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Tout ce qu’il faut savoir sur les capteurs à ultrasons

Tout ce qu’il faut savoir sur les capteurs à ultrasons

Par Jeff Smoot, CUI Devices



Tout ce qu’il faut savoir sur les capteurs à ultrasons

Par Jeff Smoot, CUI Devices

Les capteurs à ultrasons existent depuis des décennies, et pourtant ils continuent de dominer le marché de la détection en raison de leurs capacités, de leur flexibilité et de leur faible coût. Comme de plus en plus de produits sont devenus autonomes, la demande a encore augmenté avec leur intégration dans les robots, les véhicules autonomes et les drones. Comprendre comment fonctionne un capteur à ultrasons, comment il peut être utilisé, les avantages et les inconvénients de son utilisation et ses applications courantes montrera à quel point il est tout aussi pertinent aujourd’hui que lors de son introduction.

Qu’est-ce qu’un capteur à ultrasons?

Les capteurs à ultrasons émettent un son généralement compris entre 23 kHz et 40 kHz, beaucoup plus élevé que la plage audible typique de l’audition humaine à 20 kHz, d’où le terme ultrasons. En utilisant cet ultrason, ils mesurent le temps qu’il faut pour que le signal rebondisse sur un objet. Ceci est basé sur les mêmes principes de base que l’écholocalisation utilisée par les chauves-souris pour trouver leurs proies. Comme la vitesse du son dans l’air à température ambiante est de 343 mètres par seconde, ce temps peut être facilement converti en distance, en se rappelant que le signal ultrasonique se déplace à la fois vers et depuis l’objet détecté.

Distance (mètres) = (temps écoulé [secondes] * 343 [mètres/seconde]) / 2

Les unités peuvent être modifiées dans cette équation pour répondre aux besoins d’une application spécifique, mais la simplicité de l’équation montre le fonctionnement relativement simple d’un capteur à ultrasons.

Comment fonctionne un capteur à ultrasons?

Passant de la théorie à la réalité, un capteur à ultrasons nécessite deux parties, à la fois un émetteur et un récepteur. Dans la configuration la plus standard, ceux-ci sont placés côte à côte aussi près que raisonnablement possible l’un de l’autre. Avec le récepteur proche de l’émetteur, le son se déplace en ligne droite depuis l’émetteur jusqu’à l’objet détecté et de retour au récepteur, ce qui permet de plus petites erreurs dans les mesures. Il existe également des émetteurs-récepteurs à ultrasons où les fonctions de l’émetteur et du récepteur sont intégrées dans une seule unité, minimisant les erreurs autant que physiquement possible tout en réduisant considérablement l’empreinte du circuit imprimé.

Fonctionnement de base d’une paire émetteur et récepteur à ultrasons

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Les ondes acoustiques qui quittent l’émetteur ont une forme ressemblant plus à celle de la lumière sortant d’une lampe de poche qu’à celle d’un laser, de sorte que l’étalement et l’angle du faisceau doivent être pris en compte. Au fur et à mesure que les ondes sonores s’éloignent de l’émetteur, la zone de détection s’accroît latéralement et verticalement. Cette zone changeante est la raison pour laquelle les capteurs à ultrasons donnent leur spécification de couverture en largeur de faisceau ou en angle de faisceau au lieu d’une zone de détection standard. Lors de la comparaison de cet angle de faisceau entre fabricants, il est recommandé de vérifier que l’angle du faisceau est soit l’angle complet du faisceau, soit l’angle de variation par rapport à la ligne droite d’un transducteur.

Comprendre l’angle de faisceau est essentiel pour établir la zone de détection

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Un effet secondaire de l’angle du faisceau est la portée de l’appareil. En général, un faisceau étroit donne une plus grande portée de détection car l’énergie de l’impulsion ultrasonore est plus concentrée et peut aller plus loin avant de se dissiper à des niveaux inutilisables. Inversement, un faisceau plus large répartit cette énergie dans un arc plus large, réduisant ainsi la portée de détection attendue. Le choix de la largeur de faisceau idéale dépend fortement de l’application, les faisceaux larges couvrant mieux les grandes surfaces et la détection générale, tandis que les faisceaux plus étroits évitent les faux positifs en limitant la zone de détection.

Lors de la recherche de composants individuels, les capteurs à ultrasons peuvent être acquis en tant qu’émetteurs et récepteurs indépendants ou en tant que combinaison des deux dans une seule unité, connue sous le nom d’émetteur-récepteur à ultrasons. La plupart des options de capteur à ultrasons analogiques sont actionnées en envoyant un signal de déclenchement à l’émetteur, le récepteur renvoyant un signal lorsque l’écho est détecté. La longueur de l’impulsion et tout encodage peuvent être personnalisés par le concepteur selon les besoins. Ce processus laisse finalement le calcul du temps entre le déclenchement et l’écho, ainsi que le décodage, à un contrôleur hôte. Il existe des modules de capteurs à ultrasons numériques qui calculent la distance localement, puis transmettent la distance à l’hôte via le bus de communication. Bien que les émetteurs, les récepteurs ou les émetteurs-récepteurs à ultrasons soient souvent achetés séparément et assemblés avec des circuits et des micrologiciels personnalisés, ils sont également parfois disponibles en tant qu’unité unique, pré-montés sur un circuit imprimé dans la configuration standard de télémétrie et une simple carte logique. Bien qu’ils soient plus simples à utiliser, les concepteurs doivent renoncer à beaucoup de flexibilité et de personnalisation en utilisant ces modules.

Exemples d’émetteur, récepteur et émetteur-récepteur à ultrasons

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Avantages et inconvénients des capteurs à ultrasons

Comme pour toute technologie, les capteurs à ultrasons conviennent mieux dans certaines situations ou applications que dans d’autres. Voici quelques-uns de leurs avantages :

  • Les capteurs à ultrasons ne sont pas affectés par la couleur des objets détectés, y compris les objets translucides ou transparents tels que l’eau ou le verre.
  • Leurs portées minimale et maximale sont assez flexibles, la plupart des capteurs à ultrasons étant capables de détecter depuis quelques centimètres jusqu’à environ cinq mètres. Les modules spécialement configurés peuvent même mesurer jusqu’à près de 20 mètres.
  • Avec des décennies d’utilisation, cette technologie mature est très fiable et bien comprise, donnant des résultats cohérents.
  • Les capteurs à ultrasons fournissent des mesures relativement précises, à moins de 1% généralement et encore plus de précision si souhaité.
  • Ils peuvent effectuer de nombreuses mesures par seconde, ce qui permet des taux de rafraîchissement rapides.
  • Comme il n’y a pas de matériaux rares dans ces capteurs, ils sont généralement assez peu coûteux.
  • Les capteurs à ultrasons résistent aux environnements électriquement bruyants ainsi qu’à la plupart des bruits acoustiques, en particulier lors de l’utilisation de modules utilisants des signaux codés.

Bien qu’il s’agisse d’une technologie polyvalente, les capteurs à ultrasons ont plusieurs limites à prendre en compte avant de faire une sélection finale de capteurs:

  • Comme la vitesse du son dépend de la température et de l’humidité, les conditions environnementales peuvent modifier la précision des mesures.
  • Bien que la zone de détection soit tridimensionnelle, un capteur à ultrasons détecte seulement qu’il y a quelque chose à une certaine distance du détecteur et ne peut pas fournir de rétroaction sur l’endroit où se trouve l’objet dans la zone de détection ni sur ses caractéristiques telles que la forme ou la couleur.
  • Bien que leur facteur de forme soit relativement petit et qu’ils puissent être intégrés dans des voitures ou des applications industrielles sans aucun problème, les capteurs à ultrasons peuvent être trop grands pour des projets embarqués très petits.
  • Comme tout capteur, ils peuvent se salir, être mouillés ou gelés, ce qui les rendra erratiques ou non fonctionnels.
  • En raison de leur dépendance au son, qui dépend à son tour d’un médium de support, les capteurs à ultrasons ne fonctionnent pas dans le vide.

Où les capteurs à ultrasons sont-ils généralement utilisés?

La première des deux applications de capteurs à ultrasons les plus courantes est la détection de niveau de liquide, car ils peuvent détecter des liquides de n’importe quelle couleur ou opacité tout en étant sans contact. Le second est la détection générale d’objets en raison de leur faible coût et de leur simplicité. Les applications spécifiques de détection d’objets comprennent la détection anticollision pour les véhicules, la détection de personnes, la détection de présence, le tri de boîtes, la détection de palettes avec des chariots élévateurs, le comptage de bouteilles sur les machines de remplissage de boissons, et bien d’autres.

Les capteurs à ultrasons peuvent être utilisés dans les aspirateurs autonomes pour la détection d’objets

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Un exemple d’utilisation plus créative des capteurs à ultrasons serait d’utiliser séparément la fonctionnalité unidirectionnelle des émetteurs et récepteurs à ultrasons. Alors que les impulsions ultrasonores sont en dehors des plages audibles humaines, elles sont dans les plages auditives de divers animaux. Un émetteur à ultrasons pourrait éventuellement utiliser ses émetteurs pour effrayer les animaux, tels que les oiseaux, tandis qu’un récepteur à ultrasons pourrait être utilisé pour la détection du bruit.

Résumé

Les capteurs à ultrasons sont une technologie bien connue qui continue d’être extrêmement pertinente dans de nombreuses applications industrielles et grand public. Leur simplicité, leur faible coût et leur robustesse en font un excellent choix pour de nombreux nouveaux produits nécessitant une détection de présence ou une mesure de distance. La possibilité de modifier à la fois les configurations matérielles et logicielles les rend cependant extrêmement polyvalentes pour des situations encore plus exigeantes.

 

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