Capteurs Ultrasoniques 2024 PDF

Capteurs Année: 2024 Capteur ultrasonique Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 1  Capteur ultrasonique 1- Principe de fonctionnement: Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025...

Capteurs Année: 2024 Capteur ultrasonique Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 1  Capteur ultrasonique 1- Principe de fonctionnement: Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 2  1- Principe de fonctionnement:  De courtes impulsions ultrasonores sont émises par l’émetteur et réfléchies par la surface de l’objet à détecter et réceptionnées par le récepteur. Ces impulsions se propagent à la vitesse du son, leur temps de propagation est donc proportionnel à la distance entre le capteur et l’objet.  Le retour de l’onde permet de détecter la présence d’un objet et mesurer le temps mis par l’onde pour effectuer un aller-retour et permet donc de déterminer la distance entre le capteur et l’objet. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 3  1-Principe de fonctionnement des US: 2ème Emission 1ère Emission td : durée d'impulsion t0 : temps d'affaiblissement d'oscillation. te : temps de transmission d'écho td t0 tp : intervalle d'impulsion te tp Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 4  2- Spectre des ultrasons Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 5 3-Comment l'effet piézoélectrique se produit ? 3-1 l'effet piézoélectrique directe: Illustration du principe de piézoélectricité directe: la déformation causée par l'effort de compression génère une séparation des centres des charges positives et négatives; d'où l'apparition d'un champ électrique. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 6  3-2 l'effet piézoélectrique inverse: L'effet piézoélectrique inverse se produit lorsque le champ électrostatique créé par un courant électrique entraîne les atomes de la matière à se déplacer légèrement. Voir les liens ci-dessous: https://www.youtube.com/watch?v=gxfy-wyuXqI https://www.youtube.com/watch?v=p1J3aIIpLY8 Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 7 4- Génération des ultrasons  Trois méthodes différentes possibles pour produire des ultrasons:  Electrique  Mécanique  Magnétique Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 8 4-1 Génération électrique Emission d’une onde ultrasonique (effet piezo-électrique inverse) Le cristal subit une distorsion mécanique lorsqu'un champ électrique est appliqué sur certaines de ses faces, Lorsqu’une tension alternative de haute fréquence est appliquée à un cristal, ce dernier effectue des oscillations mécaniques (vibrations) à la fréquence correspondante, l’amplitude de ces oscillations mécaniques devient particulièrement forte à la résonance. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 9  4-1 Génération électrique Effet piézoélectrique inverse - Cas (a) hors tension - (d) une tension est appliquée sur le matériau, il s’ensuit une contraction du cristal. - (e) Et inversement la polarisation, il s’ensuit un allongement du cristal. - (f) la tension est alternative, le matériau change alternativement de taille (c’est le phénomène de vibration) Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 10 4-2 Génération mécanique Réception d’une onde ultrasonique (effet piezo-électrique direct) C’est le phénomène par lequel des charges électriques apparaissent sur les faces de certains cristaux lorsqu’ils sont soumis à des pressions ou des déformations mécaniques. C’est l’effet piezo-électrique direct. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 11  4-2 Génération mécanique Effet piézoélectrique direct (a) - Aucune contrainte n’est appliquée (b) - lorsqu’on compresse le matériau on relève une certaine tension à ses bornes. (c) - inversement, lorsqu’on étire ce même matériau, on observe une tension de sens inverse. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 12 4-3 Génération magnétique La longueur des substances ferromagnétiques change en présence du champ magnétique c’est la magnéto-restriction, Le changement relatif de la longueur est dans une marge maximale de , A l'aide de la magnéto-restriction, il est possible de produire des ultrasons allons jusqu'à 50 kHz approximativement. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 13  4-3 Génération magnétique 94%Fe, 6%Ni 71%Fe, 29%Ni Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 14  4-4 Application des matériaux piézoélectriques Les cristaux piézoélectriques convenablement coupés, ils ont une fréquence de résonance mécanique bien définie et stable, ils sont utilisés dans la fabrication de dispositifs tels que : - les transducteurs et les microphones, - Ils sont également employés en: - résonateurs dans les oscillateurs électroniques et les amplificateurs haute fréquence, - en échographie, technique médicale consistant à visualiser certains organes à l'aide de sons à haute fréquence (ultrasons). Les sons réfléchis par les organes sont analysés par ordinateur de façon à produire une image sur un écran ou une photographie. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 15  4-5 Les matériaux piézoélectriques les plus utilisés Exemples:  les cristaux naturels : Quartz, tourmaline.  Les céramiques polycristallines : titanate de baryum, titanate de plomb, zirconate de plomb.  L'intérêt du quartz réside dans sa stabilité et sa raideur.  La grande raideur du quartz permet la réalisation de capteurs particulièrement bien adaptés à la mesure des grandeurs dynamiques.  Les céramiques sont de fabrication plus facile et de coût plus faible. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 16 4.6- Conception d’un capteur ultrasonique Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 17  Capteur ultrasonique 4.7 Identification des transducteurs Emetteur Récepteur 40 kHz module de réception module d’émission Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 18  5. Capteur ultrasonique.  Mesure de distances à l'aide des ultra- sons: Transducteur d'émission Base de Etage de Oscillateur temps puissance Mesures sur Filtre oscilloscope Transducteur de réception Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 19  Capteur ultrasonique.  Mesure de distances à l'aide des ultra- sons: Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 20 Capteur ultrasonique. Base du temps à base de NE 555 Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 21 Capteur ultrasonique. Oscillateur Deux choix: 1 à base de NE555 Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 22  Capteur ultrasonique  2 Oscillateur à base d’AO (Astable) Sortie du 555 base de temps Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 23 Capteur ultrasonique Ce montage oscille entre deux états instables de e+ (d'où son nom d’astable). R1 e   VSat R1  R2 Le potentiel e- (tension aux bornes de la capacité) oscille entre les tensions de références de e+. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 24 Oscillateur à base d’AO(Astable) Oscillateur à base d’AO(Astable) Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 25 Oscillateur à base d’AO(Astable) La période des oscillations est T = 2.RC ln(1+2.R1/R2). Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 26 Oscillateur à base de NE 555 Oscillateur Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 27 Etage de puissance à base de Push-Pull Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 28 Etage de puissance à base de Push-Pull Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 29  Etage de puissance à base de portes logiques Etage de puissance à base d’inverseur 4069 Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 30  Capteur ultrasonique Filtre passe haut du 1er ordre Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 31  Capteur ultrasonique Filtre passe haut du 1er ordre H(jω) = v0/vi= kj(ω/ωc)/(1+j(ω/ωc) H(jω) = v0/vi= j(RCω)/(1+jRCω) Où ω = 2πf et ωc = 2πfc Où 1/fc= 2πRC et 1/ωc = RC Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 32  Capteur ultrasonique à base d’oscillateur et d’un 555 et de Push-Pull Oscillate ur Emetteu r Base de Etage de temps puissance Récepte Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 filtreB.passe- EL HADADI ur 33  Capteur ultrasonique Objet à détecter Capteur ultrasonique Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 34  Capteur ultrasonique Emissio Echo 1 n Echo 2 Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 35  Capteur ultrasonique T: le temps entre l’émission et l’écho Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 36  Capteur ultrasonique 2D = V * T On fixe D = 30 cm On mesure Dm = 29.9 cm D= 40 cm Dm= 39.8 cm D= 55 cm Dm=54.8 cm Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 37 Capteur ultrasonique à base de NE 555 et d’inverseur 4069 Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 38  Capteur ultrasonique  Capteur ultrasonique à base d’un pic 16F876 Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 39  Pourquoi le pic ?  Diminution du nombre de composants, ce qui implique complexité moindre  Possibilité de modeler le comportement du télémètre à notre convenance en changeant le programme du PIC. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 40  LE PROCESSUS DE FONCTIONNEMENT PIC 16F876 AFFICHAGE DE LA DISTANCE OBJET- CAPTEUR Etage de Amplification puissance filtrage et adaptation du signal Transducte Transducte ur ur de d’émission réception Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 OBJET B. EL HADADI 41  Bloc d’émission Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 42  Etage de réception d’amplification et de filtrage R3 R5 270k 270k 6 U2A C1 R2 U1A R4 C2 2 6.5k 2 331pF U3 LM258D 6.7k 388pF 3 LM258D R1 10k 3 8 VCC 8 9V R6 10k C3 10k R7 100nF 0 Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 43  Circuit d’affichage 330 Ω PORTB PORTA BC557 PIC16F876 5v 4.7k Ω Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 44  TESTS ET MESURES Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI Le télémètre affiche la distance paillasse-lampe qui est de 159 cm Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 46  Capteur ultrasonique Caractéristique des ultra-sons Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 47  Capteur ultrasonique. Caractéristique des ultra-sons :  Les US, non audibles pour l’oreille humaine, se caractérisent par les propriétés physiques comparables aux sons audibles, en particulier, ils se déplacent dans l’air à la même vitesse que ces derniers et obéissent aux mêmes règles de réflexion sur un obstacle tout comme les ondes électromagnétiques.  Pour les mesures de distances et la détection par US seule la réflexion a une importance pratique. Dans l’air, les US se réfléchissent très aisément sur tout obstacle naturel (une simple feuille de papier par exemple). Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 48  Les US ne se propage pas dans le vide Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 49  Capteur ultrasonique Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 50  Capteur ultrasonique Distances minimales  L'installation des capteurs de proximité ultrasoniques et identique à celle des capteurs inductifs et capacitifs, on doit donc garder différentes distances minimales entre les capteurs de proximité adjacents  Quand les capteurs de proximité ultrasoniques se regroupent sans option de synchronisation, il faut s'assurer que l'influence mutuelle entre capteurs de proximité ne se produit pas. Et dans ce cas il faut garder les distances minimales énumérées sur la diapo qui suit.  Ces valeurs s'appliquent si l'objet à étudier se déplace en face et verticalement au capteur de proximité.  Les valeurs indiquées représentent un simple exemple. Des variations peuvent se produire selon le fabricant et les données techniques relative au type du capteur. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 51  Emetteur–récepteur logés dans le Distance même boitier minimale Porté (cm) La distance minimale typique (cm) latérale [6,30] > 15 [20,100] > 60 [80,600] > 250 Distance minimale latérale entre deux capteurs montés dans le même sens. (N.B: Emetteur–récepteur logés dans le même boitier) Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 52  Distance e mi n i mal Émetteur en face du récepteur Récepteurs Émetteurs Intervalle de La distance détection minimale typique [6,30]cm > 120 cm [20,100]cm > 400 cm [80,600]cm > 2500cm Distance minimale entre capteurs opposés. Émetteur en face du récepteur Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 53  Capteur ultrasonique Taille minimale de l'objet  La taille exigée de l'objet dépend de l'angle d'acceptation a du faisceau ultrasonique (voir figure suivante). Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 54  Capteur ultrasonique Zone de détection d’un capteur ultrasonique. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 55  Capteur ultrasonique Taille minimale de l'objet  Si un objet est très petit, alors tous les objets qui peuvent être à côté ou derrière peuvent y interférer. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 56  Capteur ultrasonique Emissio Echo 1 n Echo 2 Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 57  Capteur ultrasonique Taille minimale de l'objet  Comme souvent les données fournies par le constructeur sont insuffisantes, un essai préliminaire est recommandé en déplaçant une plaque d'essai du deux côtés perpendiculairement à la direction de l’onde tout en observant la réponse du capteur. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 58  Capteur ultrasonique Zone morte:  Le capteur a besoin d'une durée minimale pour la détection de l'écho, il ne peut pas fonctionner correctement au voisinage de la surface du capteur. Dans ce cas, les capteurs ultra soniques peuvent donner des réponses erronées.  (On appel cette zone : zone morte, z =D2/l ). m D : diamètre du capteur, et λ, la longueur d’onde ultrasonique émise. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 59  Capteur ultrasonique Principe de mesure de distance par 2 Emission ème US. 1 Emission ère td : durée d'impulsion t0 : temps d'affaiblissement d'oscillation. te : temps de transmission d'écho td t0 tp : intervalle d'impulsion te tp Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 60  Capteur ultrasonique  Position de l’objet.  Les us peuvent être (déviés, réfléchies, réfractés et diffractés) sur les surfaces lisses. Dans ce cas-ci, le récepteur ultrasonique ne reçoit pas de signal d'écho.  Les objets lisses de mêmes surfaces, peuvent ne plus être détectés si la déviation dépasse ± (3 à 10)°  Avec des objets de surface rugueuse il est possible de détecter à des angles plus grands.  La détection dans ces conditions dépond de : la longueur d'onde ultrasonique l’état de la surface de l’objet la distance entre l’objet et le capteur. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 61  Capteur ultrasonique Effet de la surface de l'objet sur des ondes ultrasoniques Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 62  Capteur ultrasonique Effet de la température, humidité, pression sur la vitesse de propagation des U.S. La vitesse ultrasonique dépend de: - la température de l’air, - l’humidité de l'air. Les variations habituelles de la pression atmosphérique de l’air ne causent aucun changement crucial sur la vitesse du ultrason. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 63  Capteur ultrasonique Effet de bruit externe  Dans la gamme des fréquences 30 kHz à 300 kHz, et en raison de la largeur de bande limitée des récepteurs US, les capteurs de proximité ultrasoniques généralement sont peu affectés par le bruit externe. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 64  Capteur ultrasonique Exemples d'applications  Les matériaux appropriés pour les US sont les fluides, les solides ou les poudres.  Les matériaux absorbants d'ultrasons sont: les matériaux de textiles, (fil de coton, laine, les os…. ), ces produits sont peu convenables pour les us. D’autre part, il est possible de détecter ces matériaux au moyen de barrières ultrasoniques (émetteurs - récepteurs séparés).  De même il est possible de détecter le transparent, le réfléchissant ou les objets noirs, qui ne peuvent pas être détectés par les capteurs de proximité optiques.  Même les films minces transparents de faibles épaisseurs ~ 0,01 millimètres peuvent être détectés à l'aide des capteurs de proximité ultrasoniques. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 65  Capteur ultrasonique Exemples d'applications  Les capteurs de proximité ultrasoniques sont utilisés pour détecter les niveaux de remplissage dans les réservoirs. Ils sont également montrés fiables pour la commande des chariots automatiques dans les magasins. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 66  Capteur ultrasonique Exemples d'applications a) Contrôle de la longueur du rouleau, a b) Sélection selon différente taille, b c) Empilement de l'épaisseur en lots. Capteurs Ultrasoniques c 15/01/2025 B. EL HADADI 67  Capteur ultrasonique Avantage principal:  Détecte une large gamme de différents matériaux (sauf les absorbants des us tels que le feutre ou certaines mousses)  Détecte à plusieurs mètres de distance.  La détection est indépendante de la forme, de la couleur et du type de matériau, le matériau peut être solide, fluide ou sous forme de poudre.  Le capteur n'est pas affecté par les atmosphères poussiéreuses, humide ou fumeuses. Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 68  Capteur ultrasonique Les inconvénients  Ne peuvent pas détecter certains objets dans des situations inclinés, dans ce cas des barrières ultrasoniques doivent être employer.  Relativement à d’autres capteurs, les US réagissent lentement, leur fréquence maximale de commutation est entre 1 Hz et 125 Hz.  Ils sont généralement plus chers que les capteurs de proximité optiques (par facteur 2). Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 69  Vitesse de propagation Substance Température °C Vitesse m/s Gaz Gaz carbonique 0 259 Oxygène 0 316 Air 0 331 Air 20 343 Hélium 0 965 Liquide Chloroforme 20 1004 Éthanol 20 1162 Mercure 20 1450 eau 20 1482 Solide Plomb - 1960 Cuivre - 5010 Verre - 5640 acier - 5980 Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 70  Application des ultrasons en échographie Capteurs Ultrasoniques 15/01/2025 B. EL HADADI 71