Sensores Capacitivos - DEMAR

U N I V E R S I D A D E D E S Ã O P A U L O
Escola de Engenharia de Lorena – EEL
Sensores
Capacitivos
Disciplina : Eletrônica e Instrumentação
Tiago Françoso
Viviane I. Damasceno
Prof. Carlos Yujiro Shigue

1-Introdução
Capacitores
O primeiro capacitor foi construído em 1746 pelo físico holandês Pieter van
Musschenbroek, na Universidade de Leyden, na Holanda. Esse capacitor era
constituído por uma garrafa de vidro, preenchida por água ou outro líquido.
Uma rolha era usada como tampa e por essa tampa passava um condutor que
entrava em contato com a água. Essa garrafa é conhecida até hoje como a
Garrafa de Leyden.
Capacitor é um componente que armazena energia num campo elétrico,
acumulando um desequilíbrio interno de carga elétrica.
Os formatos típicos consistem em dois eletrodos metálicos ou placas paralelas
que armazenam cargas opostas. Estas duas placas são condutoras e são
separadas por um dielétrico, sendo o mesmo uma substância que possui alta
resistência ao fluxo da corrente elétrica.
Figura1 - Quando uma diferença de potencial V = Ed é aplicada às placas
deste condensador simples, surge um campo elétrico entre elas. Este campo
elétrico é produzido pela acumulação de uma carga nas placas.
A propriedade que estes dispositivos têm de armazenar energia elétrica sob a
forma de um campo eletrostático é chamada de capacitância ou capacidade
(C) e é medida pelo quociente da quantidade de carga (Q) armazenada pela
diferença de potencial ou tensão (V) que existe entre as placas:
Onde:
C é dado em Farad;
Q é dado em Coulomb;
V é dado em Volt

A equação acima é exata apenas para valores de Q muito maiores que a carga
do elétron (e = 1,602 × 10 −19 C). Porém quando o valor de Q não for muito
maior do que a ordem da carga do elétron usa-se a equação abaixo:
Onde:
C é a capacidade em farad;
ε 0 é a permissividade eletrostática do vácuo ou espaço livre (ε0 = 1/36p nF/m);
ε r é a constante dieléctrica ou permissividade relativa do isolante utilizado;
A é a área coberta pelo capacitor;
d é a distância entre as placas.
2- Tipos de Sensores
Figura 2 – Circuito com Capacitor
Sensores são dispositivos que mudam seu comportamento sob a ação de uma
grandeza física podendo fornecer diretamente ou indiretamente um sinal que
indica esta grandeza.
Sistemas computacionais industriais podem usar sensores para verificar se
peças estão presentes ou ausentes, para medir peças, e mesmo para verificar
se o produto está vazio ou cheio. O uso de sensores para monitorar processos
é vital para o sucesso de uma manufatura e para assegurar a segurança do
equipamento e do operador. De fato, os sensores executam tarefas simples
mais eficientemente e mais precisamente do que pessoas. Os sensores são
muito mais rápidos e cometem poucos erros.
Existem vários tipos e modelos de sensores que variam conforme o objeto alvo
de sensoriamento. Os mais comuns são: Sensores Indutivos, Sensores
Capacitivos, Sensores Fotoelétricos, Sensores Magnéticos e Sensores de
Pressão ou toque.

2.1- Sensores Capacitivos
São sensores capazes de detectar a aproximação de objetos sem a
necessidade de contato físico, com principio de funcionamento baseado na
variação da capacitância.
O fenômeno da capacitância elétrica é utilizado numa grande variedade de
sensores devido a algumas características convenientes que ele apresenta.
Basicamente, dois princípios podem ser utilizados para caracterizar uma
determinada grandeza variante no tempo:
• O primeiro princípio é baseado na variação da distância entre as placas do
capacitor.
• O segundo utiliza a variação do meio dielétrico existente no interior das placas
do capacitor.
Figura 3 – Sensor Capacitivo
Princípio de Funcionamento
A linha de sensores capacitivos é constituída de modo geral nos seguintes
blocos:
Figura 4 - Linha de Funcionamento
Baseia-se no princípio da mudança de freqüência de oscilação de um circuito
ressonante com a alteração do valor de capacitância formada pela placa
sensível e o ambiente, devido à aproximação de um corpo qualquer. Esta
capacitância pode ser alterada, praticamente por qualquer objeto que se
aproxime do campo de atuação do sensor. A mudança de freqüência
ocasionada pela alteração da capacitância da placa sensível é enviada a um
circuito detector que transforma a variação da freqüência em nível de tensão. O
circuito trigger, trata de receber o sinal de tensão gerado no detector e
transformá-lo em onda quadrada adequada à excitar um circuito de comutação
o que já é o suficiente para acionar circuitos externos.
Os sensores capacitivos são largamente utilizados para a detecção de objetos
de natureza metálica ou não, tais como: Madeira, papelão, cerâmica, vidro,
plástico, alumínio, laminados ou granulados, pós de natureza mineral como

talco, cimento, argila e etc. Os líquidos de maneira geral são ótimos atuadores
para os sensores capacitivos, não importando se são condutivos ou não, a
viscosidade ou cor.
Desta forma excelentes sistemas para controle de níveis máximos e mínimos
de líquidos ou sólidos são obtidos com a instalação de um ou dois sensores,
mesmo que mergulhados totalmente no produto. Para outros fins de detecção,
tais como contagem de garrafas, caixas, pacotes ou peças, o sensor capacitivo
dotado de ajuste de sensibilidade "T" é extremamente versátil, resolvendo
problemas de automação, de difícil solução com sistemas convencionais
3- Exemplos
3.1 - Sensor Capacitivo de detecção de Umidade
Neste exemplo propõe-se a utilização de sensores para medir o
potencial de água no solo. Para isso foram construídos alguns sensores,
através do uso de placas de cobre e alguns tipos de dielétrico como, por
exemplo, gesso e papel.
Utilizando-se um capacitor não lacrado, dotado de um meio dielétrico
poroso, a variação da capacitância depende exclusivamente do tipo e da
quantidade de matéria presente entre as placas, uma vez que os demais
parâmetros que influenciam no valor da capacitância podem ser considerados
constantes para este caso. Desta forma, a medida que o solo ao redor do
sensor se torna mais úmido, o meio poroso que compõe o dielétrico, absorve
uma determinada quantidade de água, proporcional à umidade presente no
substrato. Analogamente, quando o solo se torna mais seco, o meio dielétrico
perde água em função da umidade presente ao redor do sensor. Este
comportamento se deve ao fenômeno de difusão da água através de meios
porosos.
Partindo da Equação (2) pode-se concluir que o valor da capacitância do
sensor varia linearmente com a permissividade elétrica do meio, uma vez que
tanto a distância entre as placas como a área das mesmas são constantes.
Desta forma, a resposta elétrica do sensor depende exclusivamente das
variações ocorridas no meio dielétrico.
Um elemento complicador surge devido às placas dos sensores serem
completamente recobertas por um verniz isolante, para evitar a oxidação do
cobre enquanto as mesmas estiverem imersas no solo. Porém, a principal
propriedade deste isolamento é a de eliminar o possível efeito de condução de
cargas elétricas através do meio dielétrico que pode ocorrer dependendo da
condutividade da água ou do solo.
A Figura 6 apresenta a vista lateral do sensor de forma mais detalhada.
O verniz é um meio dielétrico presente entre as placas do sensor. Sabe-se que
quando existem vários meios dielétricos distintos colocados entre as placas, o
capacitor resultante desta combinação possui comportamento análogo a vários
capacitores associados em série, onde cada um possui exclusivamente um dos
dielétricos que compõe a associação.

Figura 5- Vista lateral ampliada do sensor.
Figura 6 - Representação elétrica equivalente do sensor.
3.2 - Medição Capacitiva de Nível
Sensores capacitivos podem ser usados para determinar nível de
líquidos ou pós, por exemplo, tanto como interruptores on-off de nível ou como
indicadores contínuos de nível.
Um sensor capacitivo típico para medição contínua de nível consiste em
uma haste isolada, ou algum eletrodo similar. O sensor é instalado em paralelo
a uma parede vertical de um tanque feito de material condutor. À medida que o
espaço entre a parede e o eletrodo é preenchido pelo material retido pelo
tanque, a capacitância cresce na proporção do nível do material. Para
instalações em tanques não-condutores, um segundo eletrodo é necessário. A
capacitância pode ser lida por uma ponte ou por um circuito que converta
linearmente capacitância em saída analógica ou digital.
Interruptores de nível são geralmente instalados através das paredes de
tanque para detectar a presença ou a ausência do material armazenado em
uma dada altura.
Dois projetos básicos são muito usados: um que usa a parede-tanque
como uma placa do capacitor e outro que contém internamente ambas as
placas. Em ambos os casos, funcionam através da detecção de mudança na
capacitância quando cobertos pelo material armazenado.

3.3 - Análise de Composição
Apesar de não ser muito comum, medições capacitivas podem ser
empregadas para medir a composição de pós ou líquidos dielétricos. Sua
utilidade principal está em determinar as proporções relativas de uma mistura
com dois materiais diferentes ou em discriminar entre duas substâncias
diferentes. Há, no entanto, limitações para uso dessa técnica, pois pode haver
muitas substâncias diferentes com constantes dielétricas parecidas, fazendo
com que a análise de composição capacitiva deva ser usada apenas em
aplicações específicas.
3.4 - Sensor capacitivo de proximidade
Podem ser usados para detecção de qualquer tipo de material, tais
como: papel, madeira, plástico, farinha, metais e etc.
Utiliza como princípio de funcionamento a variação do dielétrico. Pois um
oscilador alimenta um capacitor formado por duas placas em sua extremidade,
que é a parte sensível do aparelho. Quando algum material ingressa nesta
região, provoca uma variação de capacitância alterando o oscilador que é
detectada pelo circuito de acionamento do Sensor Capacitivo, atuando sua
carga em série.
4- Referências
http://pt.wikipedia.org/wiki/Capacitor
http://www.mecaweb.com.br/eletronica/deteccao/senscapac.php
http://s2i.das.ufsc.br/seminarios/apresentacoes/tecnicas-sensoreamento.pdf
http://educacao.uol.com.br/fisica/ult1700u57.jhtm
http://www.priel.com.br/protecao-industrial/sensor-proximidade/index.html