Métrologie dimensionelle - Étalonnage

Commandes concernant les services d'étalonnages du CNRC

Le groupe de métrologie dimensionelle maintient l'étalon primaire de longueur, offre des installations d'étalonnage de la longueur et des grandeurs connexes, conseille les clients en matière d'instruments, de méthodes d'essai et de développement de la métrologie des longueurs, et fait de la recherche pour mettre au point de nouveaux étalons atomiques de longueur d'onde destinés à la métrologie des longueurs et à d'autres applications.

 Étalon national de longueur
 Installations
 Limites
 Incertitudes
 Les services des étalonnages et les tarifs

Pour renseignements: Dr. Jim Pekelsky
Tél. (613) 993-7578

Étalon national de longueur

Le mètre est réalisé conformément aux directives publiées par le BIPM (Bureau international des poids et mesures) (CCL<<mise en pratique>>, 1997) qui établissent les conditions de construction et de fonctionnement des sources de rayonnement à diverses longueurs d'onde. L'incertitude des longueurs d'onde publiées dépend du dispositif contenant la source et varie de 6 x 10-12.

Le Groupe maintient deux lasers hélium-néon de 633 nm (longueur d'onde du rouge dans le visible) stabilisés sur la composante 11-5 R(127) de l'iode 127, avec une incertitude de 5 x 10-11.

Un de ces lasers est désigné l'étalon national de longueur. L'autre laser a une précision équivalente et sert à effectuer des comparaisons avec l'étalon national pour en suivre le comportement en fréquence à long terme. Il sert aussi d'étalon de transfert transportable aux fins de comparaisons internationales.

Installations

Les installations du Laboratoire de métrologie dimensionnelle du Groupe sont des salles blanches de classe 10 000 où la température est maintenue à 20,0 ± 0,1°C et l'humidité, à 40 ± 2%. Le Laboratoire des rubans étalons est une installation souterraine thermorégulée (20,0 ± 0,1°C), équipée pour mesurer des rubans jusqu'à 50 m.

Le Groupe étalonne des lasers de référence hélium-néon de 633 nm contre le laser qui sert d'étalon national. Ces lasers sont utilisés dans des interféromètres et des comparateurs pour mesurer la longueur de cales étalons et d'autres types d'objets, permettant ainsi d'effectuer un étalonnage raccordable à l'étalon national de longueur pour chaque instrument et chaque objet utilisés dans le laboratoire.

Limites

Les étalonnages dimensionnels et connexes sont effectués à 20°C. Le Groupe n'effectuera un étalonnage que si l'objet est dans un état essentiellement neuf et est d'une qualité qui justifie le travail demandé. La qualité (précision) d'un objet particulier dépend normalement de l'incertitude des mesures décrites ci-dessous; les objets et instruments de mesure tels que micromètres et calibres à vernier de qualité inférieure devraient être traités dans des laboratoires secondaires accrédités par le Conseil canadien des normes et par le Service d'évaluation des laboratoires d'étalonnage (CLAS).

Incertitudes

Les incertitudes indiquées dans les descriptions qui suivent sont des incertitudes étendues correspondant à un niveau de confiance d'environ 95%. Elles sont basées sur une distribution normale et ont été obtenues en multipliant l'incertitude-type (un écart-type) par un facteur de
k = 2.

Les services des étalonnages et des frais

Commandes concernant les services d'étalonnages du CNRC
NOUVELLES procédures en vigueur le 1er avril 2006.

 Longueur d'onde/Fréquence des lasers
 Étalons à bouts (cales et barres étalons)
 Échelles précises
 Mires parlantes et jalons
 Étalons de rondeur et de la sphéricité
 Étalons d'angle
 Étalons de rugosité des surfaces
 Mesures de formes et de profils généraux

Longueur d'onde/Fréquence des lasers

La détermination de la fréquence et de la longueur d'onde sous vide des lasers hélium-néon stabilisés à une longueur d'onde sous vide de 633 nm et 543 nm est un service courant. Des étalonnages à d'autres longueurs d'onde sous vide peuvent être effectués sur demande.

Des étalonnages de longueur d'onde et de fréquence de laser sont effectués par le groupe de fréquence et de temps d'IÉNM.

Étalons à bouts (cales et barres étalons)

(A33-04-02-01 à A33-04-02-62)

L'interféromètre d'étalonnage des étalons à bouts du CNRC accepte les étalons à bouts en acier, en carbure et en céramique. Les étalonnages interférométriques de longueur sont effectués par la méthode des fractions exactes, à l'aide d'au moins trois longueurs d'onde émises par au moins deux sources de rayonnement. Seuls les cales de la meilleure qualité sont soumises à des mesures interférométriques. Elles sont d'abord inspectées pour vérifier que les surfaces des bouts sont planes et parallèles, et s'accolent à un plan optique de référence. Les cales étalons allant jusqu'à 100 mm sont étalonnées dans un plan vertical, accolés à un plan optique. L'instrument accepte jusqu'à 38 cales étalons à la fois. Les barres étalons allant de plus de 100 mm jusqu'à 1 m sont étalonnées une à la fois dans un plan horizontal, supportées à leurs points d'Airy, avec un bout accolé à un petit plan optique. L'incertitude d'étalonnage dépend de la qualité des étalons et, dans des conditions optimales, est limitée à (20 + 300 L) nm, où L est la longueur de la cale en mètres. Les étalons en acier sont désaimantés et recouverts d'un revêtement anti-rouille avant d'être retournés.

Les cales étalons rectangulaires (entre 1 mm et 100 mm) sont les plus faciles à étalonner. Les cales minces (moins de 1mm) et les cales prismatiques (section carrée) sont plus difficiles à inspecter et à mesurer.

L'étalonnage d'un jeu d'un ou de plusieurs étalons comprend la préparation des étalons à bouts (déballage, administration, montage des instruments, rapport et ré-emballage), ainsi que l'inspection et l'étalonnage de chaque type d'étalon dans le jeu.

Échelles précises

(A33-04-03-01 to A33-04-03-02)

L'interféromètre d'étalonnage des étalons à traits du CNRC accepte les échelles précises allant jusqu'à 1 m de long, gravées sur des substrats en métal ou en verre portant soit des traits sobres sur un plan très réfléchissant comme les barres étalons utilisées pour définir le mètre, soit des traits très réfléchissants sur un plan sombre comme les micromètres de platine de microscope et les échelles de codeur à effet de moiré. La longueur des intervalles entre les traits est étalonnée par comptage des longueurs d'onde optiques à mesure que l'échelle est déplacée sous un microscope photoélectrique qui détecte les traits. L'incertitude d'étalonnage dépend de la qualité des échelles. L'incertitude minimale (pas moins de 20 nm) n'est réalisable qu'avec les meilleures échelles en mode fixe, après beaucoup d'heures de travail. Le mode balayage est davantage automatisé, mais comporte une incertitude plus grande (pas moins de 100 nm). Les frais dépendent du nombre d'intervalles à étalonner.

Mires parlantes et jalons

(A33-04-05-01 to A33-04-05-02)

Les mires parlantes de trois mètres portant une échelle sur un ruban en invar et les jalons de 60 pouces, destinés à des systèmes de triangulation optique, sont étalonnés au moyen d'un comparateur Abbé à banc long, muni d'un interféromètre à laser. Dans des conditions optimales, ces objets peuvent être talonnés avec une incertitude qui dépend de leur qualité, mais qui n'est pas inférieure à 10 µm.

Étalons de rondeur et de la sphéricité

(A33-04-06-10 to A33-04-06-40)

Les diamètres de 5 à 300 mm sont mesurés sur une MMC, Mitutoyo Legex 707 à l'aide d'une technique de mesure par substitution employant des cales étalons. Les diamètres externes plus petits, jusqu'à 0,1 mm, sont mesurés sur un comparateur mécanique (SIP305M) 1-D. La meilleure incertitude de capacité de mesure dépend de la taille et de la qualité de l'artefact :

Cylindres externes (bouchons), 5 mm à 300 mm: U = [0.15 + 0.7D/1000] µm, D est le diamètre en millimètres

Cylindres externes (goupilles, fils), 0.1 mm à 5 mm: U = [0.25 + 0.01D] µm, D est le diamètre en millimètres

Cylindres internes (anneaux), 5 mm à 300 mm: U = [0.15 + 0.7D/1000] µm, D est le diamètre en millimètres

Balles, sphères, 5 mm à 250 mm: U = [0.15 + 0.7D/1000] µm, D est le diamètre en millimètres

Le diamètre d'un cylindre est habituellement mesuré selon la direction de référence marquée à travers le cercle, pris à trois élévations. Des mesures spéciales de diamètre sont disponibles et des travaux additionnels peuvent être effectués au prix de revient afin de réduire les incertitudes courantes citées.

L'arrondi et la sphéricité des artefacts avec un diamètre pouvant aller jusqu'à 350 mm et une hauteur pouvant atteindre 406 mm sont mesurés sur des instruments de type à porte-broche avec palpeur rotatif (TR73 HPR). Des étalonnages courants sont offerts pour :

Cylindres externes (bouchons), 5 mm à 350 mm diamètre

Cylindres internes (anneaux), 5 mm à 300 mm diamètre

Sphères et hémisphères, 5 mm à 250 mm diamètre

Avec des variations d'arrondi ne dépassant pas 400 mm. L'incertitude des meilleures mesure, est U = [17 + 11R] nm, où R est l'arrondi en micromètres. Habituellement, l'arrondi des cylindres est mesuré à 3 élévations (chargées comme traces distinctes). Des mesures spéciales d'arrondi sont disponibles et des travaux additionnels peuvent être effectués au prix de revient pour réduire les incertitudes courantes citées.

Les honoraires pour l'étalonnage d'étalons de diamètre et d'arrondi sont calculés en ajoutant les honoraires des mesures d'aspect particulier demandées (série A33-04-05-03x) à l'honoraire de base (A33-04-06-30).

Étalons d'angle

(A33-04-07-00 to A33-04-07-41)

L'installation d'étalonnage des angles est équipée d'une règle sinus optique interférométrique pour produire des angles allant jusqu'à 10 degré avec une exactitude de 0,005 secondes. Jumelé à un autocollimateur à 2 axes et d'une table d'indices précise, l'instrument permet d'étalonner divers dispositifs de mesure des angles : autocollimateurs à 1 et 2 axes, cales étalons d'angle, polygones optiques et tables d'indices. L'incertitude dépend de la qualité de l'étalon d'angle, mais n'est pas inférieure à 0,1seconde pour les étalonnages courants.

Étalons de rugosité des surfaces

Les mesures de rugosité des surfaces sont effectuées au moyen d'un appareil à style (RTH Form Talysurf), et une vaste gamme de paramètres de rugosité des surfaces peuvent être déterminés (Ra, Rq, Ry, Rz, etc.). La résolution de l'instrument est de 10 nm dans une plage de 6 mm. Les plaques de rugosité, les paliers et les sillons peuvent être mesurés avec une incertitude qui dépend de la qualité de l'étalon, mais qui n'est pas inférieure à 2% + 4 nm, quel que soit le paramètre.

Mesures de formes et de profils généraux

Les formes (dimensions et grandeurs) généraux s'incrivant dans une enveloppe de 700 mm x 700 mm x 450 mm peuvent être mesurés au moyen de la machine à mesurer les coordonnées de grande précision du Groupe (MMC, Mitutoyo Legex 707) avec une incertitude qui dépend de la qualité et des dimensions de l'étalon, mais qui n'est pas inférieure à 0,5 µm, et une incertitude volumétrique qui n'est pas inférieure à 0,8 µm. Les profils plus petits (jusqu'à 6 mm de haut sur 120 mm de long) peuvent être mesurés au moyen de l'instrument de mesure des profils à style RTH Form Talysurf, avec une incertitude de (5 L) nm, où L est la longueur du profil en millimètres, incertitude qui n'est pas inférieure à 100 nm.