Qu'est-ce qu'un son (ultrasonique) ?
Un capteur à ultrasons utilise le son pour effectuer une mesure. Pour comprendre comment un capteur à ultrasons peut effectuer cette mesure de distance, il est important de savoir d'abord ce qu'est un son.
Lorsqu'un objet (ou, dans notre exemple, un capteur à ultrasons) produit un son, les molécules d'air sont pressées les unes contre les autres, ce qui modifie la pression de l'air à cet endroit et provoque la transmission d'énergie entre ces particules d'air. Cela provoque une vibration qui se déplace dans l'air sous la forme d'un mouvement ondulatoire. La longueur ou la durée de ce mouvement ondulatoire est appelée fréquence et est exprimée en Hertz (Hz), c'est-à-dire le nombre d'ondes sonores par seconde.
L'homme est capable de percevoir les fréquences sonores comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz (ou 20 kHz). Toutes les fréquences comprises entre 20 kHz et 800 MHz (800 millions de Hertz) sont appelées ultrasons et ne peuvent donc pas être perçues par l'oreille humaine.
Quelle est la vitesse du son ?
La vitesse de propagation du son dépend du milieu. La vitesse du son dans l'air, le milieu que nos capteurs à ultrasons utilisent pour les mesures, est plus lente que la vitesse du son dans les liquides ou les solides. Le graphique ci-dessous montre quelques exemples où la valeur est donnée en mètres par seconde. Le son dans l'air a une vitesse de 344 mètres par seconde, à une température de 20°C.
Comment fonctionne un capteur à ultrasons?
Nous savons maintenant ce qu'est un son (ultrasonique) et comment et à quelle vitesse il se propage dans l'air. Comment sont-ils utilisés dans un capteur à ultrasons ?
Un capteur à ultrasons émet une impulsion sonore dans la gamme des ultrasons. Cette impulsion sonore se propage à la vitesse du son dans l'air (environ 344 mètres par seconde) jusqu'à ce qu'elle rencontre un objet. L'impulsion sonore rebondit sur l'objet et est renvoyée dans la direction opposée vers le capteur où elle "fait écho". En mesurant le temps nécessaire à l'impulsion sonore pour aller du capteur à l'objet et revenir au capteur, il est possible de calculer très précisément la distance par rapport à l'objet. Ce principe de mesure est également connu sous le nom de "temps de vol" ou de mesure du temps d'exécution.
Température en fonction de la vitesse du son
Lorsque nous utilisons un capteur à ultrasons pour détecter un objet ou mesurer une distance ou un niveau, nous voulons naturellement qu'il soit très précis. Pour ce faire, nous devons tenir compte des variables qui peuvent affecter le fonctionnement du capteur à ultrasons. Il s'agit notamment de la température, de la vitesse du son dans l'air, de l'humidité, de la pression atmosphérique et de l'atténuation du son.
C'est la température qui a la plus grande influence sur la vitesse du son. La relation entre la température et la vitesse du son est presque linéaire. Le son se déplace dans l'air (milieu) à une vitesse de 344 mètres par seconde à une température de 20 degrés. Plus il fait chaud, plus la vitesse du son augmente. Pour compenser, la plupart des ultrason microsonique Les capteurs de température sont dotés d'une compensation interne de la température. Un capteur de température intégré mesure la température réelle et compense la valeur mesurée en conséquence. Cela améliore la précision de la mesure.
Fréquence en fonction de la distance maximale mesurable
La fréquence du son contribue à déterminer la distance qu'il peut parcourir. Plus la fréquence est basse, plus la distance est grande. Il suffit de penser à un festival de musique : les sons graves de la musique peuvent encore être entendus à une grande distance, tandis que les sons aigus s'estompent déjà beaucoup plus rapidement....
Pour un capteur à ultrasons, par exemple, si des impulsions sonores sont utilisées à 40 kHz, une distance d'environ 10 mètres peut être couverte. Si un capteur à ultrasons utilise des impulsions à 400 kHz, la distance maximale n'est plus que d'environ 65 centimètres.
Avec un capteur à ultrasons, il est possible d'obtenir une précision allant jusqu'à 1% de la plage de mesure définie. Cela signifie qu'un objet situé à 10 cm peut être détecté à 1 mm près. Pour qu'un capteur à ultrasons fonctionne de manière fiable, le son est émis à une fréquence fixe. Plus cette fréquence est basse, plus la portée du capteur est grande.
Objet de réflexion
Les propriétés de l'objet à détecter déterminent le degré de réflexion du son émis vers le capteur. Pour une bonne détection, un degré élevé de réflexion du son est nécessaire.
Matériaux réfléchissants de qualité
Dans l'exemple ci-contre, le son qui se propage dans l'air (milieu) est réfléchi sur le bois (objet). Au cours de ce processus, 99,9% du son émis revient vers le capteur. Voici quelques exemples de matériaux réfléchissants : le bois, la pierre, le verre, le plastique, les liquides, l'acier, l'acier inoxydable, la colle, le béton, le caoutchouc et la peinture.
Matériaux moins réfléchissants
Il existe également des matériaux qui absorbent ou transmettent le son. Il s'agit d'objets peu réfléchissants pour un capteur à ultrasons. Dans l'exemple de droite, un morceau de moquette a été appliqué sur le bois. Celle-ci réfléchit moins de 10% du son. 90% sont donc absorbés par la moquette. Des exemples de matériaux peu réfléchissants sont : la moquette, les tissus à structure ouverte, la mousse (de bière), le coton ou les poudres contenant beaucoup d'air.
L'angle d'incidence est l'angle de rupture
L'objet à détecter doit être réfléchissant. Cela signifie que le son émis est réfléchi. Pour cela : angle d'incidence = angle de retombée. Le capteur doit donc être positionné perpendiculairement à l'objet pour assurer une bonne détection. La règle empirique est un angle d'incidence de 3 degrés maximum par rapport à l'objet.
Lorsque la surface d'un objet est irrégulière, l'angle d'incidence peut être plus grand. En effet, le son diverge et est donc réfléchi dans plusieurs directions. Il s'agit par exemple de matériaux à gros grains, tels que le sable, le papier de verre, les pommes de terre, etc.
Pour le fonctionnement d'un capteur à ultrasons, le conseil est le suivant : tester.
Zone aveugle
La zone aveugle est importante pour le fonctionnement d'un capteur à ultrasons. La zone aveugle est la première zone vue par le capteur. Aucune mesure ne peut être prise dans cette zone. La taille de la zone aveugle d'un capteur dépend de plusieurs facteurs. A savoir :
- La durée du son ;
- La fréquence à laquelle le son se propage dans l'air (ou dans tout autre milieu).
La combinaison des deux fait qu'il est impossible d'effectuer une mesure fiable dans la première zone du capteur. En effet, un capteur à ultrasons émet des ondes sonores et doit changer de position pour les recevoir à nouveau. Cela ne peut se faire en même temps, ce qui crée une zone aveugle dans la mesure. Si un objet se trouve dans la zone aveugle, il ne sera pas détecté. En règle générale, la zone aveugle se situe entre 5% et 10% de la plage de mesure maximale du capteur. Plus la plage de détection est courte, plus la zone aveugle est réduite.
Pour quelles applications les capteurs à ultrasons sont-ils utilisés?
Comment traduire le fonctionnement d'un capteur à ultrasons en une application utilisable? Voici quelques exemples d'applications d'applications pour l'utilisation de capteurs à ultrasons.
Liquides
La couleur
Matériaux insonorisants
De l'eau claire au café noir, le capteur à ultrasons détecte presque tous les liquides. Les capteurs à ultrasons sont largement utilisés sur le marché de l'alimentation et des boissons (F&B), par exemple pour mesurer le niveau des bouteilles remplies de boissons non alcoolisées ou de bière. Mais pensez aussi à la détection du niveau plein ou vide des boîtes de soupe, des sachets de sauce wok, des bocaux de compote de pommes ou des bouteilles de sauce soja.
Les capteurs à ultrasons ne sont pas affectés par la couleur. Une application courante est la détection de toutes sortes de bonbons emballés dans des emballages assortis. Une autre application courante consiste à effectuer une mesure de niveau dans des pots de peinture. Que la peinture soit jaune citron, rouge rubis, bleu acier ou noir profond, vous pouvez détecter la couleur indépendamment avec un capteur à ultrasons.
Les matériaux textiles, cuir et mousse sont connus pour leurs propriétés d'absorption acoustique. Malgré la forte absorption acoustique de ces matériaux, les capteurs à ultrasons du microsonic sont capables d'effectuer des mesures correctes avec un écho limité.
Détection d'objets transparents
Sable grossier, granuleux ou fin
Peu ou pas de contraste
Les capteurs à ultrasons sont insensibles à la transparence. Les objets transparents tels que le verre, le plastique (transparent) ou les films minces peuvent être facilement détectés. Les exemples sont l'emballage en plastique avec des produits de viande (pain), le film rétractable autour d'un morceau de fromage préemballé ou la vérification de la présence d'un film d'étanchéité sur un paquet de filet américain. Partout où des objets transparents jouent un rôle, les capteurs à ultrasons peuvent fournir une solution pour obtenir une détection fiable.
Un capteur à ultrasons mesure non seulement la couleur, mais également la forme. C'est pourquoi les capteurs à ultrasons sont souvent utilisés dans les solutions de mesure et de détection pour les marchandises en vrac. Qu'il s'agisse d'une mesure de niveau de sable de coquille ou d'une mesure du degré de remplissage d'un bac de stockage avec des objets tranchants et des copeaux d'une machine CNC, les capteurs à ultrasons sont idéaux pour cela. De plus, les capteurs à ultrasons sont insensibles à la poussière dans l'air, de sorte que même une mesure de niveau des copeaux de bois et de la sciure de bois peut être effectuée de manière fiable.
Deux objets (presque) de même couleur avec une différence de contraste minimale (voire nulle) sont facilement détectés par des capteurs à ultrasons. Le blanc sur blanc, le noir sur noir ou toute autre couleur n'a pas d'importance. À faible contraste, voire aucun contraste, entre l'objet et l'arrière-plan, un capteur à ultrasons, comme l'un des rares capteurs, est capable de distinguer l'objet et l'arrière-plan l'un de l'autre. Un exemple de ceci est la présence de granulés de caoutchouc dans un récipient de stockage noir, ou la détection de pièces en acier inoxydable dans un récipient de collecte en acier inoxydable.
