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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— 8,854 × 10～² 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 el cambio de frecuencia del oscilador (delta_f/f proporcional a delta_C), la transferencia de carga (QTouch) o la modulación sigma-delta (AD7745, resolución de 4 aF). El coeficiente de temperatura suele ser del 0,3% /C debido a la expansión del electrodo 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 la superficie 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 (aire 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 y maximizan el 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). Según los métodos de ensayo de la norma IEC 60947-5-2, el rango de detección del agua es tres veces mayor que el del plástico.
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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