Scopri il sensore rivoluzionario che rileva non solo metalli semplici!

In articoli precedenti, abbiamo discusso di invenzioni nel campo della sensorialità, come ad esempio i sensori di Hall o quelli induttivi. Quest’ultimo riveste ancora un ruolo fondamentale nell’industria automobilistica, ma trova anche ampie applicazioni in diversi altri settori.

Ci sono compiti che gli interruttori di prossimità induttivi non riescono ad affrontare. Il sensore capacitivo si è rivelato un’ottima soluzione ad alcuni di questi problemi, e la sua semplicità e la vasta gamma di applicazioni lo hanno reso indispensabile.

Deficit del sensore induttivo

Il sensore induttivo potrebbe conquistare l’intero mercato se non fosse per un inconveniente che ne impedisce l’utilizzo in alcuni settori, ovvero la sua capacità di rilevare che può essere utilizzato solo per rilevare i metalli. Anche se questa è l’applicazione più desiderabile nell’industria automobilistica, ci sono eccezioni anche in quel contesto, figuriamoci in altri settori.

Costruzione e principio di funzionamento

I sensori capacitivi sono caratterizzati da alta precisione, buona ripetibilità, elevata risoluzione e capacità di lavorare a temperature elevate. Uno dei loro limiti è il basso livello di carico del segnale elettrico, che tuttavia non costituisce un problema nel caso di componenti elettronici con elevata resistenza di ingresso.

Il sensore capacitivo può funzionare in base al principio della misurazione della distanza, della misurazione del cambiamento di superficie e della misurazione della costante dielettrica.

Mentre il sensore induttivo si basa su un circuito LC in serie, un oscillatore RC svolge questa funzione. L’elemento attivo del sensore capacitivo è un condensatore costituito da un elettrodo a forma di disco e da un’armatura a coppa semiaperta, che limita contemporaneamente la superficie attiva.

Questo tipo di sensore è davvero unico perché ha una proprietà che un sensore induttivo non ha: rileva tutti i materiali, sia metallici che isolanti, che rientrano nel suo raggio di azione. L’oggetto da rilevare non deve essere metallico o monolitico: il sensore può rilevare anche sostanze liquide, granulari e polverose.

L’oscillatore RC viene selezionato in modo che il circuito oscilli quando la capacità cambia.

La differenza importante è che mentre il sensore induttivo è modulato in ampiezza, l’oscillatore è modulato in frequenza. La frequenza può essere calcolata come segue:

Distanza di commutazione

Sappiamo che un sensore capacitivo può rilevare anche oggetti e materiali non metallici all’interno del suo raggio d’azione. La variazione della capacità dell’interruttore di prossimità è influenzata principalmente dalla qualità del materiale (o dalle dimensioni e dalla posizione dell’oggetto).

Per quanto riguarda i metalli, il suo funzionamento è simile a quello di un sensore induttivo. Quando un oggetto o materiale elettricamente non conduttivo entra nella zona di rilevamento, la capacità cambia in proporzione diretta alla costante dielettrica del materiale (εr) e inversamente proporzionale alla distanza.

Costante dielettrica e fattore di riduzione per alcuni materiali (fonte: www.wikipedia.org)

La massima distanza di commutazione si ottiene con superfici d’acqua o materiali elettricamente conduttivi collegati a terra. Minore è la costante dielettrica del materiale non conduttivo, minore è la distanza di commutazione.

Affinché il sensore capacitivo non dia feedback per ogni oggetto o materiale sbagliato e possa concentrarsi su una certa qualità del materiale, la maggior parte di questi sensori ha un potenziometro con il quale possiamo regolare la sensibilità dell’interruttore di prossimità. Ciò consente di sopprimere gli stimoli indesiderati. Ad esempio, è possibile rilevare variazioni di livello del liquido in soluzioni acquose attraverso la parete di un contenitore di plastica.

La tabella seguente spiega la distanza operativa dell’interruttore per diversi spessori di materiale:

Modifica della distanza di commutazione in base allo spessore (striscia di plastica larga 30 mm; fonte: www.wikipedia.org)

Naturalmente, le carenze elencate all’inizio non sono le uniche limitazioni di questo dispositivo. Il design del sensore capacitivo non è complicato, ma è più costoso del sensore induttivo e, poiché è in grado di rilevare quasi tutto, le sue prestazioni sono fortemente influenzate dallo sporco o dalla condensa in un ambiente umido.

Proprio per questo motivo non viene utilizzato per la rilevazione dei metalli. Allo stesso tempo, può anche puntare un oggetto non metallico attraverso una sottile parete metallica se la costante dielettrica del materiale è almeno quattro volte quella del materiale della parete.

Nel campo del rilevamento di oggetti e materiali non metallici, ha molta concorrenza nel caso dei sensori ottici, che sono i leader indiscussi in questa applicazione.

Applicazioni pratiche

Nell’industria automobilistica non sono così comuni come i sensori induttivi, ma possiamo ancora trovarli nelle auto: sono responsabili della superficie sensibile al tocco degli schermi capacitivi.

I sensori capacitivi si trovano anche nella relativamente nuova funzione di controllo dei gesti, in cui non è nemmeno necessario toccare alcuna superficie attiva.

In alcuni veicoli si possono trovare indicatori di livello capacitivi, ma questo compito va oltre l’industria automobilistica.

I sensori capacitivi vengono utilizzati anche per rilevare il contenuto di confezioni chiuse sulle linee di produzione. Grazie alla sua precisione e tolleranza alla temperatura, questo tipo di sensore si trova spesso nella tecnologia di misurazione di precisione o sotto forma di regolatore di flusso di lubrificante nelle turbine eoliche. A volte viene persino utilizzato per misurare la capacità del toner delle stampanti laser.