Les capteurs à ultrasons mesurent plus que la distance

Et ils constituent une source de données importante pour la maintenance prédictive, entre autres

Traditionnellement, les capteurs de distance à ultrasons sont utilisés comme éléments de détection "simples". Avec l'émergence de l'IO-Link, de l'informatique embarquée et de l'électronique de détection plus rapide, les possibilités sont nettement plus nombreuses à l'heure actuelle. Les capteurs évoluent, pour ainsi dire, vers des points de mesure intelligents qui contribuent activement au diagnostic, au paramétrage et à l'optimisation des processus.

Premiers capteurs à ultrasons commerciaux

Les capteurs fonctionnant selon le principe des ultrasons existent depuis assez longtemps. Les bases de ce type de capteurs ont été jetées dès le début du siècle dernier, et même un peu plus tôt, lorsque l'effet piézoélectrique a été découvert à la fin du 19e siècle.

Juste après la Première Guerre mondiale, le premier capteur est devenu réalité, tandis que le début de la Seconde Guerre mondiale a été le point de départ des premiers capteurs à ultrasons commerciaux. Ceux-ci étaient utilisés pour détecter les fissures et mesurer l'épaisseur des matériaux. Le marché grand public a suivi, où le principe des ultrasons a été utilisé, entre autres, pour déterminer la distance par rapport à un objet. Cela a permis de générer automatiquement des images nettes avec, entre autres, l'appareil photo Polaroid avec autofocus.

Principe de fonctionnement

Les ultrasons sont des vibrations dont la fréquence est supérieure à 20 000 Hertz (20 kHz). En ce sens, il ne s'agit plus d'ondes sonores puisque l'oreille humaine est incapable de détecter ces vibrations. Ces vibrations ultrasoniques peuvent être utilisées dans un capteur de distance à ultrasons pour mesurer des distances sans contact.

Le principe est simple: le capteur émet des ondes sonores ultrasoniques qui se propagent dans l'air jusqu'à ce qu'elles entrent en collision avec un objet. Les ondes sonores s'entrechoquent, reviennent et sont captées par le capteur. Le temps de retour des ondes peut être converti en distance parcourue.

La précision des capteurs de distance à ultrasons est déterminée par la surface à mesurer et les conditions environnementales

Si l'on examine de plus près le principe de fonctionnement, celui-ci repose sur la conversion des signaux ultrasoniques en signaux (principalement) électriques, conformément à l'effet piézoélectrique susmentionné. Les capteurs à ultrasons sont principalement utilisés comme détecteurs diffus, pour lesquels ils passent continuellement du mode émission au mode réception.

Ils sont également disponibles en tant qu'émetteurs-récepteurs ou détecteurs rétro-réflectifs. La portée des capteurs à ultrasons est déterminée par la longueur d'onde ou la fréquence. Ainsi, la portée du signal est proportionnelle à la longueur d'onde. Par exemple, les petites longueurs d'onde de l'ordre du millimètre permettent des distances de détection de 300 à 500 mm. En revanche, les grandes longueurs d'onde de 5 mm conviennent pour des portées de plus de 8 m. Grâce à des mesures supplémentaires, la portée de détection peut être étendue à des distances d'environ 8 m et bien plus encore avec les capteurs radar.

Conditions préalables

Pour effectuer une mesure correcte, il est nécessaire de respecter certaines conditions préalables. Par exemple, il est important que les capteurs mesurent sur une surface aussi lisse et solide que possible afin d'obtenir une réflexion correcte. Ils conviennent donc également à la mesure des liquides, qui réfléchissent le son de la même manière que les objets solides et lisses. Par ailleurs, cela implique aussi directement que toute influence de l'environnement peut avoir un effet de distorsion sur la mesure.

Cela se fait déjà ressentir du fait que le fonctionnement des capteurs de distance à ultrasons repose sur l'émission et la réception de signaux dans l'air ambiant normal. En effet, celui-ci détermine la vitesse de propagation des ondes ultrasoniques. La température de l'air, les différences de pression, les courants d'air et l'humidité affectent donc la précision de la mesure. Les  capteurs intègrent des possibilités de compensation pour un grand nombre de ces facteurs.

Des "brouilleurs" de grande taille, tels que la poussière ou les gouttelettes d'eau, sont également concevables dans les environnements industriels. En outre, les matériaux rugueux ou les mousses sont moins appropriés en raison de leur surface, car ils sont capables d'absorber (partiellement) les ondes sonores.

Contrairement aux capteurs à base de lumière, les capteurs de distance à ultrasons ne sont pas "affectés" par la couleur d'une surface et sont également excellents pour réfléchir de manière fiable sur des objets transparents. La température, en revanche, influe sur les performances, car les surfaces chaudes réfléchissent moins bien les ultrasons que les surfaces froides.

En gros, il existe deux types de capteurs à ultrasons. Dans le premier cas, un système de portée ultrasonique est basé sur un dispositif intégré ou un micro-ordinateur à puce unique. Dans le second cas, il s'agit d'un CPLD (Complex Programmable Logic Device).

Applications

Grâce à leur principe de mesure relativement précis (1-3 % de la plage de mesure qui est en moyenne de 2-400 cm), les capteurs conviennent à de nombreux usages. Dans le cadre du contrôle des mouvements, par exemple, ils sont utilisés pour éviter les obstacles par les robots ou les cobots, mais aussi à des fins de contrôle et de qualité, par exemple pour détecter une présence. Dans d'autres secteurs encore, ils sont utilisés pour déterminer le niveau des liquides, la profondeur des puits, la longueur des pipelines et dans les AVG. Les principaux avantages de ces capteurs résident dans le fait qu'ils mesurent sans contact et donc sans usure.

Outre la mesure de distances et la détection d'objets - avec lesquels le comptage est également possible - les capteurs peuvent également être utilisés pour certaines formes de mesure de la vitesse. Celle-ci peut être calculée en observant la vitesse à laquelle la distance entre le capteur et l'objet change. La combinaison de différents capteurs permet également de déterminer des dimensions qui permettent de calculer le volume d'un objet.

Développements modernes

L'évolution des technologies de communication, en particulier, a permis d'élever l'application de pratiquement tous les capteurs à un niveau supérieur. Cela vaut également pour les détecteurs de distance à ultrasons. Nous accordons une importance particulière au protocole de communication IO-Link. Cette technologie IO normalisée au niveau mondial a été développée pour la communication numérique entre les systèmes de commande et les capteurs ou actionneurs "sur le terrain". Point à point.

Lorsque les capteurs de distance à ultrasons ne suffisent plus en raison de la distance à parcourir ou des conditions environnementales, les capteurs radar peuvent constituer une solution

L'IO-Link a la particularité de pouvoir transmettre trois types de données: les données de processus, les données de service et les données de diagnostic. Les données de processus se réfèrent aux données de mesure réelles des capteurs, qui, dans ce cas, seront dans la plupart des cas sur une certaine distance. En outre, la communication étant numérique, il n'y a pas de pertes analogiques. Les problèmes de "bruit" dus à l'utilisation de longs câbles ne se posent pas non plus.

Les données de service sont les données de l'appareil lui-même ; l'appareil les met à la disposition du contrôleur dans le cadre de l'étalonnage, par exemple, mais surtout, elles sont utiles lors du remplacement du capteur, par exemple lorsqu'il est cassé. Les réglages nécessaires du capteur sont alors déjà disponibles dans le contrôleur lui-même.

En outre, via IO-Link, des éléments tels que le cône sonore peuvent également être ajustés par logiciel en fonction des besoins, ou les points de commutation et les plages de mesure peuvent être réglés à distance. C'est un avantage certain lorsque le capteur en question est installé dans un endroit difficile d'accès.

Enfin, les données de diagnostic jouent un rôle particulièrement important dans la maintenance du capteur en question. Par exemple, la maintenance conditionnelle peut être basée sur le nombre d'heures de fonctionnement ou d'autres données peuvent être utilisées pour la maintenance prédictive. Par exemple, la température interne d'un capteur.

Informatique de pointe

Enfin, les télédétecteurs à ultrasons participent pleinement à la tendance de l'informatique de pointe. À cette fin, les capteurs eux-mêmes possèdent l'"intelligence" nécessaire qui leur permet de traiter les données localement et éventuellement de prendre des décisions (rapides) de manière autonome. Ce dernier point est important, entre autres, lorsque les capteurs sont utilisés pour faire naviguer des robots et éviter ainsi les collisions. En traitant les données localement, un robot peut être contrôlé immédiatement et les collisions qui risquent de se produire dans l'attente d'un signal du contrôleur ou du nuage peuvent être évitées.

Alors que IO-Link est un protocole de bus de terrain pour un contact point à point, les capteurs peuvent également être impliqués dans des protocoles de communication ouverts plus larges où les informations sont échangées entre les machines et les systèmes informatiques. Lorsqu'il s'agit de communiquer des données à des clouds et à des tableaux de bord IoT, les protocoles MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) et OPC UA (Open Platform Communications Unified Architecture) sont souvent utilisés.

Une fonction courante de l'informatique de pointe s'applique également aux capteurs de distance à ultrasons et implique la collecte d'un grand nombre de données et le filtrage des mesures pertinentes. Lorsque ces capteurs sont utilisés pour vérifier si tous les éléments d'une bande transporteuse sont présents, le contrôleur principal, par exemple, ne doit recevoir un signal que lorsqu'un élément est manquant. Toutes les "bonnes" mesures ne sont pas pertinentes pour lui et peuvent être supprimées dans le capteur lui-même. Cela peut représenter un soulagement considérable pour le contrôleur principal.

MQTT est une solution particulièrement adaptée lorsque l'accent est mis sur la flexibilité - par exemple, lorsque les données sont envoyées à une application mobile ou à un tableau de bord web dans le nuage. Dans le second cas, les données sont envoyées par le capteur avec un contexte, par exemple avec l'unité de mesure ou avec une note "bon" ou "mauvais". Cette solution est particulièrement adaptée lorsque les données doivent être intégrées dans un environnement de production professionnel où la fiabilité et la sécurité sont particulièrement importantes.

En collaboration avec AE Sensors, IFM, Krohne, Lauman, Sensor Partners, Sick et Turck.