoce como el "punto de funcionamiento". Esto es ajustable en la mayoría de los sensores. Cuando un objeto se acerca al sensor, esta frecuencia de oscilación aumenta. Esto hace que aumente la amplitud de la oscilación.
El circuito también consta de un circuito de disparo con histéresis. El circuito de disparo monitorea la frecuencia y la amplitud de la oscilación. Controla la salida si la amplitud va más allá de un valor preestablecido. Hay sensores que pueden emitir señales digitales o analógicas.
Los sensores de proximidad proporcionan medios para ajustar su punto de funcionamiento de. Algunos tienen potenciómetros, mientras que otros pueden tener un 'botón de aprendizaje' dedicado. Este botón o el tornillo del potenciómetro se pueden utilizar para calibrar el sensor. El aumento de la sensibilidad también hace que el sensor sea más susceptible a falsas detecciones. Esto significa que a veces incluso los cambios en la humedad y la temperatura pueden hacer que el sensor se active.
Los sensores capacitivos pueden detectar tanto material conductor como no conductor. Los materiales conductores son los más fáciles de detectar, ya que forman un buen condensador con el sensor. En este caso, la rigidez dieléctrica se vuelve insignificante.
La detección de material no conductor depende de tres factores:
- Tamaño de la superficie del sensor: una superficie más grande permite distancias de detección más largas
- La constante dieléctrica del material objetivo: mayor es la constante, mayor es la distancia
- El área de la superficie del objetivo: área de superficie más grande, distancia más larga
La velocidad y la temperatura objetivo también pueden afectar la distancia de detección.
Rango de detección
Un sensor de proximidad capacitivo tiene un rango de detección mayor que su contraparte inductiva. El rango de detección se encuentra entre 3 y 60 mm. La mayor distancia de detección se basa en un objetivo estándar, una placa de acero con conexión a tierra Fe 1 de 360 mm de espesor. Debe tener una longitud lateral que sea el diámetro de la superficie del sensor. Si la distancia de detección es mayor que el diámetro, la longitud del lado debe ser tres veces la distancia de detección nominal.
Los objetos no conductores deben tener un factor de reducción basado en la constante dieléctrica del material. Hay tablas que proporcionan valores aproximados para algunos materiales. Ayudan a determinar una distancia de detección precisa.
Hay dos parámetros importantes al considerar el rango de detección:
- Distancia de detección nominal / nominal (Sn)
- Este es un valor teórico. No incluye tolerancias de fabricación, voltajes de funcionamiento o temperaturas.
- Distancia de detección efectiva (Sr)
- Definido para un conjunto específico de condiciones. (es decir, montaje empotrado, temperatura ambiente y una tensión de alimentación determinada)
Histéresis
La histéresis es la diferencia entre la distancia de encendido y la distancia de apagado. Define un zona preferible a línea para detectar un objeto.
La histéresis hace que la salida se "bloquee" incluso cuando el objeto se mueve desde o hacia el campo del sensor. Esto evita el efecto de 'parloteo' (encender y apagar la salida una y otra vez) si un objeto está en el borde del rango de detección.
La histéresis es un parámetro independiente. Es un porcentaje de la distancia de detección nominal. Por ejemplo, un sensor con una distancia de detección nominal de 20 mm puede tener una histéresis máxima del 15%. Esto es aproximadamente 3 mm del rango de detección. Puede variar de un sensor a otro, incluso entre un mismo modelo.
Existen múltiples factores que pueden afectar la histéresis:
- Temperatura del sensor local y ambiental
- Presión atmosférica
- Humedad relativa
- Tensión mecánica de la carcasa del sensor
- Correlación de sensibilidad: mayor sensibilidad, mayor histéresis
Tipos de sensores capacitivos
Los sensores capacitivos se utilizan para detectar muchos tipos de materiales. Esto también incluye flujo de fluido, nivel de líquido e incluso presión. Existe una variedad de sensores de proximidad capacitivos en el mercado:
- Sensores capacitivos en miniatura
- Los sensores capacitivos en miniatura vienen en paquetes cilíndricos o tipo wafer para ahorrar espacio de montaje. Estos sensores no tienen el circuito de procesamiento de señales en su interior. Se utiliza un amplificador independiente para procesar las señales.
- Sensores capacitivos cilíndricos
- Son más grandes que los sensores en miniatura y pueden tener un diámetro de 6.5 mm a 30 mm. Sus distancias de detección son ajustables.
- Sensores capacitivos de alta temperatura
- Los sensores capacitivos de alta temperatura están diseñados para soportar temperaturas extremas e incluso pueden manejar el contacto directo con objetos / fluidos de alta temperatura.
- Sensores capacitivos analógicos
- Estos encuentran sus aplicaciones en tareas de selección de materiales, monitoreo de espesores y verificación de concentración. Los sensores analógicos emiten un rango de voltajes / corrientes para ayudar a determinar el tipo de objeto que está monitoreando.
Diagrama de cableado del sensor capacitivo
Hay bastantes diagramas de cableado de sensores que se utilizan en la industria de la automatización. Podemos clasificar los sensores según su tipo de tensión de alimentación y el tipo de salida:
- Suministro de CA o CC
- Determina si los sensores funcionan con una fuente de alimentación de 220 V CA o 24 V CC
- Tipo de salida
- Salida de transistor (3 hilos)
- Los sensores de salida de transistor pueden ser NPN o PNP. Para ambos tipos, aquí están las opciones de salida NO (normalmente abierto) y NC (normalmente cerrado). Algunos sensores pueden incluso admitir ambos. (NO + NC).
- Salida de relé (2 hilos o 3 hilos)
- Los sensores de CA de 2 y 3 cables son siempre del tipo de salida de relé. Los sensores de CC pueden ser del tipo de salida de relé o transistor. Los sensores de salida de relé también tienen opciones NO, NC y NO + NC.
- Salida de transistor (3 hilos)
Esta es OMCH.coLa gama de sensores de proximidad capacitivos y las opciones de cableado que proporcionan:
A continuación se muestra el diagrama de cableado de uso común de algunos tipos de sensores de proximidad. Aunque no es infrecuente, los modelos de 4 hilos no se utilizan mucho más que en aplicaciones muy especiales.
Ajustes de sensibilidad de un sensor capacitivo
Hay dos enfoques. podemos aprovechar para ajustar la sensibilidad de un sensor capacitivo.
- Ajuste de la posición del sensor
Podemos ajustar la posición del sensor ajustando la rosca y las tuercas de bloqueo. Esto nos permite colocar el sensor más cerca o lejos del objeto y montar permanentemente el sensor en un soporte. El ajuste debe tener lugar cuando el sensor está encendido y el objeto a detectar está presente. Ajuste el sensor hacia adelante y hacia atrás hasta que el LED del sensor indique que se ha detectado el objeto.
- Ajustar la sensibilidad del sensor
El ajuste de sensibilidad de un sensor de proximidad es útil cuando no podemos ajustar la posición del sensor.
Para ajustar un sensor a detectar la presencia de un objeto o condición completa, sigue estos pasos:
- Gire el tornillo de ajuste en sentido antihorario y reduzca la sensibilidad al mínimo.
- Coloque el objeto a detectar dentro del rango de detección del sensor. Gire lentamente el tornillo de ajuste en el sentido de las agujas del reloj hasta que el sensor detecte el objeto. El indicador LED del sensor se enciende cuando detecta el objeto.
- Gire el tornillo de ajuste ¼ de vuelta más por seguridad (paso opcional)
Para ajustar un sensor a detectar la ausencia de un objeto o condición vacía, sigue estos pasos:
- Gire el tornillo de ajuste en el sentido de las agujas del reloj y aumente la sensibilidad al máximo.
- El indicador LED del sensor se iluminará incluso cuando no haya ningún objeto presente.
- Gire el tornillo de ajuste en sentido antihorario hasta que el LED se apague.
- Gire el tornillo de ajuste ¼ de vuelta más por seguridad (paso opcional)
Circuito del sensor de proximidad capacitivo en profundidad
Para aquellos que estén interesados en comprender el principio de funcionamiento de un sensor de proximidad capacitivo, echemos un vistazo en profundidad.
Como se mencionó anteriormente, un sensor de proximidad capacitivo alberga circuitos complejos en su interior. Tiene cuatro partes principales:
- Etapa del oscilador
- Etapa demodulador
- Etapa de activación
- Etapa de salida
Etapa del oscilador
La etapa del oscilador contiene un RC oscilador de relajación. Este circuito es un circuito basado en amplificador operacional. Los condensadores y resistencias de este circuito determinan la frecuencia de oscilación. El condensador C1 utilizado para controlar la frecuencia de oscilación está acoplado con el cabezal del sensor. Si un objeto externo llega cerca del cabezal del sensor, la frecuencia de oscilación cambia. La señal oscilante de esta etapa es una entrada a la etapa del demodulador.
Etapa demodulador
La etapa demoduladora toma la señal oscilante de la etapa anterior y la rectifica. Este circuito que se muestra arriba tiene un rectificador de media onda. El condensador C3 suaviza la señal de voltaje y emite un voltaje de CC estable en la etapa de activación.
Etapa de activación
Esta etapa tiene un componente especial llamado 'Schmitt Trigger'. Este dispositivo puede "engancharse" a una salida específica a través de un rango de entradas. Por ejemplo, un disparador Schmitt puede generar una lógica ALTA para voltajes de entrada superiores a 3 V y una lógica de salida BAJA una vez que la tensión de entrada cae por debajo de 2.5 V. La diferencia de 0.5v se llama 'histéresis' y ayuda a que la salida se mantenga estable si el voltaje de entrada cambia ligeramente.
Etapa de salida
La etapa de disparo controla la etapa de salida. El sensor que se muestra aquí tiene una salida de transistor. Es un tipo hundimiento (NPN) producción. Una vez que la etapa de disparo da una señal lógica ALTA, el transistor en la etapa de salida se activa. Hace que el circuito de carga se complete y active la carga. En los sensores de salida de relé, el transistor se reemplaza por un relé pequeño.
La etapa de salida también consta de los diodos D2 y Z1 para proteger el sensor. Si se invierte la polaridad de la fuente de alimentación, estos diodos protegerán el sensor.
Sensores de proximidad capacitivos frente a sensores de proximidad inductivos
Los sensores de proximidad capacitivos e inductivos son dos de los sensores de proximidad más populares. Los sensores capacitivos pueden detectar materiales tanto conductores como no conductores. Los sensores de proximidad inductivos solo pueden detectar material metálico (conductor).
Los sensores de proximidad inductivos utilizan el principio del electromagnetismo para detectar objetos. Por esta razón, solo pueden detectar objetos metálicos hechos de hierro, cobre o aluminio. Su circuito interno es muy similar a los sensores capacitivos. La principal diferencia está en los circuitos del oscilador. Los sensores inductivos utilizan principios de electromagnetismo y Corrientes de Foucault mientras que los sensores capacitivos usan capacitancia para controlar la oscilación.
Los sensores inductivos son bastante más rápidos y están en el rango de 10-20 Hz en CA y 500 Hz-5 kHz en CC. Tienen un rango de detección de aproximadamente 4-40 mm. También se encuentran disponibles sensores especialmente diseñados que tienen distancias de detección de hasta aproximadamente 80 mm. Sin embargo, tienen un rango de detección estrecho debido a las limitaciones del campo magnético.
Los sensores capacitivos son relativamente más lentos que los inductivos. Esto se debe a que implica cargar la placa conductora en el sensor. La velocidad está en el rango de 10 a 50 Hz. Los sensores de proximidad capacitivos tienen un rango nominal de 3 mm a 60 mm. Puede haber sensores especiales que tengan distancias de detección más altas.
Los sensores capacitivos son más propensos a errores, ya que pueden detectar todo tipo de objetos. Esto puede causar una activación falsa del sensor por materiales que no son el objetivo. Por lo tanto, si el interés está en los objetos metálicos, un sensor de proximidad inductivo puede ser una mejor opción. Por ejemplo, para detectar objetos metálicos en un producto alimenticio, un sensor de proximidad inductivo es una opción más confiable.
Sensor de proximidad capacitivo con Arduino
Los sensores industriales están diseñados para funcionar con voltajes más altos, como 12 V o 24 V CC e incluso 220 V CA. Las placas de desarrollo Arduino funcionan con 5 V CC. Para usar un sensor de proximidad con un Arduino, es necesario convertir la señal de alto voltaje en un voltaje más bajo.
En este circuito por Electroclínica, se utiliza un sensor de proximidad tipo PNP. El optoacoplador / optoaislador PC817 protege el Arduino de señales de alto voltaje. El pin 1 del PC817 se conecta a + 12V, y el pin 2 se conecta al cable negro del sensor a través de una resistencia de 1k. El sensor se alimenta mediante cables marrón y azul como de costumbre. (Marrón - + 12v, Azul - 0V)
Para leer el sensor, el pin 13 de Arduino está conectado al pin 4 del optoacoplador, y está arrancados usando R3 (resistencia de 10k). Esto estabiliza la señal de entrada cuando el sensor no está activo.
Cuando no se detecta ningún objeto, el optoacoplador permanece inactivo. El pin 13 de Arduino permanece en + 5V. Cuando el sensor está activo, el optoacoplador se enciende y tira del pin 13 a 0V. Esto se monitorea desde el código y se puede usar para tomar decisiones como encender / apagar un motor.
int interruptor de límite = 13;
int estado = BAJO;
int valor;
vacío Configure()
{
Serial.begin (9600);
pinMode (interruptor de límite, ENTRADA);
}
vacío loops()
{
valor = digitalRead (interruptor de límite);
if(valor! = estado)
{
estado = valor;
Serial.println ("valor del sensor =");
if (estado == 0)
{
Serial.println ("objetivo detectado");
}
más{
Serial.println ("No se detectó ningún objetivo");
}
}
}
Símbolo de sensor de proximidad capacitivo
Los sensores de proximidad de 3 y 2 cables son los más comunes en la industria de la automatización. Para distinguirlos, cada uno de ellos tiene su propio símbolo estándar definido por IEC (Comisión Electrotécnica Internacional).
Símbolo del sensor de proximidad de 3 hilos
El cable BR en la parte superior indica que el color es marrón (BRpropio), y es el cable positivo. El cable BL en la parte inferior denota su color como azul (BLue) e indica que es el cable de 0V. BK es el negro (BlacaK) cable, que es la salida.
El símbolo contiene 4 sub símbolos. El símbolo superior izquierdo indica que se trata de un sensor de proximidad. El símbolo del transistor indica si el sensor está NPN o PNP escribe. El símbolo inferior izquierdo indica que es un sensor capacitivo mientras que el símbolo de la parte inferior derecha significa que la salida es normalmente cerrado.
Símbolo del sensor de proximidad de 2 hilos
El símbolo IEC para los sensores de proximidad de 2 hilos es casi idéntico a su homólogo de 3 hilos. La única diferencia es que este símbolo no tiene un cable de salida separado.
Los símbolos dentro del símbolo del componente principal pueden cambiar ligeramente según la configuración del sensor. Esto incluye el tipo de salida, el modo de detección (capacitivo, inductivo, etc.) y la configuración de salida NO / NC.
Aplicación de sensor de proximidad capacitivo
Los sensores de proximidad capacitivos se utilizan en aplicaciones industriales para detectar tanto objetos sólidos como líquidos. Sus aplicaciones industriales incluyen:
- Automatización de la producción, como contar productos, transferencias de productos.
- Procesos de llenado (es decir, grano, polvo, tinta, agua, etc.)
- Detección de nivel de fluido
- Ensayos de composición (densidad, espesor, etc.)
- Detección de presión
- Detección de humedad
Precio del sensor de proximidad capacitivo
El precio de los sensores de proximidad capacitivos depende de varios factores como el tamaño, la distancia de detección, el voltaje de funcionamiento, el tipo de salida y características adicionales como IP (Protección de ingreso) clasificaciones y clasificaciones de temperatura.
Los precios de los sensores de proximidad capacitivos pueden variar desde alrededor de $ 30 hasta $ 1500 para modelos más complejos y especializados.
¿Qué puede detectar un sensor de proximidad capacitivo?
Los sensores de proximidad capacitivos pueden detectar objetos conductores y no conductores. Los objetos / material pueden estar en forma sólida, granulada, en polvo e incluso líquida. Sin embargo, se utilizan principalmente para detectar materiales no metálicos como madera, grano, plástico, vidrio, agua y otros líquidos como combustible y productos químicos.
Con mejoras adicionales, los sensores de proximidad capacitivos pueden detectar incluso más parámetros como la presión y el flujo de líquido.
¿De qué están hechos los sensores de proximidad capacitivos?
Hay algunos tipos de materiales que se utilizan para fabricar sensores de proximidad capacitivos. Los sensores de proximidad de tipo cilíndrico suelen estar hechos de acero inoxidable. Los sensores con carcasas de acero inoxidable son más duraderos y adecuados para su uso en entornos corrosivos / de alta temperatura.
Los plásticos como PBT (tereftalato de polibutileno) y PVDF (fluoruro de polivinilideno) se utilizan para fabricar sensores de proximidad de menor tamaño, como los modelos rectangulares. Son resistentes a la temperatura, las llamas y los rayos UV y brindan protección adicional a los circuitos del sensor. Estos plásticos especializados encuentran su uso en aplicaciones químicas corrosivas.
Conclusión
En este artículo, analizamos los sensores de proximidad capacitivos, su construcción, funcionamiento principal y aplicaciones. Si bien los sensores capacitivos son versátiles, existen otros tipos de sensores de proximidad que pueden ser más adecuados para una aplicación específica. Se debe tener cuidado de identificar correctamente el mejor tipo de sensor de proximidad y calibrarlo para garantizar que las medidas tomadas sean correctas y precisas.
