Sensores capacitivos y sus diferentes aplicaciones Sensores y acondicionamiento de señales

Sensores capacitivos y sus diferentes aplicaciones

Sensores y acondicionamiento de señales

Sara Sofía valdes

Lady Viviana Forero

La variación de la reactancia de un componente o circuito ofrece alternativas de medida a las disponibles en sensores resistivos . Muchas de ellas no requieren contacto físico con el sistema donde se va a medir, o bien tienen un efecto de carga mínima. En concreto , ofrecen soluciones mejores para medida de desplazamientos lineales y angulares en le cado de tratar con materiales ferroagneticos y para la medida de la humedad .

En este tipo de sensores la falta de linealidad intrínseca en algunos de los principios de medida empleados se supera mediante el uso de sensores diferenciales . tienen en cambio una limitación en la máxima frecuencia de variación admisible en la variable medida , pues debe ser inferior a la frecuencia de la tensión de alimentación empleada , necesariamente alterna

Un condensador eléctrico cosiste en dos conductores separados  por un dieléctrico que puede ser un liquido un solido o un gaseoso o simplemente el vacío , la relación entre la carga Q y la diferencia de potencial, V entre ellos viene descrita por su capacitancia C=Q/V .Esta capacitancia depende de la disposición geométrica de los conductores y del material dieléctrico , dispuesto entre ellos .Para un condensador formado por n placas planas paralelas iguales ,con área A , distancia d entre cada par y un material entre ellas con constante dieléctrica relativa  lacapacitancia aproximada es :[pic 1]

[pic 2]

donde  = 8,84pF/m es la constante dieléctrica del vacío.[pic 3]

Así pues , cualquier fenómeno o magnitud que produzca una variación ,A o d , provocara un cambio en la capacitancia C y , en principio , puede ser detectado mediantes el dispositivo anterior , en general , cualquier cambio en el dialectico o en la geometría puede ser considerado para la detección del fenómeno que lo provoca .[pic 4]

[pic 5]

Imagen 1.Expresiones de la capacitancia aproximada para diversas configuraciones simples de interés en sensores . Las dos ultimas configuraciones son cilíndricas.

Con la ecuación anterior se puede encontrar la expresión exacta para lagunas de las configuraciones y sus variantes . Por ejemplo , se considera la permitividad relativa ,, para el aire como 1 , mientras que Para en agua vari de 88 a 0ºC y 55,33 a 100ºC .si se sustituye el aire por agua como dialectrico producirá un cambio apreciable que se puede aplicar a  medida del nivel de agua en un depósito o al a medida de humedad si se dispone un dialectrico que absorba y desabsorba agua .[pic 6]

Los sensores capacitivos no son lineales o no lineales en s mismo . su linealidad depende del parámetro que varia y de si se mide impedancia o admitancia del condensador . en un condensador plano ,por ejemplo con  o A variable , la salida es lineal u se mide la admitancia pero es no lineal si varia la separación entre placas .[pic 7]

[pic 8]

Imagen 2.Esquema del principio de funcionamiento de diversos sensores capacitivos basados en una variación de ares, de distancia entre placas y de dieléctrico.

Para medir desplazamientos grandes y muy pequeños se emplea la configuración de distancia variable .Para desplazamientos intermedias , 1 a 10 cm , es mas habitual la de área variable .

Para muchas de estas configuraciones hay variantes como placas múltiples , que cumplen la ecuación descrita anterior mente , cabe señalar que en este caso el parámetro variable es a aumenta la sensibilidad.

Los valores habituales de C están entre 1 y 500 pF , y la frecuencia de alimentación suele ser superior a 10 kHZ para reducir la impedancia de salida .

Entre las aplicaciones mas inmediatas de los sensores capacitivos , esta la medida de desplazamientos lineales y angulares , y los detectores de proximidad . Estos últimos tiene un alcance superior al doble de los detectores inductivos , y se pueden aplicar no solo a metales sino también a dieléctricos como papel ,madera vidrio y plástico .pueden detectar incluso atreves de una pared o caja de cartón .

Los sensores capacitivos permitirán las medida de cualquier magnitud que se pueda convertir en un desplazamiento , como puede ser la presión ,la fuerza o  la aceleración si se aplica a un sistema inercial : algunos microacelerometros de silicio están basados en un sensor capacitivo , los sensores de presión capacitivos con diafragma de silicio emplean diafragmas mas finos que los equivalentes piezorresistivos y por ello pueden medir presiones menores .

En la imagen 3 a se muestra un microsensor de presión capacitivo con diafragma corrugado . la alta resolución de los sensores capacitivos permite incluso la medida de deformaciones mediante un sistema como el de la imagen 3 b , que concite en dos laminas flexibles arqueadas montadas una sobre la otra y cementadas sobre la pieza a ensayar . La deformación de esta pieza en dirección horizontal cambia la curvatura de los arcos y con ella la distancia vertical entre las placas del condensador .Este tipo de galga extensiometrica permite medir a altas temperaturas y posee un coeficiente de temperatura mucho mas amplio que las galgas basadas en un conductor .

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