Sensor de proximidade capacitivo

Introdução

Existem muitos tipos de sensores de proximidade usados ​​em diferentes aplicações. Usamos sensores de proximidade capacitivos para detectar qualquer tipo de objeto sem qualquer contato. Eles detectam objetos medindo a mudança em uma propriedade elétrica, capacidade.

Este artigo tem como objetivo fornecer um guia detalhado sobre sensores de proximidade capacitivos e suas aplicações.

O que é um sensor de proximidade capacitivo?

Um sensor de proximidade capacitivo é um sensor que pode detectar um objeto usando a propriedade elétrica, capacitância. Eles são amplamente usados ​​para detectar e medir objetos / fluidos que possuem uma constante dielétrica maior do que o ar. Isso inclui qualquer coisa que seja condutiva ou não condutiva.

Os sensores de proximidade capacitivos têm muitas aplicações em sistemas de automação industrial, desde a detecção de posições até a análise da composição de objetos de maneira não invasiva.

Sensor de proximidade capacitivo e como funciona

Os sensores de proximidade capacitivos são uma aplicação especial dos sensores capacitivos. Nós os usamos para detectar a presença de objetos em ambientes industriais. A imagem mostrada abaixo é um Sensor de proximidade capacitivo RS PRO M30 x 1.5.

Antes de nos aprofundarmos em maiores detalhes, vamos entender o que é um capacitor e como ele funciona. Em termos simples, um capacitor é um dispositivo que pode conter uma carga elétrica como uma bateria. Eles são feitos de duas placas condutoras com um material dielétrico preenchendo a lacuna. Dependendo da largura dielétrica, sua capacitância (capacidade de armazenar carga elétrica) muda.

A constante dielétrica depende do material. Materiais com alta constante dielétrica são fáceis de detectar. Por exemplo, a água é mais detectável do que óleo ou PVC. Isso ocorre porque a água tem uma constante dielétrica de cerca de 78 e para o PVC é de apenas cerca de 5.

Um sensor de proximidade capacitivo segue o mesmo princípio, apenas uma das placas é agora o objeto que queremos detectar. Aproximar um objeto da face sensora faz com que a capacitância mude. O sensor pode então medir a mudança e determinar se o objeto está próximo.

Não é possível medir diretamente a mudança na capacitância por meios comuns. Para resolver isso, os sensores de proximidade capacitivos têm circuitos especializados dentro deles. O circuito faz todo o processamento do sinal para, em última análise, produzir um sinal digital utilizável.

O primeiro estágio do sensor é o próprio capacitor. Quando um objeto está perto da face sensora, ele forma um capacitor. O ar entre eles se torna o material dielétrico. Dentro do sensor, existe um circuito oscilador. Isso pode ser um RC or oscilador LC o circuito.

A capacitância criada pelo objeto externo inicia uma oscilação no circuito. A menor distância que um objeto deve manter com a face sensora para iniciar a oscilação também é conhecida como 'ponto operacional'. Isso é ajustável na maioria dos sensores. Quando um objeto se aproxima do sensor, essa frequência de oscilação aumenta. Isso faz com que a amplitude da oscilação aumente.

O circuito também consiste em um circuito de gatilho com histerese. O circuito de disparo monitora a frequência e a amplitude da oscilação. Ele controla a saída se a amplitude ultrapassar um valor predefinido. Existem sensores que podem emitir sinais digitais ou analógicos.

Os sensores de proximidade fornecem meios para ajustar seu ponto de operação. Alguns têm potenciômetros, enquanto outros podem ter um 'botão de instrução' dedicado. Este botão ou o parafuso do potenciômetro podem ser usados ​​para calibrar o sensor. Aumentar a sensibilidade também torna o sensor mais suscetível a falsas detecções. Isso significa que, às vezes, até mesmo mudanças na umidade e na temperatura podem fazer com que o sensor seja acionado.

Sensores capacitivos podem detectar materiais condutores e não condutores. Os materiais condutores são os mais fáceis de detectar, pois formam um bom capacitor com o sensor. Nesse caso, a rigidez dielétrica torna-se insignificante.

A detecção de material não condutor depende de três fatores:

• Tamanho da superfície do sensor - superfície maior permite distâncias de detecção mais longas
• A constante dielétrica do material alvo - quanto maior a constante, maior a distância
• A área de superfície do alvo - área de superfície maior, distância mais longa

A velocidade e a temperatura do alvo também podem afetar a distância de detecção.

Escala de detecção

Um sensor de proximidade capacitivo tem uma faixa de detecção maior do que sua contraparte indutiva. A faixa de detecção fica entre 3 e 60 mm. A maior distância de detecção é baseada em um alvo padrão, uma placa de aço aterrada com Fe 1 ​​de 360 mm de espessura. Deve ter um comprimento lateral igual ao diâmetro da superfície do sensor. Se a distância de detecção for maior que o diâmetro, o comprimento lateral deve ser três vezes a distância de detecção nominal.

Objetos não condutores devem ter um fator de redução baseado na constante dielétrica do material. Existem tabelas que fornecem valores aproximados para alguns materiais. Eles ajudam a determinar uma distância de detecção precisa.

Existem dois parâmetros importantes ao considerar a faixa de detecção:

• Distância de detecção nominal / nominal (Sn)
  • Este é um valor teórico. Não inclui tolerâncias de fabricação, tensões de operação ou temperaturas.
• Distância de detecção efetiva (Sr)
  • Definido para um conjunto específico de condições. (ou seja, montagem embutida, temperatura ambiente e uma determinada tensão de alimentação)

Histerese

Histerese é a diferença entre a distância de ativação e a distância de desativação. Define um zona em vez de um linha para sentir um objeto.

A histerese faz com que a saída 'trave' mesmo quando o objeto se move de ou em direção ao campo do sensor. Isso evita o efeito de 'vibração' (ligar e desligar a saída continuamente) se um objeto estiver no limite da faixa de detecção.

A histerese é um parâmetro independente. É uma porcentagem da distância de detecção nominal. Por exemplo, um sensor com distância de detecção nominal de 20 mm pode ter uma histerese máxima de 15%. Isso é cerca de 3 mm da faixa de detecção. Pode variar de sensor para sensor, mesmo entre o mesmo modelo.

Existem vários fatores que podem afetar a histerese:

• Temperatura do sensor local e ambiente
• pressão atmosférica
• Humidade relativa
• Tensão mecânica da caixa do sensor
• Correlação de sensibilidade - maior sensibilidade, maior histerese

Tipos de sensores capacitivos

Sensores capacitivos são usados ​​para detectar muitos tipos de materiais. Isso também inclui fluxo de fluido, nível de líquido e pressão uniforme. Existem vários sensores de proximidade capacitivos no mercado:

• Sensores capacitivos miniatura
  • Os sensores capacitivos em miniatura vêm em pacotes cilíndricos ou do tipo wafer para economizar espaço de montagem. Esses sensores não possuem o circuito de processamento de sinal dentro deles. Um amplificador separado é usado para processar os sinais.
• Sensores capacitivos cilíndricos
  • Eles são maiores do que os sensores em miniatura e podem ter um diâmetro de 6.5 mm a 30 mm. Suas distâncias de detecção são ajustáveis.
• Sensores capacitivos de alta temperatura
  • Sensores capacitivos de alta temperatura são projetados para resistir a temperaturas extremas e podem até mesmo lidar com o contato direto com objetos / fluidos de alta temperatura.
• Sensores capacitivos analógicos
  • Eles encontram suas aplicações em tarefas de seleção de material, monitoramento de espessura e verificação de concentração. Sensores analógicos emitem uma gama de tensões / correntes para ajudar a determinar o tipo de objeto que está monitorando.

Diagrama de fiação do sensor capacitivo

Existem alguns diagramas de fiação de sensores usados ​​na indústria de automação. Podemos classificar os sensores com base em seu tipo de tensão de alimentação e o tipo de saída:

• Fonte AC ou DC
  • Determina se os sensores funcionam com fonte de alimentação 220 Vca ou 24 Vcc
• Tipo de saída
  • Saída do transistor (3 fios)
    • Os sensores de saída do transistor podem ser NPN ou PNP. Para ambos os tipos, aqui estão as opções de saída NO (Normalmente Aberto) e NC (Normalmente Fechado). Alguns sensores podem até oferecer suporte a ambos. (NO + NC).
  • Saída de relé (2 fios ou 3 fios)
    • Os sensores CA de 2 e 3 fios são sempre do tipo saída de relé. Os sensores DC podem ser do tipo relé ou saída de transistor. Os sensores de saída de relé também têm opções NO, NC e NO + NC.

Aqui está OMCH.coA gama de sensores de proximidade capacitivos e as opções de fiação que eles fornecem:

Abaixo, é mostrado o diagrama de fiação comumente usado de alguns tipos de sensores de proximidade. Embora não seja incomum, os modelos de 4 fios não são amplamente usados, exceto em aplicações muito especiais.

Ajustes de sensibilidade de um sensor capacitivo

Existem duas abordagens. podemos levar para ajustar a sensibilidade de um sensor capacitivo.

• Ajustando a posição do sensor

Podemos ajustar a posição do sensor ajustando a rosca e as porcas de travamento. Isso nos permite colocar o sensor mais perto ou longe do objeto e montar permanentemente o sensor em um suporte. O ajuste deve ocorrer quando o sensor é ligado e o objeto a ser detectado está presente. Ajuste o sensor para frente e para trás até que o LED do sensor indique que o objeto foi detectado.

• Ajustando a sensibilidade do sensor

O ajuste de sensibilidade de um sensor de proximidade é útil quando não podemos ajustar a posição do sensor.

Para ajustar um sensor para detectar a presença de um objeto ou condição completa, Siga esses passos:

1. Gire o parafuso de ajuste no sentido anti-horário e diminua a sensibilidade ao mínimo.
2. Coloque o objeto a ser detectado dentro da faixa de detecção do sensor. Gire lentamente o parafuso de ajuste no sentido horário até que o sensor detecte o objeto. O indicador LED no sensor acende quando detecta o objeto.
3. Gire o parafuso de ajuste ¼ de volta mais para segurança (etapa opcional)

Para ajustar um sensor para detectar a ausência de um objeto ou condição vazia, Siga esses passos:

1. Gire o parafuso de ajuste no sentido horário e aumente a sensibilidade ao máximo.
2. O indicador LED no sensor acenderá mesmo quando nenhum objeto estiver presente.
3. Gire o parafuso de ajuste no sentido anti-horário até que o LED apague.
4. Gire o parafuso de ajuste ¼ de volta mais para segurança (etapa opcional)

Circuito Sensor Capacitivo de Proximidade em Profundidade

Para aqueles que estão interessados ​​em entender o princípio de funcionamento de um sensor de proximidade capacitivo, vamos dar uma olhada em profundidade.

Como mencionado antes, um sensor de proximidade capacitivo abriga circuitos complexos dentro dele. Possui quatro partes principais:

• Estágio oscilador
• Estágio de Demodulador
• Estágio de gatilho
• Estágio de saída

Estágio oscilador

O estágio do oscilador contém um RC oscilador de relaxamento. Este circuito é um circuito baseado em amp op. Capacitores e resistores neste circuito determinam a frequência de oscilação. O capacitor C1 usado para controlar a frequência de oscilação é acoplado à cabeça do sensor. Se um objeto externo chegar perto da cabeça do sensor, a frequência de oscilação muda. O sinal oscilante deste estágio é uma entrada para o estágio demodulador.

Estágio de Demodulador

O estágio demodulador pega o sinal oscilante do estágio anterior e o retifica. Este circuito mostrado acima tem um retificador de meia onda. O capacitor C3 suaviza o sinal de tensão e emite uma tensão CC estável no estágio de disparo.

Estágio de gatilho

Este estágio tem um componente especial chamado 'gatilho schmitt'. Este dispositivo pode 'travar' em uma saída específica por meio de uma gama de entradas. Por exemplo, um gatilho schmitt pode produzir lógica HIGH para tensões de entrada superiores a 3 V e lógica de saída BAIXA quando a tensão de entrada cair abaixo de 2.5 V. A diferença de 0.5 V é chamada de 'histerese' e ajuda a saída a ficar estável se a tensão de entrada mudar ligeiramente.

Estágio de saída

O estágio de disparo controla o estágio de saída. O sensor mostrado aqui tem uma saída de transistor. É um tipo de afundamento (NPN) saída. Uma vez que o estágio de disparo fornece um sinal lógico ALTO, o transistor no estágio de saída é ativado. Isso faz com que o circuito de carga seja concluído e ativa a carga. Nos sensores de saída de relé, o transistor é substituído por um pequeno relé.

O estágio de saída também consiste nos diodos D2 e ​​Z1 para proteger o sensor. Se a polaridade da fonte de alimentação for invertida, esses diodos protegerão o sensor.

Sensores de Proximidade Capacitivos vs. Sensores de Proximidade Indutivos

Sensores de proximidade capacitivos e indutivos são dois dos sensores de proximidade mais populares. Sensores capacitivos podem detectar materiais condutores e não condutores. Sensores de proximidade indutivos podem detectar apenas material metálico (condutor).

Sensores de proximidade indutivos usam o princípio do eletromagnetismo para detectar objetos. Por esse motivo, eles só podem detectar objetos metálicos feitos de ferro, cobre ou alumínio. Seus circuitos internos são muito semelhantes aos sensores capacitivos. A principal diferença está no circuito do oscilador. Sensores indutivos usam princípios de eletromagnetismo e Correntes de Foucault enquanto os sensores capacitivos usam capacitância para controlar a oscilação.

Os sensores indutivos são bastante mais rápidos e estão na faixa de 10-20 Hz em CA e 500 Hz-5 kHz em CC. Eles têm um alcance de detecção de cerca de 4-40 mm. Sensores especialmente projetados também estão disponíveis, com distâncias de detecção de até cerca de 80 mm. No entanto, eles têm uma faixa de detecção estreita devido às limitações do campo magnético.

Os sensores capacitivos são relativamente mais lentos do que os sensores indutivos. Isso ocorre porque envolve o carregamento da placa condutora no sensor. A velocidade está na faixa de 10 a 50Hz. Sensores de proximidade capacitivos têm uma faixa nominal de 3 mm a 60 mm. Pode haver sensores especiais com distâncias de detecção maiores.

Sensores capacitivos são mais sujeitos a erros, pois podem detectar todos os tipos de objetos. Isso pode causar disparos falsos do sensor por materiais não-alvo. Portanto, se o interesse for em objetos metálicos, um sensor de proximidade indutivo pode ser uma escolha melhor. Por exemplo, para detectar objetos metálicos em um produto alimentício, um sensor de proximidade indutivo é uma opção mais confiável.

Sensor de proximidade capacitivo com Arduino

Sensores industriais são construídos para trabalhar com tensões mais altas, como 12V ou 24V DC e até 220V AC. As placas de desenvolvimento Arduino funcionam com 5 Vcc. Para usar um sensor de proximidade com um Arduino, é necessário converter o sinal de alta tensão em uma tensão mais baixa.

Neste circuito por Eletroclínico, um sensor de proximidade do tipo PNP é usado. O optoisolador / opto-acoplador PC817 protege o Arduino de sinais de alta tensão. O pino 1 do PC817 se conecta a + 12V e o pino 2 é conectado ao fio preto do sensor por meio de um resistor de 1k. O sensor é alimentado com fios marrons e azuis, como de costume. (Marrom - + 12v, Azul - 0V)

Para ler o sensor, o pino 13 do Arduino é conectado ao pino 4 do optoacoplador, e é puxado para cima usando R3 (resistor de 10k). Isso estabiliza o sinal de entrada quando o sensor não está ativo.

Quando nenhum objeto é detectado, o optoacoplador permanece inativo. O pino 13 do Arduino permanece em + 5V. Quando o sensor está ativo, o optoacoplador liga e puxa o pino 13 para 0V. Isso é monitorado a partir do código e pode ser usado para tomar decisões, como ligar / desligar um motor.

int interruptor de limite = 13;
int estado = BAIXO;
int valor;
anular instalação()
{
Serial.begin (9600);
pinMode (Limitador, INPUT);
}
anular laço()
{
valor = digitalRead (interruptor de limite);
   if(valor! = estado)
{
estado = valor;
Serial.println (“valor do sensor =”);
if (estado == 0)
{
Serial.println (“alvo detectado”);
}

outro{
Serial.println (“Nenhum alvo detectado”);
}
}
}

Símbolo do sensor de proximidade capacitivo

Sensores de proximidade de 3 e 2 fios são os mais comuns na indústria de automação. Para diferenciá-los, cada um deles possui seu próprio símbolo padrão definido pela IEC (International Electrotechnical Commission).

Símbolo do sensor de proximidade de 3 fios

O fio BR na parte superior indica que a cor é marrom (BRpróprio), e é o fio positivo. O fio BL na parte inferior denota sua cor como azul (BLue) e indica que é o fio 0V. BK é o preto (BlacaK) fio, que é a saída.

O símbolo contém 4 sub-símbolos. O símbolo superior esquerdo indica que este é um sensor de proximidade. O símbolo do transistor indica se o sensor está NPN ou PNP modelo. O símbolo inferior esquerdo indica que é um sensor capacitivo enquanto o símbolo inferior direito significa que a saída é normalmente fechado.

Símbolo do sensor de proximidade de 2 fios

O símbolo IEC para os sensores de proximidade de 2 fios é quase idêntico ao seu homólogo de 3 fios. A única diferença é que este símbolo não possui um fio de saída separado.

Os símbolos dentro do símbolo do componente principal podem mudar ligeiramente dependendo da configuração do sensor. Isso inclui o tipo de saída, modo de detecção (capacitivo, indutivo etc.) e configuração de saída NA / NF.

Aplicação de sensor de proximidade capacitivo

Sensores de proximidade capacitivos são usados ​​em aplicações industriais para detectar objetos sólidos e líquidos. Suas aplicações industriais incluem:

• Automação da produção, como contagem de produtos, transferência de produtos
• Processos de enchimento (ou seja, grãos, pó, tinta, água, etc.)
• Sensor de nível de fluido
• Teste de composição (densidade, espessura, etc.)
• Sensor de pressão
• Sensor de umidade

Preço do sensor de proximidade capacitivo

O preço dos sensores de proximidade capacitivos depende de vários fatores, como tamanho, distância de detecção, tensão operacional, tipo de saída e recursos adicionais, como IP (proteção de ingresso) classificações e classificações de temperatura.

Os preços do sensor de proximidade capacitivo podem variar de cerca de $ 30 a $ 1500 para modelos mais complexos e especializados.

O que um sensor de proximidade capacitivo pode detectar?

Sensores de proximidade capacitivos podem detectar objetos condutores e não condutores. Os objetos / materiais podem estar na forma sólida, granulada, em pó e até mesmo na forma líquida. No entanto, eles são usados ​​principalmente para detectar materiais não metálicos como madeira, grãos, plástico, vidro, água e outros líquidos, como combustível e produtos químicos.

Com melhorias adicionais, os sensores de proximidade capacitivos podem detectar ainda mais parâmetros, como pressão e fluxo de líquido.

De que são feitos os sensores de proximidade capacitivos?

Existem alguns tipos de materiais usados ​​para fazer sensores de proximidade capacitivos. Sensores de proximidade do tipo cilíndrico são normalmente feitos de aço inoxidável. Sensores com invólucros de aço inoxidável são mais duráveis ​​e adequados para uso em ambientes corrosivos / de alta temperatura.

Plásticos como PBT (Tereftalato de Polibutileno) e PVDF (Fluoreto de Polivinilideno) são usados ​​para fazer sensores de proximidade menores, como modelos retangulares. Eles são resistentes a temperatura, chamas e UV e fornecem proteção extra para o circuito do sensor. Esses plásticos especializados encontram seu uso em aplicações de produtos químicos corrosivos.

Conclusão

Neste artigo, discutimos sensores de proximidade capacitivos, sua construção, princípio de operação e aplicações. Embora os sensores capacitivos sejam versáteis, existem outros tipos de sensores de proximidade que podem ser mais adequados para uma aplicação específica. Deve-se tomar cuidado para identificar corretamente o melhor tipo de sensor de proximidade e calibrá-los para garantir que as medições feitas sejam corretas e precisas.