Automatizacion

3.1 Tipos de sensores capacitivos

Los sensores capacitivos se usan ampliamente en la industria y en laboratorios para medir diferentes variables físicas tales como la posición, velocidad y aceleración de objetos en movimiento, fuerza, presión, flujo, nivel de líquidos y propiedades dieléctricas de materiales, por nombrar algunos ejemplos. Algunos sensores y su aplicación se ilustran en la figura 3.1.1.

Figura 3.1.1. Tipos de sensores capacitivos para medir diferentes variables físicas.

Hay dos configuraciones de estructura para sensores capacitivos que son utilizadas frecuentemente, la de placas paralelas y el capacitor coaxial. Con estas, en principio, se pueden detectar cambios de capacitancia ΔC provocados por estímulos físicos, químicos o biológicos que causan cambios en las dimensiones del material dieléctrico o de su constante dieléctrica εr. Los cambios básicos medibles por los sensores capacitivos son la permitividad y las dimensiones físicas o desplazamientos en las direcciones x, y, o z. La permitividad efectiva depende del material (elemento sencillo o mezcla de varios elementos) y de la temperatura.

El desplazamiento, semejante a movimientos lineales o rotacionales, vibraciones y expansiones debidos a cualquier causa química o física, se puede determinar directamente por medio de la medición de cambios de capacitancia ΔC. Si la estructura del material es elástica, entonces el desplazamiento es proporcional a la fuerza aplicada f (Δx=kf, donde k es la constante elástica) o la presión, la cual

14

SENSORES CAPACITIVOS

__________________________________________________________________

es fuerza normal por unidad de área. Por lo tanto, las fuerzas axiales o cortantes y las presiones estáticas o dinámicas se pueden medir con sensores capacitivos. La aceleración se puede calcular de las mediciones de las fuerzas inerciales que actúan en una masa sujeta a la aceleración. El flujo de fluidos se puede estimar de la caída de presión medida a través de un flujo resistivo, lineal o no lineal.

Por otra parte, la estructura del sensor capacitivo puede ser grande o pequeña, y se puede fabricar con varios tipos de conductores y materiales dieléctricos utilizando varias técnicas de fabricación dependiendo de los requerimientos de cada aplicación.

Una desventaja importante de los sensores capacitivos es su sensibilidad a la contaminación y a la condensación, lo que puede causar serios problemas de confiabilidad. En muchos de esos casos, el cambio en porcentaje de capacitancia es alto, sin embargo el valor absoluto de la capacitancia del sensor es pequeño. Usualmente, este tipo de cambio se puede medir con un medidor LCR de precisión. Pero, en el caso de un cambio en porcentaje muy pequeño, por ejemplo 100 ppm o aún menor, es difícil usar un medidor LCR ordinario, de esta forma se tiene que emplear un medidor de altísima estabilidad para monitorearlo. Estos medidores de alta resolución se pueden utilizar en experimentos de laboratorio, pero en el uso industrial tenemos que utilizar en su lugar circuitos de interfase de alta sensibilidad [7] y [8].

3.2 Mediciones con sensores capacitivos

Como se mencionó anteriormente en el capitulo 2, 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 εr, la capacidad aproximada es

(10−≈ndACrεε ), (3.2.1)

donde ε0=8.85 [pF/m] es la constante dieléctrica del vacío.

Figura 3.2.1. Expresiones de la capacitancia aproximada para el caso de placas paralelas. a) con un dieléctrico y b) con dos dieléctricos diferentes.

15

SENSORES CAPACITIVOS

__________________________________________________________________

Así

...