Circuits transducteurs à ultrasons :un dispositif de détection d'objets

Avez-vous déjà voulu mesurer la distance d'un objet par rapport à une cible spécifique ? Vous pouvez utiliser un émetteur à ultrasons, qui comporte un capteur à ultrasons, à cette fin. Les circuits électroniques comporteront généralement ce composant pour générer des ondes sonores ultrasonores. En conséquence, il peut alors mesurer la proximité d'un objet. Par conséquent, ces capacités les rendent extrêmement utiles à des fins de navigation robotique. Non seulement cela, mais ce type de transducteur a également diverses applications dans de nombreux domaines, notamment l'industrie, le médical, l'automatisation et bien plus encore !

Cet article présente les circuits de transducteur à ultrasons, vous permettant de comprendre leurs capacités. Alors commençons !

Qu'est-ce qu'un transducteur à ultrasons ?

Un transducteur à ultrasons

Un transducteur à ultrasons sert de capteur lié au son qui transforme un type d'énergie en énergie ultrasonique. Cet appareil transmet des signaux électriques à un objet puis les renvoie au transducteur. Pendant ce temps, il mesure la distance de l'objet plutôt que la force du signal. Il s'appuie également sur les ondes ultrasonores pour mesurer des paramètres spécifiques. De plus, sa gamme de fréquences d'ondes ultrasonores est supérieure à 20 kHz, ce qui la rend idéale pour mesurer les distances.

Un transducteur à ultrasons de 40 kHz.

Source :Wikimedia Commons

Dans l'ensemble, ce type de transducteur détecte divers matériaux, y compris des objets métalliques, non métalliques, transparents et colorés. Il identifiera également les liquides, les solides et les substances fines.

La structure interne d'un capteur à ultrasons.

Source :Wikimedia Commons

Le dispositif comprend un support, une plaque d'usure et un élément actif. Dans ce cas, le cristal ou piézoélectrique, servant d'élément actif, convertit l'énergie électrique en énergie ultrasonique. En conséquence, l'appareil absorbe l'énergie ultrasonore et la transforme en énergie électrique. Bien sûr, cela inverse également ce processus de transformation.

De plus, le transducteur possède un récepteur, un émetteur, une alimentation électrique et un mécanisme de commande. Pendant ce temps, l'émetteur dispose d'un vibrateur en céramique de 15 mm. Ces capteurs fonctionnent de la même manière qu'un haut-parleur et un microphone à ultrasons, générant et recevant des ondes sonores à haute fréquence.

Ce transducteur fonctionne à basse température à des fins de diagnostic en raison du point de Curie élevé des matériaux piézoélectriques, consommant une puissance minimale. Il peut également fonctionner pendant une période prolongée sans affecter le circuit. Pendant ce temps, les transducteurs médicaux fonctionnent à des températures élevées. Ceux-ci reposent généralement sur un équipement de refroidissement qui aide à prévenir les dommages.

Principe de fonctionnement du transducteur à ultrasons

La sonde à ultrasons peut détecter les défauts ou les imperfections d'une plaque d'acier.

L'application d'un signal électrique au transducteur à ultrasons entraînera la génération d'ondes sonores. Les ondes sonores reflètent alors le signal d'écho du transducteur après avoir détecté des interférences. Il vibre également dans une plage de fréquences spécifique. En conséquence, l'écho est converti en un signal électrique.

Ensuite, l'appareil mesure le temps qu'il faut pour délivrer l'onde sonore et recevoir l'écho. L'impulsion ultrasonique sera libérée dans l'air lorsque le capteur fonctionnera avec une fréquence de 40 kHz.

Les lumières fluorescentes ne peuvent pas affecter la capacité du transducteur à détecter des objets.

Dans l'ensemble, les matériaux noirs, la fumée, la lumière du soleil, les tubes fluorescents et la poussière ne peuvent pas affecter les performances du transducteur. Par conséquent, il a un net avantage sur les capteurs infrarouges. De plus, un capteur à ultrasons offre d'excellentes capacités de suppression du bruit. Cependant, les fluctuations de température élevées entraîneront des interférences dans la détection d'objets.

Cet appareil s'appuie également sur les ondes ultrasonores pour calculer la distance avec la formule ci-dessous :

D =½ * T * C

Dans ce cas, D représente la distance et T fait référence à l'intervalle de temps pour transmettre et recevoir des ondes ultrasonores. Pendant ce temps, C représente la vitesse du son.

Circuit transducteur ultrasonique

Schéma du circuit de l'émetteur à ultrasons

Composants requis :

• 555 IC – 1x
• Transistor 2N2222 – 1x
• Transducteur ultrasonique – 1x
• Résistance 1k – 2x
• Résistance 2k - 1x
• Résistance 5k – 1x
• Condensateur 0.01fuF – 1x
• Condensateur 3,3nF – 1x

Principe de fonctionnement :

De nombreux circuits émetteurs à ultrasons sont équipés d'une minuterie 555 IC.

Source :Wikimedia Commons

Généralement, l'IC 555, qui fonctionne en mode multivibrateur astable, sert d'oscillateur. Cela génère des impulsions d'ondes carrées en série constantes qui atteignent 40 kHz. Pendant ce temps, l'équation F=1..44/((R2+2R1)C2 définit la valeur de la fréquence de sortie. En même temps, les composants électroniques R1, R2 et R3 délivrent 40 KHz à la sortie.

Il comporte également un transducteur à ultrasons qui transforme une impulsion d'entrée en ondes ultrasonores à des fréquences correspondantes. Ceux-ci contiennent des cristaux piézoélectriques qui peuvent changer de taille une fois qu'ils reçoivent une tension. Les cristaux oscilleront après avoir reçu un signal d'entrée, les forçant à générer des ondes sonores à haute fréquence.

En même temps, le transistor 2N2222 pilote le transducteur. Vous pouvez implémenter des oscillateurs entourés de cristaux plutôt qu'un 555 pour une oscillation stable.

Types de transducteurs à ultrasons

Différents types de transducteurs à ultrasons existent sur le marché aujourd'hui. Ceux-ci contiennent des paramètres essentiels, notamment la fréquence, l'empreinte et la disposition du cristal piézoélectrique. Vous trouverez ci-dessous les types les plus efficaces :

• Type linéaire :ce type de transducteur comporte un cristal piézoélectrique avec un réseau linéaire.
  
• Phased Array :avec un encombrement réduit, le multiéléments prend en charge les basses fréquences allant de 2 MHz à 7 MHz.
  
• Standard :également appelé transducteur à ultrasons convexe ou transducteur à ultrasons normal, ce type contient un cristal piézoélectrique incurvé. Vous les verrez implémentés dans des applications de test approfondies.

De plus, vous pouvez utiliser des transducteurs à ligne à retard, des transducteurs à contact, des transducteurs à double élément, des transducteurs à immersion et des transducteurs à faisceau d'angle. Bien entendu, ces différents types ont des applications de contrôle non destructif.

Applications

Une sonde à ultrasons contient le transducteur à ultrasons.

Le transducteur à ultrasons a diverses applications dans un large éventail de domaines. Nous en avons énuméré quelques-unes ci-dessous.

• Tests de diagnostic, traitements contre le cancer, bilans cardiaques et oculaires et tests d'organes internes dans le domaine médical
• Détection d'objets
• Mesurer les distances entre une cible et l'objet

Cette image montre comment un capteur à ultrasons peut détecter des objets et leur distance.

Source :Wikimedia Commons

• Automatisation
• Contrôle des stocks
• Identifier les petits défauts

Un transducteur à ultrasons peut détecter des défauts mineurs.

Source :Wikimedia Commons

• Mesures de niveau et de débit
• Biomédical
• Puissance
• Contrôle et surveillance du niveau de liquide
• Gestion de la gamme de produits
• Détection de rupture de fil

Avantages et inconvénients

Avantages :

Les transducteurs à ultrasons peuvent détecter des solides, des liquides ou des gaz. Nous avons répertorié ci-dessous les avantages d'un transducteur à ultrasons : 

• Capable de détecter tous les types de substances et de mesurer divers matériaux.
• La température, la poussière et l'eau n'affectent pas les performances.
• Fonctionne dans n'importe quel environnement avec des conditions appropriées.
• Couramment utilisé pour fournir des mesures d'intervalle de détection élevé.

La liste suivante répertorie les inconvénients associés aux transducteurs à ultrasons :

Inconvénients :

Les fluctuations de température élevées peuvent affecter le transducteur.

• Les changements de détection se produisent en raison de l'imprévisibilité de la conversion de température.
• Extrêmement sensible aux fluctuations de température élevées.
• Impossible de détecter les réflexions des petites cibles en raison de leurs qualités douces et fines.

Résumé

Extrêmement utiles et bien construits, les transducteurs à ultrasons facilitent grandement l'évitement des objets pour les robots de navigation. Il présente également divers objectifs dans d'autres applications. Dans ce cas, cela aide à établir son rôle dans la détection d'objets et les mesures de distance. De manière générale, la variation des facteurs environnementaux n'aura pas d'impact négatif sur ses performances globales. En conséquence, la poussière, la lumière du soleil et l'eau n'empêcheront pas les impulsions ultrasonores d'atteindre leur destination et de revenir. Ainsi, ce composant peut fonctionner de manière cohérente à tout moment.

Avez-vous des questions concernant le transducteur à ultrasons ? N'hésitez pas à nous contacter !