Cos’è un sensore capacitivo
Un sensore capacitivo è un particolare tipo di sensore che prende il nome dalla variazione che misura, la “capacità elettrica”. La capacità elettrica è il rapporto tra la quantità di carica che un materiale conduttore riesce ad accumulare e la tensione elettrica, cioè la differenza di potenziale tra due conduttori.
Il dispositivo capacitivo più comune è il condensatore (in inglese, “capacitor”): è composto da due armature, o piastre, caricate con segno opposto, e ha proprio la funzione di immagazzinare energia potenziale in un campo elettrico.
Il sensore capacitivo funziona come una delle due armature del condensatore: l’altra è l’oggetto-target, di cui il sensore rileverà presenza/assenza o distanza.
La corrente che viene generata dalle due armature (sensore+oggetto target) ne cambia infatti la distanza: una distanza che può essere rilevata e misurata. Più l’oggetto è grande e vicino più genererà corrente che verrà rilevata dal sensore.
Più precisamente, è proprio la variazione di tensione nel campo elettrico generato dalle due armature con uno spazio tra loro ad essere determinata e misurata grazie alla “capacità elettrica”. La misura è più accurata se l’oggetto-target è piatto e posto parallelamente al sensore.
La sensibilità del sensore capacitivo è data dalla variazione di tensione rilevata per una determinata variazione di distanza: una impostazione diffusa di calibrazione della sensibilità è 1.0 V /100 µm. Ovvero, per ogni variazione di distanza di 100 µm, la tensione di uscita cambia 1.0 V. Ne deriva che una variazione di +3V in uscita corrisponde a un avvicinamento dell’oggetto di 300 µm.
Un funzionamento diverso rispetto all’induzione elettromagnetica su cui si basano i sensori induttivi: ne deriva che i sensori capacitivi sono in grado di rilevare oggetti anche non ferromagnetici e non conduttori. La loro rilevazione avviene infatti facendoli attraversare dal campo elettrico grazie ad un bersaglio di riferimento stazionario (e conduttivo) posto dietro.
A cosa serve un sensore capacitivo
I sensori capacitivi possono essere utilizzati come sensore di prossimità, per rilevare la presenza/assenza o la distanza da un oggetto target in aree molto piccole. Sono quindi usati, a livello industriale, anche per il conteggio di oggetti sulla linea di produzione.
Ma si usano anche per misurare l’usura dei dischi dei freni nelle automobili: i dischi si inarcano nel campo elettrico, la capacità (di immagazzinare energia) aumenta e il sensore rileva la variazione.
Oppure, vengono impiegati come sensori di pressione, quindi trasmettitori di impulsi nei touchscreen: nella Capacitive Sensing Library di Arduino è possibile reperire dettagli su come costruire e programmare come sensori di pressione i sensori capacitivi.
Ancora, sono utilizzati per rilevare, con o senza contatto, liquidi o materiali sfusi, quindi monitorarne il livello di riempimento in contenitori, tubi, serbatoi, specie nelle industrie chimiche e alimentari. Possono essere installati su macchine di assemblaggio, utensili, movimentazione materiali, trasporto. Possono essere utilizzati, come inclinometri, per controllare la pendenza di strade e linee ferroviarie in costruzione. I sensori capacitivi di pressione vengono impiegati nel monitoraggio degli strumenti per aeroplani e macchine industriali o come componenti per il biomedicale.
Quali sono i principali sensori capacitivi
I sensori capacitivi possono essere cilindrici, rettangolari, a tre o a quattro fili, a singolo o doppio elettrodo, con grande varietà di connettori e cavi. Possono avere un’uscita analogica, commutata o un’interfaccia IO-Link, il protocollo aperto di comunicazione seriale per lo scambio dei dati tra sensori e dispositivo di elaborazione.
Possono essere classificati in: sensori capacitivi di prossimità, sensori capacitivi di livello, inclinometri, sensori capacitivi di pressione, teste capacitive con elettronica remota, sistemi capacitivi.
Sensori o interruttori capacitivi di prossimità
I sensori capacitivi o interruttori capacitivi di prossimità rilevano la presenza/assenza o la distanza da un oggetto target in aree molto piccole. L’oggetto target può essere in vetro, legno, metallo, plastica, ma anche liquido o sfuso. Per il riconoscimento di fluidi i sensori di prossimità capacitivi sono prodotti in plastica e acciaio inossidabile. Possono essere a disco o cilindrici.
Sensori capacitivi di livello
I sensori capacitivi di livello servono a rilevare il livello di riempimento di liquidi nei contenitori. In assenza di contatto, possono essere piani, cilindrici, cubici o a disco, con diversi livelli di resistenza alla pressione. Per la misurazione a contatto di granulati, pellet, oli, sono indicate le classiche sonde a immersione.
Inclinometri capacitivi
Gli inclinometri capacitivi misurano l’angolo di inclinazione di un oggetto o superficie rispetto alla forza di gravità. La capacità elettrica viene calcolata in proporzione alla variazione causata dall’inclinazione del sensore capacitivo. Gli inclinometri vengono utilizzati per controllare la pendenza di strade e linee ferroviarie in costruzione, per il controllo qualità di automobili e ascensori, per calcolare lo spostamento di oggetti rotanti.
Sensori capacitivi di pressione
I sensori capacitivi di pressione, più propriamente traduttori, si distinguono in trasduttori di pressione assoluta, relativa o differenziale a seconda del tipo di pressione che rilevano.
Utilizzano la pressione in cavità e un elemento a membrana per produrre un condensatore variabile: maggiore è la pressione applicata, minore sarà la capacità elettrica della membrana che si deforma.
Molto reattivi, i sensori capacitivi di pressione possono misurare pressioni differenziali fino a 0,01 pollici d’acqua. Molto comuni i modelli miniaturizzati, impiegati nel monitoraggio degli strumenti per aeroplani, macchine industriali o componenti per il biomedicale.
Un particolare tipo di sensore capacitivo a pressione è il sensore tattile impiegato nei touchscreen, che rilevano la posizione del tocco in base agli impulsi elettrici della punta delle dita di un corpo umano. Il vetro dello schermo viene ricoperto all’esterno da uno strato di ossido metallico, che lo rende conduttivo nel momento in cui viene applicata la tensione agli angoli del pannello. Al momento del tocco, la capacità elettrica superficiale varia, come in un qualsiasi condensatore, e viene letta dai sensori posti su un pannello con (almeno) un microcontrollore al di sotto del vetro.
Teste capacitive con elettronica remota
Le teste capacitive sono adatte per il rilevamento di sostanze in ambienti difficili, perché hanno l’elettronica non integrata nel sensore, ma separata grazie ad un amplificatore collegabile a valle, con diverse uscite.
Sistemi capacitivi
I sistemi capacitivi possono collegare tra loro più sensori. Hanno dei controller multicanale, con uscite analogiche o interfacce digitali come EtherCat (Ethernet industriale). Alcuni non necessitano di calibrazione, tutti si configurano e regolano via web. Misurano fino a 10 mm.
Vantaggi e svantaggi nell’utilizzo
Il vantaggio principale nell’utilizzo dei sensori capacitivi è la possibilità di rilevare oggetti di qualsiasi tipo e materiale, anche attraverso pareti non metalliche. La rilevazione avviene ad una distanza inferiore ai 60 millimetri, quindi in piccole aree, ma con accuratezza nanometrica. I sensori capacitivi sono sensibili all’umidità e ai vapori densi ma compatibili con l’ambiente industriale. Soprattutto, non soffrono di usura meccanica. Possono essere integrati nei sistemi di posizionamento automatico degli utensili o della griglia durante il processo produttivo. Consentono misurazioni altamente precise e ripetibili. La maggior parte dei modelli è compatta e leggera.
