Qu’est-ce qu’une machine à mesurer la longueur ?
Une machine à mesurer la longueur est, comme son nom l’indique, un appareil permettant de mesurer la longueur.
Aujourd’hui, la longueur est définie comme la distance parcourue par la lumière en une unité de temps, sur la base de la vitesse de la lumière. Il existe deux méthodes différentes pour mesurer la longueur : la méthode directe et la méthode indirecte.
- Méthode directe
Il s’agit d’une méthode de mesure de la longueur qui consiste à la comparer à une longueur, une échelle ou une échelle standard à l’aide d’outils de mesure couramment utilisés tels qu’une règle, un mètre ruban, un pied à coulisse ou un micromètre. - Méthode indirecte
Il s’agit d’une méthode de mesure de la longueur qui fait appel à d’autres grandeurs physiques liées à la longueur ou à des méthodes électriques ou optiques.
Dans de nombreux cas, la longueur peut être mesurée par la méthode directe. Cependant, dans le cas de structures longues ou d’objets microscopiques de l’ordre du micron, la méthode indirecte est utilisée car il est difficile de préparer une longueur standard. Les méthodes indirectes sont également utilisées lorsque l’objet a une forme complexe, est inaccessible ou ne peut être touché.
Utilisations des machines à mesurer la longueur
Les machines à mesurer la longueur sont utilisées dans de nombreux domaines. Il convient de choisir celle qui convient le mieux à l’utilisation :
- De quelques millimètres à quelques dizaines de millimètres et suffisamment grandes pour tenir dans la paume de la main ou sur une table : règles et pieds à coulisse.
- Un peu plus grands et plus longs, de plusieurs centaines de millimètres à plusieurs mètres : mètre ruban, etc.
- Des objets d’une précision finie de l’ordre du micron, dont le résultat peut être observé au microscope : micromètre.
- Distances de quelques mètres à quelques dizaines de mètres sur le terrain : méthodes optiques (triangulation, mesure de longueur par laser).
- Mesure de fines irrégularités dans des produits industriels de précision tels que des lentilles ou des tranches de semi-conducteurs : interférométrie laser.
De plus, des technologies telles que la tomographie à rayons X sont utilisées pour mesurer l’intérieur d’objets inaccessibles à la lumière ou au stylet. L’industrie des nanotechnologies exige des mesures au niveau du nanomètre, effectuées par des méthodes faisant appel à la microscopie électronique à balayage. Des méthodes de mesure de longueur basées sur l’analyse d’images sont également en cours de développement, comme le récent développement d’applications de mesure de longueur à partir d’appareils photo de smartphones.
Principe des machines à mesurer les longueur
La définition d’un mètre est “la longueur parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde”. Le prototype du mètre basé sur cette définition est l’étalon de longueur. En principe, la méthode directe est une comparaison avec ce prototype métrique.
Un principe de mesure basé sur la définition de la longueur consiste à mesurer le temps de vol (ToF) de la lumière. En raison de la très grande vitesse de la lumière, une technologie électronique sophistiquée est nécessaire. De nos jours, de nombreux instruments de type laser (ToF) utilisent généralement une méthode de mesure basée sur la différence de phase entre la lumière incidente modulée en intensité et la lumière réfléchie.
Par définition, il s’agit du comportement de la lumière dans le vide, de sorte qu’en pratique, une correction de l’indice de réfraction de l’air est nécessaire. L’interférométrie laser utilise le phénomène d’interférence entre les faisceaux laser.
En analysant les franges d’interférence produites lorsque la lumière réfléchie par la surface de référence et la lumière réfléchie par la surface de mesure pour le même rayonnement laser interfèrent l’une avec l’autre, la distance de la surface de mesure par rapport à la surface de référence peut être mesurée à quelques nm près. Un certain nombre d’instruments de mesure de la longueur sont présentés à titre d’exemple, mais il existe un grand nombre de méthodes.
Autres informations sur les machines à mesurer les longueur
1. Comment utiliser les machines à mesurer les longueur
La machine à mesurer les longueurs horizontale se compose d’un lit, d’une table à mouvement alternatif avec une échelle standard intégrée qui se déplace sur le lit, d’un microscope de mesure pour observer l’échelle standard, d’une surface de mesure sur laquelle l’échantillon est placé sous une force de mesure constante et d’une table de mesure qui supporte l’échantillon à mesurer. L’on connaît deux types d’instruments de mesure de longueur horizontale : ceux qui satisfont au principe d’Abbe et ceux qui satisfont au principe d’Eppenstein.
Dans les machines à mesurer la longueur horizontale dont la structure satisfait au principe d’Abbe, la mesure est effectuée en plaçant l’axe de mesure de l’échantillon et la face de l’échelle standard sur la même ligne droite. De la sorte, les erreurs de mesure dues à la déviation angulaire par rapport à l’axe de mesure de la table alternative en raison de la non-rectitude du lit peuvent être ignorées.
D’autre part, dans les machines à mesurer la longueur horizontale dont la structure satisfait au principe d’Eppenstein, la mesure est effectuée pour éliminer les erreurs de mesure dues à la non-rectitude du lit en configurant la longueur focale de l’objectif pour la règle standard. Ceci de manière à ce qu’elle soit égale à la distance entre l’axe de mesure de l’échantillon et la règle standard lorsqu’ils sont séparés. Le plan focal de l’objectif est placé optiquement sur la règle standard. La mesure est effectuée en plaçant optiquement le plan focal de la lentille sur l’échelle standard.
2. Machine à mesurer la longueur par laser
Les machines à mesurer la longueur au laser émettent un faisceau laser sur un objet à tester et utilisent la lumière réfléchie pour mesurer la distance de l’objet à tester. Les machines à mesurer les longueurs au laser sont appelées “capteurs de déplacement” ou “capteurs de distance”, en fonction de la distance à mesurer.
- Capteur de déplacement
Machines de mesure de longueur qui mesurent de courtes distances (dizaines à centaines de millimètres) en microns. - Capteurs de distance
Il s’agit de machines de mesure de longueur qui mesurent de longues distances (de quelques millimètres à plusieurs mètres) en millimètres.
Les deux méthodes de mesure connues pour les machines à mesurer la longueur susmentionnées sont la triangulation et la méthode du temps de vol (ToF).
Triangulation
Il s’agit d’une méthode de mesure qui utilise le principe de la triangulation basée sur la lumière réfléchie et qui consiste en une machine à mesurer la longueur avec un élément émetteur de lumière et un élément récepteur de lumière. Un laser à semi-conducteur est utilisé comme élément émetteur de lumière. Dans la méthode de mesure, un faisceau laser focalisé par le laser à semi-conducteur à travers une lentille de projection est irradié sur l’échantillon. Une partie de la réflexion diffuse de la lumière laser irradiée sur l’échantillon forme une image ponctuelle sur l’élément récepteur de lumière via la lentille réceptrice de lumière. Le déplacement de l’échantillon peut être mesuré en détectant et en calculant la position de l’image ponctuelle.
Un système utilisant un élément récepteur de lumière CMOS (Complementary Metal Oxide Semi-conductor) est appelé système CMOS, tandis qu’un système utilisant un élément récepteur de lumière CCD (Charge Coupled Device) est appelé système CCD. La méthode CCD utilise un CCD (dispositif à couplage de charge) comme élément récepteur de lumière.
Temps de vol
Cette méthode mesure la distance en mesurant le temps nécessaire à la lumière irradiée pour être réfléchie par l’échantillon et reçue par l’élément récepteur de lumière. Deux méthodes sont connues : la méthode de distance par différence de phase, qui utilise la différence de phase entre les longueurs d’onde émises et reçues, et la méthode de propagation d’impulsions, qui émet un faisceau laser avec une largeur d’impulsion fixe.