Guide des capteurs de distance

Travailler sur un projet qui interagit avec les objets autour de lui nécessite généralement de sélectionner un capteur de distance ou de détection de portée. Par exemple, vous pourriez utiliser des capteurs de distance pour la détection de présence humaine, la robotique ou des applications industrielles. L'application et l'environnement dans lesquels le projet sera déployé peuvent être un facteur déterminant significatif dans la décision de quel capteur examiner, certains ayant une performance supérieure sur d'autres options dans certaines conditions.

Types de capteurs

Selon votre application, vous choisiriez généralement parmi trois classes principales pour les capteurs de distance :

• Optique
• Électromagnétique
• Acoustique

Capteurs optiques

Les capteurs optiques fonctionnent généralement en utilisant une approche de temps de vol, mesurant le temps qu'un laser ou une autre source de lumière prend pour atteindre la cible. Certains capteurs optiques fonctionnent purement sur la quantité de lumière réfléchie. Les capteurs optiques sont plus performants dans des environnements sombres plutôt qu'en plein soleil, car il est plus difficile pour un capteur de capturer la lumière qu'il émet contre la lumière de fond. Parmi eux, les capteurs de réflectance fonctionnent généralement mieux avec des objets blancs ou de couleur claire, et la portée détectée peut varier considérablement avec la couleur de l'objet visé.

Capteurs électromagnétiques

Inductifs

Il existe une grande variété de méthodes de détection utilisées dans les capteurs électromagnétiques. Dans les applications industrielles, vous trouverez couramment des capteurs à inductance utilisés pour la détection de proximité. À mesure qu'un objet métallique se rapproche, il désaccorde la bobine du capteur, ce qui peut être utilisé pour mesurer la proximité, bien que généralement avec une portée très limitée.

Capacitifs

Les capteurs capacitifs sont probablement les capteurs de distance avec lesquels vous interagissez le plus. Chaque fois que vous interagissez avec l'écran tactile de votre téléphone, vous utilisez un capteur de distance capacitif. Les capteurs tactiles/proximité capacitifs sont des capteurs à très courte portée qui manquent de la capacité de mesurer des distances exactes. Vous ne trouverez pas de capteur de distance capacitif préfabriqué comme vous le feriez avec d'autres types de capteurs, à la place, vous trouverez un CI que vous devez connecter à quelques composants et à une plaque (trace de PCB, remplissage de polygone, ou externe) qui agira comme le condensateur, selon la portée de détection requise.

Radar

L'utilisation des ondes radio dans les capteurs basés sur le radar peut vous offrir des portées très longues et des mesures incroyablement précises. Lorsqu'on mentionne le radar, on pense aux installations de radar coûtant des millions de dollars pour la météo, le contrôle du trafic aérien, ou similaires, avec d'énormes réseaux d'antennes ou des paraboles dans un dôme, mais vous pouvez obtenir un capteur radar complet dans un paquet de taille et de prix similaires aux autres capteurs discutés dans ce guide.

Capteurs Acoustiques

Les capteurs acoustiques, tels que le sonar, fonctionnent presque exclusivement dans la gamme des ultrasons. S'ils fonctionnaient dans une gamme audible par les humains, ils émettraient constamment un bourdonnement, nous rendant fous lors de leur utilisation. Les capteurs à ultrasons que vous connaissez probablement le mieux sont les aides au stationnement des voitures qui bipent lorsque la voiture pense que vous êtes trop proche de quelque chose. Les principaux inconvénients des capteurs ultrasoniques sont la performance réduite dans des conditions venteuses, et la capacité limitée à utiliser plusieurs capteurs utilisant la même fréquence en même temps. De plus, l'objet détecté doit être approximativement perpendiculaire au capteur.

Considérations de Sélection

Lors de la sélection d'un capteur de distance, il y a quelques critères que vous devrez considérer :

• Portée requise
• Environnement
• Champ de vision
• Boîtier/Enclosure
• Protocole/Interface

Probablement, votre considération principale sera la portée de détection, à la fois minimum et maximum. Certaines applications, comme le capteur de proximité qui éteint l'écran de votre téléphone pendant les appels, peuvent simplement avoir besoin de savoir que quelque chose est à portée, tandis que d'autres pourraient vouloir connaître une distance précise. Vous trouverez des capteurs optiques capables de mesurer d'environ cinq millimètres jusqu'à environ 40 mètres, offrant la gamme la plus diversifiée de possibilités parmi toutes les technologies possibles. Les capteurs capacitifs et inductifs sont généralement limités à des dizaines de millimètres et les capteurs ultrasoniques fonctionnent de dizaines de millimètres à quelques mètres.

Comme mentionné précédemment, certains capteurs ont des limitations environnementales au-delà des plages de température typiques qui s'appliquent à la plupart des composants électroniques. Principalement, cela s'applique aux capteurs optiques, qui peuvent être affectés par une lumière ambiante brillante ou par la lumière dirigée vers le capteur lui-même.

La plupart des capteurs ont une portée de détection en forme de cône, ce qui peut ne pas être un problème pour votre application, mais devrait être gardé à l'esprit. Typiquement, un capteur à longue portée a un champ de vision plus étroit. Comme la plupart des modèles de rayonnement électromagnétique, la portée maximale est typiquement juste en face du capteur, avec une diminution plus vous approchez du champ de vision maximal. Si vous recherchez une détection de présence dans une large zone autour de votre dispositif ou dans une zone très étroite, cela pourrait être critique pour votre application.

Plage de détection du Parallax Ping))) (d'après la fiche technique)

Si le capteur que vous construisez doit être placé sur une carte à l'intérieur d'un boîtier, cela pourrait fortement influencer votre choix. Les capteurs optiques nécessiteront généralement une fenêtre transparente aux infrarouges pour « voir » à travers, ce qui pourrait être très limitatif pour la conception du boîtier. Les capteurs radar, capacitifs et inductifs doivent pouvoir émettre des ondes électromagnétiques, ce qui signifie généralement que vous ne pourrez pas utiliser de métal et devrez recourir à une ouverture en plastique ou en fibre de verre d'une certaine sorte. Les capteurs à ultrasons doivent presque toujours être complètement exposés. Bien que certains disposent de couvertures intégrées, il est probable que vous ne pourrez pas placer de type de boîtier sur le capteur.

De nombreux capteurs de télémétrie ont une sortie analogique qui est soit ratiométrique, soit dans une plage fixe. Les capteurs plus modernes utilisent SPI, I2C, ou offrent une gamme d'interfaces. Si vous utilisez le capteur pour la simple détection d'un objet entrant dans sa portée, une sortie analogique peut être utilisée avec quelques circuits de base pour générer une interruption pour un microcontrôleur en veille. D'autre part, les protocoles numériques permettent une détection de distance plus précise, car ils effectueront la conversion en interne contre une formule pour la réponse de l'appareil qui est plus précise ou complexe que ce que vous pourriez obtenir dans une fiche technique ou utiliser sur un microcontrôleur.

Suggestions de composants

Optique

Série VL53 de ST Microelectronics

(jusqu'à 2 mètres) (jusqu'à 4 mètres)

La série Sharp GP2Y0A de capteurs de distance à réflectance infrarouge a longtemps été la référence pour les capteurs optiques à faible coût, mais la nouvelle pièce de ST la détrône facilement. J'ai utilisé les capteurs Sharp dans de nombreux projets, mais j'utiliserai désormais la série VL53 pour tout ce pour quoi j'aurais utilisé les capteurs Sharp auparavant. Ce sont des capteurs petits et économiques qui fonctionnent derrière le verre, comme celui que vous trouveriez dans un smartphone, et utilisent la mesure de phase plutôt que la réflectance. Comme mentionné précédemment, la réflectance est un véritable défi pour obtenir des mesures précises, car un objet plus sombre aura moins de réflectance et semblera donc plus éloigné qu'un objet blanc à la même distance. En utilisant le temps de vol à la place, ces capteurs sont capables de mesurer précisément les objets indépendamment de leur couleur ou de leur nuance, les rendant bien plus fiables. Comme ils ne peuvent fonctionner que sur le laser infrarouge réfléchi par l'objet, la lumière ambiante brillante qui comprend une composante IR (comme la lumière du soleil) peut réduire la portée effective de ces capteurs.

Ces capteurs sont très populaires, comme vous le verrez grâce au grand nombre d'options de cartes d'extension dans les liens ci-dessus. De plus, si vous avez besoin d'une détection à très courte portée, il y a aussi le capteur VL61 capable de lire un maximum de 100 millimètres.

Inductif

Série GX de Panasonic

La série Panasonic GX est une série d'interrupteurs de proximité inductifs qui offrent une gamme de distances de commutation. Je préfère cette série aux capteurs chinois bon marché et à d'autres marques occidentales car elle offre la répétabilité et la précision supérieures nécessaires pour l'équipement industriel. Elle est plus chère que d'autres alternatives, mais pour mes applications, la précision est bien plus importante. Vous pourriez utiliser l'un de ces capteurs dans tout ce qui est lié au CNC pour le positionnement sans contact ou les interrupteurs de limite, pour compter les dents d'un engrenage comme moyen de codage, ou pour le nivellement du lit d'une imprimante 3D.

TI LDC1101

Si vous ne recherchez pas un interrupteur sans contact, alors le TI LDC1101 vous permet de construire le capteur dont vous avez besoin. Attachez une bobine et quelques composants passifs et vous pouvez rapidement détecter la taille ou la distance d'un objet métallique. Vous pouvez également construire des encodeurs rotatifs à très haute résolution qui fonctionnent bien dans des conditions huileuses ou mesurer des micromètres de déplacement pour un objet métallique à l'intérieur du champ d'inductance de votre bobine.

Capacitif

Si vous avez un microcontrôleur, vous pouvez mesurer les changements de capacité de manière assez rudimentaire avec juste deux broches, une résistance et une grande surface de cuivre.

TI FDC1004Q

Si vous cherchez quelque chose de plus précis (beaucoup plus !) que la méthode rudimentaire, le convertisseur de capacité en numérique de TI est un moyen rentable de construire votre propre capteur de proximité capacitif. Comme pour la partie inductive ci-dessus, cela vous permet de construire un circuit selon les besoins, en utilisant une plaque capacitive plutôt qu'une bobine. Avec un capteur capacitif, vous pouvez mesurer des changements de distance en microns, ou juste le fait qu'un humain est à proximité. Les capteurs capacitifs sont excellents pour allumer un affichage ou une interface lorsque une main humaine s'en approche. Le système de navigation de ma voiture utilise très bien la détection de proximité capacitive en affichant uniquement les boutons de l'interface utilisateur en bas de l'écran lorsque votre main est proche, sinon, la carte occupe tout l'affichage.

Radar

Acconeer A111

J'ai découvert ce bijou il y a quelques mois, et il s'avère qu'il est en développement depuis longtemps et qu'ils ont consacré beaucoup de travail au développement d'une unité radar aussi petite. La portée utilisable est limitée à environ deux mètres et une distance minimale de 60 millimètres, cependant, il offre une précision absolue au millimètre avec une précision relative bien inférieure à cela. Comme il utilise le radar, vous pouvez le cacher derrière un boîtier en plastique ou en fibre de verre sans aucun signe extérieur visible de la présence d'un capteur. Si vous construisez des appareils électroniques portables ou des dispositifs interactifs, cette caractéristique permet un aspect épuré. Ce capteur est celui que je suis très désireux d'utiliser dans les projets à venir !

Ultrason

Capteurs Maxbotix

La gamme de capteurs ultrasoniques de Maxbotix est la norme de l'industrie depuis de nombreuses années pour de bonnes raisons. Ils sont à la fois faciles à utiliser et relativement précis, et il existe une gamme d'options offrant de nombreuses distances de détection et champs de vision. Avec juste un seul transducteur ultrasonique, ils sont plus faciles à intégrer dans un produit que les modules à double transducteur légèrement moins chers tels que les unités Parallax Ping.

Il existe une grande variété de capteurs de distance adaptés à une encore plus grande variété d'applications. Chacun d'entre eux a ses avantages et inconvénients, et j'espère que cet article vous a donné suffisamment d'aperçus pour déterminer lequel convient le mieux à votre application. Si vous avez trouvé cet article utile, n'hésitez pas à consulter certains de mes autres articles sur le blog, qui discutent d'autres aspects de la construction de produits électroniques.

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