7.6 Sensores Capacitivos

Um sensor ou transdutor capacitivo é um condensador que exibe uma variação do valor nominal da capacidade em função de uma grandeza não eléctrica. Uma vez que um condensador consiste basicamente num conjunto de duas placas condutoras separadas por um dieléctrico, as variações no valor nominal da capacidade podem ser provocadas por redução da área frente a frente e da separação entre as placas, ou por variação da constante dieléctrica do material.

Os sensores capacitivos permitem medir com grande precisão um grande número de grandezas físicas, tais como a posição, o deslocamento, a velocidade e a aceleração linear ou angular de um objecto; a humidade, a concentração de gases e o nível de líquidos ou sólidos; a força, o torque, a pressão e a temperatura; mas também detectar a proximidade de objectos, a presença de água e de pessoas, etc.

Hoje em dia existe uma grande variedade de aplicações que utilizam sensores capacitivos, de forma discreta ou integrada. Por exemplo, são bastante comuns os sensores capacitivos de pressão, (caso dos microfones), de aceleração, de fluxo de gases ou líquidos, de humidade, de compostos químicos como o monóxido de carbono, dióxido de carbono, azoto, de temperatura, de vácuo, de nível de líquidos, de força, de deslocamento, etc., uns detectando as variações na espessura do dieléctrico, outros na constante dieléctrica. A detecção da variação da capacidade é geralmente efectuada através da medição da carga acumulada, por exemplo através da aplicação de uma tensão constante, ou então indirectamente através da variação da frequência de oscilação ou da forma de onda à saída de um circuito, do qual o sensor é parte integrante. Na Figuras 7.16 apresentam-se os esquemas simplificados de alguns dos sensores capacitivos mais vulgarmente utilizados.

Em 7.16.a considera-se o caso de um sensor capacitivo de deslocamento. Neste sensor os dois eléctrodos são fixos e estão separados por uma película fina de um material cuja constante dieléctrica é superior à unidade (e_r>1), que se pode deslocar lateralmente em conjunto com o objecto cujo movimento se pretende medir. O deslocamento da película altera a proporção entre as partes dos eléctrodos separadas por ar e pela película de material dieléctrico, que se traduz numa variação linear da constante dieléctrica do conjunto e, em consequência, da capacidade do condensador. Na prática existem diversas variantes deste princípio básico, utilizadas por exemplo na construção de transdutores em rotores e estatores de motores.

Figura 7.16 Sensores capacitivos de deslocamento (a), de humidade (b) e de som (c)

Na Figura 7.16.b ilustra-se o esquema de princípio de um sensor capacitivo de humidade (designado sensor higrométrico), o qual basicamente explora a dependência da constante dieléctrica de alguns materiais com o teor de água no ar ambiente. O dieléctrico é neste caso constituído por uma película fina de um material simultaneamente isolador e higroscópico o qual, dada a natureza porosa de um dos dieléctricos, se encontra em contacto com o ambiente cuja humidade relativa se pretende medir.

O microfone de electrete constitui uma das aplicações mais comuns dos sensores capacitivos de pressão, neste caso particular designados transdutores de som. Como se ilustra na Figura 7.16.c, os microfones deste tipo são basicamente constituídos por um diafragma que vibra em função da frequência e da amplitude das ondas sonoras incidentes (constituindo um dos eléctrodos do condensador), uma película fina de um material permanentemente polarizado (de elevada constante dieléctrica), e um segundo eléctrodo metálico e fixo. A vibração do diafragma induz uma variação na capacidade do condensador, que é posteriormente processado e amplificado electronicamente.