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Sensor

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/dC = ε₀εᵣA/d
ε₀— 8,854 × 100.00² F/m (F/m)
εᵣ— Permissividade relativa

Como Funciona

Esta calculadora calcula parâmetros capacitivos do sensor de proximidade, incluindo capacitância e sensibilidade versus distância, essenciais para engenheiros de automação industrial, projetistas de sensores de nível de líquido e desenvolvedores de telas sensíveis ao toque. Sensores capacitivos detectam objetos medindo a mudança de capacitância quando um alvo se aproxima do eletrodo sensor. A capacitância da placa paralela é C = e0 er A/ d, onde e0 = 8,8541878128e-12 F/m (permissividade de vácuo de acordo com CODATA 2018), er é permissividade relativa (ar = 1,0, vidro = 4-10, água = 80, corpo humano = 50-80), A é a área do eletrodo e d é a distância da lacuna. A sensibilidade dC/dd = -e0 er A/ d^2 aumenta em distâncias mais curtas (relação inverso-quadrado). Sensores capacitivos industriais (Balluff, IFM, Omron) atingem uma faixa de detecção de 1-25 mm com +/ -10% de repetibilidade de acordo com a IEC 60947-5-2. Os circuitos de medição de capacitância usam mudança de frequência do oscilador (delta_f/f proporcional a delta_C), transferência de carga (qTouch) ou modulação sigma-delta (AD7745, resolução de 4 aF). O coeficiente de temperatura é normalmente de 0,3% /C devido à expansão do eletrodo e à mudança de permissividade.

Exemplo Resolvido

Problema: projete um sensor capacitivo de nível de líquido para uma parede de tanque de HDPE de 5 mm de espessura (er = 2,3). O eletrodo tem 50 mm x 100 mm. Calcule a capacitância através da parede e a sensibilidade à presença de água (er = 80).

Solução:

  1. Área do eletrodo: A = 0,05 * 0,1 = 0,005 m^2
  2. Espaço na parede de HDPE: d = 5 mm = 0,005 m
  3. Capacitância (ar atrás da parede): C_air = 8,854e-12 2,3 0,005/0,005 = 20,4 pF
  4. Espere - deve considerar os campos marginais. Área efetiva ~ 1,5x geométrica: a_Eff = 0,0075 m^2
  5. Com água presente: er_eff = (er_HDPE er_water) ^0,5 = (2,3 80) ^0,5 = 13,6 (simplificado)
  6. C_água = 8,854e-12 13,6 0,0075/0,005 = 181 pF
  7. Delta_C = 181 - 30,6 = 150 pF (ar C_ar = 30,6 pF com campo de franja)
  8. Limite de detecção: definido em 50 pF acima da linha de base do ar para uma detecção confiável
  9. Use AD7746 CDC (24 bits, faixa de +/- 4 pF, resolução de 4 aF) no modo de alto alcance
Resultado: A capacitância muda de 31 pF (ar) para 181 pF (água) através de uma parede de HDPE de 5 mm. Defina o limite em 80 pF para detecção confiável de nível com margem.

Dicas Práticas

  • ✓Use um design de eletrodo protegido (escudo acionado) para restringir o campo elétrico à face ativa e rejeitar interferências laterais e traseiras; proteja o eletrodo acionado com o mesmo potencial do eletrodo sensorial, de acordo com a Analog Devices AN-1301
  • ✓Para detectar o nível de líquido através de paredes não metálicas do recipiente, escolha um sensor classificado de acordo com a permissividade do líquido; a água (er = 80) fornece um sinal forte, os óleos (er = 2-4) exigem configurações de sensibilidade mais altas de acordo com as notas de aplicação da Balluff
  • ✓Reduza a sensibilidade à temperatura usando medição diferencial (dois eletrodos com mudanças de folga opostas) em vez de uma única capacitância absoluta; isso rejeita o erro do modo comum de expansão térmica para < 0,05% /C

Erros Comuns

  • ✗Ignorando a contaminação ambiental: água (er = 80) ou óleo na face do sensor aumentam drasticamente a capacitância, causando falsos gatilhos; use sensores embutidos com design de eletrodo de proteção para ambientes úmidos, de acordo com o guia de aplicação IFM
  • ✗Excedendo a faixa de detecção linear: a capacitância varia em 1/d, então a sensibilidade é altamente não linear; nos primeiros 2 mm próximos à placa, o sensor é extremamente sensível e facilmente satura com pequenas mudanças de deslocamento
  • ✗Montagem próxima ao metal (efeito de incorporação): o hardware de montagem condutiva dentro do campo periférico do sensor atua como um alvo virtual; mantenha a zona livre de metal de 2x a distância de detecção de acordo com os guias de instalação do fabricante

Perguntas Frequentes

Sensores capacitivos detectam materiais condutores e não condutores se sua permissividade for suficientemente diferente do ar (er = 1). Os metais são facilmente detectados (eles causam curto-circuito no campo elétrico, maximizando o delta_C). Plásticos (er = 2-4), vidro (er = 4-10), madeira (er = 2-5), água (er = 80) e materiais granulares são detectáveis se sua permissividade deslocar a capacitância acima do limite de detecção (normalmente 0,5-2 pF). A faixa de detecção é dimensionada como sqrt (er): a água é detectável em 3 vezes a faixa de plástico de acordo com os métodos de teste IEC 60947-5-2.
Sensores indutivos detectam somente alvos condutores (metálicos) medindo as perdas por corrente parasita em uma bobina osciladora; faixa de 2 a 60 mm para metais ferrosos, 40% menos para metais não ferrosos (alumínio, cobre). Sensores capacitivos detectam qualquer material com er > 1, incluindo alvos não metálicos, como plásticos, líquidos e papel. Desvantagens: os sensores capacitivos são mais sensíveis à contaminação (películas de água, poeira) e têm alcance mais curto (1-25 mm típico), mas podem ser detectados através de paredes de recipientes não metálicos. De acordo com as guias de seleção IFM e Balluff, use indutivo para detecção de metais, capacitivo para sensores não metálicos ou de nível.
Muitos sensores capacitivos industriais têm capacidade de inserção (potenciômetro ou botão de pressão) que define o limite de gatilho em uma lacuna específica. Procedimento: posicione o sensor na distância de detecção desejada com o alvo presente, ative o teach-in e o sensor armazena essa capacitância como ponto de ativação. A histerese (normalmente 10-20% da distância de detecção) é aplicada automaticamente para evitar vibrações. Isso calibra a geometria real da instalação, o material alvo e as condições ambientais de acordo com as instruções de operação dos sensores Omron e Sick.

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