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Sensor

Sensor de Proximidad Capacitivo

Calcula la capacitancia entre la placa del sensor y el objetivo, y la sensibilidad (pF/mm) para diseño de sensor de proximidad capacitivo.

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Fórmula

C=ε0εrA/dC = ε₀εᵣA/d
ε₀— 8,8542 × 10⁻¹² F/m (F/m)
εᵣ— Permitividad relativa

Cómo Funciona

Esta calculadora calcula los parámetros de los sensores de proximidad capacitivos, como la capacitancia y la sensibilidad en función de la distancia, algo esencial para los ingenieros de automatización industrial, los diseñadores de sensores de nivel de líquido y los desarrolladores de pantallas táctiles. Los sensores capacitivos detectan objetos midiendo el cambio de capacitancia cuando un objetivo se acerca al electrodo sensor. La capacitancia de las placas paralelas es C = e0 er A/ d, donde e0 = 8,8541878128e-12 F/m (permitividad de vacío según CODATA 2018), er es la permitividad relativa (aire = 1,0, vidrio = 4-10, agua = 80, cuerpo humano = 50-80), A es el área del electrodo y d es la distancia de separación. La sensibilidad dC/dd = -e0 er A/d^2 aumenta a distancias más cortas (relación cuadrática inversa). Los sensores capacitivos industriales (Balluff, IFM, Omron) alcanzan un rango de detección de 1 a 25 mm con una repetibilidad de +/ -10% según la norma IEC 60947-5-2. Los circuitos de medición de capacitancia utilizan un cambio de frecuencia del oscilador (delta_f/f proporcional a la transferencia de carga delta_C), ( QTouch) o una modulación sigma-delta (AD7745, resolución de 4 aF). El coeficiente de temperatura suele ser del 0,3% /C debido a la expansión de los electrodos y al cambio de permitividad.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe un sensor capacitivo de nivel de líquido para una pared de tanque de HDPE de 5 mm de espesor (er = 2.3). El electrodo mide 50 mm x 100 mm. Calcule la capacitancia a través de la pared y la sensibilidad a la presencia de agua (er = 80).

Solución:

  1. Área del electrodo: A = 0.05 * 0.1 = 0.005 m^2
  2. Espacio a través de la pared de HDPE: d = 5 mm = 0.005 m
  3. Capacitancia (aire detrás de la pared): C_air = 8.854e-12 2.3 0.005/0.005 = 20.4 pF
  4. Espere, debe considerar los campos marginales. Área efectiva ~1,5 veces geométrica: A_eff = 0.0075 m^2
  5. Con agua presente: er_eff = (er_HDPE er_water)^0.5 = (2.3 80) ^0.5 = 13.6 (simplificado)
  6. C_water = 8.854e-12 13,6 0,0075/ 0,005 = 181 pF
  7. Delta_C = 181 - 30.6 = 150 pF (air C_air = 30.6 pF con campo marginal)
  8. Umbral de detección: establecido en 50 pF por encima de la línea base del aire para una detección fiable
  9. Utilice el AD7746 CDC (24 bits, rango de +/-4 pF, resolución de 4 aF) en modo de rango alto

Resultado: la capacitancia cambia de 31 pF (aire) a 181 pF (agua) a través de una pared de HDPE de 5 mm. Establezca el umbral en 80 pF para una detección de nivel fiable con margen.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice un diseño de electrodo protegido (blindaje impulsado) para restringir el campo eléctrico a la cara activa y rechazar las interferencias desde los lados y la parte trasera; el electrodo de protección funciona con el mismo potencial que el electrodo de detección según Analog Devices AN-1301
  • ✓Para detectar el nivel de líquido a través de paredes de recipientes no metálicos, elija un sensor que tenga en cuenta la permitividad del líquido; el agua (er = 80) proporciona una señal fuerte, los aceites (er = 2 a 4) requieren ajustes de sensibilidad más altos según las notas de aplicación de Balluff
  • ✓Reduzca la sensibilidad a la temperatura mediante la medición diferencial (dos electrodos con cambios de separación opuestos) en lugar de una sola capacitancia absoluta; esto rechaza el error de expansión térmica en modo común a < 0,05% /C

Errores Comunes

  • ✗Ignorar la contaminación ambiental: el agua (er = 80) o el aceite en la superficie del sensor aumentan drásticamente la capacitancia y provocan falsos activadores; utilice sensores empotrados con diseño de electrodos de protección para entornos húmedos, según la guía de aplicaciones de IFM
  • ✗Superación del rango de detección lineal: la capacitancia varía en 1/d, por lo que la sensibilidad es muy no lineal; dentro de los primeros 2 mm cerca de la placa, el sensor es extremadamente sensible y se satura fácilmente con pequeños cambios de desplazamiento
  • ✗Montaje junto al metal (efecto de incrustación): el hardware de montaje conductivo dentro del campo periférico del sensor actúa como un objetivo virtual; mantiene una zona libre de metales a una distancia de detección del doble según las guías de instalación del fabricante

Preguntas Frecuentes

Los sensores capacitivos detectan materiales conductores y no conductores si su permitividad difiere suficientemente de la del aire (er = 1). Los metales se detectan fácilmente (provocan un cortocircuito en el campo eléctrico, maximizando los grados delta_C). Los plásticos (er = 2-4), el vidrio (er = 4-10), la madera (er = 2-5), el agua (er = 80) y los materiales granulares son detectables si su permitividad desplaza la capacitancia por encima del umbral de detección (normalmente de 0,5 a 2 pF). El rango de detección se escala como sqrt (er): el agua es detectable a una distancia 3 veces mayor que la del plástico según los métodos de prueba IEC 60947-5-2.
Los sensores inductivos detectan solo objetivos conductivos (metálicos) al medir las pérdidas por corrientes parásitas en una bobina osciladora; rango de 2 a 60 mm para metales ferrosos, 40% menos para no ferrosos (aluminio, cobre). Los sensores capacitivos detectan cualquier material con un valor de er > 1, incluidos objetos no metálicos como plásticos, líquidos y papel. Ventajas y desventajas: los sensores capacitivos son más sensibles a la contaminación (películas de agua, polvo) y tienen un alcance más corto (normalmente de 1 a 25 mm), pero pueden detectar a través de las paredes no metálicas de los contenedores. Según las guías de selección de IFM y Balluff, utilice la tecnología inductiva para la detección de metales y la capacitiva para la detección de metales no metálicos o de nivel.
Muchos sensores capacitivos industriales tienen una capacidad de aprendizaje (potenciómetro o pulsador) que establece el umbral de activación en un intervalo específico. Procedimiento: coloque el sensor a la distancia de detección deseada con el objetivo presente, active el sensor de detección y el sensor almacenará esa capacitancia como punto de conexión. La histéresis (normalmente del 10 al 20% de la distancia de detección) se aplica automáticamente para evitar la vibración. Esto se ajusta a la geometría real de la instalación, el material objetivo y las condiciones ambientales según las instrucciones de funcionamiento de los sensores Omron y Sick.

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