Comprendre les capteurs à ultrasons

La longévité et la popularité continue des capteurs à ultrasons peuvent être attribuées au fait qu'ils sont économiques, hautement adaptables et utilisables dans une grande variété d'applications. Leur adaptabilité a conduit à leur utilisation récente dans de nouvelles technologies telles que les véhicules autonomes, les drones industriels et les équipements robotiques. Cet article explique le principe de fonctionnement des capteurs à ultrasons, examine leurs avantages et leurs inconvénients, et donne un aperçu de certaines de leurs applications les plus courantes.

Présentation des capteurs à ultrasons

Le terme ultrasons fait référence à des fréquences audio qui se situent en dehors de la gamme d'audition humaine (20 kHz). Les capteurs à ultrasons sont des dispositifs qui utilisent ces fréquences pour la détection de présence et/ou pour calculer la distance d'un objet distant.

Comment fonctionnent-ils ?

Le fonctionnement de base d'un capteur à ultrasons est semblable à la manière dont les chauves-souris utilisent l'écholocation pour repérer des insectes en vol. Un émetteur émet une courte rafale d'ondes sonores à haute fréquence, appelée « chirp », contenant des fréquences comprises entre 23 kHz et 40 kHz. Lorsque cette impulsion sonore frappe un objet, une partie des ondes sonores est réfléchie vers le récepteur. En mesurant le temps qui s'écoule entre le moment où le capteur émet et reçoit le signal ultrasonore, la distance à l'objet peut être calculée à l'aide de l'équation suivante :

Où :

d = distance (mètres)

t = temps entre l'émission et la réception (secondes)

c = vitesse du son (343 mètres par seconde)

Notez que d est la distance mesurée pour que l'impulsion sonore se propage dans les deux directions - il faut la multiplier par 0,5 pour calculer la durée du trajet dans une direction, qui est finalement égale à la distance à l'objet.

Les capteurs à ultrasons les plus simples sont configurés de manière à ce que l'émetteur et le récepteur soient situés l'un à côté de l'autre (Figure 1). Cette disposition permet de maximiser la quantité de son se propageant en ligne droite depuis l'émetteur, tout en étant réfléchi en ligne droite vers le récepteur, ce qui permet de réduire les erreurs de mesure.

Les émetteurs-récepteurs à ultrasons combinent un émetteur et un récepteur dans un seul boîtier. Cela améliore davantage la précision des mesures (en minimisant la distance qui les sépare) tout en offrant l'avantage de réduire l'espace carte.

Figure 1 : Configuration de base d'un émetteur/récepteur à ultrasons. (Source de l'image : Same Sky)

Lorsque l'on calcule la distance d'un objet à partir des mesures d'un capteur, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. Le son se propage naturellement dans toutes les directions (verticalement et latéralement), donc plus l'impulsion sonore s'éloigne de l'émetteur, plus elle a la possibilité de se propager sur une zone plus large, un peu comme le faisceau lumineux d'une lampe torche (Figure 2).

C'est pour cette raison que les capteurs à ultrasons ne sont pas spécifiés pour une surface de détection standard, mais pour l'angle de faisceau ou la largeur de faisceau. Certains fabricants spécifient les faisceaux de capteurs à partir de l'émetteur en fonction de la déviation de l'angle total, tandis que d'autres les spécifient en fonction de la déviation en ligne droite. Lorsque l'on compare les capteurs de différents fabricants, il est important de savoir comment l'angle de faisceau du capteur est spécifié.

Figure 2 : L'angle de faisceau est une spécification importante à comprendre pour sélectionner des capteurs. (Source de l'image : Same Sky)

L'angle de faisceau affecte également la plage de fonctionnement et la précision d'un capteur à ultrasons. Les capteurs qui transmettent des faisceaux étroits et focalisés peuvent détecter des objets plus éloignés physiquement que les capteurs qui produisent des faisceaux plus larges. En effet, leur faisceau peut parcourir de plus longues distances avant de se propager trop largement pour être détectable. Cela les rend également plus précis pour la détection des objets et moins susceptibles de donner une fausse indication de la présence d'un corps éloigné. Bien que les capteurs à faisceau large soient moins précis, ils sont mieux adaptés aux applications qui nécessitent une détection générale des objets sur une zone plus large.

Le choix d'utiliser un capteur analogique ou numérique est tout aussi important. Les capteurs analogiques sont uniquement responsables de la génération du chirp ultrasonore et de la réception de son écho. Cet écho doit ensuite être converti en format numérique afin d'être utilisé par le microcontrôleur du système qui effectue le calcul de la distance de l'objet. Les concepteurs de systèmes doivent tenir compte du délai de conversion analogique-numérique dans leurs calculs. En plus de générer et de recevoir des signaux audio, les modules de capteurs à ultrasons numériques incluent également un microcontrôleur esclave qui effectue le calcul de distance avant de transmettre cette valeur via un bus de communications à un microcontrôleur de système maître.

Les ingénieurs système doivent également décider s'il faut concevoir un capteur personnalisé avec un émetteur et un récepteur séparés (ainsi que d'autres composants discrets) ou utiliser un émetteur-récepteur entièrement intégré (Figure 3). Par rapport aux émetteurs et aux récepteurs individuels, les émetteurs-récepteurs à ultrasons intégrés ont l'avantage d'être plus petits (ce qui permet d'économiser de l'espace sur le circuit imprimé), d'être plus simples à utiliser et d'améliorer la précision dans certaines applications. Cependant, ils imposent des contraintes plus importantes, avec moins de degrés de liberté pour ajuster la manière dont le capteur est intégré dans une application.

Figure 3 : Émetteur et récepteur à ultrasons séparés et modules émetteurs-récepteurs à ultrasons intégrés. (Source de l'image : Same Sky)

Avantages

La décision d'utiliser un capteur à ultrasons plutôt que d'autres types de détecteurs de proximité/présence dépend largement de l'application. Cependant, les capteurs à ultrasons présentent de nombreux avantages :

• Contrairement aux capteurs optiques et infrarouges, les capteurs à ultrasons fonctionnent indépendamment de la couleur. Cela signifie que la couleur d'un objet n'affecte pas la précision de la mesure.
• De même, les matériaux translucides ou transparents comme le verre et l'eau n'ont pas d'impact négatif sur leurs performances.
• Ils offrent une grande flexibilité pour la détection d'objet et la mesure de distance sur une longue portée — généralement de quelques centimètres à plusieurs mètres, mais ils peuvent être conçus sur mesure pour fonctionner jusqu'à 20 mètres.
• Ils résistent à l'épreuve du temps ; ils reposent sur des principes physiques simples, qui leur permettent de fonctionner de manière constante et fiable.
• Bien que peu sophistiqués, ils sont étonnamment précis, avec une erreur de mesure de 1 % (ou moins).
• Ils peuvent être conçus pour fonctionner avec un « taux de rafraîchissement » élevé dans les applications exigeant la réalisation de plusieurs mesures par seconde.
• Ils sont construits à l'aide de composants facilement accessibles et relativement peu coûteux.
• Ils offrent une haute immunité au bruit électrique et peuvent être conçus pour transmettre des chirps avec des informations spécialement codées, afin de surmonter les effets du bruit de fond acoustique.

Limites

Bien qu'ils offrent de nombreux avantages et bénéfices par rapport à d'autres types de capteurs, les capteurs à ultrasons présentent également certains inconvénients :

• La température et l'humidité affectent la vitesse du son. Cela signifie que les conditions environnementales peuvent avoir un impact sur la précision et la stabilité des mesures de distance et qu'elles peuvent même exiger des circuits de compensation supplémentaires.
• Les capteurs à ultrasons ne peuvent être utilisés que pour mesurer des distances ou détecter des objets. Ils n'indiquent pas l'emplacement d'un objet et ne fournissent pas d'informations sur sa forme ou sa couleur.
• Bien qu'ils conviennent aux produits industriels et automobiles, leur taille peut poser des problèmes dans les petites applications embarquées.
• Comme la plupart des capteurs, ils sont vulnérables à l'humidité, aux températures extrêmes et aux conditions difficiles, ce qui peut nuire à leurs performances, voire les rendre inutilisables.
• Le son nécessite un milieu dans lequel il se propage, ce qui signifie que les capteurs à ultrasons ne peuvent pas être utilisés dans des applications fonctionnant dans le vide.

Applications typiques

Les capteurs à ultrasons sont fréquemment utilisés pour détecter le niveau de liquide dans un réservoir. Ils sont particulièrement adaptés à cette application car ils ne sont pas affectés par la couleur (ou l'absence de couleur) du liquide à détecter. De plus, comme ils ne touchent pas le liquide, il n'y a aucun problème de sécurité lors de la détection de substances volatiles.

En raison de leur simplicité et de leur coût relativement faible, ils sont également largement utilisés dans dans les applications de détection d'objet à usage général. Les exemples de ces applications incluent la détection de véhicules et de personnes (Figure 4). Ils sont également utilisés dans les usines pour le tri des palettes/caisses, dans les machines de remplissage de boissons et pour le comptage d'objets sur une ligne de production.

Figure 4 : Les aspirateurs autonomes peuvent utiliser un capteur à ultrasons pour éviter les collisions. (Source de l'image : Same Sky)

L'émetteur et le récepteur peuvent également être utilisés indépendamment dans certaines applications. Le chirp haute fréquence est audible pour les animaux (dont le seuil d'audition est plus élevé que celui des humains) et peut donc être utilisé dans les applications de dissuasion animale. D'autre part, les récepteurs peuvent être utilisés pour la détection sonore dans le cadre de systèmes de sécurité.

Résumé

Basés sur des principes physiques avancés et éprouvés, les capteurs à ultrasons résistent à l'épreuve du temps grâce à leur simplicité et leur polyvalence relatives et à leur faible coût. Fréquemment utilisés pour la mesure de distance et la détection de présence dans diverses applications industrielles et grand public, les capteurs à ultrasons ont montré qu'ils restent adaptés à une utilisation dans de nouvelles applications toujours plus exigeantes.