Circuits de Transducteurs Ultrasoniques de Précision pour une Détection d'Objets Accurate

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

Cet article présente les circuits de transducteurs ultrasoniques, vous permettant de comprendre leurs capacités. Alors commençons !

Qu'est-ce qu'un Transducteur Ultrasonique ?

Un transducteur ultrasonique

Un transducteur ultrasonique 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 que cela se produit, il mesure la distance de l'objet plutôt que la force du signal. Il repose également sur les ondes ultrasoniques pour mesurer des paramètres spécifiques. De plus, sa plage de fréquence d'onde ultrasonique est supérieure à 20 kHz, le rendant idéal pour mesurer les distances.

Un transducteur ultrasonique 40kHz.

Source : Wikimedia Commons

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

La structure interne d'un capteur ultrasonique.

Source : Wikimedia Commons

Le dispositif comporte un backing, 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, le dispositif absorbe l'énergie ultrasonique, la transformant en énergie électrique. Bien sûr, il inverse également ce processus de transformation.

De plus, le transducteur a un récepteur, un émetteur, une alimentation et un mécanisme de contrôle. Pendant ce temps, l'émetteur a un vibreur céramique de 15 mm. Ces capteurs fonctionnent de manière identique à un haut-parleur et un microphone ultrasoniques, générant et recevant des ondes sonores de haute fréquence.

Ce transducteur fonctionne à basse température pour 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 haute température. Ceux-ci comptent généralement sur un équipement de refroidissement qui aide à prévenir les dommages.

Principe de Fonctionnement du Transducteur Ultrasonique

La sonde ultrasonique peut détecter des défauts ou imperfections dans une plaque d'acier.

L'application d'un signal électrique au transducteur ultrasonique le fera générer des ondes sonores. Les ondes sonores reflètent ensuite le signal d'écho du transducteur après avoir détecté une interférence. Il vibre également dans une plage de fréquence spécifique. En conséquence, l'écho est converti en un signal électrique.

Par la suite, le dispositif 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 fonctionne avec une fréquence de 40 kHz.

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

Dans l'ensemble, les matériaux noirs, la fumée, la lumière du soleil, les tubes fluorescents et la poussière n'affectent pas la performance du transducteur. Par conséquent, il a un avantage distinct par rapport aux capteurs infrarouges. De plus, un capteur ultrasonique fournit d'excellentes capacités de suppression du bruit. Les fluctuations de température élevée causeront cependant une interférence de détection d'objets.

Cet appareil repose également sur les ondes ultrasoniques 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 la transmission et la réception des ondes ultrasoniques. Pendant ce temps, C représente la vitesse du son.

Circuit de Transducteur Ultrasonique

Schéma de circuit d'émetteur ultrasonique

Composants requis :

• CI 555 – 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 d'émetteur ultrasonique comportent un temporisateur CI 555.

Source : Wikimedia Commons

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

Il comporte également un transducteur ultrasonique qui transforme une impulsion d'entrée en ondes ultrasoniques aux 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 de 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 Ultrasoniques

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

• Type linéaire : Ce type de transducteur comporte un cristal piézoélectrique avec un réseau linéaire.
  
• Réseau phasé (Phased Array) : Avec une empreinte réduite, le réseau phasé supporte des fréquences basses allant de 2MHz à 7MHz.
  
• Standard : Aussi appelé transducteur ultrasonique convexe ou transducteur ultrasonique normal, ce type contient un cristal piézoélectrique courbé. Vous verrez ceux-ci mis en œuvre dans des applications de test étendues.

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

Applications

Une sonde ultrasonique contient le transducteur ultrasonique.

Le transducteur ultrasonique a des applications variables dans une large gamme de domaines. Nous en avons listé quelques-unes ci-dessous.

• Tests diagnostiques, traitements du cancer, contrôles cardiaques et oculaires, et tests d'organes internes dans le domaine médical.
• Détection d'objets
• Mesure des distances entre une cible et l'objet

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

Source : Wikimedia Commons

• Automatisation
• Contrôle d'inventaire
• Identification de petits défauts

Un transducteur ultrasonique peut détecter des défauts mineurs.

Source : Wikimedia Commons

• Mesures de niveau et de débit
• Biomédical
• Énergie
• Contrôle et surveillance du niveau de liquide
• Gestion de ligne de production
• Détection de rupture de fil

Avantages et Inconvénients

Avantages :

Les transducteurs ultrasoniques peuvent détecter les solides, liquides ou gaz. Nous avons listé les avantages d'un transducteur ultrasonique ci-dessous :

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

La liste suivante présente les inconvénients associés aux transducteurs ultrasoniques :

Inconvénients :

Les fluctuations de haute température peuvent affecter le transducteur.

• Des changements de détection se produisent en raison de l'imprévisibilité de la conversion de température.
• Extrêmement sensible aux fluctuations de haute température.
• Ne peut pas détecter les réflexions de petites cibles en raison de leurs qualités douces et minces.

Résumé

Extrêmement utiles et bien construits, les transducteurs ultrasoniques rendent l'évitement d'objets beaucoup plus facile pour les robots de navigation. Il présente également des objectifs variables dans d'autres applications. Dans ce cas, cela aide à établir son rôle dans la détection d'objets et les mesures de distance. En général, des facteurs environnementaux variables n'affecteront pas négativement sa performance globale. En conséquence, la poussière, la lumière du soleil et l'eau n'empêcheront pas les impulsions ultrasoniques d'atteindre leur destination et de revenir. Donc, ce composant peut fonctionner de manière cohérente pendant n'importe quel temps.

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