Aprendiendo a utilizar los sensores capacitivos

Un nuevo artículo divulgativo sobre las aplicaciones que la microelectrónica permite en la industria recurriendo al mundo de los sensores. En esta ocasión hablaremos de los sensores capacitivos y los conceptos básicos que nos ayudarán a utilizarlos.

Los sensores capacitivos miden los cambios en una propiedad eléctrica llamada capacitancia. La capacitancia describe cómo dos objetos conductores con un espacio entre ellos responden a una diferencia de voltaje aplicada a ellos. Un voltaje aplicado a los conductores crea un campo eléctrico entre ellos, causando cargas positivas y negativas para colectar en cada objeto. Si se invierte la polaridad del voltaje, las cargas se invertirán.

Los sensores capacitivos usan un voltaje alternativo que causa que las cargas continuamente inviertan sus posiciones. El movimiento de cargas crea una corriente eléctrica que se detecta por el sensor. La cantidad de flujo de corriente se determina por la capacitancia, y la capacitancia se determina por el área de superficie y proximidad de los objetos conductivos. Los objetos más grandes y más cercanos originan mayores corrientes que los más pequeños o los situados a distancias mayores. La capacitancia también es afectada por el tipo de material no conductivo en el hueco entre los objetos. Técnicamente hablando, la capacitancia es directamente proporcional al área de superficie de los objetos y la constante dieléctrica del material entre ellos, es inversamente proporcional a la distancia entre ellos.

En las aplicaciones sensores capacitiva las típicas, la sonda o sensor es uno de los objetos conductivos y el objetivo es la otra. El tamaño del sensor y el objeto se asumen constantes. Por lo tanto, cualquier cambio en la capacitancia es el resultado de un cambio de distancia entre sonda y objeto. La electrónica se calibra para genera cambios de voltaje específicos de los sensores para los correspondientes cambios en capacitancia. Estos voltajes se escalan para representar cambios específicos en la distancia. La cantidad de cambio de voltaje para una cantidad dada de cambio de distancia se llama sensibilidad. Una configuración de sensibilidad común es 1.0 V/100 µm. Esto significa que por cada cambio de 100 100 µm µm en distancia, el voltaje de salida cambia exactamente 1.0 V. La capacitancia también queda afectada por el tipo de materiales no conductores en el hueco de los objetos. Técnicamente hablando, la capacitancia es directamente proporcional al área de superficie de los objetos y la constante dieléctrica del material entre ellos, e inversamente proporcional a la distancia entre ellos.

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Enfocando el campo eléctrico

Cuando se aplica un voltaje al conductor, el campo eléctrico emana desde cada superficie. En un sensor capacitivo, el voltaje sensor se aplica al área sensora de la sonda. Para mediciones exactas, el campo eléctrico del área sensora necesita estar contenida dentro del espacio entre el sensor y el objeto. Si el campo eléctrico se permite se extienda a otros objetos – u otras áreas en el objeto – entonces un cambio en la posición de otro ítem se medirá como un cambio en la posición del objeto. Una técnica llamada "guarding" se usa para prevenir que esto ocurra. Para crear un guard, la parte trasera y lados del área sensora se rodean por otro conductor que se mantiene en el mismo voltaje que el área sensora en sí misma. Cuando el voltaje se aplica al área sensora, un circuito separado aplica el mismo voltaje exacto al guard. Debido a que no hay diferencia entre el área sensora y el guard, no hay campo eléctrico entre ellos. Cualquier otro conductor detrás o al lado de la sonda forma un campo eléctrico con la sonda en vez de con el área sensora. Sólo el frente no guardado del área sensora se permite forman un campo eléctrico con el objeto.

Offset error

Offset error ocurre cuando se añade un valor constante al voltaje de salida del sistema. El sistema de medición capacitiva usualmente se pone a cero durante la configuración, eliminando cualquier desviación offset de la calibración original. Sin embargo, el error offset cambia después de que el sistema se pone a cero, introduciendo un error en la medición. El cambio de temperatura es el factor primario del error offset.

La sensibilidad puede variar ligeramente entre dos puntos cualquiera de datos. El efecto acumulado de esta variación se llama error de linealidad. La especificación de linealidad mide cómo varía la salida respecto a la línea recta.

Para calcular el error de linealidad, los datos de calibración se comparan a la línea recta que mejor se adapta a los puntos. Esta línea de referencia recta se calcula de los datos de calibración usando el ajuste de mínimos cuadrados. La cantidad de error en el punto de la línea de calibración se aleja de esta línea ideal en el error de linealidad. El error de linealidad se expresa usualmente en términos de porcentaje respecto a la escala completa. Si el error en el peor punto es 0,001 mm y el rango en la escala completa de calibración es 1 mm, el error de linealidad será 0,1 %.

Error band

El error band tiene en cuenta la combinación de los errores de linealidad y sensibilidad. Es la medición del error absoluto del peor caso en el rango calibrado. El error band se calcula comparando el voltaje de salida en huecos específicos a su valor esperado. El error del peor caso de esta comparación se lista en el error band del sistema.

Ancho de banda

El ancho de banda se define como la frecuencia a el rendimiento cae a –3 dB, una frecuencia que también se llama cutoff frequency. Una caída de – 3 dB en el nivel de la señal supone una disminución aproximada del 30 %. Con un ancho de banda de 15 kHz, un cambio de ±1 V a baja frecuencia sólo producirá un cambio de ±0.7 V a 15 kHz. Los sensores de banda ancha pueden sentir movimiento de alta frecuencia y proporcionar salidas de rápida respuesta para maximizar el margen de fase cuando se usan en sistemas de realimentación de servo-control; sin embargo, los sensores de ancho de banda inferior reducirán el ruido de salida lo cual significa una resolución más alta. Algunos sensores proporcionan ancho de banda seleccionable para maximizar la resolución o el tiempo de respuesta.

Resolución

La resolución se define como la medida fiable más pequeña que un sistema puede hacer. La resolución de un sistema de medida debe ser mejor de lo que la exactitud final de la medición requiere. Si necesitas conocer una medida dentro de 0,02 µm, entonces la resolución del sistema de medición debe ser mejor que 0.02 µm.

El principal factor determinante de la resolución es el ruido eléctrico. El ruido eléctrico aparece en el voltaje de salida causando errores instantáneos pequeños en la salida. Incluso cuando el hueco de sonda/objetivo es perfectamente constante, el voltaje de salida del driver tiene alguna pequeña cantidad medible de ruido que parecería indicar que el huevo está cambiando. Este ruido es inherente en componentes electrónicos y puede ser minimizado, pero nunca eliminado.

Si un driver tiene un ruido de salida de 0,002 V con una sensibilidad de 10 V/l mm, entonces tiene un ruido de salida de 0,2 µm. Esto quiere decir que en cualquier momento, la salida tendrá un error de 0.2 µm. La cantidad de ruido en la salida está directamente relacionado con el ancho de banda. Generalmente hablando, el ruido se distribuye sobre un amplio rango de frecuencias. Si las frecuencias más altas se filtran antes de la salida, el resultado es menos ruido y menor resolución. Cuando se examinan las especificaciones de la resolución, es crítico conocer a qué anchos de banda se aplican las especificaciones.

La cantidad de ruido en la salida está directamente relacionada con el ancho de banda. Generalmente hablando, el ruido se distribuye sobre un amplio rango de frecuencias. Si las frecuencias más altas se filtran antes de la salida, el resultado es menos ruido y mejor resolución. Cuando se examinan las especificaciones de la resolución, es crítico conocer a que ancho de banda se aplican las especificaciones.

Efectos del tamaño del objeto

El tamaño del objeto es una consideración principal cuando se selecciona una sonda para una aplicación específica. Cuando el campo eléctrico sensor se enfoca por guarding, crea un campo ligeramente cónico que es una proyección del área sensora. El diámetro del objeto es usualmente un 130 % del diámetro del área sensora. Lo que está más lejos de la sonda es el objeto, el más grande es el tamaño del objeto mínimo.

Rango de medición

El rango en el que la sonda es útil es una función del tamaño del área sensora. Si el área es más grande, también es más grande el rango. Debido a que el driver electrónico se diseña para cierta cantidad de capacitancia en la sonda, una sonda más pequeña debe estar considerablemente más cerca al objeto para alcanzar la cantidad deseada de capacitancia. En general, el hueco máximo al que la sonda es útil es aproximadamente un 40 % del diámetro del área sensora. Las calibraciones típicas usualmente mantienen el hueco a un valor considerablemente menor que esto. Aunque la electrónica es ajustable durante la calibración, hay un límite al rango de ajuste.

Sensor de canal múltiple

Frecuentemente, un objeto se mide simultáneamente por múltiples sondas. Debido a que el sistema mide un campo eléctrico cambiante, el voltaje de excitación para cada sonda debe sincronizarse o las sondas interferirán entre sí. Si no están sincronizadas, una sonda intentará crear un campo eléctrico mientras que otra intente hacer que disminuya; y el resultado probablemente será una lectura falsa. La electrónica del driver puede configurarse como maestro o esclavo; el maestro establece la sincronización para los esclavos en sistemas multicanal.

Efectos del material del objeto

El campo eléctrico del sensor está buscando una superficie conductiva. Probado que el objeto es un conductor, los sensores capacitivos no están afectados por el material del objeto específico; se medirán todos los conductores – latón, acero, aluminio o agua salada. Debido a que el campo eléctrico del sensor para en la superficie del conductor, el espesor del objeto no afecta la medición.

Midiendo no conductores

Los sensores capacitivos son a menudo usados para medir el cambio de posición de un objeto conductivo. Pero los sensores capacitivos pueden ser muy efectivos midiendo presencia, densidad, espesor, y localización de no conductores. Los materiales no conductores tales como el aire tienen diferente constante dieléctrica que el aire. La constante dieléctrica determina cómo un material no conductivo afecta a la capacitancia entre los dos conductores.

Cuando un no conductor se inserta entre la sonda y un objeto de referencia estacionario, el campo del sensor pasa a través del material al objeto puesto a tierra. La presencia de un material no conductor cambia la constante dieléctrica y por lo tanto cambia la capacitancia. La capacitancia cambiará en relación al espesor o densidad del material.

No siempre es factible tener un objeto de referencia en frente de la sonda. A menudo, la medición puede hacerse mediante una técnica llamada fringing. Si no hay una referencia conductiva directamente en frente de la sonda, el campo eléctrico del sensor envolverá el cuerpo de la sonda en sí misma. Esto se denomina un fringe field. Si un material no conductivo se lleva en proximidad a la sonda, si constante dieléctrica cambiará el fringe field; esto puede usarse para sentir el material no conductivo. La sensibilidad del sensor al objeto no conductivo es directamente proporcional a la constante dieléctrica del material.

Maximizando exactitud

La exactitud requiere que las mediciones se hagan bajo las mismas condiciones en las que el sensor fue calibrado. Si este sensor se calibra en la factoría, o se calibra durante el uso, los resultados repetibles vienen de condiciones repetibles. Si sólo deseamos que la distancia afecte a la medición, entonces todas las otras variables deben ser constantes. A continuación discutimos fuentes de errores comunes y cómo minimizarlos.

Tamaño del objeto

A menos que se especifique otra cosa, las calibraciones de factoría se hacen con un objeto conductivo plano que es considerablemente más grande que el área sensora. Un sensor calibrado de esta forma dará resultados exactos cuando se mida un objeto plano >30% en tamaño que el área sensora. Si el área del objeto es demasiado pequeña, el campo eléctrico comenzará a envolver los lados del objeto, lo que significa que el campo eléctrico se extiende más allá que lo que se hace en calibración y se medirá el objeto a más distancia. En este caso, la sonda debe estar más próxima al objeto para el mismo punto cero. Debido a que esta distancia difiere de la calibración original, se introducirán errores. Se creará el error porque la sonda no alarga su medición en una superficie plana. Si la distancia entre la sonda y el objeto se considera en el eje Z, entonces un problema adicional con un objeto infra-dimensionado es que el sensor llega a ser sensible a la localización X e Y de la sonda. Sin cambiar el hueco, la salida cambiará significativamente si la sonda se mueve según el eje X o Y porque menos campo eléctrico va al centro del objeto y más a los lados.

Forma del objeto: La forma del objeto debe también ser tomada en consideración. Debido a que las sondas se calibra en un objeto plano, la medición de objetos con una superficie curvada causará error. Debido a que la sonda medirá distancias promedio al objeto curvado, el hueco a 0,0 V será diferente en un hueco a 0,0 V cuando el sistema se calibra. Se introducirán errores debido al diferente comportamiento del campo eléctrico con la superficie curvada. En casos donde un objeto no plano debe ser medido, el sistema puede ser calibrado en fábrica en su forma final. Alternativamente, cuando la calibración plana se usa con superficies curvadas, pueden determinarse multiplicadores para corregir el valor de la medición.

Acabado superficial: Cuando la superficie del objeto no es perfectamente uniforme, el sistema promediará sobre un área cubierta por el tamaño de la superficie sensórica. El valor del a medición puede cambiar cuando la sonda se mueve a través de una superficie debido a un cambio en la localización promedio de la superficie. La magnitud de este error depende de la naturaleza y simetría de las irregularidades de la superficie y del tamaño del área sensora de la sonda. Las grandes sondas son en promedio más grandes sobre un área más grande y menos susceptibles a las irregularidades superficiales.

Paralelismo: Durante la calibración la superficie del sensor es paralela a la superficie del objeto. Si la sonda o el objeto se inclina una cantidad significativa, la forma de la superficie donde el campo golpea el objetivo se alarga y cambia la interacción del campo con el objeto. Debido al diferente comportamiento del campo eléctrico, se introducirán errores de medición. A muy altas resoluciones, incluso unos pocos grados de inclinación pueden introducir error. Debe considerarse el paralelismo cuando se diseña el punto de fijación para la medición.

Condiciones ambientales: Todos los sensores capacitivos exhiben alguna sensibilidad a la temperatura, pero usualmente están bien diseñados para compensar la temperatura, resultando muy pequeños cambios con la temperatura en un rango limitado. Un problema mayor es que virtualmente todos los objetos y materiales de fijación muestran una expansión y significativa. Cuando esto ocurre, los cambios en la medición no son un error de medida; son cambios reales en el espacio entre el objeto y la sonda. Diseños cuidadosos del sistema de medición permite maximizar la exactitud. La constante dieléctrica del aire queda afectada por la humedad; cuando la humedad se incrementa, la constante dieléctrica aumenta también. La humedad puede interaccionar con materiales desde que la sonda se construye. Los cambios de humedad que van de 50 % – 80 % HR pueden causar errores de hasta un 0,5 % a fondo de escala.

Si bien los materiales de las sondas se seleccionan para minimizar estos errores ambientales, las aplicaciones que requieren más precisión deben controlar la temperatura y humedad.

Bibliografía:

• Capacitive sensor operation Part I y II. Sensors June 2009