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Détecteur de proximité ultrasonore

Supposons un signal ultrasonore (US) composé
de trains d'ondes à la fréquence 40KHz.
Ces trains d'ondes se propagent dans l'air à la vitesse c = 340m/s
et rencontrent une cible en mouvement à la vitesse V.

Une partie de l'énergie émise est absorbée par la cible et
une autre partie renvoyée sous forme d'écho vers l'émetteur.

Le temps Tr que met l'onde pour aller et revenir de la cible
permet de calculer la distance émetteur/cible
Indépendamment de la nature de la cible (bois, métal...)
d = c.Tr/2

La variation delta F est elle proportionnelle à la vitesse v de la cible.
C'est l'effet Doppler.
Delta F = 2vF/c

L'intensité sonore diminue de façon exponentielle avec la distance.
io.gif (754 octets)
L'amplitude de l'écho E dépend donc
de la distance émetteur/cible et du matériau
constituant la cible.

La période de répétition To détermine
la PRF (Pulse Repetitive Frequency)
Voir plus loin sur ce site la page consacrée à l'effet Doppler
(Effet Doppler)

 

DopplerUS.gif (2696 octets)


L'objectif de ce montage n'est pas de mesurer une distance précise
en calculant le temps de parcours d'un train d'ondes US,
mais simplement de détecter la présence d'un objet
situé à une "courte distance" de l'émetteur.

Un signal ultrasonore est envoyé en permanence
à l'aide d'un transducteur émetteur 40KHz.
Le signal écho est capté par un transducteur récepteur et amplifié.
La détection est active lorsque l'amplitude E
de ce signal atteint un certain seuil.

Ce phénomène d'écho est fonction de plusieurs facteurs:

- la faculté qu'a la cible d'absorber l'onde émise
-> échogénicité -> dépend du matériau
- la distance qui sépare l'émetteur de la cible
- le milieu dans lequel se propage l'onde (air, eau ...)

 

DopplerUS2.gif (2798 octets)

 

L'émetteur US

Un timer NE555 monté en astable génère un signal rectangulaire d'amplitude 12V et de fréquence 40KHz
Cette fréquence est réglable par l'ajustable PF ( multitour ).
Les deux portes Nand CMOS 4011 génèrent deux signaux rectangulaires de même fréquence mais en opposition de phase.
L'amplitude crête des signaux appliqués au transducteur émetteur est donc de 24V
Ceci est dû à l'effet capacitif de ce transducteur.

EmetteurUS.gif (3861 octets)

 

Le récepteur US

Le transducteur récepteur capte un éventuel écho à 40KHz.
Le signal issu de ce capteur est amplifié à l'aide de l'AOP A1:A
Le gain de cet étage est réglable par PG ( multitour ).
Une référence de tension symétrique (6V) est créée à l'aide du pont de résistances R6,R7 .
A la fréquence 40KHz et compte tenu du gain important souhaité,
l'ampli OP se comporte comme un filtre passe-bas.
Du signal rectangulaire de départ, ne subsiste que la fondamentale sinusoïdale.
L'amplitude de cette sinusoïde dépend  de la distance émetteur/cible.
Cette sinusoïde est redressée et filtrée de façon à obtenir une tension continue,
dont l'amplitude change en fonction de la distance avec la cible.
Le comparateur A1:B va permettre de matérialiser une détection par un état 0 ou 1.
Cet état est de plus visualisé par une LED .

RecepteurUS.gif (6473 octets)

(Le point milieu R6/R7 [+6V] est relié à US2-2 et A1:A-3)

 

Le réglage de la distance de détection se fait en agissant sur PG et PS
Une surface plane échogène sera détectée entre 50cm et 1m  sans difficulté.
(Pour des distances plus importantes il faut ajouter un étage amplificateur identique à A1:A)
Ce montage peut trés bien être utilisé comme radar de recul pour voiture.

Cette méthode de détection, si elle a l'avantage d'être simple, a néanmoins un défaut.
Des surfaces non échogènes ( tissu, liège etc...) seront détectées plus tardivement
que des surfaces fortement échogènes (métal, pierre etc...).

ProxiUS_Ty.gif (11868 octets)

Il est nécessaire de prévoir des condensateurs
de découplage sur les différents circuits intégrés.
Les deux transducteurs US
ne doivent pas se toucher.
(Typon: 5x6cm)

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