Longueur et grandeurs dimensionnelles
Les références de longueur sont mises en oeuvres avec pour objectif de fournir aux utilisateurs la traçabilité au mètre. Pour parvenir à cette fin, il est nécessaire de développer des références dans deux sous-domaines distincts mais complémentaires :
- la longueur d'onde (qui englobe tous les travaux liés à l'application de la définition du mètre) ;
- les grandeurs dimensionnelles (qui concernent plus spécifiquement les étalons matériels).
La longueur d'onde
Depuis 1983 le mètre est rattaché directement à la seconde : « le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299 792 458 de seconde ». Cette définition fixe la valeur numérique de la célérité de la lumière dans le vide c0 qui est posée égale à 299 792 458 m/s.
Cette définition peut être mise en application :
- en mesurant l'intervalle de temps que met une impulsion lumineuse pour parcourir le trajet entre deux points pour déduire la distance séparant ces deux points ;
- en utilisant la relation caractérisant la propagation des ondes électromagnétiques dans le vide : l = c0 / n , qui relie la longueur d'onde de la radiation lumineuse l et sa fréquence n (ce qui revient à effectuer une mesure de fréquence) ;
- en utilisant un laser bien défini (transition utilisée pour l'asservissement, conditions expérimentales, ...) dont on connaît la longueur d'onde.
Ces trois méthodes constituent la mise en pratique de la définition du mètre. Pour des mesures à l'échelle du mètre, la dernière méthode est généralement employée. Le CIPM tient à jour une liste de longueurs d'ondes qui correspondent aux types les plus utilisés de lasers. Celle-ci définit :
- les radiations recommandées et les conditions expérimentales (type de laser, méthode d'asservissement, ...) ;
- les longueurs d'onde ainsi que les fréquences correspondantes ;
- les incertitudes types relatives pour chaque radiation.
Le LNE-INM met en oeuvre des lasers, essentiellement de conception interne, pour matérialiser quatre longueurs d'ondes de la mise en pratique qui correspondent aux principaux besoins de la métrologie dimensionnelle :
- 2 lasers He-Ne à 633 nm asservis sur l'iode ;
- 2 lasers Nd:YAG doublés en fréquence à 532 nm asservis sur l'iode (figure 1) ;
- 1 laser à colorant à colorant à 543 nm asservi sur l'iode ;
- 1 laser He-Ne à 612 nm asservis sur l'iode.
Ces lasers de référence sont utilisés en particulier pour étalonner au meilleur niveau d'incertitudes par la méthode du battement de fréquences les lasers du LNE qui servent à mesurer les étalons matériels avec des montages interférométriques.
Fig. 1. - Laser YAG doublé en fréquence à 532 nm et asservis sur l'iode
Les grandeurs dimensionnelles
La traçabilité à l'unité de longueur est réalisée essentiellement en milieu industriel au travers de deux grandes familles d'instruments de mesure :
- les instruments à côtes fixes (étalons à bouts, étalons à traits, calibres, ...) ;
- les instruments à côtes variables (pieds à coulisse, micromètres, comparateurs, ...).
Au meilleur niveau d'incertitude, la diffusion de l'unité de longueur, avec des étalons matériels, s'effectue principalement en utilisant des instruments à côtes fixes.
Des mesures de longueurs
S'agissant de la traçabilité en milieu industriel, les cales étalon jouent un rôle prépondérant. Au plus haut niveau d'incertitude elles sont étalonnées au LNE avec un banc interférométrique de Michelson (TESA-NPL) par la méthode des excédents fractionnaires en utilisant trois longueurs d'onde (543 nm, 612 nm et 633 nm). Ce banc permet d'étalonner les cales étalons entre 0,1 mm et 300 mm. Les moyens en place permettent également d'étalonner les cales étalon jusqu'à 3 m par comparaison interférométrique.
D'autre part, le LNE met en oeuvre toute une gamme de bancs permettant d'étalonner par comparaison interférométrique ou mécanique différents étalons matériels utilisés dans l'industrie (étalons à traits, tampons, piges, bagues, sphères, cales à gradins, ...).
Des mesures de formes
La connaissance de la géométrie d'un objet nécessite en plus des mesures de longueur, des mesures de formes. Il s'agit le plus souvent de comparer une forme à un objet géométrique (cercle, cylindre, droite, ...). Au LNE, deux bancs spécifiques sont mis en oeuvre pour :
- la mesure des écarts de circularité sur cylindres internes et externes ;
- la mesure des écarts de rectitude.
Des mesures d'angles
L'angle fait partie des grandeurs dimensionnelles. L'unité de cette grandeur est une unité SI dérivée : le radian (symbole : rad). Il est défini comme l'angle entre deux rayons d'un cercle qui découpent un arc de la longueur du rayon : son expression en unités SI de base est m·m-1. Dans la pratique les angles sont matérialisés en découpant le cercle le plus régulièrement possible.
Le LNE a développé avec l'Ensam de Lille un plateau à positionnement continu (figure 2) dont l'incertitude de rotation est de l'ordre de ± 0,03 secondes d'angle (± 1,5·10-7 rad). Ce plateau a été la première réalisation du laboratoire mettant en oeuvre le concept de structure métrologique dissociée (la structure liée à la mesure est dissociée de la structure porteuse). Il utilise deux codeurs commerciaux assemblés de manière à s'affranchir des erreurs de justesse propres à chacun des codeurs.
