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Sensor de Proximidade Capacitivo

Calcula a capacitância entre a placa do sensor e o alvo, e a sensibilidade (pF/mm) para o design de sensor de proximidade capacitivo.

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Fórmula

C = ε₀εᵣA/d

ε₀ — 8.854 × 10⁻¹² F/m (F/m)
εᵣ — Relative permittivity

Como Funciona

Um sensor de proximidade capacitivo detecta a presença de objetos medindo a mudança na capacitância quando um alvo se aproxima ou entra em contato com a placa do sensor. A capacitância entre duas placas paralelas é C = ρA/d, onde ε = 8,854 × 10¹ F/m é a permissividade do espaço livre, ρé a permissividade relativa do dielétrico entre as placas, A é a área da placa e d é a distância de separação. A sensibilidade (mudança na capacitância por mudança na distância) é dC/dD = −αa/d², que aumenta à medida que a lacuna diminui — o sensor se torna mais sensível em distâncias menores. Sensores capacitivos podem detectar alvos metálicos e não metálicos; a permissividade ε do meio interveniente (ar = 1, vidro = 4—10, água = 80) influencia fortemente a capacitância. As pequenas capacitâncias (1—100 pF) são normalmente medidas usando o deslocamento de frequência do oscilador, o amplificador de carga ou os circuitos de excitação AC da ponte de Wheatstone. O alcance de detecção é normalmente de 1 a 15 mm para sensores industriais padrão.

Exemplo Resolvido

Problema: Um sensor de proximidade capacitivo tem uma área de placa de 2 cm² e precisa detectar um alvo em um espaço de 3 mm no ar (ε = 1). Calcule a capacitância e a sensibilidade.
Solução:
1. Área: A = 2 cm² = 2 × 10․ ⁴ m²
2. Espaço: d = 3 mm = 3 × 10˚³ m
3. Capacitância: C = (8,854 × 10․ ² × 1 × 2 × 10⁴)/(3 × 10․ ³) = 5,90 × 10․ ³ F = 0,59 pF
4. Sensibilidade: dC/dD = ⁄․ μa/d² = (8,854 × 10․ ² × 1 × 2 × 10․)/(3 × 10˚³) ² = 0,197 pF/mm
Resultado: A capacitância do sensor é de 0,59 pF com sensibilidade de 0,197 pF/mm em um intervalo de 3 mm.

Dicas Práticas

  • ✓Use um design de eletrodo protegido (blindado) para restringir o campo elétrico à face ativa e rejeitar a interferência das laterais e da parte traseira do sensor.
  • ✓Para detecção do nível de líquido, escolha um sensor classificado de acordo com a permissividade do líquido e garanta que a montagem permita que o campo elétrico penetre na parede do recipiente.
  • ✓Reduza a sensibilidade à temperatura usando uma medição diferencial (duas placas com mudanças de lacuna opostas) em vez de uma única medição de capacitância absoluta.

Erros Comuns

  • ✗Ignorando a contaminação ambiental — água (= 80) ou óleo na face do sensor aumenta drasticamente a capacitância e pode causar um falso acionamento; use sensores embutidos com proteção para ambientes úmidos.
  • ✗Excedendo a faixa de detecção linear — a capacitância varia em 1/d, então a sensibilidade não é linear; nos primeiros milímetros próximos à placa, o sensor é altamente sensível e facilmente saturado.
  • ✗Montagem próxima ao metal (efeito de incorporação) — o hardware de montagem condutiva dentro das linhas de campo do sensor atua como um alvo; sempre siga a zona livre de metal recomendada pelo fabricante.

Perguntas Frequentes

Os sensores capacitivos detectam materiais condutores e não condutores se eles tiverem uma permissividade suficientemente diferente da do fundo. Os metais são facilmente detectados (eles causam um curto-circuito no campo). Plásticos, vidro, madeira, líquidos e materiais granulares também são detectáveis se sua permissividade (θ> 1) deslocar a capacitância acima do limite de detecção.
Os sensores indutivos detectam somente alvos condutores (metálicos) medindo as perdas por corrente parasita em uma bobina osciladora. Sensores capacitivos detectam qualquer material com permissividade diferente do ar, incluindo alvos não metálicos. Os sensores capacitivos têm alcance mais curto e são mais sensíveis à contaminação ambiental do que os sensores indutivos.
Muitos sensores capacitivos industriais têm um potenciômetro ou botão de inserção que define o limite do gatilho em uma distância de lacuna específica. O sensor é posicionado na distância de detecção desejada com o alvo presente e o teach-in armazena a capacitância nesse ponto como o limite de ativação.

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