Mesure de distance à ultrasons et capteurs à ultrasons

Si vous devez mesurer la distance à un objet situé à une certaine distance devant vous ou à un obstacle majeur sans contact, vous pouvez utiliser un capteur à ultrasons. Les appareils de ce type sont très faciles à utiliser, ils sont fiables et économiques, alors qu'ils ne nécessitent aucun consommable.

Le principe de mesure de la distance repose ici sur la technologie que certains animaux utilisent simplement en raison de la structure spécifique de leur corps et des caractéristiques de l'environnement. La condition principale est qu'il y ait de l'air entre vous et l'objet, dont la distance est mesurée.

Le capteur à ultrasons génère des impulsions sonores individuelles de la gamme des ultrasons, c'est-à-dire celles qui ne sont pas entendues par une personne à l'oreille. Et puisque ces impulsions se propagent dans l'air, elles se déplacent à la vitesse du son.

Dès que ce son atteint la limite la plus proche de l'objet d'en face, il en est réfléchi selon le principe de l'apparition d'un écho, puis le capteur, recevant le signal réfléchi, calcule la distance jusqu'à l'objet à partir duquel la réflexion s'est produite. Tout d'abord, le temps écoulé entre l'envoi du signal et le moment où il revient est enregistré, puis il est multiplié par la vitesse du son, puis divisé par deux.

La distance à l'objet étant ici déterminée par le temps de propagation et de retour de l'onde sonore, la précision des mesures effectuées par le capteur ultrason est indépendante des interférences.

En principe, tout objet réfléchissant le son peut être détecté quelles que soient sa couleur et son éclairage. Il peut s'agir d'une clôture en bois ou d'une fenêtre en verre, d'un morceau de garniture en acier inoxydable ou de polycarbonate. Peu importe s'il y a du brouillard sur le trajet des ultrasons ou si la membrane du capteur est légèrement sale. Cela n'affectera pas le fonctionnement du capteur.

Les premiers croquis sur le thème de la mesure de distance par ultrasons remontent à 1790, lorsque le physicien italien Lazzaro Spallanzani a découvert que les chauves-souris naviguent et manoeuvrent pendant le vol, même dans l'obscurité totale, en utilisant l'audition et pas du tout la vision.

Le chercheur a fait de nombreuses observations de chauves-souris, fait plusieurs expériences, grâce auxquelles il est arrivé à la conclusion sans équivoque que les chauves-souris sont orientées et naviguent dans l'obscurité totale en utilisant les oreilles et le son. Ainsi, Spallanzani a été le premier à étudier l'écholocation, à commencer par l'observation des chauves-souris.

Ce n'est qu'en 1930 que le zoologiste américain Donald Griffin, étudiant les mécanismes sensoriels des animaux, a finalement confirmé que les chauves-souris se déplacent même dans l'obscurité totale, en utilisant des ultrasons à des fins de navigation. Il s'est avéré que les chauves-souris fournissent elles-mêmes des ultrasons pour ensuite entendre sa réflexion, afin de comprendre où et à quelle distance sur leur chemin se trouvent des objets, des obstacles, des insectes, etc.

Le scientifique a appelé cette technique sensori-acoustique d'écholocation de la navigation des chauves-souris. Comme vous vous en souvenez probablement du cours de physique de l'école, l'écholocation est généralement appelée l'utilisation technique des ondes ultrasonores et l'étude de leurs réflexions (échos) afin de déterminer les emplacements et les tailles des objets.

Soit dit en passant, non seulement les chauves-souris, mais aussi de nombreux animaux et insectes nocturnes et marins utilisent des fréquences ultrasoniques pour assurer la sécurité personnelle, la chasse et la survie. Les fréquences sonores qui ne sont pas audibles par l'oreille humaine sont si importantes dans la nature.

Nous revenons cependant aux capteurs à ultrasons. Le module se compose d'un émetteur et d'un récepteur à ultrasons (comme l'oreille d'une chauve-souris).L'émetteur sert à générer un rayonnement ultrasonore à une fréquence de 40 kHz, et le récepteur - à capter les ultrasons à cette fréquence.

L'émetteur est situé sur la carte à côté du récepteur, de sorte qu'il est capable de percevoir les ondes ultrasonores émises par le récepteur et réfléchies par l'objet devant le capteur, s'il y a de l'air entre le capteur et l'objet à partir duquel il est réfléchi.

Lorsqu'un obstacle pénètre dans la zone d'action du faisceau ultrasonore, le circuit calcule le temps qui s'écoule à partir du moment où le signal ultrasonore est envoyé jusqu'à ce qu'il revienne - au récepteur.

C'est facile à faire, surtout pour l'électronique, car la vitesse du son dans l'air est connue, elle est de 343,2 mètres par seconde, donc, en multipliant le temps par cette vitesse, on obtient la longueur du chemin rectiligne le long du chemin des ultrasons du récepteur jusqu'au lieu de réflexion et de retour.

Diviser en deux - nous obtenons la distance à la surface de réflexion, qu'elle soit dure ou douce, couleur ou transparente, plate ou une sorte de forme bizarre. Et plusieurs de ces capteurs, situés à angle droit, détermineront la taille des objets.

Structurellement, le capteur a deux membranes, la première pour le rayonnement ultrasonore, la seconde pour la réception d'écho. Il s'agit essentiellement d'un haut-parleur et d'un microphone. Un générateur d'impulsions de fréquence à ultrasons est installé dans le circuit, qui démarre la minuterie électronique au moment où la mesure commence, et dès que le microphone reçoit le son réfléchi, la minuterie s'arrête.

Suivant microcontrôleur calcule la distance parcourue par le son dans le temps compté. Cette distance sera le double de la distance à l'objet, car l'onde sonore est d'abord allée là-bas puis est revenue. Le résultat est affiché à l'écran ou transmis à l'unité électronique suivante.

Les capteurs de distance à ultrasons sont largement utilisés dans l'ingénierie industrielle et dans la vie quotidienne: détecter les obstacles dans la zone de fonctionnement de la machine, assurer la sécurité des voitures pendant le stationnement, mesurer les distances pendant le fonctionnement des machines et des machines, pendant les mouvements du convoyeur.

Ils aident à déterminer la position d'un objet, du matériau, du niveau d'eau, à mesurer la granularité, car les ultrasons peuvent être réfléchis sur presque toutes les surfaces si ces surfaces n'absorbent pas le son (comme cela se fait par exemple avec une isolation acoustique spéciale ou de la laine).

Les capteurs à ultrasons sont particulièrement populaires aujourd'hui. avec contrôle sur arduino en robotique, etc., simplement parce que ces capteurs (même plusieurs dans un appareil) s'interfacent facilement avec de nombreux gadgets et, si vous le souhaitez, peuvent être intégrés dans n'importe quel système d'automatisation.

Un exemple de création d'un simple télémètre à ultrasons à la maison: