L’avenir de la technologie des capteurs : tendances émergentes et innovations

Les équipements modernes équipés de capteurs éliminent le besoin d’appuyer manuellement sur des boutons, fonctionnant de manière autonome en fonction des entrées des capteurs.
Les capteurs font partie intégrante de presque tous les dispositifs électroniques qui aident les humains dans leurs activités quotidiennes. Ils peuvent surveiller les signes vitaux du corps humain et détecter des anomalies. Dans les automobiles, ils peuvent contribuer à la conduite autonome en reconnaissant les panneaux de signalisation, en détectant les obstacles et en avertissant en cas de sortie de voie. À l’avenir, les capteurs permettront aux utilisateurs d’interagir simplement avec tous les dispositifs intelligents. Cet article fournit un aperçu des tendances émergentes et des applications futuristes des capteurs dans des domaines tels que l’automobile, la santé et la robotique industrielle, ainsi que de leurs avancées en termes d’opérations et de sécurité.

Perception sensorielle, comme les sens naturels de l’homme

Les concepteurs créent des solutions de détection pour simplifier l’interaction humaine avec les dispositifs. Différents capteurs sont combinés à un logiciel de pointe pour créer une image du monde réel. En fusionnant plusieurs capteurs intelligents en un seul système intelligent, les solutions de détection permettent aux utilisateurs d’interagir sans effort avec les dispositifs.

Figure 1 : Solutions de détection imitant les sens humains

Ouïe/Microphone intelligent

L’oreille humaine peut distinguer jusqu’à 400 000 sons, dix octaves et 7 000 tonalités. Les microphones MEMS donnent des oreilles intelligentes aux dispositifs audio et à commande vocale. Le microphone de nouvelle génération présente un bruit propre ultra faible (SNR élevé), des distorsions extrêmement faibles (THD) même à des niveaux de pression acoustique (SPL) élevés, une adaptation de phase et de sensibilité composant à composant très étroite, une réponse en fréquence plate avec un LFRO (atténuation des basses fréquences) faible et un retard de groupe ultra-faible. Ces microphones ont des modes d’alimentation sélectionnables et sont de petite taille.

Odorat/Capteur de CO₂

Plus de 400 récepteurs détectent plus de 10 000 parfums et odeurs. Les capteurs de dioxyde de carbone fonctionnent avec la technologie de spectroscopie photoacoustique (SPA) pour fournir un équipement compact et entièrement fonctionnel, surmontant les défis des détecteurs de gaz CO2 existants. Le module de détection de CO2 SPA intègre un transducteur SPA, un microcontrôleur et un MOSFET sur le PCB.

Vue (capteurs d’image 3D ToF/capteurs radar)

Les capteurs d’image Temps de vol (ToF) permettent aux dispositifs électroniques d’acquérir une véritable carte 3D de la scène devant le dispositif. L’environnement, les objets et les personnes sont transformés en espace numérique en temps réel. Les algorithmes utilisent ces données pour mesurer les distances et les tailles, suivre les mouvements et convertir la forme des objets en modèles 3D. Les concepteurs créent des produits qui s’intègrent parfaitement dans les modules de caméra ToF 3D les plus miniatures, mesurant avec précision la profondeur à courte et longue portée avec une consommation d’énergie minimale.

Les capteurs radar offrent de nombreux avantages par rapport à la technologie infrarouge passive (PIR) dans les applications de détection des mouvements. Ceux-ci incluent une plus grande précision et une mesure plus précise des objets détectés, ouvrant la voie à de nouvelles capacités de détection de vitesse et de détection de mouvement. Ils peuvent fonctionner dans des conditions environnementales difficiles comme la pluie, la neige, le brouillard, la poussière, etc. Les modèles avancés sont suffisamment sensibles pour capturer la respiration et les battements cardiaques, car le radar peut détecter la présence de fonctions vitales.

Toucher (capteurs tactiles)

Les capteurs tactiles utilisent plusieurs méthodes, telles que le film résistif, les ondes acoustiques de surface capacitives, infrarouges ou ultrasoniques, et l’induction électromagnétique. Le panneau tactile est l’assemblage d’un composant d’entrée (panneau tactile) et d’un composant de sortie (affichage). Découvrez les capteurs proposés par Farnell, adaptés pour répondre à différentes exigences et spécifications – Microphones,capteurs de débit,capteurs d’images 3D ToF,capteurs radar et capteurs tactiles.

Des capteurs automobiles pour une mobilité fiable

Les constructeurs équipent généralement les voitures modernes d’un ensemble de capteurs. Ces capteurs obtiennent et affichent des informations sur le tableau de bord, comme la pression des pneus, le niveau de carburant et la température du moteur. Quelques autres capteurs maintiennent l’efficacité du véhicule en surveillant les informations sur la position des composants du moteur, la vitesse des roues pour contrôler la traction ou les systèmes de freinage antiblocage, et la température de l’air interne et externe pour maintenir l’habitacle confortable, entre autres. Les constructeurs peuvent intégrer plusieurs capteurs dans la conception de leur véhicule pour rendre leurs voitures plus sûres, plus fiables, plus efficaces et plus confortables.

Les capteurs d’aujourd’hui fournissent également des informations détaillées. Les technologies basées sur la vision, de plus en plus utilisées pour les solutions de conduite automatisée, nécessitent une bande passante élevée et des temps de réponse rapides pour des raisons de sécurité et de réactivité. Les automobiles modernes intègrent plusieurs nouvelles technologies pour une mobilité plus intelligente. Parmi ces technologies, on trouve :

LiDAR (détection et télémétrie par ondes lumineuses)

Les scanners LiDAR sont des composants essentiels des systèmes prototypes pour véhicules autonomes et des systèmes actuels de régulateur de vitesse adaptatif (ACC), de systèmes d’évitement de collision, de reconnaissance des panneaux de signalisation, de détection des angles morts et d’avertissement de sortie de voie. Les systèmes basés sur LiDAR peuvent fonctionner sans leurs capteurs : ils sont les « yeux » du système.

Figure 2 : Application des capteurs avec technologie LiDAR dans les voitures

La technologie LiDAR nécessite des systèmes de capteurs indépendants équipés de fonctionnalités de sécurité et environnementales, comme le montre la figure 2. Par exemple, les unités doivent être conçues pour des températures de fonctionnement de -40 à 125°C (-40 à 257°F) pour contrecarrer la chaleur des autres composants du système et de l’environnement externe. Les capteurs doivent posséder un rapport signal/bruit optimal pour détecter le signal à travers tout arrière-plan gênant. Étant donné que les détecteurs optiques doivent gérer différents niveaux de lumière environnementale, les capteurs de ces détecteurs doivent posséder une large plage dynamique. Pour en savoir plus sur la technologie LiDAR, cliquez ici.

Catégorie produit : Capteurs LiDAR

Les capteurs permettent une navigation autonome dans les avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (VTOL)

Les eVTOL alimentés par batterie constituent une nouvelle classe d’avions, comme le montre la figure 3. Il s’agit d’un croisement entre un véhicule de tourisme électrique et un drone surdimensionné doté d’un intérieur semblable à celui d’une automobile de luxe. Les experts de l’aviation s’attendent à ce que les eVTOL volent comme des hélicoptères, avec des systèmes de contrôle activés par des capteurs auxquels les pilotes chevronnés sont familiers. Des capteurs inertiels sont nécessaires pour surveiller les commandes de vol du prototype et les caractéristiques de vol telles que les valeurs de tangage, de roulis et de vitesse angulaire. Vous pouvez utiliser des capteurs pour mesurer la poussée, les vibrations, la déformation et la caractérisation de la charge de l’hélice.

Catégorie produit : Capteurs inertiels,Accéléromètres,Gyromètres

Figure 3 : Avion électrique à décollage et atterrissage vertical (eVTOL)

Capteurs pour l’automatisation utilisant des robots industriels et sécurité humaine

Les applications robotiques nécessitent que des éléments de détection précis soient intégrés dans l’équipement pour relever efficacement divers défis. Par exemple, les systèmes de détection doivent identifier la présence humaine pour les applications collaboratives, évitant ainsi d’éventuelles collisions entre le robot et les travailleurs à proximité. Des technologies de capteurs sophistiquées sont une condition essentielle pour y parvenir.Les capteurs de couple mesurent le couple mécanique au niveau du joint de rotation sur un robot collaboratif (cobot), détectent les conditions de défaillance ou de surcharge et préviennent les blessures et les pannes potentielles du cobot. De plus, les capteurs peuvent être utilisés dans des équipements tels que les barrières immatérielles, qui arrêtent les machines lorsque des personnes pénètrent dans des zones critiques, et les capteurs numériques de lumière ambiante et de proximité (APD) peuvent servir d’yeux artificiels dans les scanners laser. Les capteurs peuvent également être utilisés pour surveiller l’environnement d’un robot pour la détection d’objets, la capacité de charge et les forces de préhension qui contribuent à garantir un fonctionnement sûr, fiable et efficace sur le lieu de travail.Les capteurs de mouvement infrarouges pyroélectriques sont un concept de conception unique caractérisé par un boîtier compact, à haute sensibilité et intégré à un circuit. Une gamme diversifiée d’objectifs et des types à faible consommation de courant sont disponibles. Intégrer davantage de capteurs dans les robots contribuera à augmenter la disponibilité et à optimiser les calendriers de maintenance. Pour en savoir plus sur les capteurs industriels, cliquez ici.

Catégorie produit : Capteurs de couple,capteurs numériques de lumière ambiante et de proximité (APD),capteurs de mouvement infrarouges pyroélectriques

Figure 4 : Unité d’automatisation industrielle avec robots et capteurs

Dans l’automatisation industrielle, des capteurs de base surveillent le fonctionnement de la machine et d’autres tâches de routine. De plus, la fabrication moderne comprend des capteurs sophistiqués (position et vitesse, ToF et RADAR, pression, image CMOS, et capteurs de courant ou microphones MEMS) pour simplifier le processus de production. Les chaînes d’assemblage des usines intelligentes peuvent détecter divers aspects tels que la distance, la taille, la forme, la composition et la surface d’un objet à fabriquer et suivre avec précision les mouvements. Malgré l’avantage des capacités des capteurs à faible coût, il existe une raison de ne pas intégrer une gamme de capteurs dans les robots pour surveiller leur état de santé. Surveiller l’ensemble de ces capteurs est un défi. Une augmentation de la température, des mouvements saccadés et une consommation d’énergie plus élevée peuvent laisser présager une défaillance des roulements ou de la boîte de vitesses. Les capteurs permettent de surveiller la consommation d’énergie électrique et de déclencher des actions pour rendre les usines plus économes en énergie. Si l’équipement souffre d’une panne électrique en raison d’un court-circuit, cela déclenche une interruption de l’alimentation électrique pour éviter d’endommager l’usine.

Faire progresser la technologie de détection d’image automobile

Les systèmes automobiles actuels alertent les conducteurs dans des situations telles que les sorties de voie, la détection d’objets à proximité ou de voitures dans des angles morts et le maintien de la vitesse et de la distance en mode croisière sur l’autoroute. Les capteurs d’images automobiles rendent possibles ces fonctions de sécurité.

De nombreuses conceptions de capteurs utilisent la technologie de pixels à gain double et fonctionnent dans la plage dynamique élevée (HDR) pour améliorer les fonctionnalités des systèmes avancés d’aide à la conduite (ADAS) dans les applications automobiles. Les capteurs d’image modernes utilisent la technologie de division de pixels basée sur des sous-pixels grands et petits pour produire des images HDR (High Dynamic Range), par lesquelles la zone du capteur dédiée à un seul pixel est divisée en deux parties : une photodiode plus grande qui couvre la majeure partie de la zone et une photodiode plus petite qui utilise le reste. Cependant, il peut se produire une dégradation de la qualité de l’image, un bruit d’obscurité plus élevé, des performances réduites et d’autres inconvénients au niveau des pixels divisés, en particulier à des températures plus élevées.

Figure 5 : Comparaison entre les techniques de pixels divisés et d’exposition multiple

Une alternative à l’approche avec pixels divisés est l’exposition multiple, dans laquelle un espace supplémentaire est alloué aux pixels pour s’adapter aux débordements potentiels de signaux ou de charges importants. Cette méthode revient à utiliser un seau pour récupérer les gouttes de pluie, mais avec un bassin plus grand pour retenir l’eau si le seau déborde. Le signal correspondant au « seau » peut facilement être lu avec une grande précision, ce qui permet d’obtenir d’excellentes performances dans des conditions de faible luminosité, et le bassin de trop-plein contient tout ce qui a débordé, étendant ainsi la plage dynamique et la capacité de capturer des objets lumineux et des scènes en vraies couleurs. La figure 6 compare les deux techniques d’exposition.

Catégorie produit : Capteurs d’images

Conclusion

Les capteurs sont tous prêts à révolutionner les unités de mesure, en leur fournissant l’intelligence nécessaire pour s’autosurveiller, transmettre des diagnostics d’état au système d’exploitation et créer un réseau de données de mesure et d’étalonnage fiable. La maintenance prédictive des machines et des équipements deviendra de plus en plus efficace, accessible et abordable, améliorant ainsi la disponibilité. À l’avenir, la maintenance s’appuiera sur des capteurs, au lieu d’être réalisée par des ressources humaines, selon un calendrier adapté aux besoins. Il y aura une navigation autonome des véhicules aériens et la connectivité sera sans fil sur de longues distances avec une alimentation électrique intégrée. Les capteurs auront des capacités d’autoapprentissage tout au long de leur durée de vie, sans maintenance, modifications ou étalonnage. Ils permettront également de mieux comprendre le comportement humain, façonnant les attentes en matière de qualité de l’air, de déplacements, d’entretien automobile, de style de vie, d’assurance, de consommation d’énergie, etc. Les nouveaux systèmes LiDAR équiperont les véhicules autonomes d’une véritable « vision ».