CN103091336B - 检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统 - Google Patents

Abstract

本发明具体公开了一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，包括反射式光纤传感器探头、820纳米光发射器、光电转换器、信号处理集成电路板、PC机。820纳米光发射器能够为反射式光纤传感器探头提供光源，光电转换器接收820纳米光并转换为模拟量电压值，由信号处理集成电路板进行系统调零、检波、滤波、放大、A/D转换采集数据发送给PC机处理。将光纤传感技术应用到钢球表面质量检测中，实现了钢球表面质量的实时处理和自动化无损检测，并且能够同时测量多种缺陷参数。

Description

检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统

技术领域

本发明涉及一种检测系统，具体说是一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，尤其能够实现一种传感器多种缺陷测量。

背景技术

国标规定钢球表面质量包含表面缺陷，表面粗糙度和波纹度三个参数。但是目前用于钢球表面质量检测的仪器大多仅能检测其中的一个参数，而且测量速度很慢。对表面粗糙度工厂里广泛采用显微镜人工测量或者轮廓仪检查的方法，效率很低；对表面缺陷采用人工目检的传统方法，误检率高，或者引进国外钢球表面缺陷自动检测仪，价格昂贵，并且也仅检测表面缺陷这一个参数。检测效率的限制以及国外核心技术的封锁导致国内钢球质量分选按比例抽检，降低了钢球的可靠性，这已经成为我国钢球业发展的一个瓶颈。

发明内容

为了改变传统检测装置，本发明提供了一种充分利用反射式光纤传感器结构简单、非接触、无损检测的优点，把光纤传感器应用到缺陷检测领域，提供一种检测准确、高效的钢球表面缺陷在线检测系统。

本发明采用的技术方案如下：

一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，包括反射式光纤传感器探头、纳米光发射器、光电转换器、信号处理电路和PC机，所述的纳米光发射器为反射式光纤传感器探头提供光源，反射式光纤传感器探头采集钢球表面的缺陷，且将采集的信号发送给光电转换器，所述的光电转换器把转换后的信号发送给信号处理电路，信号处理电路处理后的信号发送给PC机。

所述的信号处理电路包括检波电路、滤波电路、放大电路和A/D转换电路，它们依次相连。

所述的反射式光纤传感器探头包括壳体、聚光透镜和光纤束，所述壳体底部设有聚光透镜，在聚光透镜的上部设有光纤束，所述的光纤束包括发射光纤束和接收光纤束，所述的发射光纤束和接收光纤束呈多圈同轴同心圆环排列，轴心是发射光纤束，由轴心依次向外是近轴心端接收光纤束、中间接收光纤束、远轴心端接收光纤束。

所述的光纤束从端部开始至第80毫米固定于壳体内。

所述的光纤束端面是与待测钢球曲度一样的球面。

所述的壳体的底端上设有玻璃窗口。

在所述的壳体内部设有束紧卡口。

所述的发射光纤束中单个发射光纤的数值孔径为0.11；所述的接收光纤束中单个接收光纤的数值孔径为0.22。

所述的接收光纤束有三圈，它们分别与3个光电转换器相连。

所述的光纤束中单个光纤的内径为105微米；外径为125微米。

所述的纳米光发射器为820纳米光发射器。

所述的反射式光纤传感器探头的发射光纤与820纳米光发射器相连。

所述的反射式光纤传感器探头有三圈接收光纤束分别与三个光电转换器相连，光电转换器对波长为820纳米的光敏感，一圈接收光纤对应一个光电转换器。

该系统的使用过程：由辅助的供给装置提供钢球，分选机构初步筛选大小合格的钢球，重力作用下，钢球沿滚道滚动下滑，支撑轮抬起进入展开装置，展开装置采用子午展开方式，由驱动轮、展开轮、支撑轮组成，展开轮是一个非对称圆锥滚子，使钢球产生定心挠动，能够充分的将钢球表面完全展开。反射式光纤传感器探头固定在正对球心位置，距离被测钢球表面为1500微米，探头的安装位置，既能保证近端接收光纤与中间接收光纤的信号比值在线性范围区域，又能保证远端接收光纤对粗糙度检测最敏感。

820纳米光发射器满足工作要求发光，经发射光纤传导照射在待测钢球表面，展开装置使钢球被动旋转，反射式光纤传感器探头扫描钢球表面，由于球面不平整的原因光在钢球表面发生镜面反射与漫反射，发射后的光强信息被三圈接收光纤束采集，接收光纤束采集到的光信号强度跟接收光纤束与被测面距离有关，不同圈的接收光纤束分别将光信号发送到光电转换器分三路进行光电转换，三路电信号分别由三套电路进行处理，检波、滤波、放大并且A/D转换采集数据发送给PC机。

PC机对采集到的电压信号进行处理，对近轴端接收信号与中间接收信号取比值以消除噪声干扰，进行双光束补偿，把比值数字信号以及远端数字信号分别按照钢球展开轨迹路径来排列，那么钢球表面形貌特征就能够恢复，形成的正常钢球表面是规则的球面点阵，而对于缺陷部位，点阵信息会发生错乱，结合点阵错乱程度与范围以及远端数字信号形成的粗糙度特征就能够判定缺陷类型、缺陷尺寸和缺陷等级；信息采集完成后，PC机对钢球判定好坏，展开轮抬起，不同缺陷级别的钢球落入不同滚道，检验完毕。

本发明的有益效果是：

该传感器系统在钢球表面缺陷检测上由传统的检测反射率来判断缺陷存在具体化为从表面凹缺陷、表面凸缺陷和表面反射率缺陷这几个参数综合评价缺陷，实现对表面缺陷检测的量化。表面凹缺陷、表面凸缺陷反映了位移量的变化，表面缺陷反射率反映了表面粗糙程度的变化，进而结合缺陷长度、宽度、以及缺陷数将钢球表面缺陷归类，判断出属于哪种缺陷和缺陷等级。

在对单一的位移量或反射率的变化检测时，比较容易测量，当这两个参数同时变化时，它们引起的光强变化趋势会叠加在一起，叠加效果出现不确定性，因此必须实现位移和粗糙度的分离提取，该新型采取了光束比较测量法，把接收光纤束不同圈的接收光强相比，比值是仅与不同圈光纤端面到反射体的距离有关的函数，而与光强的大小、反射体的粗糙度以及光纤传输损耗等因素无关，因此这种方法通过可以消掉反射率的影响，从而提取缺陷特征中的位移信息，准确检测出这种复合型缺陷。同轴光纤最外圈接收光纤束离发射光纤束较远，对位移变化最不敏感，而对反射率变化最敏感，可用来测量粗糙程度。聚光透镜能够使发射光纤发出的光不至于扩散的太快，近似认为是朗伯发光面。玻璃窗口起保护作用，而且使出射光与反射光能无障碍通过。

另外反射式光纤传感器探头在钢球表面缺陷检测上由传统的检测反射率来判断缺陷存在具体化为从表面缺陷深度、表面缺陷高度和表面缺陷反射率多参数评价缺陷，实现对表面缺陷检测的量化。表面缺陷深度、表面缺陷高度反映了位移量的变化，表面缺陷反射率反映了表面粗糙程度的变化，进而结合缺陷长度、宽度、以及缺陷数将钢球表面缺陷归类，判断出属于哪种缺陷和缺陷等级。

将光纤传感技术应用到钢球表面质量检测中，实现了钢球表面质量的实时处理和自动化无损检测，并且能够同时测量多种缺陷参数。

附图说明

图1是反射式光纤传感器检测钢球表面缺陷的系统框图；

图2是模拟信号处理电路框图；

图3是传感器探头示意图；

图4是光纤传感器外观示意图；

图5是光纤传感器探头纵剖面和钢球表面对应的示意图；

图中1.820纳米光发射器，2.反射式光纤传感器探头，3.待测钢球，4.光电转换器，5.信号处理电路，6.PC机，7.检波电路，8.滤波电路，9.放大电路，10.A/D转换电路，11.发射光纤束，12.近轴心端接收光纤束，13.中间接收光纤束，14.远端接收光纤束，15.壳体，16.聚光透镜，17.玻璃窗口，18、光纤束端面，19、钢球表面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、2、3、4、5所示，检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，包括反射式光纤传感器探头2、820纳米光发射器1、光电转换器4、信号处理电路5和PC机6，所述的820纳米光发射器1为反射式光纤传感器探头2提供光源，反射式光纤传感器探头2采集待测钢球3的钢球表面19的缺陷，且将采集的信号发送给光电转换器4，所述的光电转换器4把转换后的信号发送给信号处理电路5，信号处理电路5处理后的信号发送给PC机6。

所述的信号处理电路5包括检波电路7、滤波电路8、放大电路9和A/D转换电路10，它们依次相连。

所述的反射式光纤传感器探头2包括壳体15、聚光透镜16和光纤束，壳体15底部设有聚光透镜16，在聚光透镜16的上部设有光纤束，光纤束包括发射光纤束11和接收光纤束，发射光纤束11和接收光纤束呈多圈同轴同心圆环排列，轴心是发射光纤束11，由轴心依次向外是近轴心端接收光纤束12、中间接收光纤束13、远端接收光纤束14。壳体15的底端上设有玻璃窗口17。壳体15内部设有束紧卡口。光纤束端面与聚光透镜16相对应。单个发射光纤的数值孔径为0.11。单个接收光纤的数值孔径为0.22，如图3所示光纤束端面18与待测钢球表面19的曲度一样。所述的接收光纤束有三圈，它们分别与3个光电转换器4相连，光电转换器4对波长为820纳米的光敏感，三个光电转换器4与信号处理集成电路板5内部三套独立的电路系统相连，信号处理集成电路板5将信号处理采集并发送给PC机6，由PC机6综合判定，得出缺陷情况。

光纤束中单个光纤的内径为105微米；外径为125微米。

系统具体工作过程是，820纳米光发射器满足工作要求发射820纳米光，经发射光纤传导照射在待测钢球表面19，由于球面不平整的原因光在钢球表面19发生镜面反射与漫反射，光强信息被三圈接收光纤束采集，接收光纤束采集到的光信号强度跟接收光纤束与被测面距离有关，不同圈的接收光纤束分别将光信号发送到光电转换器4分三路进行光电转换，三路电信号分别由三套电路进行处理，检波、滤波、放大并且A/D转换电路10将转换后的信号发送给PC机6。PC机6对信号的具体处理过程是，反射式光纤传感器探头2扫描钢球表面19，它的扫描轨迹曲线路径是固定的，待测钢球3是一个完全对称的球体，无论从钢球表面19哪一点开始扫描对处理结果都没有影响，因此PC机6采集信号顺序也完全符合探头扫描先后顺序。所以按照扫描轨迹路线来排列采集到的信息，就能够形成三维形貌特征，那么就能够把缺陷长度与宽度反映出来。

传感器系统应用的是光纤传感技术，对钢球表面19缺陷进行检测。

传感器系统采用的反射式光纤传感器探头专门为检测钢球表面19设计，钢球表面19为曲面，光纤束端面18设计为相同曲率的曲面，利于光强补偿计算。

传感器系统采用一束发射光纤三圈接收光纤束，对三路光强信号分别处理转换为电压信号，并对处理后的两路电压取比值，进行双光束补偿。

传感器系统能够将位移缺陷与表面反射率缺陷分离提取，对缺陷信息综合评定。

传感器系统采用波长为820纳米的光源，能够有效消除外界可见杂散光的干扰增大检测准确度。

传感器系统能够将提取的信号整合为钢球表面19三维形貌特征，直观反映缺陷长度与缺陷宽度以及缺陷数目。

Claims (7)

1.一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，其特征在于，包括反射式光纤传感器探头、纳米光发射器、光电转换器、信号处理电路和PC机，所述的纳米光发射器为反射式光纤传感器探头提供光源，反射式光纤传感器探头采集钢球表面的缺陷，且将采集的信号发送给光电转换器，所述的光电转换器把转换后的信号发送给信号处理电路，信号处理电路处理后的信号发送给PC机；

其中，由辅助的供给装置提供钢球，分选机构初步筛选大小合格的钢球，重力作用下，钢球沿滚道滚动下滑，支撑轮抬起进入展开装置，展开装置采用子午展开方式，由驱动轮、展开轮、支撑轮组成，展开轮是一个非对称圆锥滚子，使钢球产生定心挠动，能够充分的将钢球表面完全展开；反射式光纤传感器探头固定在正对球心位置，距离被测钢球表面为1500微米，探头的安装位置，既能保证近端接收光纤与中间接收光纤的信号比值在线性范围区域，又能保证远端接收光纤对粗糙度检测最敏感；

纳米光发射器满足工作要求发光，经发射光纤传导照射在待测钢球表面，展开装置使钢球被动旋转，反射式光纤传感器探头扫描钢球表面，由于球面不平整的原因光在钢球表面发生镜面反射与漫反射，发射后的光强信息被三圈接收光纤束采集，接收光纤束采集到的光信号强度跟接收光纤束与被测面距离有关，不同圈的接收光纤束分别将光信号发送到光电转换器分三路进行光电转换，三路电信号分别由三套电路进行处理，检波、滤波、放大并且A/D转换采集数据发送给PC机；

所述的反射式光纤传感器探头包括壳体、聚光透镜和光纤束，所述壳体底部设有聚光透镜，在聚光透镜的上部设有光纤束，所述的光纤束包括发射光纤束和接收光纤束，所述的发射光纤束和接收光纤束呈多圈同轴同心圆环排列，轴心是发射光纤束，由轴心依次向外是近轴心端接收光纤束、中间接收光纤束、远轴心端接收光纤束；

所述的壳体的底端上设有玻璃窗口；

所述的光纤束端面是与待测钢球曲度一样的球面。

2.如权利要求1所述的一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，其特征在于：所述的信号处理电路包括检波电路、滤波电路、放大电路和A/D转换电路，它们依次相连。

3.如权利要求1所述的一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，其特征在于：所述的光纤束从端部开始至第80毫米固定于壳体内。

4.如权利要求1所述的一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，其特征在于：在所述的壳体内部设有束紧卡口。

5.如权利要求1所述的一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，其特征在于：所述的发射光纤束中单个发射光纤的数值孔径为0.11；所述的接收光纤束中单个接收光纤的数值孔径为0.22；所述的光纤束中单个光纤的内径为105微米；外径为125微米。

6.如权利要求1所述的一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，其特征在于：所述的反射式光纤传感器探头的发射光纤与纳米光发射器相连。

7.如权利要求1所述的一种检测钢球表面缺陷的光纤传感器系统，其特征在于：所述的接收光纤束有三圈，它们分别与三个光电转换器相连。