Transductor capacitivo

<p>Este art铆culo explica la definici贸n y el principio de funcionamiento de un transductor capacitivo. Adem谩s de esto, tambi茅n se analizan en detalle las ventajas y desventajas y la aplicaci贸n del transductor capacitivo.

Índice de contenidos

Definici贸n:

El transductor capacitivo es un dispositivo que cambia su capacitancia con el cambio en los fen贸menos f铆sicos a medir. Es un transductor pasivo que requiere una fuente externa de alimentaci贸n para funcionar. El elemento de transducci贸n del transductor capacitivo es un condensador que puede ser un condensador de placa paralela, cil铆ndrico o angular. Se utiliza com煤nmente para la medici贸n del desplazamiento lineal.

Principio de funcionamiento del transductor capacitivo:

El principio de funcionamiento del transductor capacitivo se basa en la capacitancia de condensador de placas paralelas. La capacitancia (C) de un capacitor de placas paralelas con un 谩rea de placa A separada por una distancia d se da a continuaci贸n.

C = 茞o茞rA / d 鈥︹︹︹.(1)

Donde 茞o y 茞r son la permitividad del espacio libre y la permitividad relativa del material diel茅ctrico del capacitor.

En la siguiente figura se muestra un condensador t铆pico de placas paralelas con un material diel茅ctrico entre las placas.

Principio de funcionamiento del transductor capacitivo

El transductor capacitivo funciona seg煤n el principio de que la capacitancia se puede variar variando lo siguiente:

  • 谩rea de la placa
  • Separaci贸n entre las placas.
  • Cambio del material diel茅ctrico entre las placas.

En el transductor capacitivo, los cambios anteriores son causados 鈥嬧媝or variables f铆sicas como desplazamiento lineal, desplazamiento angular, fuerza, presi贸n y nivel de l铆quido. Observe que cuando el nivel del l铆quido cambia a trav茅s del capacitor, el medio diel茅ctrico cambia y, por lo tanto, la capacitancia cambiar谩.

El cambio de capacitancia puede medirse mediante un circuito puente. La impedancia de salida del transductor capacitivo se da como Xc = (1/2蟺fC) donde f es la frecuencia de suministro y C es la capacitancia. Suponiendo que la frecuencia si el suministro es constante, la impedancia de salida es una funci贸n de la capacitancia y, por lo tanto, el cambio en la variable f铆sica da como resultado el cambio correspondiente en Xc.

El transductor capacitivo se utiliza principalmente para la medici贸n del desplazamiento lineal. Para ello, se utilizan los siguientes efectos:

  • Cambio en la capacitancia debido al cambio en el 谩rea superpuesta de la placa
  • Cambio en la capacitancia debido al cambio en la separaci贸n entre las placas.

Transductor usando cambio en el 脕rea de la Placa:

Como sabemos, la capacitancia del capacitor de placas paralelas es directamente proporcional al 谩rea de la placa, por lo tanto, esta propiedad se puede emplear para medir el desplazamiento. Sobre todo, la respuesta de este tipo de transductor ser谩 lineal, lo que simplemente significa que el cambio f铆sico tendr谩 una relaci贸n lineal con la capacitancia medida.

Para la medici贸n del desplazamiento utilizando un transductor capacitivo, una placa del capacitor de placas paralelas se mantiene fija mientras que la otra placa se permite que se desplace. Un diagrama elemental de este transductor se muestra en la figura a continuaci贸n.

Transductor capacitivo que utiliza el cambio en el 谩rea de la placa para medir el desplazamiento

Supongamos que el ancho de la placa es W y la longitud en cualquier momento t es X. Por lo tanto, el 谩rea de las placas del capacitor de placas paralelas as铆 formadas en el momento t ser谩 (WX). Por lo tanto, la capacitancia en cualquier momento t se da a continuaci贸n.

C = [茞o茞r(WX) / d]

De la expresi贸n anterior, est谩 claro que el desplazamiento X es directamente proporcional a la capacitancia C. Por lo tanto, la medici贸n de la capacitancia nos dir谩 directamente la magnitud del desplazamiento. Por lo tanto, el desplazamiento de cantidad f铆sica se convierte en capacitancia de cantidad el茅ctrica, que es la funci贸n requerida de un transductor.

La sensibilidad de un dispositivo es la tasa de cambio de la salida con respecto a la entrada. Por lo tanto, la sensibilidad del transductor capacitivo ser谩 la tasa de cambio de la capacitancia (C) con respecto al desplazamiento (X). Busquemos ahora esta sensibilidad (S).

S = dC / dX

= 茞o茞rW / d

De la expresi贸n anterior, se puede afirmar que la sensibilidad de un transductor capacitivo es constante y depende del ancho y la separaci贸n entre las placas. Esta es una gran caracter铆stica del transductor capacitivo y se aprovecha para medir el desplazamiento lineal que va de 1 mm a 10 mm. La precisi贸n es tan alta como 0.005%.

El principio de cambio de capacitancia con cambio de 谩rea tambi茅n se emplea para medir el desplazamiento angular. La siguiente figura muestra un condensador de dos placas en el que una placa est谩 fija y la otra puede girar.

medici贸n-de-desplazamiento-angular-utilizando-transductor-capacitivo

El desplazamiento angular cambia el 谩rea efectiva entre las placas y, por lo tanto, un cambio correspondiente en la capacitancia. Sea, en cualquier momento t, la posici贸n de superposici贸n angular es 茻. Dado que el 谩rea de toda la placa es (蟺r2/2) para superposici贸n angular de 蟺 radianes, por lo tanto, el 谩rea (A) de la placa para superposici贸n angular de 茻 radianes ser谩

A = (蟺r2/2蟺)茻 = 茻r2/2

Capacitancia = [茞o茞r茻r2/ (2d)]

De la expresi贸n anterior, es obvio que la capacitancia es directamente proporcional al movimiento angular. Por lo tanto, la medici贸n de la capacitancia es una indicaci贸n directa del movimiento angular. El gr谩fico entre la capacitancia y la posici贸n angular es una l铆nea recta y se muestra a continuaci贸n.

caracter铆sticas del transductor utilizado para la medici贸n de la posici贸n angular

Debe tenerse en cuenta que el transductor capacitivo mencionado anteriormente solo se puede usar para medir la posici贸n angular de 0 a 180 掳.

Transductores que utilizan el cambio de distancia entre las placas:

Tambi茅n se puede dise帽ar un transductor capacitivo para responder al desplazamiento lineal uniendo una de las placas del capacitor al objeto en movimiento y manteniendo la otra placa fija. Cuando el objeto se mueve, la distancia entre las placas cambia y, por lo tanto, cambia la capacitancia. La variaci贸n de la capacitancia con la separaci贸n entre las placas es evidente a partir de (1). Se puede ver f谩cilmente a partir de (1) que la capacitancia es inversamente proporcional a la distancia entre las placas.

En la siguiente figura se muestra un diagrama elemental de un transductor capacitivo que utiliza el principio de cambio de capacitancia con cambio en la distancia entre las placas.

Transductor-usando-cambio-en-capacitancia-debido-al-cambio-en-la-separaci贸n-entre-las-placas-medida-de-desplazamiento-lineal

La separaci贸n entre las placas es x en cualquier tiempo t. Por lo tanto, la capacitancia se da como

C = 茞A/x

Las caracter铆sticas de este transductor son, por tanto, no lineales. En realidad, es hiperb贸lico como se muestra a continuaci贸n.

variaci贸n-en-capacitancia-debido-a-variaci贸n-en-separaci贸n-entre-las-placas

La sensibilidad de este transductor se calcula de la siguiente manera.

S = dC/dx

= -茞A/x2

La sensibilidad de este transductor no es constante sino que var铆a con la separaci贸n entre las placas. De hecho, cuanto menor es la distancia x, mayor es la sensibilidad. Esto significa que el dispositivo responder谩 por menor valor de desplazamiento. No responder谩 a un mayor valor de desplazamiento. Esta es la raz贸n; este tipo de transductor capacitivo se utiliza para aplicaciones que requieren la medici贸n de desplazamientos extremadamente peque帽os.

Se podr铆a pensar que esto es una desventaja. Pero en realidad, no es as铆. Simplemente compare la sensibilidad del transductor capacitivo utilizando el cambio en el 谩rea y el cambio es la distancia entre la placa. La sensibilidad es constante para el primero mientras que la misma es mayor para desplazamientos extremadamente peque帽os. Esto significa que, si queremos medir un desplazamiento muy, muy peque帽o, el transductor que utiliza el cambio en la separaci贸n entre las placas ser谩 m谩s sensible, es decir, el cambio en la capacitancia ser谩 mayor para un cambio extremadamente peque帽o en el desplazamiento entre las placas. Esto es ventajoso para la medici贸n de peque帽os desplazamientos. 驴Cualquier duda? Por favor escriba en el cuadro de comentarios.

Transductor que usa el cambio en la constante diel茅ctrica:

Un transductor capacitivo puede usar el principio de cambio en la constante diel茅ctrica para lograr una capacitancia variable. Esto es bastante obvio si se refiere a (1). La capacitancia del capacitor de placas paralelas es directamente proporcional a la constante diel茅ctrica (茞) para un 谩rea y una separaci贸n de placas dadas. Este principio tambi茅n se utiliza en transductores capacitivos para la medici贸n del desplazamiento lineal.

En la siguiente figura se muestra un diagrama elemental que utiliza el cambio en la capacitancia debido al cambio en la constante diel茅ctrica.

Transductor-capacitivo-principio-de-funcionamiento-sobre-la-base-de-cambio-en-constante-diel茅ctrica

Las placas del capacitor son fijas. Sin embargo, un objeto en movimiento que tiene alguna constante diel茅ctrica 茞r se est谩 moviendo hacia las placas. Queremos medir el desplazamiento del objeto. En cualquier etapa intermedia, deje que la longitud l2 del objeto est茅 dentro de las placas. Por lo tanto, hasta l2 de longitud, el capacitor est谩 lleno de diel茅ctrico con constante diel茅ctrica 茞r, mientras que l1 de longitud tiene aire. La capacitancia en esta combinaci贸n se puede encontrar como se muestra a continuaci贸n.

capacitancia-del-condensador-parcialmente-lleno-con-diel茅ctrico

De la expresi贸n anterior, est谩 claro que, a medida que el objeto se mueve hacia el capacitor, el valor de l2 aumenta y, por lo tanto, aumenta la capacitancia C. Al medir esta capacitancia, se puede predecir el desplazamiento lineal.

Ventaja y desventaja del transductor capacitivo:

Ventaja:

Las principales ventajas del transductor capacitivo se enumeran a continuaci贸n:

  • Este transductor requiere una fuerza muy peque帽a para funcionar y, por lo tanto, se utiliza en sistemas peque帽os.
  • Son muy sensibles. La precisi贸n es tan buena como 0.005%.
  • El efecto de carga es m铆nimo en este transductor debido a la alta impedancia de entrada.
  • Con estos transductores se puede obtener f谩cilmente una resoluci贸n del orden de 2,5脳10-3.
  • La medici贸n del transductor inductivo se ve afectada por el campo magn茅tico perdido, mientras que un transductor capacitivo no se ve afectado.
  • El requisito de potencia del transductor capacitivo es menor ya que requieren menos fuerza para operar.

Desventaja:

Las principales desventajas de un transductor capacitivo se mencionan a continuaci贸n:

  • El transductor capacitivo requiere que su parte met谩lica est茅 aislada entre s铆. Si se acortan, el valor de la capacitancia ser谩 cero. Sobre todo, para evitar el efecto de la capacitancia par谩sita en la medici贸n, el marco de este transductor debe estar conectado a tierra.
  • El transductor capacitivo muestra un comportamiento no lineal en ocasiones debido al efecto de los bordes. Los anillos de protecci贸n se utilizan para eliminar este efecto.
  • El cable que se conecta al transductor tambi茅n es una fuente de error cuando se miden peque帽os cambios f铆sicos. El cable puede ser una fuente de carga que provoque una p茅rdida de sensibilidad. Adem谩s, la carga hace que la respuesta de baja frecuencia sea pobre.
  • La capacitancia puede cambiar debido al polvo, la humedad, etc.
  • Son sensibles a la temperatura y, por lo tanto, cualquier cambio de temperatura afecta negativamente a su rendimiento.
  • El circuito de instrumentaci贸n utilizado con el transductor capacitivo es bastante complejo.
  • La impedancia de salida (1/2蟺fC) del transductor capacitivo es bastante alta debido al valor m谩s bajo de la capacitancia. Esto conduce al efecto de carga. La impedancia de salida depende de la frecuencia de la se帽al utilizada para medir la capacitancia. Para una capacitancia entre 10 y 500 pF, la frecuencia utilizada es tal que da una impedancia de salida en el rango de 1 k惟 a 10 M惟. Este alto valor de impedancia de salida significa que la resistencia de aislamiento debe mantenerse alta para evitar la derivaci贸n indebida de la capacitancia y la reducci贸n de la sensibilidad.

Aplicaci贸n de transductor capacitivo:

Las principales aplicaciones de un transductor capacitivo se enumeran a continuaci贸n.

  • El transductor capacitivo se utiliza principalmente para medir el desplazamiento lineal y angular. Son muy sensibles y pueden medir desplazamientos extremadamente peque帽os del orden de 10-6 mm.
  • Tambi茅n se utilizan para la medici贸n de fuerza y 鈥嬧媝resi贸n. La fuerza y 鈥嬧媗a presi贸n se convierten primero en desplazamiento lineal y luego el desplazamiento se mide mediante un transductor capacitivo.
  • El transductor capacitivo se puede usar directamente para medir la presi贸n donde el cambio de presi贸n da como resultado el cambio correspondiente en la constante diel茅ctrica del medio entre las placas del capacitor.
  • La constante diel茅ctrica de los gases cambia con la humedad. Por lo tanto, un transductor capacitivo puede medir la humedad en los gases empleando el cambio de capacitancia debido al cambio en el principio de la constante diel茅ctrica.
  • Tambi茅n se puede utilizar para medir el nivel de l铆quido, el volumen, la densidad, etc. Sin embargo, se requiere un modificador mec谩nico para la medici贸n de estos par谩metros.

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