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Fonctionnement et technologie d’un capteur à ultrasons

Les capteurs à ultrasons effectuent une mesure sans contact des distances par réflexion d’ondes ultrasoniques. Ils repèrent les objets transparents, sombres, brillants ou complexes ainsi que les liquides. Ils peuvent les détecter, les localiser, vérifier leur présence et effectuer des mesures de distances malgré l’encrassement par la poussière, par exemple, le brouillard, la brume ou la lumière parasite.

Quels sont les modes de fonctionnement des capteurs à ultrasons ?

Le principe de fonctionnement tactile par capteur à ultrasons

Les capteurs de distance à détection directe au moyen d’ultrasons conviennent à la mesure de distances, à la détection, à la différenciation et à la mesure d’objets. L’émetteur et le récepteur sont logés dans un même boîtier.

Mode barrage avec deux barrières à ultrasons

Avec deux capteurs à ultrasons

En mode barrage, deux capteurs à ultrasons sont orientés face à face. Ainsi, on vérifie que le récepteur reçoit bien le signal venant de l’émetteur. Les capteurs à ultrasons wenglor peuvent être paramétrés comme émetteur ou récepteur. Ce mode ne permet pas de mesurer des distances, mais d’identifier des objets ou de les différencier.


 

Capteurs à fourche pour détection d’étiquette

Les fourches à ultrasons sont des capteurs spéciaux fonctionnant en mode barrage. Ils détectent les étiquettes sur n’importe quel type de support, indépendamment de la couleur, de la transparence ou des propriétés de la surface. L’émetteur et le récepteur se font face au sein d’un même boîtier.

Comment fonctionne un capteur à ultrasons ?

Fonctionnement et structure d’un capteur de distance à ultrasons

Identification et mesure à l’aide d’un capteur

Un capteur de distance à ultrasons détecte des objets sans contact et mesure la distance entre le capteur et l’objet concerné. Pour ce faire, il émet une brève onde sonore haute fréquence à intervalles réguliers en direction de la tête du capteur. Celle-ci se propage dans l’air à la vitesse du son. Si l’impulsion sonore rencontre un objet, elle est alors réfléchie et repart en direction du capteur à ultrasons. Dans le détecteur à ultrasons, la distance qui le sépare de la cible est calculée en mesurant la durée entre l’émission et la réception de l’impulsion sonore.
 

Différentes sorties TOR

Deux sorties TOR numériques indépendantes permettent de détecter deux positions (capteur de position) ou des niveaux (capteur de niveau). Une sortie analogique permet de déterminer la distance/la mesure effective sous forme soit de courant (4…20 mA) soit de tension (0…10 V). Cette valeur peut également être affichée via une interface IO-Link. Les sorties TOR peuvent être configurées en NPN (low side), PNP (high side) ou push-pull (symétrique).

Comment un capteur à ultrasons mesure-t-il la distance d’un objet ?

Le temps permet de déterminer la distance entre le capteur et l’objet. La distance est calculée selon la formule suivante :
 

Distance L = ½ × T × C 

Cette formule établit la relation entre la distance L (length), le temps entre l’émission et la réception de l’onde ultrasonique T et la vitesse du son C (celerity).

Quels sont les modes de fonctionnement d’un capteur à ultrasons ?

Qu’est-ce que le mode barrage ?

En mode barrage (également appelé mode commun, mode barrière ou montage opposé), deux capteurs à ultrasons, un émetteur et un récepteur, se font face ou forment un angle. Sous ce mode de fonctionnement, la portée des capteurs est plus importante et leur fréquence de commutation plus élevée.

Exemple pratique : détection d’un film

Qu’est-ce que le mode synchrone ?

En mode synchrone, les capteurs à ultrasons émettent leurs impulsions ultrasoniques simultanément. Ils sont synchronisés. Cela permet de détecter un ou plusieurs objets sur une surface plus importante. Pour une même application, jusqu’à 40 capteurs peuvent fonctionner simultanément en mode synchrone.

Exemple pratique : détection d’une longue planche en bois sans décalage dans le temps (synchronisée)

Qu’est-ce que le mode multiplex ?

En mode multiplex, les capteurs émettent leurs impulsions successivement. Ce mode de fonctionnement évite que les capteurs très proches ne s’influencent les uns les autres. En mode multiplex, jusqu’à 16 capteurs peuvent fonctionner dans une même application.

Exemple pratique : surveillance du niveau d’une grande surface liquide dans un contenant.

Quelle est la différence entre un capteur à ultrasons, un capteur de distance à ultrasons, un détecteur reflex à ultrasons et un capteur à fourche à ultrasons ?


L’expert en ultrasons wenglor, Dominik Jeßberger, explique la différence :
 

« Les capteurs de distance à détection directe sont également appelés récepteurs reflex à ultrasons, capteurs de proximité à ultrasons ou encore capteurs de distance à ultrasons. Le terme employé varie selon les secteurs. Quoi qu’il en soit, ces produits permettent de mesurer ou contrôler une distance, de vérifier des niveaux ou de compter ou encore de détecter des objets. 

Grâce à leur conception particulière, les fourches à ultrasons sont les seuls capteurs capables de détecter des étiquettes : leur fourche très étroite est dotée d’un émetteur et d’un récepteur, et sa fréquence de commutation est élevée. »


 

Qu’est-ce qu’un lobe acoustique ?

Le lobe acoustique correspond à la plage sur laquelle les capteurs à ultrasons détectent obligatoirement les objets. Le lobe acoustique des capteurs wenglor se règle en fonction de l’application. Le lobe acoustique réglable représenté ici est celui du capteur de distance UMS123U035.

Qu’est-ce que l’angle d’ouverture ?

On note α l’angle d’ouverture du lobe acoustique conique émis par le capteur à ultrasons.

Le résultat de la mesure n’est aucunement influencé par le type de surface de l’objet. On peut donc détecter des produits en vrac à la surface irrégulière, des plaques prédécoupées perforées ou encore des objets mouvants ou rebondissants. Si les surfaces sont irrégulières, l’angle d’ouverture est particulièrement large. En revanche, lorsqu’elles sont étroites ou de petite taille, l’angle d’ouverture est considérablement réduit.

Que se passe-t-il lorsque le lobe acoustique est plus grand que l’objet ?

L’objet à détecter doit réfléchir suffisamment d’ondes sonores pour que le capteur à ultrasons puisse mesurer le temps entre l’émission du signal et sa réception. Plus la surface de l’objet à mesurer est petite, moins il réfléchit d’ondes sonores. Si l’objet est trop petit, la réflexion d’ondes est insuffisante et le capteur ne parvient pas à détecter l’objet de la mesure. Pour les objets de mesure de petite taille, il convient donc d’utiliser des capteurs à lobe acoustique mince. La focalisation du rayon sonore permet de concentrer l’essentiel de l’énergie acoustique sur l’objet. Ainsi, l’objet de la mesure renvoie au capteur pratiquement toute l’énergie acoustique. En général, un objet de mesure plus petit que le lobe acoustique ne pose pas problème. Le capteur se base sur le premier objet détecté pour déterminer le point de commutation. 

Les capteurs optoélectroniques laser conviennent mieux à la détection de très petits objets.

Comment modifier le lobe acoustique à l’aide d’accessoires ?

Le lobe acoustique d’un capteur à ultrasons peut être modifié en plaçant des accessoires devant la surface active du capteur. Un conducteur acoustique (soundpipe) sert au guidage acoustique et à la réduction du lobe acoustique, permettant de réaliser une mesure précise via de petites ouvertures. Dans l’industrie agroalimentaire et pharmaceutique, ce sont notamment les processus de remplissage qui exigent des mesures de niveau exactes dans des récipients présentant de petites ouvertures, comme des bouteilles, des canules ou des flacons. Le conducteur acoustique permet d’étendre les applications du capteur à ultrasons au format miniature 1K sans modifier les dimensions de l’installation (32 × 16 × 12 mm).

Qu’est-ce que le son ?

Le son décrit des oscillations mécaniques qui se propagent sous forme d’ondes acoustiques, dans un milieu comme le gaz ou les liquides, et d’ondes sonores dans l’air.



Qu’est-ce qu’un ultrason ?

Un ultrason est un son dont la fréquence est comprise entre 20 kHz et 1 GHz (fréquence des ultrasons). Les ultrasons se situent au-delà du seuil d’audition perceptible par l’être humain. Ils ne sont donc pas audibles. Les capteurs couvrent généralement la plage de 40 kHz à 400 kHz.

Qu’est-ce que la fréquence des ultrasons ?

La fréquence indique le nombre d’oscillations par seconde. Elle se mesure en hertz. Plus la fréquence est élevée, plus la mesure est précise. Plus la fréquence est basse, plus la portée est grande.


Le lobe acoustique des ultrasons peut-il être dévié ?

Les ultrasons peuvent être déviés par un autre objet. Cet objet doit présenter une surface plane et dure pour pouvoir propager le signal correctement. Il ne peut y avoir plus d’une déviation. La multiplication des déviations réduit considérablement la portée des ultrasons. Un déflecteur (p. ex. Z0024) peut être employé pour éviter les dépôts de saleté sur la surface active.

Qu’est-ce que l’oscillateur d’un capteur à ultrasons ?

Appelé oscillateur, surface active, convertisseur céramique ou transducteur, il s’agit de la surface d’un capteur à ultrasons qui produit le signal sonore. Cette surface vibre, de sorte que le capteur est relativement insensible à l’encrassement : Les saletés n’adhèrent pas à l’oscillateur et se détachent sous l’effet d’infimes mouvements.

Avantages des capteurs à ultrasons

Excellente suppression de l’arrière-plan

La distance étant déterminée à l’aide d’ondes ultrasoniques, l’arrière-plan de l’objet est pratiquement négligeable.

Détection de presque toutes les matières

Toutes les matières qui réfléchissent les sons sont détectées. Les matériaux durs réfléchissent particulièrement bien l’énergie d’impulsion. La couleur, la forme ou la transparence sont sans importance. On peut donc détecter du bois, du plastique, du métal, mais aussi des films fins ou du verre.

Des distances très variées

Les capteurs à ultrasons wenglor détectent des objets à proximité immédiate (3 cm) et jusqu’à six mètres de distance.

Insensibilité aux perturbations

La saleté, le brouillard et la poussière n’ont pour ainsi dire aucune influence sur le fonctionnement du capteur.

Quels objets un capteur à ultrasons peut-il détecter ?

Les capteurs de distance à ultrasons mesurent des distances exactes, quelles que soient la matière, la surface, la couleur ou la transparence de l’objet.

Détection de pratiquement tous les objets

Les objets (semi) transparents, comme le verre ou les liquides, réfléchissent les ultrasons. Même la détection d’objets granuleux, pulvérulents ou brillants est fiable.

Résistance à la poussière, au brouillard et à la saleté

La détection d’objets par ultrasons n’est pas affectée par la saleté, la poussière, la fumée et le brouillard.

Détection de formes complexes

Le contrôle de présence par ultrasons d’objets à la forme complexe, comme des grilles ou des ressorts, est fiable.

Dans quels cas les capteurs à ultrasons ne sont-ils pas optimaux ?

 
  • Les matières souples, comme le coton, les textiles, le caoutchouc-mousse ou le feutre absorbent les sons ou les diffusent. Les ondes traversent la matière souple et le capteur à ultrasons détecte son support dur (par exemple la table qui se trouve derrière).
  • Avec des objets à très haute température, l’écho est diffus ou ne revient pas vers la tête du capteur.
  • Des facteurs environnementaux comme les turbulences atmosphériques peuvent influer sur la qualité de l’écho et donc sur les mesures. Il est possible de pallier à l’influence de la température ambiante par une compensation de température.

Secteurs et industries où les capteurs à ultrasons entrent en application

Dans l’industrie des boissons, il s’agit de détecter avec fiabilité des bouteilles, des canettes et des fûts. Les capteurs à ultrasons conviennent parfaitement à la détection d’objets en verre, en aluminium ou en PET, indépendamment de leur forme, de leur couleur, de leur position, de leur surface et de leur taille. Les machines de collecte d’objets consignés sont équipées d’un capteur de distance à ultrasons insensible à l’encrassement doté d’un large lobe acoustique, qui détecte même des objets mouvants et rebondissants en toute fiabilité. L’arrière-plan est entièrement masqué. 
Pour les applications de détection et de contrôle de niveau aussi, les capteurs à ultrasons sont mis en œuvre avec fiabilité dans des installations de remplissage. 
De nos jours, le génie mécanique relève de nombreux défis. Les différentes machines ou unités de production automatisées doivent répondre à des exigences strictes en matière de production et d’applications diverses, avec rapidité et en toute sécurité. Le mode de fonctionnement des capteurs à ultrasons permet de détecter tous types de matériaux, surfaces, formes et couleurs. Les capteurs à ultrasons sont très polyvalents : ils conviennent parfaitement à la détection d’objets transparents, brillants et sombres, de surfaces réfléchissantes et de matériaux de toutes sortes, qu’ils soient solides ou liquides, rugueux ou lisses, poreux ou translucides. La structure de la surface est sans effet sur le résultat de la mesure. Les conditions ambiantes telles que la poussière, la vapeur, l’encrassement ou la lumière parasite ne perturbent pas les capteurs à ultrasons.
Dans l’industrie électronique, les défis résident dans la flexibilité des lignes de production avec des temps d’arrêt minimaux. De nos jours, les capteurs à ultrasons doivent être rapides et fiables.
Un capteur à ultrasons à large cône sonore détecte les feuilles laminées, perforées et estampées indépendamment de leur couleur, de leur transparence et de leur surface. 
Dans l’industrie automobile, les capteurs à ultrasons détectent de manière fiable les objets sombres, transparents ou réfléchissants. Leur mode de fonctionnement et leur lobe acoustique permettent de détecter des objets de différentes formes présentant différentes propriétés réfléchissantes. Étant insensibles à la poussière et à l’encrassement, ils fonctionnent de manière très efficace et fiable. Cela permet, par exemple, un transport fiable de vitres transparentes dans la production automobile. De même, la détection d’objets irréguliers, de pièces en plastique de petite taille ou noire est un défi que les capteurs à ultrasons relèvent facilement. 
Les capteurs à ultrasons conviennent parfaitement aux applications dans des environnements industriels contraignants, notamment dans l’industrie graphique. Étant insensibles à la poussière et à l’encrassement, ils fonctionnent de manière très efficace et fiable. 
Les capteurs à fourche à ultrasons détectent les étiquettes sur n’importe quel support, indépendamment de la couleur, du degré de transparence ou des propriétés de la surface.
Du fait de leur mode de fonctionnement, ils conviennent idéalement à la détection sûre et sans contact d’étiquettes. 
Les bouteilles en verre présentent différentes formes, couleurs et degrés de transparence. Les capteurs à ultrasons analysent le son réfléchi par l’objet, détectant ainsi pratiquement tout objet, quelles que soient sa composition et ses propriétés. Les capteurs à ultrasons peuvent ainsi être mise en œuvre de façon flexible pour de très nombreuses applications, avec des bouteilles et verres réfléchissants, brillants, sombres ou transparents. 

Applications possibles de capteurs à ultrasons

Contrôle de présence

Contrôle du déchirement de film

Contrôle de niveau

Contrôle de passage

Positionnement du robot

Surveillance de la hauteur d’empilement

Détection d’étiquette

Contrôle de la position d’extrémité

Barrière unidirectionnelle

Positionnement

À quoi faut-il prêter attention lors de l’installation de capteurs à ultrasons ?

Généralités

  • Lors de l’installation de détecteurs reflex à ultrasons, il convient d’éviter les dépôts de saleté incrustée sur la surface active (transducteur).
  • La surface active (oscillateur) du capteur doit être dégagée.
  • Le produit doit être à l’abri de contraintes mécaniques.
  • Veillez à ce que le capteur soit solidement fixé.

L’illustration présente l’installation optimale d’un capteur à ultrasons. Si les objets sont particulièrement durs et lisses, l’angle que forme l’axe sonore et la surface de l’objet doit être de 90° ± 3°. L’angle peut être plus ouvert avec des surfaces d’objet courantes.

Influences extérieures

Dans certaines conditions, la circulation de l’air sous forme de vent, de courant d’air ou encore d’air comprimé peut influer sur la mesure des capteurs à ultrasons. Ces conditions particulières sont négligeables avec des capteurs à ultrasons modernes dans des environnements industriels ordinaires. ​​​​​

Peut-on entendre des capteurs à ultrasons ?

Les ultrasons sont inaudibles pour l’oreille humaine. Lorsque les capteurs sont en marche, ils émettent toutefois des bruits basse fréquence sous forme de paquets d’ondes sonores. La vibration de l’oscillateur est pratiquement inaudible avec les capteurs à ultrasons modernes.

Quelles sont les différences entre les capteurs à ultrasons et les capteurs optiques ?

Détection d’objet

Les capteurs à ultrasons détectent les ondes sonores, alors que les capteurs optiques fonctionnent généralement avec la lumière infrarouge, rouge, bleue ou le laser. La différence majeure réside dans l’envergure de la plage de scrutation. C’est l’application concrète qui détermine le capteur le plus adapté.

Vitesse de détection

La vitesse de la lumière étant plus rapide que la vitesse du son, un capteur optique effectue une mesure plus rapide qu’un capteur à ultrasons.

Exemple en pratique : détection d’une tôle perforée à l’aide d’un capteur optoélectronique et d’un capteur à ultrason

Les capteurs optoélectroniques et les capteurs à ultrasons se comportent différemment lors de la détection de plaques, comme des tôles perforées, des caisses grillagées ou des circuits imprimés. Le capteur optoélectronique mesurant à l’aide d’un point lumineux précis, il commute à chaque trou dans cette application. Le lobe acoustique du capteur à ultrasons couvre une grande surface, de sorte qu’il détecte le produit et non pas les perforations dans cette application.
Comparaison des produits