> Capteur à triangulation laser
 


Pour la mesure d’épaisseur de matériaux inhomogènes.

Introduction.

Ce capteur est fait pour mesurer l’épaisseur de matériaux inhomogènes en densité comme par exemple des mousses ou des complexes constitués de couches de nature différentes.

On trouve sur le marché un choix très vaste de capteurs de ce type. La plupart d'entre eux fonctionnent selon le même principe: Un faisceau laser est projeté sur le matériau et la position du point d'impact est mesurée par un capteur linéaire (PSD). La mesure de la tension aux deux extrémités du capteur permet de trouver la position de la tache laser (la position par rapport au centre est donné par (Va-Vb)/(Va+Vb) ou Va et Vb représentent la tension mesurée aux extrémités). En général, le résultat de la mesure est donné sous forme d'une tension 0-10 V ou d'un courant 4-20 mA.

Ces systèmes fonctionnent correctement pour des matériaux dont la surface est lisse et bien définie, mais ils deviennent inutilisables sur des surfaces plus complexes, par exemple lorsqu’il s’agit de matériaux transparents, de mousses ou de produits non-tissés. En effet le capteur linéaire ne fait que calculer le barycentre de l’image laser.

Il existe des capteurs plus sophistiqués, utilisant des caméras CCD qui donnent une information complète sur l’image, mais dont la mise en œuvre est souvent délicate car non conçus pour une utilisation industrielle.

C'est la raison pour laquelle Scantech a développé sa propre technologie de mesure par triangulation Laser.





Principe.

Le principe est proche de celui exposé en introduction, excepté que le capteur linéaire est remplacé par une caméra CCD.
Lorsque la face supérieure de la matière se trouve à la position A, le faisceau laser illumine le point A’, qui est vu par la caméra à la position A’’ sur le capteur CCD.
Idem, si la matière se trouve plus loin du capteur, à la position B, le laser éclaire le point B’ qui est vu par la caméra en B’’. Si l’on positionne la diode laser de façon que le faisceau laser soit perpendiculaire à l’axe optique de la caméra, les points A’ et B’ se trouvent dans le même plan focal. Danse ce cas, le système est linéaire, c’est à dire la distance A’’- B’’ est directement proportionnelle à la distance A’- B’ et donc aussi à la distance AB.



L'utilisation d'un faisceau laser en forme de spot n’est pas fiable. En effet, si le matériau a une surface rugueuse, les cavités peuvent bloquer la réflexion et dans ce cas il n’y a pas d’image qui se forme sur la caméra comme le montre la figure 2.

D’une manière générale la mesure va subir de très fortes variations si la surface n’est pas lisse car le faisceau réfléchi pourra prendre toutes les directions



Pour éviter cette limitation, Scantech utilise un faisceau laser en forme de ligne comme le montre la figure n°3.

La multiplication du nombre de points assure une bonne statistique et une mesure fiable indépendamment de l’état de surface.

La position de la trace laser dans la caméra CCD est obtenue en projetant l’image sur le l’axe horizontal (fig.4).

Un traitement mathématique permet de trouver le position du matériau avec une précision beaucoup meilleure que la taille des pixels de la caméra (fig. 5)


Mesure de l’épaisseur de matériaux transparents.
Un seul capteur suffit pour mesurer l’épaisseur d’un produit transparent puisque les réflexions sur A et B sont obtenues en même temps (Deux pics dans le spectre de distribution de lumière).

Mesure de l’épaisseur de matériaux opaques.
Lorsque le produit est opaque, un seul capteur ne mesure que la distance qui le sépare du matériau. Il suffit alors d’en mettre un de chaque côté de la matière pour en déterminer l’épaisseur qui est donné par:


d = D0 – D1 - D2

Il est important que D0 reste constant. Scantech a développé les compensations pour corriger les variations de distances lorsque les capteurs sont installés sur un bâti de type «O-frame». Mais la mesure est toujours de meilleure qualité lorsque le capteur est installé sur un bâti en forme de C pour lequel effectivement D0 ne connaît pas de variations.

Mesure d’état de surface.
L’élargissement de la distribution de lumière est lié à l’état de surface. Ce capteur donne donc une mesure du niveau de rugosité.

Caractéristiques.

  • Nature de la matière. La nature de la matière, sa densité, sa composition interne n’influe pas sur la mesure.
  • Gamme de mesure. Ce capteur mesure précisément des matériaux de quelques centaines de µm à plusieurs centimètres d’épaisseur.
  • Bonne précision. En bas de gamme la précision est typiquement de 1% et s’améliore encore dès que l’épaisseur s’accroît pour atteindre 0,1%.
  • Couleur. Ce capteur n’est pas influencé par les variations de couleur. Il fonctionne aussi bien sur des matières blanches ou noires.
  • Brillance. Il fonctionne également aussi bien sur des surfaces ternes que sur des surfaces très réfléchissantes (aciers inoxydables par exemple).
  • Fréquence des mesures. Sans être extrêmement rapide ce capteur délivre quand même une mesure toutes les 20msec.
  • Très bonne résolution spatiale. Elle est de quelques millimètres et dépend de la vitesse de scanning.
  • Très facile d’utilisation. Ce capteur est très facile d’utilisation car aucune calibration n’est nécessaire pour les matériaux non compressibles. Un offset est nécessaire pour faire correspondre la mesure avec celle obtenue en laboratoire lorsque la matière est compressible.
  • Pas de formalité administrative ni autorisation légale. Les lasers utilisés étant de très faible puissance, il n’y aucune formalité administrative nécessaire pour utiliser ce matériel.

Design.

La triangulation laser est une technique répandue et donc semble assez simple à intégrer dans un scanner. C’est pourquoi des capteurs du marché sont souvent utilisés. En fait c’est une technologie beaucoup plus complexes qui n’y parait et les capteurs du «commerce» ne sont absolument pas adaptés à la mesure en ligne.

Scantech a développé son premier système à triangulation laser en 1997 et propose réellement une technologie adaptée aux contraintes de la mesure en ligne:

  • Pas de dérive dans le temps quel que soit les variations de température, de pression, d’humidité.
  • Pas de d’influence liée à la température de la matière ni à celle de l’air.
  • Entrefer de plusieurs centimètres.
  • Pas d’influence des variations de luminosité ambiantes ni même de réflexions parasites.
  • Capteur qui fonctionne sur des matériaux semi opaques.
  • Pas d’influence due aux variations de contraste sur la surface du matériau.