Dans ce guide de mesure par triangulation laser, nous aborderons les principes fondamentaux de la triangulation laser, les influences et les facteurs à prendre en compte pour votre application, les meilleures pratiques en matière de performances des capteurs laser et les applications réelles courantes des capteurs à triangulation laser à point unique.
1. Pourquoi utiliser des capteurs à triangulation laser ?
L’une des méthodes permettant de mesurer avec précision la distance aux cibles est l’utilisation de capteurs à triangulation laser. La méthode est appelée triangulation car l’enceinte du capteur, le laser émis et le laser réfléchi forment un triangle.
Le faisceau laser est projeté par l’instrument et est réfléchi de manière diffuse par la surface d’une cible vers une lentille de collecte. Cette lentille est située à une distance déterminée près de l’émetteur laser. La lentille focalise une image du spot sur un détecteur à matrice linéaire (matrice CMOS). Le détecteur visualise la plage de mesure selon un angle qui varie en fonction du modèle.
La position de l’image du spot sur les pixels du détecteur est ensuite traitée, par des signaux numériques ou analogiques, pour déterminer la distance à la cible. Le détecteur intègre la lumière qui tombe sur lui, ainsi des temps d’exposition plus longs permettent une plus grande sensibilité aux faibles réflexions. Le faisceau est vu d’un côté, de sorte que l’emplacement apparent du spot change avec la distance à la cible.
Pour une représentation visuelle, veuillez-vous référer au schéma simplifié de triangulation laser d’Acuity. Le principe de la triangulation laser est utilisé dans les capteurs à triangulation à point unique (capteurs à courte portée) et dans les scanners laser 2D/3D. Dans cet article, notre guide de mesure de la triangulation laser vous fournira des informations de haut niveau concernant les caractéristiques de la triangulation laser, les influences/facteurs à prendre en compte pour une meilleure performance du capteur laser, et les meilleurs domaines d’application des capteurs à triangulation laser à point unique.
2. Caractéristiques des capteurs à triangulation laser
Mesure sans contact
Comme les capteurs à triangulation laser utilisent l’emplacement d’un point lumineux du faisceau laser émis pour effectuer des mesures, cette technologie permet d’effectuer des mesures sans entrer en contact avec le matériau, d’où le terme « mesure sans contact« . La mesure sans contact permet de mesurer à des vitesses élevées et sur de longues distances sans les inconvénients d’endommager le matériau cible ou d’interférer avec la trajectoire de la cible. La capacité de mesurer sur de longues distances et à des vitesses élevées permet aux capteurs de déplacement laser d’être polyvalents pour un nombre infini d’applications, y compris les mesures de vibrations, les mesures de matériaux sensibles et les applications de processus en ligne à grande vitesse.
Plage de mesure
La plage de mesure, ou parfois appelée portée, est la distance de travail entre les points d’extrémité de la mesure sur laquelle le capteur mesure le déplacement de manière fiable. Les capteurs à triangulation laser existent en différents modèles et sont construits pour mesurer différentes plages de mesure. Plus la plage de mesure du capteur est courte (au sein d’une même famille de capteurs), plus le laser est précis.
Cela s’explique par le fait qu’il y a plus de pixels de détection par unité de distance dans les plages de mesure courtes que dans les plages plus longues. Les capteurs de mesure de distance ont tendance à se concentrer sur les longues portées, tandis que les capteurs de déplacement laser ont tendance à se concentrer sur les mesures précises à courte portée.
Dans un modèle de gamme spécifique, lorsque le matériau cible s’approche de l’extrémité de la gamme de mesure, la précision a tendance à diminuer légèrement, tout en restant dans les limites des spécifications. En général, les certificats d’étalonnage du laser sont disponibles sur demande auprès des fabricants.
Distance d'éloignement / de base
Linéarité vs Résolution
Une confusion fréquente. En résumé, la linéarité est la précision la plus défavorable sur toute la plage de mesure. La résolution est le plus petit changement que le capteur peut détecter de manière fiable. Pour une cible coopérative, votre précision dans le monde réel sera comprise entre ces deux valeurs, mais pas plus mauvaise que la linéarité. Si une petite partie de la plage de mesure est utilisée, l’erreur relative sera très probablement plus proche de la résolution. Si la gamme complète du modèle de capteur est utilisée, l’erreur sera très probablement plus proche de la linéarité du capteur.
En général, les spécifications de linéarité indiquées sur les fiches techniques doivent être examinées avec précaution. La manipulation des données est très courante et il est important de lire les notes de bas de page au bas de la fiche technique. Nous encourageons les clients à tester des unités de démonstration afin de laisser le laser faire ses preuves dans votre environnement et sur votre matériau.
3. Les influences et les conditions peuvent-elles avoir un impact sur les capteurs laser ?
Les capteurs de triangulation sont des appareils de mesure précis. Il faut tenir compte de tous les équipements de fixation, des conditions environnementales, de l’alignement du capteur, de la couleur, de la finition et de l’orientation du matériau. Il est important de noter cette section afin d’assurer une performance optimale des autres facteurs.
Alignement correct du capteur
Montage
En général, les capteurs laser ont des trous traversants qui sont utilisés pour monter et fixer les capteurs laser. Les fixations doivent être faites pour correspondre à l’emplacement de ces trous et maintenir la tête laser perpendiculaire à la cible d’intérêt. Les points suivants permettront d’obtenir les meilleurs résultats pour votre application.
Température
Il est important que le dispositif de fixation d’un capteur de triangulation laser soit adapté à la température de votre environnement. Les changements de température peuvent provoquer une dilatation et une contraction des matériaux de fixation, ce qui entraîne un changement de distance par rapport à la cible. Le matériau de fixation est important pour minimiser cet effet. Par exemple, un bloc de montage en acier est généralement recommandé plutôt qu’un bloc en aluminium dans les environnements à forte chaleur, car les structures en aluminium se dilatent davantage sous l’effet de la chaleur, ce qui augmente les risques de fausses lectures de distance.
Vibrations
Il est important de s’assurer que vous prenez des précautions pendant la fixation pour minimiser les vibrations. Toute vibration a un impact sur la précision du laser et peut réduire sa durée de vie. Ceci est particulièrement important si le capteur est utilisé pour des résolutions de l’ordre du micron ou du sous-micron. Toute vibration affectant le capteur affecte le signal de mesure.
Surface de référence
Il est important de noter que la surface sur laquelle repose la cible doit être prise en compte pour garantir des lectures correctes. Si les tolérances de la surface sont trop importantes, cela peut avoir un impact sur les relevés du capteur. Par exemple, si vous essayez de mesurer précisément la hauteur d’une cible avec un capteur laser et que le matériau de référence présente des variations de déformation ou des imperfections de surface, les mesures laser refléteront ces imperfections. Il en résultera une mesure incorrecte de la hauteur du matériau cible.
Des surfaces de référence telles qu’une planche à pain optique sont utilisées pour assurer la stabilité des surfaces. Les surfaces de référence motorisées telles que les translations linéaires DeepL sont utilisées pour des mesures précises sur le profil du matériau.
Conditions environnementales
Les capteurs de triangulation étant des appareils de mesure précis, les facteurs environnementaux doivent être pris en considération. Pour une performance optimale du capteur, un temps de chauffe d’au moins 25 minutes est nécessaire pour stabiliser au mieux la mesure.
Température
Le problème environnemental le plus courant qui peut affecter la précision d’un capteur laser est la température. Non seulement l’électronique présente une dérive thermique , mais, comme nous l’avons vu précédemment, la dilatation et la contraction des composants mécaniques et des fixations peuvent modifier physiquement l’écartement du capteur. Cela est particulièrement vrai pour les mesures de l’ordre du micron.
Il est important de noter que les capteurs laser ne peuvent fonctionner que dans une plage de température spécifique. Afin d’augmenter la durée de vie et la longévité du laser, évitez, si possible, de placer les capteurs dans des environnements situés aux extrémités des limites de température. Des enceintes de refroidissement ou des appareils de chauffage peuvent être utilisés pour maintenir une température ambiante adéquate.
Autres conditions environnementales
Avec les capteurs à triangulation laser, il est important de maintenir le chemin optique propre et exempt d’obstructions ou de matériaux étrangers. Les facteurs environnementaux tels que la saleté, la poussière et la fumée peuvent affecter les résultats de mesure de deux manières : soit le laser ne peut pas voir la cible à travers la poussière/fumée, soit le laser ne peut pas voir la cible parce que la fenêtre est sale. Si le laser ne peut pas voir à travers la poussière/fumée, il ne pourra pas effectuer la mesure. Si le laser peut voir à travers la poussière/fumée, il suffit de nettoyer régulièrement la fenêtre.
Pour nettoyer la lentille, l’alcool isopropylique à 98 % est recommandé. Pour obtenir de meilleurs résultats, la lentille doit être essuyée avec un chiffon en coton non pelucheux ou une lingette optique, imbibée d’alcool, puis essuyée dans une seule direction et laissée s’évaporer. En général, pour faciliter le dépannage, si les capteurs laser sont incapables d’effectuer une lecture en raison de la visibilité, une sortie habituelle telle qu’une erreur » hors de portée » apparaîtra pour en informer l’équipe de maintenance.
Orientation des capteurs laser
Pour certaines applications, il est important de comprendre comment orienter les capteurs laser pour obtenir les meilleurs résultats.
Pour des mesures sur un profil irrégulier ou dans un espace étroit :
Pour les applications avec des mesures dans un espace étroit ou restreint, il est important de ne pas bloquer le faisceau laser ou la vue du détecteur laser. Le même concept peut être appliqué dans le cas de trous de forage, de trous borgnes et de bords dans la surface de cibles mobiles. Lors du profilage d’un objet dont la surface est irrégulière, une occlusion entre la lumière transmise et la lumière reçue peut se produire et entraîner un blocage du signal. Le montage du capteur comme indiqué ci-dessous permet de réduire l’influence des signaux bloqués lors des mesures sur des objets.
Pour la mesure d’objets roulants ou d’objets courbés :
Les capteurs laser peuvent également être utilisés pour mesurer des cibles roulantes courbes. Pour de meilleurs résultats, montez le capteur comme indiqué sur le graphique ci-joint. Le faisceau doit être positionné directement vers le centre de la courbure. Cela éliminera pratiquement toute inclinaison vue par le laser. En outre, il est recommandé de s’assurer que le corps du laser est parallèle à la longueur de l’objet incurvé afin d’éviter toute réflexion spéculaire erronée ou toute obstruction du spot par la courbe de l’objet.
Types de matériaux
Lorsqu’il s’agit de décider si un capteur à triangulation effectuera la mesure nécessaire, le matériau est un aspect critique. Ceci est vrai pour la couleur et la finition du matériau. Ces facteurs doivent être pris en considération dans chaque application car la cible peut avoir un impact sur les performances globales du capteur. En termes généraux, les lasers de triangulation doivent être capables de voir une réflexion diffuse du spot laser sur la cible pour effectuer leurs mesures. Cette section est destinée à servir simplement de ligne directrice générale pour différents types de matériaux, car les résultats des mesures sur les cibles varient au cas par cas.
Matériau idéal : La cible la plus idéale est une cible blanche, mate et constante. Les cibles mates sont idéales car le point laser se diffuse et se disperse sur ce matériau sur un arc plus large que la plupart des matériaux. Ceci est important car plus la lumière est dispersée ou diffusée de manière homogène par le matériau cible, plus la lumière atteindra le détecteur, ce qui se traduira par un signal plus stable.
Les cibles blanches sont idéales car elles permettent à la lumière la plus diffuse d’être réfléchie vers le détecteur. Une lumière plus diffuse atteignant le détecteur signifie que la lecture est moins affectée par le bruit et la lumière externes, ce qui conduit généralement à une meilleure résolution. Des exemples de ces cibles sont un morceau de papier blanc mat ou un bloc de jauge en céramique blanche.
Cibles presque non mesurables
Il n’est pas recommandé de mesurer des matériaux transparents avec des lasers à triangulation, car la lumière laser traversera très probablement la surface supérieure de la cible. Si votre application exige la mesure de vibrations et que la cible est semi-transparente, les capteurs laser ont démontré leur capacité à lire le déplacement. Cependant, en général, il est difficile pour les capteurs à triangulation laser de se fier à une mesure précise de la distance sur des matériaux transparents. Les capteurs confocaux qui utilisent la technologie de la lumière blanche sont plus adaptés à la mesure des matériaux transparents.
Cibles brillantes
Les cibles brillantes ne sont pas les plus idéales pour les capteurs à triangulation laser car il y a moins de lumière diffuse à observer pour le détecteur. À titre d’exemple extrême, si vous pointez une lumière laser sur un miroir optique de haute qualité, le faisceau laser se réfléchira directement là d’où il vient. Dans ce cas, le détecteur ne serait jamais en mesure de voir un point laser diffus et ne pourrait donc pas effectuer la mesure. Toutefois, malgré cet exemple extrême, les capteurs à triangulation laser sont capables de mesurer très bien des cibles brillantes. Souvent, la réflexion diffuse sur les cibles brillantes est suffisante pour que le capteur puisse effectuer une lecture fiable. Pour les cibles très brillantes, cela peut être plus difficile, en induisant un petit angle entre le laser et la cible pour s’assurer qu’elle renvoie suffisamment de lumière vers le récepteur, cela peut aider à réaliser la mesure.
Matériaux incandescents (chauds)
Les surfaces chaudes et incandescentes peuvent être difficiles à mesurer avec des capteurs à diode laser rouge. Les lasers rouges sont conçus pour avoir un filtre afin de s’assurer que seule la longueur d’onde du laser rouge atteint le détecteur, mais lorsqu’un objet incandescent émet beaucoup de lumière à la même longueur d’onde, le spot du laser rouge peut se perdre au milieu du reste de la lumière. Pour contrer cet effet, les fabricants de lasers proposent différentes longueurs d’onde de diodes laser, comme le bleu, pour garantir la mesure sur les matériaux rouges/orangés chauds et incandescents.
Matériaux sombres
Les surfaces sombres, comme le caoutchouc noir, peuvent réduire la quantité de lumière que le capteur peut voir, mais peuvent être mesurées avec des capteurs à triangulation laser. Des ajustements du temps d’exposition peuvent être nécessaires pour s’adapter à l’intensité lumineuse la plus efficace. Si la surface sombre absorbe trop de lumière et affecte la mesure, des diodes laser plus puissantes peuvent être fournies pour une performance optimale.
Principe général
Tant que le capteur peut voir le point sur la cible, le matériau ne devrait pas être un problème. Une bonne règle de base est que si vous pouvez voir le point lumineux sur un matériau cible à l’œil nu et sous un certain angle, alors vous savez que votre détecteur laser sera également capable de le voir.
Il est pratiquement impossible de dresser une liste de spécifications pour tous les matériaux possibles. Tous les fabricants de laser rencontrent les mêmes problèmes, en particulier lorsqu’il s’agit de l’impact des matériaux cibles. C’est pourquoi, dans la plupart des situations, nous encourageons les clients à tester l’unité dans leur installation avant de l’acheter.
Inclinaison des matériaux
Les angles d’inclinaison des matériaux doivent être pris en compte lors de la mesure des cibles, en particulier lors du balayage de surfaces profilées. Comme indiqué plus haut, la cible et la finition du matériau peuvent également avoir un impact sur les performances en ce qui concerne l’inclinaison du matériau par rapport à l’orientation du faisceau laser. De légères inclinaisons du matériau, tant sur l’axe X que sur l’axe Y, n’ont généralement d’impact que sur les lectures de cibles hautement réfléchissantes. Comme la réflexion diffuse des matériaux cibles varie selon les matériaux, les performances de l’angle d’inclinaison dépendent de la réflectivité de la surface de l’objet à mesurer et sont très dépendantes de la cible.
4. Applications dans le monde réel !
Les capteurs à triangulation conviennent parfaitement pour mesurer les distances, la position et le déplacement de cibles à longue distance avec une grande précision. En raison de leur polyvalence, les capteurs de triangulation laser sont utilisés dans de nombreuses applications et industries pour la mesure de déplacement sans contact. Qu’il s’agisse de contrôle de processus automatisé, de test et mesure en R&D ou d’intégration OEM, de nombreuses industries bénéficient des capteurs laser. Vous trouverez ci-dessous un exemple spécifique d’une application courante de triangulation :
Application Highlight – Mesure d’épaisseur
L’application la plus populaire d’Acuity pour les capteurs à triangulation laser est la mesure d’épaisseur. De la mesure de processus en ligne aux tests de R&D, de nombreux clients d’Acuity ont besoin d’une mesure précise de l’épaisseur pour le contrôle de la qualité et la gestion des stocks. Acuity a souvent vendu ses capteurs à triangulation laser pour la mesure d’épaisseur à des clients en remplacement de jauges à contact manuelles, de capteurs LVDT, ou à des clients cherchant à améliorer leurs capteurs à triangulation laser à faible performance.
La mesure d’épaisseur par triangulation laser peut être réalisée avec un ou deux capteurs. Avec un seul laser, la mesure d’épaisseur peut être effectuée lorsqu’un objet est au repos et en contact avec une surface de référence. Les erreurs dues aux imperfections de surface, le gauchissement de la cible, les vibrations du matériau et d’autres facteurs externes peuvent avoir un impact négatif sur les résultats de l’épaisseur avec un laser. C’est pourquoi la mesure d’épaisseur par un seul laser est surtout utilisée dans les installations de R&D ou dans des environnements soigneusement contrôlés où tous les autres facteurs externes peuvent être pris en compte.
Comme de nombreux clients n’ont pas la possibilité de mesurer le matériau cible dans des conditions idéales, la façon la plus courante de mesurer l’épaisseur est d’utiliser deux lasers opposés.
Lorsqu’on effectue des mesures d’épaisseur doubles avec des capteurs laser, il est important d’aligner les faisceaux des capteurs ainsi que de prendre et de traiter les mesures des deux têtes exactement au même moment. Si ces deux facteurs ne sont pas pris en compte, la mesure de l’épaisseur ne sera pas correcte. Si les capteurs sont correctement fixés, alignés et synchronisés, des facteurs tels que la mesure des vibrations n’auront pas d’impact sur la mesure de l’épaisseur.
Les capteurs Acuity à triangulation laser ont fonctionné avec précision sur de nombreux matériaux tels que les feuilles, les films, les isolants, les couches, les panneaux, le caoutchouc, les plaques, l’aluminium, l’acier laminé, le contreplaqué, etc.
Exemples d’épaisseurs antérieures :
- Mesure de l’épaisseur d’une feuille de caoutchouc
- Épaisseur de l’aluminium sur un laminoir
- Épaisseur et dimensions du bois de construction
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