Qué es un sensor capacitivo : Funcionamiento y sus aplicaciones

Una simple sensor capacitivo está disponible comercialmente desde hace muchos años para la detección de objetos no metálicos, aunque están restringidos a rangos cortos, normalmente inferiores a 1 cm. En general, un sensor capacitivo es un tipo de sensor de proximidad que se utiliza para detectar objetos cercanos por el efecto del campo eléctrico que se forma a través del sensor. Este tipo de sensores tiene algunas similitudes con el radar en su capacidad de detectar materiales conductores mientras observa a través de materiales aislantes como el plástico o la madera.

Las diferencias son significativas en comparación con el radar. Los sensores capacitivos son más pequeños, más sencillos, menos caros y consumen menos energía. Por eso, este artículo explica brevemente un sensor capacitivo y sus trabajos con aplicaciones.

Índice de Contenido
  1. ¿Qué es un sensor capacitivo?
    1. Principio de funcionamiento del sensor capacitivo
    2. Tipos de sensores capacitivos
    3. Circuito de sensor capacitivo accionado por la red eléctrica
    4. Sensor capacitivo frente a sensor inductivo
    5. Interfaz del sensor capacitivo con Arduino
    6. Características del sensor capacitivo
    7. Ventajas
    8. Aplicaciones

¿Qué es un sensor capacitivo?

Un dispositivo electrónico que se utiliza para detectar objetivos como líquidos o sólidos sin ningún contacto físico se conoce como sensor capacitivo. Para detectar estos objetivos, el sensor capacitivo produce un campo eléctrico desde el extremo de detección del sensor. Cualquier objetivo que pueda interrumpir este campo eléctrico puede ser detectado por este sensor.

Sensor capacitivo

Los materiales sólidos que puede detectar un sensor capacitivo son el papel, el plástico, el vidrio, la tela y la madera. Los líquidos que puede detectar un sensor capacitivo son el aceite, la pintura, el agua, etc.

Principio de funcionamiento del sensor capacitivo

Un sensor capacitivo funciona como un condensador normal. En este sensor, una placa metálica dentro de la cara de detección está conectada eléctricamente a un circuito oscilante y el objetivo que se detecta puede actuar como la siguiente placa del condensador. No como un sensor inductivo que genera un campo electromagnético, un sensor capacitivo genera un campo electrostático.

Generación del campo electrostático
Generación de campos electrostáticos

A continuación se muestra el diagrama de bloques del sensor capacitivo. Arriba se muestra el diagrama capacitivo interno. Este sensor incluye un oscilador de alta frecuencia con una superficie de detección formada por dos electrodos metálicos. Cuando un objeto se acerca a la superficie de detección, se mueve hacia el campo electrostático de los electrodos y cambia la capacitancia del oscilador.

Funcionamiento del sensor capacitivo
Funcionamiento del sensor capacitivo

En consecuencia, el circuito oscilador empezará a oscilar y a cambiar el estado de la salida del sensor cuando llegue a una determinada amplitud. Una vez que el objetivo se aleje del sensor capacitivo, la amplitud del oscilador se reducirá, devolviendo el sensor capacitivo a su posición original.
El rango de detección típico de este sensor es de aproximadamente 1 pulgada o 25 mm, mientras que el rango de algunos sensores se extiende hasta 2 pulgadas.

Estos sensores detectan la constante dieléctrica superior de un objeto de forma sencilla. Por lo tanto, esto hace posible la detección del material dentro de los contenedores no metálicos porque la constante dieléctrica del líquido es mucho mayor en comparación con el contenedor. Así que esto proporciona al sensor la capacidad de observar en todo el contenedor y detectar el líquido. Para un mejor funcionamiento, deben utilizarse en una situación de temperatura y humedad bastante constantes.

Fórmula del sensor capacitivo

El sensor capacitivo es un tipo de dispositivo utilizado para la detección capacitiva. Se basa principalmente en el principio de acoplamiento capacitivo. Este sensor puede detectar y medir de forma sencilla diferentes cosas como el movimiento, la composición química, el desplazamiento, el campo eléctrico y, de forma indirecta, detectar muchas otras variables que pueden cambiar en la constante dieléctrica o el movimiento, como la aceleración, la presión, la composición del fluido y el nivel del mismo.
Un sensor de capacitancia incluye dos placas metálicas que están separadas por una distancia "d" y un área "A". Por tanto, la capacitancia 'C' entre dos terminales puede darse mediante la siguiente expresión.

C = ε0*εr*A/h

Donde,

c' es la capacidad dentro de Faradays

εr' es la constante dieléctrica relativa del aislante

εo' es la constante dieléctrica del espacio libre

'A' es el área de superposición de dos placas

'h' es la anchura del hueco entre dos placas.

Tipos de sensores capacitivos

Los sensores capacitivos ofrecen una detección de objetivos sin contacto. Estos sensores no sólo detectan la existencia o inexistencia de un objetivo, sino que también pueden detectar la presión, el flujo, el espacio, el nivel de líquido, etc. Esto puede hacerse de forma sencilla para diferentes materiales en diferentes industrias. Existen diferentes tipos de sensores capacitivos que incluyen los siguientes.

Miniatura

Este tipo de sensor capacitivo está disponible en forma de oblea o cilíndrica que puede colocarse en los lugares más compactos. Estos sensores se utilizan principalmente para supervisar y controlar, procesos de máquinas y funcionan como detectores utilizados para el recuento de trabajos. Para que encajen perfectamente en espacios reducidos, los cabezales de los sensores pequeños necesitan un amplificador externo. Por eso, en este amplificador externo, el potenciómetro permite ajustar la sensibilidad.

Sensor en miniatura
Sensor miniatura

Cilíndrico

Este sensor capacitivo cilíndrico es más grande en comparación con los sensores de tipo miniatura que van de ∅6,5 - M12 y M12 - M30. Este sensor incluye principalmente una distancia de detección ajustable, una gama de diámetros de carcasa y opciones de montaje empotrado y no empotrado. Estos sensores proporcionan principalmente la detección de nivel o la detección de proximidad sin contacto directamente, o bien a lo largo de la pared de un contenedor.

Sensor de condensador cilíndrico
Sensor de condensador cilíndrico

Alta temperatura

Los sensores capacitivos de alta temperatura se utilizan cuando el cabezal del sensor está expuesto a temperaturas extremas. Estos sensores pueden seguir funcionando incluso en contacto directo con materiales y temperaturas calientes para detectar niveles de temperatura de líquidos y productos a granel incluso en las circunstancias más severas.

Sensor de alta temperatura
Sensor de alta temperatura

Sensor analógico capacitivo

El sensor capacitivo analógico simplemente funciona como los típicos sensores capacitivos, aunque incluye diferentes beneficios en función de su utilización. Por ejemplo, estos sensores son brillantes para la selección de material, el control del grosor y la diferencia de concentración en comparación con otros usos.

Sensor capacitivo analógico
Sensor analógico capacitivo

Circuito de sensor capacitivo accionado por la red eléctrica

A continuación se muestra el diagrama del circuito del sensor capacitivo accionado por la red. Este circuito puede construirse con componentes electrónicos como un sensor capacitivo, R1= 220K, R2 = 47K, R3=1K, D1=TIC106M 600V 5A SCR, LP1es cualquier bombilla de neón pequeña, LP2 es una lámpara de 230V, BZ1 es un zumbador de 230V (opcional), SPST SW1 (opcional) y PL1 es un enchufe macho de red y un cable.

Este circuito funciona como un sensor capacitivo de alta sensibilidad. Una vez que una parte del cuerpo humano se acerca al sensor, los zumbadores y las lámparas pueden funcionar a la mitad de la tensión de la red. Este circuito puede utilizarse como alternativa al circuito de alarma de puerta o al circuito de sensor capacitivo.

Sensor capacitivo accionado por la red eléctrica
Sensor capacitivo operado a través de la red eléctrica

Si este circuito se utiliza como alarma de puerta, el zumbador o las lámparas se activan cuando alguien toca la manilla de la puerta desde el exterior. La alarma no tiene autocierre, por lo que el zumbador o la lámpara se desactivarán cuando se retire la mano de la puerta.

El control de sensibilidad de amplio rango "R2" permite utilizar el circuito en diferentes tipos de puertas, manillas y cerraduras. El dispositivo ha demostrado ser consistente incluso cuando una fracción de la cerradura entra en contacto con la pared, pero no funciona en puertas totalmente metálicas.

Este circuito puede utilizarse como un simple control táctil, ya que funcionará una vez que se toque el terminal del lado izquierdo de 'R1'. En esta situación, puedes funcionar sin la placa del sensor. Alternativamente, utilizando una fina lámina de aluminio o cobre para medir 30 x 20 cm del sensor, se puede notar una fracción del cuerpo humano a una distancia de 20 cm.

Este circuito se diseñó principalmente para el funcionamiento de 230 V CA. Si se requiere el funcionamiento de 110 a 120V AC, entonces el valor de 'R1' debe ser alterado con 100K. Si este circuito no funciona correctamente, intenta volcar el enchufe de la red en la toma de corriente, ya que el cable neutro de la red debe estar conectado al terminal catódico de D1. Una vez que el circuito se utilice como alarma de manilla, entonces se hará un mejor sistema con R2 un potenciómetro de tipo trimmer en el rango de 5K a 10K.

Ten en cuenta que la carga se accionará con la mitad de la alimentación principal disponible. Esto no debería causar problemas, ya que la lámpara producirá suficiente luz para la señalización y los zumbadores accionados por la red deberían funcionar, sólo que produciendo un poco menos de ruido. El circuito está conectado a la red eléctrica de 230 V CA, mantente alejado del circuito una vez enchufado y ponlo dentro de una caja de plástico.

Sensor capacitivo frente a sensor inductivo

El diferencia entre el sensor capacitivo y el inductivo incluye lo siguiente.

Sensor capacitivo

Sensor inductivo

Los sensores capacitivos detectan objetos utilizando un campo eléctrico. Los sensores inductivos detectan objetos utilizando un campo magnético.
Para detectar un objeto mediante el sensor capacitivo, no es necesario que el objeto sea conductor.

Para detectar un objeto mediante un sensor inductivo, el objeto debe ser conductor.
Estos sensores se utilizan para detectar tanto metales como materiales no conductores.Este sensor se utiliza para detectar objetos metálicos.
El funcionamiento de los sensores capacitivos es que miden los cambios de una propiedad eléctrica conocida como capacitancia.Estos sensores funcionan según el principio de cambio de inductancia.
Los sensores capacitivos están disponibles en cuatro tipos: miniatura, cilíndricos, de alta temperatura y analógicosLos sensores inductivos están disponibles en tres tipos Oscilación de alta frecuencia, magnético y Capacidad electrostática.
Tiene una frecuencia de conmutación más baja.Tiene una frecuencia de conmutación más alta.
La precisión no es buena debido a la posibilidad de falsos disparos.Muy buena precisión.
El rango de detección de un sensor capacitivo es de 2 a 50 mm.El rango de detección de un sensor inductivo es de 0,8 a 100 mm.

Interfaz del sensor capacitivo con Arduino

Sabemos que un sensor capacitivo simplemente detecta los cambios de capacidad en el entorno. Este sensor responde a diferentes materiales que contienen cierta conductividad, como los metales y los líquidos. Algunos tipos de sensores también tienen la posibilidad de regular la sensibilidad. Esto puede ser posible mediante un botón o un potenciómetro.

Este sensor se utiliza con frecuencia para detectar niveles de agua dentro de los depósitos, fugas o burbujas de aire dentro de las tuberías. Además, también puede funcionar como sensor táctil, detector de metales o como contacto de puerta.

A continuación se muestra la interconexión del sensor táctil capacitivo MPR121 con Arduino. En este diagrama, el módulo MPR121 se utiliza como sensor táctil capacitivo, que es un sensor de alta precisión.

Este módulo incluye 12 botones táctiles y admite la comunicación I2C, por lo que se puede interconectar fácilmente con cualquier microcontrolador. Esta placa no incluye ningún regulador, por lo que el suministro de voltaje debe estar entre 1,7 - 3,6VDC.

Configuración de pines del MPR121

La configuración de pines del sensor táctil capacitivo MPR121 incluye lo siguiente. Este módulo sensor incluye 6 pines a la izquierda que se comentan a continuación y 12 pines (0 a 11) a la derecha que son botones táctiles.

Módulo sensor MPR121
Módulo sensor MPR121
  • VCC es la fuente de alimentación de un módulo como 3,3V.
  • IRQ es una salida de interrupción.
  • SCL es una entrada CLK serie para el protocolo I2C.
  • SDA es una E/S de datos en serie para el protocolo I2C.
  • ADD es una dirección de ajuste para el protocolo I2C.
  • GND es un terminal de tierra.

Los componentes de hardware y software necesarios para esta interconexión incluyen principalmente el Arduino UNO R3, el módulo de sensor táctil capacitivo de proximidad MPR121, un cable de puente macho a hembra y el IDE de Arduino. El siguiente diagrama de interconexión mostrará cómo conectar Arduino Uno al módulo MPR121 mediante cables de conexión.

Interfaz del sensor capacitivo con Arduino
Interfaz del sensor capacitivo con Arduino

Una vez realizadas las conexiones del circuito, ve al gestor de bibliotecas y tienes que instalar la biblioteca MPR121 de Adafruit. Después de eso, tienes que cargar el siguiente código en la placa Arduino y luego abrir el monitor de serie.

/*
Modificado el 20 de enero de 2021
Modificado por MehranMaleki de Arduino Examples
Inicio
*/
#include
#include "Adafruit_MPR121.h"
#ifndef _BV
#define _BV(bit) (1 << (bit))
#endif
// ¡Puedes tener hasta 4 en un mismo bus i2c, pero uno es suficiente para las pruebas!
Adafruit_MPR121 cap = Adafruit_MPR121();
// Mantiene un registro de los últimos pines tocados
// para saber cuándo se "liberan" los botones
uint16_t lasttouched = 0;
uint16_t currtouched = 0;

void setup () {
Serial.begin(9600);
¡while (!Serial) { // ¡se necesita para evitar que leonardo/micro se inicie demasiado rápido!
delay(10);
}
Serial.println("Prueba del sensor táctil capacitivo Adafruit MPR121");
// La dirección por defecto es 0x5A, si está ligada a 3,3V es 0x5B
// Si está ligado a SDA es 0x5C y si SCL entonces 0x5D
if (!cap.begin(0x5A)) {
Serial.println("No se encuentra el MPR121, comprueba el cableado");
mientras (1);
}
Serial.println("¡MPR121 encontrado!");
}
void loop() {
// Obtén los pads actualmente tocados
currtouched = cap.touched();
for (uint8_t i = 0; i < 12; i++) {
// si *se* toca y *no* se ha tocado antes, ¡alerta!
if ((currtouched & _BV(i)) && !(lasttouched & _BV(i)) {
Serial.print(i); Serial.print(" tocado");
}
// Si *se ha tocado* y ahora *no se ha tocado*, ¡alerta!
if (!(currtouched & _BV(i)) && (lasttouched & _BV(i)) {
Serial.println(" liberado");
}
}
// restablecer nuestro estado
lasttouched = currtouched;
// ¡Comenta esta línea para obtener datos detallados del sensor!
volver;
// información de depuración, qué
Serial.print("N- Tocada(), HEX); Serial.println(cap.tocada(), HEX);
Serial.print("Filt: ");
for (uint8_t i = 0; i < 12; i++) {
Serial.print(cap.filteredData(i)); Serial.print("t");
}
Serial.println();
Serial.print("Base: ");
for (uint8_t i = 0; i < 12; i++) {
Serial.print(cap.baselineData(i)); Serial.print("t");
}
Serial.println();
// pon un retardo para que no sea agobiante
delay(1000);
}

En primer lugar, el código de este proyecto verifica si el módulo sensor capacitivo está conectado correctamente o no a la placa Arduino. Después, muestra la pulsación y liberación de cada tecla en el monitor serie.

Características del sensor capacitivo

El características del sensor capacitivo incluyen las siguientes.

  • Estos sensores pueden detectar objetos pequeños o ligeros que no pueden ser percibidos a través de interruptores de límite mecánicos.
  • Estos sensores proporcionan una velocidad de conmutación máxima para una respuesta rápida en las aplicaciones basadas en el recuento de objetos.
  • Pueden detectar objetivos líquidos a través de barreras no metálicas como el plástico, el vidrio, etc.
  • Su vida útil es larga e incluye un número casi ilimitado de ciclos de funcionamiento.
  • El o/p de estado sólido genera una señal de contacto sin rebotes.
  • Distancia de separación o de alcance: Normalmente estos sensores tienen una mayor distancia de detección en comparación con otros sensores que oscilan entre 5 y 40 milímetros.
  • Estos sensores ofrecen una combinación de linealidad, precisión, estabilidad, ancho de banda y resolución mejor que la de los sensores convencionales, como las galgas extensométricas y los LVDT.

Ventajas

El ventajas del sensor capacitivor incluyen las siguientes.

  • Estos sensores detectan objetivos no metálicos.
  • Pueden detectar mediante el uso de ciertos tipos de contenedores
  • La construcción es sencilla
  • Un sensor capacitivo es ajustable a diferentes tipos de materiales.
  • Estos sensores detectan objetivos sólidos y líquidos
  • Menor coste
  • Tiene una alta sensibilidad y puede funcionar con una pequeña magnitud de energía.
  • Se utiliza para medir la presión, la humedad, la fuerza, etc.
  • Tiene una buena respuesta en frecuencia y resolución (<0,003 mm)

Desventajas

Los inconvenientes del sensor capacitivo son los siguientes

  • Es muy sensible a los cambios en las condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura, etc., por lo que esto afectará al rendimiento.
  • La medición de la capacidad no es fácil en comparación con la medición de la resistencia.
  • Estos sensores no son precisos en comparación con los sensores de tipo inductivo.

Aplicaciones

El aplicaciones del sensor capacitivo incluyen las siguientes.

  • Los sensores capacitivos detectan y miden cosas que son conductoras o que tienen un dieléctrico, excepto el aire.
  • Estos sensores se utilizan con mayor frecuencia para determinar el cambio en la posición de un objetivo conductor. Sin embargo, este tipo de sensores también puede ser muy eficaz para medir la densidad, la presencia, el grosor y la ubicación de los no conductores. Los materiales no conductores, como el plástico, tienen una constante dieléctrica diferente a la del aire.
  • Los sensores capacitivos se utilizan para detectar o medir la posición, la proximidad, la aceleración, el desplazamiento, el nivel de líquido y la humedad.
  • Como dispositivos de entrada, las pantallas táctiles con sensores capacitivos se utilizan en teléfonos móviles, tabletas, reproductores de audio digitales, etc
  • Estos sensores sustituyen a los botones mecánicos.

Por tanto, se trata de una visión general de un sensor capacitivo. Estos sensores se utilizan con frecuencia para medir el cambio en la posición de un objetivo conductor. Sin embargo, pueden ser muy eficaces para medir la densidad, la presencia, el grosor y la ubicación de los no conductores. He aquí una pregunta para ti, ¿qué es un sensor inductivo?

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