Capteurs à ultrasons » Mesure de distance avec des impulsions sonores à haute fréquence
Publié le : 19.04.2024 | Durée de lecture : 6 minutes
Dans notre monde de haute technologie, de nombreux processus sont automatisés. Cela ne fonctionne que parce que les machines et les installations sont équipées de capteurs sensibles. Les commandes électroniques reçoivent ainsi toutes les informations nécessaires à leur fonctionnement. En cas de dysfonctionnement, les systèmes détectent automatiquement la cause et arrêtent le processus en cours dans cette zone.
Même les processus contrôlés manuellement par des personnes sont assistés par des capteurs. Grâce aux capteurs à ultrasons intégrés dans le pare-chocs, il est possible de manœuvrer au centimètre près dans des places de stationnement étroites. Nous vous expliquons volontiers comment fonctionne un capteur à ultrasons et ce à quoi il faut faire attention lors de son utilisation.
Un capteur est un composant technique qui détecte des propriétés physiques ou chimiques et les convertit en un signal électrique.
Dans le cas d'un capteur à ultrasons, des ondes sonores sont utilisées pour détecter des objets sans contact ou pour déterminer la distance par rapport à un objet. Comme la gamme de fréquences des ondes sonores, à 16 kHz, est supérieure au seuil d'audibilité humain, les spécialistes parlent d'ultrasons.
Les ultrasons sont également utilisés dans le monde animal. Ils permettent aux chauves-souris ou aux dauphins de s'orienter et de trouver leur nourriture sans difficulté, même dans l'obscurité totale.
Un capteur fonctionnant par ultrasons peut déterminer la distance des objets sans les toucher. Pour que cela fonctionne, l'émetteur du capteur émet à intervalles réguliers de courtes impulsions sonores à haute fréquence sous forme de faisceau sonore. Celles-ci se déplacent dans l'air à la vitesse du son, soit 343,2 m/s à une température de 20 °C.
Lorsque les ondes ultrasonores rencontrent un objet à surface dure, elles sont réfléchies. Dès que le capteur à ultrasons reçoit les ondes sonores réfléchies sous forme d'écho, il détecte la présence d'un objet dans la zone surveillée.
En évaluant les différences de temps de propagation entre le signal émis et le signal reçu, il est possible de déterminer la distance exacte entre le capteur et l'objet.
Les objets à surface rugueuse, ondulée ou poreuse peuvent dévier ou absorber partiellement les ondes sonores. Cela rend la détection des objets plus difficile.
Les capteurs à ultrasons se distinguent tant par leur forme que par leur mode de fonctionnement. Par conséquent, le type de montage et l'utilisation prévue sont déterminants dans le choix des capteurs à ultrasons.
Commutateur de proximité
Dans un commutateur de proximité, l'émetteur et le récepteur sont intégrés dans un boîtier. La détection d'objets s'effectue dès que le signal émis est réfléchi et réémis. Les détecteurs de proximité constituent ainsi le moyen le plus simple de détection d'objets par ultrasons.
Barrières à réflexion
Dans ce système, une surface réfléchissante fixe et donc un temps de propagation précisément défini servent de référence. Cela permet d'exploiter la portée maximale du capteur à ultrasons. Même les objets difformes ou absorbant les ondes sonores sont détectés de manière fiable.
Barrières unidirectionnelles
Dans les barrières à ultrasons unidirectionnelles, l'unité de réception est placée en face de l'unité d'émission. Cela permet de détecter des matériaux difficiles à détecter, des films ou des objets se succédant rapidement. Les barrières unidirectionnelles sont également utilisées dans les réservoirs ou les silos.
Afin que les objets à détecter soient reconnus de manière fiable, le capteur doit être réglé avec précision lors du montage et les points de commutation doivent être ajustés. De nombreux capteurs disposent à cet effet d'un bouton d'apprentissage permettant d'effectuer les réglages.
Aufgrund der Arbeitsweise mit Ultraschall haben die Sensoren besondere Leistungsmerkmale, von denen wir die Wichtigsten genauer vorstellen wollen:
Détection de matériau
Les capteurs à ultrasons peuvent détecter tous les matériaux qui réfléchissent les ondes sonores. Les matériaux particulièrement durs, tels que le métal, le plastique, le bois ou la pierre, sont particulièrement adaptés. La couleur et la forme des objets n'ont pas d'importance.
Objets transparents
Les capteurs à ultrasons peuvent également détecter de manière fiable les matériaux transparents tels que le verre, les films et les liquides. C'est pourquoi ces capteurs sont souvent utilisés dans l'industrie du verre, de l'imprimerie et de l'alimentation.
Formes d'objet
La détection fiable des objets est indépendante de leur forme. C'est pourquoi les capteurs à ultrasons sont également utilisés dans le domaine des produits en vrac. Ils permettent ainsi de mesurer avec précision les niveaux de remplissage dans les conteneurs de stockage.
Conditions ambiantes
Un autre avantage des capteurs à ultrasons est leur grande insensibilité aux influences extérieures. Même en présence d'une forte fumée, d'un brouillard de peinture dense ou d'un air poussiéreux, les mesures de niveau ou la détection d'objets peuvent être effectuées avec précision.
Portée
Les capteurs à ultrasons ont une portée élevée. La zone de détection peut atteindre plusieurs mètres. La zone aveugle située directement devant le capteur, dans laquelle aucune détection n'est possible, représente environ 5 à 10 % de la portée maximale.
Remarque importante relative aux surfaces aborbant les sons
Les objets et les matériaux tels que la mousse, la laine ou les éponges présentent une surface poreuse ou rugueuse. C'est pourquoi ces matériaux génèrent une réflexion diffuse.
La texture de la surface rend la détection difficile et réduit considérablement la portée utile du capteur.
Dans ce cas, l'utilisation de barrières à réflexion ou unidirectionnelles est la meilleure solution.
En raison de leurs nombreux avantages, parfois uniques, par rapport aux autres capteurs, les capteurs à ultrasons ne sont pas seulement utilisés dans les voitures comme capteurs de stationnement. Dans le secteur industriel et dans de nombreux autres domaines, les capteurs à ultrasons sont désormais indispensables pour la détection d'objets. Voici quelques domaines marquants :
- Ingénierie systèmes
- Construction automobile
- Automatisation
- Secteur des matériaux de construction
- Imprimeries
- Secteur électrique
- Secteur des boissons
- Industrie du verre
- Filière bois
- Industrie alimentaire
- Secteur logistique
- Aviation
- Construction mécanique
- Industrie métallurgique
- Industrie pharmaceutique
- Robotique
- Technique de commande
- Industrie de l'emballage
Quelles sont les différences entre les capteurs à ultrasons et les capteurs optiques ?
Contrairement aux capteurs à ultrasons qui fonctionnent avec des ondes sonores, les capteurs optiques fonctionnent avec la lumière. Selon le type de capteur, ils peuvent utiliser la lumière infrarouge, la lumière laser, la lumière rouge ou la lumière bleue. La lumière ayant une vitesse de propagation plus élevée, les capteurs optiques réagissent plus rapidement. Cependant, les capteurs optiques peuvent très rapidement tomber en panne lorsqu'ils détectent des objets transparents, des liquides, du brouillard ou de la fumée, ou lorsque l'air est très poussiéreux. La transparence ne pose aucun problème pour les capteurs à ultrasons.
Comment un capteur à ultrasons mesure-t-il la distance par rapport à l'objet ?
La distance n'est pas mesurée, mais calculée. Pour cela, on mesure le temps nécessaire au paquet ultrasonore entre l'émission et la réception. La distance peut être calculée à partir de la vitesse du son. Cependant, le résultat doit encore être divisé par deux, car le son a mis le temps mesuré pour aller et revenir.
Que signifie sortie analogique ou numérique ?
Un capteur avec sortie analogique fournit un signal variable qui correspond à la valeur mesurée actuelle. Selon le type, le capteur peut réagir à une modification de la distance par une modification de la tension ou du courant à la sortie analogique. Un capteur avec sortie de commutation numérique ne connaît que deux états de commutation (oui/non, haut/bas ou 0/1). Ces capteurs sont principalement utilisés pour la détection d'objets. Les capteurs avec sortie PNP commutent la tension d'alimentation (potentiel positif) à la sortie et les capteurs avec une sortie NPN commutent la sortie à la masse (potentiel négatif). Sur certains capteurs, la fonction de la sortie de commutation peut être réglée individuellement selon les besoins.
Quelle est la précision d'une mesure par ultrasons ?
En général, les capteurs appropriés permettent d'obtenir une grande précision. La précision réelle de la mesure dépend du capteur lui-même, mais aussi des conditions environnementales. À partir d'une certaine valeur, la densité et l'humidité de l'air influencent la portée des impulsions ultrasonores. De plus, des températures élevées peuvent également réduire la portée. Les précipitations sous forme de pluie ou de neige et une forte concentration de poussière entraînent une réduction de l'énergie sonore. Des mouvements d'air très forts peuvent également conduire à des résultats de mesure instables.
Quels sont les avantages et les inconvénients de la technologie radar par rapport aux ultrasons ?
Le radar présente plusieurs avantages par rapport aux ultrasons : il n'y a par exemple pas besoin de tenir compte d'une zone aveugle. De plus, les ondes radar ne sont pas influencées par la température, la pression ou la vitesse du vent. Même l'encrassement du capteur radar n'a aucune incidence sur son fonctionnement. De plus, les mesures effectuées par radar sont plus précises et la plage de mesure est nettement plus élevée qu'avec les ultrasons. En revanche, le prix d'achat de la technologie radar est nettement plus élevé.