2-1 Introduction
La détermination des positions des points mesurés se fait par celle de l'intersection de deux faiseaux lumineux.
Les mesures dimensionelles par triangulation optique peuvent se faire de plusieurs façons différentes. Soit en utilisant un éclairage structuré ou des points repérés directement sur la piéce et un système de prise de vue,soit en utilisant deux ou plusieurs systèmes de prise de vue qui permettent l'observation de la pièce à mesurer sous des angles différents.
L'éclairage structuré peut être réalisé soit à l'aide de faisceaux laser, soit par projection d'une mire. Un laser permet de réaliser soit un éclairage ponctuel pour mesurer dans une direction, soit une ligne pour mesurer dans un plan, soit plus complètement un ensemble de points ou de lignes pour mesurer en 3 dimensions. On peut aussi utiliser des trames projetées en lumière blanche.
Le système de prise de vue peut être une cellule à effet latéral (PSD) linéaire ou surfacique, un déteteur CCD linéaire ou surfacique, un appareil photographique.

2-2 Le plus simple des capteurs, le capteur unidirectionel

2-2-1 Principe de mesure

Schéma d'un capteur de déplacement par triangulation

Il est constitué principalement d'une diode laser ou electroluminescente (LED) et d'un collimateur qui crée un faisceau fin d'une part, et d'un détecteur linéaire et d'un objectif d'autre part.Ces éléments sont regroupés dans un boitier métalique.Selon les fabrications, l'ensemble de l'électronique de traitement peut aussi être regroupé dans le même boitier.

Le collimateur focalise le faiseau lumineux à la distance de mesure moyenne.l'objectif focalise l'image du point éclairé par le faiseau lumineux sur le détecteur lineaire. La position de cette image sur le détecteur linéaire est fonction de la distance de la pièce à mesurer.

2-2-2 Etendue et distance de mesure
La distance moyenne de mesure de ce type de capteur est fonction de la distance qui sépare l'émetteur du récepteur et de l'angle de leur axe de visée.Elle varie entre quelques centimètres et plusieurs mètres.

Les étendues de mesure sont très variables, elles s'échelonnent de quelques dixièmes de millimètre jusqu'à plusieurs mètres.

2-2-3 Justesse de mesure
Le déplacement du point lumineux sur le détecteur n'est pas en genéral une fonction linéaire de la positon de la pièce à mesurer sauf si on le positionne convenablement(voir schèma ci-après),le détecteur est incliné par rapport a l'axe optique, afin de rendre les triangles objet et image semblable.

schèma d'un capteur linéaire

Les conditionneurs peuvent compenser les erreurs de linéarité, une justesse de 0,1 % de l'étendue de mesure est assez facilement obtenue.Par contre il est pratiquement impossible d'obtenir une justesse de 0,01 % car les piéces mesurée ne diffusent pas la lumière assez uniformément en raison de leur état de surface.De plus il y l'influence du speckle, le faisceau éclairant la pièce à mesurer étant cohérant.Ici se trouvent les principales limitations des performances de la méthode de mesure. Pour diminuer l'influence du speckle, il faut augmenter l'ouverture de l'objectif de mesure. Pour diminuer l'influence des nonuniformité de surface, il faut soit utiliser un faisceau d'éclairage trés fin et un détecteur de haute résolution, soit utiliser un faisceau d'éclairage assez gros pour moyenner les irrégularités sur une surface suffisamment grande.

Des version simplifiées fonctionnent en détecteur, selon les modèles l'étendue de détection varie du centimètre à une quinzaine.

2-2-4 Stabilité
Ce sont les variations de température de la tête de mesure et du conditionneur qui peuvent provoquer des dérives.Elles provoquent des déplacement relatifs des différents éléments optiques et de dérives des composants. Des valeurs de 0,02%/°C de l'étendue de mesure sont courantes. Des compensations sont mises en oeuvre dans les capteurs de précision, des valeur de l'ordre de 0,003%/°C sont réalisables.

2-2-5 Sortie des résultats des mesures
Pour la forme la plus simple, le capteur délivre un niveau logique indiquant qu'une pièce est détectée dans l'intervalle de distance programmé.
Les capteurs mesurants délivrent selon les réalisations une tension analogique (0 à 10 V)proportionnelle à la distance mesurée ou un courant (4-20 mA). Les conditioneurs plus complet comportent un affichage numérique,il peuvent de plus indiquer l'intensité du signal lumineux recueilli, et posséder une sortie numérique (RS 232).

2-2-6 Limites d'utilisation
Les capteurs de déplacement par triangulation optique premettent d'effectuer des mesures dans des condition d'ambiance qui ne sont pas trop contraignantes.La température du capteur est souvent limitée à une étendue de 0° à 50°C. Les mesures se font généralement dans l'air.

Les mesures à travers une fenêtre sont possible à condition d'en tenir compte à l'étalonnage. Les projections d'eau ou d'huile sont à éviter, elles perturbent les mesures. Par contre , il est posible de mesurer les déplacement d'une pièce placée dans un liquide transparent mais il faut étalonner le capteur dans les conditions de mesure en raison de l'influence de la réfraction.

Les capteurs de déplacement par triangulation optique peuvent mesurer des pièce de nature très diverses à condition que leur surface soit diffusante.Les surfaces optimales sont blanches et mates.Des problèmes de mesure peuvent de produire sur des surfaces métalliques à faible rugosité car dans ce cas, la lumière diffusée vers le récepteur du capteur peut devenir trop faible.
La mesure n' en général pas possible sur des matériaux transparents. Avec précautions, des mesures sont réalisable sur des verres dépolis. Des erreurs de décalage peuvent se produire lorsque l'on effecte des mesures sur des pièces translucides(alumine,matières plastiques).
Lorsque l'intensité de la lumière diffusée vers le détecteur du capteur diminuue, le bruit de mesure augmente,pour limiter ce probléme dans certaine réalisation, il est réalisé un ajustement automatique de la puissance de la source lumineuse.

En cas de variation locale du coefficient de diffusion (transition noir-blanc) de la surface à mesurer, une augmentation de l'erreur de mesure se produit. C'est une des principales cause de la limitation de la justesse de ce type de capteur.

Ce type de capteur peut être perturbé par la lumière ambiante ; des limites d'éclairement situées entre 2000 et 4000 lux sont courantes mais des construtions spéciales permettent des mesures en plein soleil avec un éclairement de l'ordre de 1 million de lux.

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

Certains capteurs utilisent des sources lumineuses laser de puissance assez importante (classe III par exemple), des précaution d'emploi sont donc à prendre pour préserver la sécurité du personnel.

2-3 La mesure bidimensionnelle, le relevé de profil

Plusieurs modes de réalisation sont possibles, suivant la geométrie de mesure utilisée, le type de détecteur et le mode d'éclairage.

2-3-1 La méthode la plus simple

La mesure d'un profil peut être obtenue en déplaçant un capteur unidimensionnel soit par une rotation autour d'un axe, soit par translation. On peut aussi placer un miroir devant un capteur unidimensionnel.

2-3-2 Le faisceau d'éclairage est dévié dans le plan de triangulation

Pour dévier le faisceau lumineux ,il est possible d'utiliser un miroir monté sur un galvanomètre ou un axe de codeur angulaire.Un déviateur acousto-optique peut aussi être utilisé. La modulation de la puissance lumineuse peut être réalisée si nécésaire par la diode laser ou par le dispositif de déviation acouto-optique.Un détecteur linéaire est en général utilisé, suivant les performances souhaitées on peut utiliser un détecteur PSD ou CCD.La mesure est séquentielle sur la ligne de mesure.

Pour réaliser des mesures à l'aide de cette methode il faut contrôler précisement l'angle de déflexion du faisceau lumineux

Schéma d'un système de mesure bidimensionel, la ligne de mesure est dans le plan de triangulation.

2-3-3 Le faisceau d'éclairage est dévié dans le plan perpendiculaire au plan de triangulation

Pour réaliser le plan lumineux, il est possible d'utiliser une diode ou un tube laser et des lentilles,un réseau holographique, un miroir tournant, ou un déviateur acousto-optique. En lumière blanche le plan lumineux peut être obtenu à l'aide d'une lampe halogène et d'une fente. On peut aussi choisir d'éclairer un demi plan en utilisant un couteau. Un détecteur CCD matriciel est le plus habituellement utilisé. Si le plan lumineux est obtenu par balayage un détecteur PSD bidimensionnel est utilisable.
L'avantage de méthode est qu'elle ne nécéssite pas la détermination de l'angle de déviation du faisceau lumineux, seul la direction du plan lumineux est utilisé pour la triangulation.

Schéma d'un système de mesure bidimensionel, la ligne de mesure est dans le plan perpendiculaire au plan de triangulation.

2-3-4 Applications possible

En utilisant trois systémes de mesures placés à 120° il est possible de controler la forme extérieure de joints à la sortie d'extrudeuse,de profilé en sortie de laminoir(à chaud ou à froid),de reconnaître et de mesurer la position d'une voie ferrée sitée à coté d'une autre.

2-4 La mesure tridimensionnelle par triangulation optique

2-4-1 Principes
Premièrement la mesure tridimensionnelle peut être réalisée en déplaçant un capteur déplacement unidimensionnel par triangulation optique selon deux axes de translation, comme dans une machine à mesurer classique. Il est possible aussi de combiner un axe de rotation sur lequel la piéce à mesurer est placée et déplacer la capteur de mesure sans contact sur un axe de déplacement linéaire parallèle à l'axe de rotation de la pièce,cela permet d'en contrôler une plus grande partie.

Deuxièment le relevé tridimensionnel peut être effectué en déplaçant la pièce par translation ou rotation devant un système de mesure bidimensionnel selon sa forme.On peut évidemment aussi déplacer un système de mesure bidimensionnel selon un axe de rotation ou de translation.

La troisième méthode consiste à associer un éclairage bidimensionnel est un détecteur lui aussi bidimensionnel.
Il y a de nombreuses solution pour réaliser un éclairage structuré bidimensionnel. Il est possible de déplacer un faisceau laser à l'aide de deux miroirs aux axes de rotation orthogonaux(avec des gonimètres ou des galvanomètes), ou à l'aide d'un seul miroir monté sur un goniomètre possédant deux axes de rotation.
Une autre méthode pour réaliser cet éclairage est de déplacer un plan lumineux avec un miroir rotatif.
Le moyen le plus souple utilise deux déviateurs acousto-optiques croisés,dans ce cas n'importe quelle forme d'éclairage peut être réalisé. Il est possible de passer d'une direction à une autre en 50 µs, pendant une prise d'image de 40 ms, 500 points différents peuvent être éclairés tout en modulant l'intensité lumineuse en fonction de l'état de surface de la pièce à contrôler.

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