Fonctionnement d’un capteur de distance à ultrasons
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Un capteur de distance à ultrasons émet une brève impulsion sonore au-dessus de 20 kHz, chronomètre le retour de l’écho depuis la cible et convertit ce temps en distance : distance = vitesse du son × temps ÷ 2. Dans l’air à 20 °C, le son se propage à environ 343 m/s.
Temps de vol
Le transducteur est un élément piézoélectrique qui émet et écoute. Il est excité pendant quelques cycles à sa fréquence de résonance, typiquement 40 kHz pour les capteurs à longue portée dans l’air, puis passe en réception. Le contrôleur mesure le temps entre l’impulsion et le premier écho au-dessus d’un seuil.
Le son fait l’aller-retour jusqu’à la cible : la distance simple est donc la moitié du trajet. Un écho de 10 ms dans l’air à 20 °C donne 343 m/s × 0,010 s ÷ 2 ≈ 1,72 m.
Pourquoi la température compte
La vitesse du son dans l’air augmente d’environ 0,6 m/s par degré Celsius. Entre 0 °C et 40 °C, elle varie d’environ 7 %, soit une erreur de 7 cm à 1 m. Les bons capteurs mesurent la température de l’air et corrigent le résultat. La fiche technique indique si un modèle est compensé en température.
Zone morte
Après l’émission, le transducteur continue de vibrer un court instant et ne peut pas entendre d’écho. Toute cible plus proche que cette zone morte n’est pas mesurée, ou est indiquée à la distance de la zone morte. Les sondes étanches scellées vibrent en général plus longtemps : leur zone morte est donc plus grande que celle des modules ouverts.
Angle de faisceau
Le son part en cône. Un faisceau étroit porte plus loin et ignore les parois à côté de la cible, ce qui convient aux cuves et aux puits. Un faisceau large couvre plus d’espace, ce qui convient à l’évitement d’obstacles des robots et des véhicules. L’angle de faisceau de la fiche technique est en général mesuré au point à −3 dB ou −6 dB.
Cibles bien ou mal mesurées
- Bien : surfaces planes et dures face au capteur, comme l’eau, les murs, les caisses et les véhicules
- Plus difficile : matériaux mous qui absorbent le son, comme la mousse, le tissu et la neige poudreuse
- Plus difficile : surfaces très inclinées qui renvoient l’écho ailleurs
- Plus difficile : cibles très petites ou fines, comme les fils et les branches
Choisir une sortie
Les modules UART envoient la distance dans une trame numérique, facile à lire depuis un microcontrôleur. Les sorties PWM codent la distance dans la largeur d’impulsion. Le RS485 avec Modbus convient aux câbles longs et à plusieurs capteurs sur un même bus. Les sorties TOR changent simplement d’état à une distance donnée, et le 4 à 20 mA convient aux automates industriels.