Laser misurazione: sistemi e dispositivi di misurazione laser

La tecnologia laser è molto flessibile e si presta a essere usata in diversi ambiti della tecnica. In questo articolo vediamo come i laser vengono sfruttati per impieghi metrologici. Uno dei principali vantaggi di questi sistemi è che garantiscono elevate precisioni e sono dispositivi di misura che non perturbano il sistema con forze esterne perché sono senza contatto.

Triangolatore laser: come funziona

I triangolatori laser sono sistemi usati per applicazioni metrologiche piuttosto avanzate, dove servono elevate precisione e velocità nella misura. Dalla testa di misura, un diodo emette un fascio laser a bassa potenza perpendicolare alla superficie da misurare. Tale fascio, quando colpisce il target da misurare, rimbalza sulla superficie tornando alla testa di misura. Il fascio riflesso viene rilevato dall’unità di ricezione che è composta da tanti sottili segmenti sensibili affiancati tra loro. In funzione della distanza del target dalla testa di misura, il fascio colpisce differenti segmenti sensibili. Tramite analisi matematiche e trigonometriche, l’apparato di ricezione ricostruisce con estrema precisione la posizione del target a partire dalla luminosità rilevata da ciascuno dei segmenti sensibili.

Bisogna avere particolare cura del tipo di target da misurare e della sua finitura superficiale: in base al materiale, alla rugosità e al colore bisognerà selezionare i parametri ottimali del laser ed eventualmente fare aggiustamenti all’ottica.

I sistemi a triangolazione hanno velocità di campionamento molto elevate (anche centinaia di kHz), e altissime precisioni (sub-micrometriche), ma garantiscono comunque dei limitati range di misura (fino a qualche decina di millimetro).

Cos’è un calibro laser

Spesso, nei processi industriali automatizzati, c’è bisogno di eseguire un controllo a valle della lavorazione: si pensi ad esempio alla misura di diametri di alberi in uscita da una rettifica senza centri. In questi casi, si può usare un calibro laser. Questo dispositivo consiste in una sorgente che continua a emettere un fascio che esplora il campo di misura davanti a esso ad alta velocità. In pratica, il fascio laser si muove da un estremo all’altro della testa di emissione. Dalla parte opposta della sorgente, è presente il ricevitore che rileva il fascio che scansiona lo spazio tra le due teste. Quando si interpone tra le due teste l’oggetto da misurare, il ricevitore sarà parzialmente in ombra e la dimensione di tale ombra sarà pari alla dimensione dell’oggetto da misurare. La distanza in ombra viene ricavata indirettamente a partire dal tempo durante il quale la testa di ricezione rimane in ombra perché coperta dall’oggetto da misurare. Il tempo di ombra, grazie alla velocità di scansione, viene poi convertito nella dimensione che si vuole valutare.

Funzionamento di un laser scanner

I laser scanner sono sistemi molto usati nell’industria perché permettono di avere una rappresentazione matematica molto fedele di particolari reali. Questi sistemi, infatti, permettono di misurare grandi nuvole di punti sulla superficie del pezzo e ciò consente di fare delle comparazioni tra geometria nominale del CAD e geometria rilevata dal laser scanner. Il principio di funzionamento è basato sul tempo di volo o sullo sfasamento d’onda.

La geometria può essere rilevata tramite due principi: sfruttando un tastatore appoggiato al pezzo da misurare (ad esempio una sferetta movimentata dall’operatore) oppure misurando indistintamente tutto ciò che è davanti allo scanner laser e rilevando grandi quantità di coordinate 3D del pezzo da misurare, facendo poi convertire al CAD tali nuvole di punti in una geometria.

I pezzi da misurare possono essere relativamente piccoli, ma i laser scanner permettono di raggiungere range di misura anche di decine di metri, garantendo sempre precisioni molto buone.

Telemetri e distanziometri

Nell’ambito dell’edilizia i laser sono spesso impiegati nei cosiddetti telemetri o distanziometri per i rilevamenti di notevoli distanze. Si tratta di dispositivi che misurano distanze lineari ed angoli tra due punti. Questi sistemi garantiscono un eccellente rapporto tra range di misura e precisione: infatti è possibile misurare anche centinaia di metri, con precisione nell’ordine di alcuni millimetri. Questi strumenti sono prodotti con elevati standard di robustezza in quanto devono resistere alle condizioni sfavorevoli dei cantieri.

Il principio di funzionamento dei telemetri è basato sul tempo di volo. L’apparato di misura emette un fascio laser a bassa potenza e, nello stesso istante in cui viene attivata la sorgente laser, parte anche un cronometro. Quando il raggio riflesso colpisce il bersaglio (target) una porzione del raggio ritorna al telemetro facendo arrestare il cronometro. Grazie al valore noto della velocità della luce (in aria) e al tempo di andata e ritorno rilevato dal cronometro è facile ricavare la distanza percorsa.