Capteurs de proximité :examen des différentes technologies

Découvrez comment se comparent quatre types différents de technologies de capteurs de proximité :à ultrasons, photoélectriques, télémètre laser et capteurs inductifs.

Le plus souvent utilisé comme méthode sans contact pour fournir une simple détection d'objet ou une mesure précise de la distance à un objet, il existe maintenant de nombreuses technologies qui relèvent de la hiérarchie des capteurs de proximité, chacune offrant des principes de fonctionnement, des avantages et des inconvénients différents.

Cependant, avec une telle variété d'options disponibles, comment un ingénieur choisit-il la technologie la mieux adaptée à sa conception ?

Pour aider les concepteurs dans ce processus, cet article discutera de quatre des technologies de capteurs de proximité les plus populaires qui s'adapteraient de manière réaliste aux systèmes embarqués fixes portables ou petits et conviennent à des plages de détection modérées allant de quelques pouces à plusieurs dizaines de pieds :

• Ultrasonique
• Photoélectrique
• Télémètre laser
• Capteurs inductifs

Les capteurs capacitifs et à effet Hall sont deux autres technologies de capteurs de proximité populaires qui ne seront pas prises en compte ici en raison de leur utilisation généralement limitée dans les scénarios de détection à très courte distance.

Avant d'approfondir chacune des quatre technologies mises en évidence ci-dessus, il est important de noter qu'aucune technologie de capteur de proximité n'offrira une solution unique pour chaque application et utilisation prévue. De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors du choix d'une technologie de capteur de proximité, tels que le coût, la plage de détection, la taille de l'emballage, le taux de rafraîchissement et l'effet des matériaux.

Comprendre où se situe chaque technologie dans le spectre de ces différents facteurs et lesquels sont les plus cruciaux pour l'application finale sera essentiel pour faire le bon choix.

Technologie à ultrasons

Les capteurs à ultrasons génèrent des impulsions sonores ultrasonores et mesurent le temps nécessaire à cette impulsion pour rebondir sur un objet et revenir. Ils peuvent être utilisés pour calculer la distance audit objet ou simplement détecter sa présence.

Une mise en œuvre de capteur à ultrasons peut utiliser des modules émetteur et récepteur individuels - dans lesquels l'émetteur émet un bip et le récepteur le détecte - ou les fonctions d'émission et de réception peuvent être combinées en un seul module appelé émetteur-récepteur à ultrasons. Dans les mises en œuvre où des modules émetteurs et récepteurs séparés sont utilisés, ils sont généralement positionnés aussi près que possible les uns des autres pour la plus grande précision.

Figure 1. Mise en œuvre générale de la technologie ultrasonique

En raison de leur conception simple, les capteurs à ultrasons sont une option peu coûteuse avec un certain nombre d'avantages qui les rendent bien adaptés à un large éventail d'applications. Capables d'envoyer des centaines d'impulsions par seconde, les capteurs à ultrasons sont précis avec un taux de rafraîchissement élevé.

Étant donné que les capteurs à ultrasons sont basés sur le son plutôt que sur les ondes électromagnétiques, la couleur et la transparence des objets, ainsi que le fonctionnement dans des environnements clairs ou sombres, n'ont aucun impact sur la précision ou la fonction. De plus, à mesure que les ondes sonores se propagent dans le temps, leur zone de détection augmente, ce qui peut être une force ou une faiblesse en fonction des besoins de conception.

Bien que le son ne soit pas affecté par la lumière ou l'obscurité, la vitesse du son est affectée par les changements de température de l'air. Tout changement spectaculaire de cette température peut grandement affecter la précision des capteurs à ultrasons. Cela peut être compensé en mesurant la température afin de mettre à jour les calculs, mais cela reste une limitation de la technologie.

Ces ondes sonores peuvent également être limitées par des matériaux mous ou absorbants qui ne permettent pas au son de rebondir aussi efficacement. Enfin, les capteurs à ultrasons ne sont pas destinés à une utilisation sous-marine et leur dépendance aux ondes sonores les rend inopérants dans le vide où il n'y a pas de support de transmission du son. Le blog de CUI Devices, The Basics of Ultrasonic Sensors, couvre cette technologie plus en détail.

Technologie photoélectrique

Plus efficaces pour la détection d'absence ou de présence, les capteurs photoélectriques sont généralement reconnus pour leur utilisation dans les capteurs de porte de garage ou le comptage d'occupants dans les magasins, entre autres applications industrielles, résidentielles et commerciales. Sans pièces mobiles, les capteurs photoélectriques ont généralement des cycles de vie de produit longs. Ils sont capables de détecter la plupart des matériaux, mais les objets transparents ou l'eau peuvent entraîner des problèmes.

Ils offrent plusieurs implémentations différentes :barrage, rétroréflexion et réflexion diffuse.

La mise en œuvre du barrage (figure 2) est ce que l'on pourrait reconnaître comme le capteur de porte de garage mentionné ci-dessus avec un émetteur et un récepteur placés en face l'un de l'autre. Toute rupture du faisceau entre ces deux points indique au capteur la présence d'un objet.

Figure 2. Implémentation en barrage

Le rétroréflecteur (Figure 3) place l'émetteur et le récepteur l'un à côté de l'autre avec un rétroréflecteur placé en face qui réfléchit le faisceau de l'émetteur au récepteur.

Figure 3. Implémentation rétroréfléchissante

La réflexion diffuse (Figure 4) fonctionne de manière similaire à la rétroréflexion, mais plutôt que de faire rebondir les faisceaux sur un réflecteur, elle renvoie le faisceau sur tout objet à proximité, un peu comme les capteurs à ultrasons. Cependant, cette implémentation n'a pas la capacité de calculer la distance.

Figure 4. Implémentation à réflexion diffuse

Les différentes implémentations ont également leurs avantages, car le barrage et la rétroréflexion offrent de longues plages de détection et des temps de réponse rapides, tandis que la réflexion diffuse est bonne pour détecter les petits objets. Les capteurs photoélectriques sont également une solution robuste que l'on trouve couramment dans les environnements industriels tant que la lentille reste exempte de contaminants. Cela étant dit, le calcul de la distance est une capacité pratiquement inexistante des capteurs photoélectriques et la couleur de l'objet ainsi que la réflectivité peuvent causer des problèmes.

Les différentes implémentations photoélectriques nécessitent également un montage et un alignement minutieux, ce qui peut entraîner des défis supplémentaires dans les systèmes complexes.

Technologie de télémètre laser

Utilisant des faisceaux électromagnétiques plutôt que des ondes sonores, les capteurs télémétriques laser fonctionnent sur des principes similaires à ceux des capteurs à ultrasons. Bien que cette technologie soit devenue plus économiquement viable ces dernières années, elle reste une option beaucoup plus chère par rapport aux technologies à ultrasons et autres.

La technologie des télémètres laser a une portée de détection extrêmement longue allant jusqu'à des centaines ou des milliers de pieds, ainsi que des temps de réponse rapides. La vitesse de la lumière étant beaucoup plus rapide que la vitesse du son, les mesures du temps de vol peuvent être un défi pour les capteurs télémétriques laser. C'est là que des implémentations telles que l'interférométrie peuvent être utilisées pour réduire les coûts et améliorer la précision.

Figure 5. Configuration typique de l'interférométrie du télémètre laser

Comme mentionné précédemment, la télémétrie laser est de loin la technologie la plus coûteuse abordée dans cet article, ce qui la rend moins réalisable pour la nomenclature de nombreux ingénieurs. Les lasers utilisés dans cette technologie de capteur consomment également beaucoup d'énergie, ce qui limite son utilisation dans les applications portables, tout en exposant les utilisateurs à des risques potentiels pour la sécurité des yeux.

Selon l'application envisagée, la zone de détection relativement focalisée d'un laser et le manque de dispersion peuvent être considérés comme un avantage ou une limitation. Les télémètres laser ne fonctionnent pas bien non plus lorsqu'ils traitent avec de l'eau ou du verre.

Technologie inductive

Bien que basés sur un principe de fonctionnement plus ancien, les capteurs inductifs se sont récemment répandus. Contrairement aux trois autres technologies discutées jusqu'à présent, la technologie inductive ne convient cependant qu'aux objets métalliques.

Les capteurs inductifs fonctionnent en détectant les changements de son champ magnétique lorsque des objets métalliques se trouvent dans sa plage de détection. C'est le principe de fonctionnement de base de tout détecteur de métaux.

Figure 6. Des capteurs inductifs sont utilisés pour détecter des objets métalliques

En dehors du détecteur de métaux commun, les capteurs inductifs ont une large plage de détection généralement de l'ordre du millimètre au mètre. Cela pourrait inclure des applications à courte portée telles que le comptage des rotations d'engrenages ou des implémentations à plus longue portée comme la détection de véhicules sur les routes.

Ils fonctionnent mieux avec des matériaux ferreux (c'est-à-dire le fer et l'acier), mais peuvent toujours détecter des objets non magnétiques avec une plage de détection réduite. Les capteurs inductifs offrent également des taux de rafraîchissement extrêmement rapides, un fonctionnement simple et une flexibilité en termes de plage de détection. Cependant, ils sont finalement limités par ce qu'ils peuvent détecter et sont sujets aux interférences provenant de diverses sources.

Conclusion

De nombreux facteurs doivent être pris en compte lors du choix d'une technologie de capteur de proximité. Comprendre les avantages et les compromis des différentes technologies abordées dans cet article peut faciliter ce processus de sélection.

Tableau 1. Comparaison matricielle des capteurs de proximité couverts par coût, portée, taille, taux de rafraîchissement et effet du matériau.

Bien que chaque technologie ait ses utilisations les plus appropriées, les capteurs à ultrasons sont souvent un bon choix global en raison de leur faible coût, de leur capacité à détecter à la fois la présence et la distance et leur mise en œuvre généralement simple. C'est pourquoi les capteurs à ultrasons se retrouvent dans un si large éventail de conceptions tout en continuant à trouver de nouvelles utilisations et applications.

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