mesures sans contact2

Mesures sans contact

Méthodes optiques (partie 1)par Jean-Louis CHARRON

Ingénieur au Centre technique des industries mécaniques (CETIM)

Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.© Techniques de l’Ingénieur R 1 332 − 1

es méthodes optiques de mesures dimensionnelles sans contact conduisentgénéralement à la réalisation de capteurs peu coûteux. Elles ont une large

diffusion dans le domaine de la mécanique où on les trouve sous la forme desimple détecteur tout ou rien utilisé pour automatiser des machines, pour uncoût plus élevé, elles sont rencontrées sous la forme de capteur mesurant uni-dimensionnel simple. Les systèmes les plus complexes permettent d’effectuerdes mesures tridimensionnelles. Dans la plupart des cas, elles sont simples àmettre en œuvre et leur principe de fonctionnement n’est jamais très complexe.

Cet article s’inscrit dans une série consacrée aux capteurs de mesures dimensionnelles sanscontact :

— Mesures sans contact. Généralités [R 1 330] ;— Mesures sans contact. Méthodes magnétiques et capacitives [R 1 331] ;— Mesures sans contact. Méthodes optiques (partie 1) [R 1 332] ;— Mesures sans contact. Méthodes optiques (partie 2) [R 1 333] ;— Mesures sans contact. Autres méthodes [R 1 334] ;— Mesures sans contact. Comparatif [Comp. R 1 335] dans lequel le lecteur trouvera une

liste des principaux fournisseurs de capteurs.

1. Sources et détecteurs : généralités .................................................... R 1 332 - 21.1 Source lumineuse........................................................................................ — 21.2 Détecteurs .................................................................................................... — 2

2. Triangulation ............................................................................................. — 42.1 Capteur unidirectionnel............................................................................... — 42.2 Mesure bidimensionnelle. Relevé de profil............................................... — 62.3 Mesure tridimensionnelle par triangulation optique................................ — 7

3. Épiscopie, vision industrielle. Réflexion, diffusion ........................ — 83.1 Épiscopie, vision industrielle ...................................................................... — 83.2 Réflexion, diffusion...................................................................................... — 93.3 Triangulation par réflexion ......................................................................... — 11

4. Ombroscopie, diascopie......................................................................... — 114.1 Utilisation d’une nappe ou d’un faisceau parallèle statique.................... — 114.2 Utilisation d’un éclairage diffus.................................................................. — 134.3 Utilisation d’un balayage d’un faisceau laser ........................................... — 13

Comparatif .......................................................................................................... Comp. R 1 335

C

MESURES SANS CONTACT _______________________________________________________________________________________________________________

1. Sources et détecteurs : généralités

Pour réaliser un capteur optique on retrouve toujours les mêmeséléments :

— une source lumineuse ;— un détecteur de lumière ;— des optiques de focalisation.

1.1 Source lumineuse

■ La source lumineuse peut être naturelle (l’éclairage naturel)mais bien souvent il s’agit d’une source artificielle. Les lampes àincandescence étaient autrefois très largement utilisées. On leurpréfère maintenant, dans de nombreux cas, les diodes électro-luminescentes (LED) et les diodes laser en raison de leur taille, deleur coût et de la faiblesse de la puissance consommée. Les tubeslaser sont réservés aux systèmes complexes, de haut de gamme,qui nécessitent soit une puissance optique importante, soit unegrande qualité métrologique des faisceaux lumineux émis. Ils sont Dans une section considérée l’éclairement varie selon l’équation

Figure 2 – Variation de l’éclairement dans la sectiond’un faisceau laser TEM00

– 1,5 r – r 0 r 1,5 r

0,25

1/e2

0,5

0,75

1

Intensité normalisée

x

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par contre beaucoup plus encombrants.● Parmi les caractéristiques importantes d’un faisceau lumineux

se trouvent sa divergence et son étendue. Les limites de ces deuxgrandeurs sont données par les lois de propagation de la lumière.La relation qui lie la taille minimale d’un faisceau gaussien TEM00(mode Transverse Électromagnétique. Voir article Sources laser[E 4 020]) à sa divergence permet de calculer le comportement denombreux capteurs optiques qui utilisent une source laser.

Si r 0 est le rayon minimal d’un faisceau lumineux gaussien delongueur d’onde λ , sa divergence θ est :

La variation du rayon r d’un faisceau gaussien en fonction de ladistance z est donnée par l’équation (figure 1) :

(1)

La courbure R du front d’onde suit l’équation :

(2)

(figure 2) :

(3)

avec x distance par rapport à l’axe.

Les équations (1) (2) qui décrivent la propagation d’un faisceaulaser TEM00 de longueur d’onde 633 µm, montrent qu’il est impos-sible de le focaliser dans une petite section sur une grande pro-fondeur.

■ Les pièces éclairées absorbent, diffusent et/ou réfléchissent lalumière incidente selon leur couleur, leur état de surface et leurnature (transparente, opaque, isolante ou conductrice) (figure 3).

1.2 Détecteurs

■ Le détecteur le plus largement utilisé dans les capteurs optiquesest la photodiode (figure 4). Celle-ci transforme l’énergie lumi-neuse en énergie électrique. Elle est réalisée selon des géométrieset des technologies très diverses en fonction de son utilisation. Lesmodèles les plus petits permettent d’obtenir des capteurs avec untemps de réponse très court.

Utilisée en mode photoconducteur, une photodiode polariséeprésente un temps de réponse très faible (une bande passantesupérieure à 100 MHz est possible). Sans polarisation, des photo-diodes peuvent présenter un très faible bruit, une excellente linéa-rité et sont ainsi utilisables pour mesurer de très faibles intensitéslumineuses.

■ La cellule à deux ou quatre quadrants est utilisée pour mesurerdes déplacements de faisceau lumineux de très faible amplitude.Elle est réalisée en juxtaposant des photodiodes (figure 5).

Assemblées en barrettes, elles permettent de mesurer unerépartition d’intensité lumineuse sur une ligne. Les barrettes CCD(Charge Coupled Device) permettent de segmenter la ligne en plu-sieurs milliers d’éléments (10 000 pixels ou plus), la mesure de larépartition de l’intensité lumineuse s’effectue en deux phases :

Figure 1 – Variation du diamètre (défini comme la distance à l’axe pour laquelle l’éclairement représente 1/e2 fois l’éclairement sur l’axe) d’un faisceau laser focalisé en fonction de la distance

θ λπ r 0⋅----------------=

r z( ) r 0 �1 � λ z⋅π r 0

2⋅----------------�

2

�1/2

+=

R z( ) z �1 �λ z⋅

π r 02⋅

----------------�2

�1/2

+=

r

r0

z

θ

Surface d'éclairement 1/e 2

Cône asymptotique

À titre d’exemple un diamètre inférieur à 5 µm ne peut être gardéque sur une distance de 120 µm, par contre on peut obtenir un faisceaude diamètre inférieur à 4,5 mm sur une longueur de 100 m.

Exemple : une pièce blanche à l’aspect mat diffuse la lumière, unepièce lisse et conductrice la réfléchie, une pièce noire l’absorbe.

I x( ) 2 P⋅π r 2⋅---------------- e 2·x 2/r 2–=

______________________________________________________________________________________________________________ MESURES SANS CONTACT

Figure 3 – Exemples illustrant la diversité de comportement des surfaces éclairées

Surface lissemiroir

Faisceauincident

Faisceauréfléchi

Surface rétro-réfléchissante

Faisceauincident

Faisceauréfléchi

Surface mateet blanche

Faisceauincident

Lumièrediffusée

Surface mateet noire

Faisceauincident

Lumièrediffusée

Surface métalliquerugueuse

Faisceauincident

Lumièreréfléchieet diffusée

Surface active

Film en ortransparent

Polarisation Lignes de séparation entreles zones sensibles

1 2 3 4

Anodes


Figure 4 – Schéma d’une photodiode

P+ siliciumN– silicium

N+ diffusion

Couche aluminiummétallisée

Figure 5 – Schéma d’une cellule à quatre quadrants

1 2

3 4Faisceaulumineux

Cathode commune

— l’intégration (accumulation des charges électriques danschaque cellule) ;

— la lecture (sortie séquentielle d’une tension proportionnelleaux intensités lumineuses mesurées).

Les matrices CCD réalisent la même opération sur une surface àl’aide d’une matrice de cellules dont le nombre peut atteindreplusieurs millions (4 096 × 4 096). Leur nombre et leur densité aug-mentent actuellement avec les progrès rapides de la microélectro-nique.

■ Dans les dispositifs de mesure de déplacement sans contact parune méthode optique, il est souvent fait appel aux photodiodes àeffet latéral ou PSD (Position Sensing Device ). Ce sont des détec-teurs capables de délivrer des signaux électriques en fonction dela position d’un point lumineux sur leur surface.

Ce type de détecteur présente :— une résolution infinie ;— un temps de réponse très rapide (jusqu’à quelques dizaines

de nanosecondes) ;— une linéarité meilleure que celle des cellules à deux ou quatre

quadrants. Il n’a besoin, en comparaison avec les cellules CCD, quede circuits d’amplification simples mais, il est moins juste et beau-coup plus sensible à l’influence de la température.

Le faisceau lumineux crée des charges électriques dans lajonction de la photodiode proportionnellement à son intensité. Cescharges électriques sont collectées par les électrodes, chaque élec-trode recevant un courant inversement proportionnel à sa distanceau point d’impact du faisceau lumineux.

La position du faisceau lumineux sur les cellules (figure 6) estdonnée par les équations suivantes :

Figure 6 – Schémas de cellules PSD

Faisceaulumineux

I2

I1

J1

J2

L

L

Photocourantsx

yO

Faisceaulumineux

I2

I1

L

Cathode

Photocourants

cellule bidimensionnellebcellule unidimensionnellea


(4)

avec x abscisse du point d’impact du faisceau lumineux, y ordonnée du point d’impact du faisceau lumineux, I1 , I2 photocourants générés sur l’axe des abscisses (o ; x), J 1 , J 2 photocourants générés sur l’axe des ordonnées

(o ; y ), L distance séparant les électrodes.

Un circuit électronique effectue les calculs selon les équationsprécédentes et fournit des signaux fonction de la position du pointéclairé.

2. Triangulation

La mesure des positions des points par triangulation se fait par

xI1 I2–

I1 I2+------------------ L

2------⋅=

yJ 1 J 2–

J 1 J 2+---------------------- L

2------⋅=

zd

xy

Φ

ψ

γ

δβ

α

Détecteur

Objectif

Image du point mesurésur le détecteur

Faisceau lumineux

Axe de référencedu système d'éclairage

Axe de référencedu systèmede prise de vue

Projection des directions demesure sur le plan de référence

Pointmesuré

Détecteur

Objectif

Image du point mesurésur le détecteur

système à un dispositif d'éclairagea


la détermination de l’intersection de deux directions : celle del’éclairage du point à mesurer sur la pièce et celle d’où l’on voit lepoint éclairé du système de mesure (figure 7a).

Un deuxième système de mesure de la position des points éclai-rés est parfois utilisé (figure 7b). La triangulation se fait alors entreles deux systèmes de mesure, le système d’éclairage ne servantqu’à désigner les points. La précision de mesure est alors amé-liorée.

Pour les capteurs les plus simples, l’éclairage est bien souventréalisé avec une diode électroluminescente et une lentille de foca-lisation, pour les capteurs plus précis ou plus complexes.

L’éclairage structuré peut être réalisé soit à l’aide de faisceauxlaser, soit par projection d’une mire ou d’une trame :

— un laser permet de réaliser soit un éclairage ponctuel pourmesurer dans une direction, soit une ligne pour mesurer dans unplan, soit plus complètement un ensemble de points ou de lignespour mesurer en trois dimensions ;

— les mires ou trames sont la plupart du temps projetées enlumière blanche, mais il existe aussi des systèmes holographiquesqui diffractent un faisceau laser selon une image adaptée(ensemble de points, de lignes ou cercles concentriques).

Le système de mesure de la position des points éclairés est réa-lisé à l’aide d’un objectif et d’un détecteur optique qui peut êtreune cellule à effet latéral (PSD) linéaire ou surfacique ou un détec-teur CCD linéaire ou surfacique.

À partir de la géométrie du système de mesure, les coordonnéesdu point mesuré sont calculées avec les équations suivantes :

(5)

avec d distance entre le dispositif de projection de fais-ceaux lumineux et le système de prise de vue,

Φ direction de l’axe de référence du systèmed’éclairage,

Ψ direction de l’axe du système de prise de vue, α, β et γ angles qui varient en fonction de la position du

point mesuré.

L’angle δ peut aussi être mesuré mais il fait double emploi avecl’angle β ; une moyenne peut être effectuée.

2.1 Capteur unidirectionnel

2.1.1 Principe

Le capteur de déplacement unidirectionnel est le plus simple descapteurs par triangulation.

Il est constitué principalement (figure 8) :— d’une diode laser ou électroluminescente (LED) et d’un colli-

mateur qui crée un faisceau fin, d’une part ;— d’un détecteur linéaire et d’un objectif, d’autre part.

Ces éléments sont regroupés dans un boîtier métallique. Selonles fabrications, l’ensemble de l’électronique de traitement peutaussi être regroupé dans le même boîtier.

Le collimateur focalise le faisceau lumineux à la distance demesure moyenne. L’objectif focalise l’image du point éclairé par lefaisceau lumineux sur le détecteur linéaire. La position de cetteimage sur le détecteur linéaire est fonction de la distance de lapièce à mesurer.

x d tan Ψ γ+( )tan Φ α+( ) tan Ψ γ+( )–----------------------------------------------------------------------=

y d

tan �Φ α π2-----+ + � tan �Ψ γ π

2------+ + �–

-------------------------------------------------------------------------------------------------=

z x 2 y 2+ tan β=

Figure 7 – Systèmes de mesure par triangulation optique

z

d

xy

Φ

ψ

γδδ

β

α

DétecteurObjectif

Axe de référencedu 1er systèmede prise de vue

Axe de référencedu 2e systèmede prise de vue

Faisceau lumineux

Axe de référencedu système d'éclairage

Pointmesuré

système à deux dispositifs d'éclairageb


diffusent pas la lumière assez uniformément en raison de leur étatde surface. De plus, il y a l’influence du speckle si la source utiliséeest un laser, c’est-à-dire que le faisceau éclairant la pièce à mesurerétant cohérent, la tache mesurée est granuleuse.

Ici se trouvent les principales limitations des performances de laméthode de mesure. Pour diminuer l’influence du speckle, il fautaugmenter l’ouverture de l’objectif de mesure. Pour diminuerl’influence des non-uniformités de surface, il faut :

— soit utiliser un faisceau d’éclairage très fin et un détecteur dehaute résolution ;

— soit utiliser un faisceau d’éclairage assez gros pour moyennerles irrégularités sur une surface suffisamment grande. Dans ce casde très bonnes justesses sont réalisables, mieux que 0,01 % encompensant les erreurs de linéarité par étalonnage.

Des versions simplifiées fonctionnent en détecteur de proximité :selon les modèles, l’étendue de détection varie du centimètre àune quinzaine de mètres.

■ Stabilité

Ce sont les variations de température de la tête de mesure et duconditionneur qui peuvent provoquer des dérives. Elles provo-quent des déplacements relatifs des différents éléments optiqueset des dérives des composants. Des valeurs de dérives de0,02 %/oC de l’étendue de mesure sont courantes. Des compen-

Figure 8 – Schéma d’un capteur de déplacement par triangulation

Détecteur PSD ou CCD

Distance moyenne de mesure

Objectif

CollimateurÉtendue de mesure

LED ou Diode laser

Détecteur PSD ou CCD incliné pour obtenir une réponse linéaire


2.1.2 Principales caractéristiques

■ Étendue et distance de mesure

La distance moyenne de mesure de ce type de capteur estfonction de la distance qui sépare l’émetteur du récepteur et del’angle de leur axe de visée. Elle varie entre quelques centimètreset plusieurs mètres.

Les étendues de mesure sont très variables : elles s’échelonnentde quelques dixièmes de millimètre à plusieurs mètres.

■ Justesse de mesure

Le déplacement du point lumineux sur le détecteur n’est pas engénéral une fonction linéaire de la position de la pièce à mesurersauf si on le positionne convenablement (figure 9) : le détecteur estincliné par rapport à l’axe optique, afin de rendre les triangles objetet image semblables.

Les conditionneurs peuvent compenser les erreurs de linéarité,une justesse de 0,1 % de l’étendue de mesure est assez facilementobtenue. Des réalisations soignées et des mesures sur piècesd’état de surface uniforme et fin, permettent d’obtenir une linéaritéde 0,05 %.

Il est par contre pratiquement impossible d’obtenir une justessede 0,01 % si l’étendue du point mesuré est petite car les pièces ne

sations sont mises en œuvre dans les capteurs de précision : desvaleurs de l’ordre de 0,003 %/oC sont alors réalisables.

■ Sortie des résultats des mesures, réponse en fréquence, bruit

Pour la forme la plus simple, le capteur délivre un niveau logiqueindiquant qu’une pièce est détectée dans l’intervalle de distanceprogrammé.

Les capteurs mesurant délivrent, selon les réalisations, unetension analogique (de 0 à 10 V) proportionnelle à la distancemesurée ou un courant (de 4 à 20 mA). Les conditionneurs pluscomplets comportent un affichage numérique, ils peuvent de plusindiquer l’intensité du signal lumineux recueilli, et posséder unesortie numérique (RS 232).

Des réponses en fréquence jusqu’à 20 kHz sont possibles, lebruit de mesure étant alors en général assez important. La réduc-tion du bruit est effectuée par moyennage ou par augmentation dela puissance d’éclairage.

2.1.3 Limites d’utilisation

■ Les capteurs de déplacement par triangulation optique permet-tent d’effectuer des mesures dans des conditions d’ambiance quine sont pas trop contraignantes. La température du capteur estsouvent limitée à une étendue de 0o à 50 oC. Les mesures se fontgénéralement dans l’air. Les mesures à travers une fenêtre sontpossibles à condition d’en tenir compte à l’étalonnage. Les projec-tions d’eau ou d’huile sont à éviter, elles perturbent les mesures.Par contre, il est possible de mesurer les déplacements d’une pièceplacée dans un liquide transparent mais il faut étalonner le capteurdans les conditions de mesure en raison de l’influence de laréfraction.

■ Les capteurs de déplacement par triangulation optique peuventmesurer des pièces de nature très diverses à condition que leursurface soit diffusante. Les surfaces optimales sont blanches etmates. Des problèmes de mesure peuvent se produire sur des sur-faces métalliques à faible rugosité car dans ce cas, la lumière dif-fusée vers le récepteur du capteur peut devenir trop faible.

La mesure n’est en général pas possible sur des matériaux trans-parents. Avec précaution, des mesures sont réalisables sur desverres dépolis. Des erreurs de décalage peuvent se produire lors-que l’on effectue des mesures sur des pièces translucides (alu-mine, matières plastiques). Lorsque l’intensité de la lumièrediffusée vers le détecteur du capteur diminue, le bruit de mesure

Figure 9 – Schéma d’un capteur linéaire

Distance moyenne de mesure

Objectif

CollimateurÉtendue de mesure

Triangles semblables

LED ou Diode laser


augmente. Pour limiter ce problème dans certaines réalisations, unajustement automatique de la puissance de la source lumineuse

Figure 10 – Schéma de capteurs ayant plusieurs axes de détectionde la lumière diffusée

PSD 2 PSD 1Source

Détecteurcirculaire

Lentilles

Figure 11 – Schéma d’un système de mesure bidimensionnel,la ligne de mesure est dans le plan de triangulation

Détecteur linéaire

Objectif

Source

Collimateur

Zone de mesure Miroir oscillant


est réalisé.

En cas de variation locale du coefficient de diffusion (transitionnoir-blanc) de la surface à mesurer, une augmentation de l’erreurde mesure se produit. Le même phénomène se produit sur unearête. C’est l’une des principales causes de la limitation de la jus-tesse de ce type de capteur.

■ Ce type de capteur peut être perturbé par la lumière ambiante ;des limites d’éclairement situées entre 2 000 et 4 000 lux sontcourantes mais des constructions spéciales permettent des mesu-res en plein soleil avec un éclairement de l’ordre de 1 million delux.

Il faut bien veiller à ce que les points à mesurer soient visiblesde la source et du récepteur. La mesure au fond d’un trou profondn’est souvent pas possible. Lorsque les pièces défilent devant lecapteur, il est préférable d’orienter le capteur perpendiculairementau sens de déplacement, le point lumineux ne sera alors pasocculté au passage de marches.

Certains capteurs utilisent des sources lumineuses laser de puis-sance assez importante (classe III par exemple), des précautionsd’emploi sont donc à prendre pour préserver la sécurité du per-sonnel.

■ Pour améliorer les caractéristiques de capteur de déplacementpar triangulation optique des constructeurs ont ajouté un ou plu-sieurs axes de mesure de la lumière diffusée par la pièce, cela per-met de limiter en partie l’influence des non-uniformités de lasurface mesurée ainsi que celle des sauts abruptes (figure 10).

2.2 Mesure bidimensionnelle.Relevé de profil

2.2.1 Principe

Plusieurs modes de réalisation sont possibles, suivant la géo-métrie de mesure utilisée, le type de détecteur et le moded’éclairage.

■ Méthode la plus simple

La mesure d’un profil peut être obtenue en déplaçant un capteurunidimensionnel soit par une rotation autour d’un axe, soit partranslation. On peut aussi placer un miroir qui change d’orientationdevant un capteur unidimensionnel (figure 11).

■ Faisceau d’éclairage dévié dans le plan de triangulation

Pour dévier le faisceau lumineux, il est possible d’utiliser unmiroir monté sur un galvanomètre ou un axe de codeur angulaire.Un déviateur acousto-optique peut aussi être utilisé. La modulationde la puissance lumineuse peut être réalisée, si nécessaire, par ladiode laser ou par un dispositif de déviation acousto-optique. Undétecteur linéaire est en général utilisé : suivant les performancessouhaitées, on peut utiliser un détecteur PSD ou CCD (cf. § 1.2). Lamesure est séquentielle sur la ligne de mesure. La cadence demesure peut atteindre 10 000 points par seconde.

Pour réaliser des mesures à l’aide de cette méthode il fautcontrôler précisément l’angle de déflexion du faisceau lumineux,ce qui est la plupart du temps réalisé avec un miroir placé sur unaxe de rotation équipé d’un codeur angulaire.

■ Faisceau d’éclairage dévié dans le plan perpendiculaireau plan de triangulation (figure 12)

Pour réaliser le plan lumineux, il est possible d’utiliser :— une diode ou un tube laser et des lentilles cylindriques ;— un réseau holographique ;— un miroir tournant ou un déviateur acousto-optique.

Figure 12 – Schéma d’un système de mesure bidimensionnel, la ligne de mesure est dans le plan perpendiculaire au plan de triangulation

Détecteur surfacique

Objectif

Source

Collimateur

Déviateur

Zone de mesure orthogonaleau plan de triangulation

Miroir


En lumière blanche, le plan lumineux peut être obtenu à l’aided’une lampe halogène et d’une fente. On peut aussi choisir d’éclai-rer un demi-plan en utilisant un couteau. Un détecteur CCD matri-ciel est le plus habituellement utilisé pour mesurer l’intersection duplan lumineux avec la pièce à mesurer. Si le plan lumineux estobtenu par balayage, un détecteur PSD bidimensionnel est utili-sable.

2.3 Mesure tridimensionnellepar triangulation optique

2.3.1 Principes

■ Premièrement, la mesure tridimensionnelle peut être réalisée endéplaçant un capteur de déplacement unidimensionnel par trian-gulation optique selon deux ou trois axes de translation, commedans une machine à mesurer classique (palpage mécanique). Il estpossible aussi de combiner un axe de rotation sur lequel la pièceà mesurer est placée et déplacer le capteur de mesure sans contactsur un ou deux axes de déplacement linéaire, cela permet d’encontrôler une plus grande partie.

■ Deuxièmement, le relevé tridimensionnel peut être effectué endéplaçant la pièce par translation ou rotation devant un systèmede mesure bidimensionnel selon sa forme. On peut évidemmentaussi déplacer un système de mesure bidimensionnel selon un axede rotation ou de translation.

■ La troisième méthode consiste à associer un éclairage bidimen-sionnel et un détecteur lui aussi bidimensionnel.

Il y a de nombreuses solutions pour réaliser un éclairage struc-turé bidimensionnel :

Figure 13 – Capteur bidimensionnel utilisant deux caméraspour mesurer le profil de la pièce (source : Kréon)


■ Applications possibles

En utilisant trois systèmes de mesures placés à 120o, il est pos-sible de contrôler la forme extérieure de joints à la sortie d’extru-deuse, de profilé en sortie de laminoir (à chaud ou à froid), dereconnaître et de mesurer la position d’une voie ferrée située àcôté d’une autre.

■ Capteurs bidimensionnels à deux axes de mesure

Comme pour les capteurs unidimensionnels, des constructeursutilisent deux axes de mesure de la lumière diffusée (figure 13)afin d’améliorer la justesse ou permettre des mesures lorsqu’il y ades variations brusque d’altitude qui cachent l’une des caméras.Cet axe supplémentaire peut aussi présenter l’avantage d’effectuerla mesure sans avoir à tenir compte de la direction du plan laser,il peut ainsi servir seulement à désigner la ligne à mesurer. Ledeuxième axe de mesure permet aussi de compenser en partiel’influence des variations des propriétés optiques de la surfacemesurée et d’améliorer ainsi la justesse lorsque la surface n’a pasde propriétés optiques uniformes.

— il est possible de déplacer un faisceau laser à l’aide de deuxmiroirs aux axes de rotation orthogonaux (avec des goniomètresou des galvanomètres) ou à l’aide d’un seul miroir monté sur ungoniomètre possédant deux axes de rotation ;

— une autre méthode pour réaliser cet éclairage est de déplacerun plan lumineux avec un miroir rotatif.

● Le moyen le plus souple utilise deux déflecteurs acousto-optiques croisés (figure 14). Dans ce cas n’importe quelle formed’éclairage peut être réalisée. Il est possible de passer d’une direc-tion à une autre en 50 µs : pendant une prise d’image de 40 ms,500 points différents peuvent être éclairés tout en modulant l’inten-sité lumineuse en fonction de l’état de surface de la pièce àcontrôler. Un ensemble de lignes, courbes ou points peut être pro-grammé en fonction de la forme de la pièce à mesurer et desdimensions que l’on désire contrôler. Sur une pièce type le sys-tème de mesure ajuste automatiquement l’intensité lumineusenécessaire à la mesure de chaque point. C’est un moyen demesure rapide et souple qui peut être utilisé sur les lignes de pro-duction.

Figure 14 – Schéma d’un système de mesure tridimensionnelle par triangulation utilisant deux déviateurs acousto-optiques pour désigner les points à mesurer (source : CETIM)

Caméra

CalculateurConvertisseurs

numérique /analogique

Carte d'acquisitionvidéo ou numérisation

de l'image

Déflecteursacoustico-optique

Amplificationdes déviations

VCO

VCO


3. Épiscopie, vision industrielle. Réflexion, diffusion

Cette méthode de mesure utilise la lumière qui est réfléchie oudiffusée par l’objet à mesurer, l’éclairage et le dispositif de mesurede la lumière étant disposés à proximité l’un de l’autre. Troismodes de mesure sont principalement utilisés :

— la mesure sur image en épiscopie ou en vision industrielle ;— la mesure d’intensité lumineuse réfléchie ou diffusée à l’aide

de détecteurs ou par l’intermédiaire de fibres optiques ;— la mesure par triangulation en mesurant la position d’un

point lumineux réfléchi par la surface à mesurer ou en analysantl’image d’une trame réfléchie par la surface à mesurer.

3.1 Épiscopie, vision industrielle

3.1.1 Principe de mesure

exemples de série de mires qui sont successivement projetéessur la pièce à mesurer

a


● Pour le contrôle unitaire, des systèmes à projection de tramessont utilisés. Ils permettent d’effectuer la numérisation complète departies de pièces. Ils sont généralement constitués d’un projecteurqui permet d’éclairer les pièces avec des trames de pas de plus enplus fins afin de désigner les lignes à mesurer et permettre de leverles ambiguïtés de mesure (figure 15). Le pas du réseau projeté nedoit pas être trop fin sinon un effet de moiré apparaît et peu per-turber l’analyse des mesures : les lignes de transition noir blanc nesont plus parallèles et forment des contours. Chaque transition noirblanc constitue un plan de mesure. La mesure dure une dizaine desecondes, le temps de projeter les trames successivement etd’acquérir les images.

Selon les modèles, une ou deux caméras sont utilisées poureffectuer les mesures par triangulation.

Les résultats des mesures sont améliorés en recouvrant la sur-face à mesurer avec une substance blanche et diffusante demanière à obtenir des images de luminosité uniforme. En collantsur la pièce des repères identifiables, il est possible d’assemblerdes prises de vue faites sous des angles différents comme on lefait en photogrammétrie (cf. article Perception géométrique tri-dimensionnelle en robotique [R 7 750], § 5.6, dans ce traité). La jus-tesse de mesure (de 0,05 % à 0,005 % de l’étendue de mesure) estdans de nombreux cas meilleure que celle des systèmes utilisantun éclairage laser car il n’y a pas l’influence du speckle, l’éclairageétant incohérent. De plus on utilise la transition noir blanc poureffectuer la triangulation. Cette méthode est moins sensible auxnon-uniformités de teinte de la pièce.

■ Un dispositif optique (microscope ou caméra) est utilisé pourvisualiser une image de la pièce à mesurer, et y faire des pointés.Il est généralement monté sur un ou deux axes de translationorthogonaux, un troisième axe parallèle à celui de l’axe optiquepermet de faire la mise au point image. Dans sa forme la plus sim-ple c’est un microscope avec une visualisation avec un oculaire ousur un verre dépoli, cela peut être aussi une caméra ou un appareilphotographique numérique, avec lesquels une analyse d’image esteffectuée. Dans sa forme la plus complète le système prend laforme d’une machine à mesurer, le dispositif optique remplaçantles palpeurs de mesure et mettant à disposition une image.

La pièce à mesurer est éclairée par un dispositif annulaire sou-vent placé autour de l’axe optique ou par l’objectif lui-même.

■ Trois modes de mesure sont utilisés :— le pointé sur le bord de surface (figure 16) ;— la mesure de dimensions d’élément à l’aide de l’image visua-

lisée (figure 17) ;— la mesure d’altitude de point de la pièce par réglage de la mise

au point. Selon les machines et les logiciels qui leur sont associés,les prises de cote peuvent être entièrement manuelles, en partieautomatiques – des algorithmes de traitement d’image aidantl’opérateur à faire des mesures –, ou complètement automatiquespour les machines adaptées au contrôle en série, des gammes decontrôle sont alors complètement programmées.

En vision industrielle, la caméra est fixe dans la plupart des cas,les mesures se font par analyses et traitements d’image, les piècesà contrôler sont placées automatiquement devant la ou les camé-ras de mesure. Dans ce cas, en plus des dimensions des pièces,des défauts d’aspect peuvent aussi être contrôlés.

3.1.2 Caractéristiques techniques

■ L’étendue de mesure (par pointé) correspond à celle des coursesdes dispositifs de translation utilisés (les dimensions les pluscommunes sont de l’ordre de 500 mm × 200 mm × 150 mm). Pourdes dimensions plus grandes on monte une tête optique sur unemachine à mesurer conventionnelle. Pour des applications spé-cifiques, il y a des machines plus petites ou simplifiées. Les gros-sissements des dispositifs optiques utilisés s’échelonnent entre 1et 100 ce qui permet de couvrir un champ de mesure de0,07 mm × 0,055 mm pour les grossissements les plus importants à8 mm × 6 mm sans grossissement, l’analyse de l’image étant faiteà l’aide d’un détecteur CCD de surface moyenne.

Figure 15 – Projection de trame en lumière blanche(source : GF Messtechnik GmbH)

trame projetée sur une portière ( GF Messtechnik GmbH )b


2,5 · 10–4 de l’étendue de mesure selon le nombre de pixels dudétecteur utilisé (512 × 512 à 4 096 × 4 096).

■ Ces systèmes de mesure sont généralement utilisés dans deslaboratoires de métrologie dimensionnelle. Leurs dérives sontcomparables à celles des machines classiques (voir spécifications).

C’est une méthode de mesure statique : c’est l’opérateur quiguide les mesures. Quelques opérations simples peuvent êtreautomatisées (suivi de contour, reconnaissance de forme, calcul derayons, de diamètres...).

— En mode pointé, le système peut effectuer quelques points demesure par seconde, en mode traitement d’image chaque analyseélémentaire prend quelques fractions de seconde.

— Dans le cadre de la vision industrielle, la durée de mesured’une image peut être réduite à quelques millièmes de secondes.La cadence de traitement peut atteindre la cadence de prised’image si les moyens de calcul sont assez puissants et les traite-ments à réaliser pas trop complexes.


La taille des pièces est limitée par les capacités de la machinepour les mesures par pointé mais ce sont souvent des petitesFigure 16 – Mesures par pointés sur bord de pièce

Plan de mesure

Pièce àmesurer

Dép

lace

men

t d

ud

isp

osi

tif

de

mes

ure

Objectif

DétecteurCCDSupport de pièce


Les grossissements des caméras ou appareils photographiquesnumériques s’échelonnent entre 1 et 10–6 selon que la prise de vueest une macrophotographie ou une photographie spaciale, l’éten-due de mesure peut donc dépasser 10 km.

■ La justesse (10–2 à 10–5 de l’étendue de mesure) est fonction dela qualité du contrôle des déplacements de la tête de mesure (voirspécifications des machines), de la justesse du grandissement del’optique, de la qualité de la correction ou de la compensation deses distorsions, de la résolution du détecteur utilisé, des modes dedétection de contour mis en œuvre et de la précision de la mise aupoint pour la fixation du grandissement et les mesures selon l’axeoptique.

■ La résolution est meilleure que 0,1 µm pour les axes des machi-nes les plus soignées, de 0,2 µm pour les objectifs avec plus fortgrossissement et de 0,1 µm pour le détecteur CCD, avec un gran-dissement de 100. Plus généralement elle varie entre 20 · 10–4 et

pièces qui sont mesurées avec ce type de machine.

L’automatisation des mesures n’est pas complète, un opérateurest dans la plupart des cas nécessaire. Pour obtenir les meilleursrésultats les systèmes de mesure doivent être placés dans deslocaux climatisés. La finesse insuffisante des contours, des arêtes,induit des incertitudes de mesure complémentaires.

Si l’on désire faire des mesures à fort grossissement, en raisonde la forme de la pièce, on peut rencontrer des difficultés à placerl’objectif près de la surface à contrôler.

Les détails que l’on veut mesurer doivent se traduire par desvariations de contraste sur l’image mesurée, des algorithmespeuvent être mis en œuvre pour les détecter.

3.1.4 Domaines d’application

Dans le domaine de la métrologie dimensionnelle, cetteméthode de mesure est complémentaire à celle des machines àmesurer traditionnelles. Elle permet de mesurer des petits détailsdifficiles à analyser avec des palpeurs mécaniques, de faire desmesures sans contact et tridimensionnelles sur des pièces fragiles,déformables (matières plastiques, élastomères, caoutchoucs...).C’est la méthode de mesure qui est utilisée pour déterminer lataille des empreintes pour certains essais de dureté, pour étalonnerdirectement les règles optiques.

Cette méthode de mesure est aussi principalement utilisée dansle domaine de la vision industrielle pour effectuer des contrôles enligne très divers.

3.2 Réflexion, diffusion

3.2.1 Principe

Une source lumineuse émet un cône de lumière, la lumièreréfléchie et diffusée par la pièce est mesurée par un détecteur(figure 18).

L’intensité lumineuse mesurée par le détecteur est fonction de ladistance qui le sépare de la pièce et des caractéristiques optiquesde surface de celle-ci. Lorsque la distance est très faible, le récep-teur ne reçoit pas de lumière, lorsqu’elle augmente l’intensité col-lectée passe par un maximum et décroît à grande distance(figure 19).

Figure 17 – Mesure des dimensions d’éléments dans le champde l’image mesurée (la caméra et le système de vision)

Plan de mesure

Objectif

DétecteurCCD

Pièce à mesurer

Éclairage

Éclairage


Figure 18 – Schéma de principe d’un capteur de déplacement à réflexion

Source de lumière Récepteur

Cône d'émission

Cône de réception

Pièce mesurée

Lumière réfléchie ou diffusée

Inte

nsi

té I

Champ lointain

Inte

nsi

té I

d

I1

I2

I2/I1

Fibres d'émission

Fibres de réception 1

Fibres de réception 2

a arrangement des fibres d'un capteur composé

b intensité mesurée


Pour compenser l’influence de la surface mesurée sur la réponsed’un capteur de mesure de distance par réflexion, on utilise deuxcapteurs en parallèle avec une disposition différente du deuxièmerécepteur (figure 20). Le rapport des sorties des deux ensemblesest calculé pour créer une sortie fonction de la distance mais relati-vement insensible aux variations de réflectance de la piècemesurée. Le capteur reste cependant un peu sensible à la brillanceou matité de la surface, car elles influencent la répartition angulairede la lumière réfléchie.

Dans la plupart des réalisations industrielles, des fibres optiquessont utilisées pour « déporter » la source de lumière et les détec-teurs au niveau du point de mesure (figure 21) : cela permet plusde souplesse et la miniaturisation de la zone mesurante.

3.2.2 Caractéristiques techniques

■ Les étendues de mesure varient de 0,05 mm à 20 mm selonl’espacement et l’arrangement de la source et de la détection.

La réponse de ce type de capteur n’est pas linéaire sur toutel’étendue de mesure. Pour les capteurs non compensés, un étalon-nage avec la pièce mesurée est absolument indispensable, pourtenir compte de la réflectance de la surface visée. On ne peut pasles utiliser dans la zone de jonction entre le champ proche et lechamp lointain.

■ Cette méthode de mesure permet une résolution très fine :0,002 µm pour les plus petites étendues de mesure.

■ La température d’utilisation de tête à fibre optique est compriseentre – 55 oC et 100 oC, des réalisations permettant d’atteindre500 oC sont possibles.

■ La bande passante standard est assez élevée (20 kHz). Elle peutêtre augmentée jusqu’à 1 MHz au détriment du bruit de mesure ouréduite à 100 Hz pour améliorer la résolution d’un facteur 10.


La surface de la pièce à mesurer doit avoir une réflectivité uni-forme sinon la réponse est perturbée.


Les capteurs non compensés peuvent être utilisés pour mesurerles déplacements d’une pièce dans l’axe de mesure (vibrations,contrôle de déplacement, mesure de niveau de liquide ou de verre)à condition de faire un étalonnage dans les conditions d’utilisation.

Les capteurs compensés diminuent l’influence de la réflectivitéde la pièce d’un facteur 25 et donc autorisent un défilement de lacible orthogonal à l’axe de mesure (mesure d’épaisseur, détectionde bord, mesure de pièces isolantes, de déplacement d’arbre). Unétalonnage est nécessaire pour améliorer la justesse de mesure ettenir compte des variations de matité.

Figure 19 – Variation de l’intensité mesurée en fonction de la distance pour un capteur non compensé

Figure 20 – Schéma d’un capteur de déplacementpar réflexion compensé

d

Champ proche

Source de lumière

Récepteurs

Côned'émission

Cône de réceptiondu récepteur 1

Pièce mesurée

Lumièreréfléchie

ou diffusée

Cône de réceptiondu récepteur 2

1 2

Figure 21 – Variation de l’intensité mesurée par chaque réseaude fibre de réception et de la sortie calculée


Compte tenu des caractéristiques de tenue en température, desbandes passantes, de la sensibilité, de la transmission de lamesure par fibres optiques, le domaine d’application de ce type decapteur est large, toutefois il ne faut pas chercher une justesseimportante.

3.3 Triangulation par réflexion

et de dérives des composants. Des valeurs de 0,02 %/oC de l’éten-due de mesure sont courantes. Des compensations sont mises enœuvre dans les capteurs de précision, pour lesquels des valeurs del’ordre de 0,003 %/oC sont réalisables.

■ Sortie des résultats des mesures, bande passante, bruit

Pour la forme la plus simple, le capteur délivre un niveau logiqueindiquant qu’une pièce est détectée dans l’intervalle de distanceprogrammé.

Les capteurs mesurant délivrent, selon les réalisations, une ten-sion analogique (de 0 à 10 V) proportionnelle à la distance mesuréeou un courant (de 4 à 20 mA). Les conditionneurs plus completscomportent un affichage numérique, ils peuvent de plus indiquerl’intensité du signal lumineux recueilli et posséder une sortienumérique (RS 232).

Des réponses en fréquence jusqu’à 20 kHz sont possibles, lebruit de mesure étant alors en général assez important. La réduc-tion du bruit est effectuée par moyennage ou par augmentation dela puissance d’éclairage.


La distance de mesure mais surtout l’étendue de mesure sont en

Figure 22 – Schéma de principe du capteur unidirectionnelpar triangulation par réflexion

Diode laser

Collimateur

Détecteur PSD ou CCD

Lentille de focalisation

Faisceau réfléchi

Pièce réfléchissante


3.3.1 Principe du capteur unidimensionnel

Le capteur unidirectionnel de déplacement par triangulation àréflexion est construit avec les mêmes éléments qu’un capteur dedéplacement par triangulation classique (cf. § 2.1.1) mais ils sontarrangés pour utiliser le faisceau réfléchi par la pièce (figure 22) aulieu de la lumière diffusée par la pièce. Il ne fonctionne donc pasavec une pièce diffusante. Le système de détection mesure direc-tement la position du faisceau réfléchi dans son champ, il n’y a pasde triangulation. Une diode laser, ou plus rarement une diodeélectroluminescente, et une lentille collimatrice sont utilisées pouréclairer le point mesuré sur la pièce, l’image du point est focaliséesur le détecteur optique linéaire (PSD ou CCD). Les positionsrelatives du faisceau d’éclairage de la lentille de focalisation et dudétecteur optique sont telles que la mesure soit indépendante del’orientation de la surface mesurée dans une petite plage devariation.

3.3.2 Principales caractéristiques

■ Étendue et distance de mesure

La distance moyenne de mesure de ce type de capteur estfonction de la distance qui sépare l’émetteur du détecteur et deleurs orientations relatives. Elle varie entre quelques centimètres etdécimètres, la valeur maximale étant plus petite que celle des cap-teurs de triangulation qui utilisent la diffusion.

Les étendues de mesure sont généralement petites, elles s’éche-lonnent de quelques dixièmes de millimètre jusqu’à plusieurscentimètres.

■ Justesse de mesure

Le déplacement du point lumineux sur le détecteur est en géné-ral une fonction linéaire de la position de la pièce à mesurer si onle positionne convenablement. Les conditionneurs peuventcompenser les erreurs de linéarité : une justesse de 0,1 % de l’éten-due de mesure est assez facilement obtenue. Des réalisations soi-gnées et des mesures sur pièces d’état de surface uniforme et finpermettent d’obtenir une linéarité de 0,05 %.

■ Stabilité

Ce sont les variations de température de la tête de mesure et duconditionneur qui peuvent provoquer des dérives. Elles provo-quent des déplacements relatifs des différents éléments optiques

général peu importantes car il faut que le faisceau lumineux réflé-chi entre dans l’optique de détection. L’étendue de mesure est auplus égale à l’ouverture de la fenêtre de détection et si l’on veuttolérer des variations d’orientation de la surface mesurée cetteétendue est encore diminuée. La diffusion du faisceau de mesurepar la surface diminue la quantité de lumière mesurée et augmentedonc le bruit.


Les mesures par réflexion sont en général plus précises et plusrapides que celles effectuées par triangulation classique (diffusion),car presque toute la lumière émise est mesurée par le détecteur.Cette méthode est donc bien adaptée pour les petites étendues demesure et la mesure sur les pièces réfléchissantes qui est souventdélicate avec la triangulation classique.

4. Ombroscopie, diascopie

Le lecteur pourra consulter également l’article Visualisation etmesures optiques en aérodynamique [R 2 160], § 1.2 dans ce traité.

Pour effectuer des mesures par ombroscopie on réalise un éclai-rage de la pièce à mesurer par l’arrière à l’aide d’un faisceau lumi-neux parallèle ou un éclairage diffus et l’on mesure l’image de lapièce ou son ombre, agrandie ou non, sur un détecteur (diascopie).

Trois méthodes sont principalement utilisées pour effectuer desmesures par ombroscopie :

— utilisation d’une nappe ou d’un faisceau parallèle statique ;— utilisation d’un éclairage diffus ;— balayage par un faisceau laser.

4.1 Utilisation d’une nappeou d’un faisceau parallèle statique

À l’aide d’une source ponctuelle, qui peut être une diode laser,un trou ou une fente placée au foyer d’une lentille convergente(cylindrique ou sphérique), un faisceau (ou une nappe lumineuse)parallèle est réalisé. Il éclaire la (ou les) pièce(s).


Figure 23 – Comparaison entre les différentes méthodes de répartir la lumière en ombroscopie

0– r r x– 2 r– 3 r 2 r 3 r

1

I

0,25

0,5

0,75

0,5

0,75

diffraction par une fenteb

0– r r x– 1,5 r 1,5 r

0,25

0,5

1

I

1/e2

répartition gaussiennea

0– r r x

0,25

0,5

1

I

0,75

diffraction par hologrammec

0,750,75


La qualité du faisceau lumineux (parallélisme) sera d’autant plusgrande que la taille de la source lumineuse est petite. Les caracté-ristiques de la lentille collimatrice ont aussi leur importance.

Pour une diode laser monomode, la répartition angulaire del’intensité lumineuse suivra une courbe gaussienne (figure 23a). Sila source ponctuelle est réalisée avec un trou, la répartition angu-laire suivra une courbe d’Airy. Enfin, si la source est réalisée à

l’aide d’une fente, la répartition sera en (figure 23b).

On peut aussi associer une diode laser, un réseau holographiqueet une lentille pour réaliser un plan laser parallèle et uniforme.

Aucune des méthodes n’est parfaite, une répartition angulaireuniforme de l’intensité est difficile à obtenir.

L’ombre de la pièce est projetée directement sur un détecteurCCD (figure 24). La résolution du système de mesure réalisé estdonc égale à celle du détecteur. À cause des phénomènes de dif-fraction et de l’étendue de la source lumineuse utilisée, la transi-tion de l’ombre à la lumière n’est pas brutale (figure 25).

La divergence α du faisceau parallèle réalisé est égale à d/ 2f , détant la largeur de la source et f la focale de la lentille collimatrice(figure 25). La transition du noir au blanc sur le détecteur se faitsur une distance = L · 2α où L est la distance entre le détecteur etla pièce mesurée. Dans une telle configuration, la largeur de

l’image formée sur le détecteur n’est ni fonction de la position dela pièce, ni de celle du détecteur. Évidemment, si la source lumi-neuse n’était pas placée au foyer de la lentille collimatrice la nappelumineuse ne serait plus parallèle et un certain grandissementpourrait exister entre la pièce et son ombre sur le détecteur.

La diffraction sur le bord de la pièce à mesurer influence aussila forme de la transition du noir au blanc (figure 26).

La diffraction n’agit que sur une faible partie au bord de l’ombregéométrique. À la limite de séparation théorique, l’intensité del’éclairement est divisée par quatre. Dans l’ombre, il y a unedécroissance régulière alors que dans la partie éclairée on constatedes oscillations d’intensité (figure 26). La lumière reçue par ledétecteur est la convolution de ces deux effets (diffraction etdivergence) : on observe donc des franges colorées.

Figure 24 – Mesure directe d’une pièce par ombroscopieavec un détecteur CCD

DétecteurCCD

Nappe lumineuse parallèle

Pièce à mesurer

Sourcelumineuseponctuelle

Lentillecollimatrice

� sin xx

----------------�2

�

Figure 25 – Ombroscopie : influence de l’étendue de la sourcesur la brutalité de la transition du noir au blanc

d

f

L

α

I

Lentille collimatricede focale f

Source étendueau foyer de la lentille

collimatrice

Fente à mesurer

Détecteur

Répartition de l'intensitélumineuse sur le détecteur


Le faisceau est occulté par la pièce à mesurer : l’intensité lumi-neuse reçue par le détecteur est donc fonction de la position de lapièce. La justesse de mesure est fonction de l’uniformité de lanappe lumineuse dans la zone de mesure.

Figure 26 – Influence de la diffraction par le bord d’un écran sur l’éclairement au voisinage de l’ombre géométrique

I Répartition de l'intensitélumineuse sur le détecteur

3,08

2,34

1,22

Distance (� λ)

DétecteurÉcran

Faisceau lumineux parallèle

λ longueur d'onde utilisée

Nappe lumineuseparallèle

Photodiode aufoyer de l'objectif


■ Mesure par l’intermédiaire d’un objectif

L’utilisation d’un objectif placé entre la pièce à mesurer et ledétecteur permet d’adapter la dimension du détecteur à celui del’étendue de mesure désirée, elle permet donc aussi de modifier larésolution. Elle permet de plus de réduire l’influence de la diver-gence du faisceau d’éclairage et d’obtenir une transition beaucoupplus franche. Par contre le détecteur doit être dans le plan imagede l’objectif, la dimension de l’ombre projetée est fonction despositions relatives de l’objet à mesurer, de l’objectif et du détec-teur. Une image de l’objet est réalisée sur le détecteur, l’indépen-dance de la solution précédente est donc perdue.

■ Mesure de l’intensité de la lumière

Une méthode simple pour mesurer la position d’une pièce, sesdimensions, la distance entre deux pièces, est de les éclairer avecun faisceau lumineux homogène et parallèle (figure 27).

4.2 Utilisation d’un éclairage diffus

Dans la configuration présentée figure 28a , la distance de miseau point fixe le grandissement, elle intervient donc directementdans la justesse de mesure. Cette configuration est utilisée pourmesurer des petits détails de forme comme les rayons de raccor-dement, les chanfreins, les petits trous.

Dans la configuration de mesure présentée figure 28b , c’est lajustesse du système de mesure de déplacement qui donne la pré-cision des mesures, la distance de mise au point ne participe qu’àmieux définir la position du bord de la pièce.

4.3 Utilisation d’un balayaged’un faisceau laser

4.3.1 Principe de mesure

La mesure s’effectue à l’aide d’un plan laser réalisé par un fais-ceau laser qui balaye la zone de mesure (figure 29a) : le balayageest fait avec un miroir ou un tambour à miroir tournant placé aufoyer d’un collimateur (lentilles de projection), la vitesse de rota-tion du miroir est constante, les lentilles du collimateur étant choi-sies avec soin, la vitesse de déplacement du faisceau laser estconstante. Une lentille de détection collecte la lumière vers unephotodiode de détection, le signal reçu est analysé pour mesurerles temps d’occultation du faisceau laser par les pièces à mesurer.Le signal de mesure est échantillonné jusqu’à 500 MHz pour obte-nir les plus grandes résolutions (0,01 µm). Des couteaux délimitentavec précision la largeur de référence du plan laser. Un dispositifpermet de mesurer avec précision l’instant de la transition du noirau blanc (figure 29b).

4.3.2 Caractéristiques de mesure

■ Les étendues de mesure sont comprises entre 1 à 190 mm [1].La justesse de mesure peut atteindre 2 · 10–4 à 2 · 10–5 fois l’éten-due de mesure. La fréquence des balayages varie selon les systè-mes entre 50 et 1 000 balayages par seconde.

Figure 27 – Mesures de la position du bord d’une pièceet de la distance entre deux cylindres

Couteaux délimitantle faisceau de mesure



Objectif



Nappe lumineuseparallèle

Photodiode aufoyer de l'objectif

Objectif

mesure de la distance entre deux cylindres avec une photodiodeb

mesure de la position du bord d'une piècea


Plan de mesure

Écran diffuseur

Chambre claire

Source lumineuse diffuse

Pièce à mesurer

Objectif

DétecteurCCD

axe du dispositif centré sur celui de la piècea

Planlaser

balayé

Laser

Lentille de focalisation du laser

Lentille de projection

Lentillede détection

Miroir en rotationqui effectue

le balayage laserPlan de mesure

où le laser est focalisé

Détecteur

Temps de référence

nsi

té I

schéma du dispositifa


■ La répétabilité est fonction du nombre de mesures utiliséespour calculer une moyenne : les performances optimales d’un sys-tème de mesure sont généralement atteintes à partir de 200 mesu-res (figure 30). Les dérives avec la température sont très faibles :pour un système de bonne qualité elles sont inférieures à quelquesdixièmes de µm/oC.


Les meilleures performances ne peuvent être obtenues que dansles conditions d’un laboratoire de métrologie : la températureambiante doit être stabilisée, un temps de chauffe d’au moins uneheure est nécessaire, l’air ambiant doit être stable.

La température d’utilisation est généralement comprise entre0 oC et 40 oC.

Les pièces à mesurer et les fenêtres du capteur doivent évi-demment être propres, sans poussières ni huile. Pour avoir lameilleure justesse, la pièce mesurée doit être immobile, des dépla-

cements radiaux trop rapides dégradent la répétabilité des mesu-res. Compte tenu de la précision importante de la méthode demesure, une inclinaison α dans le plan de mesure de la pièce pro-voque une erreur de mesure ∆ = d · (1 – cos α) (ce qui représente0,8 µm sur une pige de 20 mm pour un angle de 0,5 degré).

Figure 28 – Ombroscopie : utilisation d’un éclairage diffus

Dép

lace

men

t d

ud

isp

osi

tif

de

mes

ure

Plan de mesure

Écran diffuseur

Chambre claire

Source lumineuse diffuse

Pièce à mesurer

Objectif

DétecteurCCD

axe du dispositif sur le bord de la pièceb

Figure 29 – Ombroscopie : dispositif utilisant le balayaged’un faisceau laser

Figure 30 – Ombroscopie utilisant le balayage d’un faisceau laser : variation de la répétabilité en fonction du nombre de mesures moyennées

Temps d'occultationdue à la pièce

mesurée

Inte

Temps t

signal mesuré par la photodiode de détectionb

0 100 200 300 400 500 600

0,25

0,5

0,75

1,25

1

1,5

Rép

étab

ilité

(µm

)

Nombre de mesures moyennées


Pour obtenir la justesse de mesure nominale les pièces doiventrester dans le plan de mesure qui est fixé entre le projecteur defaisceaux et la tête de détection. La plage autorisée est fonction del’épaisseur du faisceau et de son parallélisme, elle varie de quel-ques millimètres à 150 millimètres. L’épaisseur du plan de mesureva de 0,1 mm à 2 mm. De plus sa position latérale peut fluctuer sile système utilise plusieurs miroirs : les mesures, près d’un chan-gement brusque de diamètre peuvent donc être imprécises. Pourréduire ces influences il faut utiliser des capteurs à faisceaux finset un seul miroir.

Ces systèmes de mesure sont sensibles aux vibrations : lesperformances peuvent être réduites si les têtes de mesure sontdéplacées trop rapidement.

4.3.4 Applications

■ Métrologie

Le principal domaine d’application des systèmes de mesure parbalayage laser est le contrôle de précision des pièces de révolu-tion. Leur très bonne répétabilité permet de les utiliser pour effec-tuer la vérification des tampons de contrôle et de nombreusespièces de hautes précisions. Il est possible d’effectuer le contrôled’ovalisation, d’excentricité en faisant tourner la pièce.

TôleCylindres

A

C

B

AMesure de diamètre : BMesure de position : (A – C )/2

Ovalisation : Bmax – Bmin

mesure d'excentricité :Amax – Amin

bcontrôle de pièces cylindriquesa


À l’aide de ces systèmes de mesure, en leur associant des dis-positifs de déplacement en rotation et en translation de précision,des machines spécialisées de contrôle métrologique de pièces derévolution ont été construites.

Sur des pièces de révolution des cylindres, des cônes, la positiondes épaulements, des filetages, des portions de sphère peuventêtre contrôlés. En faisant tourner la pièce dans le dispositif demesure, il est possible de vérifier des circularités (figure 31a), descylindricités (figure 31b ), des coaxialités, des voiles. Des piècesqui ne sont pas de révolution peuvent aussi être mesurées : leursection peut être reconstruite par calcul.

En associant deux capteurs, il est possible de contrôler avec pré-cision l’épaisseur de tôles (cf. figure 31c) ou le diamètre de piècesde grandes dimensions (cylindres de machine d’imprimerie ou delaminoir). Ces capteurs sont utilisés pour mesurer des sections,des rectitudes, des pas sur des petites pièces (diamètre inférieurà 1 mm) que l’on ne peut pas mesurer facilement avec des moyensclassiques.

■ Extrusion

Les capteurs de mesure par balayage laser sont utilisés poureffectuer des contrôles sur les lignes d’extrusion (figure 31d ).Deux axes de mesure sont souvent associés. Que ce soit pourfabriquer des tuyaux pour l’arrosage, le chauffage par le sol, desconduits de gaz ou drainage, des tubes de cathéter, d’alimentationen carburant, pour l’industrie chimique ou cosmétique, des gainesrétractables, des joints de portière pour l’automobile, des capteursadaptés sont proposés par les fabricants.

■ Fabrication de fils et de câbles

Les dispositifs de mesures par ombroscopie avec balayage laserpermettent de mesurer le diamètre extérieur avant et après enro-bage, à chaud ou à froid, à diverses étapes de fabrication descâbles de transmission de données, téléphoniques, de puissanceou domestiques. Ils sont placés à la sortie de filière pour contrôleren ligne la régularité de fabrication de fils en cuivre, en aluminiumou en acier.

■ Fibres optiques

Les mesures peuvent être effectuées à différents stades de lafabrication :

— sur la préforme, près de la flamme de la torche ;— à l’étirage ;— avant et après le gainage.

En adaptant la logique de détection, des produits transparentsou semi-transparents peuvent être mesurés (figure 32). Il est pos-sible de détecter des défauts de 3 µm.

La mesure de la position des éléments placés à l’intérieur (dia-mètre intérieur, défauts) d’un tube transparent est perturbée parl’effet de lentille, elle doit être corrigée pour en tenir compte.

Figure 31 – Exemples de mesures réalisées par ombroscopie

A

C

B A

C B

Diamètre intérieur : BDiamètre extérieur : A + B + CExcentricité : A – C

Diamètre du tube : CÉpaisseur du tube : B – C

A

CB

Mesures multiples de diamètre : A, CMesure d'entrefer entre cylindres : B

Référence : A (mesure sans tôle)

Épaisseur : A – B

Mandrin de référence

A

B

mesure de diamètre intérieur et extérieur, d'excentricitéde rondelles, de joint torique, de tube

d

mesure d'entrefer, d'épaisseur de tôle ou de feuille sur un rouleauc


Produit transparent Presque toute la lumièrepasse à travers le produit

I

70 %

Diamètre extérieurde la fibre

signal mesuré avec une fibre de verre transparenteb

Fil semi-transparent Lumière qui passeà travers le produit

I

70 %

Diamètre extérieurdu fil

signal mesuré avec un fil semi-transparenta

Tube transparent

I

70 %

Diamètres intérieur et extérieurdu tube

signal mesuré avec un tube transparentc


Figure 32 – Exemples de mesures sur des produits transparents ou semi-transparents

mesures sans contact2

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