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Qu’est-ce qu’un capteur à ultrasons ?

Un capteur à ultrasons, ultrasonic sensor en anglais, est un dispositif qui utilise des ondes ultrasoniques pour mesurer la distance d’un objet.

Le terme “ultrason” est un terme générique désignant les sons qui ont une fréquence élevée et ne peuvent être entendus par l’homme. L’oreille humaine peut détecter des fréquences comprises entre 20 Hz et 20 000 Hz mais les sons de fréquences plus élevées sont appelés ultrasons.

Les capteurs à ultrasons génèrent des ondes ultrasoniques et mesurent la distance en détectant les ondes sonores réfléchies. Ces dernières années, ils sont devenus plus petits, plus légers et moins chers et sont donc largement utilisés.

Utilisations des capteurs à ultrasons

Les capteurs à ultrasons sont largement utilisés dans les secteurs domestiques et industriels.

Dans les secteurs domestiques, l’avantage de la mesure de distance sans contact est utilisé dans les télémètres de véhicules et les serviettes à jet. Les télémètres embarqués gagnent rapidement en popularité en raison de l’obligation de freinage avec réduction des dommages en cas de collision.

Les utilisations industrielles comprennent les jauges de niveau pour les réservoirs de drainage et les réservoirs de stockage de produits chimiques. Ils sont souvent utilisés pour les liquides hautement corrosifs.

Les détecteurs de poissons utilisent également des capteurs à ultrasons. Il s’agit d’une application de longue date des capteurs à ultrasons.

Principe des capteurs à ultrasons

Les capteurs à ultrasons mesurent la distance en transmettant des ondes ultrasoniques et en détectant les ondes réfléchies.

La vitesse du son est déterminée par l’atmosphère dans laquelle il se propage. Elle est estimée à environ 340 m/s dans l’air et 1 500 m/s dans l’eau. Si l’atmosphère de propagation est connue, la distance peut être convertie en mesurant le temps nécessaire aux ondes réfléchies pour atteindre l’élément récepteur.

Le principal composant d’un capteur à ultrasons est un élément piézoélectrique. Les éléments piézoélectriques convertissent l’énergie électrique en énergie de pression, qui est convertie en énergie électrique lorsqu’une pression est appliquée.

L’élément piézoélectrique remplit donc à la fois des fonctions d’émission et de réception. Il convertit le signal électrique d’entrée en ondes ultrasoniques, détecte les ondes réfléchies et émet un signal électrique.

En principe, les avantages et les inconvénients des capteurs à ultrasons sont les suivants

Avantages des capteurs à ultrasons

• Détection sans contact de la distance des objets.
• Détection des objets même s’ils sont transparents, comme le verre.
• Passage même s’il y a de la saleté ou de la poussière entre l’objet et le capteur.
• La vitesse des ondes ultrasoniques est élevée, de sorte que l’objet peut être détecté même s’il est en mouvement.

Inconvénients des capteurs à ultrasons

• Ils sont facilement influencés par la température et le vent.
• Les objets mous et bosselés ne peuvent pas être détectés.

La principale caractéristique des capteurs à ultrasons est qu’ils peuvent mesurer des distances sans contact. Ils sont principalement utilisés lorsqu’une mesure sans contact est nécessaire.

Autres informations sur les capteurs à ultrasons

1. Comment utiliser les capteurs à ultrasons

Les capteurs à ultrasons disponibles dans le commerce sont vendus en tant que transmetteurs à circuit analogique. Le signal de sortie est un signal analogique avec une norme établie, telle que 4-20 mA. Cela peut également être une sortie source si une alimentation auxiliaire est fournie.

Ils sont également vendus sous forme de modules et peuvent être connectés à de petits ordinateurs tels que Raspberry Pi et PIC avec une bonne compatibilité. Si elle est amplifiée à l’aide d’un simple amplificateur tampon, la forme d’onde peut être moulée et connectée à des E/S.

Le côté émetteur consomme également très peu d’énergie et peut être connecté directement à la borne de sortie, via un atténuateur.

Le capteur nécessite un émetteur et un récepteur par paires. Toutefois, comme l’élément émetteur d’un capteur à ultrasons fait également office d’élément récepteur, un seul élément peut émettre et recevoir. Cela simplifie le circuit lui-même.

Il convient de noter que les éléments émetteur et récepteur doivent être installés séparément lorsqu’ils sont utilisés en mode de transmission.

2. Circuits utilisant des capteurs à ultrasons

La tension d’entraînement de l’élément émetteur du capteur à ultrasons est généralement de plusieurs volts, de sorte qu’il peut être connecté directement aux bornes d’E/S de l’unité centrale.

Lorsque le signal reçu est utilisé dans un circuit numérique, il est converti en signal numérique par un amplificateur tampon, un détecteur et un comparateur avant que l’unité centrale n’effectue le traitement arithmétique.

Notez que la fréquence de résonance des capteurs à ultrasons généraux est de 40 kHz.

3. Précision des capteurs à ultrasons

L’on considère généralement que la précision d’un capteur à ultrasons est de l’ordre de la longueur d’onde. Lorsque des ondes ultrasoniques de 40 kHz sont utilisées, la précision est d’environ 10 mm.

En effet, la forme d’onde des impulsions ultrasoniques renvoyées à l’élément récepteur varie dans les valeurs de mesure en fonction de la forme de l’objet et d’autres facteurs. La précision peut être augmentée en optimisant le point de détection de l’impulsion de l’onde réfléchie.

Qu’est-ce qu’un multimètre numérique ?

Les multimètres numériques sont des appareils qui mesurent généralement les caractéristiques électriques de base telles que la tension continue, la tension alternative, le courant continu et la résistance. Les voltmètres, ampèremètres et résistances classiques disposent d’un affichage analogique dans lequel l’aiguille du compteur indique la valeur mesurée. L’on parle ici de multimètres numériques car ils disposent de plusieurs fonctions de mesure et d’un affichage numérique de trois à huit chiffres. Des modèles dotés de fonctions de mesure étendues, telles que la capacité électrostatique, la fréquence du courant alternatif et la température, sont également disponibles.

Les modèles compacts, petits, légers et adaptés à une utilisation sur les chantiers de construction sont également appelés testeurs numériques. Le nombre de chiffres affichés est d’environ quatre et la précision de mesure est généralement de 0,05-0,1 % pour les tensions continues et de 0,5-1 % pour les tensions alternatives. Bien que la précision soit insuffisante pour des mesures précises en laboratoire, ils sont faciles à utiliser pour des utilisations extérieures. Des modèles dotés d’une construction robuste pour résister aux chutes sont également disponibles pour ce type d’utilisation.

Utilisations des multimètres numériques

Les multimètres numériques sont utilisés dans diverses situations, notamment pour les mesures en laboratoire, le réglage électrique des produits sur les chaînes de production en usine et les inspections de construction et de maintenance des équipements électriques.

Ils sont souvent intégrés dans les équipements de réception et les panneaux de contrôle de l’énergie. Dans ce cas, outre les paramètres de base tels que le courant, la tension et la résistance, certains ont des fonctions intégrées pour mesurer la capacité, la fréquence et la température.

Outre les utilisations spécialisées décrites ci-dessus, des versions bon marché sont également disponibles pour une utilisation dans la construction électronique domestique générale.

Principe des multimètres numériques

Le cœur d’un multimètre numérique est constitué d’un convertisseur A/N haute précision/haute résolution et d’un processeur qui calcule les valeurs mesurées sur la base de la sortie numérique.

1. Mesure de la tension continue

La tension entre les deux sondes est convertie en une tension dans la plage dynamique par un amplificateur ou un atténuateur qui amplifie ou atténue la tension d’entrée vers le convertisseur A/N. Il émet une valeur numérique correspondant à la tension d’entrée, ensuite utilisée par le processeur pour calculer la valeur mesurée. Le processeur calcule la tension entre les sondes sur la base de la valeur numérique, du gain de l’amplificateur et de l’atténuation de l’atténuateur, et affiche la valeur de la tension continue sur l’unité d’affichage.

2. Mesure de la tension alternative

La tension alternative est convertie en tension continue par le biais d’un circuit redresseur et entre ensuite dans un convertisseur A/N. Elle y est traitée de la même manière que la tension continue et la valeur de la tension alternative est affichée sur l’unité d’affichage.

3. Mesure de la résistance

Un courant constant est appliqué à la résistance à mesurer par l’intermédiaire de deux sondes provenant de l’alimentation à courant constant intégrée au multimètres numériques. La tension continue apparaissant aux deux extrémités des sondes est introduite dans le convertisseur A/N pour mesurer la tension aux deux extrémités de la résistance à mesurer. À partir de cette valeur de tension et de la valeur du courant de l’alimentation à courant constant, le processeur calcule la valeur de la résistance à mesurer.

4. Mesure du courant

Pour mesurer le courant continu, la tension aux deux extrémités de la microrésistance générée par le courant à mesurer traversant la microrésistance dans le multimètre numérique est entrée dans un convertisseur A/N. Le processeur calcule la valeur du courant à partir de la valeur de sortie du convertisseur A/N et affiche la valeur du courant sur l’unité d’affichage. Pour le courant alternatif, la tension alternative aux deux extrémités de la microrésistance est convertie en tension continue par un circuit redresseur et introduite dans le convertisseur A/N.

5. Convertisseur A/N

Le convertisseur A/N d’un multimètre numérique nécessite une très haute résolution, par exemple 24 bits ou plus pour un affichage à sept chiffres. C’est pourquoi l’on utilise généralement un type à double intégrale. Le temps nécessaire à la conversion est donc relativement long, et le mieux que l’on puisse faire est de réaliser plusieurs mesures par seconde. Il est toutefois possible de raccourcir le temps de mesure en réduisant le nombre de chiffres affichés et en réduisant le temps de conversion du convertisseur analogique-numérique.

Comment utiliser un multimètre numérique

Le multimètre numérique peut être utilisé aux fins suivantes :

1. Mesurer la tension et le courant

Avec le multimètre numérique, connectez le système à mesurer entre les deux bornes d’entrée Hi et Lo. Lors de la mesure de la tension continue, connectez la borne Hi au côté haute tension et la borne Lo au côté tension constante, et la tension du côté de la borne Hi est affichée en référence au potentiel du côté de la borne Lo. Lors de la mesure du courant continu, si le courant à mesurer entre par la borne Hi et sort par la borne Lo, la valeur du courant est affichée comme positive, et dans la direction opposée comme négative. Il n’est pas nécessaire de tenir compte de la polarité lors de la mesure de la tension, du courant ou de la résistance en courant alternatif.

2. Réglage de la plage de mesure

Si la tension ou le courant se situe dans la plage d’entrée maximale, la fonction AutoRange passe automatiquement à la plage optimale, de sorte qu’en général, il n’est pas nécessaire de rechercher la plage optimale.

3. Influence sur le circuit testé

La connexion d’un multimètre numérique peut affecter le système en cours de mesure et provoquer des fluctuations dans les valeurs mesurées. Par exemple, si un multimètre numérique est connecté à un circuit présentant une impédance très élevée, comme lors de la mesure de la tension de sortie d’un capteur optique dans un environnement sombre, son impédance interne peut charger le système de mesure. Cela se traduit par une valeur inférieure à la tension de sortie d’origine.

De même, lors de la mesure du courant d’un circuit à faible impédance, la résistance infime pour la détection de la tension dans le multimètre numérique peut entraîner des erreurs non négligeables dans le circuit mesuré. Par conséquent, il convient de prendre en considération l’influence du multimètre numérique sur le circuit mesuré avant de décider d’utiliser ou non le multimètre numérique.

4. Mesure de faibles résistances

Il existe des multimètres numériques capables d’effectuer des mesures à 4 bornes pour la mesure de la résistance. Comme l’indique le terme “quatre bornes”, le multimètre se compose d’une alimentation à courant constant sur une paire de bornes et d’un voltmètre sur l’autre paire de bornes. Une alimentation à courant constant est connectée aux deux extrémités de la résistance à mesurer et un courant constant est appliqué.

Le voltmètre mesure la tension aux deux extrémités de la résistance en plaçant une sonde à l’intérieur des bornes à courant constant, en un point du côté de la résistance. La résistance est calculée à partir de la tension mesurée et de la valeur du courant constant. Les faibles résistances peuvent être mesurées avec précision : la résistance de contact de la borne à courant constant n’affecte pas la valeur de la tension mesurée et la résistance de contact de la sonde du voltmètre est négligeable par rapport à la résistance interne de 10 MΩ du voltmètre.

Qu’est-ce que l’alimentation en courant alternatif ?

L’alimentation en courant alternatif fait référence à un courant alternatif qui change de direction et de magnitude en fonction de la fréquence.

Toute l’électricité fournie aux ménages par les compagnies d’électricité est de l’alimentation en courant alternatif. Tous les appareils ménagers branchés sur une prise murale, tels que les climatiseurs, les réfrigérateurs et les appareils d’éclairage, fonctionnent à l’alimentation en courant alternatif.

Dans les secteurs industriels, les dispositifs qui convertissent le courant continu en courant alternatif sont parfois appelés unités d’alimentation courant alternatif et sont largement utilisés.

Utilisations des alimentations en courant alternatif

Les alimentations en courant alternatif sont utilisées dans un large éventail de situations, des appareils ménagers aux équipements industriels.

De nombreux appareils ménagers, tels que les sèche-cheveux, les climatiseurs et les fours à micro-ondes, fonctionnent sur alimentation courant alternatif. Dans les équipements industriels, les sources d’alimentation courant alternatif sont principalement utilisées pour alimenter les unités de réfrigération commerciale, les ventilateurs pour l’air évacué, les pompes à eau industrielles, etc.

Dans le secteur des technologies de l’information, par exemple, les alimentations sans interruption sont utilisées pour protéger les serveurs de données critiques et le stockage des données. Une alimentation sans coupure est un produit qui fournit une alimentation en courant alternatif tout en chargeant la batterie avec du courant commercial dans des conditions normales. Elle fournit de l’énergie à partir de la batterie lorsque l’alimentation commerciale s’épuise. Lorsque l’on parle d’alimentation en courant alternatif, l’on fait parfois référence à cette alimentation sans interruption.

Les serveurs de données et autres équipements sont des instruments critiques et de précision. La moindre perturbation de l’alimentation en courant alternatif peut entraîner sa défaillance. Les alimentations sans interruption sont également utilisées pour fournir à ces appareils de précision une alimentation en courant alternatif non perturbée.

Des simulateurs sont également disponibles pour tester si les équipements électriques peuvent être endommagés en créant délibérément des perturbations dans l’alimentation en courant alternatif.

Principe de l’alimentation en courant alternatif

L’alimentation en courant alternatif commerciale est principalement fournie par des générateurs synchrones. Les générateurs synchrones utilisent l’induction électromagnétique pour fournir du courant.

L’induction électromagnétique est le principe selon lequel une tension est générée lorsqu’un aimant est approché ou éloigné d’un fil de cuivre enroulé. Les générateurs synchrones produisent de l’électricité au moyen d’une tension générée par la rotation des enroulements à grande vitesse, tout en générant un fort champ magnétique à l’intérieur.

Les alimentations en courant alternatif dans l’industrie informatique peuvent être divisées en deux catégories principales : les systèmes stabilisateurs de courant alternatif (AVR) et les systèmes convertisseurs de fréquence (CV et CF).

1. Systèmes stabilisateurs CA

Les systèmes stabilisateurs CA ont pour but de stabiliser la tension de sortie et la forme d’onde, tandis que les systèmes convertisseurs de fréquence ont pour but supplémentaire de stabiliser la fréquence.

Les systèmes de stabilisation du courant alternatif sont classés en deux grandes catégories : les systèmes à glissière et les systèmes à commutation de prises. Les systèmes à glissement utilisent des servomoteurs ou des dispositifs similaires pour commuter en permanence les prises du transformateur afin de maintenir une tension CA constante.

La méthode de commutation de prises compare la tension du courant alternatif d’entrée avec une tension de référence, corrige l’erreur et fournit la tension.

2. Système de convertisseur de fréquence

Les systèmes de convertisseurs de fréquence se divisent en deux grandes catégories : les systèmes à amplificateur linéaire et les systèmes à onduleur. Dans les deux cas, le courant alternatif est converti une fois en courant continu.

La tension et la fréquence de sortie sont ensuite corrigées à l’aide d’un amplificateur linéaire dans la méthode de l’amplificateur linéaire et d’un convertisseur DC/AC dans la méthode du convertisseur. Elles sont émises sous forme d’alimentation en courant alternatif.

Avantages des alimentations en courant alternatif

Les alimentations en courant alternatif présentent deux avantages principaux.

1. Facilité de transformation

Les alimentations en courant alternatif sont facilement transformées en fonction du rapport d’enroulement du transformateur. La transmission d’énergie sur de longues distances peut être effectuée à des tensions élevées afin de réduire les pertes. L’énergie est facilement extraite en plaçant un transformateur à l’endroit de la demande.

Il est possible de convertir la tension à l’aide d’une alimentation en courant continu, mais le coût du convertisseur lui-même et le temps nécessaire à la conversion sont élevés. Le principal avantage de l’alimentation en courant alternatif est qu’elle réduit les coûts d’équipement du transport et de la distribution de l’électricité.

2. Facilité de coupure du circuit

La tension alternative positive et négative est une caractéristique de l’alimentation en courant alternatif. Si, en cas d’accident ou de catastrophe, il est nécessaire d’arrêter temporairement le courant, l’instant de courant nul peut être utilisé pour interrompre le circuit. Cela limite ainsi les dommages au système électrique et au disjoncteur lui-même.

Autres informations sur les alimentations en courant alternatif

Invention de l’alimentation en courant alternatif

L’inventeur de l’alimentation en courant alternatif est un inventeur nommé Nikola Tesla. Né dans ce qui est aujourd’hui la République de Croatie, Tesla est doué pour les mathématiques dès son plus jeune âge.

Alors qu’il était étudiant à l’université technique de Graz, Tesla a vu le “générateur de grammes”, un dispositif de production de courant continu qui fonctionne à la fois comme générateur et comme moteur. Cela l’a incité à réfléchir à l’amélioration de la manière dont l’énergie était produite. Cinq ans plus tard, il réussit à inventer le premier générateur de courant alternatif au monde, le moteur à courant alternatif biphasé.

Tesla a ensuite développé ses idées sur le courant alternatif et a travaillé pour Thomas Edison, célèbre pour le courant continu. Cependant, Edison, l’inventeur du courant continu, était négatif à l’égard de l’invention du courant alternatif de Tesla.

Les deux hommes ont fait appel à l’utilité et à la sécurité du courant qu’ils avaient inventé, et plus tard, l’opposition “Edison pour le courant continu contre Tesla pour le courant alternatif” s’est formée. Après cette confrontation, le courant alternatif de Tesla a été reconnu par le public et, aujourd’hui, le courant alternatif est indispensable.

Qu’est-ce qu’un capteur tactile ?

Les capteurs tactiles sont des capteurs qui imitent le sens du toucher humain.

Le dispositif de détection utilisé est un capteur qui convertit la pression et les vibrations de la surface de contact en un signal électrique. Divers efforts technologiques, notamment autour de la technologie des capteurs, sont déployés pour imiter le fonctionnement de ce capteur au sens du toucher humain. De plus, les capteurs tactiles intègrent de multiples informations, telles que la sensibilité à la température. Certains sont capables d’estimer la texture d’objets sensibles.

La sensation tactile est essentielle pour le développement de la technologie robotique, non seulement pour évaluer les propriétés et les textures des objets, mais aussi parce qu’elle joue un rôle important dans les mouvements humains de base, comme saisir des objets avec la force appropriée et écrire avec un stylo dans la main.

Utilisations des capteurs tactiles

Les capteurs tactiles sont utilisés dans les domaines du diagnostic médical et de la robotique, ainsi que dans les domaines industriels.

Récemment, cependant, les utilisations dans le domaine des espaces de jeu et du métavers, comme la réalité virtuelle (RV), nom générique de la technologie haptique, sont également très attendues.

1. Utilisations médicales des capteurs tactiles

La capacité d’évaluer la dureté d’un objet permet de détecter avec une grande sensibilité la présence de “bosses” provenant du cancer du sein et de la prostate, contribuant ainsi à la détection précoce du cancer. Elle peut également être utilisée pour l’évaluation quantitative de la dermatite et de la xérodermie en évaluant la rugosité résultant de la rugosité de la surface.

2. Utilisations des capteurs tactiles en robotique

En robotique, le développement de capteurs imitant les doigts fournit des informations permettant d’ajuster la force de préhension en tant que capteurs pour les mains robotisées.

3. Utilisations industrielles des capteurs tactiles

Dans l’industrie, la surveillance de la texture des produits peut être utile pour le contrôle de la qualité.

4. L’haptique pour la RV

Dans le monde de la RV (Réalité Virtuelle), des lunettes pour la 3D ont déjà été commercialisées, et des applications pour reproduire un monde plus réaliste dans la RV sont travaillées en attachant des combinaisons et des gants à cette RV et en installant des capteurs tactiles.

Principe des capteurs tactiles

Les capteurs tactiles utilisent divers phénomènes physiques pour convertir les forces de contact sur les objets en quantités électriques et se composent principalement de dispositifs de conversion (capteurs : éléments). Ces signaux électriques sont analysés par des circuits de traitement des signaux et de l’information. En principe, plusieurs modalités de détection peuvent être utilisées dans ces capteurs.

Par exemple, une méthode consiste à détecter la capacité électrostatique due aux changements provoqués par l’application d’une pression dans un espace conducteur en sandwich. Selon l’utilisation, les éléments céramiques piézoélectriques (PZT : titanate de zirconate de plomb) sont généralement utilisés comme éléments de capteur dans de nombreux cas. Les éléments céramiques piézoélectriques, également connus sous le nom d’éléments piézoélectriques, produisent une variation de tension lorsqu’une pression est appliquée. C’est ce qu’on appelle l’effet piézoélectrique.

La disposition des ions dans le cristal solide d’un élément piézoélectrique est modifiée par l’application d’une pression. Cela entraîne un phénomène appelé polarisation électrique où une extrémité du cristal est chargée d’électricité positive et l’autre d’électricité négative. Les informations relatives à la pression et à la fréquence des vibrations sont converties en signaux électriques par l’élément piézoélectrique. Ces signaux sont ensuite convertis en informations tactiles par l’intermédiaire des circuits de traitement analogiques et numériques respectifs comprenant des ASIC et d’autres composants.

En tant que principe optique, la position de contact d’un objet sur la surface du capteur peut être saisie en détectant les changements de la lumière diffusée dans le guide d’ondes lumineuses à l’intérieur du capteur.

Autres informations sur les capteurs tactiles

1. Marché des capteurs tactiles

La taille du marché des capteurs tactiles devrait atteindre 14 869,8 millions d’euros d’ici 2025, contre 7 586,2 millions  en 2019. (Référence : Marché des capteurs tactiles (2020-2025))

Les capteurs tactiles sont un élément clé pour soutenir le développement de robots capables de travailler avec les humains. Par exemple, un robot appelé RoCycle est en cours de développement au MIT aux États-Unis. Des capteurs tactiles qui identifient les matériaux sont intégrés à la main du robot pour lui permettre de reconnaître et de trier le papier, le plastique et le métal.

L’université de technologie de Pohang, en Corée du Sud, met au point un capteur d’empreintes digitales humaines qui utilise des nanosprings et d’autres matériaux pour détecter d’infimes pressions et vibrations. À la suite de ce développement, les informations obtenues par le capteur tactile ont été analysées à l’aide de l’apprentissage automatique et il a été annoncé que huit types de fibres pouvaient être distingués avec une précision de 99,8 %. À mesure que la précision des capteurs tactiles s’améliore, la demande devrait augmenter, en particulier dans l’industrie de la robotique.

2. Capteurs tactiles MEMS

Les MEMS (systèmes microélectromécaniques) sont des dispositifs dans lesquels des capteurs, des circuits électroniques, etc. sont intégrés sur un substrat à l’aide de la technologie de la microfabrication.

Ces dernières années, les capteurs tactiles ultrasensibles utilisant la technologie MEMS ont attiré l’attention.

3. Expansion dans le domaine de l’haptique

L’haptique ne se limite pas au monde de la RV, elle trouve également sa place dans divers domaines familiers. Citons par exemple les boutons d’accueil sur les écrans de smartphones, les systèmes de navigation sur les tableaux de bord des véhicules électriques, les stylets pour l’authentification électronique et les claviers de PC.

Dans ces domaines, la manière de réaliser des capteurs tactiles compacts, légers, minces et réalistes est cruciale en termes de technologie haptique. Les fabricants travaillent donc d’arrache-pied pour développer une technologie MEMS, une technologie de dispositifs piézoélectriques et des logiciels d’application à la pointe du progrès.

Qu’est-ce qu’une machine à mesurer la longueur ?

Une machine à mesurer la longueur est, comme son nom l’indique, un appareil permettant de mesurer la longueur.

Aujourd’hui, la longueur est définie comme la distance parcourue par la lumière en une unité de temps, sur la base de la vitesse de la lumière. Il existe deux méthodes différentes pour mesurer la longueur : la méthode directe et la méthode indirecte.

• Méthode directe
  Il s’agit d’une méthode de mesure de la longueur qui consiste à la comparer à une longueur, une échelle ou une échelle standard à l’aide d’outils de mesure couramment utilisés tels qu’une règle, un mètre ruban, un pied à coulisse ou un micromètre.
• Méthode indirecte
  Il s’agit d’une méthode de mesure de la longueur qui fait appel à d’autres grandeurs physiques liées à la longueur ou à des méthodes électriques ou optiques.

Dans de nombreux cas, la longueur peut être mesurée par la méthode directe. Cependant, dans le cas de structures longues ou d’objets microscopiques de l’ordre du micron, la méthode indirecte est utilisée car il est difficile de préparer une longueur standard. Les méthodes indirectes sont également utilisées lorsque l’objet a une forme complexe, est inaccessible ou ne peut être touché.

Utilisations des machines à mesurer la longueur

Les machines à mesurer la longueur sont utilisées dans de nombreux domaines. Il convient de choisir celle qui convient le mieux à l’utilisation :

• De quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres et suffisamment grandes pour tenir dans la paume de la main ou sur une table : règles et pieds à coulisse.
• Un peu plus grands et plus longs, de plusieurs centaines de millimètres à plusieurs mètres : mètre ruban, etc.
• Des objets d’une précision finie de l’ordre du micron, dont le résultat peut être observé au microscope : micromètre.
• Distances de quelques mètres à quelques dizaines de mètres sur le terrain : méthodes optiques (triangulation, mesure de longueur par laser).
• Mesure de fines irrégularités dans des produits industriels de précision tels que des lentilles ou des tranches de semi-conducteurs : interférométrie laser.

De plus, des technologies telles que la tomographie à rayons X sont utilisées pour mesurer l’intérieur d’objets inaccessibles à la lumière ou au stylet. L’industrie des nanotechnologies exige des mesures au niveau du nanomètre, effectuées par des méthodes faisant appel à la microscopie électronique à balayage. Des méthodes de mesure de longueur basées sur l’analyse d’images sont également en cours de développement, comme le récent développement d’applications de mesure de longueur à partir d’appareils photo de smartphones.

Principe des machines à mesurer les longueur

La définition d’un mètre est “la longueur parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde”. Le prototype du mètre basé sur cette définition est l’étalon de longueur. En principe, la méthode directe est une comparaison avec ce prototype métrique.

Un principe de mesure basé sur la définition de la longueur consiste à mesurer le temps de vol (ToF) de la lumière. En raison de la très grande vitesse de la lumière, une technologie électronique sophistiquée est nécessaire. De nos jours, de nombreux instruments de type laser (ToF) utilisent généralement une méthode de mesure basée sur la différence de phase entre la lumière incidente modulée en intensité et la lumière réfléchie.

Par définition, il s’agit du comportement de la lumière dans le vide, de sorte qu’en pratique, une correction de l’indice de réfraction de l’air est nécessaire. L’interférométrie laser utilise le phénomène d’interférence entre les faisceaux laser.

En analysant les franges d’interférence produites lorsque la lumière réfléchie par la surface de référence et la lumière réfléchie par la surface de mesure pour le même rayonnement laser interfèrent l’une avec l’autre, la distance de la surface de mesure par rapport à la surface de référence peut être mesurée à quelques nm près. Un certain nombre d’instruments de mesure de la longueur sont présentés à titre d’exemple, mais il existe un grand nombre de méthodes.

Autres informations sur les machines à mesurer les longueur

1. Comment utiliser les machines à mesurer les longueur

La machine à mesurer les longueurs horizontale se compose d’un lit, d’une table à mouvement alternatif avec une échelle standard intégrée qui se déplace sur le lit, d’un microscope de mesure pour observer l’échelle standard, d’une surface de mesure sur laquelle l’échantillon est placé sous une force de mesure constante et d’une table de mesure qui supporte l’échantillon à mesurer. L’on connaît deux types d’instruments de mesure de longueur horizontale : ceux qui satisfont au principe d’Abbe et ceux qui satisfont au principe d’Eppenstein.

Dans les machines à mesurer la longueur horizontale dont la structure satisfait au principe d’Abbe, la mesure est effectuée en plaçant l’axe de mesure de l’échantillon et la face de l’échelle standard sur la même ligne droite. De la sorte, les erreurs de mesure dues à la déviation angulaire par rapport à l’axe de mesure de la table alternative en raison de la non-rectitude du lit peuvent être ignorées.

D’autre part, dans les machines à mesurer la longueur horizontale dont la structure satisfait au principe d’Eppenstein, la mesure est effectuée pour éliminer les erreurs de mesure dues à la non-rectitude du lit en configurant la longueur focale de l’objectif pour la règle standard. Ceci de manière à ce qu’elle soit égale à la distance entre l’axe de mesure de l’échantillon et la règle standard lorsqu’ils sont séparés. Le plan focal de l’objectif est placé optiquement sur la règle standard. La mesure est effectuée en plaçant optiquement le plan focal de la lentille sur l’échelle standard.

2. Machine à mesurer la longueur par laser

Les machines à mesurer la longueur au laser émettent un faisceau laser sur un objet à tester et utilisent la lumière réfléchie pour mesurer la distance de l’objet à tester. Les machines à mesurer les longueurs au laser sont appelées “capteurs de déplacement” ou “capteurs de distance”, en fonction de la distance à mesurer.

• Capteur de déplacement
  Machines de mesure de longueur qui mesurent de courtes distances (dizaines à centaines de millimètres) en microns.
• Capteurs de distance
  Il s’agit de machines de mesure de longueur qui mesurent de longues distances (de quelques millimètres à plusieurs mètres) en millimètres.

Les deux méthodes de mesure connues pour les machines à mesurer la longueur susmentionnées sont la triangulation et la méthode du temps de vol (ToF).

Triangulation
Il s’agit d’une méthode de mesure qui utilise le principe de la triangulation basée sur la lumière réfléchie et qui consiste en une machine à mesurer la longueur avec un élément émetteur de lumière et un élément récepteur de lumière. Un laser à semi-conducteur est utilisé comme élément émetteur de lumière. Dans la méthode de mesure, un faisceau laser focalisé par le laser à semi-conducteur à travers une lentille de projection est irradié sur l’échantillon. Une partie de la réflexion diffuse de la lumière laser irradiée sur l’échantillon forme une image ponctuelle sur l’élément récepteur de lumière via la lentille réceptrice de lumière. Le déplacement de l’échantillon peut être mesuré en détectant et en calculant la position de l’image ponctuelle.

Un système utilisant un élément récepteur de lumière CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductor) est appelé système CMOS, tandis qu’un système utilisant un élément récepteur de lumière CCD (Charge Coupled Device) est appelé système CCD. La méthode CCD utilise un CCD (dispositif à couplage de charge) comme élément récepteur de lumière.

Temps de vol
Cette méthode mesure la distance en mesurant le temps nécessaire à la lumière irradiée pour être réfléchie par l’échantillon et reçue par l’élément récepteur de lumière. Deux méthodes sont connues : la méthode de distance par différence de phase, qui utilise la différence de phase entre les longueurs d’onde émises et reçues, et la méthode de propagation d’impulsions, qui émet un faisceau laser avec une largeur d’impulsion fixe.

Qu’est-ce qu’un analyseur de réseau ?

Un analyseur de réseau, network analyzer en anglais, est un appareil permettant de caractériser le réseau d’un dispositif sous test (DUT ; device under test).

Il peut notamment mesurer l’atténuation et l’impédance du signal d’entrée de l’objet testé. Il évalue les caractéristiques à haute fréquence des composants électroniques, etc., et a un large éventail d’utilisations, y compris les dispositifs de transmission.

La sortie de l’analyseur de réseau est représentée par les paramètres S (paramètre de diffusion), les grandeurs physiques définies par les paramètres S étant la réflexion directe (S11), la transmission directe (S21), la transmission inverse (S12) et la réflexion inverse (S22).

Utilisations des analyseurs de réseau

Les analyseurs de réseau se divisent en deux grandes catégories : les analyseurs de réseau scalaires et les analyseurs de réseau vectoriels (VNA). Les analyseurs de réseau vectoriels (VNA), qui fournissent non seulement des informations sur l’amplitude mais aussi sur la phase, ont un plus large éventail d’utilisations.

Utilisant les avantages des analyseurs de réseau pour les applications à haute fréquence, ils sont utilisés dans le développement de circuits d’adaptation pour les amplificateurs à haute fréquence. Dans ce cas, la conception est basée sur les paramètres S précis de l’amplificateur, de l’antenne et du filtre respectivement.

Dans de nombreux cas, ils évaluent l’adaptation de l’impédance. Une mauvaise adaptation de l’impédance dans les lignes de transmission de chaque appareil ou câble d’un réseau de circuits traitant des hautes fréquences peut entraîner une perte de puissance et une distorsion du signal.

Principe des analyseurs de réseau

Un analyseur de réseau est équipé d’une source de signaux, d’un séparateur de signaux, d’un coupleur directionnel et d’au moins trois récepteurs.

• Source de signaux
  La source de signaux est responsable de l’alimentation du système en signaux et est fournie par un synthétiseur.
• Séparateur de signaux
  Le séparateur de signaux utilise un séparateur à résistance pour diviser le signal d’entrée en signaux de circuit et en récepteurs (signal de référence R).
• Coupleur directionnel
  Le coupleur directionnel sépare l’onde d’entrée de l’onde réfléchie, qui est mesurée au niveau du récepteur (signal de référence A).

La sortie de l’objet sous test est mesurée sur un troisième récepteur (signal de transmission B). L’évaluation est effectuée en comparant les signaux, par exemple S11 est défini par A/R et S21 par B/R.

La grande précision de mesure de l’analyseur de réseau est également assurée par un étalonnage précis. L’étalonnage est effectué à l’aide d’étalons dont les caractéristiques sont connues. Une méthode d’étalonnage couramment utilisée est la méthode SOLT. Un étalon de court-circuit, de circuit ouvert ou de charge d’adaptation y est couplé à un plan de référence dans une connexion directe (thru).

La mesure étant très précise, il faut veiller à éviter les erreurs de mesure dans divers domaines, tels que le couple de serrage du connecteur, la température ambiante, le signal d’entrée et la stabilité du câble, etc.

Autres informations sur les analyseurs de réseau

1. Connaissances de base sur Les analyseurs de réseau

Il existe deux types d’analyseurs de réseau : l’analyseur de réseau vectoriel (ARV) et l’analyseur de réseau scalaire, les analyseurs de réseau vectoriel étant plus couramment utilisés de nos jours.

Les analyseurs de réseau disposent d’une méthode pour mesurer les changements d’amplitude dans les mesures de transmission et de réflexion appelées paramètres S. Ils sont aussi appelés matrices S, il existe un système de numérotation en guise de définition. Le système de numérotation est le suivant : “Sij i=port de sortie, j=port d’entrée”, où S11 représente une mesure d’un signal incident au port 1 qui est transmis au port 1 ; S12 signifie une mesure d’un signal incident au port 2 qui est transmis au port 1.

Les paramètres S peuvent être mesurés à l’aide d’un instrument de mesure ARV. Toutefois, le ARV doit être étalonné avant la mesure à l’aide de plusieurs méthodes d’étalonnage.

La méthode de base pour calibrer un ARV consiste à utiliser trois instruments standard. Les méthodes d’étalonnage les plus connues sont la méthode d’étalonnage SOLT, la méthode d’étalonnage UnKnown Thru et la méthode d’étalonnage TRL, comme décrit ci-dessus.

2. À propos de la mesure de l’impédance

L’impédance est un paramètre important utilisé dans la caractérisation des circuits électroniques, des composants électroniques et des matériaux électroniques. Elle correspond à la quantité de courant alternatif qui interrompt un circuit ou un autre dispositif à certaines fréquences. Il existe différents types de méthodes de mesure de l’impédance, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients.

La méthode de mesure doit être choisie en tenant compte de la gamme de fréquences requise pour la mesure et des conditions de mesure de la gamme de mesure de l’impédance. Les méthodes de mesure comprennent la méthode du pont, la méthode de résonance, la méthode I-V, la méthode d’analyse de réseau, la méthode d’analyse de réseau dans le domaine temporel et la méthode du pont équilibré automatique.

La méthode du pont est décrite à titre d’exemple. Les avantages de la méthode du pont sont sa grande précision (environ 0,1 %), sa capacité à couvrir une large gamme de fréquences avec plusieurs instruments de mesure et son faible coût. En revanche, elle présente l’inconvénient de nécessiter une opération d’équilibrage et de ne pouvoir couvrir qu’une plage de fréquences étroite avec un seul appareil. La plage de fréquence de mesure de la méthode du pont va approximativement jusqu’à 300 MHz DC.

3. Tendances en matière d’extension de fréquence

L’extension maximale de la fréquence des analyseurs de réseau s’étend désormais à la bande sub-THz (220 GHz). En effet, l’on prévoit que la prochaine génération de normes de communication, la 6G, utilisera très probablement la bande des 140 GHz, connue sous le nom de “bande D”.

Cependant, la bande sub-THz est sensible aux erreurs de longueur électrique et aux éléments parasites en raison de sa fréquence élevée. Cela rend la précision totale de l’étalonnage, y compris les sondes et les câbles RF, extrêmement importante.

En réalité, la gamme de fréquences pouvant être étalonnée en une seule fois est souvent limitée. Les fabricants rivalisent pour mettre au point des instruments de mesure faciles à utiliser, y compris le traitement des données entre les étalonnages et l’ajout de prolongateurs de fréquence dédiés à la bande des ondes millimétriques.

4. L’ajout de fonctions d’évaluation de la puissance modulée

Les analyseurs de réseau sont généralement utilisés pour évaluer l’impédance des objets sous test et les paramètres S, qui sont des évaluations de petits signaux. Toutefois, récemment, l’analyse de la modulation et l’évaluation des grands signaux et l’analyse de l’évaluation des petits signaux sont souvent effectuées en tant qu’ensemble. À l’avenir, les analyseurs de réseau seront utilisés comme un outil simple et facile à utiliser pour l’analyse de la modulation.

À l’avenir, les analyseurs de réseau seront utilisés non seulement pour l’évaluation de l’impédance et des paramètres S, mais aussi pour l’évaluation des commutateurs, des filtres, des amplificateurs haute fréquence (RF), des amplificateurs à faible bruit (LNA) et d’autres frontaux RF, y compris l’analyse des grands signaux et l’analyse de la modulation.

Qu’est-ce qu’un microscope à fluorescence ?

Les microscopes à fluorescence utilisent la lumière laser, les lampes à mercure à très haute pression ou les lampes au xénon comme source lumineuse pour observer la fluorescence des substances fluorescentes d’un objet. Dans les microscopes optiques ordinaires, la lumière visible, telle que les lampes halogènes, est utilisée comme source lumineuse pour irradier un objet et observer la lumière réfléchie ou transmise.

La microscopie à fluorescence est un type de microscopie qui se concentre principalement sur les tissus biologiques et les cellules marquées par des substances fluorescentes. La résolution d’un microscope dépend de la longueur d’onde de la lumière utilisée. Ceux à fluorescence utilisent une lumière de courte longueur d’onde. Ils se caractérisent donc par une excellente résolution spatiale et temporelle.

Il est ainsi possible d’obtenir des informations hautement quantitatives. La microscopie à fluorescence prend de plus en plus d’importance, car la microscopie confocale à laser et la multiphotonique sont de plus en plus sophistiquées.

Utilisations du microscope à fluorescence

Les microscopes à fluorescence sont principalement utilisés pour la bio-imagerie. Les cibles spécifiques sont les cellules et les tissus, qui peuvent être observés vivants. Les techniques suivantes sont utilisées en combinaison pour marquer des objets par fluorescence :

• Les techniques de marquage fluorescent de protéines spécifiques, par exemple par recombinaison génétique.
• Les techniques de marquage d’acides nucléiques et d’autres substances à l’aide de produits chimiques marqués par fluorescence.
• Les technologie permettant d’exprimer des protéines fluorescentes dans des cellules spécifiques.

Ces technologies permettent d’observer la localisation des protéines cibles et des gènes exprimés. De plus, des médicaments et des protéines qui émettent une fluorescence en réponse à des substances spécifiques ont été mis au point. Cela permet de visualiser l’activité neuronale et la dynamique des substances à l’intérieur des cellules.

Ces dernières années, l’avènement de la technologie CRISPR a grandement facilité la création d’organismes génétiquement modifiés. La gamme d’utilisations s’est donc élargie rapidement.

Principe du microscope à fluorescence

Un microscope à fluorescence est un appareil permettant d’observer la fluorescence. Cette dernière est émise lorsqu’une substance fluorescente absorbe une lumière spécifique sous forme d’énergie (lumière d’excitation) et la libère ensuite.

L’exposition à la lumière d’excitation provoque une émission rapide de lumière. La longueur d’onde de la fluorescence est supérieure à celle de la lumière d’excitation. Ces longueurs d’onde varient donc d’une substance fluorescente à l’autre. Afin d’observer une fluorescence spécifique, ce microscope dispose d’une unité de filtrage composée de :

• Un filtre qui transmet la lumière d’excitation provenant de la source lumineuse
• Un filtre qui transmet la fluorescence émise
• Un miroir pour empêcher l’interférence de la lumière d’excitation avec la fluorescence

En changeant ou en combinant les filtres, il est possible d’observer différentes substances fluorescentes à partir d’un même échantillon.

Autres informations sur le microscope à fluorescence

1. La résolution des microscopes à fluorescence

La résolution d’un microscope est définie comme “la plus petite distance à laquelle deux points proches peuvent être distingués de points différents”. Les microscopes utilisent des lentilles pour grossir et observer les objets. En principe, il est possible d’augmenter le grossissement à l’infini en combinant les lentilles.

Cependant, dans le cas des microscopes optiques, qui utilisent la lumière pour observer les échantillons, la limite de résolution est approximativement la moitié de la longueur d’onde de la lumière. Notamment en raison de la diffraction, qui est une caractéristique de la lumière. Cette limite était considérée comme la limite théorique de la résolution des microscopes, mais une nouvelle technologie a été mise au point pour dépasser cette limite. Cela a valu à ses concepteurs le prix Nobel de chimie en 2014.

Cette technique est connue sous le nom de “microscopie à super-résolution”. Avant le développement de celle-ci, la limite de résolution du microscope à fluorescence était d’environ 250nm. Cependant, depuis l’avènement de la microscopie à super-résolution, il est possible d’atteindre une haute résolution allant jusqu’à 15-100nm, ce qui est proche du microscope électronique. La microscopie à super-résolution utilise une variété de techniques pour contourner les facteurs limitant la résolution et atteindre une haute résolution.

Les méthodes de microscopie à super-résolution qui ont permis d’améliorer considérablement la résolution. Celles qui ont reçu le prix Nobel de chimie sont notamment “PALM” et “STED”. PALM et STED y sont parvenus en dépassant les limites de la résolution de la microscopie à fluorescence grâce à l’utilisation d’optiques et de colorants spéciaux. Des microscopes à super-résolution utilisant d’autres technologies ont été produits et sont commercialisés par diverses entreprises.

2. Les avantages de la microscopie à fluorescence

L’avantage de la microscopie à fluorescence est qu’elle permet d’observer en détail le comportement moléculaire et la structure cellulaire sous forme d’informations visuelles. En utilisant le microscopes à fluorescence approprié, l’objet peut être observé avec une haute résolution temporelle et spatiale.

Il est également possible d’observer des objets en utilisant plusieurs colorants. Par exemple, si deux protéines différentes sont marquées avec des substances fluorescentes rouge et verte, toute zone jaune indique que ces deux protéines peuvent être présentes au même endroit dans la cellule.

Diverses substances fluorescentes et divers microscopes à fluorescence ont été mis au point à des fins et pour des applications différentes. Ils prennent de plus en plus d’importance dans les sciences de la vie et la recherche clinique.

Qu’est-ce qu’une diode laser ?

Une diode laser est une lumière qui utilise l’émission par recombinaison d’un semi-conducteur.

L’émission par recombinaison se produit lorsqu’un électron et un trou se rencontrent à la jonction et que l’énergie supplémentaire qu’ils ont en commun devient de la lumière.

La lumière d’une diode laser est une lumière laser à longueur d’onde unique et à alignement de phase, également connue sous le nom de laser à semi-conducteur et décrite comme DL. La couleur de la lumière laser à semi-conducteur est déterminée par les éléments constitutifs du semi-conducteur. Par exemple, InGaN est UV à vert (380-540 nm), AlGaInP est rouge (620-700 nm) et InGaAsP est IR. Les substrats respectifs sont “GaN” pour InGaN, “GaAs” pour AlGaInP et “InP” pour InGaAsP.

Les LED (diodes électroluminescentes) émettent de la lumière de la même manière que les lasers à semi-conducteurs mais la phase et la gamme de longueurs d’onde de la lumière sont plus variées que dans les lasers à semi-conducteurs. Ainsi, contrairement aux LED , les lasers à semi-conducteurs émettent de la lumière selon un principe appelé “émission induite”. Cela permet d’émettre une lumière intense avec une phase bien définie.

Utilisations des diodes laser

Les diodes laser sont largement utilisées dans les appareils grand public. En effet, elles sont de petite taille et peuvent être produites en masse. Cela maintient les coûts de production à un niveau bas.

Dans les équipements informatiques, les diodes laser sont utilisées dans les capteurs optiques pour les lecteurs optiques tels que les CD, DVD et BD, les photocopieurs, les imprimantes laser et les équipements de communication à base de fibres optiques. Les applications à haute puissance comprennent les marqueurs laser et les machines de traitement laser.

La nature de la lumière laser, résistante à la diffusion et d’une grande portée, a été utilisée dans les instruments d’arpentage et les pointeurs laser pour pointer des objets. Son utilisation s’est largement répandue avec la miniaturisation et la réduction du prix des éléments laser à semi-conducteur rouge de faible puissance.

Principe des diodes laser

Dans les diodes laser, la lumière est émise lorsque des trous et des électrons se recombinent sous l’effet d’une tension.

Le photon émis déclenche la recombinaison d’un autre électron avec le trou, l’un après l’autre, en émettant un photon. La lumière générée a la même phase et la même longueur d’onde. La longueur d’onde de la lumière étant toujours constante, ces diodes sont utilisées dans les situations où une quantité constante de lumière est nécessaire, telles que les lecteurs de codes-barres, les pointeurs laser et les communications par fibre optique.

Autres informations sur les diodes laser

1. Spécifications des diodes laser

La courbe L/I est utilisée pour comprendre les spécifications des diodes laser. Cette courbe permet d’enregistrer le courant d’entraînement fourni en fonction de l’intensité lumineuse émise.

Cette courbe est utilisée pour déterminer le point de fonctionnement (courant d’entraînement à la sortie d’émission nominale) et le courant de seuil (courant de démarrage du laser) du laser. Elle sert également à déterminer le courant nécessaire pour obtenir une puissance de sortie élevée à un courant particulier.

La lecture de ce diagramme de courbe permet de constater que la sortie optique dépend fortement de la température et qu’à mesure que la température augmente, les caractéristiques du laser diminuent également. Il est donc possible de visualiser et d’estimer l’efficacité de la diode laser en intégrant la courbe L/I.

2. Différence entre les diodes laser et les diodes électroluminescentes

Les diodes électroluminescentes se caractérisent par le fait que la lumière n’est pas en phase et se diffuse donc radialement. En revanche, les diodes laser sont en phase et produisent donc un faisceau de lumière linéaire.

Dans les diodes électroluminescentes, la couche émettrice de lumière a une grande surface. Cela rend difficile l’entrée de la lumière dans une petite fibre avec un petit système de cœur. Les diodes laser ont une couche d’émission étroite mais peuvent facilement pénétrer dans des fibres optiques dont le cœur est de petite taille.

Dans les diodes laser, le photon émis est déclenché par la recombinaison d’un trou et d’un électron lorsqu’une tension est appliquée, et un autre électron se recombine avec le trou l’un après l’autre, émettant ainsi un photon (émission induite). La lumière produite est donc de même phase et de même longueur d’onde. En revanche, la lumière produite par les diodes électroluminescentes présente différentes phases et longueurs d’onde.

3. Durée de vie des diodes laser

La durée de vie moyenne d’une diode laser dépend de l’environnement de fonctionnement : température de fonctionnement, électricité statique, surtensions de l’alimentation. Elle est généralement estimée à 10 000 heures. Parmi les facteurs environnementaux qui influencent la durée de vie, la température de fonctionnement est abordée ici.

Tout d’abord, l’augmentation de 10°C de la température de fonctionnement réduit la durée de vie de moitié. Si la température continue d’augmenter au-delà de la température de fonctionnement maximale, le risque d’endommagement de la diode laser et de dégradation des performances à long terme devient plus important. Il est donc recommandé d’utiliser des dissipateurs de chaleur pour évacuer la chaleur à l’intérieur du produit vers l’extérieur afin d’éviter autant que possible les effets de la production de chaleur.

Qu’est-ce qu’un capteur d’odeurs ?

Un capteur d’odeurs est un dispositif qui permet de quantifier l’évaluation des odeurs, qui repose traditionnellement sur l’expertise de panélistes de tests sensoriels et de juges olfactifs.

Parmi les cinq sens humains, l’olfaction et le goût sont reconnus par des récepteurs situés dans le nez et la langue qui détectent les composants des aliments, des cosmétiques, etc. Cependant, les substances chimiques qui composent ces éléments varient énormément et sont souvent perçues de manière complexe, de sorte que la recherche et le développement de capteurs ont pris du retard par rapport aux autres sens.

L’odorat humain est un sens ambigu qui varie considérablement d’une personne à l’autre, mais les capteurs d’odeur ont permis d’évaluer les odeurs de manière objective.
Alors qu’il existe des capteurs de gaz et d’autres dispositifs qui identifient et quantifient des composants individuels, les capteurs d’odeurs permettent de porter un jugement global et d’évaluer la qualité et l’intensité d’une odeur.

Utilisations des capteurs d’odeurs

Actuellement, les capteurs d’odeur sont utiles dans les domaines suivants : (1) recherche et développement et contrôle de la qualité des aliments et des cosmétiques, (2) mesure des odeurs environnementales et (3) surveillance des anomalies dans les gaz, les incendies, etc.

Dans le cas (1), le capteur n’est pas utilisé pour les composants gazeux individuels, mais pour l’identification subtile de l’odeur émise par un objet.

Dans le cas (2), il est utilisé lorsque l’intensité de l’odeur est un problème, par exemple dans la gestion des environnements de travail et la mesure de l’efficacité des équipements de désodorisation.

Dans le cas (3), il est utilisé à des fins de contrôle de la sécurité, bien qu’il ne nécessite pas de correspondance avec l’odorat humain.

En outre, à des fins de diagnostic médical, un capteur qui teste la présence ou l’absence de maladie en détectant les composants de l’haleine propres aux patients cancéreux est en cours de développement pour une utilisation pratique.

Principe des capteurs d’odeur

Il existe deux principaux types de capteurs d’odeurs : les capteurs à semi-conducteurs et les capteurs à cristaux de quartz.

Le “type semi-conducteur” est utilisé depuis longtemps comme capteur de gaz et détecte les odeurs en utilisant le changement de résistance d’un semi-conducteur dû à une réaction de surface provoquée par l’adsorption de molécules odorantes sur la surface du semi-conducteur. Ces systèmes peuvent être classés en deux catégories : les semi-conducteurs à base d’oxyde et les semi-conducteurs organiques.
L’oxyde d’étain et l’oxyde de zinc sont utilisés dans le type de semi-conducteur à oxyde, qui permet d’obtenir une sortie proportionnelle à la présence ou à l’absence d’une substance et à sa concentration. Les substances odorantes inorganiques telles que les gaz sont couramment détectées, mais la sensibilité est faible pour les composés organiques tels que les parfums.
Le polypyrrole et le polyacétylène sont utilisés dans les semi-conducteurs organiques et sont capables de discriminer les odeurs. Ils présentent toutefois l’inconvénient d’être coûteux.

Le type de résonateur à cristal de quartz consiste en une membrane lipidique, qui est une membrane sensible imitant les cellules olfactives humaines, attachée à la surface d’un résonateur. Lorsque des molécules odorantes sont adsorbées sur la membrane sensible, la fréquence de résonance du résonateur diminue en raison de l’effet de charge de masse. En utilisant le mécanisme selon lequel l’ampleur de la diminution est proportionnelle à la masse de l’odorant adsorbé, la concentration de l’odorant est mesurée en mesurant l’ampleur de la diminution. Le système est particulièrement efficace pour détecter les odeurs organiques et peut distinguer le whisky, le saké japonais, le café et le parfum.
Les membranes sensibles aux odeurs utilisées comprennent les membranes en résine époxy, les membranes en résine d’acétate de vinyle et les membranes de Langmuir-Blodgett.

Qu’est-ce qu’un capteur d’odeur monté sur smartphone ?

En 2019, un capteur d’odeur compact pouvant être fixé à un smartphone (téléphone intelligent) a été mis au point. Les capteurs d’odeur peuvent être détectés en les connectant au smartphone via USB Yype-C. Les odeurs détectées peuvent être utilisées pour les fuites de gaz, le contrôle de la fraîcheur des aliments, les odeurs corporelles, la vérification de l’alcool, etc.

Ce capteur d’odeur est un cristal de quartz doté d’une membrane sensible. Il incorpore des particules de détection avec différentes membranes de détection pour détecter une grande variété d’odeurs.

Lorsqu’il est connecté à un smartphone, ce dernier sert de plateforme d’analyse. Le type et la force de chaque odeur détectée sont analysés et les résultats sont affichés sur le smartphone.

Bien que la vente générale des capteurs d’odeur montés sur smartphone n’ait pas encore été décidée, des recherches et des améliorations sont en cours, et l’on s’attend à ce que le capteur soit capable de détecter environ 10 types d’odeurs différents. Le produit devrait être vendu à moins de 100 dollars, ce qui le rendra accessible à tous à l’avenir. L’appareil est portable, facile à transporter, et peut détecter et gérer les odeurs facilement et commodément.

Des recherches sont actuellement en cours pour convertir les types d’odeurs en données et faire appel à l’intelligence artificielle pour l’apprentissage automatique. Ces travaux devraient permettre d’améliorer la précision des capteurs et de l’analyse des odeurs. Il est également prévu d’augmenter le nombre de types d’odeurs pouvant être détectés.

Quantification des odeurs dans les capteurs d’odeurs

Le terme “odeur” n’a pas de norme ou d’unité claire, comme “odeur” et “puanteur”, “parfum” et “senteur”. Dans les capteurs d’odeurs aussi, une méthode de mesure de l'”odeur” est nécessaire. L’odeur est mesurée et exprimée en fonction de l’intensité et du confort ou de l’inconfort perçu par l’odorat humain.

Les olfactométries expriment l’intensité et le confort ou l’inconfort perçu par l’odorat humain. Elles sont classées en quatre types et chaque odeur est quantifiée de manière progressive.

Les quatre méthodes sont l'”intensité de l’odeur”, l'”agrément/déplaisir”, l'”indice d’odeur” et la “fréquence périodique”.

La méthode d’affichage de l’indice d’odeur est une quantification de la concentration d’odeur et de l’indice d’odeur.

La concentration d’odeur est définie comme “le facteur de dilution nécessaire pour atteindre l’absence d’odeur lorsqu’elle est diluée avec de l’air pur inodore”. L’indice d’odeur est la valeur obtenue en multipliant le logarithme ordinaire de la concentration d’odeur par 10. Ces valeurs sont utilisées comme référence et incorporées dans les capteurs d’odeur.

ウエスタンレッドシダーとは

ウエスタンレッドシダーとは、北アメリカ西海岸地域に自生する針葉樹で、樹高60mにも達する大型の木です。

その中でも、紅色がかった色合いの木材が「ウエスタンレッドシダー」として知られており、色合いが美しく、木目も鮮やかなのが特徴です。

ウエスタンレッドシダーの使用用途

ウエスタンレッドシダーは、建築物の建設や装飾、家具製作など、多くの用途に使用されています。 防腐性の高い木材として、デッキ材、外壁、屋根、階段、建具、柱などの建築材料として使用されています。

同様に、家具製作のための材料としても使用されています。 屋外用家具や、建具、洗面台、キッチンワークトップなど、室内装飾用の木材としても使用されています。

ウエスタンレッドシダーの特徴

ウエスタンレッドシダーの最大の特徴は、耐久性が非常に高いことです。天然の防腐剤が含まれており、腐食や虫害に強く、非常に長い期間使用することができます。

そのため、屋外での建築や外装材として注目されている木材の1つです。

長所

耐久性が高いウエスタンレッドシダーは、防腐効果の高い成分を含むため、耐久性が高く、腐食に強いとされています。また、木材自体がオイル分を含んでいるため、乾燥や湿気の影響を受けにくく、腐朽や虫害にも強いです。

防腐効果があるウエスタンレッドシダーは、特に屋外での使用において、他の木材よりも腐食に強いとされています。そのため、耐久性のある屋外用建材や外装材として使用されることが多くみられます。

軽量で加工しやすいウエスタンレッドシダーは、比較的軽量で加工しやすいため、建材として利用する場合、施工の容易さから重宝されています。また、柔らかくて割れにくいため、加工の際の破損率が低く、コスト面も長所の1つです。

ウエスタンレッドシダーは、深い赤味を帯びた色合いと独特の木目が特徴的で、非常に美しい外観を持っています。 そのため、ガーデンファニチャーやサウナの内装材、外壁材や屋根材として使用することで、建物や空間のデザイン性を高めることができます。

以上のように、ウエスタンレッドシダーは、耐久性が高く、防腐効果がある、軽量で加工しやすい、美しい色と木目が特徴的です。 そのため、屋外での建築や外装材として利用されています。

短所

ウエスタンレッドシダーは、比較的希少な木材であり、価格が高くなります。そのため、杉や桧などの他の木材に比べてコストがかかりがちです。また、輸入品のため、為替のリスクや配送に関しての影響も考慮しなければなりません。

肌触りが荒い ウエスタンレッドシダーは、表面がザラザラしており、肌触りが荒く感じられることがあります。天然木材であるウエスタンレッドシダーは、加工する場合にも、取り扱いにも注意が必要です。

例えば、先の尖ったもので強い力がかかると表面にキズがつきやすい特徴があります。 重いものを乗せたり、強い風に当たる場所に置くと、変形やひび割れの原因になる可能性も高いです。 以上のようなデメリットがあるため、ウエスタンレッドシダーを利用する際には、適切な取り扱いとメンテナンスが必要となります。

ウエスタンレッドシダーの選び方

ウエスタンレッドシダーは天然の木材のため、選び方には注意が必要です。天然木材の特徴として、割れ、曲がり、ねじれ、反り、カビ、樹液によるシミ・変色が発生する場合があります。欠点のある材料は、加工や施工する際に手間がかかります。

欠点のないものを選ぶことが大切です。1つ1つ個体差があり、色や木目、節などの風合いが異なるので、使い方に応じて選びます。また、ウエスタンレッドシダーは、節のあるもの、ないものによって価格が大きく変わるのが特徴です。

節のある材料は木材らしい風合いを出せるうえ、価格も比較的安価です。一方、節のないものは高価で、よりシンプルな風合いを出すことができます。予算や好みに応じて選ぶことが重要です。