Considérations de conception lors du choix d'une technologie de capteur de proximité

Il existe plusieurs grandes technologies de capteurs de proximité, chacune présentant des normes de fonctionnement très différentes et des atouts différents lorsqu'il s'agit de déterminer la détection, la distance ou la proximité. Cet article présente quatre des options possibles pour les systèmes embarqués fixes compacts, ainsi que leurs principes de fonctionnement de base, afin d'aider les ingénieurs à déterminer quelle option choisir en fonction de leurs exigences de conception.

Les capteurs de proximité constituent une méthode précise pour détecter la présence et la distance d'un objet sans contact physique. Le capteur émet un champ électromagnétique, une lumière ou une onde ultrasonique qui se réfléchit sur un objet ou le traverse et revient au capteur. Un avantage important des capteurs de proximité par rapport aux interrupteurs de fin de course classiques est qu'ils sont plus durables, car ils ne comportent aucune pièce mécanique.

Lors de l'examen de la technologie de capteur de proximité idéale pour une application particulière, le coût, la portée, la taille, la fréquence de rafraîchissement ou la latence, et les effets matériels doivent tous être pris en compte et mis en contexte pour déterminer ce qui est le plus important pour la conception.

Capteurs à ultrasons

Comme leur nom l'indique, les capteurs de proximité à ultrasons émettent une impulsion sonore ultrasonique, appelée « chirp », pour détecter la présence d'un objet. Ils peuvent également être utilisés pour calculer la distance qui les sépare de l'objet. Ils se composent d'un émetteur et d'un récepteur, et leur fonction est basée sur les principes de l'écholocation (Figure 1).

Figure 1 : Fonctionnement d'un capteur à ultrasons. (Source de l'image : Same Sky)

En mesurant le temps que met le chirp à se réfléchir sur une surface et à revenir, souvent appelé « temps de vol » (ToF), le capteur peut déterminer la distance de l'objet. Habituellement, l'émetteur et le récepteur sont à proximité l'un de l'autre, mais l'écholocation fonctionne toujours lorsque l'émetteur et le récepteur sont séparés. Dans certains cas, les fonctions d'émission et de réception sont combinées dans un seul boîtier ; ces dispositifs sont connus sous le nom d'émetteurs-récepteurs à ultrasons.

En utilisant le son plutôt que les ondes électromagnétiques, les relevés des capteurs à ultrasons ne sont pas affectés par la couleur ni par la transparence d'un objet. Ils présentent également l'avantage de ne pas produire de lumière, ce qui les rend parfaitement adaptés aux environnements sombres ou même aux environnements à éclairage intense. Les ondes sonores se propagent dans le temps et sur la distance, un peu comme une ondulation dans l'eau, et cet élargissement de la zone de détection, ou champ de vision (FoV), peut être considéré comme une force ou une faiblesse selon l'application. Toutefois, avec un bon niveau de précision, une fréquence de rafraîchissement assez élevée et la possibilité de transmettre des centaines de chirps par seconde, les capteurs de proximité à ultrasons peuvent constituer une solution rentable, polyvalente et sûre.

L'un des inconvénients fondamentaux des capteurs à ultrasons est que le changement de la température de l'air affecte la vitesse de l'onde sonore, ce qui réduit la précision des mesures. Toutefois, il est possible de contrebalancer ce phénomène en mesurant la température sur la distance entre l'émetteur et le récepteur et en ajustant les calculs en conséquence. Une autre limitation est qu'il est impossible d'utiliser des capteurs à ultrasons dans un vide où il n'y a pas d'air pour transmettre le son. Les matériaux mous ne reflètent pas non plus le son aussi efficacement que les surfaces dures, ce qui peut avoir un impact sur la précision. Enfin, bien que la technologie des capteurs à ultrasons suive un concept similaire à celui du sonar, elle ne fonctionne pas sous l'eau.

Capteurs photoélectriques

Pour détecter la présence ou l'absence d'un objet, les capteurs photoélectriques constituent une option pratique. Ils sont généralement basés sur l'infrarouge, avec des applications typiques telles que les capteurs de portes de garage ou le comptage des occupants dans les magasins, mais ils conviennent également à un large éventail d'autres applications industrielles.

Il existe plusieurs façons de mettre en œuvre les capteurs photoélectriques (Figure 2). Le système barrage utilise un émetteur d'un côté de l'objet et un détecteur de l'autre côté. Si le faisceau est interrompu, cela indique qu'un objet est présent. Dans une implémentation rétroréfléchissante, l'émetteur et le détecteur sont situés ensemble, tandis que le réflecteur est opposé. Dans la disposition diffuse, l'émetteur et le détecteur sont également au même endroit, mais la lumière émise est réfléchie par tout objet détecté. Cette configuration ne permet pas de mesurer la distance.

Figure 2 : Détecteurs photoélectriques – Barrage, rétroréflexion et réflexion diffuse. (Source de l'image : Same Sky)

L'installation de capteurs photoélectriques en configuration barrage ou rétroréflexion permet de les utiliser dans des applications exigeant une portée de détection étendue avec une faible latence. Cependant, comme ils doivent être montés et alignés avec soin, l'installation dans des environnements denses peut s'avérer difficile. Les implémentations de type diffus sont plus adaptées à la détection de petits objets et peuvent également être des détecteurs mobiles.

Les configurations de capteurs photoélectriques peuvent être utilisées en environnements sales, fréquents dans les installations industrielles, et offrent généralement une durée de vie plus longue que les autres solutions, car elles ne possèdent pas de pièces mobiles. Tant que la lentille est protégée et maintenue propre, les performances des capteurs sont maintenues. Même si ces capteurs sont capables de détecter la plupart des objets, des problèmes peuvent se poser avec l'eau et avec les surfaces transparentes et réfléchissantes. D'autres limitations concernent le calcul précis de la distance et, en fonction de la source optique, la détection d'objets d'une couleur spécifique, par exemple, le rouge si l'on utilise l'infrarouge.

Télémètres laser

Historiquement une option coûteuse, le télémètre laser (LRF) est récemment devenu une solution plus viable pour de nombreuses applications. Les capteurs haute puissance fonctionnent sur le même principe que les capteurs à ultrasons, mais utilisent un faisceau laser au lieu d'ondes sonores.

Comme les photons se déplacent à des vitesses très élevées, le calcul ToF précis peut être difficile. Ici, des techniques telles que l'utilisation de l'interférométrie peuvent contribuer à maintenir la précision tout en réduisant les coûts (Figure 3). Un autre avantage des télémètres laser est que, comme ils utilisent le faisceau électromagnétique, ils ont généralement une portée incroyablement étendue (jusqu'à des centaines de mètres) et le temps de réponse est minimal.

Figure 3 : Implémentation d'un capteur télémètre laser utilisant l'interférométrie. (Source de l'image : Same Sky)

Malgré leurs capacités de portée et leur latence ultrafaible, ces capteurs ont leurs propres limites. Les lasers consomment beaucoup d'énergie, ce qui signifie qu'ils ne sont pas une option appropriée pour les applications portables ou fonctionnant sur batterie, et il faut également tenir compte de problèmes de sécurité concernant la santé oculaire. De plus, le champ de vision étant relativement étroit, tout comme les capteurs photoélectriques, ils ne fonctionnent pas bien avec l'eau ou le verre. Malgré la baisse du prix de ce type de technologie, il s'agit toujours de l'une des options les plus coûteuses.

Capteurs inductifs

Les capteurs inductifs existent depuis de nombreuses années, mais ils sont de plus en plus répandus. Cependant, contrairement aux autres technologies de détection de proximité, ils ne fonctionnent qu'avec des objets métalliques car ils utilisent un champ magnétique pour la détection (Figure 4). Une application typique est un détecteur de métaux.

Figure 4 : Fonctionnement d'un capteur inductif. (Source de l'image : Same Sky)

La portée de détection peut varier en fonction de la configuration du capteur. Une application à courte portée peut consister à compter les rotations d'engrenages en détectant le moment où une dent d'engrenage se trouve à côté du capteur. Les applications à plus longue portée peuvent consister à compter les véhicules en intégrant des capteurs inductifs dans la surface d'une route ou même à démontrer la distance extrême sur laquelle les capteurs peuvent fonctionner – pour détecter le plasma spatial. En tant que capteurs de proximité, les capteurs inductifs ont tendance à être utilisés pour des applications à très courte portée et ils peuvent fournir des fréquences de rafraîchissement extrêmement rapides, car ils sont basés sur le principe de détection des différences dans les champs électromagnétiques. Ils sont également plus performants avec les matériaux ferreux, tels que le fer et l'acier.

Les capteurs inductifs offrent une solution rentable sur une vaste plage. Cependant, il faut tenir compte des limites des matériaux qu'ils peuvent détecter et du fait qu'ils sont sensibles à de nombreuses sources d'interférences.

Conclusion

Si l'on considère tous les défis liés à la mise en œuvre de la détection de proximité, les capteurs à ultrasons constituent souvent la meilleure technologie globale (Figure 5). Leur faible coût, leur capacité à détecter la présence d'un objet et à calculer avec précision sa distance, et leur facilité d'utilisation sont leurs attributs gagnants.

Figure 5 : Comparaison des quatre technologies de capteurs de proximité. (Source de l'image : Same Sky)

Pour plus d'informations sur les capteurs à ultrasons de Same Sky, consultez la page dédiée aux capteurs à ultrasons de Same Sky.