Sensores Capacitivos

SENSORES CAPACITIVOS Universidad de la República. Facultad de Ingeniería. Monografía Curso de Medidas Eléctricas 2013. Docente Tutor: Mariano Cebey. Facundo Artagaveytia [email protected]

Juan Gabriel Gutiérrez-Zorrilla [email protected]

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Podemos ver los sensores capacitivos como un circuito RC conectado a una fuente de voltaje del orden de los 5V, y circuitos de detección que transforman variaciones en la capacidad, en una señal de voltaje. El funcionamiento del sensor capacitivo, se basa en relacionar el parámetro a medir, con alguna de las variables que modifican la capacidad del capacitor, fijando las otras dos. Por lo tanto una variación en dicho parámetro, provocaría una variación en la capacidad del capacitor, que es lo que el sensor va a detectar y traducir a una señal de voltaje. Dado que estos sensores poseen fuentes de alimentación con voltajes muy bajos, es necesario un amplificador previo a la salida del mismo. El hecho de que funcionen a bajos voltajes puede ser visto como una ventaja, pero esta última da lugar a una desventaja, ya que agregar un amplificador al circuito no solo incrementa el costo del dispositivo sino que también se corre el peligro de que este afecte el funcionamiento del circuito. Para evitar esto último se buscan amplificadores con alta impedancia de entrada (claramente a mayor impedancia de entrada, mas idealmente se va a comportar el amplificador, y también más costoso va a resultar).

Resumen— En este trabajo se explicará el funcionamiento de los sensores capacitivos y sus distintos tipos. Estos generan una señal eléctrica a partir de variaciones en la capacidad del capacitor. Tienen variadas aplicaciones en el mundo actual desde pantallas táctiles hasta sensores de nivel de líquidos en grandes industrias.

I. INTRODUCCIÓN

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OS sensores capacitivos son un tipo de sensor eléctrico que reacciona ante variaciones en la capacidad de un capacitor. Por lo tanto pueden ser utilizados para medir cualquier parámetro que, al variar, modifique la capacidad de un capacitor. La variación en dicha capacidad, va a provocar un cambio en la corriente y las tensiones del circuito que tiene al capacitor entre sus componentes. Entonces midiendo, por ejemplo, la tensión en bornes del capacitor, podemos ver como varía el parámetro que queríamos medir.

II. FUNCIONAMIENTO La capacidad es una propiedad eléctrica que existe entre dos conductores cualesquiera separados por un no conductor. El modelo más sencillo de esto último, son dos placas metálicas separadas por un espacio de aire entre ellas. La capacidad es afectada por los tres factores que conforman

III. DATOS GENERALES DEL SENSOR Los sensores capacitivos pueden encontrarse en todo tipo de formas y tamaños dependiendo de su aplicación. Por lo general el tamaño está relacionado con el rango de la salida (diferencia entre el valor mayor y menor que se puede desplegar a la salida del sensor) y el offset (la magnitud de la señal de salida ante una entrada nula) del sensor. El tamaño de los diferentes sensores va desde los 10μm hasta los 15mm aproximadamente. A la hora de elegir el sensor con el que queremos trabajar hay muchos factores a tener en cuenta, algunos de ellos se detallan a continuación:

su definición (esta definición vale para el caso de dos placas paralelas), el área de las placas(A), la distancia entre ambas (d) y el material que se encuentra en el espacio entre ellas (cuya permeabilidad eléctrica es ε). Por lo tanto podemos afirmar que

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A. Output El output va a determinar el tipo y rango de la salida del sensor. Algunos valores típicos de output son los siguientes: 0-10 VDC, 10 VDC, 4-20 mA y 0-20 mA.

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B. Rango Es simplemente el rango de operación del sensor. Por ejemplo, si el rango de un sensor utilizado para medir la distancia a cierto objeto, es 2mm-3mm, significa que el mismo puede hacer mediciones de posición de objetos que se encuentren a más de 2mm y menos de 3mm de distancia. El rango del ejemplo anterior puede también ser especificado simplemente como 1mm, lo cual nos indica el tamaño del rango pero no nos da ninguna información sobre la localización del mismo en términos de distancia absoluta. En este caso es requerida otra especificación conocida como offset o standoff.

F. Ancho de banda Este dato nos indica como varía la salida cuando el objetivo está vibrando a cierta frecuencia. Por lo general el ancho de banda indica la frecuencia de vibración a la cual la salida cae 3dB, lo cual es equivalente al 70% del valor real. Es decir, para el caso de un sensor capacitivo utilizado para medir la distancia a cierto objeto, si el objetivo se encuentra a 1mm y está vibrando a la frecuencia indicada por el ancho de banda, la salida deberá ser 0,70mm. G. Resolución La resolución de un instrumento se define como la medida válida más pequeña que puede realizar. Es decir, la resolución de un sensor debe ser menor a la menor variación en la capacidad que queremos percibir. La causa principal que determina la resolución es el ruido eléctrico. Para determinar la resolución de un sensor, lo que se hace es medir la amplitud del ruido eléctrico mediante el uso de un osciloscopio, dicha medida se toma como la resolución del instrumento. Esta última medida puede ser proporcionada tanto como un voltaje pico a pico, como un voltaje RMS. Ambas son válidas aunque hay que tener en cuenta de cuál de las dos se trata a la hora de comparar diferentes sensores. La resolución depende del ancho de banda del sensor, ya que a menor ancho de banda, menor es el ruido eléctrico introducido. Algunos fabricantes proporcionan la resolución del sensor para anchos de banda distintos, mientras que otros no indican el ancho de banda al cual la resolución fue medida lo que da lugar a un dato ambiguo.

C. Offset o standoff Este valor indica donde está localizado el rango activo del sensor. En el ejemplo anterior del sensor con rango 2mm-3mm, el mismo puede ser especificado también de las siguientes formas: - Rango: 1mm, Offset 2mm. - Rango 1mm, Standoff 2,5mm Claramente el offset indica a que distancia del sensor comienza el rango activo, mientras que el standoff indica a que distancia del sensor se encuentra el punto medio del rango. El primero es utilizado por lo general para rangos del tipo 0-10 VDC, mientras que el segundo para rangos bipolares como 10VDC.

H. Error debido a efectos térmicos Los cambios de temperatura pueden alterar el sensor tanto físicamente (expansión y compresión) como los circuitos electrónicos en el mismo. Es por ello que se debe indicar los efectos que pueden producir dichos cambios, estos son especificados generalmente mediante el coeficiente de temperatura el cual indica cuanto varia la salida por cada grado centígrado que aumenta o disminuye la temperatura.

D. Sensibilidad La sensibilidad indica cuanto cambia la salida ante variaciones en la capacidad del capacitor. Si la misma fuese 1mF/1V, entonces la salida variaría en 1V por cada 1mF que varíe la capacidad.

I. Precisión La precisión es la acumulación de todas las fuentes de error que influyen sobre la medición del sensor. Es raro encontrar un indicador de la precisión de un sensor ya que hay varios factores externos al mismo que influyen sobre ella.

E. Linealidad Esta especificación se aplica solamente a los sensores capacitivos del tipo salida lineal (ver seccion IV), aunque a veces puede ser proporcionada también en los del tipo salida analógica. Este dato nos da una idea de cuan recta es la gráfica de la salida en función de la capacidad. La linealidad del sensor no se debe confundir con la precisión del mismo, es un factor que influye considerablemente en la misma, pero hay otros como la sensibilidad que también deben ser tenidos en cuenta para determinar qué tan preciso es el instrumento.

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circuito disparador a los valores de tensión o corriente normalizados, activando o desactivando la salida según corresponda.

IV. TIPOS DE SENSORES CAPACITIVOS

A. Sensor de proximidad Los sensores de proximidad son capaces de detectar la presencia de objetos cercanos al mismo, sin la necesidad de que exista un contacto físico. Lo hacen generando un campo electrostático y observando variaciones en el mismo. A medida que el objeto sensado se aproxima al sensor, el campo electrostático a su alrededor va a verse modificado. La máxima distancia que un sensor de proximidad puede detectar se define como el rango nominal del sensor. Algunos sensores cuentan con dispositivos para ajustar el rango nominal. Un sensor ajustado con un bajo rango nominal es usualmente utilizado como un interruptor táctil. Una de las principales ventajas de los sensores capacitivos, frente a otros tipos de sensores de proximidad, por ejemplo los inductivos, radica en que estos pueden detectar no solo metales, sino también dieléctricos, como lo son el papel, vidrio, madera y distintos plásticos. Dado que el cuerpo humano se comporta como un conductor a bajas frecuencias, estos sensores también son utilizados para sistemas de alarmas, medir el temblor en una persona, entre otras aplicaciones. Los sensores capacitivos tienen una muy alta confiablidad y una larga vida útil, dada la ausencia de componentes mecánicos en ellos y el innecesario contacto físico con el objeto sensado. Un ejemplo bastante común de los sensores de proximidad capacitivos, es el conocido como interruptor de final de carrera, el cual se activa cuando un objeto mecánico, como puede ser el portón de un garaje, llega al final de su trayectoria. A continuación podemos ver una imagen de los componentes básicos de un sensor de proximidad capacitivo.

B. Sensor de posición Este tipo de sensores mide la posición de un objeto. Los sensores de posición capacitivos son por lo general dispositivos no mecánicos, que determinan la posición basándose en variaciones en la capacidad del capacitor. Recordemos que esta última varía si se ve alterada la separación entre las placas, la permeabilidad del dieléctrico y/o el área de las placas. A continuación vemos algunos ejemplos de aplicaciones que utilizan el sensor capacitivo de posición: - Medición de niveles de líquido: Los detectores de nivel de líquido capacitivos sensan el nivel de líquido midiendo variaciones en la capacidad entre dos placas inmersas en el mismo. - Sensores de posición con salida analógica: Los sensores de salida analógica proporcionan una señal de voltaje continua que varía en relación a la distancia que hay entre el objeto sensado y el sensor. En estos sensores la relación entre la variación de la señal de salida y la distancia a medir no es lineal, pero la señal de voltaje va a ser igual para mediciones idénticas permitiendo así la precisa medición de una distancia estipulada que se repite en el correr del tiempo. En este tipo de sensor capacitivo usualmente encontramos además de la salida analógica algunas salidas digitales ajustables para distancias específicas entre el objeto y el sensor, las cuales se activaran en caso de que la distancia sensor/objeto sea la especificada. Este tipo de sensor es útil cuando no es necesaria la precisa medición de la distancia, sino, que alcanza con saber si el objeto se encuentra más cerca o más lejos de cierto punto. - Sensores de posición con salida lineal: Los sensores capacitivos de salida lineal proporcionan una señal de voltaje cuya relación con la distancia sensor/objeto es lineal. Estos sensores por lo general vienen calibrados con mucha precisión de fábrica por lo cual es extraño encontrar en los mismos ajustes de calibración accesibles para el usuario. Estos sensores son utilizados cuando es necesaria una precisa y continua información sobre la posición de un objetivo. C. Detector de humedad La permeabilidad del aire se ve afectada por la humedad. A medida que aumenta la humedad, también lo hace la permeabilidad. Por esto último, los detectores de humedad capacitivos se basan en los cambios de la permeabilidad del dieléctrico entre las placas de un capacitor.

Detallamos a continuación una breve descripción de los componentes del dispositivo. El potenciómetro es utilizado como el ajuste de la sensibilidad del sensor, de esta forma es posible eliminar la detección de ciertos medios, esto último es útil, por ejemplo, si queremos detectar un líquido dentro de un recipiente. El rectificador transforma la señal sinusoidal proveniente del oscilador en una señal de continua. El circuito disparador compara la señal rectificada con una señal umbral, si la señal rectificada es mayor a la señal umbral, se modifica la salida de off a on. La etapa de salida acondiciona la señal proporcionada por el 3

el campo eléctrico. V. APLICACIÓN Un equivalente del circuito se puede ver en la figura siguiente. Teniendo en cuenta que H representa al humano, T al transmisor, R al receptor, G a ground (tierra) , C a chainsaw (motosierra), podemos observar las capacitancias que hay entre los distintos elementos cuando hay presencia humana cerca de la sierra. Como podemos ver, parte de la corriente del transmisor se va directamente a tierra y esto provoca que el voltaje en el receptor sea más bajo. Entonces el voltaje en el

La aplicación que detallaremos a continuación es la de un sistema de seguridad para una motosierra cuyo funcionamiento está basado en los sensores capacitivos, a partir del análisis del artículo “A Warning System for Chainsaw Personal Safety based on Capacitive Sensing”[5]. El motivo de la realización del artículo en cuestión, fue el de plantear una solución a la gran cantidad de accidentes que se dan por un mal manejo de la motosierra en Estados Unidos, a pesar de que la mayoría de las motosierras ya cuentan con variados sistemas mecánicos de seguridad. Una de las principales ventajas de este sistema es que el operario no tiene que utilizar ningún tipo de vestimenta especial para que el sistema de sensores funcione, y protege no sólo al operario, sino también a cualquier persona o animal que se acerque a la sierra. En el artículo se estudia la forma de detectar la cercanía del cuerpo humano a la motosierra colocando sensores capacitivos en ambos lados de la sierra. Este también explica el funcionamiento de un prototipo que se hizo basado en el estudio teórico, el cual actualiza su sistema de control cada 200µs y detecta presencia humana a partir de 15cm fuera de la sierra, resultando ser bastante efectivo. Como se muestra en la siguiente figura, a ambos lados de la sierra se coloca un electrodo: un transmisor y un receptor, que forman un campo eléctrico entre ellos. El transmisor es excitado por una señal sinusoidal v1 mientras que el receptor está a tierra virtual. También vemos en la figura cómo el campo eléctrico es interceptado al acercarse una parte del cuerpo humano a la sierra. Dependiendo de cuán interceptado resulte el campo, una parte de la corriente se ira del transmisor a tierra, y por lo tanto el voltaje que observa el receptor va a bajar en magnitud.

receptor es el indicador de la presencia humana próxima a la sierra.

Figura: Circuito equivalente del sistema. Se ven todas las capacitancias importantes del sistema en un corte longitudinal de la sierra. La motosierra (C) está a tierra. El transmisor (T) es excitado por una onda sinusoidal, mientras que el receptor (R) está a tierra virtual. Otro aspecto muy importante a tomar en cuenta es que, por más efectivo que sea este sistema, no debemos olvidar que el sensor debe ser activado solamente cuando una persona se acerca al mismo, pero no cuando se acerca, por ejemplo, un trozo de madera. Podemos observar en la siguiente imagen como se ve afectado el campo eléctrico al acercarse un humano y al acercar un trozo de madera.

Figura: Resultado de analizar las curvas equipotenciales: (a) sólo observando la motosierra, (b) con presencia humana, (c) con presencia de madera. Figura: representación (no a escala) de la sierra con los sensores a los lados y la presencia de una persona interceptando

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aumentando considerablemente la seguridad del operario. Es importante subrayar que el sensor detecta cualquier presencia humana o animal, no necesariamente la del operario, y la distingue de los materiales de trabajo, como es la madera. Más aún, puede detectar presencia humana en simultaneo con el proceso de cortado de un trozo de madera debido a que tiene sensores en toda la sierra y el sistema se actualiza cada pocos µs. VII. REFERENCIAS [1] Jon S Wilson, Sensor Techonlogy Handbook. [2] Halit Eren and Wei Ling Kong, Cap. 6.3, Capacitive Sensors. [3] John P. Bentley, Principles of Measurement Systems Fourth Edition, Part B Sensing elements. [4] Baxter, Capacitive Sensing Technology. [5] Boby George, Hubert Zangl and Thomas Bretterklieber, “A Warning System for Chainsaw Personal Safety based on Capacitive Sensing”, Institute of Electrical Measurement and Measurement Signal Processing, Graz University of Technology, 8010-Graz, Austria, IEEE SENSORS 2008 Conference.

Figura: Diagrama de bloques que explica el funcionamiento del sensor capacitivo. En el diagrama de bloques se puede observar que hay una señal portadora que se aplica a cada electrodo transmisor de manera secuencial. La señal recibida es filtrada por un filtro pasabanda antes de pasar por un conversor Corriente-Voltaje. Este filtro permite tener un sensor más preciso ya que quita las interferencias electromagnéticas que pueda haber en el entorno y las que pueda transmitir el circuito mismo. Luego el voltaje es mezclado con la señal portadora en fase y forman el canal (I), mientras que el voltaje junto con la portadora desfasada 90º forman el canal en cuadratura (Q). Estos dos canales pasan nuevamente por un filtro pasabajos, luego por un corrector de offset, para eliminar el offset que agregan las capacitancias en cada caso, y luego son amplificados (PGA, amplificadores de ganancia programable). Finalmente los canales pasan por el bloque (ADC) que permite tener una salida en forma digital. La cual es enviada posteriormente a la unidad de control. La salida del canal (I) muestra la relación de voltaje entre el transmisor y el receptor, mientras que la salida (Q) es un indicador de la capacitancia entre los electrodos. A través de (Q) se puede tener una respuesta de si hay o no presencia humana cerca de la sierra, y junto con (I) se puede estudiar las propiedades del dieléctrico que está próximo a la sierra.

VI. CONCLUSIONES A partir de la información recabada, podemos sacar algunas conclusiones acerca de los sensores capacitivos. En primer lugar el hecho de que su uso se ha visto expandido en los últimos años, y la tendencia es que siga por ese camino, debido a algunos factores como lo son su amplia gama de aplicaciones, la ausencia de partes mecánicas en su implementación, su tamaño compacto y flexible y su larga vida útil, entre otras tantas ventajas que tienen estos dispositivos. Por otro lado es fácil apreciar su supremacía frente a otros tipos de sensores, como lo son los inductivos, dado que estos últimos no cuentan con muchas de las ventajas que tienen los sensores capacitivos, como son la detección de materiales no metales, la ausencia de contacto físico para detectar un objetivo, entre otros. Respecto al artículo, podemos ver en esta aplicación un buen resultado de utilizar sensores capacitivos para un uso laboral diario como lo es la manipulación de una motosierra, 5