Sensor Capacitivo: Detección de Líquidos y No Metales

★★★★★Valoración: 4.5 (24 votos)

El sensor capacitivo es el detector universal. A diferencia del inductivo, es capaz de detectar cualquier material: plástico, madera, cartón y, especialmente, líquidos (agua, aceite) o granulados, incluso a través de paredes no metálicas. Aquí aprenderemos a regular su sensibilidad y conectarlo.

Ilustración de un sensor capacitivo industrial (cuerpo naranja) detectando agua dentro de una botella de plástico cerrada. Se destaca el detalle del potenciómetro trasero con un destornillador realizando el "Ajuste Sensibilidad"
Ver a través de las paredes: el sensor capacitivo tiene la capacidad única de detectar líquidos o granulados a través de barreras no metálicas (como plástico o vidrio), siempre que se calibre correctamente su tornillo de sensibilidad

Estos sensores funcionan mediante la detección de cambios en la capacidad eléctrica, una propiedad que se modifica cuando un objeto se acerca al campo eléctrico generado por el sensor.

Mientras que los sensor capacitivo con salida analógica proporciona una señal continua que varía con la distancia, el detector capacitivo digital con salida binaria TODO/NADA, ofrece una señal discreta: ON (1, objeto presente) u OFF (0, objeto ausente).

Esta señal simple y directa los convierte en la opción preferida para aplicaciones de detección básica, como la detección de presencia/ausencia de objetos, la detección de nivel en contenedores, el posicionamiento y el conteo de objetos.

La mayoría de los sensores capacitivos son de tipo TODO/NADA, convirtiéndose en dispositivos ampliamente utilizados en la automatización y el control industrial.

Se utilizan en diversas industrias, desde la alimentaria y la farmacéutica hasta la de plásticos y la de embalaje. Su capacidad para detectar diversos materiales sin contacto físico los convierte en una solución ideal para muchas aplicaciones de todo tipo.

Imagen de un sensor capacitivo

El símbolo del sensor capacitivo es el siguiente:

Símbolo de los sensores de proximidad capacitivos
Contenidos
  1. Funcionamiento del Sensor Capacitivo
  2. Qué Detecta: Plástico, Madera y Líquidos
  3. Distancia de Detección del Sensor Capacitivo
  4. Tipos de Sensores Capacitivos
  5. Conexión NPN y PNP (3 Hilos)
  6. Características de los Sensores Capacitivos
  7. Ajuste de Sensibilidad (Potenciómetro)
  8. Uso de Sensores Capacitivos
  9. Diferencia entre Sensor Inductivo y Capacitivo
  10. Preguntas Frecuentes del Sensor Capacitivo

Funcionamiento del Sensor Capacitivo

Los sensores de proximidad capacitivos detectan la presencia de objetos midiendo los cambios en la capacidad de un campo eléctrico. Su funcionamiento se fundamenta en los principios básicos de un condensador.

Operan con frecuencias de oscilación más bajas que los inductivos, generalmente en el rango de 10 kHz a 500 kHz, siendo más comunes las frecuencias en el rango bajo y medio de este intervalo. Frecuencias típicas pueden estar en el rango de los cientos de kHz.

Dispone de un oscilador interno que se encarga de generar el campo eléctrico que permite la detección de objetos mediante la variación de la capacidad. El cambio en la frecuencia del oscilador, provocado por la presencia del objeto, es la señal que el sensor utiliza para activar su salida.

En estos sensores, la cara activa (generalmente la superficie frontal del sensor) actúa como una de las placas del condensador, mientras que la otra placa se considera tierra (generalmente el cuerpo del sensor o un punto de referencia en el circuito del sensor). Entre ambas placas se encuentra el dieléctrico, que en condiciones normales suele ser el aire.

El sensor genera un campo eléctrico en la zona cercana a su cara activa. Cuando un objeto entra en este campo de detección, se produce una alteración en las características del dieléctrico.

Esto sucede porque el objeto tiene una constante dieléctrica diferente a la del aire, lo que modifica la capacitancia del sistema. Este cambio es detectado por el circuito de control interno del sensor, que lo interpreta como la presencia de un objeto.

Qué Detecta: Plástico, Madera y Líquidos

El sensor capacitivo interactúa con estos 3 materiales de la siguiente forma:

● Plástico: los sensores capacitivos son ideales para detectar piezas de plástico, envases o componentes en líneas de producción.

  • Capacidad de detección: el plástico tiene una constante dieléctrica (εr) baja (generalmente entre 2 y 6).
  • Distancia: debido a su bajo valor dieléctrico, el sensor debe estar relativamente cerca del objeto para detectarlo con precisión.
  • Uso común: conteo de botellas, presencia de piezas en moldes o detección de películas delgadas.

● Madera: es uno de los materiales más comunes en aplicaciones de carpintería industrial y automatización de muebles.

  • Capacidad de detección: la madera seca tiene una constante dieléctrica similar al plástico, pero esta aumenta considerablemente si la madera está húmeda.
  • Factor clave: la densidad y el contenido de agua de la madera influyen en qué tan lejos puede detectarla el sensor.
  • Uso común: detección de tableros, control de corte o presencia de palés.

● Líquidos: esta es quizás la aplicación más potente de estos sensores.

  • Alta sensibilidad: el agua tiene una constante dieléctrica muy alta (εr ≈ 80), lo que la hace extremadamente fácil de detectar.
  • Detección a través de paredes: debido a que el líquido es mucho más "visible" para el sensor que el plástico o el vidrio, los sensores capacitivos pueden detectar el nivel de un líquido a través de la pared de un depósito no metálico sin necesidad de contacto directo.
  • Uso común: control de nivel en tanques de agua, detección de leche en tetrabriks o aceites en botellas.

Distancia de Detección del Sensor Capacitivo

La distancia de detección de los sensores capacitivos depende de varios factores, que se pueden agrupar en:

● Características del sensor: depende del tamaño de la superficie activa del sensor (electrodo). A mayor superficie del electrodo, mayor es el campo eléctrico generado y, por lo tanto, mayor es la distancia de detección.

Es también importante la sensibilidad del circuito electrónico: un circuito más sensible puede detectar objetos a mayor distancia. Algunos sensores capacitivos incorporan un ajuste que permite modificar la sensibilidad del sensor para poder adaptarla a diferentes aplicaciones y entornos.

● Características del objeto a detectar: la principal característica es la constante dieléctrica del material, que mide su capacidad para polarizarse en un campo eléctrico. A mayor constante dieléctrica, mayor distancia de detección. Por ejemplo, plásticos de 2-6, vidrio de 4-8, agua ≈ 80, etc.

Los objetos de mayor tamaño generan un cambio más significativo en la capacidad, permitiendo una detección a distancias mayores.

La forma también influye: los objetos planos y grandes son más fáciles de detectar que los objetos pequeños o con formas complejas.

Respecto a la orientación, un objeto plano detectado de frente (con su superficie paralela al sensor) será detectado a una distancia mayor que si está de lado (con su superficie perpendicular al sensor).

● Características del entorno: pueden afectar a la medición del sensor de capacidad factores como:

– Humedad: la humedad relativa del aire puede afectar la capacidad, especialmente en entornos con alta humedad.

– Temperatura: las variaciones de temperatura pueden afectar ligeramente la electrónica del sensor.

– Suciedad y polvo: la acumulación de suciedad o polvo en la cara del sensor puede alterar las características dieléctricas del entorno.

– Interferencias electromagnéticas: son sensibles a interferencias como campos eléctricos estáticos o ruido eléctrico.

Tipos de Sensores Capacitivos

Existen diversas configuraciones de sensores capacitivos, entre las que destacan:

● Sensores de proximidad: detectan la presencia de un objeto a cierta distancia. Son los más comunes y se utilizan en una amplia gama de aplicaciones.

● Sensores de nivel: miden el nivel de líquidos o sólidos en tanques o contenedores.

● Sensores de humedad: miden la humedad relativa del aire o de un material.

● Sensores de fuerza/presión: miden la fuerza o presión aplicada sobre una superficie.

● Pantallas táctiles capacitivas: utilizadas en dispositivos móviles y pantallas, detectan la posición del dedo al modificar el campo capacitivo.

Conexión NPN y PNP (3 Hilos)

La configuración de la salida de un sensor de capacidad varía según la aplicación y el diseño específico del dispositivo. Las más comunes son las salidas a transistor NPN o PNP de 3 hilos, aunque también existen modelos con salida a 2 hilos, donde la carga se conecta en serie con el sensor y la fuente de alimentación.

Los sensores capacitivos de 3 hilos con salida a transistor (NPN o PNP) se alimentan siempre con corriente continua (CC).

Estos sensores suelen utilizar un código de colores para los cables de alimentación y para la salida del sensor:

– Marrón: a positivo (+)

– Azul: a negativo (-)

– Negro: salida del sensor

A continuación, se muestra cómo conectar eléctricamente un detector capacitivo con salida a transistor NPN o PNP a 3 hilos:

Imagen del sensor capacitivo con salida NPN a 3 hilos
Imagen del sensor capacitivo con salida PNP a 3 hilos

Si bien es más común en sensores inductivos, algunos detectores capacitivos también pueden tener salidas de 2 hilos, donde la carga se conecta en serie con el sensor y la fuente de alimentación. En este caso, la alimentación también puede ser en corriente alterna CA.

Imagen del sensor capacitivo con salida a 2 hilos

Además de estas configuraciones, aunque con menor frecuencia, existen sensores capacitivos con salidas que utilizan un relé incorporado (relé electromagnético) o con salidas de estado sólido, que emplean componentes como SCR, TRIAC o MOSFET para la conmutación de la señal.

Características de los Sensores Capacitivos

A continuación, se presentan las principales características técnicas y operativas del sensor de capacitancia:

● Cuerpo del sensor: generalmente son cilíndricos, aunque también los hay de otras formas. El cuerpo suele estar fabricado con materiales plásticos resistentes y, en algunos casos, en metal. La mayoría disponen de una rosca externa que permite su montaje en orificios en máquinas.

● Cara sensora: es la parte del sensor que genera el campo eléctrico y que interactúa con el objeto a detectar. Suele ser plana y circular en los sensores cilíndricos y estar hecha de un material conductor, como metal o un material conductor impreso sobre un sustrato.

● Conexión eléctrica: suelen tener un cable integrado. Otra opción común es un conector, generalmente M8 o M12, que permite una conexión rápida.

● Indicador LED: suelen incorporar un LED que indica el estado de la salida. El LED encendido indica que se ha detectado un objeto y la salida está activa.

● Material detectable: pueden detectar materiales metálicos y no metálicos, como plásticos, madera, líquidos, papel, vidrio o cerámica.

● Distancia de detección: el rango depende de la constante dieléctrica del material; los materiales con mayor constante son más fáciles de detectar. Las distancias de detección típicas se encuentran generalmente entre 3 mm y 60 mm.

● Alta frecuencia de conmutación: tienen una velocidad de respuesta rápida, adecuada para aplicaciones de alta frecuencia, generalmente en el rango de kHz, lo que permite respuestas rápidas.

● Alimentación: el rango de voltajes de alimentación común es de 10 V a 30 V CC. Algunos modelos soportan corriente alterna CA, aunque son aún menos frecuentes que los inductivos de CA.

● Grado de protección IP: la clasificación IP describe la capacidad del sensor para resistir la penetración de partículas sólidas (polvo) y líquidas (agua).

Ajuste de Sensibilidad (Potenciómetro)

El ajuste de sensibilidad es lo que hace que un sensor capacitivo sea realmente "inteligente". La mayoría de estos sensores incluyen un pequeño tornillo en la parte posterior o lateral, llamado potenciómetro, que permite calibrar qué materiales debe detectar y cuáles debe ignorar.

Funcionamiento del Ajuste de Sensibilidad

El potenciómetro modifica el umbral de disparo del campo eléctrico del sensor:

● Giro a la derecha (sentido horario): aumenta la sensibilidad. El sensor podrá detectar objetos a mayor distancia o materiales con constantes dieléctricas muy bajas (como espumas o plásticos finos).

● Giro a la izquierda (sentido antihorario): disminuye la sensibilidad. El sensor ignora objetos que están cerca o materiales poco densos.

El Truco para "Ver a Través" de Paredes

Esta es la función más útil en la industria alimentaria o química. Si queremos detectar el líquido dentro de una botella de plástico o vidrio sin que el sensor se active por el propio envase, debemos seguir este proceso:

  1. Presentar el envase vacío: colocar la botella vacía justo delante del sensor. Seguramente el LED se encenderá porque detecta el plástico.
  2. Ajustar el potenciómetro: girar el tornillo hacia la izquierda (baja sensibilidad) poco a poco hasta que el LED se apague. En este punto, el sensor "ha decidido" que el plástico de la pared no es suficiente para activarlo.
  3. Probar con líquido: llenar la botella. Como el agua tiene una constante dieléctrica mucho mayor que el plástico (80 frente a 3), el sensor detectará la masa del líquido inmediatamente y el LED se encenderá.

¿Por qué es importante? Este ajuste permite que el sensor ignore no solo paredes de depósitos, sino también:

  • Suciedad o polvo: evita falsos positivos por acumulación de material en la cara del sensor.
  • Humedad ambiental: evita que la condensación active la señal.
  • Objetos en el fondo: evita que el sensor detecte la cinta transportadora si el objeto es muy pequeño.

Consejo: Realizar siempre el ajuste con el sensor montado en su posición final, ya que los soportes metálicos cercanos pueden afectar la capacitancia inicial.

Uso de Sensores Capacitivos

Los sensores de capacidad se utilizan en una gran variedad de aplicaciones, incluyendo:

– Industria automotriz: detección de nivel de fluidos, control de airbags, sensores de lluvia, pantallas táctiles en vehículos.

– Electrónica de consumo: pantallas táctiles en smartphones, tablets y ordenadores portátiles, botones táctiles, sensores de proximidad en auriculares.

– Automatización industrial: detección de nivel en tanques, control de procesos, detección de presencia/ausencia de objetos, medición de espesor.

– Industria alimentaria y de bebidas: detección de nivel de líquidos, control de llenado, detección de presencia de envases.

– Medicina: sensores de presión arterial, monitoreo de fluidos corporales.

– Domótica: interruptores táctiles, control de iluminación, sistemas de seguridad.

Diferencia entre Sensor Inductivo y Capacitivo

La principal diferencia radica en su principio físico de funcionamiento: mientras que el inductivo reacciona ante campos magnéticos, el capacitivo lo hace ante cambios en la carga eléctrica.

Tabla comparativa entre el sensor inductivo y el sensor capacitivo
Tabla Comparativa entre sensor inductivo y sensor capacitivo

¿Cuál elegir el inductivo o el capacitivo?

  1. Si el objeto es metálico: El sensor inductivo es la mejor opción. Es más económico, más preciso para metales y no le afecta si le cae polvo, aceite o agua, ya que solo "busca" metal.
  2. Si el objeto no es metálico (o es líquido): El sensor capacitivo es obligatorio. Su capacidad para ser calibrado mediante el potenciómetro le permite, por ejemplo, ignorar una caja de cartón y detectar solo el producto que hay dentro.

Regla de oro: El sensor inductivo es para mecánica (engranajes, levas, ejes); el sensor capacitivo es para procesos y envases (niveles de grano, líquidos, presencia de objetos plásticos).

Preguntas Frecuentes del Sensor Capacitivo

¿Qué es un sensor capacitivo y para qué sirve?

Un sensor capacitivo es un dispositivo que detecta objetos o mide niveles de líquidos y sólidos mediante cambios en la capacidad eléctrica. Funciona generando un campo eléctrico en su superficie, y cuando un objeto (metálico o no, como plásticos, líquidos o incluso el cuerpo humano) se acerca, altera este campo, modificando su capacitancia (en Faradios).

A diferencia de los sensores inductivos, que solo detectan metales, los capacitivos son versátiles y pueden usarse con casi cualquier material.

El sensor capacitivo sirve para:
● Detección de nivel: control de líquidos (agua, aceites) o sólidos (granos, polvos) en tanques, incluso a través de paredes no metálicas.
● Detección de objetos no metálicos: madera, papel, plástico, vidrio, etc., útiles en líneas de producción.
● Pantallas táctiles: el contacto del dedo altera el campo capacitivo en dispositivos electrónicos.
● Conteo y posicionamiento: monitoreo de productos en cintas transportadoras o verificación de piezas en maquinaria.
● Detección de humedad: el agua, con alta constante dieléctrica, modifica la capacidad.

Con salidas analógicas (medición precisa) o digitales (ON/OFF), son esenciales en automatización industrial, electrónica de consumo y procesos de control.

¿Cómo funciona un sensor capacitivo?

Un sensor capacitivo opera basándose en los principios del condensador. Un condensador es un componente electrónico capaz de almacenar energía en un campo eléctrico entre 2 placas conductoras separadas por un material dieléctrico (aislante). La capacidad de un condensador varía con la constante dieléctrica del material entre las placas.

El tipo de campo que producen los sensores capacitivos para funcionar es eléctrico estático entre su superficie activa (que actúa como una placa del condensador) y una referencia a tierra (la otra placa), con el aire como dieléctrico. Cuando un objeto entra en este campo, altera la constante dieléctrica del sistema, modificando la capacidad.

El sensor contiene un oscilador interno (típicamente entre 10-500 kHz) que mantiene el campo eléctrico. Al aproximarse un objeto, su material con diferente constante dieléctrica que el aire, distorsiona el campo, cambiando la frecuencia de oscilación. Un circuito detector interpreta esta variación y activa la salida (analógica o digital).

Por tanto, el sensor capacitivo detecta objetos cuando estos alteran su campo eléctrico, cambiando la capacidad del sistema. Cada material tiene una constante dieléctrica distinta (agua ≈ 80, plástico 2-6, etc.), modificando la frecuencia del oscilador interno. Al superar un umbral, el sensor activa su salida (digital ON/OFF o analógica proporcional a la distancia).

¿Cuáles son las ventajas de un sensor capacitivo?

Los sensores capacitivos ofrecen numerosas ventajas:

✅ Detección versátil: detectan metales y no metales (plásticos, líquidos, vidrios, tejidos e incluso el cuerpo humano).

✅ Operación sin contacto: trabajan mediante campos eléctricos sin necesidad de contacto físico reduciendo el desgaste mecánico. Son ideales para materiales delicados.

✅ Amplio rango de aplicaciones: control de nivel en tanques (incluso a través de paredes no metálicas), pantallas táctiles, conteo de objetos y detección de humedad. Muy utilizados en industrias alimentaria, farmacéutica, automotriz y electrónica.

✅ Alta sensibilidad ajustable: alcance de detección hasta 60 mm (según material). Muchos modelos incluyen potenciómetros para calibrar sensibilidad.

✅ Respuesta rápida: frecuencias de conmutación en rango kHz. Ideales para procesos industriales de alta velocidad.

✅ Robustez y fiabilidad: altos grados de protección IP (contra polvo/humedad) y sin partes móviles.

✅ Flexibilidad en salidas: suelen ser con salidas digitales (ON/OFF) para detección básica. También los hay con salidas analógicas para medición precisa de distancias/niveles.

¿Cuáles son las desventajas de los sensores capacitivos?

Aunque los sensores capacitivos son útiles en múltiples aplicaciones, presentan algunas limitaciones importantes:

❌ Sensibilidad a interferencias ambientales: son afectados por humedad, polvo o cambios de temperatura, que pueden alterar las mediciones. Requieren ajustes frecuentes en entornos con variaciones de humedad o presencia de contaminantes.

❌ Distancia de detección limitada: su rango efectivo es menor que el de otros sensores (típicamente entre 3 mm y 60 mm). La detección a mayor distancia solo es posible con materiales de alta constante dieléctrica (como el agua).

❌ Dificultad para discriminar objetos: pueden activarse por materiales no deseados cercanos al campo de detección. En entornos con múltiples objetos, requieren configuración cuidadosa para evitar falsas detecciones.

❌ Influencia de la forma y tamaño del objeto: objetos pequeños o con formas irregulares son más difíciles de detectar. La orientación del objeto afecta la precisión (mayor eficacia con superficies planas y paralelas al sensor).

❌ Complejidad de instalación en ciertos casos: en aplicaciones con contenedores metálicos, pueden requerir blindaje especial para evitar interferencias. La calibración inicial puede ser más laboriosa que en sensores inductivos.

¿Cuál es el rango de detección de un sensor capacitivo?

El alcance de un sensor capacitivo es altamente variable y depende en gran medida del material del objeto a detectar.

Generalmente, los sensores capacitivos tienen un alcance de detección que va desde unos pocos milímetros (2-3 mm) hasta aproximadamente 60 mm.

Sin embargo, es más común encontrar sensores con rangos útiles de 3 mm a 20 mm para aplicaciones generales, con modelos de mayor diámetro alcanzando hasta 40 mm. Existen sensores especializados de "largo alcance" que pueden llegar hasta los 80 mm en ciertas condiciones.

El alcance de detección de los sensores capacitivos depende principalmente de:
● Constante dieléctrica (εr) del material:
– Agua (εr ≈ 80) y metales se detectan a mayor distancia
– Plásticos (εr = 2-6) y materiales secos requieren proximidad
● Tamaño del objeto: objetos más pequeños que la cara sensora reducen el alcance
● Factores ambientales: la humedad aumenta la detección (posibles falsas activaciones)
● Características del sensor:
– Diámetro mayor → mayor alcance
– Sensores blindados (enrasados) tienen menor alcance que no blindados
– Potenciómetro ajustable permite regular sensibilidad

¿Dónde se usa un sensor capacitivo?

Los sensores capacitivos tienen un amplio espectro de aplicaciones:

● Control industrial:
– Detección de nivel en tanques (líquidos como agua, aceites o sólidos como granos y polvos)
– Conteo de productos en líneas de producción (botellas, cajas, componentes electrónicos)
– Verificación de presencia/ausencia en procesos automatizados

● Industria alimentaria y farmacéutica:
– Monitoreo de llenado en envases plásticos o de vidrio
– Detección de materiales a través de paredes de contenedores estériles

● Sector automotriz:
– Sensores de lluvia para activación automática de limpiaparabrisas
– Control de airbags (detección de ocupantes)
– Pantallas táctiles en consolas centrales

● Electrónica de consumo:
– Pantallas táctiles en smartphones y tablets
– Botones táctiles en electrodomésticos
– Sensores de proximidad en dispositivos wearables

● Aplicaciones especializadas:
– Medición de humedad en materiales de construcción
– Sistemas de seguridad (detección de presencia)
– Domótica (interruptores sin contacto)

También te puede interesar:

Subir