Sensor Capacitivo
El sensor capacitivo o sensor de capacitancia es un dispositivo que detecta la presencia o ausencia de objetos, así como la medición de ciertos parámetros físicos como el nivel de líquidos o materiales sólidos.
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.
A diferencia de los sensores inductivos, que solo detectan metales, los capacitivos pueden detectar una amplia gama de materiales, incluyendo metales, plásticos, líquidos, y hasta el cuerpo humano.
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 ampliamente 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.
El símbolo del sensor capacitivo es el siguiente:
Contenidos
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.
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.
Salidas del Sensor Capacitivo
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:
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.
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 o equipos.
● 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 de los sensores capacitivos 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).
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.
Preguntas Frecuentes del Sensor Capacitivo
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