Vues : 110 Auteur : Grace Heure de publication : 2021-06-25 Origine : Site
Les capteurs à ultrasons sont des appareils qui utilisent des ondes sonores à haute fréquence pour détecter des objets, mesurer la distance ou surveiller les mouvements. Ils convertissent les signaux électriques en ondes ultrasonores, puis reconvertissent les échos réfléchis en signaux électriques à des fins de mesure et de contrôle.
Une onde ultrasonore est une onde sonore mécanique dont la fréquence est supérieure à 20 kHz. Étant donné que les ondes ultrasonores ont une longueur d'onde courte, une bonne directivité et une propagation relativement stable dans l'air, elles sont largement utilisées dans la mesure de distance, la détection d'objets, la détection de niveau de liquide, les capteurs de stationnement, la robotique et l'automatisation industrielle.
Un capteur de distance à ultrasons typique utilise un émetteur pour émettre des ondes sonores et un récepteur pour capturer l'onde réfléchie. En mesurant le temps entre l'émission et la réception de l'écho, le capteur peut calculer la distance entre le capteur et l'objet cible.
Un capteur à ultrasons est un capteur sans contact qui utilise les ultrasons pour détecter la présence, la distance, la position ou le mouvement d'un objet. Il peut fonctionner comme capteur de distance à ultrasons, capteur de détection d'objets, capteur de niveau de liquide ou capteur de proximité en fonction de la conception du circuit et de l'application.
Dans de nombreux capteurs à ultrasons 40 kHz, un transducteur en céramique est utilisé pour générer et recevoir des ondes ultrasonores. L'émetteur envoie une impulsion ultrasonique et le récepteur détecte l'écho réfléchi par la cible. Le circuit du capteur traite ensuite le signal d'écho et génère des données de distance ou de détection.
Une paire de capteurs à ultrasons peut être constituée d'un émetteur et d'un récepteur séparés, ou les deux fonctions peuvent être intégrées dans une seule unité émetteur-récepteur. L'image ci-dessous montre les composants de l'émetteur et du récepteur ultrasoniques Manorshi 40 kHz. D'autres produits de capteurs à ultrasons sont disponibles sur Capteur à ultrasons Manorshi.
Le principe de fonctionnement d'un capteur à ultrasons repose sur la transmission, la réflexion et la détection d'écho des ondes sonores. Le capteur émet une impulsion ultrasonore vers une cible. Lorsque l’onde sonore atteint la surface de l’objet, une partie de l’onde est réfléchie vers le récepteur.
Le capteur mesure le temps de parcours de l’écho, également appelé temps de vol. Puisque la vitesse du son dans l’air est connue, la distance peut être calculée à partir du temps aller-retour de l’onde ultrasonore.
Distance = Vitesse du son × Temps d'écho / 2
Le résultat est divisé par 2 car l’onde sonore se propage du capteur à l’objet puis revient de l’objet au capteur. Le temps d'écho mesuré est un temps aller-retour et non un temps aller simple.
| Étape | Que se passe-t-il |
|---|---|
| 1. Entrée de signal électrique | Le circuit applique un signal électrique à l'émetteur ultrasonique. |
| 2. Émission d'ondes ultrasoniques | Le transducteur piézoélectrique vibre et émet des ondes ultrasonores. |
| 3. Réflexion d'écho | L'onde se reflète lorsqu'elle rencontre un objet, une surface liquide ou une interface. |
| 4. Réception d'écho | Le récepteur détecte l'onde ultrasonore réfléchie. |
| 5. Calcul des signaux | Le circuit de contrôle calcule la distance à partir du temps de vol. |
Un L'émetteur ultrasonique utilise généralement un cristal céramique piézoélectrique fixé à une plaque vibrante ou un résonateur métallique. Lorsqu'une tension électrique alternative est appliquée à l'élément piézocéramique, celui-ci se dilate et se contracte rapidement.
Cette vibration mécanique génère des ondes ultrasonores. Le résonateur et le boîtier aident à diriger l'énergie acoustique vers l'avant, de sorte que l'onde sonore émise se propage comme un faisceau directionnel plutôt que de se propager également dans toutes les directions.
Un récepteur à ultrasons fonctionne de la manière inverse. Lorsqu'une onde ultrasonore réfléchie atteint le récepteur, la plaque vibrante se déplace. Cette vibration est transférée au disque en céramique piézoélectrique.
Grâce à l'effet piézoélectrique, l'élément céramique génère un signal électrique lorsqu'il est soumis à une contrainte mécanique. Le circuit capteur amplifie et traite ce signal faible pour déterminer si un écho est revenu et combien de temps il a mis pour arriver.
En bref, les capteurs à ultrasons peuvent à la fois transmettre et recevoir des ondes ultrasonores. Lors de la transmission, ils convertissent l’énergie électrique en vibrations ultrasoniques. Lorsqu’ils reçoivent des échos, ils convertissent les vibrations ultrasoniques en signaux électriques. C'est pourquoi on les appelle aussi transducteurs à ultrasons.
Étant donné que l’élément piézoélectrique est généralement circulaire, l’onde ultrasonore émise présente un faisceau directionnel. La section transversale du faisceau est souvent similaire à une ellipse, de sorte que la plage de détection est limitée par l'angle, la fréquence, la taille du transducteur, la puissance acoustique et la réflexion de la cible.
Pour certaines conceptions de capteurs à ultrasons, l'angle de détection horizontal peut être plus large que l'angle de détection vertical. Par exemple, un capteur peut avoir un angle de faisceau horizontal d'environ 120 degrés et un angle de faisceau vertical d'environ 60 degrés, selon la structure et l'application.
| du facteur de performance sur le travail du capteur | Effet |
|---|---|
| Fréquence | Les basses fréquences voyagent plus loin, tandis que les fréquences plus élevées peuvent offrir une meilleure résolution à des portées plus courtes. |
| Angle de faisceau | Un faisceau étroit améliore la détection directionnelle ; un faisceau large couvre plus de surface. |
| Surface cible | Les surfaces plates et dures réfléchissent mieux les ultrasons que les surfaces molles, inclinées ou poreuses. |
| Température | La température modifie la vitesse du son et peut affecter la précision de la distance. |
| Environnement | La poussière, l'humidité, le vent, la mousse, les vibrations et autres sources ultrasoniques peuvent affecter la qualité du signal. |
Structure simple et fabrication pratique.
Mesure de distance sans contact sans toucher l'objet cible.
Moins affecté par la couleur cible, la transparence ou la lumière ambiante que les capteurs optiques.
Convient pour détecter des objets transparents, des surfaces brillantes, des niveaux de liquide et de nombreux matériaux solides.
Pas facilement perturbé par les champs électromagnétiques environnementaux ordinaires.
Peut être conçu comme type ouvert, type étanche, type haute fréquence, émetteur, récepteur ou émetteur-récepteur intégré.
| Type | Description | Utilisation typique |
|---|---|---|
| Émetteur à ultrasons | Convertit les signaux électriques en ondes ultrasonores. | Modules de distance, dispositifs répulsifs, systèmes de détection. |
| Récepteur à ultrasons | Convertit les échos ultrasoniques en signaux électriques. | Circuits de détection d'écho et de réception de signaux. |
| Émetteur-récepteur à ultrasons | Combine les fonctions de transmission et de réception dans une seule unité. | Capteurs de distance compacts et modules de détection d'objets. |
| Capteur à ultrasons étanche | Utilise un boîtier scellé pour les environnements humides, extérieurs ou liés aux liquides. | Capteurs de stationnement, télémétrie extérieure, détection du niveau du réservoir. |
| Capteur à ultrasons haute fréquence | Utilise une fréquence plus élevée pour une meilleure résolution à des portées plus courtes. | Détection de précision, inspection médicale et industrielle. |
Les capteurs à ultrasons sont utilisés partout où une mesure sans contact est nécessaire. Ils sont particulièrement utiles lorsque les capteurs optiques peuvent être affectés par la couleur, la lumière, la transparence, la poussière ou l'éblouissement.
Capteurs de stationnement et radar de recul.
Évitement d'obstacles et navigation du robot.
Mesure de niveau de liquide dans des réservoirs et conteneurs.
Automatisation industrielle et détection d'objets.
Poubelles intelligentes, portes automatiques et détection de présence.
Mesure de débit, détection de fuites et contrôles non destructifs dans des systèmes spécialisés.
Bien que les capteurs à ultrasons soient fiables dans de nombreuses applications, ils ne conviennent pas à chaque cible ou environnement. Les objets mous, poreux, inclinés, très petits ou insonorisants peuvent renvoyer de faibles échos. La mousse, les turbulences, les forts mouvements d’air et les changements de température peuvent également affecter la précision des mesures.
Pour une mesure précise de la distance par ultrasons, les ingénieurs doivent choisir la fréquence, l'angle de faisceau, le type de capteur, la position d'installation et la méthode de compensation appropriés. Dans les environnements difficiles, les capteurs à ultrasons étanches ou scellés sont généralement préférés.
Les capteurs à ultrasons fonctionnent en transmettant des ondes sonores à haute fréquence et en recevant les échos réfléchis. La distance est calculée à partir du temps d'écho et de la vitesse du son selon le principe du temps de vol.
Étant donné que les capteurs à ultrasons sont sans contact, insensibles à la couleur et à la lumière et conviennent à de nombreuses cibles solides et liquides, ils sont largement utilisés dans la mesure de distance, la détection d'objets, la détection de niveau de liquide, les systèmes automobiles et l'automatisation industrielle.
Les capteurs à ultrasons mesurent la distance en émettant une impulsion sonore, en recevant l'écho réfléchi et en calculant la distance à partir du temps d'écho. La formule de base est distance = vitesse du son × temps / 2.
Un émetteur à ultrasons convertit l'énergie électrique en ondes sonores ultrasoniques. Un récepteur à ultrasons convertit les ondes ultrasonores réfléchies en signaux électriques. Certains transducteurs ultrasoniques peuvent remplir les deux fonctions en un seul composant.
Les capteurs à ultrasons 40 kHz sont courants car ils offrent un équilibre pratique entre portée, sensibilité, taille des composants, consommation d'énergie et coût. Ils sont largement utilisés dans les modules de télémétrie, la détection d'objets et les systèmes de capteurs de stationnement.
Oui. Étant donné que les capteurs à ultrasons utilisent des ondes sonores au lieu de la lumière, ils peuvent détecter de nombreux objets transparents difficiles à détecter pour les capteurs optiques. Le résultat réel dépend de la forme, de l'angle, de la taille et de la réflexion acoustique de l'objet.
La précision peut être affectée par la température, l'humidité, le vent, l'angle de la cible, le matériau cible, la rugosité de la surface, l'alignement du capteur, l'angle du faisceau, le bruit ambiant et les interférences d'écho des objets proches.
Les capteurs à ultrasons ne sont généralement pas affectés par la lumière visible ou la couleur des objets car ils utilisent des ondes sonores. Cela les rend utiles pour les environnements sombres, les cibles transparentes, les surfaces brillantes et les applications où les capteurs optiques peuvent ne pas être fiables.
Les capteurs de distance à ultrasons sont utilisés dans les radars de recul des voitures, les robots d'évitement d'obstacles, la mesure du niveau de liquide, l'automatisation industrielle, les poubelles intelligentes, les portes automatiques, les systèmes de stationnement et les équipements de détection sans contact.
